원통좌표계의 벡터 연산 (Vector Operation of Cylindrical Coordinates)

대부분의 수학/역학 서적에서 원통좌표계를 많이 다루지 않으나 실제로 원은 이상적인 형상일 경우가 많으므로 산업체에서는 유용한 개념이다. 본 글에서는 원통좌표계에서 기본적인 벡터 연산자의 유도 과정을 소개한다.
원통좌표계 위치 벡터

원통좌표계의 단위벡터는 좌표계의 함수이다. 단위벡터의 좌표계 미분을 복습하면 다음과 같다.

r^θ=θ^,θ^θ=r^,r^r=r^z=θ^r=θ^z=z^r=z^θ=z^z=0


경로 증분 (Path increment)

원통좌표계로 표현된 경로 증분 dp는 앞으로 많이 쓰일 것이다. 단위벡터의 좌표계 미분과 합성함수의 편미분법을 적용하면 다음과 같이 유도된다.

dp=d(rr^+zz^)=r^dr+rdr^+z^dz+zdz^=r^dr+r(r^rdr+r^θdθ+r^zdz)+z^dz+z(z^rdr+z^θdθ+z^zdz)=r^dr+θ^rdθ+z^dz


단위벡터의 시간미분 (Time derivative of the unit vectors)

또한 원통좌표계로 표현된 단위벡터의 시간미분도 앞으로 많이 활용될 것이다.

dr^dt=r^rr˙+r^θθ˙+r^zz˙=θ^θ˙dθ^dt=θ^rr˙+θ^θθ˙+θ^zz˙=r^θ˙dz^dt=z^rr˙+z^θθ˙+z^zz˙=0


속도와 가속도 (Velocity and Acceleration)

원통좌표계에서 한점의 속도와 가속도는 단위벡터 시간미분으로 표현될 수 있다.

v=p˙=dr^dtr+r^r˙+dz^dtz+z^z˙=r^r˙+θ^rθ˙+z^z˙a=v˙=dr^dtr˙+r^r¨+dθ^dtrθ˙+θ^r˙θ˙+θ^rθ¨+dz^dtz˙+z^z¨=θ^θ˙r˙+r^r¨r^rθ˙2+θ^r˙θ˙+θ^rθ¨+z^z¨=r^(r¨rθ˙2)+θ^(rθ¨+2r˙θ˙)+z^z¨


구배 연산자 (The del operator from the definition of the gradient)

어느 스칼라 장(場, field) f가 원통좌표계 r, θ, z의 함수라고 하자. 한 점에 dp 만큼의 미소변위가 있을 때 스칼라 함수 f도 df 만큼의 미소변화가 생긴다. 그 변화는 함수 f의 편미분으로 다음과 같이 결정된다.

df=frdr+fθdθ+fzdz

한편으로는 구배의 정의에 의해서 다음식을 얻는다.

df=fdp

위의 두 식은 같아야 하므로

frdr+fθdθ+fzdz=fdp=(f)rdr+(f)θrdθ+(f)zdz

위의 식은 임의의 dr, dθ 및 dz에 대하여 성립되어야 한다. 따라서,

(f)r=fr,(f)θ=frθ,(f)z=fz

위의 식은 구배의 각 성분을 나타내므로

=r^r+θ^rθ+z^z


발산 (Divergence)

발산 F는 또 다시 원통좌표계의 단위벡터가 좌표계의 함수라는 것을 고려하여 유도된다.

F=(r^r+θ^rθ+z^z)(Frr^+Fθθ^+Fzz^)=(r^r+θ^rθ+z^z)F=r^Fr+θ^Frθ+z^Fz=r^(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+Frr^r+Fθθ^r+Fzz^r)+θ^r(Frθr^+Fθθθ^+Fzθz^+Frr^θ+Fθθ^θ+Fzz^θ)+z^(Frzr^+Fθzθ^+Fzzz^+Frr^z+Fθθ^z+Fzz^z)

단위벡터의 좌표계 미분을 적용하면

F=r^(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+0+0+0)+θ^r(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+Frθ^Fθr^)+z^(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+0+0+0)=Frr+Frr+Fθrθ+Fzz=rr(rFr)+Fθrθ+Fzz


컬 (Curl)

×F 또한 원통좌표계의 단위벡터는 좌표계의 함수라는 것을 고려하여 유도된다.

