和達三樹. (2019). 微分積分. 第5章 練習問題
[1]¶
[1] 次の関数は原点 (0,0) を除いて連続である. 原点でも連続にできるか? 直線 y =mx に沿って原点に近づくとして調べよ.
(1) z=x2+y2ex2+y2−1 z=x2+m2x2ex2+m2x2−1=(1+m2)x2e(1+m2)x2−1 指数関数のテイラー展開
exp(ax)=1+ax+2!(ax)2+3!(ax)3+⋯ により、xが小さい時
eax2=1+ax2 となるため
z=(1+m2)x2e(1+m2)x2−1=(1+m2)x21+(1+m2)x2−1=(1+m2)x2(1+m2)x2=1 となり、mの値の取り方(0への近づき方)によらず1に収束する
よって連続にできる
z={x2+y2ex2+y2−11((x,y)=(0,0)のとき)((x,y)=(0,0)のとき)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
a = 1
x = np.linspace(-1, 1, 100)
plt.plot(x, np.exp(a * x**2))
plt.xlabel("x")
plt.ylabel(f"$\exp(a x^2), a=1$")
plt.title(f"$\exp(a x^2), a=1$")
plt.show()
(2) z=x4+y4x2y2 x→0limz=x→0limx4+m4x4x4m2=x→0lim1+m4m2=1+m4m2 mの値によって異なる値をとるため、原点への近づけ方によって異なる値になってしまう。よって極限は存在せず、連続にできない。
[2]¶
[2] 次の関数 f(x,y) の fx,fy,fxx,fyy,fxy,fyx を計算せよ.
(1) f(x,y)=x3−x2y+xy2−y3+1
(2) f(x,y)=x2cosy−y2cosx
(3) f(x,y)=arctanx2y
(1) f(x,y)=x3−x2y+xy2−y3+1
fx=3x2−2xy+y2fy=3y2+2xy−x2fxx=6x−2yfyy=6y+2xfxy=−2x+2yfyx=−2x+2y (2) f(x,y)=x2cosy−y2cosx
fx=2xcosy+y2sinxfy=−x2siny−2ycosxfxx=2cosy+y2cosxfyy=−x2cosy−2cosxfxy=−2xsiny+2ysinxfyx=−2xsiny+2ysinx (3) f(x,y)=arctanx2y
(arctanx)′=1/(1+x2)なので
fxfyfxxfyyfxyfyx=1+x4y212xy=1+x4y21x2=−(1+x4y2)2(1+x4y2)′2xy+1+x4y21(2xy)′(積の微分公式と商の微分公式)=−(1+x4y2)24x3y22xy+1+x4y212y=−(1+x4y2)28x4y3+1+x4y22y=−(1+x4y2)28x4y3+(1+x4y2)22y(1+x4y2)=(1+x4y2)22y+2x4y2−8x4y3=(1+x4y2)22y−6x4y3=(1+x4y2)22y(1−3x4y2)=−(1+x4y2)2(1+x4y2)′x2+1+x4y21(x2)′(積の微分公式と商の微分公式)=−(1+x4y2)22x6y=(1+x4y2)2(2xy)′(1+x4y2)−2xy(1+x4y2)′=(1+x4y2)22x(1+x4y2)−4x5y2=(1+x4y2)22x+2x5y2−4x5y2=(1+x4y2)22x−2x5y2=(1+x4y2)22x(1−x4y2)=(1+x4y2)2(x2)′(1+x4y2)−x2(1+x4y2)′=(1+x4y2)22x(1+x4y2)−x2×4x3y2=(1+x4y2)22x+2x5y2−4x5y2=(1+x4y2)22x−2x5y2=(1+x4y2)22x(1−x4y2) import sympy as sp
x, y = sp.symbols('x y')
f = sp.atan(x**2 * y)
df = sp.diff(f, x)
sp.diff(df, x)
import sympy as sp
x, y = sp.symbols('x y')
f = sp.atan(x**2 * y)
df = sp.diff(f, x)
sp.diff(df, x)
[3]¶
[3] 次の関数の偏導関数 ∂x∂z,∂y∂z を求めよ.
