1 矢量分析与场论

1.1 矢量代数

高数笔记

1.1.1 矢量的运算

 

1.1.2 矢量的性质

 

1.1.3 矢量恒等式

  1. 拉格朗日恒等式

    1. (a×b)×c=b(ac)a(bc).

    2. a×(b×c)=b(ac)c(ab).

  2. 雅可比恒等式:a×(b×c)+b×(c×a)+c×(a×b)=0.

  3. 四向量恒等式

    1. (a×b)(c×d)=(ac)(bd)(ad)(bc).

    2. (a×b)×(c×d)=c[a(b×d)]d[a(b×c)].

    3. a×[b×(c×d)]=(a×c)(bd)(a×d)(bc).

证明

 

1.1.4 矢量微积分

a=a(t),b=b(t),f=f(t),此外 λ,μ 为常数,k 为常向量.

  1. 求导

    1. ddt(λa+μb)=λdadt+μdbdt.

    2. ddt(fa)=dfdta+fdadt.

    3. ddt(ab)=dadtb+adbdt.

    4. ddt(a×b)=dadt×b+a×dbdt.

    5. ddta(f)=dadfdfdt.

  2. 积分

    1. (λa+μb)dt=λadt+μbdt.

    2. kadt=kadt.

    3. k×adt=k×adt.

 

1.1.5 矢量的旋转

image-20230616154458822

设转轴的单位方向向量为 k,旋转前的向量为 v,逆时针旋转 θ 后的向量为 v(即图中的 vrot),则

v=cosθv+(1cosθ)(vk)k+sinθk×v=v+(1cosθ)k×(k×v)+sinθk×v.
证明

备注 有关空间旋转的更多内容可参考笔记平面旋转与空间旋转.

 

1.2 常用坐标系

1.2.1 正交坐标系

 

1.2.2 直角坐标系

 

1.2.3 圆柱坐标系

 

1.2.4 球极坐标系

 

1.3 哈密顿算子

1.3.1 正交坐标系

 

1.3.2 直角坐标系

 

1.3.3 圆柱坐标系

 

1.3.4 球极坐标系

 

1.3.5 记号与拓展

可以将哈密顿算子写成向量的形式,但此时数乘与点乘均不可交换. 以直角坐标系为例:

 

1.4 哈密顿算子的性质

以下均假设混合偏导连续.

1.4.1 哈密顿算子与叉乘

  1. Hamilton 算子在右边

    1. a×(b×)=b(a)(ab).

    2. (a×b)×=b(a)a(b).

  2. Hamilton 算子在中间

    1. a×(×b)=ab(a)b. 🌙

    2. (a×)×b=a(b)ab. 🌙

  3. Hamilton 算子在左边

    1. ×(a×b)=a(b)(a)bb(a)+(b)a. 🌙

    2. (×a)×b=(b)aba.

  4. 上述公式的推论

    1. a×(×b)+(a×)×b=a(b)(a)b.

    2. ×(a×b)=(a×+×a)×b(b×+×b)×a.

证明

 

1.4.2 哈密顿算子与梯度

  1. 标量的梯度——加减乘除与复合

    1. (λf+μg)=λf+μg.

    2. (fg)=fg+gf.

    3. (fg)=gffgg2.

    4. (ϕ(f))=ϕ(f)f.

  2. 标量的梯度——向量点乘与散度

    1. (ab)=ab+ba. 🌙

    2. (ab)=a×(×b)+b×(×a)+(a)b+(b)a.

    3. (ab)=a(b)+b(a)(a×)×b(b×)×a.

    4. (a)=Δa+×(×a).

  3. 向量的梯度 (λa+μb)=λa+μb.

证明

 

1.4.3 哈密顿算子与散度

  1. (λa+μb)=λ(a)+μ(b).

  2. (fa)=fa+fa.

  3. (a×b)=(×a)ba(×b).

  4. (gf)=gf+gΔf.

  5. (×a)=0.(旋度场无源)

  6. (f×a)=(f)(×a).

证明

 

1.4.4 哈密顿算子与旋度

  1. ×(λa+μb)=λ(×a)+μ(×b).

  2. ×(fa)=f×a+f×a.

  3. ×(a×b)=a(b)b(a)(a)b+(b)a.

  4. ×(f)=0.(梯度场无旋)

  5. ×(gf)=(g)×(f).

  6. ×(×a)=(a)Δa.

证明

 

1.4.5 哈密顿算子与积分

 

1.5 拉普拉斯算子

1.5.1 一般定义

 

1.5.2 二维空间

 

1.5.3 三维空间

 

1.5.4 三维矢量

证明

对于圆柱坐标系,

F=Fρaρ+Fφaφ+Fzaz,Fφ=(FρφFφ)aρ+(Fφφ+Fρ)aφ+Fzφaz,2Fφ2=(2Fρφ22FφφFρ)aρ+(2Fφφ2+2FρφFφ)aφ+2Fzφ2az,ΔF=1ρρ(ρFρ)+1ρ22Fφ2+2Fz2=1ρFρ+2Fρ2+1ρ22Fφ2+2Fz2=(1ρFρρ+2Fρρ2+1ρ22Fρφ2+2Fρz22ρ2FφφFρρ2)aρ+(1ρFφρ+2Fφρ2+1ρ22Fφφ2+2Fφz2+2ρ2FρφFφρ2)aφ+(1ρFzρ+2Fzρ2+1ρ22Fzφ2+2Fzz2)az=(ΔFρ2ρ2FφφFρρ2)aρ+(ΔFφ+2ρ2FρφFφρ2)aφ+ΔFzaz.

对于球坐标系,这里采用另一种思路,

ΔF=(F)×(×F)=[ΔFr2r2(Fr+cotθFθ+cscθFφφ+Aθθ)]ar+[ΔFθ1r2(csc2θFθ2Frθ+2cotθcscθFφφ)]aθ+[ΔFφ1r2(csc2θFφ2cscθFrφ2cotθcscθFθφ)].

证毕.

 

1.5.5 算子性质

  1. 标量函数

    1. Δ(λf+μg)=λΔf+μΔg.

    2. Δ(fg)=(Δf)g+2(f)(g)+f(Δg).

    3. Δ(ϕ(f))=ϕ(f)(f)2+ϕ(f)Δf.

  2. 向量函数

    1. Δ(λa+μb)=λΔa+μΔb.

    2. Δa=(a)×(×a).

    3. Δa=[(a)]T=(2a)T.

证明

 

 

1.6 场论定理

1.6.1 场论的三大定理

 

1.6.2 两个格林恒等式

 

1.6.3 Helmholtz 定理

F=u+×Au(r)=14πVF(r)|rr|dV14πSenF(r)|rr|dSA(r)=14πV×F(r)|rr|dV14πSen×F(r)|rr|dS