3. grad, div, rot に関する公式
(1) \( \displaystyle \phi,\hspace{4px}\psi \)はスカラー関数とする
\( \displaystyle {\rm grad}\hspace{2px}(\phi+\psi)={\rm grad}\hspace{2px}\phi+{\rm grad}\hspace{2px}\psi \)
\( \displaystyle \nabla(\phi+\psi)=\nabla\phi+\nabla\psi \)
\( \displaystyle {\rm grad}\hspace{2px}(\phi\psi)=\phi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\psi+\psi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\phi \)
\( \displaystyle \nabla(\phi\psi)=\phi\nabla\psi+\psi\nabla\phi \)
≪定義通りに計算すれば≫
\( \displaystyle {\rm grad}\hspace{2px}(\phi\psi)=\Big(\frac{\partial}{\partial x}(\phi\psi),\hspace{2px}\frac{\partial}{\partial y}(\phi\psi),\hspace{2px}\frac{\partial}{\partial z}(\phi\psi)\Big) \)
積の微分法: \( \displaystyle \frac{\partial}{\partial x}(fg)=\frac{\partial f}{\partial x}g+ f\frac{\partial g}{\partial x} \) 等により
\( \displaystyle \frac{\partial}{\partial x}(\phi\psi)=\frac{\partial\phi}{\partial x}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial x} \)
\( \displaystyle \frac{\partial}{\partial y}(\phi\psi)=\frac{\partial\phi}{\partial y}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial y} \)
\( \displaystyle \frac{\partial}{\partial z}(\phi\psi)=\frac{\partial\phi}{\partial z}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial z} \)
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したがって
\( \displaystyle \Big(\frac{\partial\phi}{\partial x}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial x},\hspace{4px} \)
\( \displaystyle \frac{\partial\phi}{\partial y}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial y},\hspace{4px} \)
\( \displaystyle \frac{\partial\phi}{\partial z}\psi+\phi\frac{\partial\psi}{\partial z}\Big) \)
\( \displaystyle =\Big(\frac{\partial\phi}{\partial x},\hspace{4px}\frac{\partial\phi}{\partial y},\hspace{4px}\frac{\partial\phi}{\partial z}\Big)\psi \)
\( \displaystyle +\phi\Big(\frac{\partial\psi}{\partial x},\hspace{4px}\frac{\partial\psi}{\partial y},\hspace{4px}\frac{\partial\psi}{\partial z}\Big) \)
\( \displaystyle =\phi\Big(\frac{\partial\psi}{\partial x},\hspace{4px}\frac{\partial\psi}{\partial y},\hspace{4px}\frac{\partial\psi}{\partial z}\Big) \)
\( \displaystyle +\psi\Big(\frac{\partial\phi}{\partial x},\hspace{4px}\frac{\partial\phi}{\partial y},\hspace{4px}\frac{\partial\phi}{\partial z}\Big) \)
\( \displaystyle =\phi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\psi+\psi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\phi \)
≪ベクトルの内積・外積で表せば≫
ベクトルの実数倍(定数倍)の公式では, \( \displaystyle \vec{a}k=k\vec{a} \)であるが,ナブラ
\( \displaystyle \nabla=(\frac{\partial}{\partial x},\hspace{2px}\frac{\partial}{\partial y},\hspace{2px}\frac{\partial}{\partial z}) \)
は微分演算子であるからスカラー関数 \( \displaystyle \phi \)と左右入れ換えることはできない.
\( \displaystyle \nabla\phi\leftarrow\circ \),
\( \displaystyle \phi\nabla\leftarrow\times \)
また,ベクトルの実数倍(定数倍)の公式では,
\( \displaystyle \vec{a}(kl)=kl\vec{a} \)であるが,上記のようにナブラは微分演算子であるから,積の微分法が成り立ち,
\( \displaystyle \nabla(\phi\psi)=\phi\psi\nabla \)などとは変形できない.結論から言えば,
\( \displaystyle {\rm grad}\hspace{2px}(\phi\psi)=\phi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\psi+\psi\hspace{4px}{\rm grad}\hspace{2px}\phi \)をナブラで表すと,
\( \displaystyle \nabla(\phi\psi)=\phi\nabla\psi+\psi\nabla\phi \)となる.
\( \displaystyle {\rm grad}\hspace{4px}{\rm div}\hspace{4px}\vec{V}={\rm rot}\hspace{4px}{\rm rot}\hspace{4px}\vec{V}+\Delta\vec{V} \)
\( \displaystyle \nabla(\nabla\cdot\vec{V})=\nabla\times(\nabla\times\vec{V})+\Delta\vec{V} \)
(解説)
後で登場する, \( \displaystyle {\rm rot}\hspace{4px}{\rm rot}\hspace{4px}\vec{V}={\rm grad}\hspace{4px}{\rm div}\hspace{4px}\vec{V}-\Delta\vec{V} \)を変形すれば,この公式が得られる.
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