極座標表示におけるラプラシアン (2次元)

極座標表示におけるラプラシアン (2次元)

関数 ψ = ξ ( x , y ) において極座標表示 x = r cos θ , y = r sin θ におけるラプラシアンは

Δ ψ = ∂ 2 ∂ x 2 + ∂ 2 ∂ y 2 ψ = ∂ 2 ∂ r 2 + 1 r ∂ ∂ r + 1 r 2 ∂ 2 ∂ θ 2 ψ

で与えられる.

■導出手順

与式の左辺の ∂ 2 ψ ∂ x 2 , ∂ 2 ψ ∂ y 2 を求め,
∂ r ∂ x , ∂ 2 r ∂ x 2 , ∂ θ ∂ x , ∂ 2 θ ∂ x 2 , ∂ r ∂ y , ∂ 2 r ∂ y 2 , ∂ θ ∂ y , ∂ 2 θ ∂ y 2 を用いて右辺へ式変形する.

■導出

始めに,関数 ψ を x で偏微分する.

∂ ψ ∂ x = ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x

参考:合成関数の偏導関数

∂ 2 ψ ∂ x 2 = ∂ ∂ x ( ∂ ψ ∂ x )

= ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x

= ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x

ここで

∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x = ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ r ∂ ∂ x ∂ r ∂ x

∂ ∂ x ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x = ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ ∂ x ∂ θ ∂ x

より

= ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ r ∂ ∂ x ∂ r ∂ x + ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ ∂ x ∂ θ ∂ x

さらにここで

∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r = ∂ ∂ r ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ ∂ ψ ∂ r ∂ θ ∂ x = ∂ 2 ψ ∂ r 2 ∂ r ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ∂ θ ∂ x

∂ ∂ x ∂ ψ ∂ θ = ∂ ∂ r ∂ ψ ∂ θ ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x = ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 ∂ θ ∂ x

より

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 ∂ r ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ∂ θ ∂ x ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ r ∂ 2 r ∂ x 2 + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 ∂ θ ∂ x ∂ θ ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ 2 θ ∂ x 2

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 ( ∂ r ∂ x ) 2 + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ∂ θ ∂ x ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ r ∂ 2 r ∂ x 2 + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ x ∂ θ ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 ( ∂ θ ∂ x ) 2 + ∂ ψ ∂ θ ∂ 2 θ ∂ x 2
・・・・・・(1)

次に

∂ r ∂ x , ∂ 2 r ∂ x 2 , ∂ θ ∂ x , ∂ 2 θ ∂ x 2

を用いて(1)を式変形する.

始めに

x = r cos θ , y = r sin θ

の両辺を2乗して加えると

x 2 + y 2 = r cos θ 2 + r sin θ 2

となり,これを整理すると

x 2 + y 2 = r 2 ・・・・・・(2)

また,左辺同士、右辺同士で比をとることにより

y x = r sin θ r cos θ

となり,これを整理して

tan θ = y x ・・・・・・(3)

参考:三角関数の相互関係

が得られる.上記の(2),(3)を用いて

∂ r ∂ x , ∂ 2 r ∂ x 2 , ∂ θ ∂ x , ∂ 2 θ ∂ x 2

を求める.

(2)の両辺を x で微分して

2 x = 2 r ∂ r ∂ x

∂ r ∂ x = x r = r cos θ r = cos θ ・・・・・・(4)

が得られる. (3)の両辺を x で微分して

1 cos 2 θ ∂ θ ∂ x = y − 1 x 2

tan 2 θ + 1 ∂ θ ∂ x = − y x 2

y 2 x 2 + 1 ∂ θ ∂ x = − y x 2

y 2 + x 2 x 2 ∂ θ ∂ x = − y x 2

r 2 x 2 ∂ θ ∂ x = − y x 2

∂ θ ∂ x = − y r 2 = − r sin θ r 2 = − sin θ r ・・・・・・(5)

が得られる.

∂ 2 r ∂ x 2 = ∂ ∂ x ∂ r ∂ x

(4)を代入して

= ∂ ∂ x cos θ = ∂ ∂ r cos θ ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ cos θ ∂ θ ∂ x = − sin θ ∂ θ ∂ x

(5)を代入して

= − sin θ ( − sin θ r ) = sin 2 θ r ・・・・・・(6)

が得られる.

