前の記事 では2次元の極座標ラプラシアンを計算しましたが,今度は3次元以上のものも効率的に計算してみます.今回は意地でも微分計算をしたくなかったので,前記事の結果を少し引用します.
極座標変換
となるのでした.なお,高次元への拡張を意識して
今後のために,もう1つ式を導出します.上段の2式から
ラプラシアン
となり,両辺
とします.一方
が成り立ちます.(1)(2)から
となります.
を使うと,最終的に
が得られます.
2次元の結果をフルに活用して,3次元ラプラシアンの極座標表示を手際よく導出できました!
ここまで低次の結果をうまく使えるケースもなかなかないので,せっかくならより高次のラプラシアンも極座標表示してみようと思います.
まずは小手調べで4次元をやってみます.4次元の極座標変換は
です.3次元のときと同じように,
となり,両辺
としておきます.一方,
なので,以上をまとめて
となります.だんだん式が長くなってきましたが,やることは3次元のときとほぼ同じでしたね.
ここまでくると意地の領域ですが,
です.例のごとく,
置き換えによって得られる
です.2次元の極座標変換
が出るのでした.
よって,これまでの結果や再帰の流れを考えると,
と書けることが予想されます.ここで,
さっそくinduction stepに入りましょう.
となります.ここで,
とし,(3)(4)を使うと
となるので,
当初は思いついた2次元のものだけを書く予定でしたが,歯切れが悪いので,高次元Ver.も書くことにしました(笑).3次元以降は一切微分の計算をしていないことからもわかる通り,必要な計算をうまく2次元に押し込められているわけですね.