(1) $\nabla h = \text{grad } h$ (2) $\nabla \cdot (\nabla h) = \text{div grad } h$ (3) $\nabla \times (\nabla h) = \text{rot grad } h$ (4) $\nabla \cdot \mathbf{F} = \text{div } \mathbf{F}$ (5) $\nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) = \text{grad div } \mathbf{F}$ (6) $\nabla \times \mathbf{F} = \text{rot } \mathbf{F}$ (7) $\nabla^2 \mathbf{F} = (\nabla \cdot \nabla) \mathbf{F}$ (8) $\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{div rot } \mathbf{F}$ (9) $\nabla \times (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{rot rot } \mathbf{F}$ (10) $\nabla \cdot (h\mathbf{F}) = \text{div } (h\mathbf{F})$

応用数学ベクトル解析勾配発散回転ラプラシアン
2025/7/26
## 問題の解答
以下に、与えられた問題の解答を示します。
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1. 問題の内容

1. ベクトル関数 $\mathbf{F}(x,y,z) = (3y+2z)^2 \mathbf{j}$ とスカラー関数 $h(x,y,z) = (3y+2z)^2$ について、以下の演算を行う。

(1) h=grad h\nabla h = \text{grad } h
(2) (h)=div grad h\nabla \cdot (\nabla h) = \text{div grad } h
(3) ×(h)=rot grad h\nabla \times (\nabla h) = \text{rot grad } h
(4) F=div F\nabla \cdot \mathbf{F} = \text{div } \mathbf{F}
(5) (F)=grad div F\nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) = \text{grad div } \mathbf{F}
(6) ×F=rot F\nabla \times \mathbf{F} = \text{rot } \mathbf{F}
(7) 2F=()F\nabla^2 \mathbf{F} = (\nabla \cdot \nabla) \mathbf{F}
(8) (×F)=div rot F\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{div rot } \mathbf{F}
(9) ×(×F)=rot rot F\nabla \times (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{rot rot } \mathbf{F}
(10) (hF)=div (hF)\nabla \cdot (h\mathbf{F}) = \text{div } (h\mathbf{F})

2. ベクトル関数 $\mathbf{A}(x,y,z) = y\mathbf{j} + z\mathbf{k}$ と $\mathbf{B}(x,y,z) = (2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}$ について、以下の演算を行う。

(1) (AB)=grad (AB)\nabla (\mathbf{A} \cdot \mathbf{B}) = \text{grad } (\mathbf{A} \cdot \mathbf{B})
(2) (A×B)=div (A×B)\nabla \cdot (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \text{div } (\mathbf{A} \times \mathbf{B})
(3) ×(A×B)=rot (A×B)\nabla \times (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \text{rot } (\mathbf{A} \times \mathbf{B})
(4) (A)B(\mathbf{A} \cdot \nabla) \mathbf{B}
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2. 解き方の手順

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1. ベクトル関数 $\mathbf{F}$ とスカラー関数 $h$ の計算

