力学編 第14章

3次元の密度積分

この章では、線密度の積分公式(9)、面密度の積分公式(19)、体積密度の積分公式(29)を導く。

密度分布 𝜌(𝑥) が分かっている曲線・曲面・立体の全質量を求めたい。

全体の質量=微小要素の質量の和

3次元空間中に曲線(の形をしたひもや針金)がおかれているとする。この曲線の全質量を求める方法を考えてみる。もしも曲線の線密度が一定であればこれは簡単で、全質量 𝑚 は、線密度 𝜌 に「曲線の長さ 𝑙 」を掛けたものになる: 𝑚=𝜌𝑙(1) 𝑚𝑙 に比例することは直感的に明らかだろう。 𝜌 はその係数として定義されるものであり、予め分かっているとする。

線密度 𝜌 が場所によって異なる場合であっても、右図のように、曲線を多数の微小な線要素に仮想的に分割すればよい。全質量 𝑚 は、それぞれの線要素の質量 𝛿𝑚𝑖 を足し合わせたものである(=区分求積法)𝑚=𝑖𝛿𝑚𝑖 線要素を十分小さくとっておけば、各々の線要素内では密度が一定になっていると見なせるので、 𝛿𝑚𝑖 は、式(1)と同様に「線要素の密度 𝜌𝑖 」と「線要素の長さ 𝛿𝑙𝑖 」の積で近似できる: 𝛿𝑚𝑖𝜌𝑖𝛿𝑙𝑖 両式を合わせることにより、 𝑚𝑚𝑖𝜌𝑖𝛿𝑙𝑖 と近似できる。

等式にするには、分割を非常に細かくしていった極限𝛿0 と書くことにする)を取ればよい: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝜌𝑖𝛿𝑙𝑖(2) これは、区分求積法の形をしているので、通常の積分 𝑏𝑎𝑓(𝑥)𝑑𝑥 の形に帰着させる公式が存在しそうである。

この章では、そのような積分公式を求める。線密度・面密度・体積密度の場合それぞれについて、以下の3つの節に分けて議論を行う:14.1線密度の積分14.2面密度の積分14.3体積密度の積分

なお、見やすくするため、通常の積分表記 𝑏𝑎𝑓(𝑥)𝑑𝑥 の代わりに、 𝑑𝑥 を省略した以下の表記を使う(標準的ではない): 𝑏𝑥=𝑎𝑓(𝑥)𝑏𝑎𝑓(𝑥)𝑑𝑥

14.1線密度の積分

この節では、曲線の形状を適当なパラメータ 𝜃 で表すことにより、曲線上での積分を、通常の積分 𝑏𝜃=𝑎𝑓(𝜃) に帰着させる公式(9)を導く。

14.1.1全質量を微小線要素の和で表す:式(3)

質量を求めたい曲線を 𝐶 とおく。冒頭で述べたように、 𝐶 を微小な線要素に分割する。右図のように、 𝑖 番目の線要素の始点を 𝒙𝑖 とし、線要素の始点と終点を結ぶベクトルを 𝛿𝒙𝑖 とおく。1つの線要素の質量は 𝛿𝑚𝑖𝜌(𝒙𝑖)|𝛿𝒙𝑖| なので、全質量 𝑚 は、式(2)と同様に定式化できる: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝛿𝑚𝑖=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙𝑖)|𝛿𝒙𝑖|𝐶𝜌(𝒙)|𝑑𝒙|(3)(4) 式(3)の lim𝛿0𝑖 を形式的に 𝐶 に置き換えた形になっているのは、通常の区分求積法と同様である。 𝐶 は曲線 𝐶 上で積分を行うことを表す。通常の積分と違って絶対値 |𝑑𝒙| をかけており、積分の方向が意味を持たないので、この表記で十分である。

ただし、以降では、さらに積分表記を簡略化して、 |𝑑𝒙| を省略したものを使う(一般的ではない)𝑚=𝒙𝐶𝜌(𝒙)(5) 𝒙𝐶 は、 𝒙𝐶 上の点をとることを表す。式(5)を見たら、頭の中で式(3)(= 𝐶 を細かい線要素に分割して「線要素の長さと 𝜌 をかけたもの」の総和をとる)をイメージする。

