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L09 · 곡선좌표와 야코비안

Arfken 7판 3.10절, 4.4절 (직교 곡선좌표, 척도인자, 원통·구면좌표의 미분 연산자, 야코비안과 변수 변환)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. $ds^2$에서 척도인자 $h_i$를 읽고, 단위벡터와 부피 요소 쓰기
  2. 단위벡터를 직교 성분으로 쓰고 미분하기, 구면좌표의 속도·가속도 구하기
  3. 벡터를 직교좌표 표현과 원통·구면 표현 사이에서 바꾸기
  4. 일반 공식으로 원통·구면좌표의 grad, div, curl, $\nabla^2$ 계산하기
  5. 야코비안 행렬식을 계산하고, 적분 변수를 바꿔서 적분하기
  6. 야코비안의 연쇄법칙을 쓰고, 고정하는 변수가 다른 편미분($(\partial x/\partial r)_y$ 같은 것)을 계산하기
이 레슨의 관례

0. 외워 둘 공식

좌표, 척도인자, 부피 요소

좌표와 정의척도인자 $(h_1,h_2,h_3)$와 $dV$
원통 $(\rho,\varphi,z)$
$x=\rho\cos\varphi$, $y=\rho\sin\varphi$, $z=z$
$(1,\ \rho,\ 1)$
$dV=\rho\,d\rho\,d\varphi\,dz$
구면 $(r,\theta,\varphi)$
$x=r\sin\theta\cos\varphi$, $y=r\sin\theta\sin\varphi$, $z=r\cos\theta$
$(1,\ r,\ r\sin\theta)$
$dV=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi$
포물기둥 $(u,v,z)$
$x=\frac12(u^2-v^2)$, $y=uv$, $z=z$
$h_u=h_v=\sqrt{u^2+v^2}$, $h_z=1$
$dV=(u^2+v^2)\,du\,dv\,dz$

단위벡터 (직교 성분)

단위벡터직교 성분
$\hat{\boldsymbol\rho}$ (원통)$(\cos\varphi,\ \sin\varphi,\ 0)$
$\hat{\boldsymbol\varphi}$ (원통·구면 공통)$(-\sin\varphi,\ \cos\varphi,\ 0)$
$\hat{\mathbf z}$ (원통)$(0,\ 0,\ 1)$
$\hat{\mathbf r}$ (구면)$(\sin\theta\cos\varphi,\ \sin\theta\sin\varphi,\ \cos\theta)$
$\hat{\boldsymbol\theta}$ (구면)$(\cos\theta\cos\varphi,\ \cos\theta\sin\varphi,\ -\sin\theta)$

0이 아닌 미분: 원통 $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\rho}=\hat{\boldsymbol\varphi}$, $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}=-\hat{\boldsymbol\rho}$. 구면 $\partial_\theta\hat{\mathbf r}=\hat{\boldsymbol\theta}$, $\partial_\varphi\hat{\mathbf r}=\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}$, $\partial_\theta\hat{\boldsymbol\theta}=-\hat{\mathbf r}$, $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\theta}=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}$, $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}=-\sin\theta\,\hat{\mathbf r}-\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}$.

일반 직교 곡선좌표 $(u_1,u_2,u_3)$의 미분 연산자

$$\nabla f=\frac{1}{h_1}\frac{\partial f}{\partial u_1}\hat{\mathbf e}_1+\frac{1}{h_2}\frac{\partial f}{\partial u_2}\hat{\mathbf e}_2+\frac{1}{h_3}\frac{\partial f}{\partial u_3}\hat{\mathbf e}_3$$ $$\begin{aligned}\nabla\cdot\mathbf F=\frac{1}{h_1h_2h_3}\Big[&\frac{\partial(h_2h_3F_1)}{\partial u_1}+\frac{\partial(h_3h_1F_2)}{\partial u_2}\\&+\frac{\partial(h_1h_2F_3)}{\partial u_3}\Big]\end{aligned}$$ $$\nabla\times\mathbf F=\frac{1}{h_1h_2h_3}\begin{vmatrix}h_1\hat{\mathbf e}_1&h_2\hat{\mathbf e}_2&h_3\hat{\mathbf e}_3\\\partial_{u_1}&\partial_{u_2}&\partial_{u_3}\\h_1F_1&h_2F_2&h_3F_3\end{vmatrix}$$ $$\nabla^2f=\frac{1}{h_1h_2h_3}\sum_{i=1}^3\frac{\partial}{\partial u_i}\Big(\frac{h_1h_2h_3}{h_i^2}\,\frac{\partial f}{\partial u_i}\Big)$$

원통좌표

$$\begin{aligned}\nabla f&=\partial_\rho f\,\hat{\boldsymbol\rho}+\frac1\rho\partial_\varphi f\,\hat{\boldsymbol\varphi}+\partial_zf\,\hat{\mathbf z}\\\nabla\cdot\mathbf F&=\frac1\rho\partial_\rho(\rho F_\rho)+\frac1\rho\partial_\varphi F_\varphi+\partial_zF_z\\\nabla\times\mathbf F&=\Big[\frac1\rho\partial_\varphi F_z-\partial_zF_\varphi\Big]\hat{\boldsymbol\rho}+\big[\partial_zF_\rho-\partial_\rho F_z\big]\hat{\boldsymbol\varphi}\\&\quad+\frac1\rho\big[\partial_\rho(\rho F_\varphi)-\partial_\varphi F_\rho\big]\hat{\mathbf z}\\\nabla^2f&=\frac1\rho\partial_\rho(\rho\,\partial_\rho f)+\frac1{\rho^2}\partial_\varphi^2f+\partial_z^2f\end{aligned}$$

구면좌표

$$\begin{aligned}\nabla f&=\partial_rf\,\hat{\mathbf r}+\frac1r\partial_\theta f\,\hat{\boldsymbol\theta}+\frac{1}{r\sin\theta}\partial_\varphi f\,\hat{\boldsymbol\varphi}\\\nabla\cdot\mathbf F&=\frac1{r^2}\partial_r(r^2F_r)+\frac{1}{r\sin\theta}\partial_\theta(\sin\theta\,F_\theta)\\&\quad+\frac1{r\sin\theta}\partial_\varphi F_\varphi\\\nabla\times\mathbf F&=\frac{1}{r\sin\theta}\big[\partial_\theta(\sin\theta\,F_\varphi)-\partial_\varphi F_\theta\big]\hat{\mathbf r}\\&\quad+\frac1r\Big[\frac{1}{\sin\theta}\partial_\varphi F_r-\partial_r(rF_\varphi)\Big]\hat{\boldsymbol\theta}\\&\quad+\frac1r\big[\partial_r(rF_\theta)-\partial_\theta F_r\big]\hat{\boldsymbol\varphi}\\\nabla^2f&=\frac{1}{r^2}\partial_r(r^2\partial_rf)+\frac{1}{r^2\sin\theta}\partial_\theta(\sin\theta\,\partial_\theta f)\\&\quad+\frac{1}{r^2\sin^2\theta}\partial_\varphi^2f\end{aligned}$$

야코비안

$$\begin{aligned}dx\,dy&=\Big|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\Big|\,du\,dv,\\\frac{\partial(x,y)}{\partial(s,t)}&=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\cdot\frac{\partial(u,v)}{\partial(s,t)},\\\Big(\frac{\partial u}{\partial x}\Big)_y&=\frac{\partial(u,y)}{\partial(x,y)}.\end{aligned}$$

