数理科学T(2年 理一(19-25組)) 担当:坪井 俊
http://faculty.ms.u-tokyo.ac.jp/users/tsuboi/index-j.html   tsuboi@ms.u-tokyo.ac.jp
 火曜日2限   723教室


【講義の概要】
数学Iで学んだ多変数の微積分の補足として2変数のベクトル値関数を取り上げ,その取り扱い方法と幾何学的・物理的意味を学ぶ.3変数あるいはより多くの 変数を扱う方法については,数理科学IIIで学習する.数学や物理など数学を本格的に使う分野,あるいは電磁気学・流体を扱う分野に将来進む場合は,数理 科学IIIを併せて履修しておくことが望ましい.

【講義内容】
講義内容はおおむね以下の通りである.

1. 陰関数定理と逆関数定理:関係式f(x,y)=0によって結ばれた2つの変数x,yがあったとき,yをxの関数(関数fによって表される陰関数)として表 せるための条件を考察する.また変数変換とその応用について学ぶ.

2. 平面曲線の幾何:1で学習したことに基づき,方程式f(x,y)=0が定める曲線のパラメータ表示,接ベクトルと法ベクトル,曲率,弧長などの求め方を考 える.

3. 平面上のベクトル場と線積分:ベクトル場の概念を説明し,関数が定める勾配ベクトル場などの基本的例とその意味を考える.また平面のベクトル場(またはベ クトル場に対応する微分1形式)の曲線上の積分(線積分)を調べる.

4. 条件付き最大最小問題:f(x,y)=0という拘束条件を受けている変数x,yの関数g(x,y)について,その極大・極小を求めるラグランジュの未定乗 数法を学び,幾何学的意味を考察する.

5. 面積分:空間内の曲面を2つのパラメータによって表し,曲面上の積分によって面積などを表すことを学ぶ.重積分に関する変数変換公式を完全にマスターする ことが重要である.

6. グリーンの定理とガウスの定理:平面の中の閉曲線上での線積分を曲線が囲む領域での面積分に帰着するグリーンの定理とガウスの定理を学び,平面ベクトル場 の回転と発散の意味を考察する.

【キーワード】

陰関数定理と逆関数定理 等位線、陰関数、逆関数、逆写像、変数変換
平面曲線の幾何 曲線のパラメータ表示、接ベクトル、法線、弧長、曲率
平面上のベクトル場と線積分 ベクトル場、勾配ベクトル場、微分1形式、線積分
条件付き最大最小問題 極値、ラグランジュの未定乗数法
面積分 曲面上の積分、重積分の変数変換
グリーンの定理とガウスの定理 線積分、面積分、グリーンの定理、ガウスの定理


【評価方法】期末試験の他,小テストを一度行い評価する.小テストの結果は期末試験の成績が十分でないときに考慮する。

【教科書】使用しない.

【参考書】例えば以下のような参考書がある。

一松 信 著 「解析学序説」 (新版)下巻 裳華房 ISBN: 978-4-7853-1031-8 (1982年)
岩堀長慶 著 「ベクトル解析」 裳華房 ISBN978-4-7853-1526-9 (1996年)
小林昭七 著 「続 微分積分読本 −多変数−」  裳華房 ISBN:978-4-7853-1526-9 (2001年)
坪井 俊 著  「ベクトル解析と幾何学」  朝倉書店  ISBN:978-4-254-11585-7  (2002年) 

【履修前の準備】数学I,数学IIの内容を復習しながら用いる.


講義内容 講義資料

4月15日

ベクトルの変化、速度ベクトル、ベクトルの内積、平面の方程式、関数のグラフ、曲線のパラメータ表示、接ベクトル、法線

4月22日

弧長、曲率、 空間の曲面、空間の2直線、平面上の関数のグラフ、グラフの接平面、2変数関数の極値、勾配ベクトル場(グラディエン ト・ベクトル場)、凸関数 PDFファイル

5月1日(木)

2変数関数の等位線、2変数の陰関数定理、曲線の表示のまとめ PDFファイル

5月13日

3変数関数の等位面、陰関数定理、等位面の接平面、2次曲線 PDFファイル

5月20日

2変数の逆写像定理 PDFファイル

5月27日

2変数関数の積分、積分の変数変換
PDFファイル

6月3日

曲面の表示、曲面の面積 PDFファイル

6月10日

曲面の表示のまとめ、平面上の微分1形式、線積分 PDFファイル

6月17日

2つの2変数関数の等位線族。条件付き極値問題、ラグランジュの未定乗数法 PDFファイル
10

6月24日

線積分と面積分、積分可能条件、グリーンの定理、平面のベクトル場のローテーション PDFファイル
11

7月1日

平面のベクトル場のダイバージェンスとガウスの定理 、 PDFファイル
12

7月8日

プレテスト 
13

7月15日

平面上の曲線族、フロー、平面のベクトル場のローテーション、ダイバージェンスの意味 PDFファイル




試験
7月22日
試験範囲 講義で述べた上記の事項。
参考書、ノート等の持ち込みは認めない。