$u=f(x, y)$ は2回微分可能で、2次偏導関数は全て連続である。$x+y=e^{s+t}$, $x-y=e^{s-t}$ の時、 $$\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = e^{-2s}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}\right)$$ が成り立つことを示す。

解析学偏微分偏微分方程式連鎖律2次偏導関数
2025/6/2

1. 問題の内容

u=f(x,y)u=f(x, y) は2回微分可能で、2次偏導関数は全て連続である。x+y=es+tx+y=e^{s+t}, xy=estx-y=e^{s-t} の時、
2ux22uy2=e2s(2us22ut2)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = e^{-2s}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}\right)
が成り立つことを示す。

2. 解き方の手順

まず、xxyysstt で表す。
x+y=es+tx+y = e^{s+t}xy=estx-y = e^{s-t} を足すと 2x=es+t+est2x = e^{s+t} + e^{s-t} より
x=12(es+t+est)x = \frac{1}{2}(e^{s+t} + e^{s-t})
x+y=es+tx+y = e^{s+t} から xy=estx-y = e^{s-t} を引くと 2y=es+test2y = e^{s+t} - e^{s-t} より
y=12(es+test)y = \frac{1}{2}(e^{s+t} - e^{s-t})
次に、偏微分の連鎖律を用いて、x\frac{\partial}{\partial x}y\frac{\partial}{\partial y}s\frac{\partial}{\partial s}t\frac{\partial}{\partial t} で表す。
s=xsx+ysy\frac{\partial}{\partial s} = \frac{\partial x}{\partial s}\frac{\partial}{\partial x} + \frac{\partial y}{\partial s}\frac{\partial}{\partial y}
t=xtx+yty\frac{\partial}{\partial t} = \frac{\partial x}{\partial t}\frac{\partial}{\partial x} + \frac{\partial y}{\partial t}\frac{\partial}{\partial y}
ここで
xs=12(es+t+est)=x\frac{\partial x}{\partial s} = \frac{1}{2}(e^{s+t} + e^{s-t}) = x
xt=12(es+test)=y\frac{\partial x}{\partial t} = \frac{1}{2}(e^{s+t} - e^{s-t}) = y
ys=12(es+test)=y\frac{\partial y}{\partial s} = \frac{1}{2}(e^{s+t} - e^{s-t}) = y
yt=12(es+t+est)=x\frac{\partial y}{\partial t} = \frac{1}{2}(e^{s+t} + e^{s-t}) = x
よって
s=xx+yy\frac{\partial}{\partial s} = x\frac{\partial}{\partial x} + y\frac{\partial}{\partial y}
t=yx+xy\frac{\partial}{\partial t} = y\frac{\partial}{\partial x} + x\frac{\partial}{\partial y}
したがって
2s2=(xx+yy)(xx+yy)=x22x2+xy2xy+yx2yx+y22y2+xsx+ysy=x22x2+2xy2xy+y22y2+xx+yy\frac{\partial^2}{\partial s^2} = \left(x\frac{\partial}{\partial x} + y\frac{\partial}{\partial y}\right)\left(x\frac{\partial}{\partial x} + y\frac{\partial}{\partial y}\right) = x^2\frac{\partial^2}{\partial x^2} + xy\frac{\partial^2}{\partial x \partial y} + yx\frac{\partial^2}{\partial y \partial x} + y^2\frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial x}{\partial s}\frac{\partial}{\partial x} + \frac{\partial y}{\partial s}\frac{\partial}{\partial y} = x^2\frac{\partial^2}{\partial x^2} + 2xy\frac{\partial^2}{\partial x \partial y} + y^2\frac{\partial^2}{\partial y^2} + x\frac{\partial}{\partial x} + y\frac{\partial}{\partial y}
2t2=(yx+xy)(yx+xy)=y22x2+yx2xy+xy2yx+x22y2+ytx+xty=y22x2+2xy2xy+x22y2+xx+yy\frac{\partial^2}{\partial t^2} = \left(y\frac{\partial}{\partial x} + x\frac{\partial}{\partial y}\right)\left(y\frac{\partial}{\partial x} + x\frac{\partial}{\partial y}\right) = y^2\frac{\partial^2}{\partial x^2} + yx\frac{\partial^2}{\partial x \partial y} + xy\frac{\partial^2}{\partial y \partial x} + x^2\frac{\partial^2}{\partial y^2} + \frac{\partial y}{\partial t}\frac{\partial}{\partial x} + \frac{\partial x}{\partial t}\frac{\partial}{\partial y} = y^2\frac{\partial^2}{\partial x^2} + 2xy\frac{\partial^2}{\partial x \partial y} + x^2\frac{\partial^2}{\partial y^2} + x\frac{\partial}{\partial x} + y\frac{\partial}{\partial y}
2us22ut2=(x2y2)2ux2+(y2x2)2uy2=(x2y2)(2ux22uy2)\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = (x^2-y^2)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + (y^2-x^2)\frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = (x^2-y^2)\left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right)
x2y2=(x+y)(xy)=es+test=e2sx^2 - y^2 = (x+y)(x-y) = e^{s+t}e^{s-t} = e^{2s} より
2us22ut2=e2s(2ux22uy2)\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = e^{2s}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right)
よって
2ux22uy2=e2s(2us22ut2)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = e^{-2s}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}\right)

3. 最終的な答え

2ux22uy2=e2s(2us22ut2)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = e^{-2s}\left(\frac{\partial^2 u}{\partial s^2} - \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}\right)

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