∂ 2 θ ∂ x 2 = ∂ ∂ x ( ∂ θ ∂ x )

(5)を代入して

= ∂ ∂ x ( − sin θ r ) = ∂ ∂ r ( − sin θ r ) ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ ( − sin θ r ) ∂ θ ∂ x

(4),(5)より

= sin θ cos θ r 2 + cos θ sin θ r 2 = 2 sin θ cos θ r 2 ・・・・・・(7)

(4)~(7)を用いて(1)を整理すると

∂ 2 ψ ∂ x 2 = ∂ 2 ψ ∂ r 2 cos 2 θ + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r − sin θ r cos θ + ∂ ψ ∂ r sin 2 θ r + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ cos θ − sin θ r + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 sin 2 θ r 2 + ∂ ψ ∂ θ 2 sin θ cos θ r 2 ・・・・・・(8)

次に,関数 ψ を y で偏微分する.

∂ ψ ∂ y = ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ y + ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ y

参考:合成関数の偏導関数

y に関しても x と同様に計算して

∂ 2 ψ ∂ y 2 = ∂ 2 ψ ∂ r 2 ( ∂ r ∂ y ) 2 + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ∂ θ ∂ y ∂ r ∂ y + ∂ ψ ∂ r ∂ 2 r ∂ y 2 + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ y ∂ θ ∂ y + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 ( ∂ θ ∂ y ) 2 + ∂ ψ ∂ θ ∂ 2 θ ∂ y 2 ・・・・・・(9)

また,(2),(3)を用いて

∂ r ∂ y , ∂ 2 r ∂ y 2 , ∂ θ ∂ y , ∂ 2 θ ∂ y 2

を求める.

∂ r ∂ y は (4) と同様に計算して

∂ r ∂ y = sin θ ・・・・・・(10)

(3)より

tan θ = y x

これを y で微分して

1 cos 2 θ ∂ θ ∂ y = 1 x

tan 2 θ + 1 ∂ θ ∂ y = 1 x

y 2 x 2 + 1 ∂ θ ∂ y = 1 x

y 2 + x 2 x 2 ∂ θ ∂ y = 1 x

r 2 x 2 ∂ θ ∂ y = 1 x

∂ θ ∂ y = x r 2 = r cos θ r 2 = cos θ r ・・・・・・(11)

∂ 2 r ∂ y 2 = ∂ ∂ y ∂ r ∂ y

(10)を代入して

= ∂ ∂ y sin θ = cos θ ∂ θ ∂ y

(11)を代入して

= cos 2 θ r ・・・・・・(12)

∂ 2 θ ∂ y 2 は(7)と同様に計算して

∂ 2 θ ∂ y 2 = − 2 sin θ cos θ r 2 ・・・・・・(13)

(10)~(13)を用いて(9)を整理すると

∂ 2 ψ ∂ y 2 = ∂ 2 ψ ∂ r 2 sin 2 θ + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ( cos θ r ) sin θ ∂ 2 ψ ∂ y 2 + ∂ ψ ∂ r cos 2 θ r + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ sin θ ( cos θ r ) + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 cos 2 θ r 2 + ∂ ψ ∂ θ ( − 2 sin θ cos θ r 2 )
・・・・・・(14)

ここで(8),(14)より,

∂ 2 ψ ∂ x 2 + ∂ 2 ψ ∂ y 2

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 cos 2 θ + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r − sin θ r cos θ + ∂ ψ ∂ r sin 2 θ r + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ cos θ − sin θ r + ∂ 2 ψ ∂ r 2 sin 2 θ r 2 + ∂ ψ ∂ θ 2 sin θ cos θ r 2

+ ∂ 2 ψ ∂ r 2 sin 2 θ + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r ( cos θ r ) sin θ + ∂ ψ ∂ r cos 2 θ r

+ ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ sin θ ( cos θ r ) + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 cos 2 θ r 2 + ∂ ψ ∂ θ ( − 2 sin θ cos θ r 2 )

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 cos 2 θ + sin 2 θ + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r − sin θ r cos θ − − sin θ r cos θ

+ ∂ ψ ∂ r sin 2 θ r + cos 2 θ r + + ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ cos θ − sin θ r + sin θ cos θ r

+ ∂ 2 ψ ∂ r 2 sin 2 θ r 2 + cos 2 θ r 2 + ∂ ψ ∂ θ 2 sin θ cos θ r 2 − 2 sin θ cos θ r 2

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 + 1 r ∂ ψ ∂ r + 1 r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2 = ∂ 2 ∂ r 2 + 1 r ∂ ∂ r + 1 r 2 ∂ 2 ∂ θ 2 ψ

となる.よって示された.

 

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最終更新日:2026年3月12日