全体座標系 $(x, y, z)$ と局所座標系 $(\xi, \eta, \zeta)$ の間に以下の関係がある。 $x = \xi + 2\eta + 3\zeta$ $y = 2\xi - \eta - 2\zeta$ $z = -3\xi + 4\eta + 2\zeta$ (1) $(\frac{\partial \theta}{\partial \xi}, \frac{\partial \theta}{\partial \eta}, \frac{\partial \theta}{\partial \zeta})^T$ と $(\frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial z})^T$ の関係を行列 $J$ を用いて表せ。 (2) 行列 $J$ の逆行列を求めよ。

応用数学線形代数ヤコビアン座標変換行列逆行列
2025/6/3

1. 問題の内容

全体座標系 (x,y,z)(x, y, z) と局所座標系 (ξ,η,ζ)(\xi, \eta, \zeta) の間に以下の関係がある。
x=ξ+2η+3ζx = \xi + 2\eta + 3\zeta
y=2ξη2ζy = 2\xi - \eta - 2\zeta
z=3ξ+4η+2ζz = -3\xi + 4\eta + 2\zeta
(1) (θξ,θη,θζ)T(\frac{\partial \theta}{\partial \xi}, \frac{\partial \theta}{\partial \eta}, \frac{\partial \theta}{\partial \zeta})^T(θx,θy,θz)T(\frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial z})^T の関係を行列 JJ を用いて表せ。
(2) 行列 JJ の逆行列を求めよ。

2. 解き方の手順

(1) まずヤコビ行列 JJ を計算する。
J=(xξxηxζyξyηyζzξzηzζ)J = \begin{pmatrix} \frac{\partial x}{\partial \xi} & \frac{\partial x}{\partial \eta} & \frac{\partial x}{\partial \zeta} \\ \frac{\partial y}{\partial \xi} & \frac{\partial y}{\partial \eta} & \frac{\partial y}{\partial \zeta} \\ \frac{\partial z}{\partial \xi} & \frac{\partial z}{\partial \eta} & \frac{\partial z}{\partial \zeta} \end{pmatrix}
与えられた式より、
xξ=1,xη=2,xζ=3\frac{\partial x}{\partial \xi} = 1, \frac{\partial x}{\partial \eta} = 2, \frac{\partial x}{\partial \zeta} = 3
yξ=2,yη=1,yζ=2\frac{\partial y}{\partial \xi} = 2, \frac{\partial y}{\partial \eta} = -1, \frac{\partial y}{\partial \zeta} = -2
zξ=3,zη=4,zζ=2\frac{\partial z}{\partial \xi} = -3, \frac{\partial z}{\partial \eta} = 4, \frac{\partial z}{\partial \zeta} = 2
したがって、
J=(123212342)J = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & -1 & -2 \\ -3 & 4 & 2 \end{pmatrix}
連鎖律より、
(θξθηθζ)=(xξyξzξxηyηzηxζyζzζ)(θxθyθz)T\begin{pmatrix} \frac{\partial \theta}{\partial \xi} \\ \frac{\partial \theta}{\partial \eta} \\ \frac{\partial \theta}{\partial \zeta} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{\partial x}{\partial \xi} & \frac{\partial y}{\partial \xi} & \frac{\partial z}{\partial \xi} \\ \frac{\partial x}{\partial \eta} & \frac{\partial y}{\partial \eta} & \frac{\partial z}{\partial \eta} \\ \frac{\partial x}{\partial \zeta} & \frac{\partial y}{\partial \zeta} & \frac{\partial z}{\partial \zeta} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \frac{\partial \theta}{\partial x} \\ \frac{\partial \theta}{\partial y} \\ \frac{\partial \theta}{\partial z} \end{pmatrix}^T ではない。
(θξθηθζ)=JT(θxθyθz)\begin{pmatrix} \frac{\partial \theta}{\partial \xi} \\ \frac{\partial \theta}{\partial \eta} \\ \frac{\partial \theta}{\partial \zeta} \end{pmatrix} = J^T \begin{pmatrix} \frac{\partial \theta}{\partial x} \\ \frac{\partial \theta}{\partial y} \\ \frac{\partial \theta}{\partial z} \end{pmatrix} と表現できる。
(θξ,θη,θζ)T=JT(θx,θy,θz)T(\frac{\partial \theta}{\partial \xi}, \frac{\partial \theta}{\partial \eta}, \frac{\partial \theta}{\partial \zeta})^T = J^T(\frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial z})^T
ここで
JT=(123214322)J^T = \begin{pmatrix} 1 & 2 & -3 \\ 2 & -1 & 4 \\ 3 & -2 & 2 \end{pmatrix}
(2) 行列 JJ の逆行列を求める。
J=(123212342)J = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & -1 & -2 \\ -3 & 4 & 2 \end{pmatrix}
det(J)=1((1)(2)(2)(4))2((2)(2)(2)(3))+3((2)(4)(1)(3))=1(2+8)2(46)+3(83)=6+4+15=25\det(J) = 1((-1)(2) - (-2)(4)) - 2((2)(2) - (-2)(-3)) + 3((2)(4) - (-1)(-3)) = 1(-2 + 8) - 2(4 - 6) + 3(8 - 3) = 6 + 4 + 15 = 25
J1=1det(J)adj(J)J^{-1} = \frac{1}{\det(J)} \text{adj}(J)
余因子行列を求める。
C11=(1)(2)(2)(4)=2+8=6C_{11} = (-1)(2) - (-2)(4) = -2 + 8 = 6
C12=(2(2)(2)(3))=(46)=2C_{12} = -(2(2) - (-2)(-3)) = -(4-6) = 2
C13=2(4)(1)(3)=83=5C_{13} = 2(4) - (-1)(-3) = 8 - 3 = 5
C21=(2(2)3(4))=(412)=8C_{21} = -(2(2) - 3(4)) = -(4-12) = 8
C22=1(2)3(3)=2+9=11C_{22} = 1(2) - 3(-3) = 2 + 9 = 11
C23=(1(4)2(3))=(4+6)=10C_{23} = -(1(4) - 2(-3)) = -(4+6) = -10
C31=2(2)3(1)=4+3=1C_{31} = 2(-2) - 3(-1) = -4 + 3 = -1
C32=(1(2)3(2))=(26)=8C_{32} = -(1(-2) - 3(2)) = -(-2-6) = 8
C33=1(1)2(2)=14=5C_{33} = 1(-1) - 2(2) = -1 - 4 = -5
adj(J)=(68121185105)\text{adj}(J) = \begin{pmatrix} 6 & 8 & -1 \\ 2 & 11 & 8 \\ 5 & -10 & -5 \end{pmatrix}
J1=125(68121185105)J^{-1} = \frac{1}{25} \begin{pmatrix} 6 & 8 & -1 \\ 2 & 11 & 8 \\ 5 & -10 & -5 \end{pmatrix}

3. 最終的な答え

(1) (θξ,θη,θζ)T=(123214322)(θx,θy,θz)T(\frac{\partial \theta}{\partial \xi}, \frac{\partial \theta}{\partial \eta}, \frac{\partial \theta}{\partial \zeta})^T = \begin{pmatrix} 1 & 2 & -3 \\ 2 & -1 & 4 \\ 3 & -2 & 2 \end{pmatrix} (\frac{\partial \theta}{\partial x}, \frac{\partial \theta}{\partial y}, \frac{\partial \theta}{\partial z})^T
(2) J1=125(68121185105)J^{-1} = \frac{1}{25} \begin{pmatrix} 6 & 8 & -1 \\ 2 & 11 & 8 \\ 5 & -10 & -5 \end{pmatrix}

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