体積要素のソースを表示

{{翻訳直後|[[:en:Special:Permalink/718824413|en:Volume_element]]|date=2017年2月}}
{{参照方法|date=2017年2月}}

[[数学]]において、'''体積要素'''（たいせきようそ、{{Lang-en-short|volume element}}）とは、[[関数 (数学)|関数]]を[[球面座標系]]や[[円柱座標変換|円柱座標系]]など様々な座標系において[[体積]]について[[積分法|積分]]する際に現われる概念である。次の式により表現される:
:<math>dV := \rho(u_1,u_2,u_3)\,du_1\,du_2\,du_3.</math>
ここで、{{Math|''u''<sub>''i''</sub>}} は[[座標]]であり、任意の集合 {{Mvar|B}} の体積を次のように計算できるものとする:
:<math>\operatorname{Volume}(B) := \int_B \rho(u_1,u_2,u_3)\,du_1\,du_2\,du_3.</math>
たとえば、球面座標系においては{{Math|1=d''V'' = ''u''<sub>1</sub><sup>2</sup> sin ''u''<sub>2</sub> d''u''<sub>1</sub> d''u''<sub>2</sub> d''u''<sub>3</sub>}} であり、従って {{Math|1=d''V'' = ''u''<sub>1</sub><sup>2</sup> sin ''u''<sub>2</sub>}} である。

体積要素という概念は三次元に留まるものではない。二次元では'''面積要素'''（めんせきようそ、{{Lang|en|area element}}）と呼ばれることも多く、[[面積分]]を行う際に有用である。座標変換の際、（[[置換積分|変数変換公式]]により）体積要素は座標変換の[[ヤコビ行列]]の[[行列式]]の[[絶対値]]だけ変化する。この事実から、体積要素は[[多様体]]の一種の[[測度論|測度]]として定義できることが従う。[[向き付け可能性|向き付け可能]]な[[可微分多様体]]においては、典型的には体積要素は[[体積形式]]、すなわち最高次の[[微分形式]]から導かれる。向き付け不可能な多様体においては、典型的には体積要素は（局所的に定義される）体積要素の絶対値であり、{{仮リンク|label=1-密度|密度 (多様体)|en|Density_on_a_manifold}}を定義する。

== ユークリッド空間における体積要素 ==
[[ユークリッド空間]]においては、体積要素はデカルト座標に沿った微分の積により与えられる。
: <math>\mathrm dV = \mathrm dx\,\mathrm dy\,\mathrm dz</math>
他の座標系においては、{{Math|1=''x'' = ''x''(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>, ''u''<sub>3</sub>), ''y'' = ''y''(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>, ''u''<sub>3</sub>), ''z'' = ''z''(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>, ''u''<sub>3</sub>)}} とするとヤコビ行列を用いて体積要素を以下のように計算できる。
: <math>\mathrm dV = \left|\frac{\partial (x,y,z)}{\partial (u_1,u_2,u_3)}\right|\,\mathrm du_1\,\mathrm du_2\,\mathrm du_3</math>
たとえば、球面座標系では
: <math>\begin{align}
x&=\rho\cos\theta\sin\phi\\
y&=\rho\sin\theta\sin\phi\\
z&=\rho\cos\phi
\end{align}
</math>
であるからヤコビアンは
: <math>\left |\frac{\partial(x,y,z)}{\partial (\rho,\theta,\phi)}\right| = \rho^2\sin\phi</math>
となり、したがって体積要素は以下のように書ける。
: <math>\mathrm dV = \rho^2\sin\phi\,\mathrm d\rho\,\mathrm d\theta\,\mathrm d\phi.</math>
このことは微分形式が{{仮リンク|引き出し (微分幾何学)|en|Pullback (differential geometry)|label=引き戻し}} {{Math|''F''<sup>*</sup>}} により以下のように変換することの例と見ることができる。
: <math> F^*(u \; \mathrm dy^1 \wedge \cdots \wedge \mathrm dy^n) = (u \circ F) \det \left(\frac{\partial F^j}{\partial x^i}\right) \mathrm dx^1 \wedge \cdots \wedge \mathrm dx^n </math>