1. $ds^2$에서 척도인자 읽기

레시피
  1. $x,y,z$를 새 좌표 $(u_1,u_2,u_3)$의 식으로 씁니다.
  2. 방법 A ($ds^2$ 전개): $dx,dy,dz$를 전미분으로 쓰고 $ds^2=dx^2+dy^2+dz^2$ 를 전개합니다. 교차항($du_1\,du_2$ 등)이 모두 지워지면 직교 좌표계입니다. 그때 $$ds^2=h_1^2du_1^2+h_2^2du_2^2+h_3^2du_3^2$$ 이고 $h_i$는 $du_i^2$ 계수의 제곱근입니다.
  3. 방법 B (편미분 벡터): $h_i=\Big|\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_i}\Big|$. 직교성은 $\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_i}\cdot\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_j}=0$ ($i\ne j$)으로 확인합니다.
  4. 단위벡터: $\hat{\mathbf e}_i=\dfrac1{h_i}\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_i}$.
  5. 요소들: 길이 $h_i\,du_i$, 부피 $dV=h_1h_2h_3\,du_1du_2du_3$, 면 (예) $u_1=$상수인 면에서 $dA=h_2h_3\,du_2du_3$.
왜 되나? (증명 스케치)

$\mathbf r$ 이 $u_1,u_2,u_3$ 의 함수이므로 연쇄법칙으로

$$d\mathbf r=\frac{\partial\mathbf r}{\partial u_1}du_1+\frac{\partial\mathbf r}{\partial u_2}du_2+\frac{\partial\mathbf r}{\partial u_3}du_3.$$

$u_i$ 하나만 $du_i$ 바꾸면 점은 $\partial\mathbf r/\partial u_i$ 방향으로 $\big|\partial\mathbf r/\partial u_i\big|\,du_i=h_i\,du_i$ 만큼 움직입니다. 척도인자는 "좌표를 1 바꿀 때 실제로 움직이는 거리"입니다($\varphi$를 바꾸면 반지름 $r\sin\theta$ 인 원을 따라 움직이니 $h_\varphi=r\sin\theta$).

제곱하면 $ds^2=d\mathbf r\cdot d\mathbf r=\sum_{i,j}\Big(\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_i}\cdot\dfrac{\partial\mathbf r}{\partial u_j}\Big)du_i\,du_j$. 편미분 벡터끼리 수직이면 $i\ne j$ 항이 사라져 $\sum h_i^2du_i^2$ 만 남습니다. 방법 A(전개)와 방법 B(편미분 벡터)는 같은 계산을 다른 순서로 한 것입니다.

세 변이 서로 수직이고 길이가 $h_1du_1$, $h_2du_2$, $h_3du_3$ 인 작은 상자이므로 $dV=h_1h_2h_3\,du_1du_2du_3$, $u_1=$상수 면의 조각은 $h_2h_3\,du_2du_3$ 입니다.

예제 1-1 구면좌표의 척도인자, 단위벡터, $ds^2$, $dV$ (방법 B)

$\mathbf r=(r\sin\theta\cos\varphi,\ r\sin\theta\sin\varphi,\ r\cos\theta)$ 를 각 변수로 미분합니다.

$$\begin{aligned}\partial_r\mathbf r&=(\sin\theta\cos\varphi,\ \sin\theta\sin\varphi,\ \cos\theta),\\\partial_\theta\mathbf r&=(r\cos\theta\cos\varphi,\ r\cos\theta\sin\varphi,\ -r\sin\theta),\\\partial_\varphi\mathbf r&=(-r\sin\theta\sin\varphi,\ r\sin\theta\cos\varphi,\ 0).\end{aligned}$$

크기는 차례로 $1$, $r$, $r\sin\theta$ 입니다. 크기 계산 예: $|\partial_\theta\mathbf r|^2=r^2\cos^2\theta(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)+r^2\sin^2\theta=r^2$.

서로 내적하면 0입니다. 예: $\partial_r\mathbf r\cdot\partial_\theta\mathbf r=r\sin\theta\cos\theta(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi)-r\cos\theta\sin\theta=0$. 따라서

$$\begin{aligned}&h_r=1,\quad h_\theta=r,\quad h_\varphi=r\sin\theta,\\&ds^2=dr^2+r^2d\theta^2+r^2\sin^2\theta\,d\varphi^2,\\&dV=r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi.\end{aligned}$$

단위벡터는 각 편미분 벡터를 $h$로 나눈 것이고, 0절 표와 같습니다.

예제 1-2 새 좌표: 포물기둥 좌표 $x=\frac12(u^2-v^2)$, $y=uv$, $z=z$ (방법 A)

전미분: $dx=u\,du-v\,dv$, $dy=v\,du+u\,dv$.

$$\begin{aligned}dx^2+dy^2&=(u^2du^2-2uv\,du\,dv+v^2dv^2)\\&\quad+(v^2du^2+2uv\,du\,dv+u^2dv^2)\\&=(u^2+v^2)(du^2+dv^2).\end{aligned}$$

교차항 $\mp2uv\,du\,dv$ 가 지워지므로 직교 좌표계입니다.

$$\begin{aligned}ds^2&=(u^2+v^2)(du^2+dv^2)+dz^2\\\Rightarrow\ h_u&=h_v=\sqrt{u^2+v^2},\quad h_z=1.\end{aligned}$$

단위벡터: $\hat{\mathbf e}_u=\dfrac{(u,\ v,\ 0)}{\sqrt{u^2+v^2}}$, $\hat{\mathbf e}_v=\dfrac{(-v,\ u,\ 0)}{\sqrt{u^2+v^2}}$. 부피 요소 $dV=(u^2+v^2)\,du\,dv\,dz$.

라플라시안: $h_uh_vh_z=u^2+v^2$ 이고 $\frac{h_uh_vh_z}{h_u^2}=\frac{h_uh_vh_z}{h_v^2}=1$, $\frac{h_uh_vh_z}{h_z^2}=u^2+v^2$ 이므로

$$\nabla^2f=\frac{1}{u^2+v^2}\big(\partial_u^2f+\partial_v^2f\big)+\partial_z^2f.$$

확인: $f=x=\frac12(u^2-v^2)$ 이면 $\partial_u^2f+\partial_v^2f=1-1=0$. 직교좌표에서도 $\nabla^2x=0$ 입니다.

2. 단위벡터: 미분, 좌표 표현 바꾸기, 속도·가속도

레시피
  1. 단위벡터의 미분: 직교 성분(0절 표)을 그대로 미분하고, 결과를 다시 단위벡터의 조합으로 읽습니다. 곡선좌표의 단위벡터는 위치마다 방향이 달라서 상수가 아닙니다.
  2. 역변환: 단위벡터의 성분을 행으로 쌓은 행렬은 직교 행렬입니다. 그래서 열을 읽으면 역변환입니다. $$\begin{aligned}\hat{\mathbf x}&=\sin\theta\cos\varphi\,\hat{\mathbf r}+\cos\theta\cos\varphi\,\hat{\boldsymbol\theta}-\sin\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}\\\hat{\mathbf y}&=\sin\theta\sin\varphi\,\hat{\mathbf r}+\cos\theta\sin\varphi\,\hat{\boldsymbol\theta}+\cos\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}\\\hat{\mathbf z}&=\cos\theta\,\hat{\mathbf r}-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}\end{aligned}$$
  3. 성분 바꾸기: $F_r=\mathbf F\cdot\hat{\mathbf r}$, $F_\theta=\mathbf F\cdot\hat{\boldsymbol\theta}$, $F_\varphi=\mathbf F\cdot\hat{\boldsymbol\varphi}$ (직교 성분끼리 내적). 거꾸로는 $\mathbf F=F_r\hat{\mathbf r}+F_\theta\hat{\boldsymbol\theta}+F_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}$ 에 0절의 단위벡터 성분을 넣습니다.
  4. $x,y,z$로 쓰기: $\rho=\sqrt{x^2+y^2}$, $r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ 와 $\sin\theta=\rho/r$, $\cos\theta=z/r$, $\cos\varphi=x/\rho$, $\sin\varphi=y/\rho$ 를 넣습니다.
  5. 시간 미분: 연쇄법칙. 예: $\dfrac{d\hat{\mathbf r}}{dt}=\dot\theta\,\partial_\theta\hat{\mathbf r}+\dot\varphi\,\partial_\varphi\hat{\mathbf r}=\dot\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}+\sin\theta\,\dot\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}$.
왜 되나? (증명 스케치)

