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微小面積要素の計算

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初めに(20210619)

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関数行列式(ヤコビアン)

ある座標系(q1, q2)を他の座標系(Q1, Q2)へ変えるとき、

ヤコビアン(関数行列式)

 

という式が成り立ちます。

 

このときのヤコビアン(関数行列式)をヤコビアン(関数行列式)と呼び、次のように表せるものになります。

ヤコビアン(関数行列式)

 

実際にデカルトから極座標への変換をこのヤコビアン(関数行列式)をつかって求めてみましょう。

 

まず、デカルト座標においてr, thetaを表すと、

x,yにおける平面極座標

 

このx,yの式をそれぞれr, thetaによって偏微分していきます。

 

デカルト座標の極座標による偏微分

 

(x, y)座標系から(r, theta)へ移行するヤコビアンは、

 

 

平面極座標におけるヤコビアンの計算

 

これにそれぞれを代入してこの行列式を計算していきます。

 

ヤコビ行列式による極座標変換

 

ヤコビ行列式による極座標変換

ヤコビ行列式による極座標変換

ヤコビ行列式による極座標変換


 

※)20220727訂正。右辺第2式の行列式2行2列のrcosθがcosθになっていました。訂正しお詫び申し上げます。

 

上記の計算結果を入れれば、

 

ヤコビ行列式による極座標変換

 

 

ヤコビ行列式による極座標変換

 

 

 

よってデカルト座標のヤコビ行列式による極座標変換は、ヤコビアンによる平面極座標変換によって以下のように求まります。

 

平面極座標変換による微小体積要素

微小体積要素の移動ルート

一般的な座標微小体積移動ルートへの移動を考えてみましょう。

 


この移動ルートには3の階乗 通りがあります。

 

 

一般的な微小体積要素の移動ルート

 

 

 

微小堆積要素微小体積要素dvは、すべてのルートで囲まれた部分の体積

(最低次の近似)

 

デカルト座標系

上記のルート表にデカルト座標系を当てはめていけば次のようになります。

 

 

デカルト座標微小移動ルート

 

デカルト座標微小移動ルート

 

極座標系

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極座標微小移動ルート

 

 

極座標微小移動ルート

円柱座標系

円柱座標系

 

 

円柱座標微小移動ルート

 

円柱座標微小移動ルート

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