(1) z=x2+4xy+y3
(2) z=y2x−x2y
(3) z=sin(2x+1)cos(y2+4)
(4) 3x2+4y2−5z2=20
(5) sinxy+sinyz+sinxz=1
(1) z=x2+4xy+y3
∂x∂z=2x+4y∂y∂z=3y2+4x (2) z=y2x−x2y
∂x∂z∂y∂z=y21(x′)−y(x21)′=y21(x′)+y(x2)2(x2)′(商の微分公式)=y21+x32y=(y21)′x−x21(y)′=−y42yx−x21=−y32x−x21 (3) z=sin(2x+1)cos(y2+4)
∂x∂z∂y∂z=(sin(2x+1))′cos(y2+4)=2cos(2x+1)cos(y2+4)=sin(2x+1)(cos(y2+4))′=−2ysin(2x+1)sin(y2+4) import sympy as sp
x, y = sp.symbols('x y')
f = sp.sin(2*x + 1) * sp.cos(y**2 + 4)
sp.diff(f, y)
(4) 3x2+4y2−5z2=20
F(x,y,z):=3x2+4y2−5z2−20=0 とおく。
∂x∂F=6x,∂y∂F=8y,∂z∂F=−10z であり、∂z∂F=0のため、定理
∂x∂z=−∂F/∂z∂F/∂x,∂y∂z=−∂F/∂z∂F/∂y より
∂x∂z∂y∂z=∂F/∂z∂F/∂x=10z6x=5z3x=∂F/∂z∂F/∂y=10z8y=5z4y (5) sinxy+sinyz+sinxz=1
F(x,y,z):=sinxy+sinyz+sinxz−1=0 とおく。
∂x∂F∂y∂F∂z∂F=ycosxy+zcosxz=xcosxy+zcosyz=ycosyz+xcosxz であり、∂z∂F=0のため、定理より
∂x∂z∂y∂z=−∂F/∂z∂F/∂x=−ycosyz+xcosxzycosxy+zcosxz=−∂F/∂z∂F/∂y=−ycosyz+xcosxzxcosxy+zcosyz import sympy as sp
x, y, z = sp.symbols('x y z')
f = sp.sin(x*y) + sp.sin(y*z) + sp.sin(x*z) - 1
sp.diff(f, y)
[4]¶
[4] x=ρcosϕ,y=ρsinϕ のとき, 次のことを証明せよ.
(1) x∂y∂f−y∂x∂f=0 ならば, f(x,y) は ρ だけの関数である.
(2) x∂x∂f+y∂y∂f=0 ならば, f(x,y) は ϕ だけの関数である.
(3) ∂x2∂2f+∂y2∂2f=∂ρ2∂2f+ρ1∂ρ∂f+ρ21∂ϕ2∂2f
ρ=x2+y2,ϕ=arctan(y/x)∂x∂ρ=ρx=cosϕ,∂y∂ρ=ρy=sinϕ∂x∂ϕ=−ρ2y=−ρsinϕ,∂y∂ϕ=ρ2x=ρcosϕ∂x∂f=∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ=cosϕ∂ρ∂f−ρsinϕ∂ϕ∂f∂y∂f=∂ρ∂f∂y∂ρ+∂ϕ∂f∂y∂ϕ=sinϕ∂ρ∂f+ρcosϕ∂ϕ∂f (1) x(∂f/∂y)−y(∂f/∂x)=∂f/∂ϕ=0. よって, f は ϕ によらず, ρ だけの関数.
(2) x(∂f/∂x)+y(∂f/∂y)=ρ(∂f/∂ρ)=0. よって, f は ρ によらず, ϕ だけの関数.
