数学のブログ

多変数の関数 高次導関数、テイラーの定理 合成関数、内積、等式

解析入門(中) (松坂和夫 数学入門シリーズ 5) (松坂 和夫 (著)、岩波書店)の第14章(多変数の関数)、14.2(高次導関数、テイラーの定理)、問題3の解答を求めてみる。

a

2 z x 2 = z x ( f ( a x + b y ) + x f ' ( a x + b y ) a + y g ' ( a x + b y ) a )
= f ' ( a x + b y ) a + f ' ( a x + b y ) a + f ' ' ( a x + b y ) a 2 + y g ' ' ( a x + b ) a 2
= 2 a f ' ( a x + b y ) + a 2 x f ' ' ( a x + b y ) + a 2 y g ' ' ( a x + b )
2 z x y = x ( b x f ' ( a x + b y ) + g ( a x + b y ) + b y g ' ( a x + b y ) )
= b f ' ( a x + b y ) + a b x f ' ' ( a x + b y ) + a g ' ( a x + b y ) + a b y g ' ' ( a x + b y )
2 z y 2 = b 2 x f ' ' ( a x + b y ) + b g ' ( a x + b y ) + b g ' ( a x + b y ) + b 2 y g ' ( a x + b y )
= b 2 x f ' ' ( a x + b y ) + 2 b g ' ( a x + b y ) + b 2 y g ' ' ( a x + b y )

よって、

b 2 2 z x 2 - 2 a b 2 z x y + a 2 2 z y 2
= ( 2 a b 2 - 2 a b 2 ) f ' ( a x + b y ) + ( a 2 b 2 x - 2 a 2 b 2 x + a 2 b 2 x ) f ' ' ( a x + b y ) + ( - 2 a 2 b + 2 a 2 b ) g ' ( a x + b y ) + ( a 2 b 2 y - 2 a 2 b 2 y + a 2 b 2 y ) g ' ' ( a x + b y )
= 0

上記において、

a x + b y = t f ' = f t , g ' = y t

b

2 z u v = d u ( ( z x , z y ) · ( 1 , 1 ) ) = u ( z x - z y ) = 2 z x 2 - 2 z y 2

c

2 z u 2 = u ( ( z x , z y ) · ( e u , - e - u ) )
= u ( z x e u - z y e - u )
= x ( z x , z y ) · ( e u , - e - u ) e u + z x e u - y ( z x , z y ) · ( e u , - e - u ) e - u + z y e - u
= 2 z x 2 e 2 u - 2 z x y + z x e u - 2 z x y + 2 z y 2 e - 2 u + z y e - u
= 2 z x 2 e 2 u - 2 2 z x y + z x e u + 2 z y 2 e - 2 u + z y e - u
2 z u v = u ( ( z x , z y ) · ( e v , - e - v ) )
= u ( z x e v - z y e - v )
= x ( ( z x , z y ) · ( e u , - e - u ) e v ) - y ( ( z x , z y ) · ( e u , - e - u ) e - v )
= 2 z x 2 e u + v - 2 z x y e - u + v - 2 z x y e u - v + 2 z y 2 e - u - v
2 z v 2 = 2 z x 2 e 2 v - 2 2 z x y + z x e v + 2 z y 2 e - 2 v + z y e - v

よって、

2 z u 2 + 2 2 z u v + 2 z v 2
= ( e 2 u + e u + u + e 2 v ) 2 z x 2 - 2 ( 2 + e - u + v + e u - v ) 2 z x y + ( e - 2 u + e - u - v + e - 2 v ) 2 z y 2 + ( e u + e v ) z x + ( e - u + e - v ) z y
= x 2 2 z x 2 - 2 x y 2 z x y + y 2 2 z y 2 + x z x + y z y