東京工業大学 理学院 物理学系 2018年8月実施 午前 [3]
Author
Miyake
Description
Kai
(1)
∂x∂ln∣r∣∂y∂ln∣r∣=21∂x∂ln(x2+y2)=x2+y2x=r2x=21∂y∂ln(x2+y2)=x2+y2y=r2y
なので、
∇ln∣r∣=(r2x,r2y)=r2r
(2)
x=rcosθ,y=rsinθ,r=x2+y2,tanθ=y/x より、
∂x∂r∂y∂r∂x∂θ∂y∂θ=rx=cosθ=ry=sinθ=−x2ycos2θ=−rsinθ=x1cos2θ=rcosθ
であるから、
∂x∂∂y∂=∂x∂r∂r∂+∂x∂θ∂θ∂=cosθ∂r∂−rsinθ∂θ∂=∂y∂r∂r∂+∂y∂θ∂θ∂=sinθ∂r∂+rcosθ∂θ∂
であり、
∂x2∂2∂y2∂2=(cosθ∂r∂−rsinθ∂θ∂)(cosθ∂r∂−rsinθ∂θ∂)=cos2θ∂r2∂2+r2sinθcosθ∂θ∂−rsinθcosθ∂r∂θ∂2+rsin2θ∂r∂−rsinθcosθ∂θ∂r∂2 +r2sinθcosθ∂θ∂+r2sin2θ∂θ2∂2=cos2θ∂r2∂2+2r2sinθcosθ∂θ∂−2rsinθcosθ∂r∂θ∂2+rsin2θ∂r∂+r2sin2θ∂θ2∂2=(sinθ∂r∂+rcosθ∂θ∂)(sinθ∂r∂+rcosθ∂θ∂)=sin2θ∂r2∂2−r2sinθcosθ∂θ∂+rsinθcosθ∂r∂θ∂2+rcos2θ∂r∂+rsinθcosθ∂θ∂r∂2 −r2sinθcosθ∂θ∂+r2cos2θ∂θ2∂2=sin2θ∂r2∂2−2r2sinθcosθ∂θ∂+2rsinθcosθ∂r∂θ∂2+rcos2θ∂r∂+r2cos2θ∂θ2∂2
したがって、
Δ=∂x2∂2+∂y2∂2=∂r2∂2+r1∂r∂+r21∂θ2∂2=r1∂r∂r∂r∂+r21∂θ2∂2
を得る。
(3)
∣r∣=0 のとき、(2) で得た式をつかって、
Δln∣r∣=r1∂r∂r∂r∂lnr=r1∂r∂rr1=0
を得る。
(4)
領域 ∣r∣≤a を S ,
閉曲線 ∣r∣=a を C で表して、
次のように計算できる:
I=∬SΔln∣r∣dxdy=∬S∇⋅r2r dxdy=∬S(∂x∂r2x+∂y∂r2y)dxdy=∮C(−r2ydx+r2xdy)=∫02π(−a2asinθ⋅(−asinθ)+a2acosθ⋅(acosθ))dθ=∫02πdθ=2π
(5)
(3), (4) より、
Δln∣r∣=2πδ2(r)
がわかる。
ただし、 δ2(⋅) は、
2次元のディラックのデルタ関数である。
(6)