== 線形部分空間における体積要素 ==
{{Mvar|n}}-次元[[ユークリッド空間]] {{Math|'''R'''<sup>''n''</sup>}} の[[線型部分空間|線形部分空間]]が次の[[線型独立|線形独立]]な[[ベクトル空間|ベクトル]]により張られるものとする。
: <math>X_1,\dots,X_k</math>
この部分空間における体積要素を計算する場合、{{Math|''X''<sub>''i''</sub>}} の張る平行多胞体{{訳語疑問点|date=2017年2月|Parallelepiped|cand_prefix=原語:}}が線形幾何学から {{Math|''X''<sub>''i''</sub>}} の[[グラム行列]]の[[行列式]]の[[平方根]]により与えられることを知っておくと便利である。
: <math>\sqrt{\det(X_i\cdot X_j)_{i,j=1\dots k}}</math>
この部分空間上の任意の点 {{Mvar|p}} はある座標 {{Math|(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>, ..., ''u''<sub>''k''</sub>)}} により以下のように表わされる。
: <math>p = u_1X_1 + \cdots + u_kX_k</math>
点 {{Mvar|p}} において、辺を {{Math|d''u''<sub>''i''</sub>}} とする微小平行多胞体を作ると、その体積はグラム行列の行列式の平方根により与えられる。
: <math>\sqrt{\det\left((\mathrm du_i X_i)\cdot (\mathrm du_j X_j)\right)_{i,j=1\dots k}} = \sqrt{\det(X_i\cdot X_j)_{i,j=1\dots k}}\;\mathrm du_1\,\mathrm du_2\,\cdots\,\mathrm du_k</math>
これにより線形部分空間における体積形式を定義することができる。

== 多様体の体積要素 ==
向き付け可能な次元 ''n'' の[[リーマン多様体]]における体積要素は定数関数の {{Math|1=''f''(''x'') = 1}} の[[ホッジ双対|ホッジ双対に等しい。]]
: <math>\omega = \star 1</math>
これと等価に、体積要素は正確に[[エディントンのイプシロン|レヴィ＝チヴィタテンソル]]<nowiki/> {{Mvar|&epsilon;}} と正確に一致する<ref>Carroll, Sean. ''Spacetime and Geometry''. Addison Wesley, 2004, p. 90</ref>。座標を用いて書けば、以下のようになる。
:<math>\omega = \epsilon =\sqrt{|\det g|}\, \mathrm dx^1 \wedge \cdots  \wedge \mathrm dx^n</math>
ここで {{Math|det ''g''}} はその座標系における[[計量テンソル]] {{Mvar|g}} の行列式である。

=== 曲面の面積要素 ===
''n''-次元[[ユークリッド空間]]に埋め込まれた二次元曲面を考えることで、体積要素の単純な例を考察することができる。この場合、体積要素は面積要素と呼ばれることもある。[[部分集合]] {{Math|''U'' ⊂ '''R'''<sup>2</sup>}} と[[写像]]
: <math>\varphi:U\to \mathbf{R}^n</math>
を考えることにより、{{Math|'''R'''<sup>''n''</sup>}} に埋め込まれた曲面を定義する。二次元では体積は面積であり、体積要素は曲面の任意の部分の面積を決定する方法を与える。したがって、体積要素は次の形式をとる。
: <math>f(u_1,u_2)\,\mathrm du_1\,\mathrm du_2</math>
これにより曲面上の集合 {{Mvar|B}} の面積を積分を用いて以下のように計算できる。
: <math>\operatorname{Area}(B) = \int_B f(u_1,u_2)\,\mathrm du_1\,\mathrm du_2</math>
ここで、通常の意味での面積を与えるような体積要素を決定したい。写像の[[ヤコビ行列|ヤコブ行列]]は以下のように書ける。
: <math>\lambda_{ij}=\frac{\partial \varphi_i} {\partial u_j}</math>
ここで添字 {{Mvar|i}} は 1 から {{Mvar|n}} を、{{Mvar|j}} は 1 から 2 を走る。{{Mvar|n}}-次元空間のユークリッド[[距離函数|計量]]から、集合 {{Mvar|U}} 上の計量 {{Math|1=''g'' = ''&lambda;''<sup>T</sup>''&lambda;''}} を計算でき、その行列要素は以下のように与えられる。
: <math>g_{ij}=\sum_{k=1}^n \lambda_{ki} \lambda_{kj}
= \sum_{k=1}^n
\frac{\partial \varphi_k} {\partial u_i}
\frac{\partial \varphi_k} {\partial u_j}
</math>
この計量の[[行列式]]は次のようになる。
: <math>\det g = \left|
\frac{\partial \varphi} {\partial u_1} \wedge
\frac{\partial \varphi} {\partial u_2}
\right|^2 = \det (\lambda^\mathrm T \lambda)</math>
正則曲面においては、この行列式はいたるところ非零、すなわちヤコブ行列のランクはいたるところで 2 である。

