数学のブログ

ポテンシャル関数 ポテンシャル関数の局所的存在 ベクトル場、3次元、3変数、偏導関数、累乗、指数関数、三角関数、正弦と余弦

続 解析入門 (原書第2版) (S.ラング(著)、松坂 和夫(翻訳)、片山 孝次(翻訳)、岩波書店)の第5章(ポテンシャル関数)、3(ポテンシャル関数の局所的存在)の練習問題13の解答を求めてみる。

a

D 1 f 2 ( x , y , z ) = 0 D 1 f 3 ( x , y , z ) = 0 D 2 f 1 ( x , y , z ) = 0 D 2 f 3 ( x , y , z ) = 0 D 3 f 1 ( x , y , z ) = 0 D 3 f 2 ( x , y , z ) = 0

よって ポテンシャル関数をもつ。

φ ( x , y , z ) = 2 x dx + ψ ( y , z ) = x 2 + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = y ψ ( y , z ) = 3 y ψ ( y , z ) = 3 2 y 2 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = z ψ ( y , z ) = z u ( z ) = z u ( z ) = 2 z 2

よって、 求める問題のベクトル場のポテンシャル関数は、

φ ( x , y , z ) = x 2 + 3 2 y 2 + 2 z 2

b

D 1 f 2 ( x , y , z ) = 1 D 1 f 3 ( x , y , z ) = 1 D 2 f 1 ( x , y , z ) = 1 D 2 f 3 ( x , y , z ) = 1 D 3 f 1 ( x , y , z ) = 1 D 3 f 1 ( x , y , z ) = 1 D 3 f 2 ( x , y , z ) = 1
φ ( x , y , z ) = ( y + z ) dx + ψ ( y , z ) = ( y + z ) x + ψ ( y , z ) = x y + x z + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = x + y ψ ( y , z ) = x + z ψ ( y , z ) = z y + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = x + y + z u ( z ) = x + y u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x y + x z + z y

c

φ ( x , y , z ) = e y + 2 z dx + ψ ( y , z ) = x e y + 2 z + ψ ( y , z )
y = x e y + 2 z + y ψ ( y , z ) = x e y + 2 z ψ ( y , z ) = 0 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = 2 x e y + 2 z + z u ( z ) = 2 x e y + 2 z u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x e y + 2 z

d

φ ( x , y , z ) = y sin z dx + ψ ( y , z ) = x y sin z + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = x sin z + y ψ ( y , z ) = x sin z ψ ( y , z ) = 0 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = x y cos z + z u ( z ) = x y cos z u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x y sin z

e

φ ( x , y , z ) = y z dx + ψ ( y , z ) = x y z + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = x z + y ψ ( y , z ) = x z + z 3 ψ ( y , z ) = y z 3 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = x y + 3 y z 2 + z u ( z ) = x y + 3 y z 2 u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x y z + y z 3

f

φ ( x , y , z ) = e y z dx + ψ ( y , z ) = x e y z + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = x z e y z + y ψ ( y , z ) = x z e y z ψ ( y , z ) = 0 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = x y e y z + z u ( z ) = x y e y z u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x e y z

g

φ ( x , y , z ) = z 2 dx + ψ ( y , z ) = x z 2 + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = y ψ ( y , z ) = 2 y ψ ( y , z ) = y 2 + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = 2 x z + z u ( z ) = 2 x z u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x z 2 + y 2

h

φ ( x , y , z ) = y z cos ( x y ) dx + ψ ( y , z ) = z sin ( x y ) + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = x z cos ( x y ) + y ψ ( y , z ) = x z cos ( x y ) ψ ( y , z ) = 0 + u ( z )
z = sin ( x y ) + z u ( z ) = sin ( x y ) u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = z sin ( x y )

i

φ ( x , y , z ) = ( y 3 z + y ) dx + ψ ( y , z ) = x y 3 z + x y + ψ ( y , z )
y φ ( x , y , z ) = 3 x y 2 z + x + y ψ ( y , z ) = 3 x y 2 z + x + z ψ ( y , z ) = y z + u ( z )
z φ ( x , y , z ) = x y 3 + y + z u ( z ) = x y 3 + y u ( z ) = 0
φ ( x , y , z ) = x y 3 z + x y + y z

コード、入出力結果(Wolfram Language, Jupyter)

VectorPlot3D[{2x, 3y, 4z}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{y + z, x + z, x + y}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{Exp[y + 2z], x Exp[y+2z], 2 x Exp[y+2z]}, {x, -1, 1}, {y, -1, 1}, {z, -1, 1}]
Output
VectorPlot3D[{y Sin[z], x Sin[z], x y Cos[z]}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{y z, x z + z ^3, x y + 3 y z^2}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{Exp[y z], x z Exp[y z], x y Exp[y z]}, {x, -1, 1}, {y, -1, 1}, {z, -1, 1}]
Output
VectorPlot3D[{z^2, 2y, 2 x z}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{y z Cos[x y], x z Cos[x y], Sin[x y]}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output
VectorPlot3D[{y^3 z + y, 3 x y^2 z + x + z, x y^3 + y}, {x, -10, 10}, {y, -10, 10}, {z, -10, 10}]
Output