与えられたベクトル場 $A$ と $B$ に対して、以下の2つの等式を証明する。 (1) $\text{div} (A \times B) = B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B$ (2) $\text{rot} \ \text{rot} A = \text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A$

応用数学ベクトル解析ベクトル場divrotgradラプラシアン
2025/7/22

1. 問題の内容

与えられたベクトル場 AABB に対して、以下の2つの等式を証明する。
(1) div(A×B)=BrotAArotB\text{div} (A \times B) = B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B
(2) rot rotA=grad divA2A\text{rot} \ \text{rot} A = \text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A

2. 解き方の手順

(1) div(A×B)=BrotAArotB\text{div} (A \times B) = B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B の証明
A=Axi+Ayj+AzkA = A_x i + A_y j + A_z kB=Bxi+Byj+BzkB = B_x i + B_y j + B_z k とする。
まず、A×BA \times B を計算する。
A×B=(AyBzAzBy)i+(AzBxAxBz)j+(AxByAyBx)kA \times B = (A_y B_z - A_z B_y) i + (A_z B_x - A_x B_z) j + (A_x B_y - A_y B_x) k
次に、div(A×B)\text{div} (A \times B) を計算する。
div(A×B)=x(AyBzAzBy)+y(AzBxAxBz)+z(AxByAyBx)\text{div} (A \times B) = \frac{\partial}{\partial x} (A_y B_z - A_z B_y) + \frac{\partial}{\partial y} (A_z B_x - A_x B_z) + \frac{\partial}{\partial z} (A_x B_y - A_y B_x)
上記の式を展開する。
div(A×B)=AyxBz+AyBzxAzxByAzByx+AzyBx+AzBxyAxyBzAxBzy+AxzBy+AxByzAyzBxAyBxz\text{div} (A \times B) = \frac{\partial A_y}{\partial x} B_z + A_y \frac{\partial B_z}{\partial x} - \frac{\partial A_z}{\partial x} B_y - A_z \frac{\partial B_y}{\partial x} + \frac{\partial A_z}{\partial y} B_x + A_z \frac{\partial B_x}{\partial y} - \frac{\partial A_x}{\partial y} B_z - A_x \frac{\partial B_z}{\partial y} + \frac{\partial A_x}{\partial z} B_y + A_x \frac{\partial B_y}{\partial z} - \frac{\partial A_y}{\partial z} B_x - A_y \frac{\partial B_x}{\partial z}
次に、BrotAArotBB \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B を計算する。
rotA=(AzyAyz)i+(AxzAzx)j+(AyxAxy)k\text{rot} A = (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z}) i + (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x}) j + (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y}) k
rotB=(BzyByz)i+(BxzBzx)j+(ByxBxy)k\text{rot} B = (\frac{\partial B_z}{\partial y} - \frac{\partial B_y}{\partial z}) i + (\frac{\partial B_x}{\partial z} - \frac{\partial B_z}{\partial x}) j + (\frac{\partial B_y}{\partial x} - \frac{\partial B_x}{\partial y}) k
BrotA=Bx(AzyAyz)+By(AxzAzx)+Bz(AyxAxy)B \cdot \text{rot} A = B_x (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z}) + B_y (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x}) + B_z (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y})
ArotB=Ax(BzyByz)+Ay(BxzBzx)+Az(ByxBxy)A \cdot \text{rot} B = A_x (\frac{\partial B_z}{\partial y} - \frac{\partial B_y}{\partial z}) + A_y (\frac{\partial B_x}{\partial z} - \frac{\partial B_z}{\partial x}) + A_z (\frac{\partial B_y}{\partial x} - \frac{\partial B_x}{\partial y})
BrotAArotB=Bx(AzyAyz)+By(AxzAzx)+Bz(AyxAxy)Ax(BzyByz)Ay(BxzBzx)Az(ByxBxy)B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B = B_x (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z}) + B_y (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x}) + B_z (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y}) - A_x (\frac{\partial B_z}{\partial y} - \frac{\partial B_y}{\partial z}) - A_y (\frac{\partial B_x}{\partial z} - \frac{\partial B_z}{\partial x}) - A_z (\frac{\partial B_y}{\partial x} - \frac{\partial B_x}{\partial y})
上記の式を展開し整理すると、div(A×B)\text{div} (A \times B) と等しくなる。したがって、div(A×B)=BrotAArotB\text{div} (A \times B) = B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B が証明された。
(2) rot rotA=grad divA2A\text{rot} \ \text{rot} A = \text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A の証明
rotA=(AzyAyz)i+(AxzAzx)j+(AyxAxy)k\text{rot} A = (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z}) i + (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x}) j + (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y}) k
rot rotA=ijkxyzAzyAyzAxzAzxAyxAxy\text{rot} \ \text{rot} A = \begin{vmatrix} i & j & k \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ \frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z} & \frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x} & \frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y} \end{vmatrix}