단위벡터는 길이가 늘 1이므로 $\hat{\mathbf e}\cdot\hat{\mathbf e}=1$ 을 미분하면 $2\,\hat{\mathbf e}\cdot\partial\hat{\mathbf e}=0$. 단위벡터의 도함수는 자기 자신에 수직입니다. 그래서 $\partial_\theta\hat{\mathbf r}$ 에는 $\hat{\mathbf r}$ 성분이 없습니다.

크기는 "얼마나 빨리 도는가"입니다. $\theta$ 를 $d\theta$ 바꾸면 $\hat{\mathbf r}$ 은 경선을 따라 각 $d\theta$ 만큼 돌아서 $\partial_\theta\hat{\mathbf r}=\hat{\boldsymbol\theta}$. $\varphi$ 를 $d\varphi$ 바꾸면 $\hat{\mathbf r}$ 의 끝은 반지름 $\sin\theta$ 인 위도원을 따라 돌아서 $\partial_\varphi\hat{\mathbf r}=\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}$.

또 $\hat{\mathbf e}_i\cdot\hat{\mathbf e}_j=0$ ($i\ne j$)을 미분하면 $\partial\hat{\mathbf e}_i\cdot\hat{\mathbf e}_j=-\hat{\mathbf e}_i\cdot\partial\hat{\mathbf e}_j$. 예: $\partial_\theta\hat{\mathbf r}\cdot\hat{\boldsymbol\theta}=1$ 이므로 $\partial_\theta\hat{\boldsymbol\theta}$ 의 $\hat{\mathbf r}$ 성분은 $-1$. 0절의 공식들은 이렇게 짝지어 있어서 절반만 기억하면 나머지를 만들 수 있습니다.

예제 2-1 구면 단위벡터의 편미분

$\hat{\mathbf r}=(\sin\theta\cos\varphi,\ \sin\theta\sin\varphi,\ \cos\theta)$ 를 미분합니다.

$$\begin{aligned}\partial_\theta\hat{\mathbf r}&=(\cos\theta\cos\varphi,\ \cos\theta\sin\varphi,\ -\sin\theta)=\hat{\boldsymbol\theta},\\\partial_\varphi\hat{\mathbf r}&=(-\sin\theta\sin\varphi,\ \sin\theta\cos\varphi,\ 0)=\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}.\end{aligned}$$

$\hat{\boldsymbol\theta}=(\cos\theta\cos\varphi,\ \cos\theta\sin\varphi,\ -\sin\theta)$ 를 미분합니다.

$$\begin{aligned}\partial_\theta\hat{\boldsymbol\theta}&=(-\sin\theta\cos\varphi,\ -\sin\theta\sin\varphi,\ -\cos\theta)=-\hat{\mathbf r},\\\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\theta}&=(-\cos\theta\sin\varphi,\ \cos\theta\cos\varphi,\ 0)=\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\varphi}.\end{aligned}$$

$\hat{\boldsymbol\varphi}=(-\sin\varphi,\ \cos\varphi,\ 0)$ 는 $\theta$와 무관하므로 $\partial_\theta\hat{\boldsymbol\varphi}=0$. 그리고 $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}=(-\cos\varphi,\ -\sin\varphi,\ 0)$ 입니다. 이것을 $\hat{\mathbf r},\hat{\boldsymbol\theta}$로 읽습니다.

$$\begin{aligned}-\sin\theta\,\hat{\mathbf r}-\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}&=\big(-(\sin^2\theta+\cos^2\theta)\cos\varphi,\\&\qquad-(\sin^2\theta+\cos^2\theta)\sin\varphi,\\&\qquad-\sin\theta\cos\theta+\cos\theta\sin\theta\big)\\&=(-\cos\varphi,\ -\sin\varphi,\ 0).\end{aligned}$$

따라서 $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}=-\sin\theta\,\hat{\mathbf r}-\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}$. 세 단위벡터 모두 $r$로 미분하면 0입니다.

예제 2-2 좌표 표현 바꾸기

(가) 구면 단위벡터를 $x,y,z$로. 레시피 4를 넣습니다.

$$\begin{aligned}\hat{\mathbf r}&=\frac{(x,\ y,\ z)}{r},\\\hat{\boldsymbol\theta}&=\Big(\frac zr\frac x\rho,\ \frac zr\frac y\rho,\ -\frac\rho r\Big)=\frac{(xz,\ yz,\ -(x^2+y^2))}{r\rho},\\\hat{\boldsymbol\varphi}&=\frac{(-y,\ x,\ 0)}{\rho}.\end{aligned}$$

(나) $\mathbf F=(-y,\ x,\ z)$ 를 원통 성분으로. $x=\rho\cos\varphi$, $y=\rho\sin\varphi$ 를 넣고 내적합니다.

$$\begin{aligned}F_\rho&=\mathbf F\cdot\hat{\boldsymbol\rho}=-\rho\sin\varphi\cos\varphi+\rho\cos\varphi\sin\varphi=0,\\F_\varphi&=\mathbf F\cdot\hat{\boldsymbol\varphi}=\rho\sin^2\varphi+\rho\cos^2\varphi=\rho,\qquad F_z=z.\end{aligned}$$

따라서 $\mathbf F=\rho\,\hat{\boldsymbol\varphi}+z\,\hat{\mathbf z}$.

(다) 상수 벡터장 $z\,\hat{\mathbf z}$ 를 구면 성분으로. $z=r\cos\theta$ 와 레시피 2의 $\hat{\mathbf z}$ 를 씁니다.

$$\begin{aligned}z\,\hat{\mathbf z}&=r\cos\theta\,(\cos\theta\,\hat{\mathbf r}-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta})\\&=r\cos^2\theta\,\hat{\mathbf r}-r\sin\theta\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}.\end{aligned}$$
예제 2-3 구면좌표에서 속도와 가속도

위치는 $\mathbf r=r\,\hat{\mathbf r}$ 입니다. 레시피 5로 미분합니다.

$$\mathbf v=\dot r\,\hat{\mathbf r}+r\frac{d\hat{\mathbf r}}{dt}=\dot r\,\hat{\mathbf r}+r\dot\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}+r\sin\theta\,\dot\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}.$$

한 번 더 미분할 때 쓰는 것:

$$\begin{aligned}\frac{d\hat{\boldsymbol\theta}}{dt}&=-\dot\theta\,\hat{\mathbf r}+\cos\theta\,\dot\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi},\\\frac{d\hat{\boldsymbol\varphi}}{dt}&=-\dot\varphi\,(\sin\theta\,\hat{\mathbf r}+\cos\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}).\end{aligned}$$

