問題1.13の(1)から(5)について、$\frac{dz}{dt}$ を求め、問題2について、$\frac{\partial z}{\partial u}$ と $\frac{\partial z}{\partial v}$ を求め、問題3について、$\frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = x \frac{\partial z}{\partial x} - y \frac{\partial z}{\partial y}$ を示す。

解析学偏微分連鎖律偏導関数
2025/7/30

1. 問題の内容

問題1.13の(1)から(5)について、dzdt\frac{dz}{dt} を求め、問題2について、zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求め、問題3について、zu+zv=xzxyzy\frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = x \frac{\partial z}{\partial x} - y \frac{\partial z}{\partial y} を示す。

2. 解き方の手順

問題1: dzdt\frac{dz}{dt} を求める。
(1) z=f(2t,3t)z = f(2t, 3t) の場合:
連鎖律より、
dzdt=f(2t)d(2t)dt+f(3t)d(3t)dt=2f(2t)+3f(3t)\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial (2t)} \frac{d(2t)}{dt} + \frac{\partial f}{\partial (3t)} \frac{d(3t)}{dt} = 2\frac{\partial f}{\partial (2t)} + 3\frac{\partial f}{\partial (3t)}
ここで、f(2t)\frac{\partial f}{\partial (2t)} は、ff の第一引数に関する偏微分を表す。同様に、f(3t)\frac{\partial f}{\partial (3t)} は、ff の第二引数に関する偏微分を表す。
(2) z=f(cos2t,sin3t)z = f(\cos 2t, \sin 3t) の場合:
連鎖律より、
dzdt=f(cos2t)d(cos2t)dt+f(sin3t)d(sin3t)dt=2sin2tf(cos2t)+3cos3tf(sin3t)\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial (\cos 2t)} \frac{d(\cos 2t)}{dt} + \frac{\partial f}{\partial (\sin 3t)} \frac{d(\sin 3t)}{dt} = -2\sin 2t \frac{\partial f}{\partial (\cos 2t)} + 3\cos 3t \frac{\partial f}{\partial (\sin 3t)}
(3) z=f(et,e2t)z = f(e^t, e^{2t}) の場合:
連鎖律より、
dzdt=f(et)d(et)dt+f(e2t)d(e2t)dt=etf(et)+2e2tf(e2t)\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial (e^t)} \frac{d(e^t)}{dt} + \frac{\partial f}{\partial (e^{2t})} \frac{d(e^{2t})}{dt} = e^t \frac{\partial f}{\partial (e^t)} + 2e^{2t} \frac{\partial f}{\partial (e^{2t})}
(4) z=f(1t,1t2)z = f(\frac{1}{t}, \frac{1}{t^2}) の場合:
連鎖律より、
dzdt=f(1t)d(1t)dt+f(1t2)d(1t2)dt=1t2f(1t)2t3f(1t2)\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t})} \frac{d(\frac{1}{t})}{dt} + \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t^2})} \frac{d(\frac{1}{t^2})}{dt} = -\frac{1}{t^2} \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t})} - \frac{2}{t^3} \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t^2})}
(5) z=f(φ(t)cos(ψ(t)),φ(t)sin(ψ(t)))z = f(\varphi(t) \cos(\psi(t)), \varphi(t) \sin(\psi(t))) の場合:
連鎖律より、
dzdt=f(φ(t)cos(ψ(t)))d(φ(t)cos(ψ(t)))dt+f(φ(t)sin(ψ(t)))d(φ(t)sin(ψ(t)))dt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \cos(\psi(t)))} \frac{d(\varphi(t) \cos(\psi(t)))}{dt} + \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \sin(\psi(t)))} \frac{d(\varphi(t) \sin(\psi(t)))}{dt}
d(φ(t)cos(ψ(t)))dt=φ(t)cos(ψ(t))φ(t)sin(ψ(t))ψ(t)\frac{d(\varphi(t) \cos(\psi(t)))}{dt} = \varphi'(t)\cos(\psi(t)) - \varphi(t)\sin(\psi(t))\psi'(t)
d(φ(t)sin(ψ(t)))dt=φ(t)sin(ψ(t))+φ(t)cos(ψ(t))ψ(t)\frac{d(\varphi(t) \sin(\psi(t)))}{dt} = \varphi'(t)\sin(\psi(t)) + \varphi(t)\cos(\psi(t))\psi'(t)
よって、
dzdt=(φ(t)cos(ψ(t))φ(t)sin(ψ(t))ψ(t))f(φ(t)cos(ψ(t)))+(φ(t)sin(ψ(t))+φ(t)cos(ψ(t))ψ(t))f(φ(t)sin(ψ(t)))\frac{dz}{dt} = (\varphi'(t)\cos(\psi(t)) - \varphi(t)\sin(\psi(t))\psi'(t)) \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \cos(\psi(t)))} + (\varphi'(t)\sin(\psi(t)) + \varphi(t)\cos(\psi(t))\psi'(t)) \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \sin(\psi(t)))}
問題2: z=f(x,y),x=uv,y=u2+v2z = f(x, y), x = uv, y = u^2 + v^2 のとき zu\frac{\partial z}{\partial u}zv\frac{\partial z}{\partial v} を求める。
連鎖律より、
zu=zxxu+zyyu=vzx+2uzy\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u} = v \frac{\partial z}{\partial x} + 2u \frac{\partial z}{\partial y}
zv=zxxv+zyyv=uzx+2vzy\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v} = u \frac{\partial z}{\partial x} + 2v \frac{\partial z}{\partial y}
問題3: z=f(x,y),x=eu+ev,y=eu+evz = f(x, y), x = e^u + e^v, y = e^{-u} + e^{-v} のとき zu+zv=xzxyzy\frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = x \frac{\partial z}{\partial x} - y \frac{\partial z}{\partial y} を示す。
連鎖律より、
zu=zxxu+zyyu=euzxeuzy\frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u} = e^u \frac{\partial z}{\partial x} - e^{-u} \frac{\partial z}{\partial y}
zv=zxxv+zyyv=evzxevzy\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v} = e^v \frac{\partial z}{\partial x} - e^{-v} \frac{\partial z}{\partial y}
zu+zv=(eu+ev)zx(eu+ev)zy=xzxyzy\frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = (e^u + e^v) \frac{\partial z}{\partial x} - (e^{-u} + e^{-v}) \frac{\partial z}{\partial y} = x \frac{\partial z}{\partial x} - y \frac{\partial z}{\partial y}

