河漢の戯言
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2021-12-28

直交曲線座標の公式メモ

直交曲線座標を  u_i\, (i=1,2,3) とする.

位置ベクトル  \mathbf{r}(u_1, u_2, u_3) に対して


 \begin{align} d\mathbf{r} &= \sum_{i=1}^3 h_i\, du_i\, \hat{\mathbf{e}}_i \\\\
\hat{\mathbf{e}}_i &= \frac{1}{h_i} \frac{\partial \mathbf{r}}{du_i} \\\\
h_i &= \left| \frac{\partial \mathbf{r}}{du_i} \right| \end{align}


円柱座標  (r, \theta, z):  (h_1, h_2, h_3)=(1, r, 1)

球座標  (r, \theta, \phi):  (h_1, h_2, h_3)=(1, r, r\sin\theta)



直交曲線座標(右手系)の定義により


 \begin{align} \hat{\mathbf{e}}_i \cdot \hat{\mathbf{e}}_j &= \delta_{ij} \\\\
\hat{\mathbf{e}}_1 \times \hat{\mathbf{e}}_2 = \hat{\mathbf{e}}_3,\;
\hat{\mathbf{e}}_2 \times \hat{\mathbf{e}}_3 &= \hat{\mathbf{e}}_1,\;
\hat{\mathbf{e}}_3 \times \hat{\mathbf{e}}_1 = \hat{\mathbf{e}}_2 \end{align}


体積要素

 \begin{align} dV = h_1 h_2 h_3\, du_1\, du_2\, du_3 \end{align}


勾配

 \begin{align} \pmb{\nabla} = \sum_{i=1}^3 \frac{\hat{\mathbf{e}}_i}{h_i} \frac{\partial}{\partial u_i} \end{align}


発散

 \begin{align} \pmb{\nabla}\cdot \mathbf{A} = \frac{1}{h_1h_2h_3} \left[  \frac{\partial ( h_2 h_3 A_1) }{\partial u_1} +  \frac{\partial (h_3 h_1 A_2)}{\partial u_2} +  \frac{\partial (h_1 h_2 A_3)}{\partial u_3}\right] \end{align}


回転

 \begin{align}
\pmb{\nabla} \times \mathbf{A} &=\frac{1}{h_{1} h_{2} h_{3}}\left|\begin{array}{ccc}
h_{1} \hat{\mathbf{e}}_{1} & h_{2} \hat{\mathbf{e}}_{2} & h_{3} \hat{\mathbf{e}}_{3} \\
\displaystyle \frac{\partial}{\partial u_{1}} & \displaystyle \frac{\partial}{\partial u_{2}} & \displaystyle \displaystyle \frac{\partial}{\partial u_{3}} \\
h_{1} A_{1} & h_{2} A_{2} & h_{3} A_{3} 
\end{array}\right| \\\\
&= \frac{\hat{\mathbf{e}}_1}{h_2 h_3}\left[ \frac{\partial (h_3 A_3)}{\partial u_2}
  -\frac{\partial (h_2 A_2) }{\partial u_3} \right]
   +  \frac{\hat{\mathbf{e}}_2}{h_3 h_1} \left[ \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_3}
   - \frac{\partial (h_3 A_3) }{\partial u_1} \right] \\\\
   &\quad + \frac{\hat{\mathbf{e}}_3}{h_1 h_2} \left[ \frac{\partial (h_2 A_2)}{\partial u_1}
   - \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_2} \right]
\end{align}


ラプラシアン

 \begin{align} \nabla^2 f = \frac{1}{h_1h_2h_3} \left[
  \frac{\partial}{\partial u_1}\left(\frac{h_2h_3}{h_1}\frac{\partial f}{\partial u_1} \right)
  +\frac{\partial}{\partial u_2}\left(\frac{h_3h_1}{h_2}\frac{\partial f}{\partial u_2} \right)
  +\frac{\partial}{\partial u_3}\left(\frac{h_1h_2}{h_3}\frac{\partial f}{\partial u_3} \right)\right]
\end{align}