14.1.2積分(5)を数直線上の積分に引き戻す:式(9)

式(5)の値は、曲線の形状 𝐶 と密度 𝜌 を与えることで決まる。問題は、これをどう計算するかである。冒頭でも述べたように、曲線 𝐶 は1次元なので、3次元空間内の積分(5)を、1次元の数直線 𝜃 上の積分 𝑏𝜃=𝑎𝑓(𝜃) の形に変換したい。この変換のことを、積分を(3次元空間から数直線上に)「引き戻す(pullback)」という。引き戻しを行うには、式(3)の各項を 𝜃 で表せばよい。

まず、右図のように針金の曲線 𝐶 に適当なパラメータ 𝜃 を入れ、 𝜃 が取り得る範囲を 𝐶𝜃 とおく。 𝜃 を与えれば、対応する 𝒙(𝜃) が決まる。これにより、密度分布 𝜌(𝒙) も、 𝐶𝜃 上に引き戻される(= 𝜃 の関数として表される)𝜌(𝒙(𝜃))

ここで、 𝐶𝜃 の分割を決めれば、曲線 𝐶 の分割も決まることに着目する。実際、右図のように、 𝐶𝜃 を微小な線要素 𝛿𝜃𝑖 に分割してやれば、 𝛿𝒙𝑖 は、微分の連鎖律から決まる: 𝛿𝒙𝑖𝑑𝒙𝑑𝜃𝛿𝜃𝑖(6) このことを、 𝐶𝜃 の分割を 𝐶 に「押し出す(pushforward)」という。これにより、式(3)の |𝛿𝒙𝑖| を、 𝛿𝜃𝑖 で表すことができる: |𝛿𝒙𝑖|=𝛿𝒙T𝑖𝛿𝒙𝑖(𝑑𝒙𝑑𝜃𝛿𝜃𝑖)T(𝑑𝒙𝑑𝜃𝛿𝜃𝑖)=(𝑑𝒙𝑑𝜃)T𝑔(𝑑𝒙𝑑𝜃)T(𝑑𝒙𝑑𝜃)T𝑑𝒙𝑑𝜃____𝑔(𝛿𝜃𝑖)2=𝑔𝛿𝜃𝑖(7) 𝛿𝜃𝑖 部分は本来、絶対値を付けて |𝛿𝜃𝑖| とすべきだが、 0<𝛿𝜃𝑖 となるように分割することにして絶対値を外した。 𝑔 は計量と呼ばれる。計量という名前は、式(7)のように、 𝛿𝜃 から、 𝛿𝒙 の大きさ |𝛿𝒙| を「計量」するために必要な量であることに由来する。

後は、式(7)を式(3)に代入すれば、 𝐶𝜃 での積分になる。即ち、 𝐶𝜃 の範囲を [𝜃0,𝜃1] として以下のようになる: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙(𝜃𝑖))𝑔𝛿𝜃𝑖=𝜃1𝜃=𝜃0𝜌𝑔(8) 得られた結果をまとめると、以下の【14.1-注1】のようになる。

【14.1-注1】線積分の引き戻し公式:式(9)

曲線 𝐶 上で与えられた線密度 𝜌(𝒙) を、 𝐶 上で積分したもの 𝑚𝑚=𝒙𝐶𝜌 で与えられる。この積分を数直線上の区間 𝐶𝜃=[𝜃0,𝜃1] に引き戻す公式は、以下のようになる:𝜌=𝜌(𝒙(𝜃)) 𝑚=𝜃1𝜃=𝜃0𝜌𝑔𝑔(𝜃)𝑑𝒙𝑑𝜃2(9)(10) あえてルート記号を残しているのは、後述の面積分(19)や体積積分(29)と合わせるためである。

14.1.3【例題】円の場合:式(11)

