$u = x^2 - y^2$ と $v = xy^3$ という関係式が与えられています。このとき、$(x, y) = (2, 1)$ における $\frac{\partial x}{\partial u}$, $\frac{\partial y}{\partial u}$, $\frac{\partial x}{\partial v}$, $\frac{\partial y}{\partial v}$ の値を求める問題です。

解析学偏微分ヤコビアン
2025/7/18

1. 問題の内容

u=x2y2u = x^2 - y^2v=xy3v = xy^3 という関係式が与えられています。このとき、(x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1) における xu\frac{\partial x}{\partial u}, yu\frac{\partial y}{\partial u}, xv\frac{\partial x}{\partial v}, yv\frac{\partial y}{\partial v} の値を求める問題です。

2. 解き方の手順

まず、ux,uy,vx,vy\frac{\partial u}{\partial x}, \frac{\partial u}{\partial y}, \frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y} を計算します。
ux=2x \frac{\partial u}{\partial x} = 2x
uy=2y \frac{\partial u}{\partial y} = -2y
vx=y3 \frac{\partial v}{\partial x} = y^3
vy=3xy2 \frac{\partial v}{\partial y} = 3xy^2
次に、ヤコビアン JJ を計算します。
J=(u,v)(x,y)=uxuyvxvy=uxvyuyvx J = \frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} & \frac{\partial u}{\partial y} \\ \frac{\partial v}{\partial x} & \frac{\partial v}{\partial y} \end{vmatrix} = \frac{\partial u}{\partial x} \frac{\partial v}{\partial y} - \frac{\partial u}{\partial y} \frac{\partial v}{\partial x}
J=(2x)(3xy2)(2y)(y3)=6x2y2+2y4 J = (2x)(3xy^2) - (-2y)(y^3) = 6x^2y^2 + 2y^4
(x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1) における JJ の値を計算します。
J(2,1)=6(22)(12)+2(14)=6(4)(1)+2(1)=24+2=26 J(2, 1) = 6(2^2)(1^2) + 2(1^4) = 6(4)(1) + 2(1) = 24 + 2 = 26
(x,y)(u,v)\frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}(u,v)(x,y)\frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} の逆数なので、
xu=1Jvy \frac{\partial x}{\partial u} = \frac{1}{J} \frac{\partial v}{\partial y}
yu=1Jvx \frac{\partial y}{\partial u} = -\frac{1}{J} \frac{\partial v}{\partial x}
xv=1Juy \frac{\partial x}{\partial v} = -\frac{1}{J} \frac{\partial u}{\partial y}
yv=1Jux \frac{\partial y}{\partial v} = \frac{1}{J} \frac{\partial u}{\partial x}
(x,y)=(2,1)(x, y) = (2, 1) におけるそれぞれの偏導関数の値を計算します。
ux(2,1)=2(2)=4\frac{\partial u}{\partial x} (2,1) = 2(2) = 4
uy(2,1)=2(1)=2\frac{\partial u}{\partial y} (2,1) = -2(1) = -2
vx(2,1)=(1)3=1\frac{\partial v}{\partial x} (2,1) = (1)^3 = 1
vy(2,1)=3(2)(1)2=6\frac{\partial v}{\partial y} (2,1) = 3(2)(1)^2 = 6
よって、
xu(2,1)=126(6)=626=313 \frac{\partial x}{\partial u} (2,1) = \frac{1}{26} (6) = \frac{6}{26} = \frac{3}{13}
yu(2,1)=126(1)=126 \frac{\partial y}{\partial u} (2,1) = -\frac{1}{26} (1) = -\frac{1}{26}
xv(2,1)=126(2)=226=113 \frac{\partial x}{\partial v} (2,1) = -\frac{1}{26} (-2) = \frac{2}{26} = \frac{1}{13}
yv(2,1)=126(4)=426=213 \frac{\partial y}{\partial v} (2,1) = \frac{1}{26} (4) = \frac{4}{26} = \frac{2}{13}

3. 最終的な答え

xu=313\frac{\partial x}{\partial u} = \frac{3}{13}
yu=126\frac{\partial y}{\partial u} = -\frac{1}{26}
xv=113\frac{\partial x}{\partial v} = \frac{1}{13}
yv=213\frac{\partial y}{\partial v} = \frac{2}{13}

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