《矢量分析与场论》笔记

参考:①《矢量分析与场论(第四版)》谢树艺。②《糕等电动力学》——03正交曲线坐标系 - 知乎

第一章 矢量分析

要点

第二章 场论

有势场

有势场 A u  s.t.  A=u

定理:线单连域内 有势场 = 无旋场

有势场=>无旋场:×(A)=0;无旋场=>有势场:Stocks公式

管形场

定义A=0。管形场即无源场。

定理:面单连域内 管形场为另一个场的旋度场

充分性:(×A)=0;

必要性:构造 B=(x0xQdzy0yR(..z0)dy)iz0zPdzj

调和场

定义:既是管形场由是有势场。

调和场 A 的势函数 u 满足 (u)=0,即拉普拉斯方程:

2ux2+2uy2+2uz2=0

如此的函数 u 被称为调和函数

第三章 哈密顿算子

利用哈密顿算子引入数性算子 A=Axx+Ayy+Azz,可作用于标量和矢量。

有如下公式:

(uv)=uv+vu(AB)=A×(×B)+(A)B+B×(×A)+(B)Af(u)=f(u)uf(u,v)=fuu+fvv(uA)=uA+uA(A×B)=B×AA×B(×A)=0×(uA)=u×A+u×A×(A×B)=(B)A(A)BB(A)+A(B)×(×A)=(A)ΔA   (ΔA=ΔAxi+ΔAyj+ΔAzk)×(u)=0

不严谨的推导方法:乘法项将两个因子分别固定为常量,然后将常量通过各种手段移动到  的前面。

有如下推论:

r=e^r×r=0×(f(r)r)=0

第四章 梯度、散度、旋度与调和量在正交曲线坐标系中的表示式

利用双射 (x,y,z)(q1,q2,q3) 来表示空间中的每一个点。显然这时函数q1=q1(x,y,z),... 均是单值函数。q1(x,y,z)=Const.q2(x,y,z)=Const. 两平面相交的曲线即为 q3坐标曲线。坐标曲线的正切向单位矢量即为单位矢量(此单位矢量是在直角坐标系意义下的)。正交曲线坐标系中处处三个单位矢量相互垂直。

拉梅系数

(q1,q2,q3)(q1+dq1,q2,q3) 的微小坐标曲线段满足:

ds1=dx2+dy2+dz2=(xq1dq1)2+(yq1dq1)2+(zq1dq1)2=(xq1)2+(yq1)2+(zq1)2dq1

定义拉梅系数 Hi=(xq1)2+(yq1)2+(zq1)2。即有 dsi=Hidqi

神奇的发现:(x,y,z)(q1,q2,q3)=H1H2H3

正交曲线坐标系的单位矢量

rqi=xqii+yqij+zqik 显然沿着坐标曲线正切向,且 |rqi|=Hi。故有

e^i=1Hirqi=1Hixqii+1Hiyqij+1Hizqik

易见 1Hixqi 即为 e^i,i 的夹角,于是又有:

i=1H1xq1e^1+1H2xq2e^2+1H3xq3e^3

各量在正交曲线坐标系中的表示

梯度 u(q1,q2,q3) 满足:

u(q1,q2,q3)=ue^1e^1+ue^2e^2+ue^3e^3=1H1uq1e^1+1H2uq2e^2+1H3uq3e^3

根据提供的几何手段,可以得到

A=1H1H2H3((H2H3A1)q1+(H1H3A2)q2+(H1H2A3)q1)×A=1H2H3((H3A3)q2(H2A2)q3)e^1+1H1H3((H1A1)q3(H3A3)q1)e^2+1H1H2((H2A2)q1(H1A1)q2)e^3=1H1H2H3|H1e^1H2e^2H3e^3q1q2q3H1A1H2A2H3A3|Δu=(u)=1H1H2H3(q1(H2H3H1uq1)+q2(H1H3H2uq2)+q3(H1H2H3uq3))

严格推导过程利用如下结论:

e^1q1=e^2H2H1q2e^3H3H1q3e^1q2=e^2H1H2q1e^1q3=e^3H1H3q1...