$r = (x, y, z)$、$r = |r|$のとき、以下の(a), (b), (c)を求めよ。ただし、$r \neq 0$とする。 (a) $\nabla(\frac{1}{r^2})$ (b) $\nabla(\frac{r}{r^2})$ (c) $\nabla \times \frac{r}{r^2}$

応用数学ベクトル解析勾配発散回転
2025/7/27

1. 問題の内容

r=(x,y,z)r = (x, y, z)r=rr = |r|のとき、以下の(a), (b), (c)を求めよ。ただし、r0r \neq 0とする。
(a) (1r2)\nabla(\frac{1}{r^2})
(b) (rr2)\nabla(\frac{r}{r^2})
(c) ×rr2\nabla \times \frac{r}{r^2}

2. 解き方の手順

(a) (1r2)\nabla(\frac{1}{r^2})について。
まず、r2=x2+y2+z2r^2 = x^2 + y^2 + z^2なので、rx=xr\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{x}{r}となる。同様に、ry=yr\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{y}{r}rz=zr\frac{\partial r}{\partial z} = \frac{z}{r}
x(1r2)=2r3rx=2xr4\frac{\partial}{\partial x}(\frac{1}{r^2}) = -\frac{2}{r^3} \frac{\partial r}{\partial x} = -\frac{2x}{r^4}
y(1r2)=2r3ry=2yr4\frac{\partial}{\partial y}(\frac{1}{r^2}) = -\frac{2}{r^3} \frac{\partial r}{\partial y} = -\frac{2y}{r^4}
z(1r2)=2r3rz=2zr4\frac{\partial}{\partial z}(\frac{1}{r^2}) = -\frac{2}{r^3} \frac{\partial r}{\partial z} = -\frac{2z}{r^4}
したがって、
(1r2)=(x,y,z)(1r2)=(2xr4,2yr4,2zr4)=2r4(x,y,z)=2rr4=2rr4\nabla(\frac{1}{r^2}) = (\frac{\partial}{\partial x}, \frac{\partial}{\partial y}, \frac{\partial}{\partial z})(\frac{1}{r^2}) = (-\frac{2x}{r^4}, -\frac{2y}{r^4}, -\frac{2z}{r^4}) = -\frac{2}{r^4}(x, y, z) = -\frac{2r}{r^4} = -\frac{2r}{r^4}
(b) (rr2)\nabla(\frac{r}{r^2})について。rr2=(x,y,z)x2+y2+z2\frac{r}{r^2} = \frac{(x, y, z)}{x^2 + y^2 + z^2}
(rr2)=(xr2,yr2,zr2)\nabla(\frac{r}{r^2}) = \nabla(\frac{x}{r^2}, \frac{y}{r^2}, \frac{z}{r^2})
(rr2)=(x(xr2)+y(yr2)+z(zr2))\nabla(\frac{r}{r^2}) = (\frac{\partial}{\partial x}(\frac{x}{r^2}) + \frac{\partial}{\partial y}(\frac{y}{r^2}) + \frac{\partial}{\partial z}(\frac{z}{r^2}))
x(xr2)=1r22x2r4\frac{\partial}{\partial x}(\frac{x}{r^2}) = \frac{1}{r^2} - \frac{2x^2}{r^4}
y(yr2)=1r22y2r4\frac{\partial}{\partial y}(\frac{y}{r^2}) = \frac{1}{r^2} - \frac{2y^2}{r^4}
z(zr2)=1r22z2r4\frac{\partial}{\partial z}(\frac{z}{r^2}) = \frac{1}{r^2} - \frac{2z^2}{r^4}
(rr2)=3r22(x2+y2+z2)r4=3r22r2r4=3r22r2=1r2\nabla \cdot (\frac{r}{r^2}) = \frac{3}{r^2} - \frac{2(x^2 + y^2 + z^2)}{r^4} = \frac{3}{r^2} - \frac{2r^2}{r^4} = \frac{3}{r^2} - \frac{2}{r^2} = \frac{1}{r^2}
(c) ×rr2\nabla \times \frac{r}{r^2}について。
rr2=(xr2,yr2,zr2)\frac{r}{r^2} = (\frac{x}{r^2}, \frac{y}{r^2}, \frac{z}{r^2})
×rr2=(y(zr2)z(yr2),z(xr2)x(zr2),x(yr2)y(xr2))\nabla \times \frac{r}{r^2} = (\frac{\partial}{\partial y}(\frac{z}{r^2}) - \frac{\partial}{\partial z}(\frac{y}{r^2}), \frac{\partial}{\partial z}(\frac{x}{r^2}) - \frac{\partial}{\partial x}(\frac{z}{r^2}), \frac{\partial}{\partial x}(\frac{y}{r^2}) - \frac{\partial}{\partial y}(\frac{x}{r^2}))
y(zr2)=z(2r3yr)=2yzr4\frac{\partial}{\partial y}(\frac{z}{r^2}) = z \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{y}{r}) = -\frac{2yz}{r^4}
z(yr2)=y(2r3zr)=2yzr4\frac{\partial}{\partial z}(\frac{y}{r^2}) = y \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{z}{r}) = -\frac{2yz}{r^4}
z(xr2)=x(2r3zr)=2xzr4\frac{\partial}{\partial z}(\frac{x}{r^2}) = x \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{z}{r}) = -\frac{2xz}{r^4}
x(zr2)=z(2r3xr)=2xzr4\frac{\partial}{\partial x}(\frac{z}{r^2}) = z \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{x}{r}) = -\frac{2xz}{r^4}
x(yr2)=y(2r3xr)=2xyr4\frac{\partial}{\partial x}(\frac{y}{r^2}) = y \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{x}{r}) = -\frac{2xy}{r^4}
y(xr2)=x(2r3yr)=2xyr4\frac{\partial}{\partial y}(\frac{x}{r^2}) = x \cdot (-\frac{2}{r^3} \frac{y}{r}) = -\frac{2xy}{r^4}
×rr2=(0,0,0)=0\nabla \times \frac{r}{r^2} = (0, 0, 0) = 0

3. 最終的な答え

(a) (1r2)=2rr4\nabla(\frac{1}{r^2}) = -\frac{2r}{r^4}
(b) (rr2)=1r2\nabla \cdot (\frac{r}{r^2}) = \frac{1}{r^2}
(c) ×rr2=0\nabla \times \frac{r}{r^2} = 0

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