極座標表示におけるラプラシアン(3次元)

極座標表示におけるラプラシアン (3次元)

関数 ψ = ξ ( x , y , z ) において極座標表示

x = r sin θ cos φ   y = r sin θ sin φ   z = r cos θ

におけるラプラシアンは

Δ ψ = ( ∂ 2 ∂ x 2 + ∂ 2 ∂ y 2 + ∂ 2 ∂ z 2 ) ψ

= { 1 r 2 ∂ ∂ r ( r 2 ∂ ∂ r ) + 1 r 2 sin θ ∂ ∂ θ ( sin θ ∂ ∂ θ ) + 1 r 2 sin 2 θ ∂ 2 ∂ φ 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 , ∂ 2 ψ ∂ z 2 を求め

∂ r ∂ x , ∂ 2 r ∂ x 2 , ∂ θ ∂ x , ∂ 2 θ ∂ x 2 , ∂ φ ∂ x , ∂ 2 φ ∂ x 2 , ∂ r ∂ y , ∂ 2 r ∂ y 2 , ∂ θ ∂ y , ∂ 2 θ ∂ y 2 , ∂ φ ∂ y , ∂ 2 φ ∂ y 2 , ∂ r ∂ z , ∂ 2 r ∂ z 2 , ∂ θ ∂ z , ∂ 2 θ ∂ z 2 , ∂ φ ∂ z , ∂ 2 φ ∂ z 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.参考:合成関数の偏導関数

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

∂ 2 ψ ∂ x 2 = ∂ ∂ x ( ∂ ψ ∂ x ) = ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x + ∂ ψ ∂ φ ∂ φ ∂ x

= ∂ ∂ x ( ∂ ψ ∂ r ∂ r ∂ x ) + ∂ ∂ x ( ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x ) + ∂ ∂ x ( ∂ ψ ∂ φ ∂ φ ∂ 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

∂ ∂ x ∂ ψ ∂ φ ∂ φ ∂ x = ∂ ∂ x ∂ ψ ∂ φ ∂ φ ∂ x + ∂ ψ ∂ φ ∂ ∂ x ∂ φ ∂ x

より

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

さらに

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

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

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

である.従って

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

+ ∂ ∂ r ∂ ψ ∂ θ ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ ∂ ψ ∂ θ ∂ θ ∂ x + ∂ ∂ φ ∂ ψ ∂ θ ∂ φ ∂ x ∂ θ ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ 2 θ ∂ x 2

+ ∂ ∂ r ∂ ψ ∂ φ ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ ∂ ψ ∂ φ ∂ θ ∂ x + ∂ ∂ φ ∂ ψ ∂ φ ∂ φ ∂ x ∂ φ ∂ x + ∂ ψ ∂ φ ∂ 2 φ ∂ x 2

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

+ ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ x ∂ θ ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ 2 ∂ θ ∂ x 2 + ∂ 2 ψ ∂ φ ∂ θ ∂ θ ∂ x ∂ φ ∂ x + ∂ ψ ∂ θ ∂ 2 θ ∂ x 2

+ ∂ 2 ψ ∂ r ∂ φ ∂ r ∂ x ∂ φ ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ φ ∂ θ ∂ x ∂ φ ∂ x + ∂ 2 ψ ∂ φ 2 ∂ φ ∂ x 2 + ∂ ψ ∂ φ ∂ 2 φ ∂ x 2

∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ = ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ r , ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ φ = ∂ 2 ψ ∂ φ ∂ θ , ∂ 2 ψ ∂ φ ∂ r = ∂ 2 ψ ∂ r ∂ φ より(ここを参照),式を整理すると

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

+ 2 ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ ∂ r ∂ x ∂ θ ∂ x + 2 ∂ 2 ψ ∂ θ ∂ φ ∂ θ ∂ x ∂ φ ∂ x + 2 ∂ 2 ψ ∂ φ ∂ r ∂ φ ∂ x ∂ r ∂ x

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

次に

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

を具体的に求めて(1)を式変形する.

