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ベクトル解析かいせき入口いりぐち

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1導入どうにゅう

この講義こうぎ中心ちゅうしん発想はっそうは、ベクトル解析かいせきでは、すうかえ関数かんすうとベクトルをかえ関数かんすう区別くべつし、その変化へんかるために勾配こうばい発散はっさん回転かいてんという 3 つの道具どうぐ使つかうことである。

多変数たへんすう関数かんすうまなんだあとで混乱こんらんしやすいのは、「偏微分へんびぶん計算けいさんできるが、それがなにているのか」がえにくいことである。ここでは、変化へんか言葉ことばとして勾配こうばい発散はっさん回転かいてん整理せいりする。

2用語ようご定義ていぎ

UR3開集合かいしゅうごうとする。

スカラーScalar field とは、各点かくてんに 1 つのすう対応たいおうさせる関数かんすう f:UR である。

ベクトルVector field とは、各点かくてんに 1 つのベクトルを対応たいおうさせる関数かんすう F:UR3 である。

右手系みぎてけいの Cartesian 直交座標ちょっこうざひょう

=(x,y,z)

く。 は「ナブラ」と微分演算子びぶんえんざんしである。

勾配こうばいGradient とは、スカラー fたいして

f=(fx,fy,fz)

定義ていぎされるベクトルである。

3方針ほうしん

まず、なぜ偏微分へんびぶんならべたものが勾配こうばいになるのかをる。そのあと、ベクトルひろがり具合ぐあい発散はっさんまわ傾向けいこう回転かいてんとして理由りゆう整理せいりする。

data/lecture/math/calculus/partial-derivatives-and-multiple-integrals.lecture.n.md data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

たとえば温度おんど分布ぶんぷ f(x,y,z)かんがえると、一番いちばんきゅう温度おんどがるきと、そのかたおおきさをまとめたものが勾配こうばいである。

また、流体りゅうたい速度場そくどばかんがえると、そのてんちかくでしているかんでいるかを発散はっさんが、うずのようにまわろうとしているかを回転かいてんあらわする。

5厳密げんみつ説明せつめい

5.11. なぜ勾配こうばいはこの定義ていぎ

r0U とする。fr0全微分可能ぜんびぶんかのうdifferentiableであるとは、ある線型写像せんけいうつし L:R3R があり、

f(r0+h)=f(r0)+L(h)+o(h)(h0)

となることである。o(h) は、hると 0 へ収束しゅうそくする誤差ごさあらわす。Euclidean 内積ないせきでは L をただ 1 つのベクトルとの内積ないせきあらわせる。f全微分可能ぜんびぶんかのうなら、そのベクトルの成分せいぶんf偏導関数へんどうかんすうであり、勾配こうばい f(r0) となる。とくに偏導関数へんどうかんすうU連続れんぞく、すなわち fC1(U) なら全微分可能ぜんびぶんかのうであり、

L(h)=f(r0)·h

となる。したがって

f(r0+h)=f(r0)+f(r0)·h+o(h)

である。偏微分へんびぶん各点かくてん存在そんざいするだけでは、この一次近似いちじきんじ保証ほしょうされない。

単位たんいベクトル u沿方向微分ほうこうびぶんdirectional derivative

Duf(r0):=limh0f(r0+hu)-f(r0)h

定義ていぎする。うえ全微分ぜんびぶんしきh=hu代入だいにゅうして hれば、

Duf(r0)=f(r0)·u

る。Cauchy--Schwarz 不等式ふとうしきより

|Duf(r0)|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]f(r0)

である。f(r0)0 なら、最大値さいだいち f(r0)u=f/f のときにたっする。f(r0)=0 なら、すべての方向ほうこうの 1 階方向微分かいほうこうびぶんが 0 で、最急方向さいきゅうほうこうは 1 つにさだまらない。

