関数 $z = f(x, y) = \sin x \cos y$ の2変数のマクローリン展開を、$x, y$ について3次の項まで求める問題です。

解析学多変数関数マクローリン展開偏微分
2025/7/21

1. 問題の内容

関数 z=f(x,y)=sinxcosyz = f(x, y) = \sin x \cos y の2変数のマクローリン展開を、x,yx, y について3次の項まで求める問題です。

2. 解き方の手順

マクローリン展開は、原点(0,0)(0, 0)のまわりのテイラー展開のことです。2変数のマクローリン展開は以下の式で与えられます。
f(x,y)=f(0,0)+fx(0,0)x+fy(0,0)y+12!(2fx2(0,0)x2+22fxy(0,0)xy+2fy2(0,0)y2)+13!(3fx3(0,0)x3+33fx2y(0,0)x2y+33fxy2(0,0)xy2+3fy3(0,0)y3)+f(x, y) = f(0, 0) + \frac{\partial f}{\partial x}(0, 0)x + \frac{\partial f}{\partial y}(0, 0)y + \frac{1}{2!}\left(\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}(0, 0)x^2 + 2\frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y}(0, 0)xy + \frac{\partial^2 f}{\partial y^2}(0, 0)y^2\right) + \frac{1}{3!}\left(\frac{\partial^3 f}{\partial x^3}(0, 0)x^3 + 3\frac{\partial^3 f}{\partial x^2 \partial y}(0, 0)x^2y + 3\frac{\partial^3 f}{\partial x \partial y^2}(0, 0)xy^2 + \frac{\partial^3 f}{\partial y^3}(0, 0)y^3\right) + \dots
与えられた関数 f(x,y)=sinxcosyf(x, y) = \sin x \cos y について、必要な偏微分を計算します。
* f(0,0)=sin0cos0=01=0f(0, 0) = \sin 0 \cos 0 = 0 \cdot 1 = 0
* fx=cosxcosy\frac{\partial f}{\partial x} = \cos x \cos y
fx(0,0)=cos0cos0=11=1\frac{\partial f}{\partial x}(0, 0) = \cos 0 \cos 0 = 1 \cdot 1 = 1
* fy=sinxsiny\frac{\partial f}{\partial y} = -\sin x \sin y
fy(0,0)=sin0sin0=00=0\frac{\partial f}{\partial y}(0, 0) = -\sin 0 \sin 0 = -0 \cdot 0 = 0
* 2fx2=sinxcosy\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = -\sin x \cos y
2fx2(0,0)=sin0cos0=01=0\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}(0, 0) = -\sin 0 \cos 0 = -0 \cdot 1 = 0
* 2fxy=cosxsiny\frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = -\cos x \sin y
2fxy(0,0)=cos0sin0=10=0\frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y}(0, 0) = -\cos 0 \sin 0 = -1 \cdot 0 = 0
* 2fy2=sinxcosy\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = -\sin x \cos y
2fy2(0,0)=sin0cos0=01=0\frac{\partial^2 f}{\partial y^2}(0, 0) = -\sin 0 \cos 0 = -0 \cdot 1 = 0
* 3fx3=cosxcosy\frac{\partial^3 f}{\partial x^3} = -\cos x \cos y
3fx3(0,0)=cos0cos0=11=1\frac{\partial^3 f}{\partial x^3}(0, 0) = -\cos 0 \cos 0 = -1 \cdot 1 = -1
* 3fx2y=sinxsiny\frac{\partial^3 f}{\partial x^2 \partial y} = \sin x \sin y
3fx2y(0,0)=sin0sin0=00=0\frac{\partial^3 f}{\partial x^2 \partial y}(0, 0) = \sin 0 \sin 0 = 0 \cdot 0 = 0
* 3fxy2=cosxcosy\frac{\partial^3 f}{\partial x \partial y^2} = -\cos x \cos y
3fxy2(0,0)=cos0cos0=11=1\frac{\partial^3 f}{\partial x \partial y^2}(0, 0) = \cos 0 \cos 0 = -1 \cdot 1 = -1
* 3fy3=sinxsiny\frac{\partial^3 f}{\partial y^3} = \sin x \sin y
3fy3(0,0)=sin0sin0=00=0\frac{\partial^3 f}{\partial y^3}(0, 0) = \sin 0 \sin 0 = 0 \cdot 0 = 0
これらの値をマクローリン展開の式に代入します。
f(x,y)=0+1x+0y+12(0x2+20xy+0y2)+16(1x3+30x2y+3(1)xy2+0y3)+f(x, y) = 0 + 1 \cdot x + 0 \cdot y + \frac{1}{2}(0 \cdot x^2 + 2 \cdot 0 \cdot xy + 0 \cdot y^2) + \frac{1}{6}(-1 \cdot x^3 + 3 \cdot 0 \cdot x^2y + 3 \cdot (-1) \cdot xy^2 + 0 \cdot y^3) + \dots
整理すると、
f(x,y)=x+16(x33xy2)+f(x, y) = x + \frac{1}{6}(-x^3 - 3xy^2) + \dots
f(x,y)=x16x312xy2+f(x, y) = x - \frac{1}{6}x^3 - \frac{1}{2}xy^2 + \dots

3. 最終的な答え

f(x,y)x16x312xy2f(x, y) \approx x - \frac{1}{6}x^3 - \frac{1}{2}xy^2

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