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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

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 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 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

+ ψ r cos 2 θ r + 2 ψ r θ sin θ ( cos θ r )
・・・・・・(14)

ここで(8),(14)より,

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