$v(x, y)$ は $R^2$ 上の $C^2$ 級関数とする。$\theta \in [0, 2\pi)$ を定数として、変数変換 $(x, y) \mapsto (X, Y)$ を $X = x \cos\theta - y \sin\theta, Y = x \sin\theta + y \cos\theta$ によって与える。この変換を通じて $v$ を $(X, Y)$ の関数とみなしたとき、 (1) $\frac{\partial v}{\partial X}, \frac{\partial v}{\partial Y}$ を $\frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y}$ を用いて表せ。 (2) $(\frac{\partial v}{\partial X})^2 + (\frac{\partial v}{\partial Y})^2$ および $\frac{\partial^2 v}{\partial X^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial Y^2}$ を $\frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y}, \frac{\partial^2 v}{\partial x^2}, \frac{\partial^2 v}{\partial x\partial y}, \frac{\partial^2 v}{\partial y^2}$ 等によって表せ。

解析学偏微分連鎖律変数変換二階偏導関数
2025/7/27

1. 問題の内容

v(x,y)v(x, y)R2R^2 上の C2C^2 級関数とする。θ[0,2π)\theta \in [0, 2\pi) を定数として、変数変換 (x,y)(X,Y)(x, y) \mapsto (X, Y)
X=xcosθysinθ,Y=xsinθ+ycosθX = x \cos\theta - y \sin\theta, Y = x \sin\theta + y \cos\theta
によって与える。この変換を通じて vv(X,Y)(X, Y) の関数とみなしたとき、
(1) vX,vY\frac{\partial v}{\partial X}, \frac{\partial v}{\partial Y}vx,vy\frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y} を用いて表せ。
(2) (vX)2+(vY)2(\frac{\partial v}{\partial X})^2 + (\frac{\partial v}{\partial Y})^2 および 2vX2+2vY2\frac{\partial^2 v}{\partial X^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial Y^2}vx,vy,2vx2,2vxy,2vy2\frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y}, \frac{\partial^2 v}{\partial x^2}, \frac{\partial^2 v}{\partial x\partial y}, \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} 等によって表せ。

