極座標におけるベクトルF(=(Fr,Fθ,Fφ))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+Fθeθ+Fφeφ
とかける。
極座標では、∇=(∂/∂r,1/r*∂/∂θ,1/rsinθ*∂/∂φ)であるから、
divF=∇・F=(er∂/∂r+eθ1/r*∂/∂θ+eφ1/rsinθ*∂/∂φ)・(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
括弧を展開して計算を行なう。
=er∂/∂r・(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
+eθ1/r*∂/∂θ・(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
+eφ1/rsinθ*∂/∂φ・(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
=er∂/∂r・(Frer)+er∂/∂r・(Fθeθ)+er∂/∂r・(Fφeφ)
+eθ1/r*∂/∂θ・(Frer)+eθ1/r*∂/∂θ・(Fθeθ)+eθ1/r*∂/∂θ・(Fφeφ)
+eφ1/rsinθ*∂/∂φ・(Frer)+eφ1/rsinθ*∂/∂φ・(Fθeθ)+eφ1/rsinθ*∂/∂φ・(Fφeφ)
ここで、極座標では、単位ベクトルer、eθ、eφがθ、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・eθ∂Fθ/∂r+er・eφ∂Fφ/∂r
+eθ・1/r*∂Fr/∂θer+eθ・1/r*Fr∂er/∂θ
+eθ・1/r*∂Fθ/∂θeθ+eθ・1/r*Fθ∂eθ/∂θ
+eθ・1/r*∂Fφ/∂θeφ+eθ・1/r*Fφ∂eφ/∂θ
+eφ・1/rsinθ*∂Fr/∂φer+eφ・1/rsinθ*Fr∂er/∂φ
+eφ・1/rsinθ*∂Fθ/∂φeθ+eφ・1/rsinθ*Fθ∂eθ/∂φ
+eφ・1/rsinθ*∂Fφ/∂φeφ+eφ・1/rsinθ*Fφ∂eφ/∂φ
ここで、∂er/∂θ=eθ、∂er/∂φ=sinθeφ、∂eθ/∂θ=-er、∂eθ/∂φ=cosθeφ、∂eφ/∂φ=-(sinθer+cosθeθ)であることを考えて内積を計算すれば、
=∂Fr/∂r+1/r*Fr+1/r*∂Fθ/∂θ+1/r*Fr+cosθ/rsinθ*Fθ+1/rsinθ*∂Fφ/∂φ
=∂Fr/∂r+2/r*Fr+1/r*∂Fθ/∂θ+cosθ/rsinθ*Fθ+1/rsinθ*∂Fφ/∂φ
=1/r2*∂(r2*Fr)/∂r+1/rsinθ*∂(sinθFθ)/∂θ+1/rsinθ*∂Fφ/∂φ
ゆえに、
divF=∇・F=∂Fr/∂r+2/r*Fr+1/r*∂Fθ/∂θ+cosθ/rsinθ*Fθ+1/rsinθ*∂Fφ/∂φ
=1/r2*∂(r2*Fr)/∂r+1/rsinθ*∂(sinθFθ)/∂θ+1/rsinθ*∂Fφ/∂φ
これが、極座標のdivの表現である。