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Calculus · real student question

A = x i + y j - z k、B = 3x i + 2y j + z k とする。A × B の y と x に関する混合2階偏微分を、点 (1, 2, 1) で求めよ。

Question

次のように定める。

A⃗=x i+y j−z k,B⃗=3x i+2y j+z k\vec A=x\,\mathbf i+y\,\mathbf j-z\,\mathbf k,\qquad \vec B=3x\,\mathbf i+2y\,\mathbf j+z\,\mathbf k

点 (1,2,1)(1,2,1) における

∂2(A⃗×B⃗)∂y ∂x\frac{\partial^{2}\left(\vec A\times\vec B\right)}{\partial y\,\partial x}

を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 先に外積、あとで微分する。 外積を成分ごとに微分できるのは成分が出そろってからなので、まず行列式

    A⃗×B⃗=∣ijkxy−z3x2yz∣\vec A\times\vec B=\begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\ x&y&-z\\ 3x&2y&z\end{vmatrix}

    を計算する。もう1つの方法、すなわち積の微分法 ∂x(A⃗×B⃗)=∂xA⃗×B⃗+A⃗×∂xB⃗\partial_x(\vec A\times\vec B)=\partial_x\vec A\times\vec B+\vec A\times\partial_x\vec B を使うのも正しいが、ここでは手間が増える。

  2. 行列式を成分ごとに展開する。

    i: (y)(z)−(−z)(2y)=yz+2yz=3yz\mathbf i:\ (y)(z)-(-z)(2y)=yz+2yz=3yz
    j: −[(x)(z)−(−z)(3x)]=−[xz+3xz]=−4xz\mathbf j:\ -\big[(x)(z)-(-z)(3x)\big]=-\big[xz+3xz\big]=-4xz
    k: (x)(2y)−(y)(3x)=2xy−3xy=−xy\mathbf k:\ (x)(2y)-(y)(3x)=2xy-3xy=-xy

    よって

    A⃗×B⃗=3yz i−4xz j−xy k\vec A\times\vec B=3yz\,\mathbf i-4xz\,\mathbf j-xy\,\mathbf k

    j\mathbf j の項の前に付く符号の反転は余因子展開の一部で、最もよくあるミスの元である。

  3. yy と zz を定数とみて xx で微分する。

    ∂∂x(3yz i−4xz j−xy k)=0 i−4z j−y k\frac{\partial}{\partial x}\left(3yz\,\mathbf i-4xz\,\mathbf j-xy\,\mathbf k\right)=0\,\mathbf i-4z\,\mathbf j-y\,\mathbf k

    i\mathbf i 成分には xx がまったく含まれないので、ただちに消える。

  4. その結果を yy で微分する。

    ∂∂y(−4z j−y k)=0 j−1 k=−k\frac{\partial}{\partial y}\left(-4z\,\mathbf j-y\,\mathbf k\right)=0\,\mathbf j-1\,\mathbf k=-\mathbf k

    生き残った項はすべて1次だったので、2階微分は定ベクトルになる。すなわち答えは (1,2,1)(1,2,1) を含めどの点でも −k-\mathbf k である。点の座標は最後まで必要なかった。答案にはそのことをはっきり書いておくとよい。

  5. 順序を入れ替えてクレローの定理で検算する。 先に yy で微分すると 3z i−x k3z\,\mathbf i-x\,\mathbf k となり、続いて xx で微分すると −k-\mathbf k になる。2つの順序は一致しており、多項式(したがって滑らかな)ベクトル場では必ずそうなる。

Answer

−k-\mathbf k

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