学習環境
- Surface 3 (4G LTE)、Surface 3 タイプ カバー、Surface ペン(端末)
- Windows 10 Pro (OS)
- Nebo(Windows アプリ)
- iPad Pro + Apple Pencil
- MyScript Nebo(iPad アプリ)
- 参考書籍
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。
∂g∂r=gradf(x,y,z)·(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ)=∂f∂xsinθcosφ+∂f∂ysinθsinφ+∂f∂zcosθ∂g∂θ=∂f∂xrcosθcosφ+∂f∂yrcosθsinφ-∂f∂zrsinθ∂g∂φ=-∂f∂xrsinθsinφ+∂f∂yrsinθcosφ1r∂g∂θ=∂f∂xcosθcosφ+∂f∂ycosθsinφ-∂f∂zsinθ1rsinθ∂g∂φ=-∂f∂xsinφ+∂f∂ycosφ(∂g∂r)2=(∂f∂x)2sin2θcos2φ+(∂f∂y)2sin2θsin2φ+(∂f∂z)2cos2θ+2∂f∂x·∂f∂ysin2θsinφcosφ+2∂f∂y·∂f∂zsinθcosθsinφ+2∂f∂z·∂f∂xsinθcosθcosφ(1r∂g∂θ)2=(∂f∂x)2cos2θcos2φ+(∂f∂y)2cos2θsin2φ+(∂f∂z)2sin2θ+2∂f∂x·∂f∂ycos2θsinφcosφ-2∂f∂y·∂f∂zsinθcosθsinφ-2∂f∂z∂f∂xsinθcosθcosφ(1rsinθ∂g∂φ)2=(∂f∂x)2sin2φ+(∂f∂y)2cos2φ-2∂f∂x∂f∂ysinφcosφよって、
(∂g∂r)2+(1r∂g∂θ)2+(1rsinθ∂g∂φ)2=(∂f∂x)2(sin2θcos2φ+cos2θcos2φ+sin2φ)+(∂f∂y)2(sin2θsin2φ+cos2θsin2φ+cos2φ)+(∂f∂z)2(cos2θ+sin2θ)+2∂f∂x∂f∂y(sin2θsinφcosφ+cos2θsinφcosφ-sinφcosφ)+2∂f∂y∂f∂z(sinθcosθsinφ-sinθcosθsinφ)+2∂f∂z∂f∂x(sinθcosθcosφ-sinθcosθcosφ)=(∂f∂x)2+(∂f∂y)2+(∂f∂z)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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