矢量分析
justaLoli

本笔记的核心问题,在于如何能够理解并能够在实践中运用诸如 这样的并不直觉的矢量分析恒等式。

基本内容

这部分内容对后续理解有重要帮助。

混合积

形如 的表达式称作混合积。

格外关注混合积的形式不变性。混合积形式可以做非常非常灵活的替换而其结果不变。具体的说,只要三个矢量 保持相对次序不变,如何进行顺序和运算的轮换,结果都不变。相反的,如果颠倒矢量次序,会产生负号。

矢积

记忆方法:把括号外的矢量和括号内较远的矢量点乘起来,所得的项目是正号;另一项是负号。

格外注意:等号右侧所得项 同样具备很好的形式不变性。外面的矢量写在左侧或右侧,点乘的两个矢量交换,结果都一致。

算符及其相关恒等式

两个特性:

梯度场无旋,旋度场无散。

和下面的推导没有关系,只是记在这里。

理解 相关恒等式

重点在于把握 算符同时具备的微分特性和矢量特性。

首先要关注的是微分特性中的乘法特性。微分算符对乘法作用,会得到两项,分别将其中一项作为常数而对另一项微分。在进行 符号运算时,往往先进行这一步。例如:

其中,下标c代表这一项被视作常数, 算符不对它进行操作。利用下标c进行这种区分是一个实践上非常有帮助的行为,为后续操作提供很大便利。这一符号引自谢树艺《工程数学·矢量分析与场论》。

接下来的步骤是化简。我们要灵活的运用 算符的矢量性,对已经拆开的等式右侧的每项进行等价操作。其核心原则是:
让带有下标c的量移动到 算符作用范围外侧(或者说,它的左侧),让无下标的量移动到它的右侧。

这种移动的具体实现较为灵活。在这里举例说明:


例1:第 式。 式中得到了形如 的项。它形式类似混合积。利用混合积的形式不变性对它进行移动。考虑交换 注意次序改变带来的变号:

这就实现了上文所说的化简的核心原则。对于已经在 作用范围外的含c符号,我们可以去除作为标记的c,得到最终结果。对 式的另一项也如法炮制,最终得到:

例2:第 式。上一步已得到形如 的项。这是矢积。可以用矢积公式将其打开(注意下面的公式尚未进行顺序变换,其仅做形式示意):

其中第一项已经符合我们的核心原则,但第二项还没有。利用先前提到的矢积所得项的形式不变性,可以将其调整为 。这样我们的核心原则就得到满足了。对剩余的另一项进行同样操作,即可得到第 式的完整表达式。

例3:第 式。所得项 类似矢积公式中右侧的项。考虑通过凑配将其写为矢积。这里不再赘述。


使用这一套流程,就可以不费太大力气的推导一些 相关恒等式,可以减轻记忆负担。

补充 还有一个恒等式和张量相关:

正交曲面坐标系下的算符表示

还没学到。先放上结论占坑。