例題として、半径 𝑅 の円形の針金の質量 𝑚 を考える。線密度 𝜌 は定数とする。答えはもちろん 𝑚=2𝜋𝑅𝜌 (=円周の長さ 2𝜋𝑅 に線密度 𝜌 をかけたもの)であるが、式(9)を用いて計算する。

2次元の極座標 𝒙(𝜃)=[𝑅cos𝜃𝑅sin𝜃] を使って引き戻すのが自然である。式(10)より、 𝑔𝑔=𝑑𝒙𝑑𝜃=𝑅𝑑𝒙𝑑𝜃=[𝑅sin𝜃𝑅cos𝜃] よって質量 𝑚 は、式(9)により、積分範囲が [𝜃0,𝜃1]=[0,2𝜋] であることに注意して 𝑚=2𝜋𝜃=02𝜋𝜌𝑅=2𝜋𝜌𝑅(11)

14.2面密度の積分

この節では、曲面の形状をパラメータ表示することで、曲面上での積分を通常の多重積分に帰着させる公式(19)を導く。

14.2.1全質量を微小面要素の和で表す:式(12)

曲面𝑆 とおく)の質量を計算したい。そのために、前節と同様に、 𝑆 を微小な面要素に分割する。右図のように、 𝑖 番目の微小要素上の1点を 𝒙𝑖 とし、要素の面積を 𝛿𝑠𝑖 とおく。 𝑆 の全質量 𝑚 は、面要素の質量 𝛿𝑚𝑖𝜌(𝒙𝑖)𝛿𝑠𝑖 の和をとれば良いので、式(4)と同様に、以下のように書ける: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝛿𝑚𝑖=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙𝑖)𝛿𝑠𝑖𝑆𝜌(𝒙)𝑑2𝒙(12)(13) 𝑆 は曲面 𝑆 上の積分であることを表す。

前節の線積分の場合と揃えるために、微小な面積を 𝑑2𝒙 という記号で表している。これは、2次元平面上の2つのベクトル 𝛿𝒙,𝛿𝒚 が作る平行四辺形の面積 𝛿𝑠 が、 𝛿𝑠=±|𝛿𝒙𝛿𝒚| || は行列式であり、符号は全体が正になるように選ぶ)と書けることを考えると自然だろう。なお、3次元空間でも成り立つ面積の公式は、以下の【14.2-注1】のようになる。

前節と同様に、以降では、式(13)を以下のように略記する(一般的な記法ではない)𝒙𝑆𝜌(𝒙)(14)

【14.2-注1】3次元空間での面積の公式

2つの3次元ベクトル 𝒂,𝒃 が作る平行四辺形の面積 𝑠 は、以下のようになる: 𝑠=det([𝒂𝒃]T[𝒂𝒃])(15) det() は行列式である|| と書くと見づらいため)

導出

導出は、内積の公式 𝒂T𝒃=|𝒂||𝒃|cos𝜃 を使うだけである。 𝜃𝒂,𝒃 のなす角(右図)。実際、式(15)の右辺の2乗を計算していけば、左辺の2乗に一致する: (右辺)2=det([𝒂T𝒃T][𝒂𝒃])=det[𝒂T𝒂𝒂T𝒃𝒃T𝒂𝒃T𝒃]=|𝒂|2|𝒃|2(𝒂T𝒃)2=|𝒂|2|𝒃|2sin2𝜃=𝑠2

14.2.2式(12)を2次元平面上の積分に引き戻す:式(19)

曲面自体は2次元なので、積分(14)を2次元平面上の積分に引き戻すことを考える(右図)。まずは、曲面 𝑆 上に、適当なパラメータ 𝜽=(𝜃,𝜙) を入れてやればよい: 𝒙=𝒙(𝜽)𝜽 の取る平面領域を 𝑆𝜽 とおく。密度関数も、 𝜽 の関数に引き戻される: 𝜌(𝒙(𝜽))

