5-2 直交曲線座標(補足・証明)
f-denshi.com    [目次へ] 最終更新日:07/08/09
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公式3の証明

公式3-(1)

∂eu =− 1 ・ ∂hu ev− 1 ・ ∂hu ew   ・・・・[**]
∂u hv ∂v hw ∂w
∂eu = 1 ・ ∂hv ev           ・・・・・・・[*]
∂v hu ∂u
∂eu = 1 ・ ∂hw ew
∂w hu ∂u

証明 どれも同じような計算をするだけなので,[*]と[**]について示します。

r が連続微分可能[#]という条件下では,

∂   ∂r = ∂   ∂r
∂v ∂u ∂u ∂v
とすることができます。したがって,  ∂r =hueu と
∂u
∂r =hvev とから,
∂v
∂ ∂r = ∂ (hueu)= ∂hu eu+hu ・ ∂eu
∂v ∂u ∂v ∂v ∂v
∂ ∂r = ∂ (hvev)= ∂hv ev+hv ・ ∂ev
∂u ∂v ∂u ∂u ∂u

の右辺は等しく,

∂hu eu+hu ・ ∂eu = ∂hv ev+hv ・ ∂ev
∂v ∂v ∂u ∂u
この両辺に ev をかけて(内積をとって),ev・eu= 0, ∂ev ・ev = 0 [#] に注意すれば,
∂u
hu   ∂eu ev= ∂hv →
書き直して
∂eu = 1 ・ ∂hv ev     ・・・・ [*]
∂v ∂u ∂v hu ∂u

が得られます。公式3の対角線上にない公式はすべて同様に証明できます。省略しますが,以下できたと仮定して話を進めます。

(以下,10/8/21追加)

次に,対角線上にある公式の1つとして,[**]の証明は,公式1−(1)の左1番上[#]から, ∂eu とeu は垂直なので,
∂u

係数をA,Bを用いて,

∂eu =Aev+Bew          ・・・・・[***]
∂u

とおくことができ,この係数A,Bを決めてやればよいでしょう。まず,[***]にevをかけると

∂eu ev=A
∂u

ところが,Aと等しいこの左辺は公式2の左1番上[#]を用いると,

∂eu ev=−eu・ ∂ev
∂u ∂u

さらに,公式3の(2)の1番左[#]を用いると,

=−eu・ 1 ∂hu eu =− 1 ∂hu
hv ∂v hv ∂v

これがAです。Bについては[***]にewをかけて同様に計算すればよいでしょう。これで[**]の証明終了です。

他の対角線上に並ぶ公式,公式3の(2)の真中,(3)の左も[**]の証明と同様です。

以上,追加分。


直交曲線座標系での発散

divA = ∇A =   1 ∂(hvhwAu) + ∂(hwhuAv) + ∂(huhvAw)
huhvhw    ∂u    ∂v    ∂w

の証明です。 まず[#],

∇= eu ∂ +ev ∂ +ew ∂
hu∂u hv∂v hw∂w
A  =Aueu+Avev+Awew

と分配法則を用いれば,

∇A  =∇・(Aueu+Avev+Awew)
    ={(∇Au)・eu+Au(∇・eu)} + {(∇Av)・ev+Av(∇・ev)} + {(∇Aw)・ew+Aw(∇・ew)}

という6つの項が現れます。そこで,

第1項

(∇Au)・eu = 1 ・ ∂Au eu+ 1 ・ ∂Au ev+ 1 ・ ∂Au ew ・eu =  1 ・ ∂Au
hu ∂u hv ∂v hw ∂w hu ∂u
         =  (hvhw) ・ ∂Au
huhvhw ∂u

第2項

 Au(∇・eu)  =Au eu ・ ∂ eu+ ev ・ ∂ eu+ ew ・ ∂ eu
hu ∂u hv ∂v hw ∂w
                   ↓   公式3の(1)を用いて,
            =Au eu ・ ∂ eu+ ev ・   ∂hv ev+ ew ・ ∂hw ew
hu ∂u hv hu∂u hw hu∂u
            =Au 0   +   1 ・ ∂hv + 1 ・ ∂hw
hvhu ∂u hwhu ∂u
       = Au ・ ∂(hvhw)
huhvhw ∂u

