곡선 좌표계에서 벡터 함수의 컬(회전)
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정리
곡선 좌표계에서 벡터 함수 F=F(q1,q2,q3)=F1q^1+F2q^2+F3q^3의 컬은 다음과 같다.
∇×F=h2h3q^1(∂q2∂(F3h3)−∂q3∂(F2h2))+h1h3q^2(∂q3∂(F1h1)−∂q1∂(F3h3))+h1h2q^3(∂q1∂(F2h2)−∂q2∂(F1h1))=h1h2h31h1q^1∂q1∂F1h1h2q^2∂q2∂F2h2h3q^3∂q3∂F3h3
hi는 스케일 팩터이다.
공식
직교 좌표계:
h1=h2=h3=1
∇×F=(∂y∂Fz−∂z∂Fy)x^+(∂z∂Fx−∂x∂Fz)y^+(∂x∂Fy−∂y∂Fx)z^
원통 좌표계:
h1=1,h2=ρ,h3=1
∇×F=(ρ1∂ϕ∂Fz−∂z∂Fϕ)ρ^+(∂z∂Fρ−∂ρ∂Fz)ϕ^+ρ1(∂ρ∂(ρFϕ)−∂ϕ∂Fρ)z^
구 좌표계:
h1=1,h2=r,h3=rsinθ
∇×F=rsinθ1(∂θ∂(Fϕsinθ)−∂ϕ∂Fθ)r^+r1(sinθ1∂ϕ∂Fr−∂r∂(rFϕ))θ^+r1(∂r∂(rFθ)−∂θ∂Fr)ϕ^
유도
방법1
곡선좌표계를 (q1,q2,q3)라고 하자.
F=F1q^1+F2q^2+F3q^3
컬은 선형성을 가지므로,
∇×F=∇×(F1q^1+F2q^2+F3q^3)=i=1∑3∇×(Fiq^i)
곡선 좌표계에서 그래디언트
∇f=h11∂q1∂fq^1+h21∂q2∂fq^2+h31∂q3∂fq^3=i=1∑3hi1∂qi∂fq^i
그래디언트 공식에 의해서 다음을 얻는다.
∇qi=m=1∑3hm1∂qm∂qiq^m=hi1q^i
⟹hi∇qi=q^i
델 연산자가 포함된 곱셈공식
∇×(fA)=(∇f)×A+f(∇×A)
(2)를 (1)에 대입하고, 위의 곱셈공식을 적용하면 다음을 얻는다.
∇×(Fiq^i)=∇×(Fihi∇qi)=[∇(Fihi)]×∇qi+Fihi∇×(∇qi)=[∇(Fihi)]×∇qi
마지막 등호는 그래디언트의 컬은 0이기 때문에 성립한다. 식에 다시 (2)를 대입하고, 그래디언트를 풀어보면
[∇(Fihi)]×∇qi=[m=1∑3hm1∂qm∂(Fihi)q^m]×hi1q^i=hj1∂qj∂(Fihi)q^j×hi1q^i+hk1∂qk∂(Fihi)q^k×hi1q^i=hihk1∂qk∂(Fihi)q^j−hihj1∂qj∂(Fihi)q^k
여기서 인덱스를 q^i×q^j=q^k라 두었다. 이를 (1)에 대입하면,
∇×F=(h1h31∂q3∂(F1h1)q^2−h1h21∂q2∂(F1h1)q^3)+(h2h11∂q1∂(F2h2)q^3−h2h31∂q3∂(F2h2)q^1)+(h3h21∂q2∂(F3h3)q^1−h3h11∂q1∂(F3h3)q^2)=h1h2h3h1q^1(∂q2∂(F3h3)−∂q3∂(F2h2))+h1h2h3h2q^2(∂q3∂(F1h1)−∂q1∂(F3h3))+h1h2h3h3q^3(∂q1∂(F2h2)−∂q2∂(F1h1))=h1h2h31h1q^1∂q1∂F1h1h2q^2∂q2∂F2h2h3q^3∂q3∂F3h3
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방법2
∇×F의 첫번째 성분을 구하기 위해 q1 좌표가 상수인 곡면에서의 회전폐곡면을 생각하자.

이때 ⊙은 평면을 뚫고 나오는 방향을 의미한다. 그러면 dσ=h2h3dq2dq3q^1이므로,
∫∇×F⋅dσ≈(∇×F)h2h3dq2dq3⋅q^1
스토크스 정리
∫S(∇×v)⋅da=∮Pv⋅dl
스토크스 정리에 의해 다음을 얻는다.
(∇×F)h2h3dq2dq3⋅q^1=∮F⋅dr
따라서 ∇×F의 첫번째 성분은 다음을 계산하여 얻을 수 있다.
(∇×F)1=(∇×F)⋅q^1=h2h3dq2dq31∮F⋅dr
폐곡선 적분을 1◯~4◯로 나누어 생각하자.
∮F⋅dr=∫1◯F⋅dr+∫2◯F⋅dr+∫3◯F⋅dr+∫4◯F⋅dr
경로 1◯에 대한 적분을 구해보면,
∫1◯F⋅dr≈F(q2,q3)⋅h2(q2,q3)dq2q^2=F2h2dq2
경로 2◯는,
∫2◯F⋅dr≈F(q2+dq2,q3)⋅h3(q2+dq2,q3)dq3q^3=F3(q2+dq2,q3)h3(q2+dq2,q3)dq3≈[F3h3+∂q2∂(F3h3)dq2]dq3
마지막 줄에선 테일러 근사를 사용하였다.
테일러 정리
f(x+dx)≈f(x)+f′(x)dx
마찬가지로 나머지 적분을 계산하면,
∫3◯F⋅dr=−∫−3◯F⋅dr≈−F(q2,q3+dq3)⋅h2(q2,q3+dq3)dq2q^2=−F2(q2,q3+dq3)h2(q2,q3+dq3)dq2≈−[F2h2+∂q3∂(F2h2)dq3]dq2
∫4◯F⋅dr=−∫−4◯F⋅dr≈F(q2,q3)⋅h3(q2,q3)dq3q^3=F3h3dq3
따라서,
(∇×F)1=h2h3dq2dq31∮F⋅dr=h2h3dq2dq31[∂q2∂(F3h3)dq2dq3−∂q3∂(F2h2)dq3dq2]=h2h31[∂q2∂(F3h3)−∂q3∂(F2h2)]
두번째, 세번째 성분도 같은 방법으로 얻는다.
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