$\mathbf v$의 세 항을 각각 곱의 미분으로 풀고 같은 단위벡터끼리 모읍니다.

$$\begin{aligned}a_r&=\ddot r-r\dot\theta^2-r\sin^2\theta\,\dot\varphi^2,\\a_\theta&=r\ddot\theta+2\dot r\dot\theta-r\sin\theta\cos\theta\,\dot\varphi^2,\\a_\varphi&=r\sin\theta\,\ddot\varphi+2\dot r\dot\varphi\sin\theta+2r\dot\theta\dot\varphi\cos\theta.\end{aligned}$$

예를 들어 $a_\theta$: $\frac{d}{dt}(r\dot\theta)\hat{\boldsymbol\theta}$ 에서 $\dot r\dot\theta+r\ddot\theta$, $\dot r\,\frac{d\hat{\mathbf r}}{dt}$ 에서 $\dot r\dot\theta$, $r\sin\theta\dot\varphi\frac{d\hat{\boldsymbol\varphi}}{dt}$ 에서 $-r\sin\theta\cos\theta\dot\varphi^2$ 가 나옵니다.

3. 일반 공식을 원통·구면에 적용하기

레시피
  1. $h_1,h_2,h_3$ 과 곱 $h_1h_2h_3$ 을 먼저 적습니다.
  2. 0절의 일반 공식에 넣습니다. 미분은 $h$가 붙은 묶음 전체에 걸립니다(예: $\partial_r(r^2F_r)$).
  3. 공식이 기억나지 않으면 일반 공식에서 다시 만듭니다. 원통·구면 공식은 모두 이렇게 나옵니다.
  4. 벡터 라플라시안 $\nabla^2\mathbf F$ 는 곡선좌표에서 성분별로 하면 안 됩니다. $\nabla^2\mathbf F=\nabla(\nabla\cdot\mathbf F)-\nabla\times(\nabla\times\mathbf F)$ 로 계산합니다.
  5. 검산: 직교좌표로 바꿔서 계산한 결과와 비교합니다.
왜 되나? (증명 스케치)

기울기: $\nabla f$ 는 "$df=\nabla f\cdot d\mathbf r$ 가 되는 벡터"입니다(L07 4절). 곡선좌표에서 양변을 씁니다. $d\mathbf r=\sum_ih_i\,du_i\,\hat{\mathbf e}_i$ 이고 단위벡터가 정규직교이므로

$$\begin{aligned}df&=\sum_i\frac{\partial f}{\partial u_i}du_i,\\\nabla f\cdot d\mathbf r&=\sum_i(\nabla f)_i\,h_i\,du_i.\end{aligned}$$

모든 $du_i$ 에 대해 같아야 하므로 $(\nabla f)_i=\dfrac{1}{h_i}\dfrac{\partial f}{\partial u_i}$. "좌표 $u_i$를 1 바꾸면 실제로는 $h_i$만큼 움직이니 $h_i$로 나눈다"고 기억하면 됩니다.

왜 되나? (증명 스케치)

발산과 라플라시안: L08 4절의 작은 상자 논법을 곡선좌표의 작은 상자(변 $h_1du_1$, $h_2du_2$, $h_3du_3$)로 합니다. $u_1$ 방향 두 면의 넓이는 $h_2h_3\,du_2du_3$ 인데, 이 넓이 자체가 $u_1$에 따라 달라집니다. 그래서 두 면에서 나가는 플럭스의 차는 $F_1$ 이 아니라 $h_2h_3F_1$ 의 차입니다.

$$\begin{aligned}&\big[(h_2h_3F_1)\big|_{u_1+du_1}-(h_2h_3F_1)\big|_{u_1}\big]du_2du_3\\&\approx\partial_1(h_2h_3F_1)\,du_1du_2du_3.\end{aligned}$$

세 방향을 더하고 부피 $h_1h_2h_3\,du_1du_2du_3$ 로 나누면 0절의 발산 공식입니다. 라플라시안은 발산에 기울기 $F_i=\frac1{h_i}\partial_if$ 를 넣은 것뿐입니다: 예를 들어 $h_2h_3F_1=\dfrac{h_1h_2h_3}{h_1^2}\,\partial_1f$.

왜 되나? (증명 스케치)

curl: curl의 $\hat{\mathbf e}_1$ 성분은 "$\hat{\mathbf e}_1$ 에 수직인 작은 고리의 순환 ÷ 넓이"입니다(L08 7절). 변이 $h_2du_2$, $h_3du_3$ 인 작은 고리를 돕니다. $u_2$ 방향 변의 기여는 $F_2\cdot h_2du_2$ 이고, 마주 보는 두 변(방향 반대)의 차에서 $-\partial_3(h_2F_2)\,du_2du_3$ 가 나옵니다. $u_3$ 방향 두 변에서는 $+\partial_2(h_3F_3)\,du_2du_3$.

$$(\nabla\times\mathbf F)_1=\frac{\partial_2(h_3F_3)-\partial_3(h_2F_2)}{h_2h_3}.$$

나머지 성분은 $1\to2\to3$ 순환입니다. 세 식을 한꺼번에 쓴 것이 0절의 행렬식입니다. 첫 행에 $h_1\hat{\mathbf e}_1$ 이 있고 앞에 $\frac1{h_1h_2h_3}$ 이 있으니, 전개한 $\hat{\mathbf e}_1$ 의 계수가 $\frac{h_1}{h_1h_2h_3}=\frac1{h_2h_3}$ 배가 됩니다.

예제 3-1 구면 라플라시안 만들기와 $\nabla^2(r^2\cos\theta)$

$h_r=1$, $h_\theta=r$, $h_\varphi=r\sin\theta$, $h_rh_\theta h_\varphi=r^2\sin\theta$. 괄호 안 인자 $\frac{h_1h_2h_3}{h_i^2}$ 는

$$\begin{aligned}&\frac{r^2\sin\theta}{1}=r^2\sin\theta,\qquad \frac{r^2\sin\theta}{r^2}=\sin\theta,\\&\frac{r^2\sin\theta}{r^2\sin^2\theta}=\frac1{\sin\theta}.\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}\nabla^2f=\frac{1}{r^2\sin\theta}\Big[&\partial_r(r^2\sin\theta\,\partial_rf)\\&+\partial_\theta(\sin\theta\,\partial_\theta f)\\&+\partial_\varphi\Big(\frac{1}{\sin\theta}\partial_\varphi f\Big)\Big].\end{aligned}$$

첫 항에서 $\sin\theta$를 밖으로 빼면 0절의 구면 라플라시안이 됩니다.

적용: $f=r^2\cos\theta$.

$$\begin{aligned}\frac1{r^2}\partial_r(r^2\cdot2r\cos\theta)&=\frac{6r^2\cos\theta}{r^2}=6\cos\theta,\\\frac{1}{r^2\sin\theta}\partial_\theta\big(\sin\theta\cdot(-r^2\sin\theta)\big)&=\frac{-2r^2\sin\theta\cos\theta}{r^2\sin\theta}\\&=-2\cos\theta.\end{aligned}$$

$\varphi$ 항은 0이므로 $\nabla^2f=4\cos\theta$.

직교좌표 검산: $f=zr$. L07의 곱 법칙으로 $\nabla^2(zr)=z\nabla^2r+2\nabla z\cdot\nabla r+r\nabla^2z=z\cdot\frac2r+2\frac zr+0=\frac{4z}r=4\cos\theta$.

