球座標を用いた変数分離 のバックアップ(No.2)

微分の変換 †

　

に、 を代入すれば、

　

変形して、

　

したがって、

　&math(\frac{\PD }{\PD x}=\frac{\PD r}{\PD x}\frac{\PD}{\PD r}+\frac{\PD \theta}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \theta}+\frac{\PD \phi}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \phi}\\ );

同様にして、

　&math( \begin{cases} \displaystyle\frac{\PD }{\PD x}=\frac{\PD r}{\PD x}\frac{\PD}{\PD r}+\frac{\PD \theta}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \theta}+\frac{\PD \phi}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \phi}\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD }{\PD y}=\frac{\PD r}{\PD x}\frac{\PD}{\PD r}+\frac{\PD \theta}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \theta}+\frac{\PD \phi}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \phi}\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD }{\PD z}=\frac{\PD r}{\PD x}\frac{\PD}{\PD r}+\frac{\PD \theta}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \theta}+\frac{\PD \phi}{\PD x}\frac{\PD}{\PD \phi}\\ \end{cases} );

のように変換される。

具体的に計算する †

全微分の時と異なり、 であることに注意せよ。

より、 などが得られて、

　&math( \begin{cases} \displaystyle\frac{\PD r}{\PD x}=\frac{x}{r}=\sin\theta\cos\phi\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD r}{\PD y}=\frac{y}{r}=\sin\theta\sin\phi\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD r}{\PD z}=\frac{z}{r}=\cos\theta\\ \end{cases} );

より、

、 、 、

　&math( \begin{cases} \displaystyle\frac{\PD \theta}{\PD x}=\frac{r\sin\theta\cos\phi}{r^2\cos^2\theta}\frac{\cos^2\theta}{\tan\theta}=\frac{1}{r}\cos\theta\cos\phi\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD \theta}{\PD y}=\frac{r\sin\theta\sin\phi}{r^2\cos^2\theta}\frac{\cos^2\theta}{\tan\theta}=\frac{1}{r}\cos\theta\sin\phi\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD \theta}{\PD z}=-\frac{r^2\sin^2\theta}{r^3\cos^3\theta}\frac{\cos^2\theta}{\tan\theta}=-\frac{1}{r}\sin\theta \end{cases} );

より、

、 、 であるから、

　&math( \begin{cases} \displaystyle\frac{\PD \phi}{\PD x}=-\frac{r\sin\theta\sin\phi}{r^2\sin^2\theta\cos^2\phi}\cos^2\phi=-\frac{\sin\phi}{r\sin\theta}\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD \phi}{\PD y}=\frac{1}{r\sin\theta\cos\phi}\cos^2\phi=\frac{\cos\phi}{r\sin\theta}\\[4mm] \displaystyle\frac{\PD \phi}{\PD z}=0 \end{cases} );

これらを代入して、

　&math( \begin{cases}

\displaystyle\frac{\PD}{\PD x}= \sin\theta\cos\phi \frac{\PD}{\PD r}

1. \frac{1}{r}\cos\theta\cos\phi \frac{\PD}{\PD \theta}

• \frac{\sin\phi}{r\sin\theta} \frac{\PD}{\PD \phi}\\[4mm]

\displaystyle\frac{\PD}{\PD y}= \sin\theta\sin\phi \frac{\PD}{\PD r}

1. \frac{1}{r}\cos\theta\sin\phi \frac{\PD}{\PD \theta}
2. \frac{\cos\phi}{r\sin\theta} \frac{\PD}{\PD \phi}\\[4mm]

\displaystyle \frac{\PD}{\PD z}= \cos\theta \frac{\PD}{\PD r}

• \frac{1}{r}\sin\theta \frac{\PD}{\PD \theta}\\[4mm]

\end{cases} );

球座標表示のラプラシアン †

に上記を代入するだけ！　・・・　実際やってみるとえらい大変。→ 計算の詳細

結果だけまとめると、

ただし、

&math(\Lambda=\frac{1}{\sin\theta} \frac{\PD}{\PD \theta} \Big(\sin\theta\frac{\PD}{\PD \theta}\Big)+\frac{1}{\sin^2\theta} \frac{\PD^2}{\PD \phi^2});

球形の箱形ポテンシャル †

３次元調和振動子 †

水素原子（静電ポテンシャル） †