(1) $f(x,y) = \frac{x-y}{x+y}$ (2) $f(x,y) = e^{x^2y}$ (3) $f(x,y) = e^x \sin(2x^2+3y)$

解析学偏微分合成関数の微分商の微分極座標
2025/7/20
## 数学の問題の解答
以下に、与えられた問題の解答を示します。
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1. 問題の内容

以下の問題が与えられています。

1. 関数 $f(x,y)$ を偏微分し、$x$ および $y$ についての偏導関数 $f_x$ および $f_y$ を求める。

(1) f(x,y)=xyx+yf(x,y) = \frac{x-y}{x+y}
(2) f(x,y)=ex2yf(x,y) = e^{x^2y}
(3) f(x,y)=exsin(2x2+3y)f(x,y) = e^x \sin(2x^2+3y)

2. $z = x^2 + y^3$, $x = 3t^2 + 2t + 1$, $y = -2t - 3$ のとき、$\frac{dz}{dt}$ を求める。

3. $z = x^2 - 2xy + y^2$, $x = r \cos \theta$, $y = r \sin \theta$ のとき、$\frac{\partial z}{\partial r}$, $\frac{\partial z}{\partial \theta}$ を求める。

4. $f(x,y) = \log \sqrt{x^2 + y^2}$ について、$\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2}$ を求める。

5. $z = f(x,y)$, $x = r \cos \theta$, $y = r \sin \theta$ のとき、次の等式が成り立つことを証明する。

(zx)2+(zy)2=(zr)2+1r2(zθ)2(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2
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2. 解き方の手順

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1. (1) $f(x,y) = \frac{x-y}{x+y}$**

* fxf_x を求める:
商の微分公式を用いる。 (uv)=uvuvv2(\frac{u}{v})' = \frac{u'v - uv'}{v^2}
fx=1(x+y)(xy)1(x+y)2=x+yx+y(x+y)2=2y(x+y)2f_x = \frac{1 \cdot (x+y) - (x-y) \cdot 1}{(x+y)^2} = \frac{x+y-x+y}{(x+y)^2} = \frac{2y}{(x+y)^2}
* fyf_y を求める:
同様に商の微分公式を用いる。
fy=(1)(x+y)(xy)1(x+y)2=xyx+y(x+y)2=2x(x+y)2f_y = \frac{(-1) \cdot (x+y) - (x-y) \cdot 1}{(x+y)^2} = \frac{-x-y-x+y}{(x+y)^2} = \frac{-2x}{(x+y)^2}
**(2) f(x,y)=ex2yf(x,y) = e^{x^2y}**
* fxf_x を求める:
合成関数の微分を用いる。
fx=ex2y(2xy)=2xyex2yf_x = e^{x^2y} \cdot (2xy) = 2xy e^{x^2y}
* fyf_y を求める:
合成関数の微分を用いる。
fy=ex2y(x2)=x2ex2yf_y = e^{x^2y} \cdot (x^2) = x^2 e^{x^2y}
**(3) f(x,y)=exsin(2x2+3y)f(x,y) = e^x \sin(2x^2+3y)**
* fxf_x を求める:
積の微分と合成関数の微分を用いる。
fx=exsin(2x2+3y)+excos(2x2+3y)(4x)=exsin(2x2+3y)+4xexcos(2x2+3y)f_x = e^x \sin(2x^2+3y) + e^x \cos(2x^2+3y) \cdot (4x) = e^x \sin(2x^2+3y) + 4xe^x \cos(2x^2+3y)
* fyf_y を求める:
合成関数の微分を用いる。
fy=excos(2x2+3y)(3)=3excos(2x2+3y)f_y = e^x \cos(2x^2+3y) \cdot (3) = 3e^x \cos(2x^2+3y)
**

2. $z = x^2 + y^3$, $x = 3t^2 + 2t + 1$, $y = -2t - 3$**

* dzdt\frac{dz}{dt} を求める:
合成関数の微分を用いる。 dzdt=zxdxdt+zydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{dy}{dt}
zx=2x\frac{\partial z}{\partial x} = 2x, zy=3y2\frac{\partial z}{\partial y} = 3y^2
dxdt=6t+2\frac{dx}{dt} = 6t + 2, dydt=2\frac{dy}{dt} = -2
したがって、
dzdt=2x(6t+2)+3y2(2)=2(3t2+2t+1)(6t+2)6(2t3)2\frac{dz}{dt} = 2x(6t+2) + 3y^2(-2) = 2(3t^2+2t+1)(6t+2) - 6(-2t-3)^2
=2(18t3+12t2+6t+6t2+4t+2)6(4t2+12t+9)=36t3+36t2+20t+424t272t54= 2(18t^3 + 12t^2 + 6t + 6t^2 + 4t + 2) - 6(4t^2 + 12t + 9) = 36t^3 + 36t^2 + 20t + 4 - 24t^2 - 72t - 54
=36t3+12t252t50= 36t^3 + 12t^2 - 52t - 50
**

