$u = \theta + \log r$, $x = r^2 \cos \theta$, $y = r \sin \theta$ が与えられている。 (1) $(r, \theta) = (1, \pi/4)$ における $\frac{\partial r}{\partial x}$, $\frac{\partial \theta}{\partial x}$, $\frac{\partial r}{\partial y}$, $\frac{\partial \theta}{\partial y}$ を求める。 (2) $(r, \theta) = (1, \pi/4)$ における $\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y}$ を求める。

解析学偏微分ヤコビアン合成関数の微分
2025/7/16

1. 問題の内容

u=θ+logru = \theta + \log r, x=r2cosθx = r^2 \cos \theta, y=rsinθy = r \sin \theta が与えられている。
(1) (r,θ)=(1,π/4)(r, \theta) = (1, \pi/4) における rx\frac{\partial r}{\partial x}, θx\frac{\partial \theta}{\partial x}, ry\frac{\partial r}{\partial y}, θy\frac{\partial \theta}{\partial y} を求める。
(2) (r,θ)=(1,π/4)(r, \theta) = (1, \pi/4) における ux+uy\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} を求める。

2. 解き方の手順

(1) まず、x=r2cosθx = r^2 \cos \thetay=rsinθy = r \sin \theta から xr\frac{\partial x}{\partial r}, xθ\frac{\partial x}{\partial \theta}, yr\frac{\partial y}{\partial r}, yθ\frac{\partial y}{\partial \theta} を計算する。
xr=2rcosθ\frac{\partial x}{\partial r} = 2r \cos \theta
xθ=r2sinθ\frac{\partial x}{\partial \theta} = -r^2 \sin \theta
yr=sinθ\frac{\partial y}{\partial r} = \sin \theta
yθ=rcosθ\frac{\partial y}{\partial \theta} = r \cos \theta
次に、ヤコビアン J=(x,y)(r,θ)J = \frac{\partial (x, y)}{\partial (r, \theta)} を計算する。
J=xryθxθyr=(2rcosθ)(rcosθ)(r2sinθ)(sinθ)=2r2cos2θ+r2sin2θ=r2(2cos2θ+sin2θ)J = \frac{\partial x}{\partial r} \frac{\partial y}{\partial \theta} - \frac{\partial x}{\partial \theta} \frac{\partial y}{\partial r} = (2r \cos \theta)(r \cos \theta) - (-r^2 \sin \theta)(\sin \theta) = 2r^2 \cos^2 \theta + r^2 \sin^2 \theta = r^2(2 \cos^2 \theta + \sin^2 \theta)
(r,θ)=(1,π/4)(r, \theta) = (1, \pi/4) のとき、cos(π/4)=sin(π/4)=12\cos (\pi/4) = \sin (\pi/4) = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、
J=12(2(12)2+(12)2)=212+12=1+12=32J = 1^2 \left( 2 \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 + \left( \frac{1}{\sqrt{2}} \right)^2 \right) = 2 \cdot \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 1 + \frac{1}{2} = \frac{3}{2}
次に、逆ヤコビアンを使って rx\frac{\partial r}{\partial x}, θx\frac{\partial \theta}{\partial x}, ry\frac{\partial r}{\partial y}, θy\frac{\partial \theta}{\partial y} を計算する。
rx=1Jyθ=1Jrcosθ=13/2112=2312=23\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{1}{J} \frac{\partial y}{\partial \theta} = \frac{1}{J} r \cos \theta = \frac{1}{3/2} \cdot 1 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{2}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{3}
θx=1Jyr=1Jsinθ=13/212=2312=23\frac{\partial \theta}{\partial x} = \frac{-1}{J} \frac{\partial y}{\partial r} = \frac{-1}{J} \sin \theta = \frac{-1}{3/2} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = -\frac{2}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{3}
ry=1Jxθ=1J(r2sinθ)=r2sinθJ=12123/2=2312=23\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{-1}{J} \frac{\partial x}{\partial \theta} = \frac{-1}{J} (-r^2 \sin \theta) = \frac{r^2 \sin \theta}{J} = \frac{1^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}}}{3/2} = \frac{2}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{2}}{3}
θy=1Jxr=1J(2rcosθ)=2rcosθJ=21123/2=4312=223\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{1}{J} \frac{\partial x}{\partial r} = \frac{1}{J} (2r \cos \theta) = \frac{2r \cos \theta}{J} = \frac{2 \cdot 1 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}}}{3/2} = \frac{4}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{2\sqrt{2}}{3}
(2) ux=urrx+uθθx\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial x}
uy=urry+uθθy\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial y} + \frac{\partial u}{\partial \theta} \frac{\partial \theta}{\partial y}
u=θ+logru = \theta + \log r より
ur=1r\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{1}{r}
uθ=1\frac{\partial u}{\partial \theta} = 1
したがって、
ux=1rrx+θx=1123+(23)=2323=0\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{1}{r} \frac{\partial r}{\partial x} + \frac{\partial \theta}{\partial x} = \frac{1}{1} \frac{\sqrt{2}}{3} + (-\frac{\sqrt{2}}{3}) = \frac{\sqrt{2}}{3} - \frac{\sqrt{2}}{3} = 0
uy=1rry+θy=1123+223=23+223=323=2\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{1}{r} \frac{\partial r}{\partial y} + \frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{1}{1} \frac{\sqrt{2}}{3} + \frac{2\sqrt{2}}{3} = \frac{\sqrt{2}}{3} + \frac{2\sqrt{2}}{3} = \frac{3\sqrt{2}}{3} = \sqrt{2}
ux+uy=0+2=2\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} = 0 + \sqrt{2} = \sqrt{2}

3. 最終的な答え

(1) rx=23\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{\sqrt{2}}{3}, θx=23\frac{\partial \theta}{\partial x} = -\frac{\sqrt{2}}{3}, ry=23\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{\sqrt{2}}{3}, θy=223\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{2\sqrt{2}}{3}
(2) ux+uy=2\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y} = \sqrt{2}

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