3.1 偏微分と全微分
📐 定義: 偏微分
多変数関数 f(x, y) の x に関する偏微分は: $$\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h, y) - f(x, y)}{h}$$ 他の変数を固定して、1つの変数のみで微分します。
多変数関数 f(x, y) の x に関する偏微分は: $$\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h, y) - f(x, y)}{h}$$ 他の変数を固定して、1つの変数のみで微分します。
💻 コード例1: 偏微分の数値計算
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
def f(x, y):
"""2変数関数: f(x,y) = x² + xy + y²"""
return x**2 + x*y + y**2
def partial_x(f, x, y, h=1e-5):
"""∂f/∂x の数値計算"""
return (f(x+h, y) - f(x-h, y)) / (2*h)
def partial_y(f, x, y, h=1e-5):
"""∂f/∂y の数値計算"""
return (f(x, y+h) - f(x, y-h)) / (2*h)
# 点 (1, 2) での偏微分
x0, y0 = 1, 2
df_dx = partial_x(f, x0, y0)
df_dy = partial_y(f, x0, y0)
print(f"点 ({x0}, {y0}) における偏微分:")
print(f"∂f/∂x = {df_dx:.6f} (解析解: {2*x0 + y0})")
print(f"∂f/∂y = {df_dy:.6f} (解析解: {x0 + 2*y0})")
# 3D可視化
x = np.linspace(-3, 3, 50)
y = np.linspace(-3, 3, 50)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = f(X, Y)
fig = plt.figure(figsize=(10, 8))
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
ax.plot_surface(X, Y, Z, alpha=0.7, cmap='viridis')
ax.scatter([x0], [y0], [f(x0, y0)], color='red', s=100)
ax.set_xlabel('x')
ax.set_ylabel('y')
ax.set_zlabel('f(x,y)')
ax.set_title('f(x,y) = x² + xy + y²')
plt.show()
💻 コード例2: SymPyによる偏微分
import sympy as sp
x, y, z = sp.symbols('x y z')
# 様々な多変数関数の偏微分
f1 = x**2 + y**2
f2 = x*sp.exp(y)
f3 = sp.sin(x*y)
f4 = x**2 * y + y**2 * z + z**2 * x
functions = [f1, f2, f3, f4]
print("偏微分の例:")
for f in functions:
print(f"\nf = {f}")
vars = list(f.free_symbols)
for var in vars:
print(f" ∂f/∂{var} = {sp.diff(f, var)}")
3.2 勾配とヤコビ行列
📐 定義: 勾配
スカラー場 f(x, y, z) の勾配は偏微分を成分とするベクトル: $$\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z} \right)$$ 勾配ベクトルは関数が最も急激に増加する方向を示します。
スカラー場 f(x, y, z) の勾配は偏微分を成分とするベクトル: $$\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z} \right)$$ 勾配ベクトルは関数が最も急激に増加する方向を示します。
💻 コード例3: 勾配降下法の実装
def gradient(f, x, y, h=1e-5):
"""勾配ベクトルの数値計算"""
grad_x = (f(x+h, y) - f(x-h, y)) / (2*h)
grad_y = (f(x, y+h) - f(x, y-h)) / (2*h)
return np.array([grad_x, grad_y])
def gradient_descent(f, x0, y0, learning_rate=0.1, n_iter=50):
"""勾配降下法による最小値探索"""
path = [(x0, y0)]
x, y = x0, y0
for i in range(n_iter):
grad = gradient(f, x, y)
x -= learning_rate * grad[0]
y -= learning_rate * grad[1]
path.append((x, y))
return np.array(path)
# f(x,y) = x² + y² の最小値を探索
f_simple = lambda x, y: x**2 + y**2
path = gradient_descent(f_simple, x0=3, y0=2, learning_rate=0.2, n_iter=20)
print("勾配降下法による最小値探索:")
print(f"開始点: ({path[0,0]:.2f}, {path[0,1]:.2f})")
print(f"終了点: ({path[-1,0]:.6f}, {path[-1,1]:.6f})")
print(f"最小値: f = {f_simple(path[-1,0], path[-1,1]):.6f}")
# 可視化
x = np.linspace(-3, 3, 100)
y = np.linspace(-3, 3, 100)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = f_simple(X, Y)
plt.figure(figsize=(10, 8))
plt.contour(X, Y, Z, levels=20, cmap='viridis', alpha=0.6)
plt.colorbar(label='f(x,y)')
plt.plot(path[:,0], path[:,1], 'ro-', linewidth=2, markersize=6)
plt.scatter([path[0,0]], [path[0,1]], color='green', s=150, marker='*', label='開始点')
plt.scatter([path[-1,0]], [path[-1,1]], color='red', s=150, marker='*', label='終了点')
plt.xlabel('x')
plt.ylabel('y')
