Processing math: 100%

2018年2月5日月曜日

学習環境

解析入門〈3〉(松坂 和夫(著)、岩波書店)の第14章(多変数の関数)、14.2(高次偏導関数、テイラーの定理)、問題4.を取り組んでみる。


  1. gr=gradf(x,y).(cosθ,sinθ)=fxcosθ+fysinθ
    2gr2=(2fx2cosθ+2fxysinθ,2fyxcosθ+2fy2sinθ)·(cosθ,sinθ)=2fx2cos2θ+22fxysinθcosθ+2fy2sin2θ
    gθ=(fx,fy)·(-rsinθ,rcosθ)=-fxrsinθ+fyrcosθ
    2gθ2=-(2fx2,2fyx)·(-rsinθ,rcosθ)·rsinθ-fxrcosθ+(2fxy,2fy2)·(-rsinθ,rcosθ)·rcosθ-fyrsinθ=2fx2r2sin2θ-2fxyr2sinθcosθ-fxrcosθ-2fxyr2sinθcosθ+2fy2r2cos2θ-fyrsinθ=2fx2r2sin2θ-22fxyr2sinθcosθ+2fy2r2cos2θ-fxrcosθ-fyrsinθ

    よって、

    2gr2+1rgr+1r22gθ2=2fx2(cos2θ+sin2θ)+2fy2(sin2θ+cos2θ)+2fxy(2sinθcosθ-2sinθcosθ)+fx(1rcosθ-1rcosθ)+fy(1rsinθ-1rsinθ)=2fx2+2fy2

コード(Emacs)

Python 3

#!/usr/bin/env python3
from sympy import pprint, symbols, sin, cos, Function, Derivative

r, θ = symbols('r, θ', real=True)
x = r * sin(θ)
y = r * cos(θ)
f = Function('f')(x, y)
Df = Derivative(f, r, 2) + 1 / r * Derivative(f, r, 1) + \
    1 / (r ** 2) * Derivative(f, r, 2)

for t in [Df, Df.doit(), Df.doit().factor()]:
    pprint(t.factor())
    print()

入出力結果(Terminal, Jupyter(IPython))

$ ./sample4.py
     2                                                          2             
 2  ∂                             ∂                            ∂              
r ⋅───(f(r⋅sin(θ), r⋅cos(θ))) + r⋅──(f(r⋅sin(θ), r⋅cos(θ))) + ───(f(r⋅sin(θ), 
     2                            ∂r                            2             
   ∂r                                                         ∂r              
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                            2                                 
                                           r                                  

          
          
r⋅cos(θ)))
          
          
──────────
          
          

           ⎛  2                  ⎞│                                 ⎛⎛    2   
 2    2    ⎜ ∂                   ⎟│                 2               ⎜⎜   ∂    
r ⋅sin (θ)⋅⎜────(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + 2⋅r ⋅sin(θ)⋅cos(θ)⋅⎜⎜───────(
           ⎜   2                 ⎟│                                 ⎝⎝∂ξ₂ ∂ξ₁ 
           ⎝∂ξ₁                  ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)                                
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

          ⎞│           ⎞│                         ⎛  2                  ⎞│    
          ⎟│           ⎟│               2    2    ⎜ ∂                   ⎟│    
f(ξ₁, ξ₂))⎟│           ⎟│            + r ⋅cos (θ)⋅⎜────(f(r⋅sin(θ), ξ₂))⎟│    
          ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)              ⎜   2                 ⎟│    
                                                  ⎝∂ξ₂                  ⎠│ξ₂=r
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

                                                                              
                   ⎛ ∂                  ⎞│                       ⎛ ∂          
        + r⋅sin(θ)⋅⎜───(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + r⋅cos(θ)⋅⎜───(f(r⋅sin(
                   ⎝∂ξ₁                 ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)            ⎝∂ξ₂         
⋅cos(θ)                                                                       
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                  2                           
                                                 r                            

                                ⎛  2                  ⎞│                      
        ⎞│                 2    ⎜ ∂                   ⎟│                      
θ), ξ₂))⎟│            + sin (θ)⋅⎜────(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + 2⋅sin(θ)
        ⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)           ⎜   2                 ⎟│                      
                                ⎝∂ξ₁                  ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)           
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

        ⎛⎛    2             ⎞│           ⎞│                      ⎛  2         
        ⎜⎜   ∂              ⎟│           ⎟│                 2    ⎜ ∂          
⋅cos(θ)⋅⎜⎜───────(f(ξ₁, ξ₂))⎟│           ⎟│            + cos (θ)⋅⎜────(f(r⋅sin
        ⎝⎝∂ξ₂ ∂ξ₁           ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)           ⎜   2        
                                                                 ⎝∂ξ₂         
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

         ⎞│           
         ⎟│           
(θ), ξ₂))⎟│           
         ⎟│           
         ⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)
──────────────────────
                      
                      

           ⎛  2                  ⎞│                                 ⎛⎛    2   
 2    2    ⎜ ∂                   ⎟│                 2               ⎜⎜   ∂    
r ⋅sin (θ)⋅⎜────(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + 2⋅r ⋅sin(θ)⋅cos(θ)⋅⎜⎜───────(
           ⎜   2                 ⎟│                                 ⎝⎝∂ξ₂ ∂ξ₁ 
           ⎝∂ξ₁                  ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)                                
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

          ⎞│           ⎞│                         ⎛  2                  ⎞│    
          ⎟│           ⎟│               2    2    ⎜ ∂                   ⎟│    
f(ξ₁, ξ₂))⎟│           ⎟│            + r ⋅cos (θ)⋅⎜────(f(r⋅sin(θ), ξ₂))⎟│    
          ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)              ⎜   2                 ⎟│    
                                                  ⎝∂ξ₂                  ⎠│ξ₂=r
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

                                                                              
                   ⎛ ∂                  ⎞│                       ⎛ ∂          
        + r⋅sin(θ)⋅⎜───(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + r⋅cos(θ)⋅⎜───(f(r⋅sin(
                   ⎝∂ξ₁                 ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)            ⎝∂ξ₂         
⋅cos(θ)                                                                       
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                  2                           
                                                 r                            

                                ⎛  2                  ⎞│                      
        ⎞│                 2    ⎜ ∂                   ⎟│                      
θ), ξ₂))⎟│            + sin (θ)⋅⎜────(f(ξ₁, r⋅cos(θ)))⎟│            + 2⋅sin(θ)
        ⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)           ⎜   2                 ⎟│                      
                                ⎝∂ξ₁                  ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)           
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

        ⎛⎛    2             ⎞│           ⎞│                      ⎛  2         
        ⎜⎜   ∂              ⎟│           ⎟│                 2    ⎜ ∂          
⋅cos(θ)⋅⎜⎜───────(f(ξ₁, ξ₂))⎟│           ⎟│            + cos (θ)⋅⎜────(f(r⋅sin
        ⎝⎝∂ξ₂ ∂ξ₁           ⎠│ξ₁=r⋅sin(θ)⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)           ⎜   2        
                                                                 ⎝∂ξ₂         
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
                                                                              
                                                                              

         ⎞│           
         ⎟│           
(θ), ξ₂))⎟│           
         ⎟│           
         ⎠│ξ₂=r⋅cos(θ)
──────────────────────
                      
                      

$

0 コメント:

コメントを投稿