微積4.3.3

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培風館『入門微分積分』第4章・問題4.3.3の解答解説です。問題文、解法の要点、途中式を含む解答例を整理しています。

問題4.3.3

微分作用素 $\varDelta =\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}$ をラプラシアンという。次の関数にラプラシアン$\varDelta$を作用させよ。

(1)$z=\log(x^2+y^2)$

(2)$z=\dfrac{x}{x^2+y^2}$

(3)$z=\tan^{-1} \dfrac{y}{x}$

(4)$z=x^3+xy+y^3$

解法の要点

前問同様、単なる偏微分の計算練習です。ラプラシアンは物理学などの分野でよく登場します。有名どころではシュレーディンガー方程式を記述する際に用いられます(その場合は「$\nabla^2$」という記号を用いることが多いです)。

解答例

(1)$z=\log(x^2+y^2)$

$$\begin{align} \varDelta z &= \left(\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}\right)\log(x^2+y^2) \\ &=\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}\log(x^2+y^2)+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}\log(x^2+y^2) \\ &=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{2x}{x^2+y^2}\right)+\dfrac{\partial}{\partial y}\left(\dfrac{2y}{x^2+y^2}\right) \\ &=\dfrac{2(-x^2+y^2)}{x^2+y^2}+\dfrac{2(x^2-y^2)}{x^2+y^2} \\ &=0 \ \ \cdots \cdots \text{(答)} \end{align}$$

(2)$z=\dfrac{x}{x^2+y^2}$

$$\begin{align} \varDelta z &= \left(\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}\right)\dfrac{x}{x^2+y^2} \\
&=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{-x^2+y^2}{(x^2+y^2)^2}\right)+\dfrac{\partial}{\partial y}\left(\dfrac{-2xy}{(x^2+y^2)^2}\right) \\
&=\dfrac{2 x (x^2 – 3 y^2)}{(x^2 + y^2)^3}-\dfrac{2 x (x^2 – 3 y^2)}{(x^2 + y^2)^3} \\ &=0 \ \ \cdots \cdots \text{(答)} \end{align}$$

(3)$z=\tan^{-1} \dfrac{y}{x}$

$$\begin{align} \varDelta z &= \left(\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}\right)\tan^{-1} \dfrac{y}{x} \\
&=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{-y}{x^2+y^2}\right)+\dfrac{\partial}{\partial y}\left(\dfrac{x}{x^2+y^2}\right) \\
&=\dfrac{2xy}{(x^2 + y^2)^2}-\dfrac{2xy}{(x^2 + y^2)^2} \\ &=0 \ \ \cdots \cdots \text{(答)} \end{align}$$

(4)$z=x^3+xy+y^3$

$$\begin{align} \varDelta z &= \left(\dfrac{\partial ^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial ^2}{\partial y^2}\right)(x^3+xy+y^3) \\
&=\dfrac{\partial}{\partial x}(3x^2+y)+\dfrac{\partial}{\partial y}(x+3y^2) \\
&=6x+6y \\ &=6(x+y) \ \ \cdots \cdots \text{(答)} \end{align}$$

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