(1) $z = xy$, $x = \sin^{-1}(uv)$, $y = \cos^{-1}(uv)$ のとき、$\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{\partial z}{\partial v}$ を求めよ。 (2) $z = \log(x^2 + y^2)$, $x = u - v$, $y = u + v$ のとき、$\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{\partial z}{\partial v}$ を求めよ。

解析学偏微分合成関数の微分
2025/7/18

1. 問題の内容

(1) z=xyz = xy, x=sin1(uv)x = \sin^{-1}(uv), y=cos1(uv)y = \cos^{-1}(uv) のとき、zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求めよ。
(2) z=log(x2+y2)z = \log(x^2 + y^2), x=uvx = u - v, y=u+vy = u + v のとき、zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) 合成関数の微分公式を使う。
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}
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}
zx=y=cos1(uv)\frac{\partial z}{\partial x} = y = \cos^{-1}(uv)
zy=x=sin1(uv)\frac{\partial z}{\partial y} = x = \sin^{-1}(uv)
xu=11(uv)2v=v1u2v2\frac{\partial x}{\partial u} = \frac{1}{\sqrt{1 - (uv)^2}} \cdot v = \frac{v}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
xv=11(uv)2u=u1u2v2\frac{\partial x}{\partial v} = \frac{1}{\sqrt{1 - (uv)^2}} \cdot u = \frac{u}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
yu=11(uv)2v=v1u2v2\frac{\partial y}{\partial u} = \frac{-1}{\sqrt{1 - (uv)^2}} \cdot v = \frac{-v}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
yv=11(uv)2u=u1u2v2\frac{\partial y}{\partial v} = \frac{-1}{\sqrt{1 - (uv)^2}} \cdot u = \frac{-u}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
したがって、
zu=cos1(uv)v1u2v2+sin1(uv)v1u2v2=v(cos1(uv)sin1(uv))1u2v2\frac{\partial z}{\partial u} = \cos^{-1}(uv) \cdot \frac{v}{\sqrt{1 - u^2v^2}} + \sin^{-1}(uv) \cdot \frac{-v}{\sqrt{1 - u^2v^2}} = \frac{v(\cos^{-1}(uv) - \sin^{-1}(uv))}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
zv=cos1(uv)u1u2v2+sin1(uv)u1u2v2=u(cos1(uv)sin1(uv))1u2v2\frac{\partial z}{\partial v} = \cos^{-1}(uv) \cdot \frac{u}{\sqrt{1 - u^2v^2}} + \sin^{-1}(uv) \cdot \frac{-u}{\sqrt{1 - u^2v^2}} = \frac{u(\cos^{-1}(uv) - \sin^{-1}(uv))}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
(2) 合成関数の微分公式を使う。
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}
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}
zx=2xx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{2x}{x^2 + y^2}
zy=2yx2+y2\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{2y}{x^2 + y^2}
xu=1\frac{\partial x}{\partial u} = 1
xv=1\frac{\partial x}{\partial v} = -1
yu=1\frac{\partial y}{\partial u} = 1
yv=1\frac{\partial y}{\partial v} = 1
したがって、
zu=2xx2+y21+2yx2+y21=2x+2yx2+y2\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{2x}{x^2 + y^2} \cdot 1 + \frac{2y}{x^2 + y^2} \cdot 1 = \frac{2x + 2y}{x^2 + y^2}
zv=2xx2+y2(1)+2yx2+y21=2x+2yx2+y2\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{2x}{x^2 + y^2} \cdot (-1) + \frac{2y}{x^2 + y^2} \cdot 1 = \frac{-2x + 2y}{x^2 + y^2}
ここでx=uv,y=u+vx = u - v, y = u + vを代入する。
zu=2(uv)+2(u+v)(uv)2+(u+v)2=4uu22uv+v2+u2+2uv+v2=4u2(u2+v2)=2uu2+v2\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{2(u - v) + 2(u + v)}{(u - v)^2 + (u + v)^2} = \frac{4u}{u^2 - 2uv + v^2 + u^2 + 2uv + v^2} = \frac{4u}{2(u^2 + v^2)} = \frac{2u}{u^2 + v^2}
zv=2(uv)+2(u+v)(uv)2+(u+v)2=4vu22uv+v2+u2+2uv+v2=4v2(u2+v2)=2vu2+v2\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{-2(u - v) + 2(u + v)}{(u - v)^2 + (u + v)^2} = \frac{4v}{u^2 - 2uv + v^2 + u^2 + 2uv + v^2} = \frac{4v}{2(u^2 + v^2)} = \frac{2v}{u^2 + v^2}

3. 最終的な答え

(1)
zu=v(cos1(uv)sin1(uv))1u2v2\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{v(\cos^{-1}(uv) - \sin^{-1}(uv))}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
zv=u(cos1(uv)sin1(uv))1u2v2\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{u(\cos^{-1}(uv) - \sin^{-1}(uv))}{\sqrt{1 - u^2v^2}}
(2)
zu=2uu2+v2\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{2u}{u^2 + v^2}
zv=2vu2+v2\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{2v}{u^2 + v^2}

「解析学」の関連問題

与えられた重積分 $I$ の値を計算します。 $I = \int_{0}^{2} \int_{\frac{1-\sqrt{1+4y}}{2}}^{\frac{1+\sqrt{1+4y}}{2}} (x...

重積分積分変数変換
2025/7/18

$\int \sin^{-1} x dx$ を計算してください。

積分逆三角関数部分積分置換積分
2025/7/18

与えられた積分 $\int \sqrt{x^2 + a} dx$ を計算し、その結果が $\frac{1}{2}(x\sqrt{x^2 + a} + a \log |x + \sqrt{x^2 + a...

積分部分積分不定積分
2025/7/18

問題は、スカラー場 $f$ が与えられたときに、その勾配 $\text{grad} f$ を求める問題、及びベクトル $\mathbf{r} = (x, y, z)$ と $r = \sqrt{x^2...

勾配ベクトル解析偏微分スカラー場
2025/7/18

パラメータ $t$ で表された曲線 $r(t) = (a(t - \sin t), a(1 + \cos t))$ について、以下の問題を解く。 (1) 曲線を $r = (x(t), y(t))$ ...

曲線弧長接線ベクトル曲率曲率半径
2025/7/18

与えられた積分を計算し、その結果を示します。 積分は $\int \frac{dx}{\sqrt{x^2 + a}}$ であり、$a \neq 0$です。

積分置換積分双曲線関数不定積分
2025/7/18

与えられた積分 $\int \frac{dx}{\sqrt{a^2 - x^2}}$ を計算し、その結果が $\sin^{-1} \frac{x}{|a|}$ であることを示す問題です。ただし、$a ...

積分置換積分三角関数逆三角関数
2025/7/18

(1) $\frac{cos\alpha}{1 - sin\alpha} - tan\alpha$ を簡単にせよ。 (2) $sin\theta + cos\theta = \sqrt{2}$ のとき...

三角関数三角関数の恒等式式の簡単化
2025/7/18

関数 $f(x, y) = 2x^2 + 3xy + y^2 + 2 = 0$ によって定まる陰関数の極値を求める。

陰関数極値微分二階微分
2025/7/18

与えられた数学の問題は以下の4つです。 (1) $\frac{cos\alpha}{1 - sin\alpha} - tan\alpha$ を簡単にせよ。 (2) $sin\theta + cos\t...

三角関数三角関数の恒等式三角関数の計算
2025/7/18