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원통좌표계, 구면좌표계에서의 라플라스 방정식 유도



직각좌표계(R3)에서의 라플라스 방정식은 2ux2+2uy2+2uz2=0이다. 

라플라스 방정식을 각각 원통좌표계와 구면좌표계에 대해서 나타내면 

원통좌표계: 2ur2+1rur+1r22uθ2+2uz2=0

구면좌표계: 2uρ2+2ρuρ+cotϕρ2uϕ+1ρ22uϕ2+1ρ2sin2ϕ2uθ2=0

이다. 편미분에서의 연쇄법칙을 이용하여 위 식들을 유도할 수 있다.


원통좌표계에 대한 라플라스 방정식 유도:

x=rcosθ, y=rsinθ, z=z(r0,0θ2π)이고

ur=uxxr+uyyr=cosθux+sinθuy2ur2=r(cosθux+sinθuy)=cosθr(ux)+sinθr(uy)r(ux)=x(ux)xr+y(ux)yr=cosθ2ux2+sinθ2uxyr(uy)=x(uy)xr+y(uy)yr=cosθ2uxy+sinθ2uy2이므로 2ur2=cos2θ2ux2+2sinθcosθ2uxy+sin2θ2u2y이다. 


같은 방법으로

uθ=uxxθ+uyyθ=rsinθux+rcosθuy2uθ2=θ(rsinθux+rcosθuy)=rcosθuxrsinθuyrsinθθ(ux)+rcosθθ(uy)θ(ux)=x(ux)xθ+y(ux)yθ=rsinθ2ux2+rcosθ2uxyθ(uy)=x(uy)xθ+y(uy)xθ+y(uy)yθ=rsinθ2uxy+rcosθ2uy2이므로2uθ2=rcosθuxrsinθuy+r2sin2θ2ux22rsinθcosθ2uxy+r2cos2θ2uy2=rur+r2sin2θ2ux22r2sinθcosθ2uxy+r2cos2θ2uy2이고 1rur+1r22uθ2=sin2θ2ux22sinθcosθ2uxy+cos2θ2uy2이다. 따라서

2ur2+1rur+1r22uθ2+2uz2=(cos2θ+sin2θ)2ux2+(sin2θ+cos2θ)2uy2+2u2z=2ux2+2u2y+2uz2=0이다. 

이렇게 원통좌표계에서의 라플라스 방정식을 유도했다.


구면좌표계에 대한 라플라스 방정식 유도:

x=ρsinϕcosθ, y=ρsinϕsinθ, z=ρcosϕ(ρ0,0ϕπ,0θ2π)이고

uρ=uxxρ+uyyρ+uzzρ=sinϕcosθux+sinϕsinθuy+cosϕuz2uρ2=sinϕcosθρ(ux)+sinϕsinθϕ(uy)+cosϕρ(uz)ρ(ux)=x(ux)xρ+y(ux)yρ+z(ux)zρ=sinϕcosθ2ux2+sinϕsinθ2uxy+cosϕ2uyzρ(uy)=x(uy)xρ+y(uy)yρ+z(uy)zρ=sinϕcosθ2uxy+sinϕsinθ2uy2+cosϕ2uyzρ(uz)=x(uz)xρ+y(uz)yρ+z(uz)zρ=sinϕcosθ2uxy+sinϕsinθ2uyz+cosϕ2uz2이므로

2uρ2=sinϕcosθ(sinϕcosθ2ux2+sinϕsinθ2uxy+cosϕ2uzx)+sinϕsinθ(sinϕcosθ2uxy+sinϕsinθ2uy2+cosϕ2uyz)+cosϕ(sinϕcosθ2uxz+sinϕsinθ2uyz+cosϕ2uz2)=sin2ϕcos2θ2ux2+sin2ϕsin2θ2uy2+cos2ϕ2uz2+2sin2ϕsinθcosθ2uxy+2sinϕcosϕsinθ2uyz+2sinϕcosϕcosθ2uzx이다.