(1) h=grad h=(hx,hy,hz)=(0,2(3y+2z)3,2(3y+2z)2)=(0,6(3y+2z),4(3y+2z))\nabla h = \text{grad } h = \left(\frac{\partial h}{\partial x}, \frac{\partial h}{\partial y}, \frac{\partial h}{\partial z}\right) = (0, 2(3y+2z) \cdot 3, 2(3y+2z) \cdot 2) = (0, 6(3y+2z), 4(3y+2z))
(2) (h)=div grad h=x(0)+y(6(3y+2z))+z(4(3y+2z))=0+63+42=18+8=26\nabla \cdot (\nabla h) = \text{div grad } h = \frac{\partial}{\partial x}(0) + \frac{\partial}{\partial y}(6(3y+2z)) + \frac{\partial}{\partial z}(4(3y+2z)) = 0 + 6 \cdot 3 + 4 \cdot 2 = 18 + 8 = 26
(3) ×(h)=rot grad h=(0,0,0)\nabla \times (\nabla h) = \text{rot grad } h = (0, 0, 0) (任意のスカラ関数の勾配の回転はゼロ)
(4) F=div F=x(0)+y((3y+2z)2)+z(0)=2(3y+2z)3=6(3y+2z)\nabla \cdot \mathbf{F} = \text{div } \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(0) + \frac{\partial}{\partial y}((3y+2z)^2) + \frac{\partial}{\partial z}(0) = 2(3y+2z) \cdot 3 = 6(3y+2z)
(5) (F)=grad div F=(x,y,z)(6(3y+2z))=(0,63,62)=(0,18,12)\nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) = \text{grad div } \mathbf{F} = \left(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z}\right) (6(3y+2z)) = (0, 6 \cdot 3, 6 \cdot 2) = (0, 18, 12)
(6) ×F=rot F=(y(0)z((3y+2z)2),z(0)x(0),x((3y+2z)2)y(0))=(2(3y+2z)2,0,0)=(4(3y+2z),0,0)\nabla \times \mathbf{F} = \text{rot } \mathbf{F} = \left(\frac{\partial}{\partial y}(0) - \frac{\partial}{\partial z}((3y+2z)^2), \frac{\partial}{\partial z}(0) - \frac{\partial}{\partial x}(0), \frac{\partial}{\partial x}((3y+2z)^2) - \frac{\partial}{\partial y}(0) \right) = (-2(3y+2z) \cdot 2, 0, 0) = (-4(3y+2z), 0, 0)
(7) 2F=()F=(0,2x2(0)+2y2((3y+2z)2)+2z2(0),0)=(0,y(6(3y+2z)),0)=(0,18,0)\nabla^2 \mathbf{F} = (\nabla \cdot \nabla) \mathbf{F} = \left(0, \frac{\partial^2}{\partial x^2}(0) + \frac{\partial^2}{\partial y^2}((3y+2z)^2) + \frac{\partial^2}{\partial z^2}(0), 0\right) = \left(0, \frac{\partial}{\partial y}(6(3y+2z)), 0 \right) = (0, 18, 0)
(8) (×F)=div rot F=x(4(3y+2z))+y(0)+z(0)=0+0+0=0\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{div rot } \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(-4(3y+2z)) + \frac{\partial}{\partial y}(0) + \frac{\partial}{\partial z}(0) = 0 + 0 + 0 = 0 (回転の発散は常にゼロ)
(9) ×(×F)=rot rot F=(F)2F\nabla \times (\nabla \times \mathbf{F}) = \text{rot rot } \mathbf{F} = \nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) - \nabla^2 \mathbf{F}
(F)=(0,18,12)\nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) = (0, 18, 12)
2F=(0,18,0)\nabla^2 \mathbf{F} = (0,18,0)
よって、×(×F)=(0,18,12)(0,18,0)=(0,0,12)\nabla \times (\nabla \times \mathbf{F}) = (0, 18, 12) - (0, 18, 0) = (0, 0, 12)
(10) (hF)=div (hF)=((3y+2z)4j)\nabla \cdot (h\mathbf{F}) = \text{div } (h\mathbf{F}) = \nabla \cdot ((3y+2z)^4 \mathbf{j})
(hF)=x(0)+y((3y+2z)4)+z(0)=4(3y+2z)33=12(3y+2z)3\nabla \cdot (h\mathbf{F}) = \frac{\partial}{\partial x}(0) + \frac{\partial}{\partial y}((3y+2z)^4) + \frac{\partial}{\partial z}(0) = 4(3y+2z)^3 \cdot 3 = 12(3y+2z)^3
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2. ベクトル関数 $\mathbf{A}$ と $\mathbf{B}$ の計算

