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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

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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 Wolfram|Alpha 上被引用

向量导数

请引用为

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

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