円柱座標におけるベクトルF(=(Fr,Fφ,Fz))の発散を求める。
Fを単位ベクトルを用いてあらわすと、
F=Frer+Fφeφ+Fzez
とかける。
円柱座標では、∇=(∂/∂r,1/r*∂/∂φ,∂/∂z)であるから、
divF=∇・F=(er∂/∂r+eφ1/r*∂/∂φ+ez∂/∂z)・ (Frer+Fφeφ+Fzez)
括弧を展開して計算を行なう。
=er∂/∂r・(Frer+Fφeφ+Fzez)
+eφ1/r*∂/∂φ・(Frer+Fφeφ+Fzez)
+ez∂/∂z・(Frer+Fφeφ+Fzez)
=er∂/∂r・(Frer)+er∂/∂r・(Fφeφ)+er∂/∂r・(Fzez)
+eφ1/r*∂/∂φ・(Frer)+eφ1/r*∂/∂φ・(Fφeφ)+eφ1/r*∂/∂φ・(Fzez)
+ez∂/∂z・(Frer)+ez∂/∂z・(Fφeφ)+ez∂/∂z・(Fzez)
ここで、円柱座標では、単位ベクトルer、eφがφの関数であることを考えて、微分する必要がある。
=er・er∂Fr/∂r+er・eφ∂Fφ/∂r
+er・ez∂Fz/∂r
+eφ・1/r∂Fr/∂φer+eφ・1/rFr∂er/∂φ
+eφ・1/r∂Fφ/∂φeφ+eφ・1/rFφ∂eφ/∂φ
+eφ・1/r∂Fz/∂φez
+ez・er∂Fr/∂z+ez・eφ∂Fφ/∂z
+ez・ez∂Fz/∂z
ここで、∂er/∂φ=eφ、∂eφ/∂φ=-erであることを考えて内積を計算すれば、
=∂Fr/∂r+1/rFr+1/r∂Fφ/∂φ+∂Fz/∂z
ゆえに、
divF=∇・F=∂Fr/∂r+1/rFr+1/r∂Fφ/∂φ+∂Fz/∂z
= | 1 r | ∂(rFr) ∂r |
+ | 1 r | ∂Fφ ∂φ |
+ | Fz ∂z |
これが、円柱座標のdivの表現である。