Pojdi na vsebino

Identitete vektorskega računa

Iz Wikipedije, proste enciklopedije

Sledi seznam pomembnih matematičnih identitet, ki vključujejo odvode in integrale v vektorskem računu.

Operatorski zapis

[uredi | uredi kodo]

Gradient

[uredi | uredi kodo]
Glavni članek: gradient.

Za funkcijo v trirazsežnih kartezičnih koordinatnih spremenljivkah je gradient vektorsko polje:

kjer so , in standardni enotski vektorji za osi , in . Bolj splošno, za funkcijo spremenljivk , imenovano tudi skalarno polje, je gradient vektorsko polje:

kjer so med seboj ortogonalni enotski vektorji.

Kot pove že ime, je gradient sorazmeren z najhitrejšo (pozitivno) spremembo funkcije in kaže v smeri te spremembe.

Za vektorsko polje , imenovano tudi tenzorsko polje prvega reda, je gradient ali totalni odvod Jakobijeva matrika :[1]:404

Za tenzorsko polje poljubnega reda , je gradient tenzorsko polje reda .

Za tenzorsko polje reda , je tenzorsko polje reda definirano kot rekurzivna relacija:

kjer je poljubni konstantni vektor.

Divergenca

[uredi | uredi kodo]
Glavni članek: divergenca.

V kartezičnih koordinatah je divergenca zvezno odvedljivega vektorskega polja skalarna funkcija:

Kot pove že ime, je divergenca (krajevna) mera stopnje razhajanja vektorjev v polju.

Divergenca tenzorskega polja neničelnega reda je zapisana kot , kar je kontrakcija tenzorskega polja reda . Natančneje, divergenca vektorja je skalar. Divergenco tenzorskega polja višjega reda se lahko najde z razstavitvijo tenzorskega polja v vsoto zunanjih produktov in rabo identitete:

kjer je smerni odvod v smeri , pomnožen z njegovo velikostjo. Natančneje, za zunanji produkt dveh vektorjev:[1]:407

Za tenzorsko polje reda je tenzorsko polje reda definirano z rekurzivno relacijo:

kjer je poljubni konstantni vektor.

Rotor

[uredi | uredi kodo]
Glavni članek: rotor.

V kartezičnih koordinatah je rotor vektorskega polja vektorsko polje:

kjer so , in enotski vektorji za osi , in .

Kot pove že ime, je rotor mera, za koliko bližnji vektorji težijo v krožni smeri.

V Einsteinovem zapisu ima vektorsko polje rotor, podan kot:

kjer je ali Levi-Civitajev simbol parnosti (permutacije).

Za tenzorsko polje reda je tenzorsko polje reda definirano z rekurzivno relacijo:

kjer je poljubni konstantni vektor.

Tenzorsko polje reda večjega od ena se lahko razstavi v vsoto zunanjih produktov, nato pa se lahko rabi naslednjo identiteto:

Še posebej za zunanji produkt dveh vektorjev:[1]:407

Laplaceov operator

[uredi | uredi kodo]
Glavni članek: Laplaceov operator.

V kartezični koordinatah je Laplaceov operator funkcije :

Laplaceov opeartor je mera, koliko se funkcija spreminja na majhni sferi s središčem v točki.

Ko je Laplaceov operator enak 0, se funkcija imenuje harmonična funkcija. To pomeni:

Za tenzorsko polje se Laplaceov operator v splošnem zapiše kot:

in je tenzorsko polje istega reda.

Za tenzorsko polje reda je tenzorsko polje reda definirano z rekurzivno relacijo:

kjer je poljubni konstantni vektor.

Posebni zapisi

[uredi | uredi kodo]

V Feynmanovem podpisnem zapisu:

kjer zapis pomeni, da podpisani gradient deluje samo na faktorju .[2]:105–106, 120–123[3][4]

Bolj splošen, a podoben je Hestenesov zapis z nadpisno piko v geometrijski algebri.[2]:227–228[5] Zgornja identiteta se nato izrazi kot:

kjer nadpisne pike definirajo obseg vektorskega odvoda. Vektor s piko, v tem primeru , se odvaja, medtem ko (brez pike) ostane konstanten.