次に、前節の1次元の場合と同様に、 𝑆𝜽 を微小面要素に分割する。 𝑆𝜽 での分割を 𝑆 に押し出すことにより、 𝑆 の分割も決まる。実際、微小面要素を「 𝜃,𝜙 軸に沿った長方形」とすれば(右図緑色部分)𝛿𝜃𝑖,𝛿𝜙𝑖 を元の曲面 𝑆 に押し出したベクトル、それぞれ 𝛿𝒙𝑖,𝛿𝒚𝑖𝛿𝒙𝑖𝜕𝒙𝜕𝜃𝛿𝜃𝑖𝛿𝒚𝑖𝜕𝒙𝜕𝜙𝛿𝜙𝑖{ { {{ { {(16) となる(式(6)と同様)

後は、式(12)の面積 𝛿𝑠𝑖 を、 𝛿𝜃𝑖,𝛿𝜙𝑖 を用いて表せばよい。式(16)を面積公式(15)に代入するだけである: 𝛿𝑠𝑖=det([右と同じ]T[𝛿𝒙𝑖𝛿𝒚𝑖])det([]T[𝜕𝒙𝜕𝜃𝛿𝜃𝑖𝜕𝒙𝜕𝜙𝛿𝜙𝑖])∣ ∣ ∣ ∣定義:𝑑𝒙𝑑𝜽[𝜕𝒙𝜕𝜃𝜕𝒙𝜕𝜙]=det([]T𝑑𝒙𝑑𝜽[𝛿𝜃𝑖00𝛿𝜙𝑖])行列式の公式:|𝐴𝐵|=|𝐴||𝐵|=(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑔(𝑑𝒙𝑑𝜽)T(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽____𝑔𝛿𝜃𝑖00𝛿𝜙𝑖2=|𝑔|𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖(17) なお、 𝛿𝜃𝑖,𝛿𝜙𝑖 には、本来、絶対値が必要だが、前節と同様に 0<𝛿𝜃𝑖,𝛿𝜙𝑖 と取ることにして絶対値を外した。この 𝑔 も計量と呼ばれる。 𝑆𝜽 上での微小ベクトル 𝛿𝜽𝑆 に押し出したベクトル 𝛿𝒙 の大きさは、 𝑔 により、 |𝛿𝒙|𝛿𝒙T𝛿𝒙𝛿𝜽T𝑔𝛿𝜽 と書ける。

式(17)を区分求積の式(12)に代入すると、全質量 𝑚 が、2次元平面 𝑆𝜽 上の積分で表される: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙𝑖)𝛿𝑠𝑖=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙(𝜽𝑖))|𝑔|𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖𝑆𝜽𝜌|𝑔|𝑑𝜃𝑑𝜙(18) 𝑆𝜽 上での積分(18)を計算するには、 𝜃 積分と 𝜙 積分を順に行えばよい(累次積分)𝑚=𝜃1𝜃=𝜃0𝜙1(𝜃)𝜙=𝜙0(𝜃)𝜌|𝑔| 詳細は以下の【14.2-注2】を参照のこと。

【14.2-注2】面積分の引き戻し公式:式(19)

曲面 𝑆 上で与えられた線密度 𝜌(𝒙) を、 𝑆 上で積分したもの 𝑚𝑚=𝒙𝑆𝜌 を計算したい。この積分を、 𝜽=(𝜃,𝜙) を軸とする2次元平面上の領域 𝑆𝜽 上の積分に引き戻す公式は、以下のようになる:𝜌=𝜌(𝒙(𝜽)) 𝑚=𝜃1𝜃=𝜃0𝜙1(𝜃)𝜙=𝜙0(𝜃)𝜌|𝑔|𝑔(𝜃)(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽(19)(20) まず 𝜙 積分を行って、次に 𝜃 積分を行えばよい。

ただし、 𝜃 積分の範囲 𝜃0,𝜃1 は、 𝑆𝜽 における 𝜃 の最小値・最大値である(右図)𝜙 積分の範囲 𝜙0(𝜃),𝜙1(𝜃) は、 𝜃 を固定したときの 𝜙 の最小値・最大値である(同図)式(19)の積分順序を変えて 𝜃 積分を先に行ってもよい: 𝑚=𝜙1𝜙=𝜙0𝜃1(𝜙)𝜃=𝜃0(𝜙)𝜌|𝑔| その場合、 𝑆𝜽 を横に刻む形になる:

