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向量导数


向量导数是关于向量场求取的导数。向量导数在物理学中极其重要,它们贯穿于流体力学、电磁学、弹性力学以及许多其他理论和应用物理学领域。

下表总结了各种向量导数的名称和符号。

向量导数可以以不同的方式组合,产生在物理学中也非常重要的一系列恒等式。

涉及旋度的向量导数恒等式包括

del x(kA)=kdel xA
(1)
del x(fA)=f(del xA)+(del f)xA
(2)
del x(AxB)=(B·del )A-(A·del )B+A(del ·B)-B(del ·A)
(3)
del x((A)/f)=(f(del xA)+Ax(del f))/(f^2)
(4)
del x(A+B)=del xA+del xB.
(5)

笛卡尔坐标系

del xx=del xy=del xz=0
(6)
del xx^^=del xy^^=del xz^^=0.
(7)

球坐标系中,

del xr=0
(8)
del xr^^=0
(9)
del x[rf(r)]=0.
(10)

涉及散度的向量导数恒等式包括

del ·(kA)=kdel ·A
(11)
del ·(fA)=f(del ·A)+(del f)·A
(12)
del ·(AxB)=B·(del xA)-A·(del xB)
(13)
del ·((A)/f)=(f(del ·A)-(del f)·A)/(f^2)
(14)
del ·(A+B)=del ·A+del ·B.
(15)

笛卡尔坐标系中,

del ·x=1
(16)
del ·y=1
(17)
del ·z=1
(18)
del ·x^^=0
(19)
del ·y^^=0
(20)
del ·z^^=0.
(21)

球坐标系中,

del ·r=3
(22)
del ·r^^=2/r
(23)
del ·[rf(r)]=partial/(partialx)[xf(r)]+partial/(partialy)[yf(r)]+partial/(partialz)[zf(r)]
(24)
partial/(partialx)[xf(r)]=x(partialf)/(partialr)(partialr)/(partialx)+f
(25)
(partialr)/(partialx)=x/r
(26)
partial/(partialx)[xf(r)]=(x^2)/r(df)/(dr)+f.
(27)

通过对称性,

del ·[rf(r)]=3f(r)+1/r(x^2+y^2+z^2)(df)/(dr)
(28)
=3f(r)+r(df)/(dr)
(29)
del ·(r^^f(r))=2/rf(r)+(df)/(dr)
(30)
del ·(r^^r^n)=3r^(n-1)+(n-1)r^(n-1)
(31)
=(n+2)r^(n-1).
(32)

涉及梯度的向量导数恒等式包括

del (kf)=kdel f
(33)
del (fg)=fdel g+gdel f
(34)
del (A·B)=Ax(del xB)+Bx(del xA)+(A·del )B+(B·del )A
(35)
del (A·del f)=Ax(del xdel f)+del fx(del xA)+A·del (del f)+del f·del A
(36)
=del fx(del xA)+A·del (del f)+del f·del A
(37)
del (f/g)=(gdel f-fdel g)/(g^2)
(38)
del (f+g)=del f+del g
(39)
del (A·A)=2Ax(del xA)+2(A·del )A
(40)
(A·del )A=del (1/2A^2)-Ax(del xA).
(41)

向量二阶导数恒等式包括

del ^2t=del ·(del t)
(42)
=(partial^2t)/(partialx^2)+(partial^2t)/(partialy^2)+(partial^2t)/(partialz^2)
(43)
del ^2A=del (del ·A)-del x(del xA).
(44)

这个非常重要的二阶导数被称为拉普拉斯算子

del x(del t)=0
(45)
del (del ·A)=del ^2A+del x(del xA)
(46)
del ·(del xA)=0
(47)
del x(del xA)=del (del ·A)-del ^2A
(48)
del x(del ^2A)=del x[del (del ·A)]-del x[del x(del xA)]
(49)
=-del x[del x(del xA)]
(50)
=-{del [del ·(del xA)]-del ^2(del xA)}
(51)
=del ^2(del xA)
(52)
del ^2(del ·A)=del ·[del (del ·A)]
(53)
=del ·[del ^2A+del x(del xA)]
(54)
=del ·(del ^2A)
(55)
del ^2[del x(del xA)]=del ^2[del (del ·A)-del ^2A]
(56)
=del ^2[del (del ·A)]-del ^4A
(57)
del x[del ^2(del xA)]=del ^2[del (del ·A)]-del ^4A
(58)
del ^4A=-del ^2[del x(del xA)]+del ^2[del (del ·A)]
(59)
=del x[del ^2(del xA)]-del ^2[del x(del xA)].
(60)

涉及向量导数组合的恒等式包括

Ax(del xA)=1/2del (A·A)-(A·del )A
(61)
del x(phidel phi)=0
(62)
(A·del )r^^=(A-r^^(A·r^^))/r
(63)
del f·A=del ·(fA)-f(del ·A)
(64)
f(del ·A)=del ·(fA)-A·(del f),
(65)

其中 (64) 和 (65) 由散度规则 (2) 得出。


参见

旋度, 方向导数, 散度, 梯度, 拉普拉斯算子, 向量积分, 向量四重积, 向量三重积

使用 探索

参考文献

Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. "Vector Field Theorem." Ch. 10 in Tables of Integrals, Series, and Products, 6th ed. San Diego, CA: Academic Press, pp. 1081-1092, 2000.Morse, P. M. and Feshbach, H. "The Differential Operator del " and "Table of Useful Vector and Dyadic Equations." In Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, pp. 31-44, 50-54, and 114-115, 1953.

在 上被引用

向量导数

请引用为

Weisstein, Eric W. "Vector Derivative." 来自 网络资源。 https://mathworld.net.cn/VectorDerivative.html

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