《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→=(∫x0xQdz−∫y0yR(..z0)dy)i−∫z0zPdzj

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:

∂2u∂x2+∂2u∂y2+∂2u∂z2=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⋅∇=Ax∂x+Ay∂y+Az∂z,可作用于标量和矢量。

有如下公式:

∇(uv)=u∇v+v∇u∇(A⋅B)=A×(∇×B)+(A⋅∇)B+B×(∇×A)+(B⋅∇)A∇f(u)=f′(u)∇u∇f(u,v)=fu∇u+fv∇v∇⋅(uA)=u∇⋅A+∇u⋅A∇⋅(A×B)=B⋅∇×A−A⋅∇×B∇⋅(∇×A)=0∇×(uA)=u∇×A+∇u×A∇×(A×B)=(B⋅∇)A−(A⋅∇)B−B(∇⋅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. 与 q2(x,y,z)=Const. 两平面相交的曲线即为 q3 的坐标曲线。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=(∂x∂q1dq1)2+(∂y∂q1dq1)2+(∂z∂q1dq1)2=(∂x∂q1)2+(∂y∂q1)2+(∂z∂q1)2dq1

定义拉梅系数 Hi=(∂x∂q1)2+(∂y∂q1)2+(∂z∂q1)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

∂r→∂qi=∂x∂qii+∂y∂qij+∂z∂qik 显然沿着坐标曲线正切向,且 |∂r→∂qi|=Hi。故有

e^i=1Hi∂r→∂qi=1Hi∂x∂qii+1Hi∂y∂qij+1Hi∂z∂qik

易见 1Hi∂x∂qi 即为 e^i,i 的夹角,于是又有:

i=1H1∂x∂q1e^1+1H2∂x∂q2e^2+1H3∂x∂q3e^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)=∂u∂e^1e^1+∂u∂e^2e^2+∂u∂e^3e^3=1H1∂u∂q1e^1+1H2∂u∂q2e^2+1H3∂u∂q3e^3

根据②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^3∂∂q1∂∂q2∂∂q3H1A1H2A2H3A3|Δu=∇⋅(∇u)=1H1H2H3(∂∂q1(H2H3H1∂u∂q1)+∂∂q2(H1H3H2∂u∂q2)+∂∂q3(H1H2H3∂u∂q3))

严格推导过程利用如下结论:

∂e^1∂q1=−e^2H2∂H1∂q2−e^3H3∂H1∂q3∂e^1∂q2=e^2H1∂H2∂q1∂e^1∂q3=e^3H1∂H3∂q1...