与えられた4つの関数 $f(x, y)$ のそれぞれについて、1階偏導関数 $f_x$, $f_y$ と、2階偏導関数 $f_{xx}$, $f_{yy}$, $f_{xy}$, $f_{yx}$ を求める。

解析学偏微分多変数関数偏導関数
2025/6/5
はい、承知いたしました。画像に記載された4つの関数について、それぞれ2階までの偏導関数を求めます。

1. 問題の内容

与えられた4つの関数 f(x,y)f(x, y) のそれぞれについて、1階偏導関数 fxf_x, fyf_y と、2階偏導関数 fxxf_{xx}, fyyf_{yy}, fxyf_{xy}, fyxf_{yx} を求める。

2. 解き方の手順

各関数について、以下の手順で偏導関数を求めます。
(1) f(x,y)=x4+xy3f(x, y) = x^4 + xy^3
* fx=fx=4x3+y3f_x = \frac{\partial f}{\partial x} = 4x^3 + y^3
* fy=fy=3xy2f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = 3xy^2
* fxx=2fx2=x(4x3+y3)=12x2f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (4x^3 + y^3) = 12x^2
* fyy=2fy2=y(3xy2)=6xyf_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (3xy^2) = 6xy
* fxy=2fxy=x(3xy2)=3y2f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (3xy^2) = 3y^2
* fyx=2fyx=y(4x3+y3)=3y2f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} (4x^3 + y^3) = 3y^2
(2) f(x,y)=excos(y)f(x, y) = e^x \cos(y)
* fx=fx=excos(y)f_x = \frac{\partial f}{\partial x} = e^x \cos(y)
* fy=fy=exsin(y)f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = -e^x \sin(y)
* fxx=2fx2=x(excos(y))=excos(y)f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (e^x \cos(y)) = e^x \cos(y)
* fyy=2fy2=y(exsin(y))=excos(y)f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (-e^x \sin(y)) = -e^x \cos(y)
* fxy=2fxy=x(exsin(y))=exsin(y)f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (-e^x \sin(y)) = -e^x \sin(y)
* fyx=2fyx=y(excos(y))=exsin(y)f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} (e^x \cos(y)) = -e^x \sin(y)
(3) f(x,y)=x+yxyf(x, y) = \frac{\sqrt{x+y}}{xy}
* f(x,y)=(x+y)1/2xyf(x,y) = \frac{(x+y)^{1/2}}{xy}
* fx=12(x+y)1/2xy(x+y)1/2yx2y2=xy2x+yyx+yx2y2=x2(x+y)2x2yx+y=x2y2x2yx+yf_x = \frac{\frac{1}{2}(x+y)^{-1/2}xy - (x+y)^{1/2}y}{x^2y^2} = \frac{\frac{xy}{2\sqrt{x+y}} - y\sqrt{x+y}}{x^2y^2} = \frac{x - 2(x+y)}{2x^2y\sqrt{x+y}} = \frac{-x-2y}{2x^2y\sqrt{x+y}}
* fy=12(x+y)1/2xy(x+y)1/2xx2y2=xy2x+yxx+yx2y2=y2(x+y)2xy2x+y=2xy2xy2x+yf_y = \frac{\frac{1}{2}(x+y)^{-1/2}xy - (x+y)^{1/2}x}{x^2y^2} = \frac{\frac{xy}{2\sqrt{x+y}} - x\sqrt{x+y}}{x^2y^2} = \frac{y - 2(x+y)}{2xy^2\sqrt{x+y}} = \frac{-2x-y}{2xy^2\sqrt{x+y}}
* fxx=fxx=x(x2y2x2yx+y)f_{xx} = \frac{\partial f_x}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left(\frac{-x-2y}{2x^2y\sqrt{x+y}}\right)
* fyy=fyy=y(2xy2xy2x+y)f_{yy} = \frac{\partial f_y}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left(\frac{-2x-y}{2xy^2\sqrt{x+y}}\right)
* fxy=fxy=y(x2y2x2yx+y)f_{xy} = \frac{\partial f_x}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left(\frac{-x-2y}{2x^2y\sqrt{x+y}}\right)
* fyx=fyx=x(2xy2xy2x+y)f_{yx} = \frac{\partial f_y}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} \left(\frac{-2x-y}{2xy^2\sqrt{x+y}}\right)
(4) f(x,y)=exsin(y)f(x, y) = e^x \sin(y)
* fx=fx=exsin(y)f_x = \frac{\partial f}{\partial x} = e^x \sin(y)
* fy=fy=excos(y)f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = e^x \cos(y)
* fxx=2fx2=x(exsin(y))=exsin(y)f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} (e^x \sin(y)) = e^x \sin(y)
* fyy=2fy2=y(excos(y))=exsin(y)f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} (e^x \cos(y)) = -e^x \sin(y)
* fxy=2fxy=x(excos(y))=excos(y)f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial x} (e^x \cos(y)) = e^x \cos(y)
* fyx=2fyx=y(exsin(y))=excos(y)f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} (e^x \sin(y)) = e^x \cos(y)

3. 最終的な答え

(1)
fx=4x3+y3f_x = 4x^3 + y^3
fy=3xy2f_y = 3xy^2
fxx=12x2f_{xx} = 12x^2
fyy=6xyf_{yy} = 6xy
fxy=3y2f_{xy} = 3y^2
fyx=3y2f_{yx} = 3y^2
(2)
fx=excos(y)f_x = e^x \cos(y)
fy=exsin(y)f_y = -e^x \sin(y)
fxx=excos(y)f_{xx} = e^x \cos(y)
fyy=excos(y)f_{yy} = -e^x \cos(y)
fxy=exsin(y)f_{xy} = -e^x \sin(y)
fyx=exsin(y)f_{yx} = -e^x \sin(y)
(3)
fx=x2y2x2yx+yf_x = \frac{-x-2y}{2x^2y\sqrt{x+y}}
fy=2xy2xy2x+yf_y = \frac{-2x-y}{2xy^2\sqrt{x+y}}
fxxf_{xx}, fyyf_{yy}, fxyf_{xy}, fyxf_{yx} は複雑なため省略
(4)
fx=exsin(y)f_x = e^x \sin(y)
fy=excos(y)f_y = e^x \cos(y)
fxx=exsin(y)f_{xx} = e^x \sin(y)
fyy=exsin(y)f_{yy} = -e^x \sin(y)
fxy=excos(y)f_{xy} = e^x \cos(y)
fyx=excos(y)f_{yx} = e^x \cos(y)

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