在圆柱和球坐标系中的del

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下面是常用于正交Template:En-link中的一些向量微积分公式。

注释

坐标转换

在直角、圆柱和球坐标间的变换[1]
直角 圆柱
直角 x=xy=yz=z x=ρcosφy=ρsinφz=z x=rsinθcosφy=rsinθsinφz=rcosθ
圆柱 ρ=x2+y2φ=arctan(yx)z=z ρ=ρφ=φz=z ρ=rsinθφ=φz=rcosθ
r=x2+y2+z2θ=arctan(x2+y2z)φ=arctan(yx) r=ρ2+z2θ=arctan(ρz)φ=φ r=rθ=θφ=φ

单位向量转换

在直角、圆柱和球坐标系间的单位向量转换,从目的坐标的角度。[1]
直角 圆柱
直角 Template:N/a 𝐱^=cosφρ^sinφφ^𝐲^=sinφρ^+cosφφ^𝐳^=𝐳^ 𝐱^=sinθcosφ𝐫^+cosθcosφθ^sinφφ^𝐲^=sinθsinφ𝐫^+cosθsinφθ^+cosφφ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
圆柱 ρ^=x𝐱^+y𝐲^x2+y2φ^=y𝐱^+x𝐲^x2+y2𝐳^=𝐳^ Template:N/a ρ^=sinθ𝐫^+cosθθ^φ^=φ^𝐳^=cosθ𝐫^sinθθ^
𝐫^=x𝐱^+y𝐲^+z𝐳^x2+y2+z2θ^=(x𝐱^+y𝐲^)z(x2+y2)𝐳^x2+y2+z2x2+y2φ^=y𝐱^+x𝐲^x2+y2 𝐫^=ρρ^+z𝐳^ρ2+z2θ^=zρ^ρ𝐳^ρ2+z2φ^=φ^ Template:N/a
在直角、圆柱和球坐标系间的单位向量转换,从源坐标的角度。
直角 圆柱
直角 Template:N/a 𝐱^=xρ^yφ^x2+y2𝐲^=yρ^+xφ^x2+y2𝐳^=𝐳^ 𝐱^=x(x2+y2𝐫^+zθ^)yx2+y2+z2φ^x2+y2x2+y2+z2𝐲^=y(x2+y2𝐫^+zθ^)+xx2+y2+z2φ^x2+y2x2+y2+z2𝐳^=z𝐫^x2+y2θ^x2+y2+z2
圆柱 ρ^=cosφ𝐱^+sinφ𝐲^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^𝐳^=𝐳^ Template:N/a ρ^=ρ𝐫^+zθ^ρ2+z2φ^=φ^𝐳^=z𝐫^ρθ^ρ2+z2
𝐫^=sinθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)+cosθ𝐳^θ^=cosθ(cosφ𝐱^+sinφ𝐲^)sinθ𝐳^φ^=sinφ𝐱^+cosφ𝐲^ 𝐫^=sinθρ^+cosθ𝐳^θ^=cosθρ^sinθ𝐳^φ^=φ^ Template:N/a

Del公式

在直角、圆柱和球坐标下的del算子的表格
运算 直角坐标 Template:Math 圆柱坐标 Template:Math 球坐标 Template:Math,这里的θ是极角而Template:Math是方位角Template:Ref
向量场 Template:Math Ax𝐱^+Ay𝐲^+Az𝐳^ Aρρ^+Aφφ^+Az𝐳^ Ar𝐫^+Aθθ^+Aφφ^
梯度 Template:Math[1] fx𝐱^+fy𝐲^+fz𝐳^ fρρ^+1ρfφφ^+fz𝐳^ fr𝐫^+1rfθθ^+1rsinθfφφ^
散度 Template:Math[1] Axx+Ayy+Azz 1ρ(ρAρ)ρ+1ρAφφ+Azz 1r2(r2Ar)r+1rsinθθ(Aθsinθ)+1rsinθAφφ
旋度 Template:Math[1] (AzyAyz)𝐱^+(AxzAzx)𝐲^+(AyxAxy)𝐳^ (1ρAzφAφz)ρ^+(AρzAzρ)φ^+1ρ((ρAφ)ρAρφ)𝐳^ 1rsinθ(θ(Aφsinθ)Aθφ)𝐫^+1r(1sinθArφr(rAφ))θ^+1r(r(rAθ)Arθ)φ^
拉普拉斯算子 Template:Math[1] 2fx2+2fy2+2fz2 1ρρ(ρfρ)+1ρ22fφ2+2fz2 1r2r(r2fr)+1r2sinθθ(sinθfθ)+1r2sin2θ2fφ2
向量拉普拉斯算子 Template:Math 2Ax𝐱^+2Ay𝐲^+2Az𝐳^ Template:Collapsible section Template:Collapsible section
物质导数Template:Ref[2] Template:Math 𝐀Bx𝐱^+𝐀By𝐲^+𝐀Bz𝐳^ (AρBρρ+AφρBρφ+AzBρzAφBφρ)ρ^+(AρBφρ+AφρBφφ+AzBφz+AφBρρ)φ^+(AρBzρ+AφρBzφ+AzBzz)𝐳^ Template:Collapsible section
张量散度 Template:Math Template:Collapsible section Template:Collapsible section Template:Collapsible section
微分位移 Template:Math[1] dx𝐱^+dy𝐲^+dz𝐳^ dρρ^+ρdφφ^+dz𝐳^ dr𝐫^+rdθθ^+rsinθdφφ^
微分正规面积 Template:Math dydz𝐱^+dxdz𝐲^+dxdy𝐳^ ρdφdzρ^+dρdzφ^+ρdρdφ𝐳^ r2sinθdθdφ𝐫^+rsinθdrdφθ^+rdrdθφ^
微分体积 Template:Math[1] dxdydz ρdρdφdz r2sinθdrdθdφ
Template:Note本页对极角采用θ对方位角采用φ,这是在物理学中常用的符号。某些来源在这些公式中对方位角采用θ对极角采用φ,这是常用数学符号,如果需要这种数学公式,可对换上表公式中的θφ