3. 最終的な答え

問題1:
(1) dzdt=2f(2t)+3f(3t)\frac{dz}{dt} = 2\frac{\partial f}{\partial (2t)} + 3\frac{\partial f}{\partial (3t)}
(2) dzdt=2sin2tf(cos2t)+3cos3tf(sin3t)\frac{dz}{dt} = -2\sin 2t \frac{\partial f}{\partial (\cos 2t)} + 3\cos 3t \frac{\partial f}{\partial (\sin 3t)}
(3) dzdt=etf(et)+2e2tf(e2t)\frac{dz}{dt} = e^t \frac{\partial f}{\partial (e^t)} + 2e^{2t} \frac{\partial f}{\partial (e^{2t})}
(4) dzdt=1t2f(1t)2t3f(1t2)\frac{dz}{dt} = -\frac{1}{t^2} \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t})} - \frac{2}{t^3} \frac{\partial f}{\partial (\frac{1}{t^2})}
(5) dzdt=(φ(t)cos(ψ(t))φ(t)sin(ψ(t))ψ(t))f(φ(t)cos(ψ(t)))+(φ(t)sin(ψ(t))+φ(t)cos(ψ(t))ψ(t))f(φ(t)sin(ψ(t)))\frac{dz}{dt} = (\varphi'(t)\cos(\psi(t)) - \varphi(t)\sin(\psi(t))\psi'(t)) \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \cos(\psi(t)))} + (\varphi'(t)\sin(\psi(t)) + \varphi(t)\cos(\psi(t))\psi'(t)) \frac{\partial f}{\partial (\varphi(t) \sin(\psi(t)))}
問題2:
zu=vzx+2uzy\frac{\partial z}{\partial u} = v \frac{\partial z}{\partial x} + 2u \frac{\partial z}{\partial y}
zv=uzx+2vzy\frac{\partial z}{\partial v} = u \frac{\partial z}{\partial x} + 2v \frac{\partial z}{\partial y}
問題3:
zu+zv=xzxyzy\frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = x \frac{\partial z}{\partial x} - y \frac{\partial z}{\partial y}

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