極座標におけるベクトルF(=(Fr,Fθ,Fφ))の回転を求める。
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、
rotF=∇×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)
+eθ×1/r*∂/∂θ(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
+eφ×1/rsinθ*∂/∂φ(Frer+Fθeθ+Fφeφ)
=er×∂/∂r(Frer)+er×∂/∂r(Fθeθ)+er×∂/∂r(Fφeφ)
+eθ×1/r*∂/∂θ(Frer)+eθ×1/r*∂/∂θ(Fθeθ)+eθ×1/r*∂/∂θ(Fφeφ)
+eφ×1/rsinθ*∂/∂φ(Frer)+eφ×1/rsinθ*∂/∂φ(Fθeθ)+eφ×1/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慮し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/rFr∂er/∂θ
+eθ×1/r∂Fθ/∂θeθ
+eθ×1/rFθ∂eθ/∂θ
+eθ×1/r∂Fφ/∂θeφ
+eθ×1/rFφ∂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、次の方向を表す単位ベクトルの偏微分の関係
∂er/∂θ=eθ、∂eθ/∂θ=−er、∂eφ/∂θ=0
∂er/∂φ=sinθeφ、∂eθ/∂φ=cosθeφ、
∂eφ/∂φ=−(sinθer+cosθeθ)
を用いれば、
=er×er∂Fr/∂r
+er×eθ∂Fθ/∂r
+er×eφ∂Fφ/∂r
+eθ×er/r∂Fr/∂θ
+eθ×eθ/r*Fr
+eθ×eθ/r∂Fθ/∂θ
+eθ×(−er)/r*Fθ
+eθ×eφ/r∂Fφ/∂θ
+eθ×01/r*Fφ
+eφ×er/rsinθ*∂Fr/∂φ
+eφ×sinθeφ/rsinθ*Fr
+eφ×eθ/rsinθ*∂Fθ/∂φ
+eφ×cosθeφ/rsinθ*Fθ
+eφ×eφ/rsinθ*∂Fφ/∂φ
+eφ×(−(sinθer+cosθeθ))/rsinθ*Fφ
互いに平行なベクトルの外積は’0’になることを考慮すると、
=eφ∂Fθ/∂r−eθ∂Fφ/∂r
−eφ/r∂Fr/∂θ+eφ/rFθ+er/r∂Fφ/∂θ
+eθ/rsinθ*∂Fr/∂φ−er/rsinθ*∂Fθ/∂φ
+(−sinθeθ+cosθer)/rsinθ*Fφ
=er(1/r∂Fφ/∂θ−1/rsinθ*∂Fθ/∂φ
+cosθ/rsinθ*Fφ)
+eθ(1/rsinθ*∂Fr/∂φ−1/r*Fφ−∂Fφ/∂r)
+eφ(∂Fθ/∂r−1/r∂Fr/∂θ+1/rFθ)
=er1/rsinθ(sinθ∂Fφ/∂θ−∂Fθ/∂φ
+cosθFφ)
+eθ1/rsinθ(∂Fr/∂φ−sinθ(Fφ+r∂Fφ/∂r))
+eφ1/r(r∂Fθ/∂r+Fθ−∂Fr/∂θ)
=er1/rsinθ(∂(sinθFφ)/∂θ−∂Fθ/∂φ)
+eθ1/rsinθ(∂Fr/∂φ−sinθ∂(rFφ)/∂r)
+eφ1/r(∂(rFθ)/∂r−∂Fr/∂θ)
=1/rsinθ(er(∂/∂θ(sinθFφ)−∂/∂φ(Fθ))
+eθ(∂/∂φ(Fr)−∂/∂r(r(sinθFφ)))
+eφsinθ(∂/∂r(rFθ)−∂/∂θFr))
これが、極座標でのrotの表現である。