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(a⋅c)−a(b⋅c).

    2. a×(b×c)=b(a⋅c)−c(a⋅b).

  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)=(a⋅c)(b⋅d)−(a⋅d)(b⋅c).

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

    3. a×[b×(c×d)]=(a×c)(b⋅d)−(a×d)(b⋅c).

证明

 

1.1.4 矢量微积分

设 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(a⋅b)=dadt⋅b+a⋅dbdt.

    4. ddt(a×b)=dadt×b+a×dbdt.

    5. ddta(f)=dadf⋅dfdt.

  2. 积分

    1. ∫(λa+μb)dt=λ∫adt+μ∫bdt.

    2. ∫k⋅adt=k⋅∫adt.

    3. ∫k×adt=k×∫adt.

 

1.1.5 矢量的旋转

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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′=cos⁡θv+(1−cos⁡θ)(v⋅k)k+sin⁡θk×v=v+(1−cos⁡θ)k×(k×v)+sin⁡θk×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⋅∇)−(a⋅b)∇.

    2. (a×b)×∇=b(a⋅∇)−a(b⋅∇).

  2. Hamilton 算子在中间

    1. a×(∇×b)=a∇⁡b−(a⋅∇)b. 🌙

    2. (a×∇)×b=a(∇⋅b)−a∇⁡b. 🌙

  3. Hamilton 算子在左边

    1. ∇×(a×b)=a(∇⋅b)−(a⋅∇)b−b(∇⋅a)+(b⋅∇)a. 🌙

    2. (∇×a)×b=(b⋅∇)a−b∇⁡a.

  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)=λ∇⁡f+μ∇⁡g.

    2. ∇⁡(fg)=f∇⁡g+g∇⁡f.

    3. ∇⁡(fg)=g∇⁡f−f∇⁡gg2.

    4. ∇⁡(ϕ(f))=ϕ′(f)∇⁡f.

  2. 标量的梯度——向量点乘与散度

    1. ∇⁡(a⋅b)=a∇⁡b+b∇⁡a. 🌙

    2. ∇⁡(a⋅b)=a×(∇×b)+b×(∇×a)+(a⋅∇)b+(b⋅∇)a.

    3. ∇⁡(a⋅b)=a(∇⋅b)+b(∇⋅a)−(a×∇)×b−(b×∇)×a.

    4. ∇⁡(∇⋅a)=Δa+∇×(∇×a).

  3. 向量的梯度 ∇⁡(λa+μb)=λ∇⁡a+μ∇⁡b.

证明

 

1.4.3 哈密顿算子与散度

  1. ∇⋅(λa+μb)=λ(∇⋅a)+μ(∇⋅b).

  2. ∇⋅(fa)=f∇⋅a+∇⁡f⋅a.

  3. ∇⋅(a×b)=(∇×a)⋅b−a⋅(∇×b).

  4. ∇⋅(g∇⁡f)=∇⁡g⋅∇⁡f+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. ∇×(g∇⁡f)=(∇⁡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,∂F∂φ=(∂Fρ∂φ−Fφ)aρ+(∂Fφ∂φ+Fρ)aφ+∂Fz∂φaz,∂2F∂φ2=(∂2Fρ∂φ2−2∂Fφ∂φ−Fρ)aρ+(∂2Fφ∂φ2+2∂Fρ∂φ−Fφ)aφ+∂2Fz∂φ2az,ΔF=1ρ∂∂ρ(ρ∂F∂ρ)+1ρ2∂2F∂φ2+∂2F∂z2=1ρ∂F∂ρ+∂2F∂ρ2+1ρ2∂2F∂φ2+∂2F∂z2=(1ρ∂Fρ∂ρ+∂2Fρ∂ρ2+1ρ2∂2Fρ∂φ2+∂2Fρ∂z2−2ρ2∂Fφ∂φ−Fρρ2)aρ+(1ρ∂Fφ∂ρ+∂2Fφ∂ρ2+1ρ2∂2Fφ∂φ2+∂2Fφ∂z2+2ρ2∂Fρ∂φ−Fφρ2)aφ+(1ρ∂Fz∂ρ+∂2Fz∂ρ2+1ρ2∂2Fz∂φ2+∂2Fz∂z2)az=(ΔFρ−2ρ2∂Fφ∂φ−Fρρ2)aρ+(ΔFφ+2ρ2∂Fρ∂φ−Fφρ2)aφ+ΔFz⋅az.

对于球坐标系,这里采用另一种思路,

ΔF=∇⁡(∇⋅F)−∇×(∇×F)=[ΔFr−2r2(Fr+cot⁡θFθ+csc⁡θ∂Fφ∂φ+∂Aθ∂θ)]ar+[ΔFθ−1r2(csc2⁡θFθ−2∂Fr∂θ+2cot⁡θcsc⁡θ∂Fφ∂φ)]aθ+[ΔFφ−1r2(csc2⁡θFφ−2csc⁡θ∂Fr∂φ−2cot⁡θcsc⁡θ∂Fθ∂φ)].

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=(∇2⁡a)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)=14π∭V′∇′⋅F(r′)|r−r′|dV′−14π∬S′en⋅F(r′)|r−r′|dS′A(r)=14π∭V′∇′×F(r′)|r−r′|dV′−14π∬S′en×F(r′)|r−r′|dS′