4. 구면·원통좌표 계산 예

레시피
  1. $r$만의 함수는 첫 항만 남습니다: $\nabla^2f(r)=\dfrac1{r^2}\dfrac{d}{dr}\Big(r^2\dfrac{df}{dr}\Big)$, $\nabla\cdot\big(F_r(r)\hat{\mathbf r}\big)=\dfrac1{r^2}\dfrac{d}{dr}(r^2F_r)$.
  2. $\hat{\boldsymbol\varphi}$ 성분만 있고 $\rho$만의 함수인 장 $F_\varphi(\rho)\hat{\boldsymbol\varphi}$: $\nabla\times\mathbf F=\dfrac1\rho\dfrac{d}{d\rho}(\rho F_\varphi)\,\hat{\mathbf z}$, $\nabla\cdot\mathbf F=0$.
  3. 원점($r=0$), $z$축($\rho=0$ 또는 $\sin\theta=0$)에서는 공식이 정의되지 않습니다. 그 점은 따로 생각합니다(L08의 $4\pi$ 같은 것).
예제 4-1 $\nabla^2(1/r)$, $\nabla\cdot(\hat{\mathbf r}/r^2)$, $\nabla^2r^n$ ($r\ne0$) $$\begin{aligned}\nabla^2\frac1r&=\frac1{r^2}\frac{d}{dr}\Big(r^2\cdot\Big(-\frac1{r^2}\Big)\Big)\\&=\frac1{r^2}\frac{d}{dr}(-1)=0,\\\nabla\cdot\frac{\hat{\mathbf r}}{r^2}&=\frac1{r^2}\frac{d}{dr}\Big(r^2\cdot\frac1{r^2}\Big)=0,\\\nabla^2r^n&=\frac1{r^2}\frac{d}{dr}\big(r^2\cdot nr^{n-1}\big)\\&=\frac{n(n+1)r^n}{r^2}=n(n+1)r^{n-2}.\end{aligned}$$

L07에서 직교좌표로 한 계산과 같은 결과가 한 줄로 나옵니다.

예제 4-2 원통의 $\nabla\times(\hat{\boldsymbol\varphi}/\rho)$, $\nabla\times(\rho\hat{\boldsymbol\varphi})$ 와 구면의 $\nabla(r\cos\theta)$

(가) $F_\varphi=1/\rho$, 나머지 0. $\hat{\boldsymbol\rho}$ 성분 $-\partial_zF_\varphi=0$, $\hat{\boldsymbol\varphi}$ 성분 $0$, $\hat{\mathbf z}$ 성분

$$\begin{aligned}&\frac1\rho\partial_\rho\Big(\rho\cdot\frac1\rho\Big)=\frac1\rho\partial_\rho(1)=0\\&\Rightarrow\ \nabla\times\frac{\hat{\boldsymbol\varphi}}{\rho}=0\quad(\rho\ne0).\end{aligned}$$

(나) $F_\varphi=\rho$: $\hat{\mathbf z}$ 성분 $\frac1\rho\partial_\rho(\rho^2)=2$. 따라서 $\nabla\times(\rho\hat{\boldsymbol\varphi})=2\hat{\mathbf z}$. 예제 2-2에서 $\rho\hat{\boldsymbol\varphi}=(-y,x,0)$ 이었고, L07 연습문제 C2의 결과 $(0,0,2)$와 같습니다.

(다) $f=r\cos\theta$: $\partial_rf=\cos\theta$, $\frac1r\partial_\theta f=-\sin\theta$, $\varphi$ 항은 0.

$$\nabla(r\cos\theta)=\cos\theta\,\hat{\mathbf r}-\sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta}=\hat{\mathbf z}.$$

$r\cos\theta=z$ 이므로 $\nabla z=\hat{\mathbf z}$ 가 맞습니다(레시피 2의 역변환).

5. 야코비안과 적분 변수 변환

레시피
  1. 야코비안(Jacobian): $J=\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}x_u&x_v\\y_u&y_v\end{vmatrix}$. 3차원도 같은 모양의 3×3 행렬식입니다.
  2. $dx\,dy=|J|\,du\,dv$, $dx\,dy\,dz=|J|\,du\,dv\,dw$.
  3. $u,v$가 $x,y$의 식으로 주어지면 거꾸로 $\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}$ 를 계산하고 역수를 씁니다: $\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=1\Big/\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}$.
  4. 변수 변환 절차: (가) 영역의 경계가 "$u=$상수", "$v=$상수"가 되도록 $u,v$를 고릅니다. (나) $uv$ 평면의 영역(대개 직사각형)을 적습니다. (다) $|J|$를 구합니다. (라) 피적분 함수를 $u,v$로 씁니다. (마) 적분합니다.
  5. 직교 곡선좌표에서는 $|J|=h_1h_2h_3$ 입니다. 검산에 씁니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$(u,v)$ 평면의 작은 직사각형 $du\times dv$ 는 $(x,y)$ 평면의 작은 (거의) 평행사변형으로 갑니다. 두 변은 $(x_u,\,y_u)\,du$ 와 $(x_v,\,y_v)\,dv$ 입니다(L08 3절의 $\mathbf r_u\,du$, $\mathbf r_v\,dv$ 와 같은 생각).

두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이는 그 성분으로 만든 2×2 행렬식의 절댓값입니다: $|x_uy_v-x_vy_u|\,du\,dv=|J|\,du\,dv$. 3차원에서는 세 변이 만드는 평행육면체의 부피, 즉 스칼라 삼중곱 = 3×3 행렬식입니다(L07 1절). 부호는 방향(오른손/왼손)이라 넓이에는 절댓값을 씁니다.

직교 곡선좌표에서는 세 변이 서로 수직이라 부피가 그냥 길이의 곱 $h_1h_2h_3$ 입니다. 역수 규칙은 6절의 연쇄법칙에서 나옵니다.

예제 5-1 야코비안 계산: 극좌표, 구면좌표, $u=x+y$, $v=x-y$

(가) 극좌표 $x=r\cos\varphi$, $y=r\sin\varphi$:

$$J=\begin{vmatrix}\cos\varphi&-r\sin\varphi\\\sin\varphi&r\cos\varphi\end{vmatrix}=r\cos^2\varphi+r\sin^2\varphi=r.$$

(나) 구면좌표: 열 순서는 $(r,\theta,\varphi)$ 입니다.

$$J=\begin{vmatrix}\sin\theta\cos\varphi&r\cos\theta\cos\varphi&-r\sin\theta\sin\varphi\\\sin\theta\sin\varphi&r\cos\theta\sin\varphi&r\sin\theta\cos\varphi\\\cos\theta&-r\sin\theta&0\end{vmatrix}.$$

셋째 행으로 전개합니다(부호 $+,-,+$). 셋째 성분은 0이라 두 항만 남습니다.

$$\begin{aligned}J&=\cos\theta\,\begin{vmatrix}r\cos\theta\cos\varphi&-r\sin\theta\sin\varphi\\r\cos\theta\sin\varphi&r\sin\theta\cos\varphi\end{vmatrix}\\&\quad-(-r\sin\theta)\begin{vmatrix}\sin\theta\cos\varphi&-r\sin\theta\sin\varphi\\\sin\theta\sin\varphi&r\sin\theta\cos\varphi\end{vmatrix}\\&=\cos\theta\cdot r^2\sin\theta\cos\theta+r\sin\theta\cdot r\sin^2\theta\\&=r^2\sin\theta(\cos^2\theta+\sin^2\theta)=r^2\sin\theta.\end{aligned}$$

$h_rh_\theta h_\varphi=1\cdot r\cdot r\sin\theta$ 와 같습니다.

