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ベクトルの微分 (三次元空間における(位置変数による)微分 回転(rot(curl),∇×))

 

 位置(=(x,y,z))を変数にする関数で各成分が表されるベクトル (=(Fx),Fy),Fz))を考える。

 ∇を偏微分の微分演算のベクトルと見なして、と外積として成分を計算したベクトルを∇× (rot、curl(’回転’の意味))で表し、このベクトル量を’ローテーション’という。外積の定義からxyz座標系においては、

  ∇×=(∂Fz/∂y−∂Fy/∂z)x +(∂Fx/∂z−∂Fz/∂x)y +(∂Fy/∂x−∂Fx/∂y)z

と表される。他の座標系では∇の表現が異なるので、異なる表現になる。

rotの円柱座標による表現

rotの極座標による表現 


  rotの意味について考える。
 空間で、ある軸を中心にして回転している質点がある。この軸の回転に従って右ねじを回したときにねじの進む方向(ω)を持ち、 この軸の回転の角速度ωを大きさに持つベクトルωを用いれば、この質点の速度υは、回転軸上に原点をとった質点の位置ベクトルによって、 位置の関数υ)として与えられる。
  υ)=ω×
(回転軸から質点までの距離は||sinθであるので|υ|=ω||sinθ、方向は、 ωからへ右ねじを回した方向(ω×の方向) よって、υは外積ω×そのものである。)

 ここで、∇×υを計算してみる。ベクトル演算の関係式を参考にして、
 ∇×υ=∇×(ω×)=2ω
と計算され、演算’rotation’は、ある状態(ここでは、運動υ)における回転の程度を ’右ねじの方向に選んだ回転軸とその回転の角速度の2倍’(2ω)で与えることがわかる。

 ベクトルυを空間に広がるベクトルと見なして、ω軸の回りで連続的に表現すれば、ωを中心にして渦を巻いたベクトルになっている ことがわかる。
すなわち、∇×υは、空間に与えられたベクトルで表現される量υの回転(渦巻き)の程度を表すともいえる。



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