14.2.3【例題】球面の場合:式(21)

半径 𝑅 の球面の質量 𝑚 を考える。面密度 𝜌 は定数とする。答えはもちろん、 𝑚=4𝜋𝑅2𝜌 である。

極座標 𝜽=(𝜃,𝜙)𝒙(𝜽)=⎢ ⎢ ⎢𝑅sin𝜃cos𝜙𝑅sin𝜃sin𝜙𝑅cos𝜃⎥ ⎥ ⎥ を用いて引き戻すことを考える。まず、 |𝑔| は、計量 𝑔 の定義(20)により、以下のようになる: 𝑔=(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽∣ ∣ ∣ ∣ ∣𝑑𝒙𝑑𝜽=[𝜕𝒙𝜕𝜃𝜕𝒙𝜕𝜙]=𝑅⎢ ⎢cos𝜃cos𝜙sin𝜃sin𝜙cos𝜃sin𝜙sin𝜃cos𝜙sin𝜃0⎥ ⎥=[𝑅200𝑅2sin2𝜃]|𝑔|=𝑅2sin𝜃 𝑔 が上手く対角化されているのは、 𝜃 軸と 𝜙 軸が直交するためである。よって、式(19)から質量 𝑚 が求まる。実際、 𝑆𝜽 が、 0<𝜃<𝜋0<𝜙<2𝜋 で定義される直方体であることに注意して 𝑚=𝜋𝜃=02𝜋𝜙=0𝜌𝑅2sin𝜃=𝜋𝜃=0sin𝜃22𝜋𝜙=012𝜋𝜌𝑅2=4𝜋𝑅2𝜌(21)

14.3体積密度の積分

立体の場合、すでに通常の多重積分の形になっているので、引き戻しは、単なる変数変換となる。この節では、その変数変換の公式(29)を導く。

14.3.1全質量を微小体積要素の和で表す:式(22)

立体 𝑉 の質量を求めたい。これまでと同様に、 𝑉 を微小な体積要素に分割する。 𝑖 番目の要素上の1点を 𝒙𝑖 、体積を 𝛿𝑣𝑖 とおくと、 𝑉 の全質量 𝑚𝑚=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙𝑖)𝛿𝑣𝑖=𝑉𝜌(𝒙)𝑑3𝒙(22)(23) となる。前節同様、式(22)は、以下のようにも表記する: 𝒙𝑉𝜌(𝒙)(24)

3つのベクトル 𝛿𝒙,𝛿𝒚,𝛿𝒛 が作る平行六面体の体積 𝛿𝑣 は、平行四辺形の面積に場合(15)と同様に 𝛿𝑣=det([𝛿𝒙𝛿𝒚𝛿𝒛]T[𝛿𝒙𝛿𝒚𝛿𝒛])(25) となる。あるいは、公式 |𝐴𝐵|=|𝐴||𝐵| が使えるので、以下のようにも書ける:(符号は全体が正になるようにとる) 𝛿𝑣=±|𝛿𝒙𝛿𝒚𝛿𝒛|

14.3.2そのまま計算する場合は式(26)、変数変換を行う場合は式(28)

3次元の場合は、引き戻し(変数変換)を行わなくても計算できる。実際、体積要素が「 𝑥,𝑦,𝑧 軸に沿った直方体」になるように分割を行えば、その体積 𝛿𝑣𝑖 は、直方体の各辺の長さを 𝛿𝑥𝑖,𝛿𝑦𝑖,𝛿𝑧𝑖 として、 𝛿𝑣𝑖=𝛿𝑥𝑖𝛿𝑦𝑖𝛿𝑧𝑖 となるので、式(23)は以下のようになる: 𝑚=𝑉𝜌(𝒙)𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧=𝑥1𝑥=𝑥0𝑦1(𝑥)𝑦=𝑦0(𝑥)𝑧1(𝑥,𝑦)𝑧=𝑧0(𝑥,𝑦)𝜌(𝒙)(26) 前節の式(19)と同様に、各変数について順に積分すれば計算できる。

