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極座標における発散(div,∇・)の表現

極座標におけるベクトル(=(Fr,Fθ,Fφ))の発散を求める。

を単位ベクトルを用いてあらわすと、

=Frr+Fθθ+Fφφ

とかける。

極座標では、∇=(∂/∂r,1/r*∂/∂θ,1/rsinθ*∂/∂φ)であるから、

div=∇・=(r∂/∂r+θ1/r*∂/∂θ+φ1/rsinθ*∂/∂φ)・(Frr+Fθθ+Fφφ

括弧を展開して計算を行なう。

=r∂/∂r・(Frr+Fθθ+Fφφ
 +θ1/r*∂/∂θ・(Frr+Fθθ+Fφφ
 +φ1/rsinθ*∂/∂φ・(Frr+Fθθ+Fφφ

=r∂/∂r・(Frr)+r∂/∂r・(Fθθ)+r∂/∂r・(Fφφ
 +θ1/r*∂/∂θ・(Frr)+θ1/r*∂/∂θ・(Fθθ)+θ1/r*∂/∂θ・(Fφφ
 +φ1/rsinθ*∂/∂φ・(Frr)+φ1/rsinθ*∂/∂φ・(Fθθ)+φ1/rsinθ*∂/∂φ・(Fφφ

ここで、極座標では、単位ベクトルrθφがθ、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+rθ∂Fθ/∂r+rφ∂Fφ/∂r
 +θ・1/r*∂Fr/∂θr+θ・1/r*Frr/∂θ  +θ・1/r*∂Fθ/∂θθ+θ・1/r*Fθθ/∂θ  +θ・1/r*∂Fφ/∂θφ+θ・1/r*Fφφ/∂θ
 +φ・1/rsinθ*∂Fr/∂φr+φ・1/rsinθ*Frr/∂φ  +φ・1/rsinθ*∂Fθ/∂φθ+φ・1/rsinθ*Fθθ/∂φ  +φ・1/rsinθ*∂Fφ/∂φφ+φ・1/rsinθ*Fφφ/∂φ

ここで、r/∂θ=θ、∂r/∂φ=sinθφ、∂θ/∂θ=-r、∂θ/∂φ=cosθφ、∂φ/∂φ=-(sinθr+cosθθ)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、

  div=∇・=∂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。



これでこの項目は終わり

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