$z = f(x,y)$ を $R^2$ 上の $C^2$ 級関数とする。また、$u = x + \alpha y$, $v = x + \beta y$ とする ($\alpha \neq \beta$)。 (1) $\frac{\partial z}{\partial u}$ を $\frac{\partial z}{\partial x}$, $\frac{\partial z}{\partial y}$ を用いて表せ。 (2) $\frac{\partial f_v}{\partial u}$ を $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を用いて表せ。 (3) $\frac{\partial f_v}{\partial v}$ を $\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$ を用いて表せ。 (4) (1)から(3)を用いて$\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v}$ を $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$, $\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$ を用いて表せ。 (5) ここで $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$ を仮定する。このとき、関数 $z = f(x,y)$ に依存せずに $\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = 0$ となる組 $(\alpha, \beta)$ を求めよ。

解析学偏微分合成関数の微分変数変換偏微分方程式
2025/7/18

1. 問題の内容

z=f(x,y)z = f(x,y)R2R^2 上の C2C^2 級関数とする。また、u=x+αyu = x + \alpha y, v=x+βyv = x + \beta y とする (αβ\alpha \neq \beta)。
(1) zu\frac{\partial z}{\partial u}zx\frac{\partial z}{\partial x}, zy\frac{\partial z}{\partial y} を用いて表せ。
(2) fvu\frac{\partial f_v}{\partial u}2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}, 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を用いて表せ。
(3) fvv\frac{\partial f_v}{\partial v}2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}, 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} を用いて表せ。
(4) (1)から(3)を用いて2zuv\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v}2zx2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}, 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}, 2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} を用いて表せ。
(5) ここで 2zx2=2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} を仮定する。このとき、関数 z=f(x,y)z = f(x,y) に依存せずに 2zuv=0\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = 0 となる組 (α,β)(\alpha, \beta) を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) 合成関数の微分より、
zu=zxxu+zyyu\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u}
u=x+αyu = x + \alpha y より、x=uαyx = u - \alpha y。したがって xu=1\frac{\partial x}{\partial u} = 1, yu=0\frac{\partial y}{\partial u} = 0
よって
zu=zx(1)+zy(0)=zx\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} (1) + \frac{\partial z}{\partial y} (0) = \frac{\partial z}{\partial x}
(2) 同様に、
zv=zxxv+zyyv\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v}
v=x+βyv = x + \beta y より、x=vβyx = v - \beta y。したがって xv=1\frac{\partial x}{\partial v} = 1, yv=0\frac{\partial y}{\partial v} = 0
よって
zv=zx(1)+zy(0)=zx\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} (1) + \frac{\partial z}{\partial y} (0) = \frac{\partial z}{\partial x}
ここで、fv=zvf_v = \frac{\partial z}{\partial v}とおくと、(2)より
u(zv)=u(zx)=2zx2xu+2zxyyu\frac{\partial}{\partial u} \left(\frac{\partial z}{\partial v} \right) = \frac{\partial}{\partial u} \left( \frac{\partial z}{\partial x} \right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial u}
u=x+αyu = x + \alpha y より xu=1,yu=0\frac{\partial x}{\partial u} = 1, \frac{\partial y}{\partial u} = 0
よって、fvu=2zx2\frac{\partial f_v}{\partial u} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}
(3)
v(zv)=v(zx)=2zx2xv+2zxyyv\frac{\partial}{\partial v} \left(\frac{\partial z}{\partial v} \right) = \frac{\partial}{\partial v} \left( \frac{\partial z}{\partial x} \right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial v}
v=x+βyv = x + \beta y より xv=1,yv=0\frac{\partial x}{\partial v} = 1, \frac{\partial y}{\partial v} = 0
よって、fvv=2zx2\frac{\partial f_v}{\partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}
ここから先の問題文は、(2)(3)が誤りであり、以下のように解釈する。
(2) u(zy)\frac{\partial}{\partial u}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right)2zxy,2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}, \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}を用いて表せ。
(3) v(zx)\frac{\partial}{\partial v}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)2zx2,2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}, \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}を用いて表せ。
(2)
u(zy)=2zxyxu+2zy2yu\frac{\partial}{\partial u}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}\frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}\frac{\partial y}{\partial u}
u=x+αyu = x + \alpha y より xu=1,yu=0\frac{\partial x}{\partial u} = 1, \frac{\partial y}{\partial u} = 0 ではない。
y=1αu1αxy = \frac{1}{\alpha}u - \frac{1}{\alpha}x より yu=1α\frac{\partial y}{\partial u} = \frac{1}{\alpha}
よって、u(zy)=2zxy+1α2zy2\frac{\partial}{\partial u}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} + \frac{1}{\alpha} \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}
(3)