(다) $u=x+y$, $v=x-y$: 거꾸로 계산하는 쪽이 쉽습니다.

$$\begin{aligned}\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}&=\begin{vmatrix}1&1\\1&-1\end{vmatrix}=-2\\\Rightarrow\ \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}&=-\frac12,\qquad dx\,dy=\frac12\,du\,dv.\end{aligned}$$

확인: $x=\frac{u+v}2$, $y=\frac{u-v}2$ 를 직접 미분하면 $\begin{vmatrix}1/2&1/2\\1/2&-1/2\end{vmatrix}=-\frac12$.

예제 5-2 변수 변환으로 적분하기

(가) 타원 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}\le1$ 의 넓이. $x=ar\cos\varphi$, $y=br\sin\varphi$ 로 두면 영역은 $0\le r\le1$, $0\le\varphi\le2\pi$ 입니다.

$$\begin{aligned}J&=\begin{vmatrix}a\cos\varphi&-ar\sin\varphi\\b\sin\varphi&br\cos\varphi\end{vmatrix}=abr,\\\text{넓이}&=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1abr\,dr\,d\varphi=\pi ab.\end{aligned}$$

(나) 꼭짓점이 $(0,0)$, $(2,1)$, $(3,3)$, $(1,2)$ 인 평행사변형 $R$에서 $\displaystyle\iint_R(x+y)\,dx\,dy$.

변의 방정식: $(0,0)$–$(2,1)$ 과 $(1,2)$–$(3,3)$ 은 $2y-x=0$, $2y-x=3$. $(0,0)$–$(1,2)$ 와 $(2,1)$–$(3,3)$ 은 $2x-y=0$, $2x-y=3$. 그래서

$$\begin{aligned}&u=2x-y,\quad v=2y-x,\\&0\le u\le3,\quad 0\le v\le3.\end{aligned}$$ $$\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}=\begin{vmatrix}2&-1\\-1&2\end{vmatrix}=3\ \Rightarrow\ dx\,dy=\frac13\,du\,dv.$$

피적분 함수: $u+v=x+y$ 입니다. 따라서

$$\begin{aligned}\iint_R(x+y)\,dx\,dy&=\frac13\int_0^3\!\!\int_0^3(u+v)\,du\,dv\\&=\frac13\Big(3\cdot\frac92+3\cdot\frac92\Big)=9.\end{aligned}$$

검산: 넓이 $=\frac13\cdot9=3$ 이고, 이는 두 변 벡터의 외적 $|(2,1)\times(1,2)|=|4-1|=3$ 과 같습니다. 또 $x+y$는 1차식이라 평균값이 중심 $(1.5,1.5)$에서의 값 $3$이므로 $3\times3=9$.

6. 야코비안의 연쇄법칙과 고정 변수 편미분

레시피
  1. 연쇄법칙: $\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(s,t)}=\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\cdot\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(s,t)}$. 분수처럼 약분되는 모양입니다. 특히 $\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\cdot\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}=1$ (5절의 역수 규칙).
  2. 고정 변수가 있는 편미분: $\Big(\dfrac{\partial u}{\partial x}\Big)_y=\dfrac{\partial(u,y)}{\partial(x,y)}$. 아래 첨자 $y$ 는 "$y$를 고정"이라는 뜻입니다. 같은 $\partial u/\partial x$ 라도 무엇을 고정하느냐에 따라 값이 다릅니다.
  3. 고정 변수 바꾸기: 계산하기 쉬운 변수 $(a,b)$ 를 연쇄법칙으로 끼워 넣습니다. $$\Big(\frac{\partial u}{\partial x}\Big)_v=\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,v)}=\frac{\partial(u,v)/\partial(a,b)}{\partial(x,v)/\partial(a,b)}.$$
  4. 자주 쓰는 결과: $\Big(\dfrac{\partial x}{\partial y}\Big)_z=1\Big/\Big(\dfrac{\partial y}{\partial x}\Big)_z$ (같은 변수를 고정할 때만), 그리고 삼중곱 규칙 $$\Big(\frac{\partial x}{\partial y}\Big)_z\Big(\frac{\partial y}{\partial z}\Big)_x\Big(\frac{\partial z}{\partial x}\Big)_y=-1.$$
  5. Arfken 4.4절에 이런 야코비안 조작이 있는 것으로 기억합니다(기억 기반, 미검증). 열역학의 편미분 계산에 그대로 씁니다.
왜 되나? (증명 스케치)

연쇄법칙: 편미분의 연쇄법칙 $\dfrac{\partial x_i}{\partial s_k}=\sum_j\dfrac{\partial x_i}{\partial u_j}\dfrac{\partial u_j}{\partial s_k}$ 는 야코비안 행렬의 곱입니다. 행렬식은 곱을 곱으로 보내므로($\det AB=\det A\,\det B$, L04) 야코비안도 곱해집니다. $s=x$ 로 두면 역수 규칙입니다.

고정 변수: $\dfrac{\partial(u,y)}{\partial(x,y)}=\begin{vmatrix}u_x&u_y\\0&1\end{vmatrix}=u_x$. 둘째 행이 $(\partial y/\partial x,\ \partial y/\partial y)=(0,1)$ 이라 "$y$ 고정 편미분"만 남습니다.

삼중곱 규칙: 세 인자를 야코비안으로 쓰면 $\dfrac{\partial(x,z)}{\partial(y,z)}\cdot\dfrac{\partial(y,x)}{\partial(z,x)}\cdot\dfrac{\partial(z,y)}{\partial(x,y)}$. 위쪽 두 함수의 순서를 바꾸면 부호가 바뀌므로 $\partial(x,z)=-\partial(z,x)$, $\partial(y,x)=-\partial(x,y)$, $\partial(z,y)=-\partial(y,z)$. 그러면 분자와 분모가 같아지고 $(-1)^3=-1$ 이 남습니다.

예제 6-1 극좌표 $x=r\cos\varphi$, $y=r\sin\varphi$ 에서 $\big(\frac{\partial x}{\partial r}\big)_\varphi$, $\big(\frac{\partial r}{\partial x}\big)_y$, $\big(\frac{\partial x}{\partial r}\big)_y$

먼저 $\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(r,\varphi)}=r$ 입니다(예제 5-1).

(가) $\varphi$ 고정: $x=r\cos\varphi$ 를 그대로 미분해서 $\big(\frac{\partial x}{\partial r}\big)_\varphi=\cos\varphi$.

(나) $y$ 고정: 직접 하면 $r=\sqrt{x^2+y^2}$ 에서 $\big(\frac{\partial r}{\partial x}\big)_y=\frac xr=\cos\varphi$. 야코비안으로는

$$\begin{aligned}\Big(\frac{\partial r}{\partial x}\Big)_y&=\frac{\partial(r,y)}{\partial(x,y)}\\&=\frac{\partial(r,y)/\partial(r,\varphi)}{\partial(x,y)/\partial(r,\varphi)}\\&=\frac{r\cos\varphi}{r}=\cos\varphi.\end{aligned}$$

여기서 $\dfrac{\partial(r,y)}{\partial(r,\varphi)}=\begin{vmatrix}1&0\\\sin\varphi&r\cos\varphi\end{vmatrix}=r\cos\varphi$ 입니다.

