極座標表示におけるラプラシアン (2次元)
関数
において極座標表示
,
におけるラプラシアンは
で与えられる.
■導出手順
与式の左辺の
,
を求め,
,
,
,
,
,
,
,
を用いて右辺へ式変形する.
■導出
始めに,関数
を
で偏微分する.
参考:合成関数の偏導関数
ここで
より
さらにここで
より
・・・・・・(1)
次に
,
,
,
を用いて(1)を式変形する.
始めに
,
の両辺を2乗して加えると
となり,これを整理すると
・・・・・・(2)
また,左辺同士、右辺同士で比をとることにより
となり,これを整理して
・・・・・・(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
,
,
,
を求める.
(2)の両辺を
で微分して
・・・・・・(4)
が得られる.
(3)の両辺をxで微分して
・・・・・・(5)
が得られる.
(4)を代入して
(5)を代入して
・・・・・・(6)
が得られる.
(5)を代入して
(4),(5)より
・・・・・・(7)
(4)〜(7)を用いて(1)を整理すると
・・・・・・(8)
次に,関数
を
で偏微分する.
参考:合成関数の偏導関数
に関しても
と同様に計算して
・・・・・・(9)
また,(2),(3)を用いて
,
,
,
を求める.
は
(4)
と同様に計算して
・・・・・・(10)
(3)より
これを
で微分して
・・・・・・(11)
(10)を代入して
(11)を代入して
・・・・・・(12)
は(7)と同様に計算して
・・・・・・(13)
(10)〜(13)を用いて(9)を整理すると
+
∂
2
ψ
∂
θ
2
cos
2
θ
r
2
+
∂ψ
∂θ
(
−
2sinθcosθ
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
−
sinθ
r
cosθ+
∂ψ
∂r
sin
2
θ
r
+
∂
2
ψ
∂r∂θ
cosθ
−
sinθ
r
+
∂
2
ψ
∂
r
2
sin
2
θ
r
2
+
∂ψ
∂θ
2sinθcosθ
r
2
+
∂
2
ψ
∂
r
2
sin
2
θ+
∂
2
ψ
∂θ∂r
(
cosθ
r
)sinθ+
∂ψ
∂r
cos
2
θ
r
+
∂
2
ψ
∂r∂θ
sinθ(
cosθ
r
)+
∂
2
ψ
∂
θ
2
cos
2
θ
r
2
+
∂ψ
∂θ
(
−
2sinθcosθ
r
2
)
=
∂
2
ψ
∂
r
2
cos
2
θ+
sin
2
θ
+
∂
2
ψ
∂θ∂r
−
sinθ
r
cosθ−
−
sinθ
r
cosθ
+
∂ψ
∂r
sin
2
θ
r
+
cos
2
θ
r
++
∂
2
ψ
∂r∂θ
cosθ
−
sinθ
r
+sinθ
cosθ
r
+
∂
2
ψ
∂
r
2
sin
2
θ
r
2
+
cos
2
θ
r
2
+
∂ψ
∂θ
2sinθcosθ
r
2
−
2sinθcosθ
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:2023年1月17日