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向量導數


向量導數是關於向量場求取的導數。向量導數在物理學中極其重要,它們貫穿於流體力學、電磁學、彈性力學以及許多其他理論和應用物理學領域。

下表總結了各種向量導數的名稱和符號。

向量導數可以以不同的方式組合,產生在物理學中也非常重要的一系列恆等式。

涉及旋度的向量導數恆等式包括

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)

笛卡爾座標系

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

球座標系中,

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

涉及散度的向量導數恆等式包括

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)

笛卡爾座標系中,

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

球座標系中,

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)

透過對稱性,

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)

涉及梯度的向量導數恆等式包括

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)

向量二階導數恆等式包括

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)

這個非常重要的二階導數被稱為拉普拉斯運算元

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)

涉及向量導數組合的恆等式包括

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) 由散度規則 (2) 得出。


參見

旋度, 方向導數, 散度, 梯度, 拉普拉斯運算元, 向量積分, 向量四重積, 向量三重積

使用 探索

參考文獻

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

向量導數

請引用為

Weisstein, Eric W. "Vector Derivative." 來自 網路資源。 https://mathworld.tw/VectorDerivative.html

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