(1) $f(x, y) = \sin y + e^x - xy^2 = 0$ から $\frac{dy}{dx}$ を求めます。 (2) $f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0$ から $\frac{\partial z}{\partial x}$, $\frac{\partial z}{\partial y}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を求めます。

解析学陰関数偏微分偏導関数微分
2025/7/16

1. 問題の内容

(1) f(x,y)=siny+exxy2=0f(x, y) = \sin y + e^x - xy^2 = 0 から dydx\frac{dy}{dx} を求めます。
(2) f(x,y,z)=x2+y2+z24z=0f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0 から zx\frac{\partial z}{\partial x}, zy\frac{\partial z}{\partial y}, 2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}, 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を求めます。

2. 解き方の手順

(1) 陰関数の微分法を使います。f(x,y)=0f(x, y) = 0xx で微分すると、
fx+fydydx=0\frac{\partial f}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{dy}{dx} = 0
より、
dydx=f/xf/y\frac{dy}{dx} = - \frac{\partial f / \partial x}{\partial f / \partial y}
となります。
fx=exy2\frac{\partial f}{\partial x} = e^x - y^2
fy=cosy2xy\frac{\partial f}{\partial y} = \cos y - 2xy
したがって、
dydx=exy2cosy2xy=y2excosy2xy\frac{dy}{dx} = - \frac{e^x - y^2}{\cos y - 2xy} = \frac{y^2 - e^x}{\cos y - 2xy}
(2) まず、f(x,y,z)=x2+y2+z24z=0f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0xxyyで偏微分します。
fx=2x+2zzx4zx=0\frac{\partial f}{\partial x} = 2x + 2z \frac{\partial z}{\partial x} - 4\frac{\partial z}{\partial x} = 0
(2z4)zx=2x(2z - 4) \frac{\partial z}{\partial x} = -2x
zx=2x2z4=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{-2x}{2z - 4} = \frac{x}{2 - z}
fy=2y+2zzy4zy=0\frac{\partial f}{\partial y} = 2y + 2z \frac{\partial z}{\partial y} - 4\frac{\partial z}{\partial y} = 0
(2z4)zy=2y(2z - 4) \frac{\partial z}{\partial y} = -2y
zy=2y2z4=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{-2y}{2z - 4} = \frac{y}{2 - z}
次に、zx\frac{\partial z}{\partial x}xxで偏微分します。
2zx2=x(x2z)=1(2z)x(zx)(2z)2=2z+xzx(2z)2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} \left( \frac{x}{2 - z} \right) = \frac{1 \cdot (2 - z) - x \cdot (-\frac{\partial z}{\partial x})}{(2 - z)^2} = \frac{2 - z + x \frac{\partial z}{\partial x}}{(2 - z)^2}
zx=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{x}{2 - z}を代入すると、
2zx2=2z+xx2z(2z)2=(2z)2+x2(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{2 - z + x \cdot \frac{x}{2 - z}}{(2 - z)^2} = \frac{(2 - z)^2 + x^2}{(2 - z)^3}
次に、zx\frac{\partial z}{\partial x}yyで偏微分します。
2zxy=y(x2z)=0(2z)x(zy)(2z)2=xzy(2z)2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{x}{2 - z} \right) = \frac{0 \cdot (2 - z) - x \cdot (-\frac{\partial z}{\partial y})}{(2 - z)^2} = \frac{x \frac{\partial z}{\partial y}}{(2 - z)^2}
zy=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{y}{2 - z}を代入すると、
2zxy=xy2z(2z)2=xy(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{x \cdot \frac{y}{2 - z}}{(2 - z)^2} = \frac{xy}{(2 - z)^3}

3. 最終的な答え

(1) dydx=y2excosy2xy\frac{dy}{dx} = \frac{y^2 - e^x}{\cos y - 2xy}
(2) zx=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{x}{2 - z}
zy=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{y}{2 - z}
2zx2=(2z)2+x2(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{(2 - z)^2 + x^2}{(2 - z)^3}
2zxy=xy(2z)3\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{xy}{(2 - z)^3}

「解析学」の関連問題

$m, n \in \mathbb{N}$ (自然数)とするとき、$B(m,n) = \frac{P(m)P(n)}{P(m+n)}$ を示す問題です。ここで、$P(x)$はガンマ関数 $\Gamma...

ベータ関数ガンマ関数積分
2025/7/17

$m, n \in \mathbb{N}$ とする。 ベータ関数 $B(m, n)$ が、ガンマ関数 $\Gamma(m)$, $\Gamma(n)$, $\Gamma(m+n)$ を用いて、以下の式...

ベータ関数ガンマ関数積分変数変換
2025/7/17

不定積分 $\int \frac{\cos x}{5\sin x - 7} dx$ を計算する問題です。

不定積分置換積分三角関数積分
2025/7/17

$\int \frac{\sin t}{7-3\sin^2 t} dt$ を計算せよ。

積分置換積分三角関数arctan
2025/7/17

$\int \frac{\sin t}{7 - 3 \sin^2 t} dt$ を計算せよ。

積分三角関数置換積分
2025/7/17

不定積分 $\int \frac{\tan x}{\cos^2 x} dx$ を計算する。

不定積分三角関数置換積分積分計算
2025/7/17

問題1:関数 $f(x) = (x^2 + 1)(2x - 3)^2$ について、曲線 $y = f(x)$ の $x = 1$ における微分係数を求めよ。 問題2:次の関数の3次導関数を求めよ。 (...

微分微分係数導関数合成関数の微分積の微分
2025/7/17

ガンマ関数について、$\Gamma(s+1) = s\Gamma(s)$ を示す問題です。

ガンマ関数積分部分積分
2025/7/17

問題1は関数 $f(x) = (x^2+1)(2x-3)^2$ について、曲線 $y=f(x)$ の $x=1$ における微分係数を求める問題です。 問題2は、(1) $y = x^5 - 4x^2 ...

微分導関数微分係数多項式分数関数
2025/7/17

以下の極限を計算します。 $\lim_{x \to -\infty} (1-x)^{\frac{1}{x}}$

極限ロピタルの定理指数関数対数関数
2025/7/17