とはいえ、変数変換を考えたほうがよい場合もある。例えば、球対称な物体の場合は、極座標を用いた方が計算しやすいだろう。変数変換を行うために、立体 𝑉 上に適当なパラメータ 𝜽=(𝑟,𝜃,𝜙) を入れる: 𝒙=𝒙(𝜽)𝜽 の取り得る領域を 𝑉𝜽 とする。 𝑉𝜽 上の微小体要素として、 𝑟,𝜃,𝜙 軸に沿った直方体 𝛿𝑟𝛿𝜃𝛿𝜙 を考え、「この直方体を 𝑉 に押し出したもの」の体積 𝛿𝑣𝑖 は、式(25)を用いて以下のようになる: 𝛿𝑣𝑖=det([右と同じ]T[𝛿𝒙𝛿𝒚𝛿𝒛])det([]T[𝜕𝒙𝜕𝑟𝛿𝑟𝑖𝜕𝒙𝜕𝜃𝛿𝜃𝑖𝜕𝒙𝜕𝜙𝛿𝜙𝑖])∣ ∣ ∣ ∣定義:𝑑𝒙𝑑𝜽[𝜕𝒙𝜕𝑟𝜕𝒙𝜕𝜃𝜕𝒙𝜕𝜙]=√ √ √ √ √det⎜ ⎜ ⎜[]T𝑑𝒙𝑑𝜽⎢ ⎢𝛿𝑟𝑖𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖⎥ ⎥⎟ ⎟ ⎟=∣ ∣ ∣ ∣(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑔∣ ∣ ∣ ∣√ √ √ √ √(𝑑𝒙𝑑𝜽)T(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽____𝑔𝛿𝑟𝑖𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖2=|𝑔|𝛿𝑟𝑖𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖(27) 𝛿𝑟𝑖𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖 には、本来、絶対値が必要だが、これまでと同様に 0<𝛿𝑟𝑖,𝛿𝜙𝑖,𝛿𝜙𝑖 と取ることにして、絶対値を外した。

上式(27)を、式(22)に代入すると、変数変換を行った場合の公式が得られる: 𝑚=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙𝑖)𝛿𝑣𝑖=lim𝛿0𝑖𝜌(𝒙(𝜽𝑖))|𝑔|𝛿𝑟𝑖𝛿𝜃𝑖𝛿𝜙𝑖=𝑉𝜽𝜌|𝑔|𝑑𝑟𝑑𝜃𝑑𝜙(28) 以上をまとめると、【14.3-注1】のようになる。

【14.3-注1】体積積分の引き戻し公式:式(29)

体積 𝑉 上で与えられた密度 𝜌(𝒙) を、 𝑉 上で積分したもの 𝑚𝑚=𝒙𝑉𝜌 で与えられる。この積分を、 𝜽=(𝑟,𝜃,𝜙) を変数とする領域 𝑉𝜽 上の積分に引き戻す(=変数変換する)には、被積分関数に |𝑔| をかければよい:𝜌=𝜌(𝒙(𝜽)) 𝑚=𝜽𝑉𝜽𝜌|𝑔|=𝑟1𝑟=𝑟0𝜃1(𝑟)𝜃=𝜃0(𝑟)𝜙1(𝑟,𝜃)𝜙=𝜙0(𝑟,𝜃)𝜌|𝑔|𝑔(𝜃)(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽(29)(30) なお、 |𝑔| は以下のようにもかける:(符号は全体が正になるようにとる) |𝑔|=±𝑑𝒙𝑑𝜽

14.3.3【例題1】球の場合:式(31)

