スカラーのラプラシアンを3次元の球座標系
で表すと、次のようになります。
勾配の発散 - 数式で独楽する
\begin{eqnarray}
x &=& r \sin \theta \cos \phi \\
y &=& r \sin \theta \sin \phi \\
z &=& r \cos \theta
\end{eqnarray}のとき、
\begin{eqnarray}
\nabla^2 u &=& \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial z^2}\\
&=& \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r} \left( r^2 \, \frac{\partial u}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2 \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta} \left( \sin \theta \, \frac{\partial u}{\partial \theta} \right) + \frac{1}{r^2 \sin^2 \theta} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2}
\end{eqnarray}
3次元極座標系(球座標系)のラプラシアン - 数式で独楽する
では3次元球座標系のラプラシアンを直接導きましたが、勾配と発散を導いていると、ラプラシアンの導出も容易です。
まず、スカラーの勾配は
\begin{equation}
\nabla u = \frac{\partial u}{\partial r} \, \boldsymbol{e}_r + \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta} \, \boldsymbol{e}_\theta + \frac{1}{r \sin \theta} \frac{\partial u}{\partial \phi} \, \boldsymbol{e}_\phi \tag{1}
\end{equation}です。
3次元球座標系の勾配 - 数式で独楽する
3次元球座標系の勾配 ~ 行列的アプローチ - 数式で独楽する
ベクトル
\begin{equation}
\boldsymbol{A}= A_r \, \boldsymbol{e}_r + A_\theta \, \boldsymbol{e}_\theta + A_\phi \, \boldsymbol{e}_\phi \tag{2}
\end{equation}の発散は、
\begin{equation}
\nabla \cdot \boldsymbol{A} =\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r} (r^2 A_r) + \frac{1}{r \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta} (\sin \theta \, A_\theta) + \frac{1}{r \sin \theta} \frac{\partial A_\phi}{\partial \phi} \tag{3}
\end{equation}です。
3次元球座標系の発散 - 数式で独楽する
3次元球座標系の発散 ~ 内積のように導く - 数式で独楽する
ここで
\begin{equation}
\boldsymbol{A} = \nabla u \tag{4}
\end{equation}とすると、式(1), (2)より
\begin{eqnarray}
A_r &=& \frac{\partial u}{\partial r} \tag{5} \\
A_\theta &=& \frac{1}{r} \frac{\partial u}{\partial \theta} \tag{6} \\
A_\phi &=& \frac{1}{r \sin \theta} \frac{\partial u}{\partial \phi} \tag{7}
\end{eqnarray}となります。
式(4)~(7)を式(3)に代入すると、3次元球座標系のラプラシアン
\begin{equation}
\nabla^2 u =\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r} \left( r^2 \, \frac{\partial u}{\partial r} \right) + \frac{1}{r^2 \sin \theta} \frac{\partial}{\partial \theta} \left( \sin \theta \, \frac{\partial u}{\partial \theta} \right) + \frac{1}{r^2 \sin^2 \theta} \frac{\partial^2 u}{\partial \phi^2}
\end{equation}を得ます。
ポンポンと置く感じで導くことができます。
