$u = u(x, y)$ で、$x = r \cos \theta$, $y = r \sin \theta$ とする。 (1) $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$ を $\frac{\partial u}{\partial x}$, $\frac{\partial u}{\partial y}$ で表す。 (2) $\frac{\partial u}{\partial x}$, $\frac{\partial u}{\partial y}$ を $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$ で表す。 (3) $(\frac{\partial u}{\partial x})^2 + (\frac{\partial u}{\partial y})^2$ と $\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}$ を $\frac{\partial u}{\partial r}$, $\frac{\partial u}{\partial \theta}$ で表す。

解析学偏微分連鎖律座標変換ラプラシアン
2025/7/10

1. 問題の内容

u=u(x,y)u = u(x, y) で、x=rcosθx = r \cos \theta, y=rsinθy = r \sin \theta とする。
(1) ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta}ux\frac{\partial u}{\partial x}, uy\frac{\partial u}{\partial y} で表す。
(2) ux\frac{\partial u}{\partial x}, uy\frac{\partial u}{\partial y}ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta} で表す。
(3) (ux)2+(uy)2(\frac{\partial u}{\partial x})^2 + (\frac{\partial u}{\partial y})^22ux2+2uy2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}ur\frac{\partial u}{\partial r}, uθ\frac{\partial u}{\partial \theta} で表す。

2. 解き方の手順

(1) 連鎖律より、
ur=uxxr+uyyr=uxcosθ+uysinθ\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial r} + \frac{\partial u}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial u}{\partial y} \sin \theta
uθ=uxxθ+uyyθ=ux(rsinθ)+uy(rcosθ)\frac{\partial u}{\partial \theta} = \frac{\partial u}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial \theta} + \frac{\partial u}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial \theta} = \frac{\partial u}{\partial x} (-r \sin \theta) + \frac{\partial u}{\partial y} (r \cos \theta)
(2) (1) より、
ur=cosθux+sinθuy\frac{\partial u}{\partial r} = \cos \theta \frac{\partial u}{\partial x} + \sin \theta \frac{\partial u}{\partial y}
uθ=rsinθux+rcosθuy\frac{\partial u}{\partial \theta} = -r \sin \theta \frac{\partial u}{\partial x} + r \cos \theta \frac{\partial u}{\partial y}
これらを ux\frac{\partial u}{\partial x}uy\frac{\partial u}{\partial y} について解く。
cosθux=ursinθuy\cos \theta \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial u}{\partial r} - \sin \theta \frac{\partial u}{\partial y}
rsinθux=uθ+rcosθuyr \sin \theta \frac{\partial u}{\partial x} = - \frac{\partial u}{\partial \theta} + r \cos \theta \frac{\partial u}{\partial y}
ux=cosθursinθruθ\frac{\partial u}{\partial x} = \cos \theta \frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta}
sinθuy=urcosθux\sin \theta \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial r} - \cos \theta \frac{\partial u}{\partial x}
rcosθuy=uθ+rsinθuxr \cos \theta \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial u}{\partial \theta} + r \sin \theta \frac{\partial u}{\partial x}
uy=sinθur+cosθruθ\frac{\partial u}{\partial y} = \sin \theta \frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta}
(3)
(ux)2+(uy)2=(cosθursinθruθ)2+(sinθur+cosθruθ)2(\frac{\partial u}{\partial x})^2 + (\frac{\partial u}{\partial y})^2 = (\cos \theta \frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta})^2 + (\sin \theta \frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta})^2
=cos2θ(ur)22cosθsinθ1ruruθ+sin2θr2(uθ)2+sin2θ(ur)2+2sinθcosθ1ruruθ+cos2θr2(uθ)2= \cos^2 \theta (\frac{\partial u}{\partial r})^2 - 2 \cos \theta \sin \theta \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial u}{\partial \theta} + \frac{\sin^2 \theta}{r^2} (\frac{\partial u}{\partial \theta})^2 + \sin^2 \theta (\frac{\partial u}{\partial r})^2 + 2 \sin \theta \cos \theta \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r} \frac{\partial u}{\partial \theta} + \frac{\cos^2 \theta}{r^2} (\frac{\partial u}{\partial \theta})^2
=(cos2θ+sin2θ)(ur)2+(sin2θr2+cos2θr2)(uθ)2= (\cos^2 \theta + \sin^2 \theta) (\frac{\partial u}{\partial r})^2 + (\frac{\sin^2 \theta}{r^2} + \frac{\cos^2 \theta}{r^2}) (\frac{\partial u}{\partial \theta})^2
=(ur)2+1r2(uθ)2= (\frac{\partial u}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2} (\frac{\partial u}{\partial \theta})^2
2ux2+2uy2=2ur2+1rur+1r22uθ2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}
ただし、この導出は複雑であり、ここでは省略する。

3. 最終的な答え

(1)
ur=uxcosθ+uysinθ\frac{\partial u}{\partial r} = \frac{\partial u}{\partial x} \cos \theta + \frac{\partial u}{\partial y} \sin \theta
uθ=rsinθux+rcosθuy\frac{\partial u}{\partial \theta} = -r \sin \theta \frac{\partial u}{\partial x} + r \cos \theta \frac{\partial u}{\partial y}
(2)
ux=cosθursinθruθ\frac{\partial u}{\partial x} = \cos \theta \frac{\partial u}{\partial r} - \frac{\sin \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta}
uy=sinθur+cosθruθ\frac{\partial u}{\partial y} = \sin \theta \frac{\partial u}{\partial r} + \frac{\cos \theta}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta}
(3)
(ux)2+(uy)2=(ur)2+1r2(uθ)2(\frac{\partial u}{\partial x})^2 + (\frac{\partial u}{\partial y})^2 = (\frac{\partial u}{\partial r})^2 + \frac{1}{r^2} (\frac{\partial u}{\partial \theta})^2
2ux2+2uy2=2ur2+1rur+1r22uθ2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} = \frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial r} + \frac{1}{r^2} \frac{\partial^2 u}{\partial \theta^2}

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