5.22. 発散はっさん

F=(P,Q,R)C1(U,R3)たいして

·F=Px+Qy+Rz

発散はっさんぶ。これは、各方向かくほうこう成分せいぶんがその方向ほうこうにどれだけえているかをわせたもので、局所的きょくしょてきしやみをはかる。

このしき自然しぜんなのは、ちいさい直方体ちょくほうたいから流束りゅうそくかんがえるとえる。x 方向ほうこうだけると、左右さゆうめんから流量りゅうりょうは 1 近似きんじ

PxΔxΔyΔz

である。これを y,z 方向ほうこうでも同様どうようわせると、

(Px+Qy+Rz)ΔV

となる。より正確せいかくには、r0ちぢちいさな直方体ちょくほうたい V について

NetFlux(V)=(·F)(r0)Vol(V)+o(Vol(V))

である。したがって発散はっさんは、単位体積たんいたいせきあたりの正味しょうみ流出量りゅうしゅつりょう極限きょくげんである。

後続こうぞく面積分めんせきぶん使つかえば、この意味いみはより正確せいかくける。Bε(r0)中心ちゅうしん r0半径はんけい εきゅうとし、n をその境界きょうかい外向そとむ単位法線たんいほうせんとすると、

(·F)(r0)=limε01Vol(Bε)BεF·ndS

ける。ここでは幾何的意味きかてきいみ予告よこくとしてしめし、積分せきぶん定義ていぎつぎ講義こうぎおこなう。

5.33. 回転かいてん

おなC1 ベクトル F=(P,Q,R)たいして

×F=(Ry-Qz,Pz-Rx,Qx-Py)

回転かいてんぶ。これはちかくでどれだけまわろうとしているかをあらわりょうである。

たとえば xy 平面へいめんF=(P,Q,0)かんがえると、ちいさい長方形ちょうほうけいまわりの循環じゅんかんは 1 近似きんじ

(Qx-Py)ΔxΔy

になる。より正確せいかくには、この循環じゅんかん

(Qx-Py)ΔA+o(ΔA)

である。3 次元じげんではこれを各方向かくほうこう拡張かくちょうしたものが ×F である。

単位たんいベクトル n垂直すいちょくで、中心ちゅうしん r0半径はんけい ε円板えんばんDε(r0,n) とする。その境界きょうかいnたいする右手則みぎてそくきにまわると、

n·(×F)(r0)=limε01Area(Dε)DεF·dr

となる。つまり回転かいてん角速度かくそくどそのものではなく、きごとの単位面積たんいめんせきあたりの局所循環きょくしょじゅんかんをまとめたベクトルである。この線積分せんせきぶん後続講義こうぞくこうぎ定義ていぎする。

6どこまで成立せいりつするか

ここでは 3 次元じげん右手系みぎてけい Cartesian 直交座標ちょっこうざひょうC1前提ぜんていにした。直交回転ちょっこうかいてん座標ざひょうえても勾配こうばい発散はっさん回転かいてんという幾何量きかりょうおなじだが、円柱座標えんちゅうざひょう球座標きゅうざひょうでは基底きてい尺度しゃくど場所ばしょによりわるため、成分公式せいぶんこうしきわる。また、回転かいてんをベクトルとしてあらわすには空間くうかんきを固定こていする必要ひつようがある。

7見分みわかた

  • 温度おんど電位でんいのように 1 つのすうあたえられているなら、まずスカラーとして勾配こうばいかんがえる。
  • 流速りゅうそく力場りきばのようにきとおおきさがあるなら、ベクトルとして発散はっさん回転かいてんうたがう。
  • 各点かくてんで「そとひろがるか」「まわるか」を問題もんだいは、ベクトル解析かいせき言葉ことば整理せいりできる。

8最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]f(r0+h)=f(r0)+f(r0)·h+o(h)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Duf(r0)=f(r0)·u
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]·F=Px+Qy+Rz
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]×F=(Ry-Qz,Pz-Rx,Qx-Py)

これらは f,FC1 という共通条件きょうつうじょうけんもともちいる。

9一言ひとことでいうと

  • ベクトル解析かいせきは、多変数たへんすう微分びぶんして、その変化へんか意味いみむための言葉ことばである。

10関連かんれんリンク

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