Uporabnost Feynmanovega podpisnega zapisa je v njegovi rabi pri izpeljavi identitet vektorskih in tenzorskih odvodov, kot v naslednjem primeru, ki rabi algebrsko identiteto :

Alternativna metoda je raba kartezičnih komponent operatorja nabla na naslednji način (z implicitnim seštevanjem po indeksu ):

Druga metoda za izpeljavo identitet vektorskih in tenzorskih odvodov je zamenjava vseh pojavitev vektorja v algebrski identiteti z operatorjem nabla, pod pogojem, da se nobena spremenljivka ne pojavi hkrati znotraj in zunaj obsega operatorja ali hkrati znotraj obsega enega operatorja v izrazu in zunaj obsega drugega operatorja v istem izrazu (tj. operatorji morajo biti ugnezdeni). Veljavnost tega pravila izhaja iz veljavnosti Feynmanove metode, saj se lahko vedno nadomesti podpisani operator nabla in nato takoj izpusti podpisani indeks pod pogojem pravila. Na primer, iz identitete se lahko izpelje , ne pa , niti se iz ne da izpeljati . Po drugi strani pa podpisani operator nabla deluje na vseh pojavitvah podpisanega indeksa v členu, tako da . Prav tako se iz lahko izpelje , vendar se iz morda ne bo dalo izpeljati .

Podpisani indeks na količini pomeni, da se začasno šteje za konstanto. Ker konstanta ni spremenljivka, se jo lahko, ko se uporabi pravilo zamenjave (glej prejšnji odstavek), za razliko od spremenljivke premakne v obseg operatorja nabla ali zunaj njega, kot v naslednjem primeru:[6]

Drug način, da se označi, da je količina konstanta, je, da se jo kot podpisani indeks doda obsegu operatorja nabla, kot sledi:[1]:159, 161–162

V preostalem delu tega članka bo po potrebi uporabljen Feynmanov podpisni zapis.

Identitete prvih odvodov

[uredi | uredi kodo]

Za skalarni polji , in vektorski polji , obstajajo naslednje identitete odvodov:

Distributivnost

[uredi | uredi kodo]

Asociativnost prvih odvodov

[uredi | uredi kodo]

Pravilo produkta za množenje s skalarjem

[uredi | uredi kodo]

Za odvod produkta v infinitezimalnem računu ene spremenljivke obstajajo naslednje posplošitve:

Pravilo količnika za deljenje s skalarjem

[uredi | uredi kodo]

Odvod kompozituma

[uredi | uredi kodo]

Naj je funkcija ene spremenljvike od skalarjev do skalarjev parametrizirana krivulja funkcija od vektorjev do skalarjev in vektorsko polje. Obstajajo naslednji posebni primeri odvoda kompozituma za več spremenljivk:

Za vektorsko transformacijo je:

Tukaj se vzame sled skalarnega produkta dveh tenzorjev drugega reda, ki ustreza produktu njunih matrik.

Pravilo skalarnega produkta

[uredi | uredi kodo]

kjer je označuje Jacobijevo matriko vektorskega polja .

Druga možnost je raba Feynmanovega podpisnega zapisa:

Glej te opombe.[7]

Kot posebni primer, ko je :

Posplošitev formule za skalarni produkt na Riemannove mnogoterosti je definirajoča lastnost Riemannove povezave, ki odvaja vektorsko polje in tako da vektorsko 1-formo.

Pravilo vektorskega produkta

[uredi | uredi kodo]

Upoštevati je treba, da je matrika poševnosimetrična.

Identitete drugih odvodov

[uredi | uredi kodo]

Divergenca rotorja je enaka nič

[uredi | uredi kodo]

Divergenca rotorja poljubnega zvezno dvakrat odvedljivega vektorskega polja je vedno enaka nič:

To je posebni primer izničenja kvadrata zunanjega odvoda v De Rhamovem verižnem kompleksu.

Divergenca gradienta je Laplaceov operator

[uredi | uredi kodo]

Laplaceov operator skalarnega polja je divergenca njegovega gradienta:

Rezultat je skalarna količina.

Divergenca divergence ni definirana

[uredi | uredi kodo]

Divergenca vektorskega polja je skalar in divergenca skalarne količine je nedefinirana. Zato je:

Rotor gradienta je enak nič

[uredi | uredi kodo]

Rotor gradienta poljubnega zvezdno dvakrat odvedljivega skalarnega polja (to je razreda odvedljivosti ) je vedno ničelni vektor:

To se lahko preprosto dokaže, če se izrazi v kartezičnem koordinatnem sistemu s Schwarzevim izrekom (imenovanim tudi Clairautov izrek o enakosti mešanih parcialov). Ta rezultat je posebni primer izničenja kvadrata zunanjega odvoda v De Rhamovem verižnem kompleksu.

