- 环量
- 取有向闭合曲线,方向符合右手螺旋
Q=∮LA⋅l
- 一个空间有无穷多个曲面穿套而成,用有向曲线把一个接一个的曲面填充,研究任意一个环路情况足以描述这个图,这只是一种整体的概念,大小几何形状不变,空间方位
- 河流有流速场,沿着流线对速度进行积分,环量不为0,这里有漩涡。漩涡围着转,相当于一个轴,当积分路径与轴垂直的平面在一个平面,积分值最大,轴与法线方向重合。
- 矢量场中我们关心通量的环路 n 取什么方向,环量最大,与数量场方向导数最大有相同概念。
- 旋度
- 限定环路的面积
q=Δl→0limΔl∮lA⋅l
- 这个环量对应平均的密度
q=(∂y∂Az−∂z∂Ay)cosα+(∂z∂Ax−∂x∂Az)cosβ+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)cosγ
-
cosα,cosβ,cosγ 是 n 方向的单位矢量。
n∘=cosαex+cosβey+cosγez
- 取
V=(∂y∂Az−∂z∂Ay)ex+(∂z∂Ax−∂x∂Az)ey+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)ezq=V⋅n∘
-
n 方向的环量密度,即 V 在 n 方向的投影,V 取决于 A 在x,y,方向的偏导数,A一旦确定则V 也确定。
rotA=(∂y∂Az−∂z∂Ay)ex+(∂z∂Ax−∂x∂Az)ey+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)ez
rotA=▽×A=∣∣∣∣∣∣ex∂x∂Axey∂y∂Ayez∂z∂Az∣∣∣∣∣∣
- 重要公式
▽⋅(A×B)=B⋅▽×A−A⋅▽×B
- 证明
▽=∂x∂ex+∂y∂ey+∂z∂ez
A×B=∣∣∣∣∣∣exAxBxeyAyByezAzBz∣∣∣∣∣∣=(AyBz−AzBy)ex+(AzBx−AxBz)ey+(AxBy−AyBx)ez
▽⋅(A×B)=(∂x∂ex+∂y∂ey+∂z∂ez)⋅((AyBz−AzBy)ex+(AzBx−AxBz)ey+(AxBy−AyBx)ez)=∂x∂(AyBz−AzBy)+∂y∂(AzBx−AxBz)+∂z∂(AxBy−AyBx)=∣∣∣∣∣∣∂x∂AxBx∂y∂AyBy∂z∂AzBz∣∣∣∣∣∣
B⋅▽×A−A⋅▽×B=B⋅∣∣∣∣∣∣ex∂x∂Axey∂y∂Ayez∂z∂Az∣∣∣∣∣∣−A⋅∣∣∣∣∣∣ex∂x∂Bxey∂y∂Byez∂z∂Bz∣∣∣∣∣∣=(Bxex+Byey+Bzez)⋅((∂y∂Az−∂z∂Ay)ex+(∂z∂Ax−∂x∂Az)ey+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)ez)−(Axex+Ayey+Azez)⋅((∂y∂Bz−∂z∂By)ex+(∂z∂Bx−∂x∂Bz)ey+(∂x∂By−∂y∂Bx)ez)=Bx(∂y∂Az−∂z∂Ay)+By(∂z∂Ax−∂x∂Az)+Bz(∂x∂Ay−∂y∂Ax)−(Ax(∂y∂Bz−∂z∂By)+Ay(∂z∂Bx−∂x∂Bz)+Az(∂x∂By−∂y∂Bx))∵Bz∂x∂Ay−By∂x∂Az+Ay∂x∂Bz−Az∂x∂By=(Bz∂x∂Ay+Ay∂x∂Bz)−(By∂x∂Az+Az∂x∂By)=∂x∂(AyBz)−∂x∂(AzBy)=∂x∂(AyBz−AzBy)
- 同理其他三项可得,证毕
- 哈密尔顿算子首先考虑矢量性再考虑微分性
▽×(μA)=μ▽×A+▽μ×A
-
μ 是标量函数,取了梯度变为矢量
▽×(▽μ)≡0
▽μ=∂x∂μex+∂y∂μey+∂x∂μez▽×(▽μ)=∣∣∣∣∣∣ex∂x∂∂x∂μey∂y∂∂y∂μez∂z∂∂z∂μ∣∣∣∣∣∣=(∂z∂y∂2μ−∂y∂z∂2μ)ex+⋯=0
- 取旋度仍为矢量
▽⋅(▽×A)≡0
▽⋅(▽×A)=∣∣∣∣∣∣∂x∂∂x∂Ax∂y∂∂y∂Ay∂z∂∂z∂Az∣∣∣∣∣∣=0
- 两个恒等式在静电场分析和恒定磁场分析里很重要
- 拉普拉斯算子
▽⋅(▽μ)=▽2μ
▽⋅(▽μ)=(∂x∂ex+∂y∂ey+∂z∂ez)(∂x∂μex+∂y∂μey+∂x∂μez)=∂x2∂2μ+∂y2∂2μ+∂z2∂2μ
- 旋了又旋,矢量的拉普拉斯算子
▽×(▽×A)=▽⋅(▽⋅A)−▽2A
▽×(▽×A)=▽×((∂y∂Az−∂z∂Ay)ex+(∂z∂Ax−∂x∂Az)ey+(∂x∂Ay−∂y∂Ax)ez)=∣∣∣∣∣∣∣ex∂x∂(∂y∂Az−∂z∂Ay)ey∂y∂(∂z∂Ax−∂x∂Az)ez∂z∂(∂x∂Ay−∂y∂Ax)∣∣∣∣∣∣∣=(∂x∂y∂Ay−∂2y∂Ax−∂2z∂Ax+∂x∂z∂Az)ex+(∂y∂z∂Az−∂2z∂Ay−∂2x∂Ay+∂y∂x∂Ax)ey+(∂z∂x∂Ax−∂2x∂Az−∂2y∂Az+∂z∂y∂Ay)ez=(∂x∂y∂Ay+∂x∂z∂Az)ex+(∂y∂z∂Az+∂y∂x∂Ax)ey+(∂z∂x∂Ax+∂z∂y∂Ay)ez−((∂2y∂Ax+∂2z∂Ax)ex+(∂2z∂Ay+∂2x∂Ay)ey+(∂2x∂Az+∂2y∂Az)ez)
▽⋅(▽⋅A)=▽⋅(∂x∂Ax+∂y∂Ay+∂z∂Az)=(∂x∂ex+∂y∂ey+∂z∂ez)⋅(∂x∂Ax+∂y∂Ay+∂z∂Az)=∂2x∂Axex+(∂y∂x∂Ay+∂z∂x∂Az)ex+⋯
▽2A=▽2Axex+▽2Ayey+▽2Azez=(∂x2∂2Ax+∂y2∂2Ax+∂z2∂2Ax)ex+(∂x2∂2Ay+∂y2∂2Ay+∂z2∂2Ay)ey+(∂x2∂2Az+∂y2∂2Az+∂z2∂2Az)ez
▽⋅(▽⋅A)−▽2A=∂2x∂Axex+(∂y∂x∂Ay+∂z∂x∂Az)ex−(∂x2∂2Ax+∂y2∂2Ax+∂z2∂2Ax)ex+⋯=(∂y∂x∂Ay+∂z∂x∂Az)ex−(∂y2∂2Ax+∂z2∂2Ax)ex+⋯
- 其它三项均可证得,证毕