よいこの低学年向け数学ひろば

dvの計算法−ヤコビアンを使うやり方

微小面積要素dvの求め方

初めに(20210619)

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dv計算法-ヤコビアンを使うやり方

座標系3次元座標移動   座標系3次元座標移動へ座標変換するとき先ほどのセクションで出てきた関数行列式をつかうと次のようになります。

 

3次元座標変換ヤコビアン

 

ここで中央部分の行列は、

 

3次元座標変換ヤコビアン

 

となることに注視します。

極座標

実際にデカルトから極へ移行するときのデカルト座標から極座標へを関数行列式で求めてみましょう。

 

 

まず、

デカルト座標から極座標へ

 

より、これに対する関数行列式(ヤコビアン)は次のようになります。

 

 

jacobian

 

この関数行列式(ヤコビアン)におけるx, y, zの位置表現に対してはつぎのものを使います。

 

極座標変換

 

 

これらをヤコビアンの行列式の中に示されるそれぞれの偏微分の式に当てはめて計算していけば、

極座標変換

極座標変換

極座標変換

 

上記の結果によりにより極座標におけるヤコビアンは、

 

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

 

 

となるので、今度は実際にこのヤコビアンを計算していきます。

ちなみにここではサラスによる計算法ではなく、行列式展開法というやり方でその計算過程を示します。

 

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換



 

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換


 

 

よって極座標における微小体積要素ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換は次のようになります。

ヤコビアン(関数行列式)による極座標変換

円柱座標

今度はデカルトから円柱座標へのヤコビアンを求めてみましょう。

 

円柱座標は、

円柱座標系

となるので、この円柱座標に対するヤコビアンの中の偏微分の式は、

デカルト座標から極座標へ


円柱座標系

それぞれの偏微分を計算していくと、

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算


円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算


円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算

代入していきます。

 

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算


 

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算

円柱座標系へのヤコビアン行列式の計算


 

よって円柱座標における微小体積要素微小体積要素dvは次のようになります。

 

円柱座標系の微小体積要素計算の結果

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