3. $z = x^2 - 2xy + y^2$, $x = r \cos \theta$, $y = r \sin \theta$**

* zr\frac{\partial z}{\partial r} を求める:
合成関数の微分を用いる。 zr=zxxr+zyyr\frac{\partial z}{\partial r} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial r} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial r}
zx=2x2y\frac{\partial z}{\partial x} = 2x - 2y, zy=2x+2y\frac{\partial z}{\partial y} = -2x + 2y
xr=cosθ\frac{\partial x}{\partial r} = \cos \theta, yr=sinθ\frac{\partial y}{\partial r} = \sin \theta
したがって、
zr=(2x2y)cosθ+(2x+2y)sinθ=2(xy)cosθ2(xy)sinθ=2(xy)(cosθsinθ)\frac{\partial z}{\partial r} = (2x - 2y)\cos \theta + (-2x + 2y)\sin \theta = 2(x-y)\cos \theta - 2(x-y)\sin \theta = 2(x-y)(\cos \theta - \sin \theta)
ここで、x=rcosθx = r \cos \theta, y=rsinθy = r \sin \theta を代入すると、
zr=2(rcosθrsinθ)(cosθsinθ)=2r(cosθsinθ)2=2r(cos2θ2sinθcosθ+sin2θ)=2r(12sinθcosθ)=2r(1sin2θ)\frac{\partial z}{\partial r} = 2(r \cos \theta - r \sin \theta)(\cos \theta - \sin \theta) = 2r(\cos \theta - \sin \theta)^2 = 2r(\cos^2 \theta - 2\sin \theta \cos \theta + \sin^2 \theta) = 2r(1 - 2\sin \theta \cos \theta) = 2r(1 - \sin 2\theta)
* zθ\frac{\partial z}{\partial \theta} を求める:
合成関数の微分を用いる。 zθ=zxxθ+zyyθ\frac{\partial z}{\partial \theta} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial \theta} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial \theta}
zx=2x2y\frac{\partial z}{\partial x} = 2x - 2y, zy=2x+2y\frac{\partial z}{\partial y} = -2x + 2y
xθ=rsinθ\frac{\partial x}{\partial \theta} = -r \sin \theta, yθ=rcosθ\frac{\partial y}{\partial \theta} = r \cos \theta
したがって、
zθ=(2x2y)(rsinθ)+(2x+2y)(rcosθ)=2r(xy)sinθ2r(xy)cosθ=2r(xy)(sinθ+cosθ)\frac{\partial z}{\partial \theta} = (2x - 2y)(-r \sin \theta) + (-2x + 2y)(r \cos \theta) = -2r(x-y)\sin \theta - 2r(x-y)\cos \theta = -2r(x-y)(\sin \theta + \cos \theta)
ここで、x=rcosθx = r \cos \theta, y=rsinθy = r \sin \theta を代入すると、
zθ=2r(rcosθrsinθ)(sinθ+cosθ)=2r2(cosθsinθ)(sinθ+cosθ)=2r2(cos2θsin2θ)=2r2cos2θ\frac{\partial z}{\partial \theta} = -2r(r \cos \theta - r \sin \theta)(\sin \theta + \cos \theta) = -2r^2(\cos \theta - \sin \theta)(\sin \theta + \cos \theta) = -2r^2(\cos^2 \theta - \sin^2 \theta) = -2r^2 \cos 2\theta
**

