$u = \log \sqrt{x^2 + y^2}$ ($x^2 + y^2 \ne 0$), $v = \tan^{-1} \frac{y}{x}$ ($x \ne 0$) が与えられたとき、以下の2つを証明する問題です。 (1) $\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}$, $\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}$ (2) $\Delta u = 0$, $\Delta v = 0$ (ここで、$\Delta$ はラプラシアンを表し、$\Delta u = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}$ です)

解析学偏微分ラプラシアン調和関数
2025/7/21

1. 問題の内容

u=logx2+y2u = \log \sqrt{x^2 + y^2} (x2+y20x^2 + y^2 \ne 0), v=tan1yxv = \tan^{-1} \frac{y}{x} (x0x \ne 0) が与えられたとき、以下の2つを証明する問題です。
(1) ux=vy\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, uy=vx\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}
(2) Δu=0\Delta u = 0, Δv=0\Delta v = 0 (ここで、Δ\Delta はラプラシアンを表し、Δu=2ux2+2uy2\Delta u = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} です)

2. 解き方の手順

(1) まず、それぞれの偏微分を計算します。
u=logx2+y2=12log(x2+y2)u = \log \sqrt{x^2 + y^2} = \frac{1}{2} \log (x^2 + y^2)なので、
ux=122xx2+y2=xx2+y2\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{1}{2} \cdot \frac{2x}{x^2 + y^2} = \frac{x}{x^2 + y^2}
uy=122yx2+y2=yx2+y2\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{1}{2} \cdot \frac{2y}{x^2 + y^2} = \frac{y}{x^2 + y^2}
次に、v=tan1yxv = \tan^{-1} \frac{y}{x}を偏微分します。
vx=11+(yx)2(yx2)=x2x2+y2(yx2)=yx2+y2\frac{\partial v}{\partial x} = \frac{1}{1 + (\frac{y}{x})^2} \cdot (-\frac{y}{x^2}) = \frac{x^2}{x^2 + y^2} \cdot (-\frac{y}{x^2}) = -\frac{y}{x^2 + y^2}
vy=11+(yx)2(1x)=x2x2+y2(1x)=xx2+y2\frac{\partial v}{\partial y} = \frac{1}{1 + (\frac{y}{x})^2} \cdot (\frac{1}{x}) = \frac{x^2}{x^2 + y^2} \cdot (\frac{1}{x}) = \frac{x}{x^2 + y^2}
したがって、
ux=xx2+y2=vy\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{x}{x^2 + y^2} = \frac{\partial v}{\partial y}
uy=yx2+y2=(yx2+y2)=vx\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{y}{x^2 + y^2} = - (-\frac{y}{x^2 + y^2}) = -\frac{\partial v}{\partial x}
(2) ラプラシアンを計算します。
2ux2=x(xx2+y2)=(x2+y2)x(2x)(x2+y2)2=y2x2(x2+y2)2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (\frac{x}{x^2 + y^2}) = \frac{(x^2 + y^2) - x(2x)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{y^2 - x^2}{(x^2 + y^2)^2}
2uy2=y(yx2+y2)=(x2+y2)y(2y)(x2+y2)2=x2y2(x2+y2)2\frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{y}{x^2 + y^2}) = \frac{(x^2 + y^2) - y(2y)}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2}
Δu=2ux2+2uy2=y2x2(x2+y2)2+x2y2(x2+y2)2=0\Delta u = \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{y^2 - x^2}{(x^2 + y^2)^2} + \frac{x^2 - y^2}{(x^2 + y^2)^2} = 0
2vx2=x(yx2+y2)=y2x(x2+y2)2=2xy(x2+y2)2\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (-\frac{y}{x^2 + y^2}) = -y \cdot \frac{-2x}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{2xy}{(x^2 + y^2)^2}
2vy2=y(xx2+y2)=x2y(x2+y2)2=2xy(x2+y2)2\frac{\partial^2 v}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (\frac{x}{x^2 + y^2}) = x \cdot \frac{-2y}{(x^2 + y^2)^2} = -\frac{2xy}{(x^2 + y^2)^2}
Δv=2vx2+2vy2=2xy(x2+y2)22xy(x2+y2)2=0\Delta v = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} = \frac{2xy}{(x^2 + y^2)^2} - \frac{2xy}{(x^2 + y^2)^2} = 0

3. 最終的な答え

(1) ux=vy\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, uy=vx\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x} は成立する。
(2) Δu=0\Delta u = 0, Δv=0\Delta v = 0 は成立する。

「解析学」の関連問題

$x^3-3x^2+3=k$ の解に関する問題です。$f(x)=x^3-3x^2+3$ とし、kの値によって実数解の個数や範囲が変わります。

三次関数微分極値方程式の解グラフ
2025/7/25

$\lim_{x \to \infty} \frac{x}{e^x}$ を求めよ。

極限ロピタルの定理指数関数
2025/7/25

$\lim_{x \to -\infty} \frac{x}{e^x}$ の極限を求める問題です。

極限ロピタルの定理指数関数
2025/7/25

与えられた極限 $\lim_{x \to +0} \frac{(\log x + 1)^2}{4x}$ を計算します。ここで $\log x$ は自然対数とします。

極限自然対数ロピタルの定理
2025/7/25

定積分 $\int_{1}^{2} 3x^2 dx$ を計算してください。

定積分不定積分微積分学の基本定理arctan
2025/7/25

与えられた極限値を求めます。問題は以下の通りです。 $\lim_{x \to +0} \frac{\log x}{x}$ ここで、$\log x$ は自然対数(底が $e$ の対数)を表します。

極限自然対数発散ロピタルの定理
2025/7/25

$a$ を正の定数とする。曲線 $x = a(\theta - \sin\theta), y = a(1 - \cos\theta)$ $(0 \leq \theta \leq 2\pi)$ 上の点P...

パラメータ表示法線極限微分
2025/7/25

曲線 $C: y = x^3 - kx$ 上の点 $A(a, a^3 - ka)$ における接線 $l_1$ を引く。$l_1$ と $C$ の $A$ 以外の交点を $B$ とする。点 $B$ にお...

接線微分関数の最大最小不等式
2025/7/25

次の極限を計算します。 $\lim_{x \to 0} \frac{-x^2 + \sinh^2(2x)}{4\sinh^2(x)}$

極限ロピタルの定理双曲線関数テイラー展開
2025/7/25

与えられた極限の等式 $\lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{1}{n}\right)^n = \frac{1}{e}$ を証明する。

極限テイラー展開自然対数指数関数
2025/7/25