始めに

x = r sin θ cos φ , y = r sin θ sin φ

の両辺を2乗して加えると

x 2 + y 2 = r sin θ cos φ 2 + r sin θ sin φ 2

となり,これを整理すると 参考:三角関数の相互関係

x 2 + y 2 = r 2 sin 2 θ

よって

x 2 + y 2 = r sin θ

となる.ここで z = r cos θ の関係より,左辺を z で,右辺を r cos θ 割って

x 2 + y 2 z = r sin θ r cos θ

x 2 + y 2 z = tan θ ・・・・・・(2)

とする.次に

x = r sin θ cos φ , y = r sin θ sin φ

の関係から

y x = r sin θ sin φ r sin θ cos φ

y x = sin φ cos φ

y x = tan φ ・・・・・・(3)

が得られる.さらに

x = r sin θ cos φ , y = r sin θ sin φ , z = r cos θ

の辺々を2乗して足すことにより

x 2 + y 2 + z 2 = r 2 sin 2 θ cos 2 φ + r 2 sin 2 θ sin 2 φ + r 2 cos 2 θ

x 2 + y 2 + z 2 = r 2 sin 2 θ ( cos 2 φ + sin 2 φ ) + r 2 cos 2 θ

x 2 + y 2 + z 2 = r 2 sin 2 θ + r 2 cos 2 θ

x 2 + y 2 + z 2 = r 2 ・・・・・・(4)

が得られる.上記の(2),(3),(4) を用いて

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

を求める.

(4)の両辺を x で偏微分して

2 x = 2 r ∂ r ∂ x

x r = ∂ r ∂ x

∂ r ∂ x = r sin θ cos φ r

∂ r ∂ x = sin θ cos φ ・・・・・・(5)

が得られる.(3)の両辺を x で偏微分して

y − 1 x 2 = 1 cos 2 φ ∂ φ ∂ x

tan 2 φ + 1 ∂ φ ∂ x = − y x 2

y 2 x 2 + 1 ∂ φ ∂ x = − y x 2

y 2 + x 2 x 2 ∂ φ ∂ x = − y x 2

r 2 − z 2 x 2 ∂ φ ∂ x = − y x 2

∂ φ ∂ x = − y r 2 − z 2 = − r sin θ sin φ r 2 − r 2 cos 2 θ = − r sin θ sin φ r 2 1 − cos 2 θ = − r sin θ sin φ r 2 sin 2 θ = − sin φ r sin θ ・・・・・・(6)

が得られる.(2)の両辺を x で偏微分して

x x 2 + y 2 − 1 2 z = 1 cos 2 θ ∂ θ ∂ x

∂ θ ∂ x = x cos 2 θ z x 2 + y 2

= r sin θ cos φ cos 2 θ r cos θ r 2 sin 2 θ cos 2 φ + r 2 sin 2 θ sin 2 φ

= r sin θ cos φ cos 2 θ r 2 cos θ sin θ cos 2 φ + sin 2 φ

= cos θ cos φ r ・・・・・・(7)

が得られる.

∂ 2 r ∂ x 2 = ∂ ∂ x ∂ r ∂ x

(5)を代入して

= ∂ ∂ x sin θ cos φ

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

= cos θ cos φ ∂ θ ∂ x − sin θ sin φ ∂ φ ∂ x

(7),(6)を代入して

= cos θ cos φ cos θ cos φ r − sin θ sin φ − sin φ r sin θ

= cos 2 θ cos 2 φ r + sin 2 φ r

= cos 2 θ cos 2 φ + sin 2 φ r ・・・・・・(8)

が得られる.

∂ 2 θ ∂ x 2 = ∂ ∂ x ∂ θ ∂ x

(7)を代入して

= ∂ ∂ x cos θ cos φ r

= ∂ ∂ r cos θ cos φ r ∂ r ∂ x + ∂ ∂ θ cos θ cos φ r ∂ θ ∂ x + ∂ ∂ φ cos θ cos φ r ∂ φ ∂ x

= − cos θ cos φ r 2 ∂ r ∂ x − sin θ cos φ r ∂ θ ∂ x − cos θ sin φ r ∂ φ ∂ x

(5),(7),(6)を代入して

= − cos θ cos φ r 2 sin θ cos φ − sin θ cos φ r cos θ cos φ r − cos θ sin φ r − sin φ r sin θ

= − sin θ cos θ cos 2 φ r 2 − sin θ cos θ cos 2 φ r 2 + cos θ sin 2 φ r 2 sin θ

= − 2sin θ cos θ cos 2 φ r 2 + cos θ sin 2 φ r 2 sin θ

= − 2 sin 2 θ cos θ cos 2 φ + cos θ sin 2 φ r 2 sin θ

= cos θ − 2 sin 2 θ cos 2 φ + sin 2 φ r 2 sin θ ・・・・・・(9)

が得られる.