v(zx)=2zx2xv+2zxyyv\frac{\partial}{\partial v}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}\frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}\frac{\partial y}{\partial v}
v=x+βyv = x + \beta y より xv=1,yv=0\frac{\partial x}{\partial v} = 1, \frac{\partial y}{\partial v} = 0 ではない。
y=1βv1βxy = \frac{1}{\beta}v - \frac{1}{\beta}x より yv=1β\frac{\partial y}{\partial v} = \frac{1}{\beta}
よって、v(zx)=2zx2+1β2zxy\frac{\partial}{\partial v}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\beta} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
(4) 2zuv=u(zv)=u(zx)\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial}{\partial u} \left( \frac{\partial z}{\partial v} \right) = \frac{\partial}{\partial u} \left( \frac{\partial z}{\partial x} \right)
=2zx2xu+2zxyyu=\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial u}
u=x+αyu = x + \alpha y より xu=1\frac{\partial x}{\partial u} = 1, y=1αu1αxy = \frac{1}{\alpha} u - \frac{1}{\alpha}x より yu=1α\frac{\partial y}{\partial u} = \frac{1}{\alpha}
2zuv=2zx2+1α2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
2zvu=v(zu)=v(zx)\frac{\partial^2 z}{\partial v \partial u} = \frac{\partial}{\partial v} \left( \frac{\partial z}{\partial u} \right) = \frac{\partial}{\partial v} \left( \frac{\partial z}{\partial x} \right)
=2zx2xv+2zxyyv=\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial v}
v=x+βyv = x + \beta y より x=vβyx = v - \beta y より xv=1\frac{\partial x}{\partial v} = 1, y=1βv1βxy = \frac{1}{\beta} v - \frac{1}{\beta}x より yv=1β\frac{\partial y}{\partial v} = \frac{1}{\beta}
2zvu=2zx2+1β2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial v \partial u} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\beta} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
C2C^2級関数なので、2zuv=2zvu\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial v \partial u}
よって、2zx2+1α2zxy=2zx2+1β2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\beta} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
1α2zxy=1β2zxy\frac{1}{\alpha} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{1}{\beta} \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
1α=1β\frac{1}{\alpha} = \frac{1}{\beta}
よってα=β\alpha = \beta
しかし、αβ\alpha \neq \betaという条件があるので、2zxy=0\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = 0でなければならない。
(5)
2zx2=2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}2zuv=0\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = 0 より、
2zuv=2zx2+1α2zxy=0\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha}\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = 0
2zvu=vuz=(x+1βy)uz=(x+1βy)(zx)=2zx2+1β2zxy=0\frac{\partial^2 z}{\partial v \partial u} = \frac{\partial}{\partial v}\frac{\partial}{\partial u} z = (\frac{\partial}{\partial x} + \frac{1}{\beta}\frac{\partial}{\partial y})\frac{\partial}{\partial u} z = (\frac{\partial}{\partial x} + \frac{1}{\beta}\frac{\partial}{\partial y})(\frac{\partial z}{\partial x}) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\beta}\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = 0
問題文よりzu=zx\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x}, zv=zx\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x}である。
2zuv=2zx2+1α2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha}\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
ux=1\frac{\partial u}{\partial x} = 1 より
2zuv=2zx2+1α2zxy=2zx2+1α2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha}\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha}\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}
vy=ux=1\frac{\partial v}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial x} = 1 より
2zxy=1α\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{1}{\alpha}
問題文より 2zx2=2zy2\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} である。
2zuv=0\frac{\partial^2 z}{\partial u \partial v} = 0 より
2zx2+1αβ2zy2=0\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{1}{\alpha\beta}\frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = 0
2zx2(1+1αβ)=0\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} (1 + \frac{1}{\alpha\beta}) = 0
2zx2=0\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = 01+1αβ=01+\frac{1}{\alpha\beta} = 0
もし2zx2=0\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = 0であれば、2zy2=0\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}=0かつ2zxy=0\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=0なので、2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}が0になってしまう。
1+1αβ=01 + \frac{1}{\alpha\beta} = 0
1αβ=1\frac{1}{\alpha\beta} = -1
αβ=1\alpha\beta = -1

3. 最終的な答え

αβ=1\alpha \beta = -1

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