4. $f(x,y) = \log \sqrt{x^2 + y^2}$**

* fx\frac{\partial f}{\partial x} を求める:
f(x,y)=log(x2+y2)1/2=12log(x2+y2)f(x,y) = \log (x^2+y^2)^{1/2} = \frac{1}{2} \log (x^2+y^2)
fx=121x2+y2(2x)=xx2+y2\frac{\partial f}{\partial x} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2+y^2} \cdot (2x) = \frac{x}{x^2+y^2}
* 2fx2\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} を求める:
2fx2=1(x2+y2)x(2x)(x2+y2)2=x2+y22x2(x2+y2)2=y2x2(x2+y2)2\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{1 \cdot (x^2+y^2) - x \cdot (2x)}{(x^2+y^2)^2} = \frac{x^2+y^2 - 2x^2}{(x^2+y^2)^2} = \frac{y^2 - x^2}{(x^2+y^2)^2}
* fy\frac{\partial f}{\partial y} を求める:
fy=121x2+y2(2y)=yx2+y2\frac{\partial f}{\partial y} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2+y^2} \cdot (2y) = \frac{y}{x^2+y^2}
* 2fy2\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} を求める:
2fy2=1(x2+y2)y(2y)(x2+y2)2=x2+y22y2(x2+y2)2=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{1 \cdot (x^2+y^2) - y \cdot (2y)}{(x^2+y^2)^2} = \frac{x^2+y^2 - 2y^2}{(x^2+y^2)^2} = \frac{x^2 - y^2}{(x^2+y^2)^2}
* 2fx2+2fy2\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} を求める:
2fx2+2fy2=y2x2(x2+y2)2+x2y2(x2+y2)2=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{y^2 - x^2}{(x^2+y^2)^2} + \frac{x^2 - y^2}{(x^2+y^2)^2} = 0
**

5. $z = f(x,y)$, $x = r \cos \theta$, $y = r \sin \theta$**

* zr\frac{\partial z}{\partial r} を求める:
zr=zxxr+zyyr=zxcosθ+zysinθ\frac{\partial z}{\partial r} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial r} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial r} = \frac{\partial z}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial z}{\partial y} \sin \theta
* zθ\frac{\partial z}{\partial \theta} を求める:
zθ=zxxθ+zyyθ=zx(rsinθ)+zy(rcosθ)\frac{\partial z}{\partial \theta} = \frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial \theta} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial \theta} = \frac{\partial z}{\partial x}(-r \sin \theta) + \frac{\partial z}{\partial y}(r \cos \theta)
* (zr)2(\frac{\partial z}{\partial r})^2 を求める:
(zr)2=(zxcosθ+zysinθ)2=(zx)2cos2θ+2zxzycosθsinθ+(zy)2sin2θ(\frac{\partial z}{\partial r})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial z}{\partial y} \sin \theta)^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 \cos^2 \theta + 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} \cos \theta \sin \theta + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 \sin^2 \theta
* (zθ)2(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 を求める:
(zθ)2=(zx(rsinθ)+zy(rcosθ))2=(zx)2r2sin2θ2zxzyr2sinθcosθ+(zy)2r2cos2θ(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x}(-r \sin \theta) + \frac{\partial z}{\partial y}(r \cos \theta))^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 r^2 \sin^2 \theta - 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} r^2 \sin \theta \cos \theta + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 r^2 \cos^2 \theta
* (zr)2+1r2(zθ)2(\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 を求める:
(zr)2+1r2(zθ)2=(zx)2cos2θ+2zxzycosθsinθ+(zy)2sin2θ+(zx)2sin2θ2zxzysinθcosθ+(zy)2cos2θ=(zx)2(cos2θ+sin2θ)+(zy)2(sin2θ+cos2θ)=(zx)2+(zy)2(\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 \cos^2 \theta + 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} \cos \theta \sin \theta + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 \sin^2 \theta + (\frac{\partial z}{\partial x})^2 \sin^2 \theta - 2 \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial z}{\partial y} \sin \theta \cos \theta + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 \cos^2 \theta = (\frac{\partial z}{\partial x})^2(\cos^2 \theta + \sin^2 \theta) + (\frac{\partial z}{\partial y})^2(\sin^2 \theta + \cos^2 \theta) = (\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2
したがって、 (zx)2+(zy)2=(zr)2+1r2(zθ)2(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2
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3. 最終的な答え

1. (1) $f_x = \frac{2y}{(x+y)^2}$, $f_y = \frac{-2x}{(x+y)^2}$

(2) fx=2xyex2yf_x = 2xye^{x^2y}, fy=x2ex2yf_y = x^2e^{x^2y}
(3) fx=exsin(2x2+3y)+4xexcos(2x2+3y)f_x = e^x \sin(2x^2+3y) + 4xe^x \cos(2x^2+3y), fy=3excos(2x2+3y)f_y = 3e^x \cos(2x^2+3y)

2. $\frac{dz}{dt} = 36t^3 + 12t^2 - 52t - 50$

3. $\frac{\partial z}{\partial r} = 2r(1 - \sin 2\theta)$, $\frac{\partial z}{\partial \theta} = -2r^2 \cos 2\theta$

4. $\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = 0$

5. $(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2$

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