基底ベクトルの式(Basis vector formulae)
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/04/02 01:23 UTC 版)
「直交曲線座標」の記事における「基底ベクトルの式(Basis vector formulae)」の解説
d'r と正規化基底ベクトル êiから、次のように構成できる。 Differential elementVectorsScalarsLine element Tangent vector to coordinate curve qi: d ℓ = h i d q i e ^ i = ∂ r ∂ q i d q i {\displaystyle d{\boldsymbol {\ell }}=h_{i}dq^{i}{\hat {\mathbf {e} }}_{i}={\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{i}}}dq^{i}} Infinitesimal length d ℓ = d r ⋅ d r = ( h 1 d q 1 ) 2 + ( h 2 d q 2 ) 2 + ( h 3 d q 3 ) 2 {\displaystyle d\ell ={\sqrt {d\mathbf {r} \cdot d\mathbf {r} }}={\sqrt {(h_{1}\,dq^{1})^{2}+(h_{2}\,dq^{2})^{2}+(h_{3}\,dq^{3})^{2}}}} Surface element Normal to coordinate surface qk = constant: d S = ( h i d q i e ^ i ) × ( h j d q j e ^ j ) = d q i d q j ( ∂ r ∂ q i × ∂ r ∂ q j ) = h i h j d q i d q j e ^ k {\displaystyle {\begin{aligned}d\mathbf {S} &=(h_{i}dq^{i}{\hat {\mathbf {e} }}_{i})\times (h_{j}dq^{j}{\hat {\mathbf {e} }}_{j})\\&=dq^{i}dq^{j}\left({\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{i}}}\times {\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{j}}}\right)\\&=h_{i}h_{j}dq^{i}dq^{j}{\hat {\mathbf {e} }}_{k}\end{aligned}}} Infinitesimal surface d S k = h i h j d q i d q j {\displaystyle dS_{k}=h_{i}h_{j}\,dq^{i}\,dq^{j}} Volume element N/A Infinitesimal volume d V = | ( h 1 d q 1 e ^ 1 ) ⋅ ( h 2 d q 2 e ^ 2 ) × ( h 3 d q 3 e ^ 3 ) | = | e ^ 1 ⋅ e ^ 2 × e ^ 3 | h 1 h 2 h 3 d q 1 d q 2 d q 3 = h 1 h 2 h 3 d q 1 d q 2 d q 3 = J d q 1 d q 2 d q 3 {\displaystyle {\begin{aligned}dV&=|(h_{1}\,dq^{1}{\hat {\mathbf {e} }}_{1})\cdot (h_{2}\,dq^{2}{\hat {\mathbf {e} }}_{2})\times (h_{3}\,dq^{3}{\hat {\mathbf {e} }}_{3})|\\&=|{\hat {\mathbf {e} }}_{1}\cdot {\hat {\mathbf {e} }}_{2}\times {\hat {\mathbf {e} }}_{3}|h_{1}h_{2}h_{3}\,dq^{1}\,dq^{2}\,dq^{3}\\&=h_{1}h_{2}h_{3}\,dq^{1}\,dq^{2}\,dq^{3}\\&=J\,dq^{1}\,dq^{2}\,dq^{3}\end{aligned}}} ここで、 J = | ∂ r ∂ q 1 ⋅ ( ∂ r ∂ q 2 × ∂ r ∂ q 3 ) | = | ∂ ( x , y , z ) ∂ ( q 1 , q 2 , q 3 ) | = h 1 h 2 h 3 {\displaystyle J=\left|{\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{1}}}\cdot \left({\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{2}}}\times {\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial q^{3}}}\right)\right|=\left|{\frac {\partial (x,y,z)}{\partial (q^{1},q^{2},q^{3})}}\right|=h_{1}h_{2}h_{3}} は、 ヤコビ行列式で、これは「カルテシアン座標における無限小の立方体 dxdydz」 から、「無限小の曲った立方体」への体積の変形という幾何学的解釈を持つものである。
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