これから,第1+第2項は,

 第1項+第2項=  1 ・ ∂(Auhvhw)
huhvhw ∂u

同様に 公式3 の(2),(3)を用いて,

 第3項+第4項=  1 ・ ∂(huAvhw)
huhvhw ∂v
 第5項+第6項=  1 ・ ∂(huhvAw)
huhvhw ∂w

が得られます。これらを全部,足し合わせれば,∇Aの右辺となります。


直交曲線座標系での回転

rotA= ∂(hwAw) − ∂(hvAv) eu+ ∂(huAu) − ∂(hwAw) ev+ ∂(hvAv) − ∂(huAu) ew
hvhw∂v hvhw∂w hwhu∂w hwhu∂u huhv∂u huhv∂v

の証明です。

∇= eu ∂ +ev ∂ +ew ∂  ; A  =Aueu+Avev+Awew 
hu∂u hv∂v hw∂w

分配法則を使って,

∇×A =∇×(Aueu+Avev+Awew)
      = −{(eu×∇)Au+(ev×∇)Av+(ew×∇)Aw}
                 +{(Au(∇×eu)+Av(∇×ev)+Aw(∇×ew)}
      =−{*}+{**}

まず,1つ目の中括弧{*}は,eu×ev=ew,ev×ew=eu ,ew×eu=ev [#] をもちいると,

(eu×∇)Au= eu× eu ∂ +ev ∂ +ew ∂ Au
hu∂u hv∂v hw∂w
         = 0 +ew ∂Au −ev ∂Au
hv∂v hw∂w

および,同様に計算した,

(ev×∇)Av=−ew ∂Av +eu ∂Av
hu∂u hw∂w
(ew×∇)Aw=ev ∂Aw −eu ∂Aw
hu∂u hv∂v

の3つの項からなるので,

−{*}=

∂Aw − ∂Av eu+ ∂Au − ∂Aw ev+ ∂Av  − ∂Au ew
hv∂v hw∂w hw∂w hu∂u hu∂u hv∂v

となります。

一方,2番目の中括弧{**}の第1項は,公式3 の(2),(3),(1)[#]を用いて,

Au(∇×eu)=Au eu ∂ +ev ∂ +ew ∂ ×eu
hu∂u hv∂v hw∂w
           =Au eu× ∂eu +ev× ∂eu +ew× ∂eu
hu∂u hv∂v hw∂w
           =Au eu× ∂eu +ev× 1 ・ ∂hv ev +ew× 1 ・ ∂hw ew
hu∂u hvhu ∂u hwhu ∂u
           = Au eu× ∂eu  + 0 + 0
hu ∂u
           = Au eu× − 1 ・ ∂hu ev− 1 ・ ∂hu ew
hu hv ∂v hw ∂w
           = − Au ・ ∂hu ew+ Au ・ ∂hu ev
huhv ∂v huhw ∂w

および,第2,3項も公式3を用いて,

Av(∇×ev)= Av ・ ∂hv ew− Av ・ ∂hv eu
hvhu ∂u hvhw ∂w
Aw(∇×ew)= Aw ・ ∂hw eu− Aw ・ ∂hw ev
hwhv ∂v hwhu ∂u

したがって,

{**}  =   Aw ・ ∂hw − Av ・ ∂hv eu
hwhv ∂v hvhw ∂w
          + Au ・ ∂hu − Aw ・ ∂hw ev+ Av ・ ∂hv − Au ・ ∂hu ew
huhw ∂w hwhu ∂u hvhu ∂u huhv ∂v

先程の計算と合わせて,

−{*}+{**} =

hw∂Aw − hv∂Av eu+ Aw ・ ∂hw − Av ・ ∂hv eu + ・・・・・
hvhw∂v hvhw∂w hwhv ∂v hvhw ∂w
             = 1 ∂ (hwAw)− ∂ (hvAv) eu
hvhw ∂v ∂w
              + 1 ∂ (huAu)− ∂ (hwAw) ev+ 1 ∂ (hvAv)− ∂ (huAu) ew
hwhu ∂w ∂u huhv ∂u ∂v

証明,終わり


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