極座標表示におけるラプラシアン (3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
である.従って
・・・・・・(1)
次に
,
,
,
,
,
を具体的に求めて(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 参考:三角関数の相互関係
よって
となる.ここで
の関係より,左辺を
で,右辺を
割って
・・・・・・(2)
とする.次に
,
の関係から
・・・・・・(3)
が得られる.さらに
,,
の辺々を2乗して足すことにより
・・・・・・(4)
が得られる.上記の(2),(3),(4)
を用いて
,
,
,
,
,
を求める.
(4)の両辺を
で偏微分して
・・・・・・(5)
が得られる.(3)の両辺を
で偏微分して
・・・・・・(6)
が得られる.(2)の両辺を
で偏微分して
・・・・・・(7)
が得られる.
(5)を代入して
(7),(6)を代入して
・・・・・・(8)
が得られる.
(7)を代入して
(5),(7),(6)を代入して
・・・・・・(9)
が得られる.
(6)を代入して
参考:基本となる関数の導関数(微分)
(5),(7),(6)を代入して
・・・・・・(10)
ここで,(2)〜(10)を用いて(1)を式変形すると
・・・・・・(11)
が得られる.
同様にして(詳しくはこちら)
・・・・・・(12)
が得られる.
同様にして(詳しくはこちら)
・・・・・・(13)
が得られる.
(11),(12),(13)を足し合わせると
となり,示された.
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最終更新日:2023年1月17日