Rotor rotorja

[uredi | uredi kodo]

Tukaj je vektorski Laplaceov operator, ki deluje na vektorsko polje .

Rotor divergence ni definiran

[uredi | uredi kodo]

Divergenca vektorskega polja je skalar in rotor skalarne količine je nedefiniran. Zato je:

Asociativnost drugih odvodov

[uredi | uredi kodo]
Diagram DCG: Nekatera pravila za druge odvode.

Mnemonik

[uredi | uredi kodo]

Slika na desni je mnemonik za nekatere od teh identitet. Rabljene okrajšave so:

  • D: divergenca,
  • C: rotor (angleško curl),
  • G: gradient,
  • L: Laplaceov operator,
  • CC: rotor rotorja.

Vsaka puščica je označena z rezultatom identitete, natančneje z rezultatom rabe operatorja na repu puščice na operator na njenem vrhu. Modra krožnica na sredini pomeni, da operator rotor rotorja obstaja, drugi dve rdeči krožnici (črtkani) pa pomenita, da DD (divergenca divergence) in GG (gradient gradienta) ne obstajata.

Povzetek pomembnih identitet

[uredi | uredi kodo]

Odvajanje

[uredi | uredi kodo]

Gradient

[uredi | uredi kodo]

Divergenca

[uredi | uredi kodo]

Rotor

[uredi | uredi kodo]
  • [8]

Operator nabla vektorskega-skalarnega produkta

[uredi | uredi kodo]
  • [9]

Drugi odvodi

[uredi | uredi kodo]
  • (skalarni Laplaceov operator),
  • (vektorski Laplaceov operator),
  • (Greenova vektorska identiteta).

Tretji odvodi

[uredi | uredi kodo]

Integriranje

[uredi | uredi kodo]

Spodaj simbol označuje »mejo« ploskve ali trdnega telesa.

Ploskovnoprostorninski integrali

[uredi | uredi kodo]

V naslednjih izrekih o ploskovnoprostorninskih integralih označuje trirazsežno prostornino z ustrezno dvorazsežno mejo (zaprta ploskev):

  • (izrek Gaussa in Ostrogradskega),
  • (Greenova prva identiteta),
  • (Greenova druga identiteta),
  • (integracija po delih),
  • (integracija po delih),
  • (integracija po delih),
  • [10]:65–66
  • [11]

Krivuljnoploskovni integrali

[uredi | uredi kodo]

V naslednjih izrekih o krivuljnoploskovnih integralih označuje dvorazsežno odprto ploskev z ustrezno enorazsežno mejo (zaprta krivulja):

  • (Stokesov izrek),
  • [10]:44–45, enačba (18-3)
  • [12]

Integracija okrog zaprte krivulje v smeri urinega kazalca je negativ istega krivuljnega integrala v nasprotni smeri urinega kazalca (analogno zamenjavi limit v določenem integralu):

Krivuljni integrali v končnih točkah

[uredi | uredi kodo]

V naslednjih izrekih o krivuljnih integralih v končnih točkah označuje enorazsežno odprto pot s predznačenima ničrazsežnima mejnima točkama in integracija vzdolž poteka od do :

  • (izrek o gradientu),

Tenzorski integrali

[uredi | uredi kodo]

Tenzorsko obliko izreka o vektorskem integralu se lahko dobi tako, da se vektor (ali enega od njiju) zamenja s tenzorjem, pod pogojem, da se vektor najprej pojavi le kot skrajni desni vektor vsakega integranda. Stokesov izrek na primer postane:[1]:409

Skalarno polje se lahko obravnava tudi kot vektor in se ga nadomesti z vektorjem ali tenzorjem. Greenova prva identiteta na primer postane:

Podobna pravila veljajo za algebrske in diferencialne formule. Za algebrske formule se lahko alternativno rabi skrajno levo vektorsko lego.

Glej tudi

[uredi | uredi kodo]

Sklici

[uredi | uredi kodo]

Nadaljnje branje

[uredi | uredi kodo]