$z = f(x, y)$ であり、$x = r\cos\theta$、$y = r\sin\theta$のとき、次の等式を証明します。 $(\frac{\partial z}{\partial x})^2 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2 = (\frac{\partial z}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2$

解析学偏微分連鎖律変数変換極座標
2025/7/21

1. 問題の内容

z=f(x,y)z = f(x, y) であり、x=rcosθx = r\cos\thetay=rsinθy = r\sin\thetaのとき、次の等式を証明します。
(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

2. 解き方の手順

まず、zr\frac{\partial z}{\partial r}zθ\frac{\partial z}{\partial \theta} を、xxyy による偏微分で表現します。
連鎖律(chain rule)を用いると、以下のようになります。
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}
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}
次に、xr\frac{\partial x}{\partial r}yr\frac{\partial y}{\partial r}xθ\frac{\partial x}{\partial \theta}yθ\frac{\partial y}{\partial \theta} を計算します。
xr=cosθ\frac{\partial x}{\partial r} = \cos\theta
yr=sinθ\frac{\partial y}{\partial r} = \sin\theta
xθ=rsinθ\frac{\partial x}{\partial \theta} = -r\sin\theta
yθ=rcosθ\frac{\partial y}{\partial \theta} = r\cos\theta
これらの結果を上記の式に代入すると、
zr=zxcosθ+zysinθ\frac{\partial z}{\partial r} = \frac{\partial z}{\partial x}\cos\theta + \frac{\partial z}{\partial y}\sin\theta
zθ=zx(rsinθ)+zy(rcosθ)\frac{\partial z}{\partial \theta} = \frac{\partial z}{\partial x}(-r\sin\theta) + \frac{\partial z}{\partial y}(r\cos\theta)
次に、(zr)2(\frac{\partial z}{\partial r})^21r2(zθ)2\frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 を計算します。
(zr)2=(zx)2cos2θ+2zxzycosθsinθ+(zy)2sin2θ(\frac{\partial z}{\partial r})^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=(zx)2r2sin2θ2zxzyr2sinθcosθ+(zy)2r2cos2θ(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 = (\frac{\partial z}{\partial x})^2r^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})^2r^2\cos^2\theta
1r2(zθ)2=(zx)2sin2θ2zxzysinθcosθ+(zy)2cos2θ\frac{1}{r^2}(\frac{\partial z}{\partial \theta})^2 = (\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
したがって、
(zr)2+1r2(zθ)2=(zx)2(cos2θ+sin2θ)+(zy)2(sin2θ+cos2θ)(\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 + \sin^2\theta) + (\frac{\partial z}{\partial y})^2(\sin^2\theta + \cos^2\theta)
cos2θ+sin2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 であるから、
(zr)2+1r2(zθ)2=(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 + (\frac{\partial z}{\partial y})^2

3. 最終的な答え

(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 が成立することが証明されました。

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