(3)
∂x2∂2f===∂x∂(∂x∂f)=∂ρ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ρ+∂ϕ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ϕ∂ρ∂(cosϕ∂ρ∂f−ρsinϕ∂ϕ∂f)⋅cosϕ+∂ϕ∂(cosϕ∂ρ∂f−ρsinϕ∂ϕ∂f)(−ρsinϕ)cos2ϕ∂ρ2∂2f+ρ22sinϕcosϕ∂ϕ∂f−ρ2sinϕcosϕ∂ρ∂ϕ∂2f+ρsin2ϕ∂ρ∂f+ρ2sin2ϕ∂ϕ2∂2f 同様にして,
∂y2∂2f=sin2ϕ∂ρ2∂2f−ρ22sinϕcosϕ∂ϕ∂f+ρ2sinϕcosϕ∂ρ∂ϕ∂2f+ρcos2ϕ∂ρ∂f+ρ2cos2ϕ∂ϕ2∂2f よって,
∂x2∂2f+∂y2∂2f=∂ρ2∂2f+ρ1∂ρ∂f+ρ21∂ϕ2∂2f
z=f(x,y) において xとyは変数uとvに依存して、
x=g(u,v),y=h(u,v) とすると
dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy,dx=∂u∂xdu+∂v∂xdv,dy=∂u∂ydu+∂v∂ydv あとの2つの式を最初の式に代入して
dz=∂x∂z(∂u∂xdu+∂v∂xdv)+∂y∂z(∂u∂ydu+∂v∂ydv)=(∂x∂z∂u∂x+∂y∂z∂u∂y)du+(∂x∂z∂v∂x+∂y∂z∂v∂y)dv zはuとvの関数とみなせるから
dz=∂u∂zdu+∂v∂zdv duとdvの係数(偏導関数の部分)をそれぞれ等しいとおくと
∂u∂z=∂x∂z∂u∂x+∂y∂z∂u∂y∂v∂z=∂x∂z∂v∂x+∂y∂z∂v∂y x=ρcosϕ,y=ρsinϕ
(1) x∂y∂f−y∂x∂f=0 ならば, f(x,y) は ρ だけの関数である.
定理より
∂ϕ∂f=∂x∂f∂ϕ∂x+∂y∂f∂ϕ∂y ここで
∂ϕ∂x=−ρsinϕ=−y,∂ϕ∂y=ρcosϕ=x であるから
∂ϕ∂f=x∂y∂f−y∂x∂f となる
よってx∂y∂f−y∂x∂f=0なら、fはϕで微分したとき変化がない定数ということなので、fはρだけの関数
(3) ∂x2∂2f+∂y2∂2f=∂ρ2∂2f+ρ1∂ρ∂f+ρ21∂ϕ2∂2f
考え方:2次の合成関数の偏導関数を求めていく
∂x2∂2f=∂x∂(∂x∂f)=∂x∂(∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ)=∂ρ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ρ+∂ϕ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ϕ ここで∂x∂ρや∂x∂ϕを求めるために、ρ,ϕの関数型とその導関数を求める必要がある
Step 1. ρ,ϕの関数型の同定:
x2+y2xy=ρ2cos2ϕ+ρ2sin2ϕ=ρ2=1(cos2ϕ+sin2ϕ)=ρ2=ρcosϕρsinϕ=tanϕ→ρ=x2+y2→ϕ=arctan(tanϕ)=arctan(xy) よって
ρ=x2+y2,ϕ=tan−1(xy) Step 2. ρ,ϕの偏導関数
∂x∂ρ=x2+y2x=ρx=cosϕ,∂y∂ρ=x2+y2y=ρy=sinϕ ∂x∂ϕ=−x2+y2y=−ρsinϕ,∂y∂ϕ=x2+y2x=ρcosϕ
∂x∂ϕ∂y∂ϕ=1+(y/x)21⋅(−x2x′y)=−1+x2y21x2y=−x2x2+y21x2y=−x2+y2x2x2y=−x2+y2y=−ρsinϕ=1+(y/x)21⋅x1=x2+y2x=ρcosϕ Step 3. fの偏導関数
合成関数の偏微分
∂x∂f=∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ∂y∂f=∂ρ∂f∂y∂ρ+∂ϕ∂f∂y∂ϕ に代入すると
∂x∂f=∂ρ∂fcosϕ−∂ϕ∂fρsinϕ∂y∂f=∂ρ∂fsinϕ+∂ϕ∂fρcosϕ Step 4. fの2次の偏導関数
∂x2∂2f=∂x∂(∂x∂f)=∂x∂(∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ)=∂ρ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ρ+∂ϕ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ϕ=∂ρ∂(∂x∂f)⋅cosϕ+∂ϕ∂(∂x∂f)⋅(−ρsinϕ)=∂ρ∂(∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ)⋅cosϕ+∂ϕ∂(∂ρ∂f∂x∂ρ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ)⋅(−ρsinϕ)=∂ρ∂(cosϕ∂ρ∂f−ρsinϕ∂ϕ∂f)⋅cosϕ+∂ϕ∂(cosϕ∂ρ∂f−ρsinϕ∂ϕ∂f)(−ρsinϕ)=∂ρ∂(cos2ϕ∂ρ∂f)−∂ρ∂(ρsinϕcosϕ∂ϕ∂f)−∂ϕ∂(ρsinϕcosϕ∂ρ∂f)+∂ϕ∂(ρ2sin2ϕ∂ϕ∂f)=cos2ϕ∂ρ2∂2f−∂ρ∂(ρsinϕcosϕ∂ϕ∂f)−∂ϕ∂(ρsinϕcosϕ∂ρ∂f)+ρ2sin2ϕ∂ϕ2∂2f=cos2ϕ∂ρ2∂2f+ρ22sinϕcosϕ∂ϕ∂f−ρ2sinϕcosϕ∂ρ∂ϕ∂2f+ρsin2ϕ∂ρ∂f+ρ2sin2ϕ∂ϕ2∂2f 最後の2行がつながらないが、うまくやればいけそう?