半径 𝑅 の球の質量 𝑚 を考える。密度 𝜌 は定数とする。答えはもちろん、 𝑚=4𝜋3𝑅3𝜌 である。

極座標 𝜽=(𝑟,𝜃,𝜙)𝒙(𝜽)=⎢ ⎢𝑟sin𝜃cos𝜙𝑟sin𝜃sin𝜙𝑟cos𝜃⎥ ⎥ を用いて変数変換することを考える。 |𝑔| は、計量 𝑔 の定義(30)により 𝑑𝒙𝑑𝜽=[𝜕𝒙𝜕𝑟𝜕𝒙𝜕𝜃𝜕𝒙𝜕𝜙]=⎢ ⎢sin𝜃cos𝜙𝑟cos𝜃cos𝜙𝑟sin𝜃sin𝜙sin𝜃sin𝜙𝑟cos𝜃sin𝜙𝑟sin𝜃cos𝜙cos𝜃𝑟sin𝜃0⎥ ⎥𝑔=(𝑑𝒙𝑑𝜽)T𝑑𝒙𝑑𝜽=⎢ ⎢ ⎢1000𝑟2000𝑟2sin2𝜃⎥ ⎥ ⎥|𝑔|=𝑟2sin𝜃 となる。今回も計量 𝑔 が対角行列になっているが、これも 𝑟,𝜃,𝜙 軸が互いに直交するからである。よって、式(29)から 𝑚 が計算できる: 𝑚=𝑅𝑟=0𝜋𝜃=02𝜋𝜙=0𝜌𝑟2sin𝜃=2𝜋𝜙=0𝑅𝑟=0𝑟213𝑅32𝜋𝜙=0𝜋𝜃=0sin𝜃22𝜋𝜙=012𝜋𝜌=4𝜋3𝑅3𝜌(31)

14.3.4【例題2】楕円体の慣性モーメント:式(32)

第13章では、密度 𝜌 が一定値の楕円体 𝐺(𝒙)𝑥2𝑎2+𝑦2𝑏2+𝑧2𝑐21 の慣性モーメント 𝐼 の値が以下の式(32)となることを、結果だけ示した。ここではその導出を行う。

まず、楕円体の積分を球の積分にするために、以下の変数変換を考える: 𝒙(𝒙)=⎢ ⎢𝑎𝑥𝑏𝑦𝑐𝑧⎥ ⎥ すると、積分領域は単位球になり、計量は |𝑔|=𝑎𝑏𝑐 となる。これらを用いて、慣性モーメント 𝐼 は以下のように計算できる: 𝐼𝐺1𝜌(|𝒙|2𝒙𝒙T)∣ ∣ ∣ ∣非対角部分は、被積分関数が𝑥,𝑦,𝑧軸のいずれかに関して奇関数なので、積分すると0になる=𝜌𝐺1⎢ ⎢ ⎢𝑦2+𝑧2𝑧2+𝑥2𝑥2+𝑦2⎥ ⎥ ⎥𝑥,𝑦,𝑧𝑥,𝑦,𝑧に変数変換=𝜌|𝒙|1⎢ ⎢ ⎢𝑏2𝑦2+𝑐2𝑧2𝑐2𝑧2+𝑎2𝑥2𝑎2𝑥2+𝑏2𝑦2⎥ ⎥ ⎥𝑎𝑏𝑐∣ ∣ ∣ ∣積分領域が球対称になっているので𝑦2,𝑧2𝑥2で置き換えても値は変わらない=𝜌(|𝒙|1𝑥2)⎢ ⎢ ⎢𝑏2+𝑐2𝑐2+𝑎2𝑎2+𝑏2⎥ ⎥ ⎥𝑎𝑏𝑐∣ ∣ ∣ ∣ ∣()=4𝜋15(以下の【14.3-2)𝑚=4𝜋3𝑎𝑏𝑐𝜌(楕円体の質量)=𝑚5⎢ ⎢ ⎢𝑏2+𝑐2𝑐2+𝑎2𝑎2+𝑏2⎥ ⎥ ⎥(32)

【14.3-注2】積分の公式

以下の積分公式が成り立つ: |𝒙|1𝑥2=4𝜋15

導出

導出は、極座標に変数変換すればよい: |𝒙|1𝑥2=|𝒙|1𝑥2+𝑦2+𝑧23=1𝑟=0𝜋𝜃=02𝜋𝜙=0𝑟23𝑟2sin𝜃=1𝑟=0𝑟434𝜋=1154𝜋