極座標 で表したラプラシアンの導出
極座標で表したラプラシアンは、
である。
証明
ラプラシアンの定義は、
である。
ここで $(x,y,z)$ はデカルト座標である。
この定義を出発点とし、
ラプラシアンの極座標系による表現を求める。
$f$ を極座標 $(r, \theta, \phi)$ の関数とする。
すなわち、
とする。
デカルト座標と極座標の間には、
の関係があり、これより 、
が成り立つ。
このように極座標はデカルト座標の関数であるので、
極座標の関数 $f$ は、
その極座標がデカルト座標の関数であるという合成関数である。
すなわち、
と表される合成関数である。
したがって、
合成関数の微分の連鎖率(チェーンルール)を用いると、
$f$ のデカルト座標による偏微分は、
と表される。
同様に、
ここで表された3つの微分もまた極座標の関数であり、
その極座標がデカルト座標の関数であるという合成関数である。
すなわち、
と表される合成関数である。
したがって、
再び合成関数の微分の連鎖率(チェーンルール)を用いると、
二階の偏微分が
と表される。
これらより、ラプラシアン $(1)$ は、
と表される。
この式に含まれる極座標のデカルト座標による偏微分は、
$(2)$ から
と求められる
(導出方法に関しては
ページ下部の補足を参考)。
これらを代入すると、
となるが、
偏微分を実行し、
式を整理することによって、
が得られる。
補足
上の議論で使った偏微分の計算を行う。
$(2)$ より、
であるので、
であることが分かる。
また、
$(2)$ より、
が示されるので、
と置き、
であることを用いると、
合成関数の微分により、
であることが分かる。
途中の計算で $\sin\theta \geq 0$ (なぜなら $0 \leq \theta \leq \pi$) であることを用いた。
同様の計算により、
が示される。
$\phi$ の微分については
$(2)$ より、
が示されるので、
逆三角関数の微分が
であることを用いると、
となる。