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2018年2月15日木曜日

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11.を取り組んでみる。


  1. gr=gradf(x,y,z)·(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)=fxsinθcosφ+fysinθsinφ+fzcosθ
    gθ=fxrcosθcosφ+fyrcosθsinφ-fzrsinθ
    gφ=-fxrsinθsinφ+fyrsinθcosφ
    1rgθ=fxcosθcosφ+fycosθsinφ-fzsinθ
    1rsinθgφ=-fxsinφ+fycosφ
    (gr)2=(fx)2sin2θcos2φ+(fy)2sin2θsin2φ+(fz)2cos2θ+2fx·fysin2θsinφcosφ+2fy·fzsinθcosθsinφ+2fz·fxsinθcosθcosφ
    (1rgθ)2=(fx)2cos2θcos2φ+(fy)2cos2θsin2φ+(fz)2sin2θ+2fx·fycos2θsinφcosφ-2fy·fzsinθcosθsinφ-2fzfxsinθcosθcosφ
    (1rsinθgφ)2=(fx)2sin2φ+(fy)2cos2φ-2fxfysinφcosφ

    よって、

    (gr)2+(1rgθ)2+(1rsinθgφ)2=(fx)2(sin2θcos2φ+cos2θcos2φ+sin2φ)+(fy)2(sin2θsin2φ+cos2θsin2φ+cos2φ)+(fz)2(cos2θ+sin2θ)+2fxfy(sin2θsinφcosφ+cos2θsinφcosφ-sinφcosφ)+2fyfz(sinθcosθsinφ-sinθcosθsinφ)+2fzfx(sinθcosθcosφ-sinθcosθcosφ)=(fx)2+(fy)2+(fz)2

コード(Emacs)

Python 3

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

r, a, b = symbols('r, a, b', nonzero=True)
x = r * sin(a) * cos(b)
y = r * sin(a) * sin(b)
z = r * cos(b)
g = Function('g')(r, a, b)
expr = Derivative(g, r, 1) ** 2 + (1 / r * Derivative(g, a, 1)
                                   ) ** 2 + (1 / (r * sin(a)) * Derivative(g, b, 1)) ** 2
for t in [expr, expr.doit()]:
    pprint(t)
    print()

入出力結果(Terminal, Jupyter(IPython))

$ ./sample11.py
                                    2                   2
                    ⎛∂             ⎞    ⎛∂             ⎞ 
                2   ⎜──(g(r, a, b))⎟    ⎜──(g(r, a, b))⎟ 
⎛∂             ⎞    ⎝∂a            ⎠    ⎝∂b            ⎠ 
⎜──(g(r, a, b))⎟  + ───────────────── + ─────────────────
⎝∂r            ⎠             2               2    2      
                            r               r ⋅sin (a)   

                                    2                   2
                    ⎛∂             ⎞    ⎛∂             ⎞ 
                2   ⎜──(g(r, a, b))⎟    ⎜──(g(r, a, b))⎟ 
⎛∂             ⎞    ⎝∂a            ⎠    ⎝∂b            ⎠ 
⎜──(g(r, a, b))⎟  + ───────────────── + ─────────────────
⎝∂r            ⎠             2               2    2      
                            r               r ⋅sin (a)   

$

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