ベクトル解析⑥ 勾配・回転・発散 このエントリーをはてなブックマークに追加

勾配・回転・発散の定義

ナブラを用いて勾配・回転・発散を定義します。

勾配(gradient)の定義と計算方法

勾配の定義とは?

勾配
スカラー値関数$f$$=f(x,y,z)$に対して、
\begin{align*} \text{grad}f\stackrel{def}{=}\nabla f= {}^t\begin{pmatrix} \dfrac{\partial f}{\partial x} & \dfrac{\partial f}{\partial y} & \dfrac{\partial f}{\partial z} \end{pmatrix} \end{align*}

勾配の意味とは?

スカラー値関数の勾配はある点での変化の方向を表しているといえます。勾配が零(正確には零ベクトル)になる条件を考えると、
\begin{align*} \dfrac{\partial F_x}{\partial x}= \dfrac{\partial F_y}{\partial y}= \dfrac{\partial F_z}{\partial z}=0 \end{align*}
となります。

回転(rotation)の定義と計算方法

回転の定義とは?

回転
ベクトル値関数$\boldsymbol{F}$に対して、以下のように定義されます。
\begin{align*} \text{rot}\boldsymbol{F}=\nabla\times\boldsymbol{F}= \begin{pmatrix} \dfrac{\partial F_z}{\partial y}-\dfrac{\partial F_y}{\partial z} \\ \dfrac{\partial F_x}{\partial z}-\dfrac{\partial F_z}{\partial x} \\ \dfrac{\partial F_y}{\partial x}-\dfrac{\partial F_x}{\partial y} \end{pmatrix} \end{align*}

回転の意味

回転の意味が最も理解が難しいのですが、回転を求めた点周りに回転させる力のことです。

発散(divergence)の定義と計算方法

発散の定義とは?

発散
ベクトル値関数$\boldsymbol{F}$に対して、以下のように定義されます。
\begin{align*} \text{div}\boldsymbol{F}=\nabla\cdot\boldsymbol{F}= \begin{pmatrix} \dfrac{\partial F_x}{\partial x} \\ \dfrac{\partial F_y}{\partial y} \\ \dfrac{\partial F_z}{\partial z} \end{pmatrix} \end{align*}

発散の意味とは?

発散は「湧き出し」の意味を持っています。ある点から湧き出してくる量を示しています。たとえば、連続の式
\begin{align*} \dfrac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot\boldsymbol{j}=0 \end{align*}
の左辺第二項は流れの湧き出しを示しています。



このエントリーをはてなブックマークに追加