Geometric interpretation of a vector derivative

If \bold{r} is the vector joining the origin O of a coordinate system and the point (x, y, z), then specification of the vector function \bold{r}(u) defines x, y and z as function of u. As u changes, the terminal point of \bold{r} describes a space curve having parametric equations x = x(u), y = y(u), z = z(u). If the parameter u is the arc length s measured from some fixed point on the curve, then

\displaystyle \frac{d\bold{r}}{ds} = \bold{T}\cdots(9)

is a unit vector in the direction of the tangent to the curve and is called the unit tangent vector. If u is the time t, then

\displaystyle \frac{d\bold{r}}{dt} = \bold{v}\cdots(10)

is the velocity with which the terminal point of \bold{r} describes the curve. We have

\displaystyle \bold{v} = \frac{d\bold{r}}{dt} = \frac{d\bold{r}}{ds}\frac{ds}{dt} = \frac{ds}{dt}\bold{T} = v\bold{T}\cdots(11)

from which we see that the magnitude of \bold{v}, often called the speed, is v = ds/dt. Similarly,

\displaystyle \frac{d^2\bold{r}}{dt^2} = \bold{a}\cdots(12)

is the acceleration with which the terminal point of \bold{r} describes the curve. These concepts have important applications in mechanics.

ベクトル導関数の幾何学的解釈

 \bold{r} が座標系の原点 O と点 (x, y, z) とを結合するベクトルの時,ベクトル関数 \bold{r}(u) の詳細は x, y および zu の関数として定義します.u が変化するにつれて \bold{r} の終点はパラメトリックな方程式 x = x(u), y = y(u), z = z(u) を持つ 空間曲線 を描きます.変数 u が曲線上のある固定点から測定した弧長 s の時,

\displaystyle \frac{d\bold{r}}{ds} = \bold{T}\cdots(9)

上式は曲線の接線方向への単位ベクトルであり 単位接線ベクトル と呼びます.仮に u が時間 t の時,

\displaystyle \frac{d\bold{r}}{dt} = \bold{v}\cdots(10)

上式は終点 \bold{r} が曲線上に描く 速度 です.ここで

\displaystyle \bold{v} = \frac{d\bold{r}}{dt} = \frac{d\bold{r}}{ds}\frac{ds}{dt} = \frac{ds}{dt}\bold{T} = v\bold{T}\cdots(11)

\bold{v} の大きさを得,しばしば 速度v = ds/dt と記述します.同様に

\displaystyle \frac{d^2\bold{r}}{dt^2} = \bold{a}\cdots(12)

上式は終点 \bold{r} が曲線上で描く 加速度 です.この概念は 力学 にとって重要な意味を持ちます.