∂y2∂2f=∂y∂(∂y∂f)=∂y∂(∂ρ∂f∂y∂ρ+∂ϕ∂f∂y∂ϕ)=∂ρ∂(∂y∂f)⋅∂y∂ρ+∂ϕ∂(∂y∂f)⋅∂y∂ϕ=∂ρ∂(∂y∂f)⋅sinϕ+∂ϕ∂(∂y∂f)⋅ρcosϕ=∂ρ∂(∂ρ∂f∂y∂ρ+∂ϕ∂f∂y∂ϕ)⋅sinϕ+∂ϕ∂(∂ρ∂f∂y∂ρ+∂ϕ∂f∂y∂ϕ)⋅ρcosϕ=∂ρ∂(∂ρ∂fsinϕ+∂ϕ∂fρcosϕ)⋅sinϕ+∂ϕ∂(∂ρ∂fsinϕ+∂ϕ∂fρcosϕ)⋅ρcosϕ=sin2ϕ∂ρ2∂2f−ρ22sinϕcosϕ∂ϕ∂f+ρ2sinϕcosϕ∂ρ∂ϕ∂2f+ρcos2ϕ∂ρ∂f+ρ2cos2ϕ∂ϕ2∂2f Step 5. fの2次の偏導関数の和を求める
∂x2∂2f+∂y2∂2f=∂ρ2∂2f(cos2ϕ+sin2ϕ)+∂ϕ2∂2f(ρ2sin2ϕ+cos2ϕ)+ρ1∂ρ∂f cos2ϕ+sin2ϕ=1のため
∂x2∂2f+∂y2∂2f=∂ρ2∂2f+ρ1∂ρ∂f+ρ21∂ϕ2∂2f ということらしい
[5]¶
[5] 3 つの変数 x,y,z の間に F(x,y,z)=0 の関係がある. 次のことを示せ.
(1) (∂x∂y)z=1/(∂y∂x)z
(2) (∂y∂x)z(∂z∂y)x(∂x∂z)y=−1
(1) (∂x∂y)z=1/(∂y∂x)z
(∂x∂y)zはzを固定したもとでの偏導関数。よってyはxだけの関数であり、1変数の関数である。
逆関数の微分公式
dydx=1/dxdy(dxdy=0 のとき ) より
(∂x∂y)z=1/(∂y∂x)z (2) (∂y∂x)z(∂z∂y)x(∂x∂z)y=−1
z は x,y の関数だから,
dz=(∂x∂z)ydx+(∂y∂z)xdy ところで, (∂x/∂y)z は, z を一定, すなわち, dz=0 としたときの dx/dy であるから,
上の式の両辺を dy で割って,
0=(∂x∂z)y(∂y∂x)z+(∂y∂z)x (1)により, (∂z/∂y)x=1/(∂y/∂z)x だから
(∂x∂z)y(∂y∂x)z(∂z∂y)x+1=0 よって,証明する式を得る.
なぜこうではないのか?:
定理より
(∂y∂x)z=−Fx(x,y,z)Fy(x,y,z)(∂z∂y)x=−Fy(x,y,z)Fz(x,y,z)(∂x∂z)y=−Fz(x,y,z)Fx(x,y,z) 問題の積は
(∂y∂x)z(∂z∂y)x(∂x∂z)y=−Fx(x,y,z)Fy(x,y,z)×−Fy(x,y,z)Fz(x,y,z)×−Fz(x,y,z)Fx(x,y,z)=(−1)3Fx(x,y,z)Fy(x,y,z)Fz(x,y,z)Fx(x,y,z)Fy(x,y,z)Fz(x,y,z)=−1 [6]¶
[6] P(x,y)dx+Q(x,y)dy が全微分であるならば,
∂y∂P=∂x∂Q であることを示せ.
