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円柱座標における発散(div,∇・)の表現

円柱座標におけるベクトル(=(Fr,Fφ,Fz))の発散を求める。

を単位ベクトルを用いてあらわすと、

=Frr+Fφφ+Fzz

とかける。

円柱座標では、∇=(∂/∂r,1/r*∂/∂φ,∂/∂z)であるから、

div=∇・=(r∂/∂r+φ1/r*∂/∂φ+z∂/∂z)・ (Frr+Fφφ+Fzz

括弧を展開して計算を行なう。

=r∂/∂r・(Frr+Fφφ+Fzz
 +φ1/r*∂/∂φ・(Frr+Fφφ+Fzz
 +z∂/∂z・(Frr+Fφφ+Fzz

=r∂/∂r・(Frr)+r∂/∂r・(Fφφ)+r∂/∂r・(Fzz
 +φ1/r*∂/∂φ・(Frr)+φ1/r*∂/∂φ・(Fφφ)+φ1/r*∂/∂φ・(Fzz
 +z∂/∂z・(Frr)+z∂/∂z・(Fφφ)+z∂/∂z・(Fzz

ここで、円柱座標では、単位ベクトルrφがφの関数であることを考えて、微分する必要がある。

=rr∂Fr/∂r+rφ∂Fφ/∂r +rz∂Fz/∂r
 +φ・1/r∂Fr/∂φr+φ・1/rFrr/∂φ  +φ・1/r∂Fφ/∂φφ+φ・1/rFφφ/∂φ  +φ・1/r∂Fz/∂φz
 +zr∂Fr/∂z+zφ∂Fφ/∂z +zz∂Fz/∂z

ここで、r/∂φ=φ、∂φ/∂φ=-r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、

  div=∇・=∂Fr/∂r+1/rFr+1/r∂Fφ/∂φ+∂Fz/∂z
  =
∂(rF
∂r

∂Fφ
∂φ

∂z

これが、円柱座標のdivの表現である。



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