(1) AB=(yj+zk)((2yz)j+(2zy)k)=y(2yz)+z(2zy)=2y2yz+2z2yz=2y2+2z22yz\mathbf{A} \cdot \mathbf{B} = (y\mathbf{j} + z\mathbf{k}) \cdot ((2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}) = y(2y-z) + z(2z-y) = 2y^2 - yz + 2z^2 - yz = 2y^2 + 2z^2 - 2yz
(AB)=grad (AB)=(x,y,z)(2y2+2z22yz)=(0,4y2z,4z2y)\nabla (\mathbf{A} \cdot \mathbf{B}) = \text{grad } (\mathbf{A} \cdot \mathbf{B}) = \left(\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z}\right) (2y^2 + 2z^2 - 2yz) = (0, 4y - 2z, 4z - 2y)
(2) A×B=ijk0yz02yz2zy=(y(2zy)z(2yz))i=(2yzy22yz+z2)i=(z2y2)i\mathbf{A} \times \mathbf{B} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 0 & y & z \\ 0 & 2y-z & 2z-y \end{vmatrix} = (y(2z-y) - z(2y-z))\mathbf{i} = (2yz - y^2 - 2yz + z^2)\mathbf{i} = (z^2 - y^2)\mathbf{i}
(A×B)=div (A×B)=x(z2y2)+y(0)+z(0)=0\nabla \cdot (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \text{div } (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \frac{\partial}{\partial x}(z^2 - y^2) + \frac{\partial}{\partial y}(0) + \frac{\partial}{\partial z}(0) = 0
(3) ×(A×B)=rot (A×B)=×((z2y2)i)=ijkxyzz2y200=(0,2z,2y)\nabla \times (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \text{rot } (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = \nabla \times ((z^2 - y^2)\mathbf{i}) = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ z^2 - y^2 & 0 & 0 \end{vmatrix} = (0, -2z, 2y)
(4) (A)B=(yy+zz)((2yz)j+(2zy)k)=yy((2yz)j+(2zy)k)+zz((2yz)j+(2zy)k)=y(2jk)+z(j+2k)=(2yz)j+(y+2z)k=(2yz)j+(2zy)k(\mathbf{A} \cdot \nabla) \mathbf{B} = (y\frac{\partial}{\partial y} + z\frac{\partial}{\partial z})((2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}) = y\frac{\partial}{\partial y}((2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}) + z\frac{\partial}{\partial z}((2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}) = y(2\mathbf{j} - \mathbf{k}) + z(-\mathbf{j} + 2\mathbf{k}) = (2y-z)\mathbf{j} + (-y+2z)\mathbf{k} = (2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}
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3. 最終的な答え

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1. ベクトル関数 $\mathbf{F}$ とスカラー関数 $h$ について

(1) h=(0,6(3y+2z),4(3y+2z))\nabla h = (0, 6(3y+2z), 4(3y+2z))
(2) (h)=26\nabla \cdot (\nabla h) = 26
(3) ×(h)=(0,0,0)\nabla \times (\nabla h) = (0, 0, 0)
(4) F=6(3y+2z)\nabla \cdot \mathbf{F} = 6(3y+2z)
(5) (F)=(0,18,12)\nabla (\nabla \cdot \mathbf{F}) = (0, 18, 12)
(6) ×F=(4(3y+2z),0,0)\nabla \times \mathbf{F} = (-4(3y+2z), 0, 0)
(7) 2F=(0,18,0)\nabla^2 \mathbf{F} = (0, 18, 0)
(8) (×F)=0\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{F}) = 0
(9) ×(×F)=(0,0,12)\nabla \times (\nabla \times \mathbf{F}) = (0, 0, 12)
(10) (hF)=12(3y+2z)3\nabla \cdot (h\mathbf{F}) = 12(3y+2z)^3
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2. ベクトル関数 $\mathbf{A}$ と $\mathbf{B}$ について

(1) (AB)=(0,4y2z,4z2y)\nabla (\mathbf{A} \cdot \mathbf{B}) = (0, 4y - 2z, 4z - 2y)
(2) (A×B)=0\nabla \cdot (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = 0
(3) ×(A×B)=(0,2z,2y)\nabla \times (\mathbf{A} \times \mathbf{B}) = (0, -2z, 2y)
(4) (A)B=(2yz)j+(2zy)k(\mathbf{A} \cdot \nabla) \mathbf{B} = (2y-z)\mathbf{j} + (2z-y)\mathbf{k}

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