ある関数f(x,y)が存在して、
df=P(x,y)dx+Q(x,y)dy であるとする。
P(x,y)=∂x∂f=fx,Q(x,y)=∂y∂f=fy であるため、
∂y∂P=fxy,∂x∂Q=fyx を意味する。
定理より、
fxy=fyx であるため
∂y∂P=∂x∂Q が成り立つ。
[7]¶
[7] 関数 F(x,y) がパラメータ λ と定数 p に対して,
F(λx,λy)=λpF(x,y) をみたすとき, p 次の同次関数(homogeneous function)であるという. このとき, 次式 を証明せよ。
x∂x∂F+y∂y∂F=pF F(λx,λy)=λpF(x,y) の両辺をλで微分すると、
左辺は、F(λx,λy)=F(u(λ),v(λ))とおくと、全微分の合成関数の定理より
dλdF(u(λ),v(λ))=∂u∂Fdλdu+∂v∂Fdλdv=∂u∂Fx+∂v∂Fy 右辺は
dλdλpF(x,y)=pλp−1F(x,y) 整理すると
∂u∂Fx+∂v∂Fy=pλp−1F(x,y) ここでλ=1とすると、u=x,v=yなので
∂x∂Fx+∂y∂Fy=pF(x,y) [8]¶
[8] x=rsinθcosϕ,y=rsinθsinϕ,z=rcosθ のとき, 次式を証明せよ.
∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f=∂r2∂2f+r2∂r∂f+r21∂θ2∂2f+r21cotθ∂θ∂f+r2sin2θ1∂ϕ2∂2f 左辺はf(x,y,z)(直交座標系)だが右辺はf(r,θ,ϕ)(球面座標系)となっている。両者の関連を導く。
xはr,θ,ϕの関数なので、
1階微分は
∂x∂f=∂r∂f∂x∂r+∂θ∂f∂x∂θ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ 2階微分は
∂2x∂2f=∂x∂(∂x∂f)=∂x∂(∂r∂f∂x∂r+∂θ∂f∂x∂θ+∂ϕ∂f∂x∂ϕ)=∂r∂(∂x∂f)⋅∂x∂r+∂θ∂(∂x∂f)⋅∂x∂θ+∂ϕ∂(∂x∂f)⋅∂x∂ϕ(おそらく、高階微分の順序を入れ替えられるため) r,θ,ϕが
r=x2+y2+z2,θ=arctan(x2+y2/z),ϕ=arctan(y/x) であることを知っていればまだ求められそう
(rの導関数)
∂x∂r∂y∂r∂z∂r=21(x2+y2+z2)−1/22x=rx=sinθcosϕ=ry=sinθsinϕ=rz=cosθ =sinθcosϕとかはよくわからない
(θの導関数)
公式より
dxdarctanx=1+x21
なので
u=x2+y2/zとおくと
∂x∂θ=∂u∂arctan(u)⋅∂x∂u=1+u21⋅z121(x2+y2)−1/22x=1+z2x2+y21⋅zx2+y2x=z2x2+y2+z21⋅zx2+y2x=r2z2⋅zx2+y2x=r2x2+y2zx 同様に
∂y∂θ=r2x2+y2zy またzは
∂z∂θ=∂u∂arctan(u)⋅∂z∂u=1+u21⋅−z21x2+y2=r2z2⋅−z2x2+y2=−r2x2+y2 まとめると
∂x∂θ=r2x2+y2zx,∂y∂θ=r2x2+y2zy,∂z∂θ=−r2x2+y2 (ϕの導関数)
公式より
dxdarctanx=1+x21
なので
∂x∂ϕ∂y∂θ∂z∂θ=∂(y/x)∂arctan(y/x)⋅∂x∂(y/x)=1+x2y21(−x2y)=−x2+y2y=∂(y/x)∂arctan(y/x)⋅∂y∂(y/x)=1+x2y21⋅x1=x2x2+y21⋅x1=x2+y2x2⋅x1=x2+y2x=0