∂ 2 φ ∂ x 2 = ∂ ∂ x ∂ φ ∂ x

(6)を代入して

= ∂ ∂ x − sin φ r sin θ

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

= sin φ r 2 sin θ ∂ r ∂ x + cos θ sin φ r sin 2 θ ∂ θ ∂ x − cos φ r sin θ ∂ φ ∂ x

参考:基本となる関数の導関数(微分)

(5),(7),(6)を代入して

= sin φ r 2 sin θ sin θ cos φ + cos θ sin φ r sin 2 θ cos θ cos φ r − cos φ r sin θ − sin φ r sin θ

= sin φ cos φ r 2 + cos 2 θ sin φ cos φ r 2 sin 2 θ + sin φ cos φ r 2 sin 2 θ

= sin φ cos φ sin 2 θ + cos 2 θ + sin φ cos φ r 2 sin 2 θ

= 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ・・・・・・(10)

ここで,(5)~(10)を(1)に代入し式を整理すると

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

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

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

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

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

+ cos 2 θ cos 2 φ + sin 2 φ r ∂ ψ ∂ r + cos θ − 2 sin 2 θ cos 2 φ + sin 2 φ r 2 sin θ ∂ ψ ∂ θ + 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ∂ ψ ∂ φ ・・・・・・(11)

が得られる.

同様にして(詳しくはこちら)

∂ 2 ψ ∂ y 2 = sin 2 θ sin 2 φ ∂ 2 ψ ∂ r 2 + cos 2 θ sin 2 φ r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2 + cos 2 φ r 2 sin 2 θ ∂ 2 ψ ∂ φ 2

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

+ cos 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r ∂ ψ ∂ r + cos θ − 2 sin 2 θ sin 2 φ + cos 2 φ r 2 sin θ ∂ ψ ∂ θ − 2 sin φ cos φ r 2 sin 2 θ ∂ ψ ∂ φ ・・・・・・(12)

が得られる.

同様にして(詳しくはこちら)

∂ 2 ψ ∂ z 2 = cos 2 θ ∂ 2 ψ ∂ r 2 + sin 2 θ r 2 ∂ 2 ψ ∂ 2 θ − 2 cos θ sin θ r ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ + sin 2 θ r ∂ ψ ∂ r + 2 sin θ cos θ r 2 ∂ ψ ∂ θ ・・・・・・(13)

が得られる.

(11),(12),(13)を足し合わせると

∂ 2 ψ ∂ x 2 + ∂ 2 ψ ∂ y 2 + ∂ 2 ψ ∂ z 2 = sin 2 θ cos 2 φ ∂ 2 ψ ∂ r 2 + cos 2 θ cos 2 φ r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2 + sin 2 φ r 2 sin 2 θ ∂ 2 ψ ∂ φ 2

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

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

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

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

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

+ cos 2 θ ∂ 2 ψ ∂ r 2 + sin 2 θ r 2 ∂ 2 ψ ∂ 2 θ − 2 cos θ sin θ r ∂ 2 ψ ∂ r ∂ θ + sin 2 θ r ∂ ψ ∂ r + 2 sin θ cos θ r 2 ∂ ψ ∂ θ ・・・・・・(13)

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

+ cos 2 θ cos 2 φ r 2 + cos 2 θ sin 2 φ r 2 + sin 2 θ r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2 → 1 r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2

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

+ 2sinθcosθ cos 2 φ r + 2sinθcosθ sin 2 φ r − 2cosθsinθ r ∂ 2 ψ ∂r∂θ

+ − 2cosθsinϕcosφ r 2 sinθ + 2cosθsinφcosφ r 2 sinθ ∂ 2 ψ ∂θ∂φ

+ − 2sinφcosφ r + 2sinφcosφ r ∂ 2 ψ ∂φ∂r

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

+ cosθ −2 sin 2 θ cos 2 φ+ sin 2 φ r 2 sinθ + cosθ −2 sin 2 θ sin 2 φ+ cos 2 φ r 2 sinθ + 2sinθcosθ r 2 ∂ψ ∂θ

+ − 2sinφcosφ r 2 sin 2 θ + 2sinφcosφ r 2 sin 2 θ ∂ψ ∂φ

= ∂ 2 ψ ∂ r 2 + 2 r ∂ ψ ∂ r + 1 r 2 ∂ 2 ψ ∂ θ 2 + cos θ r 2 sin θ ∂ ψ ∂ θ + 1 r 2 sin 2 θ ∂ 2 ψ ∂ φ 2 = { 1 r 2 ∂ ∂ r ( r 2 ∂ ∂ r ) + 1 r 2 sin ⁡ θ ∂ ∂ θ ( sin ⁡ θ ∂ ∂ θ ) + 1 r 2 sin ⁡ 2 θ ∂ 2 ∂ φ 2 } ψ

となり,示された.

 

ホーム>>カテゴリー別分類>>微分>>偏微分>>極座標表示におけるラプラシアン(3次元)

最終更新日:2026年4月2日