(다) $\big(\frac{\partial x}{\partial r}\big)_y$ 는 같은 $y$ 를 고정한 (나)의 역수입니다: $\dfrac{1}{\cos\varphi}$. 직접: $x=\sqrt{r^2-y^2}$ 에서 $\frac{r}{x}=\frac1{\cos\varphi}$.

(가)와 (다)는 같은 기호 $\partial x/\partial r$ 인데 값이 $\cos\varphi$ 와 $1/\cos\varphi$ 로 다릅니다. 고정하는 변수를 꼭 적어야 하는 이유입니다. 또 $\big(\frac{\partial r}{\partial x}\big)_y=\cos\varphi$ 는 $\big(\frac{\partial x}{\partial r}\big)_\varphi=\cos\varphi$ 의 역수가 아닙니다(고정 변수가 다름).

그림 표기로 보기: G7 2절 — 같은 $dx$를 같은 $dr$ 직선에 비추되 빛 방향만 다르면 $\cos\varphi$와 $1/\cos\varphi$ (선배 도식, 그림자 규칙). 고정 변수 바꾸기 공식은 G7 5절.

예제 6-2 연쇄법칙: $u=x^2-y^2$, $v=2xy$ 를 극좌표로

$\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}=\begin{vmatrix}2x&-2y\\2y&2x\end{vmatrix}=4(x^2+y^2)=4r^2$.

연쇄법칙: $\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(r,\varphi)}=\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}\cdot\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(r,\varphi)}=4r^2\cdot r=4r^3$.

직접 확인: $u=r^2\cos2\varphi$, $v=r^2\sin2\varphi$ 이므로

$$\begin{aligned}\frac{\partial(u,v)}{\partial(r,\varphi)}&=\begin{vmatrix}2r\cos2\varphi&-2r^2\sin2\varphi\\2r\sin2\varphi&2r^2\cos2\varphi\end{vmatrix}\\&=4r^3(\cos^22\varphi+\sin^22\varphi)=4r^3.\end{aligned}$$

(이 사상은 복소수로 $w=z^2$ 입니다. 넓이 배율 $4r^2$ 은 $|dw/dz|^2=|2z|^2$ 과 같습니다. L10에서 다시 나옵니다.)

7. 자주 하는 실수

8. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다(일부는 수치로 확인).

A. 척도인자

A1. 원통좌표의 $ds^2$ 와 척도인자를 방법 A로 구하세요.

답$ds^2=d\rho^2+\rho^2d\varphi^2+dz^2$, $(h_\rho,h_\varphi,h_z)=(1,\rho,1)$ — $dx=\cos\varphi\,d\rho-\rho\sin\varphi\,d\varphi$, $dy=\sin\varphi\,d\rho+\rho\cos\varphi\,d\varphi$, 교차항이 지워집니다.

A2. 타원기둥 좌표 $x=a\cosh u\cos v$, $y=a\sinh u\sin v$, $z=z$ 의 척도인자

답$h_u=h_v=a\sqrt{\sinh^2u+\sin^2v}$, $h_z=1$ — $|\partial_u\mathbf r|^2=a^2(\sinh^2u\cos^2v+\cosh^2u\sin^2v)$ 에 $\cosh^2u=1+\sinh^2u$. 두 편미분 벡터의 내적은 0입니다.

A3. 포물선 좌표 $x=\xi\eta\cos\varphi$, $y=\xi\eta\sin\varphi$, $z=\frac12(\xi^2-\eta^2)$ 의 척도인자

답$h_\xi=h_\eta=\sqrt{\xi^2+\eta^2}$, $h_\varphi=\xi\eta$ — $\partial_\xi\mathbf r=(\eta\cos\varphi,\eta\sin\varphi,\xi)$, $\partial_\eta\mathbf r=(\xi\cos\varphi,\xi\sin\varphi,-\eta)$, 내적 $\xi\eta-\xi\eta=0$.

A4. $x=u+v$, $y=v$ 는 직교 좌표계인가요?

답아닙니다 — $ds^2=du^2+2\,du\,dv+2\,dv^2$ 에 교차항이 남습니다. 이 레슨의 $h_i$ 공식들은 쓸 수 없습니다(야코비안 $|J|=1$ 은 여전히 쓸 수 있음).

B. 단위벡터와 좌표 표현

B1. 원통좌표에서 $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\rho}$, $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}$ 를 구하고, 속도와 가속도를 쓰세요.

답$\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\rho}=\hat{\boldsymbol\varphi}$, $\partial_\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}=-\hat{\boldsymbol\rho}$. $\mathbf v=\dot\rho\hat{\boldsymbol\rho}+\rho\dot\varphi\hat{\boldsymbol\varphi}+\dot z\hat{\mathbf z}$, $\mathbf a=(\ddot\rho-\rho\dot\varphi^2)\hat{\boldsymbol\rho}+(\rho\ddot\varphi+2\dot\rho\dot\varphi)\hat{\boldsymbol\varphi}+\ddot z\hat{\mathbf z}$.

B2. $\hat{\mathbf y}$ 를 구면 단위벡터로 쓰세요.

답$\hat{\mathbf y}=\sin\theta\sin\varphi\,\hat{\mathbf r}+\cos\theta\sin\varphi\,\hat{\boldsymbol\theta}+\cos\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}$ — 각 단위벡터의 $y$성분을 읽습니다.

B3. (가) $\mathbf F=(x,y,z)$ 를 구면 성분으로 (나) $\mathbf G=(y,\ -x,\ 0)$ 을 원통 성분으로

답(가) $r\,\hat{\mathbf r}$ — $F_r=\mathbf r\cdot\hat{\mathbf r}=r$, 나머지 0. (나) $-\rho\,\hat{\boldsymbol\varphi}$ — $G_\rho=\rho\sin\varphi\cos\varphi-\rho\cos\varphi\sin\varphi=0$, $G_\varphi=-\rho\sin^2\varphi-\rho\cos^2\varphi=-\rho$.

B4. 점 $(x,y,z)=(1,\ 1,\ \sqrt2)$ 에서 $r,\theta,\varphi$ 와 $\hat{\mathbf r},\hat{\boldsymbol\theta},\hat{\boldsymbol\varphi}$ 의 직교 성분

답$r=2$, $\theta=\varphi=\frac\pi4$. $\hat{\mathbf r}=\big(\frac12,\frac12,\frac{\sqrt2}2\big)$, $\hat{\boldsymbol\theta}=\big(\frac12,\frac12,-\frac{\sqrt2}2\big)$, $\hat{\boldsymbol\varphi}=\big(-\frac{\sqrt2}2,\frac{\sqrt2}2,0\big)$ — 예제 2-2 (가)의 식에 $\rho=\sqrt2$.

B5. 입자가 $r=R$, $\theta=\frac\pi3$ 에 머물며 $\varphi=\omega t$ 로 돕니다. 가속도의 구면 성분은?

답$a_r=-\frac34R\omega^2$, $a_\theta=-\frac{\sqrt3}4R\omega^2$, $a_\varphi=0$ — 예제 2-3에 $\dot r=\dot\theta=\ddot\varphi=0$. 크기 $\frac{\sqrt3}2R\omega^2=(R\sin\theta)\omega^2$ 로 원운동의 구심가속도와 같습니다.

C. 곡선좌표에서 미분

C1. $\nabla\cdot(\hat{\boldsymbol\rho}/\rho)$ 와 $\nabla\cdot(\rho\,\hat{\boldsymbol\rho})$

답$0$ ($\rho\ne0$) 과 $2$ — $\frac1\rho\partial_\rho(\rho\cdot\frac1\rho)=0$, $\frac1\rho\partial_\rho(\rho^2)=2$.