非平凡的演算规则

  1. divgradff2f
  2. curlgradf×f=𝟎
  3. divcurl𝐀(×𝐀)=0
  4. curlcurl𝐀×(×𝐀)=(𝐀)2𝐀(del的拉格朗日公式
  5. 2(fg)=f2g+2fg+g2f

直角坐标系推导

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Ax(x+dx)dydzAx(x)dydz+Ay(y+dy)dxdzAy(y)dxdz+Az(z+dz)dxdyAz(z)dxdydxdydz=Axx+Ayy+Azz


(curl𝐀)x=limS𝐱^0S𝐀dSdS=Az(y+dy)dzAz(y)dz+Ay(z)dyAy(z+dz)dydydz=AzyAyz

(curl𝐀)y

(curl𝐀)z

的表达式可以同理得出。

註:第一式中的Ax(x+dx)Axx+dx時的量值,並非Ax值乘上x+dx。以下圓柱座標、球座標的推導中亦然。

圆柱坐标系推导

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Aρ(ρ+dρ)(ρ+dρ)dϕdzAρ(ρ)ρdϕdz+Aϕ(ϕ+dϕ)dρdzAϕ(ϕ)dρdz+Az(z+dz)dρ(ρ+dρ/2)dϕAz(z)dρ(ρ+dρ/2)dϕρdϕdρdz=1ρ(ρAρ)ρ+1ρAϕϕ+Azz
(curl𝐀)ρ=limSρ^0S𝐀dSdS=Aϕ(z)(ρ+dρ)dϕAϕ(z+dz)(ρ+dρ)dϕ+Az(ϕ+dϕ)dzAz(ϕ)dz(ρ+dρ)dϕdz=Aϕz+1ρAzϕ
(curl𝐀)ϕ=limSϕ^0S𝐀dSdS=Az(ρ)dzAz(ρ+dρ)dz+Aρ(z+dz)dρAρ(z)dρdρdz=Azρ+Aρz
(curl𝐀)z=limS𝒛^0S𝐀dSdS=Aρ(ϕ)dρAρ(ϕ+dϕ)dρ+Aϕ(ρ+dρ)(ρ+dρ)dϕAϕ(ρ)ρdϕρdρdϕ=1ρAρϕ+1ρ(ρAϕ)ρ
curl𝐀=(curl𝐀)ρρ^+(curl𝐀)ϕϕ^+(curl𝐀)z𝒛^=(1ρAzϕAϕz)ρ^+(AρzAzρ)ϕ^+1ρ((ρAϕ)ρAρϕ)𝒛^

球坐标系推导

div𝐀=limV0V𝐀d𝐒VdV=Ar(r+dr)(r+dr)dθ(r+dr)sinθdϕAr(r)rdθrsinθdϕ+Aθ(θ+dθ)sin(θ+dθ)rdrdϕAθ(θ)sin(θ)rdrdϕ+Aϕ(ϕ+dϕ)(r+dr/2)drdθAϕ(ϕ)(r+dr/2)drdθdrrdθrsinθdϕ=1r2(r2Ar)r+1rsinθ(Aθsinθ)θ+1rsinθAϕϕ

(curl𝐀)r=limS𝒓^0S𝐀dSdS=Aθ(ϕ)rdθ+Aϕ(θ+dθ)rsin(θ+dθ)dϕAθ(ϕ+dϕ)rdθAϕ(θ)rsin(θ)dϕrdθrsinθdϕ=1rsinθ(Aϕsinθ)θ1rsinθAθϕ

(curl𝐀)θ=limSθ^0S𝐀dSdS=Aϕ(r)rsinθdϕ+Ar(ϕ+dϕ)drAϕ(r+dr)(r+dr)sinθdϕAr(ϕ)drdrrsinθdϕ=1rsinθArϕ1r(rAϕ)r

(curl𝐀)ϕ=limSϕ^0S𝐀dSdS=Ar(θ)dr+Aθ(r+dr)(r+dr)dθAr(θ+dθ)drAθ(r)rdθ(r+dr/2)drdθ=1r(rAθ)r1rArθ

curl𝐀=(curl𝐀)r𝒓^+(curl𝐀)θθ^+(curl𝐀)ϕϕ^=1rsinθ((Aϕsinθ)θAθϕ)𝒓^+1r(1sinθArϕ(rAϕ)r)θ^+1r((rAθ)rArθ)ϕ^

单位向量转换公式

坐标参数u的单位向量以如下方式定义,u的小的正值改变导致位置向量𝒓𝒖^方向上的改变。因此:

𝒓u=su𝒖^

这里的s弧长参数。

对于两组坐标系uivj,依据链式法则

d𝒓=i𝒓uidui=isui𝒖𝒊^dui=jsvj𝒗𝒋^dvj=jsvj𝒗𝒋^ivjuidui=ijsvjvjui𝒗𝒋^dui

现在,使除了一个之外的所有dui=0并在两边除以对应的坐标参数的微分,得到:

sui𝒖𝒊^=jsvjvjui𝒗𝒋^

参见

引用

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外部链接