2. 解き方の手順

(1) 連鎖律を用いて vX,vY\frac{\partial v}{\partial X}, \frac{\partial v}{\partial Y}vx,vy\frac{\partial v}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial y} で表す。
vX=vxxX+vyyX\frac{\partial v}{\partial X} = \frac{\partial v}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial X} + \frac{\partial v}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial X}
vY=vxxY+vyyY\frac{\partial v}{\partial Y} = \frac{\partial v}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial Y} + \frac{\partial v}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial Y}
X=xcosθysinθ,Y=xsinθ+ycosθX = x \cos\theta - y \sin\theta, Y = x \sin\theta + y \cos\theta より、
x=Xcosθ+Ysinθ,y=Xsinθ+Ycosθx = X \cos\theta + Y \sin\theta, y = -X \sin\theta + Y \cos\theta
よって、
xX=cosθ,yX=sinθ,xY=sinθ,yY=cosθ\frac{\partial x}{\partial X} = \cos\theta, \frac{\partial y}{\partial X} = -\sin\theta, \frac{\partial x}{\partial Y} = \sin\theta, \frac{\partial y}{\partial Y} = \cos\theta
vX=vxcosθvysinθ\frac{\partial v}{\partial X} = \frac{\partial v}{\partial x} \cos\theta - \frac{\partial v}{\partial y} \sin\theta
vY=vxsinθ+vycosθ\frac{\partial v}{\partial Y} = \frac{\partial v}{\partial x} \sin\theta + \frac{\partial v}{\partial y} \cos\theta
(2) (vX)2+(vY)2(\frac{\partial v}{\partial X})^2 + (\frac{\partial v}{\partial Y})^2 を計算する。
(vX)2=(vx)2cos2θ2vxvycosθsinθ+(vy)2sin2θ(\frac{\partial v}{\partial X})^2 = (\frac{\partial v}{\partial x})^2 \cos^2\theta - 2 \frac{\partial v}{\partial x} \frac{\partial v}{\partial y} \cos\theta \sin\theta + (\frac{\partial v}{\partial y})^2 \sin^2\theta
(vY)2=(vx)2sin2θ+2vxvysinθcosθ+(vy)2cos2θ(\frac{\partial v}{\partial Y})^2 = (\frac{\partial v}{\partial x})^2 \sin^2\theta + 2 \frac{\partial v}{\partial x} \frac{\partial v}{\partial y} \sin\theta \cos\theta + (\frac{\partial v}{\partial y})^2 \cos^2\theta
(vX)2+(vY)2=(vx)2(cos2θ+sin2θ)+(vy)2(sin2θ+cos2θ)=(vx)2+(vy)2(\frac{\partial v}{\partial X})^2 + (\frac{\partial v}{\partial Y})^2 = (\frac{\partial v}{\partial x})^2 (\cos^2\theta + \sin^2\theta) + (\frac{\partial v}{\partial y})^2 (\sin^2\theta + \cos^2\theta) = (\frac{\partial v}{\partial x})^2 + (\frac{\partial v}{\partial y})^2
2vX2=X(vX)=X(vxcosθvysinθ)=(2vx2xX+2vxyyX)cosθ(2vyxxX+2vy2yX)sinθ=(2vx2cosθ2vxysinθ)cosθ(2vyxcosθ2vy2sinθ)sinθ=2vx2cos2θ22vxycosθsinθ+2vy2sin2θ\frac{\partial^2 v}{\partial X^2} = \frac{\partial}{\partial X} (\frac{\partial v}{\partial X}) = \frac{\partial}{\partial X} (\frac{\partial v}{\partial x} \cos\theta - \frac{\partial v}{\partial y} \sin\theta) = (\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial X} + \frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial X}) \cos\theta - (\frac{\partial^2 v}{\partial y \partial x} \frac{\partial x}{\partial X} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \frac{\partial y}{\partial X}) \sin\theta = (\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \cos\theta - \frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \sin\theta) \cos\theta - (\frac{\partial^2 v}{\partial y \partial x} \cos\theta - \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \sin\theta) \sin\theta = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \cos^2\theta - 2\frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \cos\theta \sin\theta + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \sin^2\theta
2vY2=Y(vY)=Y(vxsinθ+vycosθ)=(2vx2xY+2vxyyY)sinθ+(2vyxxY+2vy2yY)cosθ=(2vx2sinθ+2vxycosθ)sinθ+(2vyxsinθ+2vy2cosθ)cosθ=2vx2sin2θ+22vxysinθcosθ+2vy2cos2θ\frac{\partial^2 v}{\partial Y^2} = \frac{\partial}{\partial Y} (\frac{\partial v}{\partial Y}) = \frac{\partial}{\partial Y} (\frac{\partial v}{\partial x} \sin\theta + \frac{\partial v}{\partial y} \cos\theta) = (\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \frac{\partial x}{\partial Y} + \frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \frac{\partial y}{\partial Y}) \sin\theta + (\frac{\partial^2 v}{\partial y \partial x} \frac{\partial x}{\partial Y} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \frac{\partial y}{\partial Y}) \cos\theta = (\frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \sin\theta + \frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \cos\theta) \sin\theta + (\frac{\partial^2 v}{\partial y \partial x} \sin\theta + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \cos\theta) \cos\theta = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} \sin^2\theta + 2\frac{\partial^2 v}{\partial x \partial y} \sin\theta \cos\theta + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} \cos^2\theta
2vX2+2vY2=2vx2(cos2θ+sin2θ)+2vy2(sin2θ+cos2θ)=2vx2+2vy2\frac{\partial^2 v}{\partial X^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial Y^2} = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} (\cos^2\theta + \sin^2\theta) + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2} (\sin^2\theta + \cos^2\theta) = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2}

3. 最終的な答え

(1)
vX=vxcosθvysinθ\frac{\partial v}{\partial X} = \frac{\partial v}{\partial x} \cos\theta - \frac{\partial v}{\partial y} \sin\theta
vY=vxsinθ+vycosθ\frac{\partial v}{\partial Y} = \frac{\partial v}{\partial x} \sin\theta + \frac{\partial v}{\partial y} \cos\theta
(2)
(vX)2+(vY)2=(vx)2+(vy)2(\frac{\partial v}{\partial X})^2 + (\frac{\partial v}{\partial Y})^2 = (\frac{\partial v}{\partial x})^2 + (\frac{\partial v}{\partial y})^2
2vX2+2vY2=2vx2+2vy2\frac{\partial^2 v}{\partial X^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial Y^2} = \frac{\partial^2 v}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 v}{\partial y^2}

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