C2. $\nabla^2(\ln\rho)$

답$0$ ($\rho\ne0$) — $\frac1\rho\partial_\rho\big(\rho\cdot\frac1\rho\big)=0$.

C3. $\nabla(r^2\sin\theta\cos\varphi)$

답$2r\sin\theta\cos\varphi\,\hat{\mathbf r}+r\cos\theta\cos\varphi\,\hat{\boldsymbol\theta}-r\sin\varphi\,\hat{\boldsymbol\varphi}$ — 셋째 항은 $\frac{1}{r\sin\theta}\cdot(-r^2\sin\theta\sin\varphi)$. ($f=rx$ 이므로 $r\hat{\mathbf x}+x\hat{\mathbf r}$ 와 같습니다.)

C4. $\nabla\cdot(r^n\hat{\mathbf r})$

답$(n+2)\,r^{n-1}$ — $\frac1{r^2}\partial_r(r^{n+2})$. $n=-2$ 이면 0.

C5. $\nabla^2\Big(\dfrac{3\cos^2\theta-1}{r^3}\Big)$ ($r\ne0$)

답$0$ — 지름 부분 $\frac1{r^2}\partial_r(r^2\cdot(-3)r^{-4})=6r^{-5}$ 에 $(3\cos^2\theta-1)$, 각 부분 $\frac{1}{\sin\theta}\partial_\theta\big(\sin\theta\,\partial_\theta(3\cos^2\theta-1)\big)=-6(3\cos^2\theta-1)$ 에 $r^{-5}$. 합이 0.

C6. $\nabla\times\Big(\dfrac{\sin\theta}{r^2}\hat{\boldsymbol\varphi}\Big)$

답$\dfrac{2\cos\theta}{r^3}\hat{\mathbf r}+\dfrac{\sin\theta}{r^3}\hat{\boldsymbol\theta}$ — $r$ 성분 $\frac{1}{r\sin\theta}\partial_\theta\big(\frac{\sin^2\theta}{r^2}\big)$, $\theta$ 성분 $-\frac1r\partial_r\big(\frac{\sin\theta}{r}\big)$. (자기 쌍극자의 장 모양입니다.)

그림 표기로 보기: G2 예제 6-2(다) — C6을 sinθ φ̂/r² = ẑ×n/r²로 바꿔 곡선좌표 공식 없이 풀기(원점의 δ항 포함)

C7. 예제 1-2의 포물기둥 좌표에서 $f=\frac14(u^2+v^2)^2$ 의 $\nabla^2f$ (힌트: $f=x^2+y^2$)

답$4$ — $\partial_u^2f=3u^2+v^2$, $\partial_v^2f=u^2+3v^2$, 합 $4(u^2+v^2)$ 을 $u^2+v^2$ 로 나눔. 직교좌표 $\nabla^2(x^2+y^2)=4$ 와 같습니다.

D. 야코비안과 변수 변환

D1. 영역 $-1\le x+y\le1$, $0\le x-y\le1$ 에서 $\displaystyle\iint(x+y)^2e^{x-y}\,dx\,dy$

답$\dfrac{e-1}3$ — $u=x+y$, $v=x-y$, $dx\,dy=\frac12du\,dv$: $\frac12\int_{-1}^1u^2du\int_0^1e^vdv=\frac12\cdot\frac23(e-1)$.

D2. 꼭짓점이 원점이고 높이 $h$, 윗면 반지름 $a$인 원뿔($\rho\le\frac ahz$, $0\le z\le h$)의 부피를 원통좌표로

답$\dfrac{\pi a^2h}3$ — $\int_0^{2\pi}\int_0^h\int_0^{az/h}\rho\,d\rho\,dz\,d\varphi=2\pi\int_0^h\frac{a^2z^2}{2h^2}dz$.

D3. 타원체 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}\le1$ 의 부피 ($x=ar\sin\theta\cos\varphi$ 등으로)

답$\dfrac{4\pi abc}3$ — $J=abc\,r^2\sin\theta$, 단위공 부피 $\frac{4\pi}3$ 에 $abc$.

D4. $\displaystyle\iint_{\mathbb R^2}e^{-(x^2+y^2)}\,dx\,dy$ 를 극좌표로 구하고, $\displaystyle\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}dx$ 를 얻으세요.

답$\pi$, 그리고 $\sqrt\pi$ — $\int_0^{2\pi}\int_0^\infty e^{-r^2}r\,dr\,d\varphi=2\pi\cdot\frac12$. 왼쪽은 $\big(\int e^{-x^2}dx\big)^2$.

D5. 제1사분면에서 $xy=1$, $xy=3$, $y=x$, $y=4x$ 로 둘러싸인 넓이 ($u=xy$, $v=y/x$)

답$\ln4$ — $\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}=\begin{vmatrix}y&x\\-y/x^2&1/x\end{vmatrix}=\frac{2y}x=2v$, $dx\,dy=\frac{du\,dv}{2v}$, $\int_1^3du\int_1^4\frac{dv}{2v}=2\cdot\frac{\ln4}2$.

D6. 예제 1-2의 포물기둥 좌표에서 $\dfrac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}$

답$u^2+v^2$ — $\begin{vmatrix}u&-v\\v&u\end{vmatrix}$. $h_uh_v$ 와 같습니다.

D7. 극좌표에서 $\big(\frac{\partial\varphi}{\partial x}\big)_y$ 와 $\big(\frac{\partial\varphi}{\partial x}\big)_r$

답$-\dfrac{\sin\varphi}{r}$ 와 $-\dfrac{1}{r\sin\varphi}$ — 앞은 $\varphi=\arctan(y/x)$ 를 $x$로 미분해서 $-\frac{y}{x^2+y^2}$. 뒤는 $r$ 고정이면 $dx=-r\sin\varphi\,d\varphi$. 야코비안으로: $\frac{\partial(\varphi,r)}{\partial(x,r)}=\frac{\partial(\varphi,r)/\partial(r,\varphi)}{\partial(x,r)/\partial(r,\varphi)}=\frac{-1}{r\sin\varphi}$.

D8. 이상기체 $PV=nRT$ ($n$, $R$ 상수)에서 $\big(\frac{\partial P}{\partial V}\big)_T\big(\frac{\partial V}{\partial T}\big)_P\big(\frac{\partial T}{\partial P}\big)_V$

답$-1$ — $\big(-\frac{nRT}{V^2}\big)\cdot\frac{nR}{P}\cdot\frac{V}{nR}=-\frac{nRT}{PV}=-1$. 삼중곱 규칙 그대로입니다.

그림 표기로 보기: G7 4절 — 한 바퀴 비추면 $-dx$로 돌아오고, 닫힌 삼각형 $V\,dP+P\,dV-nR\,dT=0$에서 마이너스 셋이 곱해져 $-1$.

D9. $u=x+y$, $v=xy$ ($x>y$) 일 때 $\big(\frac{\partial x}{\partial u}\big)_v$

답$\dfrac{x}{x-y}$ — $\frac{\partial(x,v)}{\partial(u,v)}=\frac{\partial(x,v)/\partial(x,y)}{\partial(u,v)/\partial(x,y)}$, 분자 $\begin{vmatrix}1&0\\y&x\end{vmatrix}=x$, 분모 $\begin{vmatrix}1&1\\y&x\end{vmatrix}=x-y$. 직접: $x=\frac12\big(u+\sqrt{u^2-4v}\big)$ 를 $u$로 미분.

9. 다음

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