変形速度テンソル

 \begin{align}
  e_{11} &= \frac{1}{h_1} \frac{\partial a_1}{\partial u_1}
  + \frac{A_2}{h_1 h_2} \frac{\partial h_1}{\partial u_2} 
  + \frac{A_3}{h_3 h_1} \frac{\partial h_1}{\partial u_3}  \\\\
  e_{22} &= \frac{1}{h_2} \frac{\partial a_2}{\partial u_2}
  + \frac{A_3}{h_2 h_3} \frac{\partial h_2}{\partial u_3} 
  + \frac{A_1}{h_1 h_2} \frac{\partial h_2}{\partial u_1}  \\\\
  e_{33} &=  \frac{1}{h_3} \frac{\partial a_3}{\partial u_3}
  + \frac{A_1}{h_3 h_1} \frac{\partial h_3}{\partial u_1} 
  + \frac{A_2}{h_2 h_3} \frac{\partial h_3}{\partial u_2} \\\\
 2e_{ij}  &= \frac{h_j}{h_i}\frac{\partial}{\partial u_i}\left(\frac{A_j}{h_j}\right)
   +  \frac{h_i}{h_j}\frac{\partial}{\partial u_j}\left(\frac{A_i}{h_i}\right) \qquad (i\neq j)
\end{align}


ベクトルラプラシアン

 \begin{align} \nabla^2 \mathbf{A} = \pmb{\nabla}\pmb{\nabla}\cdot\mathbf{A} -\pmb{\nabla}\times(\pmb{\nabla}\times \mathbf{A}) \end{align}


 \begin{align}
  \pmb{\nabla}\pmb{\nabla}\cdot\mathbf{A} &= \sum_{i=1}^3 \frac{\hat{\mathbf{e}}_i}{h_i}\frac{\partial}{\partial u_i}   \left\{  \frac{1}{h_1h_2h_3} \left[  \frac{\partial (h_2 h_3 A_1)}{\partial u_1}
  +  \frac{\partial (h_3 h_1 A_2)}{\partial u_2} +  \frac{\partial (h_1 h_2 A_3)}{\partial u_3}\right] \right\} \end{align}


 \begin{align}
&\ \pmb{\nabla}\times(\pmb{\nabla}\times\mathbf{A}) \\
&= \frac{\hat{\mathbf{e}}_1}{h_2 h_3}\bigg\{
  \frac{\partial }{\partial u_2} \left[  \frac{h_3}{h_1 h_2} \left( \frac{\partial (h_2 A_2)}{\partial u_1}
   - \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_2} \right)\right] 
  -\frac{\partial }{\partial u_3}\left[ \frac{h_2}{h_3 h_1} \left( \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_3}
   - \frac{\partial (h_3 A_3) }{\partial u_1} \right) \right] \bigg\} \\\\
  &\ +  \frac{\hat{\mathbf{e}}_2}{h_3 h_1} \bigg\{ \frac{\partial}{\partial u_3} \left[
   \frac{h_1}{h_2 h_3}\left( \frac{\partial (h_3 A_3)}{\partial u_2}
  -\frac{\partial (h_2 A_2) }{\partial u_3} \right) \right]
   - \frac{\partial}{\partial u_1} \left[ \frac{h_3}{h_1 h_2} \left( \frac{\partial (h_2 A_2)}{\partial u_1}
   - \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_2} \right) \right]
    \bigg\} \\\\
   &\ + \frac{\hat{\mathbf{e}}_3}{h_1 h_2} \bigg\{ \frac{\partial}{\partial u_1} 
   \left[ \frac{h_2}{h_3 h_1} \left( \frac{\partial (h_1 A_1)}{\partial u_3}
   - \frac{\partial (h_3 A_3) }{\partial u_1} \right) \right] 
   - \frac{\partial}{\partial u_2} \left[
   \frac{h_1}{h_2 h_3}\left( \frac{\partial (h_3 A_3)}{\partial u_2}
  -\frac{\partial (h_2 A_2) }{\partial u_3} \right) \right] \bigg\}
\end{align}

haul3740 2021-12-28 20:42 読者になる

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