$u = \theta + \log r$, $x = r^2 \cos \theta$, $y = r \sin \theta$ が与えられたとき、以下の問題を解く。 (1) $(r, \theta) = (1, \pi/4)$ における $\frac{\partial r}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial r}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial y}$ を求めよ。 (2) $(r, \theta) = (1, \pi/4)$ における $\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial u}{\partial y}$ を求めよ。

解析学偏微分ヤコビアン合成関数の偏微分
2025/7/17

1. 問題の内容

u=θ+logru = \theta + \log r, x=r2cosθx = r^2 \cos \theta, y=rsinθy = r \sin \theta が与えられたとき、以下の問題を解く。
(1) (r,θ)=(1,π/4)(r, \theta) = (1, \pi/4) における rx,θx,ry,θy\frac{\partial r}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial r}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial y} を求めよ。
(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} を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) まず、xxyyrrθ\thetaで偏微分する。
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、逆関数の偏微分の公式を用いる。
rx=yθJ\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{\frac{\partial y}{\partial \theta}}{J}
θx=yrJ\frac{\partial \theta}{\partial x} = -\frac{\frac{\partial y}{\partial r}}{J}
ry=xθJ\frac{\partial r}{\partial y} = -\frac{\frac{\partial x}{\partial \theta}}{J}
θy=xrJ\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{\frac{\partial x}{\partial r}}{J}
ここで、JJはヤコビアンで、
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、cosθ=sinθ=12\cos \theta = \sin \theta = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、
xr=212=2\frac{\partial x}{\partial r} = 2 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}
xθ=112=12\frac{\partial x}{\partial \theta} = -1 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = -\frac{1}{\sqrt{2}}
yr=12\frac{\partial y}{\partial r} = \frac{1}{\sqrt{2}}
yθ=112=12\frac{\partial y}{\partial \theta} = 1 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}
J=1(2(12)2+(12)2)=1(212+12)=32J = 1 \cdot (2 (\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2) = 1 \cdot (2 \cdot \frac{1}{2} + \frac{1}{2}) = \frac{3}{2}
rx=1232=1223=23\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{\frac{1}{\sqrt{2}}}{\frac{3}{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{2}{3} = \frac{\sqrt{2}}{3}
θx=1232=1223=23\frac{\partial \theta}{\partial x} = -\frac{\frac{1}{\sqrt{2}}}{\frac{3}{2}} = -\frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{2}{3} = -\frac{\sqrt{2}}{3}
ry=1232=1223=23\frac{\partial r}{\partial y} = -\frac{-\frac{1}{\sqrt{2}}}{\frac{3}{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{2}{3} = \frac{\sqrt{2}}{3}
θy=232=223=223\frac{\partial \theta}{\partial y} = \frac{\sqrt{2}}{\frac{3}{2}} = \sqrt{2} \cdot \frac{2}{3} = \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}
ur=1r\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{1}{r}, uθ=1\frac{\partial u}{\partial \theta} = 1
(r,θ)=(1,π/4)(r, \theta) = (1, \pi/4) のとき、ur=1\frac{\partial u}{\partial r} = 1
ux=123+1(23)=0\frac{\partial u}{\partial x} = 1 \cdot \frac{\sqrt{2}}{3} + 1 \cdot (-\frac{\sqrt{2}}{3}) = 0
uy=123+1223=323=2\frac{\partial u}{\partial y} = 1 \cdot \frac{\sqrt{2}}{3} + 1 \cdot \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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