練習問題メモ 03#
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
を除いて連続である. 原点でも連続にできるか? 直線 に沿って原点に近づくとして調べよ.
指数関数のテイラー展開
により、
となるため
となり、
よって連続にできる
Show code cell source
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]#
[2] 次の関数
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)
(3)
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
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(1)
(2)
(3)
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)
とおく。
であり、
より
(5)
とおく。
であり、
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]
(1)
(2)
(3)
問題略解
(1)
(2)
(3)
同様にして,
よって,
答例
(2)
ならば, は だけの関数である.
合成関数の微分(p.121)より
ここで
なので、
もし
がゼロならば
合成関数の微分の定理(p.122)
とすると
あとの2つの式を最初の式に代入して
(1)
ならば, は だけの関数である.
定理より
ここで
であるから
となる
よって
(3)
考え方:2次の合成関数の偏導関数を求めていく
ここで
Step 1.
よって
Step 2.
導出
Step 3.
合成関数の偏微分
に代入すると
Step 4.
最後の2行がつながらないが、うまくやればいけそう?
Step 5.
ということらしい
[5]#
[5] 3 つの変数
(1)
(2)
(1)
逆関数の微分公式
より
(2)
略解
ところで,
上の式の両辺を
(1)により,
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
問題の積は
[6]#
[6]
であることを示せ.
ある関数
であるとする。
であるため、
を意味する。
定理より、
であるため
が成り立つ。
[7]#
[7] 関数
をみたすとき,
Eulerの等式というらしい(参考)。
Eulerの等式
が成立する。
の両辺を
左辺は、
右辺は
整理すると
ここで
[8]#
[8]
左辺は
1階微分は
2階微分は
であることを知っていればまだ求められそう
(
(
公式より
なので
同様に
またzは
まとめると
(
公式より
なので
(複雑すぎてキャパオーバー
関連知識
問題冒頭の
は球面座標から直交座標への変換のこと(球面座標系 - Wikipedia)
直交座標系(Cartesian coordinates system)におけるLaplacian operator(勾配の2階微分バージョン)
球面座標系(spherical coordinates system)におけるLaplacian