uϕ=uxxϕ+uyyϕ+uzzϕ=ρcosϕcosθux+ρcosϕsinθuyρsinϕuz2uϕ2=ρsinϕcosθux+ρsinϕsinθuyρcosϕuz+ρcosϕcosθϕ(ux)+ρcosϕsinθϕ(uy)ρsinϕϕ(uz)ϕ(ux)=x(ux)xϕ+y(ux)yϕ+z(ux)zϕ=ρcosϕcosθ2ux2+ρcosϕsinθ2uxyρsinϕ2uxzϕ(uy)=x(uy)yϕ+y(uy)yϕ+z(uy)zϕ=ρcosϕcosθ2uxy+ρcosϕsinθ2uy2ρsinϕ2uyzϕ(uz)=x(uz)xϕ+y(uz)yϕ+z(uz)zϕ=ρcosϕcosθ2uxz+ρcosϕsinθ2uyzρsinϕ2uz2이므로

2uϕ2=ρsinϕcosθuxρsinϕsinθuyρcosϕuz+ρcosϕcosθ(ρcosϕcosθ2ux2+ρcosϕsinθ2uxyρsinϕ2uxz)+ρcosϕsinθ(ρcosϕcosθ2uxy+ρcosϕsinθ2uy2ρsinϕ2uyz)ρsinϕ(ρcosϕ2uxz+ρcosϕsinθ2uyzρsinϕ2uz2)=(ρsinϕcosθux+ρsinϕsinθuy+ρcosϕuz)+ρ2cos2ϕcos2θ2ux2+ρ2cos2ϕsin2θ2uy2+ρ2sin2ϕ2uz2+2ρ2cos2ϕsinθcosθ2uxy2ρ2sinϕcosϕsinθ2uyz2ρ2sinϕcosϕcosθ2uxz이다.

uθ=uxxθ+uyyθ+uzzθ=ρsinϕsinθux+ρsinϕcosθuy2uθ2=ρsinϕcosθuxρsinϕsinθuyρsinϕsinθθ(ux)+ρsinϕcosθθ(uy)θ(ux)=x(ux)xθ+y(ux)yθ+z(ux)zθ=ρsinϕsinθ2ux2+ρsinϕcosθ2uxyθ(uy)=x(uy)xθ+y(uy)yθ+z(uy)zθ=ρsinϕsinθ2uxy+ρsinϕcosθ2uy2이므로

2uθ2=ρsinϕcosθuyρsinϕcosθuyρsinϕsinθ(ρsinϕsinθ2ux2+ρsinϕcosθ2uxy)+ρsinϕcosθ(ρsinϕsinθ2uxy+ρsinϕcosθ2uy2)=ρsinϕcosθuxρsinϕsinθuy+ρ2sin2ϕsin2θ2ux2+ρ2sin2ϕcos2θ2uy22ρ2sin2ϕsinθcosθ2uxy이다. 식들을 종합하면

2uρ2=sin2ϕcos2θ2ux2+sin2ϕsin2θ2uy2+cos2ϕ2uz2+2sin2ϕsinθcosθ2uxy+2sinϕcosϕsinθ2uyz+2sinϕcosϕcosθ2uxz2ρuρ=2sinϕcosθρux+2sinϕsinθρuy+2cosϕρuzcotϕρ2uϕ2=cos2ϕcosθρsinϕux+cos2ϕsinθρsinϕuycosϕρuz1ρ22uϕ2=sinϕcosθρuxsinϕsinθρuycosϕρuz+cos2ϕcos2θ2ux2+cos2ϕsin2θ2uy2+sin2ϕ2uz2+2cos2ϕsinθcosθ2uxy2sinϕcosϕsinθ2uyz2sinϕcosϕcosθ2uxz1ρ2sin2ϕ2uθ2=cosθρsinϕuxsinθρsinϕuy+sin2θ2ux2+cos2θ2uy22sinθcosθ2uxy이고 이때2sinϕcosθρ+cos2ϕcosθρsinϕsinϕcosθρcosθρsinϕ=sinϕcosθρ(1cos2ϕ)cosθρsinϕ=sinϕcosθρsinϕcosθρ=02sinϕsinθρ+cos2ϕsinθρsinϕsinϕsinθρsinθρsinϕ=sinϕsinθρ(1cos2ϕ)sinθρsinϕ=sinϕsinθρsinϕsinθρ=0이므로 따라서 2uρ2+2ρuρ+cotϕρ2uϕ+1ρ22uθ2+1ρ2sin2ϕ2uθ2=0이 성립한다.  

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Posted by skywalker222