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偏微分

2変数の関数

極限

例:近づき方が異なるとき、極限は存在しない

関数 f(x,y)=x2x2+y2\displaystyle f(x, y)=\frac{x^2}{x^2+y^2} において, x0,y0x \rightarrow 0, y \rightarrow 0 の極限を調べる。

この関数の定義域は全平面から原点OOを除外して得られる領域である。 点P(x,y)(x, y)が2つの方法でOに近づくとする。

(1) xx軸に沿って原点に近づく場合

f(x,0)=x2/(x2+0)=1f(x, 0) = x^2 / (x^2 + 0) = 1なので

limx0f(x,0)=limx01=1\lim _{x \rightarrow 0} f(x, 0)=\lim _{x \rightarrow 0} 1=1

(2) yy軸に沿って原点に近づく場合

f(0,y)=0/(0+y2)=0f(0, y)=0 /(0+y^2)=0なので

limy0f(0,y)=limy00=0\lim _{y \rightarrow 0} f(0, y)=\lim _{y \rightarrow 0} 0=0

したがって、原点への近づき方によって異なる値をとるため、極限値limP0f(x,y)\displaystyle \lim_{P\to 0} f(x,y)は存在しない

連続

Q. 関数

f(x,y)={xyx2+y2((x,y)(0,0))0((x,y)=(0,0))f(x, y)= \begin{cases} \frac{x y}{x^2+y^2} & ((x, y) \neq(0,0)) \\ 0 & ((x, y)=(0,0)) \end{cases}

の原点(0,0)(0,0)での連続性を調べよ。

f(0,0)f(0,0)は定義されている。

f(x,y)f(x,y)x=0x=0あるいはy=0y=0のとき常に0であるから、xx軸やyy軸に沿って原点に近づくとき

limx0f(x,0)=0=f(0,0)limy0f(0,y)=0=f(0,0)\lim _{x \rightarrow 0} f(x, 0)=0=f(0,0)\\ \lim _{y \rightarrow 0} f(0, y)=0=f(0,0)

しかし直線y=mx(m0)y=mx(m\neq 0)に沿って原点に近づくと

limx0f(x,mx)=limx0mx2x2+m2x2=limx0m1+m2=m1+m2f(0,0)\lim _{x \rightarrow 0} f(x, m x)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{m x^2}{x^2+m^2 x^2}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{m}{1+m^2}=\frac{m}{1+m^2} \neq f(0,0)

となり、mmの値によって(原点への近づけ方によって)異なる値になるため極限は存在せず、連続でもない

偏微分

関数z=f(x,y)z = f(x, y)があるとする。yyを一定としてxxを変動させることを考えると、f(x,y)f(x, y)xxだけの関数になるので、その導関数

f(x,y)x=limΔx0f(x+Δx,y)f(x,y)Δx\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}=\lim _{\Delta x \rightarrow 0} \frac{f(x+\Delta x, y)-f(x, y)}{\Delta x}

が存在すれば、偏微分可能 であるという。またfx\frac{\partial f}{\partial x}f(x,y)f(x,y)xxに関する 偏導関数 (partial derivative)という。

高階の偏微分

2f(x,y)x2=x(f(x,y)x)=fxx(x,y)2f(x,y)yx=y(f(x,y)x)=fxy(x,y)2f(x,y)y2=y(f(x,y)y)=fyy(x,y)2f(x,y)xy=x(f(x,y)y)=fyx(x,y)\begin{aligned} & \frac{\partial^2 f(x, y)}{\partial x^2}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}\right)=f_{x x}(x, y) \\ & \frac{\partial^2 f(x, y)}{\partial y \partial x}=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f(x, y)}{\partial x}\right)=f_{x y}(x, y) \\ & \frac{\partial^2 f(x, y)}{\partial y^2}=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f(x, y)}{\partial y}\right)=f_{y y}(x, y) \\ & \frac{\partial^2 f(x, y)}{\partial x \partial y}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f(x, y)}{\partial y}\right)=f_{y x}(x, y) \end{aligned}

陰関数の微分

y=f(x)y=f(x)のように、xxに対応するyyの具体的な表式が示されているとき、yyxx陽関数 (explicit function)であるという。

F(x,y)=0F(x,y)=0のように関係式として定められているだけのとき、yyxx陰関数 (inplicit function)であるという。

F(x,y)=0F(x,y)=0のとき、yyによる偏導関数FyF_yFy0F_y \neq 0ならば

dydx=Fx(x,y)Fy(x,y)=F(x,y)/xF(x,y)/y\frac{dy}{dx} = - \frac{F_x(x, y)}{F_y(x,y)} = - \frac{\partial F(x,y) / \partial x} {\partial F(x,y) / \partial y}
証明

yyxx の関数だから、 dy=dydxdxd y=\frac{d y}{d x} d x

またF(x,y)=0F(x,y)=0だから、dF=0dF=0

したがって

dF=Fxdx+Fydy=(Fx+Fydydx)dx=0d F=\frac{\partial F}{\partial x} d x+\frac{\partial F}{\partial y} d y=\left(\frac{\partial F}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial y} \frac{d y}{d x}\right) d x=0

よって

Fx+Fydydx=0\frac{\partial F}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial y} \frac{d y}{d x}=0
例題
3x2+4y25z2=203 x^2+4 y^2-5 z^2=20

zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y}を求めよ。

F(x,y,z):=3x2+4y25z220=0F(x,y,z) := 3x^2 + 4y^2 - 5z^2 - 20 = 0

とおく。

Fx=6x,Fy=8y,Fz=10z\frac{\partial F}{\partial x} = 6x, \quad \frac{\partial F}{\partial y} = 8y, \quad \frac{\partial F}{\partial z} = -10z

であり、Fz0\frac{\partial F}{\partial z} \neq 0のため、定理

zx=F/xF/z,zy=F/yF/z\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{\partial F/\partial x}{\partial F / \partial z} , \quad \frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{\partial F/\partial y}{\partial F / \partial z}

より

zx=F/xF/z=6x10z=3x5zzy=F/yF/z=8y10z=4y5z\begin{align} \frac{\partial z}{\partial x} &= \frac{\partial F/\partial x}{\partial F / \partial z} = \frac{6x}{10z} = \frac{3x}{5z} \\ \frac{\partial z}{\partial y} &= \frac{\partial F/\partial y}{\partial F / \partial z} = \frac{8y}{10z} = \frac{4y}{5z} \end{align}