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13.2.7 空间微分算子的回顾 ​

13.2.7.1 空间微分算子的运算法则 ​

U,U1,U2 和 F 是标量函数; c 是常数; V→,V→1,V→2 是向量函数:

(13.84)grad(U1+U2)=gradU1+gradU2.(13.85)grad(cU)=cgradU.(13.86)grad(U1U2)=U1gradU2+U2gradU1.(13.87)gradF(U)=F′(U)gradU.(13.88)div(V→1+V→2)=divV→1+divV→2.(13.89)div(cV→)=cdivV→(13.90)div(UV→)=V→⋅gradU+UdivV→.(13.91)rot(V→1+V→2)=rotV→1+rotV→2(13.92)rot(cV→)=crotV→(13.93)rot(UV→)=UrotV→−V→×gradU.(13.94)divrotV→≡0.(13.95)rotgradU≡0→ (零向量). (13.96)divgradU=ΔU(13.97)rotrotV→=graddivV→−ΔV→.(13.98)div(V→1×V→2)=V→2⋅rotV→1−V→1⋅rotV→2.

表 13.2 笛卡儿、柱面和球面坐标系中向量分析的表达式

笛卡儿坐标系

柱面坐标系

球面坐标系

ds→=dr→

e→xdx+e→ydy+e→zdz

e→ρdρ+e→φρdφ+e→zdz

e→rdr+e→ϑrdϑ+e→φrsin ϑdφ

gradU

e→x∂U∂x+e→y∂U∂y+e→z∂U∂z

e→ρ∂U∂ρ+e→φ1ρ∂U∂φ+e→z∂U∂z

e→r∂U∂r+e→ϑ1r∂U∂ϑ+e→φ1rsin⁡ϑ∂U∂φ

divV→

∂Vx∂x+∂Vy∂y+∂Vz∂z

1ρ∂∂ρ(ρVρ)+1ρ∂Vφ∂φ+∂Vz∂z

1r2∂∂r(r2Vr)+1rsin⁡ϑ∂∂ϑ(Vϑsin⁡ϑ) +1rsin⁡ϑ∂Vφ∂φ

rotV→

e→x(∂Vz∂y−∂Vy∂z)

e→ρ(1ρ∂Vz∂φ−∂Vφ∂z)

e→r1rsin⁡ϑ[∂∂ϑ(Vφsin⁡ϑ)−∂Vϑ∂φ]

+e→y(∂Vx∂z−∂Vz∂x)

+e→φ(∂Vρ∂z−∂Vz∂ρ)

+e→ϑ1r[1sin⁡ϑ∂Vr∂φ−∂∂r(rVφ)]

+e→z(∂Vy∂x−∂Vx∂y)

+e→z(1ρ∂∂ρ(ρVφ)−1ρ∂Vρ∂φ)

+e→φ1r[∂∂r(rVϑ)−∂Vr∂ϑ]

ΔU

∂2U∂x2+∂2U∂y2+∂2U∂z2

1ρ∂∂ρ(ρ∂U∂ρ)+1ρ2∂2U∂φ2

1r2∂∂r(r2∂U∂r)

+∂2U∂z2

+1r2sin⁡ϑ∂∂ϑ(sin⁡ϑ∂U∂ϑ) +1r2sin⁡ϑ∂2U∂φ2

13.2.7.3 基本关系式和结果 (表 13.3) ​

算子

符号

关系

变元

结果

意义

梯度

gradU

∇U

标量

向量

极大增加

向量梯度

gradV→

∇V→

向量

二阶张量

散度

divV→

∇⋅V→

向量

标量

源, 汇

旋度

rotV→

∇×V→

向量

向量

卷曲

拉普拉斯算子

△U

(∇⋅∇)U

标量

标量

位势场源

拉普拉斯算子

△V→

(∇⋅∇)V→

向量

向量

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