ここで、{{Mvar|U}} 上の座標を[[微分同相写像]]

により変換し、座標 {{Math|(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>)}} が {{Math|(''v''<sub>1</sub>, ''v''<sub>2</sub>)}} に移るものとする。すなわち、 {{Math|1=(''u''<sub>1</sub>, ''u''<sub>2</sub>) = ''f''(''v''<sub>1</sub>, ''v''<sub>2</sub>)}} となる。この変換のヤコブ行列は次のように与えられる。
: <math>F_{ij}= \frac{\partial f_i} {\partial v_j}</math>
この新しい座標では、
: <math>\frac{\partial \varphi_i} {\partial v_j} =
\sum_{k=1}^2
\frac{\partial \varphi_i} {\partial u_k}
\frac{\partial f_k} {\partial v_j}
</math>
となり、計量は以下のように変換される。
: <math>\tilde{g} = F^\mathrm T g F </math>
ここで、 {{Math|{{Tilde|''g''}}}} は {{Mvar|v}} 座標系に引き戻した計量である。この行列式は次のようになる。
: <math>\det \tilde{g} = \det g (\det F)^2 </math>
以上から、体積要素が向きを保存する座標変換の下に不変であることがわかる。

二次元においては、体積は面積である。部分集合 {{Math|''B'' ⊂ ''U''}} の面積は次のように積分で得られる。
: <math>\begin{align}
 \mbox{Area}(B)
 &= \iint_B \sqrt{\det g}\; \mathrm du_1\; \mathrm du_2 \\
 &= \iint_B \sqrt{\det g} \;|\det F| \;\mathrm dv_1 \;\mathrm dv_2 \\
 &= \iint_B \sqrt{\det \tilde{g}} \;\mathrm dv_1 \;\mathrm dv_2
\end{align}</math>
したがって、どちらの座標系においても体積要素は同一の形式を持ち、すなわち座標変換で不変に保たれる。

以上の議論に二次元特有のものは一切ないので、任意の次元について成り立つ。

=== 例: 球 ===
例として、半径 {{Mvar|r}} の中心を原点とする {{Math|'''R'''<sup>3</sup>}} 上の球を考える。この球は[[球面座標系]]を用いて次の写像で表現される。
: <math>\phi(u_1,u_2) = (r\cos u_1\sin u_2,r\sin u_1\sin u_2,r\cos u_2)</math>
したがって、
: <math>g = \begin{pmatrix}r^2\sin^2u_2 & 0 \\ 0 & r^2\end{pmatrix}</math>
となり、面積要素は次のように得られる。
: <math> \omega = \sqrt{\det g}\; \mathrm du_1 \mathrm du_2 = r^2\sin u_2\, \mathrm du_1 \mathrm du_2</math>

== 関連項目 ==
* [[円柱座標変換|円柱座標変換#積分]]
* [[面積分]]
* {{仮リンク|体積分|en|Volume_integral}}

== 脚注 ==
{{reflist}}

== 参考文献 ==
* {{Citation|title=Einstein manifolds|year=1987|last1=Besse|first1=Arthur L.|series=Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete (3) [Results in Mathematics and Related Areas (3)], vol. 10|pages=xii+510|location=Berlin, New York|publisher=[[Springer-Verlag]]|isbn=978-3-540-15279-8|ISBN=978-3-540-15279-8}}

{{DEFAULTSORT:たいせきようそ}}
[[Category:測度論]]
[[Category:多変数微分積分学]]
[[Category:数学に関する記事]]