ベクトルの微分

問題

次の式を証明せよ。ただし$\phi$はスカラーとする。

(1) $\frac{\diff}{\diff t}(\phi\vec{A})=\frac{\diff\phi}{\diff t}\vec{A}+\phi\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}$

(2) $\frac{\diff}{\diff t}(\vec{A}\cdot\vec{B})=\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}\cdot\vec{B}+\vec{A}\cdot\frac{\diff\vec{B}}{\diff t}$

(3) $\frac{\diff}{\diff t}(\vec{A}\times\vec{B})=\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}\times\vec{B}+\vec{A}\times\frac{\diff\vec{B}}{\diff t}$


解答

$\vec{A}=(A_x,A_y,A_z)$, $\vec{B}=(B_x,B_y,B_z)$とすると、

(1)
\begin{align*}
\frac{\diff}{\diff t}(\phi\vec{A})&=\left(\frac{\diff}{\diff t}(\phi A_x),\frac{\diff}{\diff t}(\phi A_y),\frac{\diff}{\diff t}(\phi A_z)\right)\\
&=\left(\frac{\diff\phi}{\diff t}A_x+\phi\frac{\diff A_x}{\diff t},\frac{\diff\phi}{\diff t}A_y+\phi\frac{\diff A_y}{\diff t},\frac{\diff\phi}{\diff t}A_z+\phi\frac{\diff A_z}{\diff t}\right)\\
&=\frac{\diff\phi}{\diff t}\vec{A}+\phi\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}
\end{align*}

(2)
\begin{align*}
\frac{\diff}{\diff t}(\vec{A}\cdot\vec{B})&=\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_x+A_yB_y+A_zB_z)\\
&=\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_x)+\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_y)+\frac{\diff}{\diff t}(A_zB_z)\\
&=\frac{\diff A_x}{\diff t}B_x+A_x\frac{\diff B_x}{\diff t}+\frac{\diff A_y}{\diff t}B_y+A_y\frac{\diff B_y}{\diff t}+\frac{\diff A_z}{\diff t}B_z+A_z\frac{\diff B_z}{\diff t}\\
&=\frac{\diff A_x}{\diff t}B_x+\frac{\diff A_y}{\diff t}B_y+\frac{\diff A_z}{\diff t}B_z+A_x\frac{\diff B_x}{\diff t}+A_y\frac{\diff B_y}{\diff t}+A_z\frac{\diff B_z}{\diff t}\\
&=\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}\cdot\vec{B}+\vec{A}\cdot\frac{\diff\vec{B}}{\diff t}
\end{align*}

(3)
\begin{align*}
\frac{\diff}{\diff t}(\vec{A}\times\vec{B})&=\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_z-A_zB_y,A_zB_x-A_xB_z,A_xB_y-A_yB_x)\\
&=\left(\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_z-A_zB_y),\frac{\diff}{\diff t}(A_zB_x-A_xB_z),\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_y-A_yB_x)\right)\\
\end{align*}
それぞれの成分について計算すると、
\begin{align*}
\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_z-A_zB_y)&=\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_z)-\frac{\diff}{\diff t}(A_zB_y)\\
&=\frac{\diff A_y}{\diff t}B_z+A_y\frac{\diff B_z}{\diff t}-\left(\frac{\diff A_z}{\diff t}B_y+A_z\frac{\diff B_y}{\diff t}\right)\\
\frac{\diff}{\diff t}(A_zB_x-A_xB_z)&=\frac{\diff}{\diff t}(A_zB_x)-\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_z)\\
&=\frac{\diff A_z}{\diff t}B_x+A_z\frac{\diff B_x}{\diff t}-\left(\frac{\diff A_x}{\diff t}B_z+A_x\frac{\diff B_z}{\diff t}\right)\\
\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_y-A_yB_x)&=\frac{\diff}{\diff t}(A_xB_y)-\frac{\diff}{\diff t}(A_yB_x)\\
&=\frac{\diff A_x}{\diff t}B_y+A_x\frac{\diff B_y}{\diff t}-\left(\frac{\diff A_y}{\diff t}B_x+A_y\frac{\diff B_x}{\diff t}\right)
\end{align*}
となる。
従って
\begin{align*}
\frac{\diff}{\diff t}(\vec{A}\times\vec{B})&=\left(\frac{\diff A_y}{\diff t}B_z-A_z\frac{\diff B_y}{\diff t}+A_y\frac{\diff B_z}{\diff t}-\frac{\diff A_z}{\diff t}B_y, \\
\frac{\diff A_z}{\diff t}B_x-A_x\frac{\diff B_z}{\diff t}+A_z\frac{\diff B_x}{\diff t}-\frac{\diff A_x}{\diff t}B_z,\\\frac{\diff A_x}{\diff t}B_y-A_y\frac{\diff B_x}{\diff t}+A_x\frac{\diff B_y}{\diff t}-\frac{\diff A_y}{\diff t}B_x\right)\\
&=\frac{\diff\vec{A}}{\diff t}\times\vec{B}+\vec{A}\times\frac{\diff\vec{B}}{\diff t}
\end{align*}

となる。

ad

関連記事

ベクトルの内積

問題 3次元の直交座標系を考える。 ベクトルの成分を \begin{a

記事を読む

偏微分の状態方程式への利用

問題 理想気体の状態方程式は \begin{align*}

記事を読む

微分方程式~自由落下

問題 質量$m$の物体を自由落下させることを考える。 鉛直下向きを正の向きにとり高さ$z$を

記事を読む

円の面積変化を考える

問題 半径$r$の円がある。その半径を微笑量$\diff r$ $(\diff r\ll r)

記事を読む

微分の定義から導関数を求める

問題 ある関数$f(x)$の導関数$f'(x)$は \begin{align*}

記事を読む

球の変化率を考える

問題 風船に空気を入れ、膨らませる場合の変化について考える。 風船に毎秒$v_

記事を読む

ガンマ関数

問題 ガンマ関数$\Gamma (z)$は \begin{eqnarray*} \Gamm

記事を読む

偏微分の関係式の導出

問題 以下の関係式を導出せよ。 (1) $\displaystyle \left( \f

記事を読む

加法定理を図で示す

加法定理を図で示す  三角関数の重要公式である「加法定理」は$\sin$と$\cos$の組み合

記事を読む

ベクトルの外積

問題 3次元の直交座標系を考える。 ベクトルの成分を \begin{align*} \v

記事を読む

ad

Message

メールアドレスが公開されることはありません。

このサイトはスパムを低減するために Akismet を使っています。コメントデータの処理方法の詳細はこちらをご覧ください

ad

ガンマ関数

問題 ガンマ関数$\Gamma (z)$は \begin{eq

偏微分の関係式の導出

問題 以下の関係式を導出せよ。 (1) $\display

球の表面に一様に帯電した球が作る電場

問題 一様な面密度$\sigma$で球表面に帯電した半径$R$の

一様に帯電した球が作る電場

問題 一様な電荷密度$\rho$で帯電した半径$R$の球がある。

無限に長い直線に分布する電荷が作る電場

問題 単位長さあたりの電気量(線密度)が$\rho$である無限に

→もっと見る

PAGE TOP ↑