기계공학 (Mechanical Engineering)

극좌표계 에서 기본적인 벡터 연산자(vector operator)의 유도 과정을 소개한다. 극좌표계의 단위 벡터는 좌표계의 함수 이다. 단위 벡터의 좌표계 미분 을 복습하면 다음과 같다. \[\begin{split}&\frac{\partial\hat{r}}{\partial r}=\frac{\partial\hat\theta}{\partial r}=\frac{\partial\hat\phi}{\partial r}=\frac{\partial\hat\phi}{\partial\theta}=0,\,\frac{\partial\hat{r}}{\partial\theta}=\hat\theta,\,\frac{\partial\hat{r}}{\partial\phi}=\sin\theta\hat\phi,\,\frac{\partial\hat\theta}{\partial\theta}=-\hat{r},\,\frac{\partial\hat\theta}{\partial\phi}=\cos\theta\hat\phi,\,\\&\frac{\partial\hat\phi}{\partial\phi}=-\cos\theta\hat\theta-\sin\theta\hat{r}\end{split}\] 경로 증분 (Path Increment) 단위 벡터의 좌표계 미분과 합성함수의 편미분법 을 적용하면 다음과 같이 유도된다. \[d{\bf p}=d(r\hat{r})=\hat{r}dr+rd\hat{r}=\hat{r}dr+r\left(\frac{\partial\hat{r}}{\partial r}dr+\frac{\partial\hat{r}}{\partial\theta}d\theta+\frac{\partial\hat{r}}{\partial\phi}d\phi\right)=\hat{r}dr+r\hat\theta d\theta+r\sin\theta\hat\phi d\phi\] 구배 연산자 (Del Operator from the Definition of Gradient) 어느 스칼라 장(場, field) \(f\...

직교좌표계와 상호변환 \(r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\) \(\theta={\rm Tan}^{-1}(y/x)\) \(\phi={\rm Cos}^{-1}(z/r)\) \(x=r\sin\theta\cos\phi\) \(y=r\sin\theta\sin\phi\) \(z=r\cos\theta\) 단위 벡터 극좌표계의 단위 벡터는 직교좌표계와 달리 원주(원통)좌표계 처럼 좌표의 함수 이다. 따라서 직교좌표계 단위 벡터와 같이 표현하면 편리하다. \(\hat{r}=\dfrac{\bf r}{r}=\dfrac{x{\bf i}+y{\bf j}+z{\bf k}}{r}=\sin\theta\cos\phi{\bf i}+\sin\theta\sin\phi{\bf j}+\cos\theta{\bf k}\) \(\begin{split}\hat\theta&=\hat\phi\times\hat{r}=(-\sin\theta{\bf i}+\cos\phi{\bf j})\times(\sin\theta\cos\phi{\rm i}+\sin\theta\sin\phi{\bf j}+\cos\theta{\bf k})\\&=\cos\theta\cos\phi{\bf i}+\cos\theta\sin\phi{\bf j}-\sin\theta{\bf k}\end{split}\) \(\hat\phi=\hat{z}\times\hat{r}(\pi/2,\,\phi)={\bf k}\times(\cos\phi{\bf i}+\sin\phi{\bf j})=-\sin\phi{\bf i}+\cos\phi{\bf j}\) 단위 벡터의 좌표계 미분 위의 표현을 이용하면 다음과 같이 쉽게 단위 벡터의 좌표계 방향별 편미분 을 유도할 수 있다. \(\dfrac{\partial\hat{r}}{\partial r}=0\) \(\dfrac{\partial\hat{r}}{\partial\theta}=\cos\theta\cos\phi{\bf i}+\cos\theta\sin\phi{\bf j}-\sin\theta{\bf k}=\...