$x = e^u \cos v$, $y = e^u \sin v$, $z = uv$ のとき、$\frac{\partial z}{\partial x}$ と $\frac{\partial z}{\partial y}$ を求めよ。

解析学偏微分連鎖律ヤコビアン
2025/7/17

1. 問題の内容

x=eucosvx = e^u \cos v, y=eusinvy = e^u \sin v, z=uvz = uv のとき、zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} を求めよ。

2. 解き方の手順

zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} を求めるために、連鎖律を使う。
まず、zu\frac{\partial z}{\partial u}, zv\frac{\partial z}{\partial v}, xu\frac{\partial x}{\partial u}, xv\frac{\partial x}{\partial v}, yu\frac{\partial y}{\partial u}, yv\frac{\partial y}{\partial v} を求める。
z=uvz = uv より、
zu=v\frac{\partial z}{\partial u} = v
zv=u\frac{\partial z}{\partial v} = u
x=eucosvx = e^u \cos v より、
xu=eucosv\frac{\partial x}{\partial u} = e^u \cos v
xv=eusinv\frac{\partial x}{\partial v} = -e^u \sin v
y=eusinvy = e^u \sin v より、
yu=eusinv\frac{\partial y}{\partial u} = e^u \sin v
yv=eucosv\frac{\partial y}{\partial v} = e^u \cos v
次に、ux\frac{\partial u}{\partial x}, vx\frac{\partial v}{\partial x}, uy\frac{\partial u}{\partial y}, vy\frac{\partial v}{\partial y} を求める。
ux=yvJ\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\frac{\partial y}{\partial v}}{J}
vx=yuJ\frac{\partial v}{\partial x} = -\frac{\frac{\partial y}{\partial u}}{J}
uy=xvJ\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\frac{\partial x}{\partial v}}{J}
vy=xuJ\frac{\partial v}{\partial y} = \frac{\frac{\partial x}{\partial u}}{J}
ここで、J=xuyvxvyuJ = \frac{\partial x}{\partial u}\frac{\partial y}{\partial v} - \frac{\partial x}{\partial v}\frac{\partial y}{\partial u} はヤコビアンである。
J=(eucosv)(eucosv)(eusinv)(eusinv)=e2ucos2v+e2usin2v=e2uJ = (e^u \cos v)(e^u \cos v) - (-e^u \sin v)(e^u \sin v) = e^{2u} \cos^2 v + e^{2u} \sin^2 v = e^{2u}
よって、
ux=eucosve2u=eucosv\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{e^u \cos v}{e^{2u}} = e^{-u} \cos v
vx=eusinve2u=eusinv\frac{\partial v}{\partial x} = -\frac{e^u \sin v}{e^{2u}} = -e^{-u} \sin v
uy=eusinve2u=eusinv\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{-e^u \sin v}{e^{2u}} = e^{-u} \sin v
vy=eucosve2u=eucosv\frac{\partial v}{\partial y} = \frac{e^u \cos v}{e^{2u}} = e^{-u} \cos v
最後に、zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} を計算する。
zx=zuux+zvvx=v(eucosv)+u(eusinv)=eu(vcosvusinv)\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x} = v(e^{-u} \cos v) + u(-e^{-u} \sin v) = e^{-u}(v \cos v - u \sin v)
zy=zuuy+zvvy=v(eusinv)+u(eucosv)=eu(vsinv+ucosv)\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y} = v(e^{-u} \sin v) + u(e^{-u} \cos v) = e^{-u}(v \sin v + u \cos v)

3. 最終的な答え

zx=eu(vcosvusinv)\frac{\partial z}{\partial x} = e^{-u}(v \cos v - u \sin v)
zy=eu(vsinv+ucosv)\frac{\partial z}{\partial y} = e^{-u}(v \sin v + u \cos v)

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