微分演算子の極座標表示

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2次元の極座標表示の場合

デカルト座標と極座標の関係は、
x=rcosθy=rsinθ
であり、逆から見ると

r2=x2+y2tanθ=yx
となる。それぞれの式の両辺をxで偏微分すると、
r2rrx=2rrx=2x  rx=xr=cosθtanθθθx=1cos2θθx=yx2  θx=yx2cos2θ=sinθr
となる。同様にyで偏微分すると
r2rry=2rry=2y  ry=yr=sinθtanθθθy=1cos2θθy=1x  θy=1xcos2θ=cosθr
となる。これらの式を
x=rxr+θxθy=ryr+θyθ
に代入すれば、
x=cosθr1rsinθθy=sinθr+1rcosθθ
となる。

3次元の極座標表示の場合

デカルト座標と極座標の関係は、
x=rsinθcosϕy=rsinθsinϕz=rcosθ
であり、逆から見ると
r2=x2+y2+z2tanϕ=yxtan2θ=x2+y2z2
となる。それぞれの式の両辺をxで偏微分すると、
r2rrx=2rrx=2x  rx=xr=sinθcosϕtanϕϕϕx=1cos2ϕϕx=yx2  ϕx=yx2cos2ϕ=sinϕrsinθtan2θθθx=2tanθcos2θθx=2xz2  θx=xz2cos2θtanθ=1rcosθcosϕ
となる。同様にyで偏微分すると
r2rry=2rry=2y  ry=yr=sinθsinϕtanϕϕϕy=1cos2ϕϕy=1x  ϕy=1xcos2ϕ=cosϕrsinθtan2θθθy=2tanθcos2θθy=2yz2  θy=yz2cos2θtanθ=1rcosθsinϕ
となり、zで偏微分すると
r2rrz=2rrz=2z  rz=zr=cosθtanϕϕϕz=1cos2ϕϕz=0  ϕz=0tan2θθθz=2tanθcos2θθz=2x2+y2z3  θz=x2+y2z3cos2θtanθ=1rsinθ
となる。これらの式を
x=rxr+θxθ+ϕxϕy=ryr+θyθ+ϕyϕz=rzr+θzθ+ϕzϕ
に代入すれば、
x=sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕy=sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕz=cosθr1rsinθθ
となる。2については、上記の式を計算すれば求まるのだが、とても計算が面倒くさい。ほとんどの教科書がそうしているように途中式は省略して、結果のみ書くと、
2=2x2+2y2+2z2=1r2r(r2r)+1r2sinθθ(sinθθ)+1r2sin2θ2ϕ2
となる。

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“微分演算子の極座標表示” への1件の返信

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