×F=(r^r+θ^rθ+z^z)×(Frr^+Fθθ^+Fzz^)=(r^r+θ^rθ+z^z)×F=r^×Fr+θ^×Frθ+z^×Fz=r^×(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+Frr^r+Fθθ^r+Fzz^r)+θ^r×(Frθr^+Fθθθ^+Fzθz^+Frr^θ+Fθθ^θ+Fzz^θ)+z^×(Frzr^+Fθzθ^+Fzzz^+Frr^z+Fθθ^z+Fzz^z)

단위벡터의 좌표계 미분을 적용하면

×F=r^×(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^+0+0+0)+θ^r×(Frθr^+Fθθθ^+Fzθz^+Frθ^Fθr^)+z^×(Frzr^+Fθzθ^+Fzzz^+0+0+0)=(Fθrz^Fzrθ^)+(Frrθz^+Fzrθr^+Fθrz^)+(Frzθ^Fθzr^)=r^(FzrθFθz)+θ^(FrzFzr)+z^(rr(rFθ)Frrr) 


라플라시안 (Laplacian)

라플라시안은 다음과 같이 정의에 의해 유도될 수 있는 스칼라 연산자이다.

2f=(f)=(r^r+θ^rθ+z^z)(r^fr+θ^frθ+z^fz)=r^r(r^fr+θ^frθ+z^fz)+θ^rθ(r^fr+θ^frθ+z^fz)+z^z(r^fr+θ^frθ+z^fz)

적(積)의 미분법과 단위벡터의 좌표계 미분을 적용하면

2f=r^(r^2fr2θ^fr2θ+θ^2frθr+z^2fzr)+θ^r(θ^fr+r^2frθr^frθ+θ^2frθ2+z^2fzθ)+z^(r^2frz+θ^2frθz+z^2fz2)=2fr2+frr+2fr2θ2+2fz2=rr(rfr)+2fr2θ2+2fz2

따라서, 라플라시안 연산자는 다음과 같이 쓸 수 있다.

2=rr(rr)+2r2θ2+2z2

라플라시안 연산자를 벡터 F에 적용하면

2F=rr(rFr)+2Fr2θ2+2Fz2

각 항별로 벡터 F의 성분으로 편미분하면 다음과 같다.

Fr=r(Frr^+Fθθ^+Fzz^)=Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^Fθ=θ(Frr^+Fθθ^+Fzz^)=(FrθFθ)r^+(Fθθ+Fr)θ^+Fzθz^Fz=z(Frr^+Fθθ^+Fzz^)=Frzr^+Fθzθ^+Fzzz^2Fr2=r(Frrr^+Fθrθ^+Fzrz^)=2Frr2r^+2Fθr2θ^+2Fzr2z^2Fθ2=θ{(FrθFθ)r^+(Fθθ+Fr)θ^+Fzθz^}=(2Frθ22FθθFr)r^+(2FrθFθ+2Fθθ2)θ^+2Fzθ2z^2Fz2=z(Frzr^+Fθzθ^+Fzzz^)=2Frz2r^+2Fθz2θ^+2Fzz2z^

위의 결과를 앞의 각 항에 대입하면 벡터 F의 라플라시안을 얻는다.

2F={rr(rFrr)+2Frr2θ2+2Frz2Frr22Fθr2θ}r^+{rr(rFθr)+2Fθr2θ2+2Fθz2Fθr2+2Frr2θ}θ^+{rr(rFzr)+2Fzr2θ2+2Fzz2}z^

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