$\phi(\mathbf{r}) = \log r$ のとき、$\frac{\partial \phi}{\partial x}$, $\frac{\partial \phi}{\partial y}$, $\frac{\partial \phi}{\partial z}$ を求める問題です。ここで、$r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}$です。

解析学偏微分勾配対数関数ベクトル解析
2025/6/3

1. 問題の内容

ϕ(r)=logr\phi(\mathbf{r}) = \log r のとき、ϕx\frac{\partial \phi}{\partial x}, ϕy\frac{\partial \phi}{\partial y}, ϕz\frac{\partial \phi}{\partial z} を求める問題です。ここで、r=x2+y2+z2r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}です。

2. 解き方の手順

まず、r=x2+y2+z2r = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}からrx\frac{\partial r}{\partial x}, ry\frac{\partial r}{\partial y}, rz\frac{\partial r}{\partial z}を求めます。
rx=12x2+y2+z22x=xx2+y2+z2=xr\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{1}{2\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}} \cdot 2x = \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}} = \frac{x}{r}
同様に、
ry=yr\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{y}{r}
rz=zr\frac{\partial r}{\partial z} = \frac{z}{r}
次に、ϕx\frac{\partial \phi}{\partial x}, ϕy\frac{\partial \phi}{\partial y}, ϕz\frac{\partial \phi}{\partial z}を求めます。
ϕ=logr\phi = \log rなので、ϕr=1r\frac{\partial \phi}{\partial r} = \frac{1}{r}
ϕx=ϕrrx=1rxr=xr2\frac{\partial \phi}{\partial x} = \frac{\partial \phi}{\partial r} \cdot \frac{\partial r}{\partial x} = \frac{1}{r} \cdot \frac{x}{r} = \frac{x}{r^2}
ϕy=ϕrry=1ryr=yr2\frac{\partial \phi}{\partial y} = \frac{\partial \phi}{\partial r} \cdot \frac{\partial r}{\partial y} = \frac{1}{r} \cdot \frac{y}{r} = \frac{y}{r^2}
ϕz=ϕrrz=1rzr=zr2\frac{\partial \phi}{\partial z} = \frac{\partial \phi}{\partial r} \cdot \frac{\partial r}{\partial z} = \frac{1}{r} \cdot \frac{z}{r} = \frac{z}{r^2}

3. 最終的な答え

ϕx=xr2\frac{\partial \phi}{\partial x} = \frac{x}{r^2}
ϕy=yr2\frac{\partial \phi}{\partial y} = \frac{y}{r^2}
ϕz=zr2\frac{\partial \phi}{\partial z} = \frac{z}{r^2}

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