rot rotA=[y(AyxAxy)z(AxzAzx)]i+[z(AzyAyz)x(AyxAxy)]j+[x(AxzAzx)y(AzyAyz)]k\text{rot} \ \text{rot} A = [\frac{\partial}{\partial y} (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y}) - \frac{\partial}{\partial z} (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x})] i + [\frac{\partial}{\partial z} (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z}) - \frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y})] j + [\frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial A_x}{\partial z} - \frac{\partial A_z}{\partial x}) - \frac{\partial}{\partial y} (\frac{\partial A_z}{\partial y} - \frac{\partial A_y}{\partial z})] k
rot rotA=(2Ayyx2Axy22Axz2+2Azzx)i+(2Azzy2Ayz22Ayx2+2Axxy)j+(2Axxz2Azx22Azy2+2Ayyz)k\text{rot} \ \text{rot} A = (\frac{\partial^2 A_y}{\partial y \partial x} - \frac{\partial^2 A_x}{\partial y^2} - \frac{\partial^2 A_x}{\partial z^2} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial z \partial x}) i + (\frac{\partial^2 A_z}{\partial z \partial y} - \frac{\partial^2 A_y}{\partial z^2} - \frac{\partial^2 A_y}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 A_x}{\partial x \partial y}) j + (\frac{\partial^2 A_x}{\partial x \partial z} - \frac{\partial^2 A_z}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 A_z}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial y \partial z}) k
divA=Axx+Ayy+Azz\text{div} A = \frac{\partial A_x}{\partial x} + \frac{\partial A_y}{\partial y} + \frac{\partial A_z}{\partial z}
grad divA=(x(Axx+Ayy+Azz))i+(y(Axx+Ayy+Azz))j+(z(Axx+Ayy+Azz))k\text{grad} \ \text{div} A = (\frac{\partial}{\partial x} (\frac{\partial A_x}{\partial x} + \frac{\partial A_y}{\partial y} + \frac{\partial A_z}{\partial z})) i + (\frac{\partial}{\partial y} (\frac{\partial A_x}{\partial x} + \frac{\partial A_y}{\partial y} + \frac{\partial A_z}{\partial z})) j + (\frac{\partial}{\partial z} (\frac{\partial A_x}{\partial x} + \frac{\partial A_y}{\partial y} + \frac{\partial A_z}{\partial z})) k
grad divA=(2Axx2+2Ayxy+2Azxz)i+(2Axyx+2Ayy2+2Azyz)j+(2Axzx+2Ayzy+2Azz2)k\text{grad} \ \text{div} A = (\frac{\partial^2 A_x}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial x \partial y} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial x \partial z}) i + (\frac{\partial^2 A_x}{\partial y \partial x} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial y \partial z}) j + (\frac{\partial^2 A_x}{\partial z \partial x} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial z \partial y} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial z^2}) k
2A=(2Axx2+2Axy2+2Axz2)i+(2Ayx2+2Ayy2+2Ayz2)j+(2Azx2+2Azy2+2Azz2)k\nabla^2 A = (\frac{\partial^2 A_x}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 A_x}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 A_x}{\partial z^2}) i + (\frac{\partial^2 A_y}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial z^2}) j + (\frac{\partial^2 A_z}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial z^2}) k
grad divA2A=(2Ayxy+2Azxz2Axy22Axz2)i+(2Axyx+2Azyz2Ayx22Ayz2)j+(2Axzx+2Ayzy2Azx22Azy2)k\text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A = (\frac{\partial^2 A_y}{\partial x \partial y} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial x \partial z} - \frac{\partial^2 A_x}{\partial y^2} - \frac{\partial^2 A_x}{\partial z^2}) i + (\frac{\partial^2 A_x}{\partial y \partial x} + \frac{\partial^2 A_z}{\partial y \partial z} - \frac{\partial^2 A_y}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 A_y}{\partial z^2}) j + (\frac{\partial^2 A_x}{\partial z \partial x} + \frac{\partial^2 A_y}{\partial z \partial y} - \frac{\partial^2 A_z}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 A_z}{\partial y^2}) k
上記の式は rot rotA\text{rot} \ \text{rot} A と等しい。
したがって、rot rotA=grad divA2A\text{rot} \ \text{rot} A = \text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A が証明された。

3. 最終的な答え

(1) div(A×B)=BrotAArotB\text{div} (A \times B) = B \cdot \text{rot} A - A \cdot \text{rot} B
(2) rot rotA=grad divA2A\text{rot} \ \text{rot} A = \text{grad} \ \text{div} A - \nabla^2 A

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