3次元ラプラシアンの極座標表示

アイキャッチ

この記事では、デカルト座標における3次元ラプラシアン

(1)ΔC=2x2+2y2+2z2

の極座標表示を導出します。

方針

デカルト座標系(x,y,z)と極座標系(r,θ,ϕ)は、次の関係式で結ばれます。

(2)x=rsinθcosϕ(3)y=rsinθsinϕ(4)z=rcosθ

(x,y,z)はそれぞれ(r,θ,ϕ)の関数なので、以下の微分の連鎖律が成り立ちます。

(5)x=rxr+θxθ+ϕxϕ(6)y=ryr+θyθ+ϕyϕ(7)z=rzr+θzθ+ϕzϕ

これら9つの係数をr,θ,ϕで表すことができれば、x,y,zの極座標表示が得られるので、それぞれを2乗して足し合わせることで3次元ラプラシアンの極座標表示を計算できます。

一階微分の導出

rx,ry,rzの導出

rx,y,zは、以下の関係式で結ばれます。

(8)r2=x2+y2+z2

この両辺をxで偏微分すると

2rrx=2x(9)rx=xr=rsinθcosϕr=sinθcosϕ

が得られます。y,zについても同様に

2rry=2y(10)ry=yr=rsinθsinϕr=sinθsinϕ

2rrz=2z(11)rz=zr=rcosθr=cosθ

となります。

θx,θy,θzの導出

θx,y,zは、以下の関係式で結ばれます。

(12)tan2θ=x2+y2z2

この両辺をxで偏微分すると

2tanθ1cos2θθx=2xz2(13)θx=xz2cos2θtanθ=rsinθcosϕcos2θr2cos2θtanθ=cosθcosϕr

となります。yについても同様に

2tanθ1cos2θθy=2yz2(14)θy=yz2cos2θtanθ=rsinθsinϕcos2θr2cos2θtanθ=cosθsinϕr

となります。zについては、両辺のlnをとってzで偏微分すると

2ln(tanθ)=ln(x2+y2)ln(z2)21tanθ1cos2θθz=2z(15)θz=tanθcos2θz=tanθcos2θrcosθ=sinθr

が得られます。

ϕx,ϕy,ϕzの導出

ϕx,y,zは、以下の関係式で結ばれます。

(16)tanϕ=yx

この両辺をxで偏微分すると

1cos2ϕϕx=yx2(17)ϕx=ycos2ϕx2=rsinθsinϕcos2ϕr2sin2θcos2ϕ=sinϕrsinθ

となります。yについても同様に

1cos2ϕϕy=1x(18)ϕy=cos2ϕx=cos2ϕrsinθcosϕ=cosϕrsinθ

となります。zについては、ϕzに依存しないため

(19)ϕz=0

です。

以上をまとめると、x,y,zの極座標表示は以下のようになります。

(20)x=sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ(21)y=sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ(22)z=cosθr1rsinθθ

二階微分の導出

次に、得られたx,y,zの2乗を計算していきます。

2x2の導出

2x2=(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)2=sinθcosϕr(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)+1rcosθcosϕθ(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)(23)1rsinϕsinθϕ(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)

1=r(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)=sinθcosϕ2r21r2cosθcosϕθ+1rcosθcosϕ2rθ(24)+1r2sinϕsinθϕ1rsinϕsinθ2rϕ

2=θ(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)=cosθcosϕr+sinθcosϕ2θr1rsinθcosϕθ+1rcosθcosϕ2θ2(25)+1rcosθsinϕsin2θϕ1rsinϕsinθ2θϕ

3=ϕ(sinθcosϕr+1rcosθcosϕθ1rsinϕsinθϕ)=sinθsinϕr+sinθcosϕ2ϕr1rcosθsinϕθ+1rcosθcosϕ2ϕθ(26)1rcosϕsinθϕ1rsinϕsinθ2ϕ2

2y2の導出

2y2=(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)2=sinθsinϕr(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)+1rcosθsinϕθ(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)(27)+1rcosϕsinθϕ(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)

1=r(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)=sinθsinϕ2r21r2cosθsinϕθ+1rcosθsinϕ2rθ(28)1r2cosϕsinθϕ+1rcosϕsinθ2rϕ

2=θ(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)=cosθsinϕr+sinθsinϕ2θr1rsinθsinϕθ+1rcosθsinϕ2θ2(29)1rcosθcosϕsin2θϕ+1rcosϕsinθ2θϕ

3=ϕ(sinθsinϕr+1rcosθsinϕθ+1rcosϕsinθϕ)=sinθcosϕr+sinθsinϕ2ϕr+1rcosθcosϕθ+1rcosθsinϕ2ϕθ(30)1rsinϕsinθϕ+1rcosϕsinθ2ϕ2

2z2の導出

2z2=(cosθr1rsinθθ)2=cosθr(cosθr1rsinθθ)(31)1rsinθθ(cosθr1rsinθθ)

1=r(cosθr1rsinθθ)=cosθ2r2(32)+1r2sinθθ1rsinθ2rθ

2=θ(cosθr1rsinθθ)=sinθr+cosθ2θr(33)1rcosθθ1rsinθ2θ2

まとめ

最後に、ここまで計算した2x2,2y2,2z2すべて足し上げます。

2r2の係数

(34)sin2θcos2ϕ+sin2θcos2ϕ+cos2ϕ=1

rの係数

(35)1r(cos2θcos2ϕ+sin2ϕ+cos2θsin2ϕ+cos2ϕ+sin2θ)=2r

2θ2の係数

(36)1r2(cos2θcos2ϕ+cos2θsin2ϕ+sin2θ)=1r2

θの係数

1r2(2sinθcosθcos2ϕ+cosθsin2ϕsinθ2sinθcosθsin2ϕ+cosθcos2ϕsinθ+2sinθcosθ)(37)=1r2cosθsinθ

2ϕ2の係数

(38)1r2(sin2ϕsin2θ+cos2ϕsin2θ)=1r21sin2θ

ϕの係数

1r2(sinϕcosϕ+cos2θsinϕcosϕsin2θ+sinϕcosϕsin2θsinϕcosϕcos2θsinϕcosϕsin2θsinϕcosϕsin2θ)(39)=0

2rθの係数

(40)1r(2sinθcosθcos2ϕ+2sinθcosθsin2ϕ2sinθcosθ)=0

2θϕの係数

(41)1r2(2cosθsinϕcosϕsinθ+2cosθsinϕcosϕsinθ)=0

2ϕrの係数

(42)1r(2sinϕcosϕ+2sinϕcosϕ)=0

以上をまとめると、3次元ラプラシアンの極座標表示は以下のようになります。

ΔP=2r2+2rr+1r2(2θ2+cosθsinθθ+1sin2θ2ϕ2)(43)=1r2r(r2r)+1r2(1sinθθ(sinθθ)+1sin2θ2ϕ2)

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