plt.title('勾配降下法による最適化')
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()
3.3 ラグランジュの未定乗数法
📐 定理: ラグランジュの未定乗数法
制約条件 g(x, y) = 0 の下で f(x, y) を最適化する問題は、 ラグランジュ関数 L(x, y, λ) = f(x, y) - λg(x, y) の停留点を求めることに帰着されます。
制約条件 g(x, y) = 0 の下で f(x, y) を最適化する問題は、 ラグランジュ関数 L(x, y, λ) = f(x, y) - λg(x, y) の停留点を求めることに帰着されます。
💻 コード例4: 制約付き最適化問題
from scipy.optimize import minimize
# 問題: x² + y² を最小化、制約 x + y = 1
def objective(X):
x, y = X
return x**2 + y**2
def constraint(X):
x, y = X
return x + y - 1 # x + y = 1
# 制約条件を辞書形式で指定
cons = {'type': 'eq', 'fun': constraint}
# 最適化実行
x0 = [0, 0] # 初期値
result = minimize(objective, x0, method='SLSQP', constraints=cons)
print("制約付き最適化の結果:")
print(f"最適解: x = {result.x[0]:.6f}, y = {result.x[1]:.6f}")
print(f"最小値: f = {result.fun:.6f}")
print(f"制約確認: x + y = {result.x[0] + result.x[1]:.6f}")
# 解析解との比較(この問題の解析解は x = y = 0.5)
print(f"\n解析解: x = y = 0.5, f = 0.5")
print(f"誤差: {abs(result.x[0] - 0.5):.2e}")
3.4 重積分(二重積分・三重積分)
💻 コード例5: 二重積分の数値計算
from scipy import integrate
# ∫∫_D xy dxdy, D: 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2
def integrand(y, x):
"""被積分関数 f(x,y) = xy"""
return x * y
# dblquad: 二重積分
result, error = integrate.dblquad(integrand,
0, 1, # x の範囲
0, 2) # y の範囲
print("二重積分の計算:")
print(f"∫₀¹ ∫₀² xy dy dx = {result:.6f}")
print(f"解析解: [x²/2]₀¹ · [y²/2]₀² = 0.5 · 2 = 1.0")
print(f"推定誤差: {error:.2e}")
💻 コード例6: 極座標変換による二重積分
# 円盤 x² + y² ≤ 1 上での ∫∫ (x² + y²) dxdy
# 極座標変換: x = r cos θ, y = r sin θ, dxdy = r dr dθ
def integrand_polar(theta, r):
"""極座標での被積分関数: r² · r = r³"""
return r**3
# 積分範囲: 0 ≤ r ≤ 1, 0 ≤ θ ≤ 2π
result, error = integrate.dblquad(integrand_polar,
0, 1, # r の範囲
0, 2*np.pi) # θ の範囲
print("\n極座標変換による二重積分:")
print(f"∫∫_D (x² + y²) dxdy = {result:.6f}")
print(f"解析解: ∫₀^2π dθ ∫₀¹ r³ dr = 2π · [r⁴/4]₀¹ = π/2 ≈ {np.pi/2:.6f}")
print(f"誤差: {abs(result - np.pi/2):.2e}")
💻 コード例7: 材料科学への応用(濃度分布の積分)
# 円形ウェハ上の不純物濃度分布
def concentration(r, theta):
"""
濃度分布 C(r,θ) [atoms/cm³]
中心から離れるほど濃度が減少
"""
r_max = 5.0 # ウェハ半径 [cm]
C0 = 1e15 # 中心濃度 [atoms/cm³]
return C0 * np.exp(-r**2 / r_max**2)
# ウェハ全体の不純物原子数を計算
R = 5.0 # ウェハ半径 [cm]
def integrand_concentration(theta, r):
return concentration(r, theta) * r # ヤコビアン r を掛ける
total_atoms, error = integrate.dblquad(integrand_concentration,
0, R,
0, 2*np.pi)
print("\n材料科学への応用:")
print(f"ウェハ半径: {R} cm")
print(f"中心濃度: {1e15:.2e} atoms/cm³")
print(f"総不純物原子数: {total_atoms:.4e} atoms")
print(f"平均濃度: {total_atoms / (np.pi * R**2):.4e} atoms/cm³")
# 濃度分布の可視化
r_plot = np.linspace(0, R, 100)
theta_plot = np.linspace(0, 2*np.pi, 100)
R_grid, Theta_grid = np.meshgrid(r_plot, theta_plot)
C_grid = concentration(R_grid, Theta_grid)
# 極座標をデカルト座標に変換
X_grid = R_grid * np.cos(Theta_grid)
Y_grid = R_grid * np.sin(Theta_grid)
plt.figure(figsize=(10, 8))
plt.contourf(X_grid, Y_grid, C_grid, levels=20, cmap='hot')
plt.colorbar(label='濃度 (atoms/cm³)')
plt.xlabel('x (cm)')
plt.ylabel('y (cm)')
plt.title('ウェハ上の不純物濃度分布')
plt.axis('equal')
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()
まとめ
- 偏微分は多変数関数の各変数による変化率を表す
- 勾配ベクトルは関数が最も急激に増加する方向を示し、最適化に利用される
- ラグランジュの未定乗数法により制約付き最適化問題を解ける
- 重積分は多変数関数の累積量を計算し、極座標変換により計算が簡単になることがある
- 材料科学では濃度分布、温度分布などの積分計算に応用される