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高等数学
第六章 多元函数微分学
三种算子的性质与迭代
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更新:
2025-04-05 11:06
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三种算子的性质与迭代
## 散度 梯度与涡度 散度,梯度,涡度都是綫性算子,也就是把它們运用在一綫性組合上,仍然得出相仿的綫性組合,師 $$ \begin{aligned} \operatorname{div}(\lambda a +\mu b ) & =\lambda \operatorname{div} a +\mu \operatorname{div} b \\ \operatorname{grad}(\lambda \varphi+\mu \psi) & =\lambda \operatorname{grad} \varphi+\mu \operatorname{grad} \psi \\ \operatorname{rot}(\lambda a +\mu b ) & =\lambda \operatorname{rot} a +\mu \operatorname{rot} b \end{aligned} $$ 这儿 $\lambda, \mu$ 是任澺的常数。 又关于各种乘积有以下的公式: 首先两函数之积的梯度 $$ \operatorname{grad}(\varphi \psi)=\left(\frac{\partial(\varphi \psi)}{\partial x}, \frac{\partial(\varphi \psi)}{\partial y}, \frac{\partial(\varphi \psi)}{\partial z}\right)=\varphi \operatorname{grad} \psi+\psi \operatorname{grad} \varphi . $$ 函数 $\varphi$ 的函数 $F$ 的梯度等于 $$ \operatorname{grad} F(\varphi)=\left(\frac{\partial F(\varphi)}{\partial x}, \frac{\partial F(\varphi)}{\partial y} \cdot \frac{\partial F(\varphi)}{\partial z}\right)=F^{\prime}(\varphi) \operatorname{grad} \varphi $$ 二矢量 $a =\left(a_x, a_y, a_z\right), b =\left(b_x, b_y, b_z\right)$ 的內积的梯度等于 $$ \begin{aligned} & \operatorname{grad} a \cdot b =\left(\frac{\partial}{\partial x}( a \cdot b ), \frac{\partial}{\partial y}( a \cdot b ), \frac{\partial}{\partial z}( a \cdot b )\right) \\ &=\left(\left(\frac{\partial}{\partial x} a \right) \cdot b + a \cdot\left(\frac{\partial}{\partial x} b \right),\left(\frac{\partial}{\partial y} a \right) \cdot b + a \cdot\left(\frac{\partial}{\partial y} b \right)\right. \\ &\left.\left(\frac{\partial}{\partial z} a \right) \cdot b + a \cdot\left(\frac{\partial}{\partial z} b \right)\right)=\left(a_x \frac{\partial}{\partial x}+a_y \frac{\partial}{\partial y}+a_z \frac{\partial}{\partial z}\right) b + \\ &+\left(b_x \frac{\partial}{\partial x}+b_y \frac{\partial}{\partial y}+b_z \frac{\partial}{\partial z}\right) a + a \times \operatorname{rot} b + b \times \operatorname{rot} a \end{aligned} $$ 図数 $\varphi$ 乘矢量 $a$ 的散度是 $$ \operatorname{div} \varphi a =\frac{\partial\left(\varphi a_x\right)}{\partial x}+\frac{\partial\left(\varphi a_y\right)}{\partial y}+\frac{\partial\left(\varphi a_z\right)}{\partial z}=\varphi \operatorname{div} a +\operatorname{grad} \varphi \cdot a $$ 两矢量 $a , b$ 的外积的散度为 $\operatorname{div} a \times b =\frac{\partial}{\partial x}\left(a_y b_z-a_z b_y\right)+\frac{\partial}{\partial y}\left(a_z b_x-a_x b_z\right)+\frac{\partial}{\partial z}\left(a_x b_y-a_v b_x\right)$ $$ \begin{aligned} = & -a_x\left(\frac{\partial b_z}{\partial y}-\frac{\partial b_v}{\partial z}\right)-a_y\left(\frac{\partial b_x}{\partial z}-\frac{\partial b_x}{\partial x}\right)-a_x\left(\frac{\partial b_y}{\partial x}-\frac{\partial b_x}{\partial y}\right) \\ & +b_x\left(\frac{\partial a_z}{\partial y}-\frac{\partial a_y}{\partial z}\right)+b_y\left(\frac{\partial a_x}{\partial z}-\frac{\partial a_z}{\partial x}\right)+b_x\left(\frac{\partial a _y}{\partial x}-\frac{\partial a_x}{\partial y}\right) \\ = & b \cdot \operatorname{rot} a - a \cdot \operatorname{rot} b . \end{aligned} $$ 函数乘矢量的涡度是 $$ \operatorname{rot} \varphi a =\varphi \operatorname{rot} a +\operatorname{grad} \varphi \times a $$ 二矢量之外积的涡度是 $$ \begin{aligned} \operatorname{rot} a \times b = & \left(b_x \frac{\partial}{\partial x}+b_y \frac{\partial}{\partial y}+b_z \frac{\partial}{\partial z}\right) a \\ & -\left(a_x \frac{\partial}{\partial x}+a_y \frac{\partial}{\partial y}+a_z \frac{\partial}{\partial z}\right) b \\ & +(\operatorname{div} b ) a -(\operatorname{div} a ) b . \end{aligned} $$ ## 三种算子的迭代 运算 $\operatorname{grad} \varphi$ 把一純量場变为矢量場,运算 $\operatorname{div} R$ 把一矢量場变为純量場,而运算 $\operatorname{rot} R$ 复把一矢量場变为矢量場。这三种运算的迭用可得以下的一些公式。 首先易証 $\operatorname{div} \operatorname{rot} R = 0$ 及 $\operatorname{rot} \operatorname{grad} \varphi= 0$. 其次, $$ \begin{aligned} \operatorname{div} \operatorname{grad} \varphi & =\frac{\partial^2 \varphi}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 \varphi}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 \varphi}{\partial z^2} \\ & =\Delta \varphi(\text { Laplace 算子 }) \end{aligned} $$ 最后由于 $$ \begin{gathered} \operatorname{grad} \operatorname{div} R =\left(\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial X}{\partial x}+\frac{\partial Y}{\partial y}+\frac{\partial Z}{\partial z}\right), \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial X}{\partial x}+\frac{\partial Y}{\partial y}+\frac{\partial Z}{\partial z}\right)\right. \\ \left.\frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{\partial X}{\partial x}+\frac{\partial Y}{\partial y}+\frac{\partial Z}{\partial z}\right)\right) \end{gathered} $$ 及 $$ \begin{aligned} \operatorname{rot} \operatorname{rot} R & =\operatorname{rot}\left(\frac{\partial Z}{\partial y}-\frac{\partial Y}{\partial z}, \frac{\partial X}{\partial z}-\frac{\partial Z}{\partial x}, \frac{\partial Y}{\partial x}-\frac{\partial X}{\partial y}\right) \\ & =\left(\frac{\partial^2 Y}{\partial x \partial y}-\frac{\partial^2 X}{\partial y^2}-\frac{\partial^2 X}{\partial z^2}+\frac{\partial^2 Z}{\partial x \partial z}, \frac{\partial^2 Z}{\partial y \partial z}-\frac{\partial^2 Y}{\partial z^2}-\frac{\partial^2 Y}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 X}{\partial y \partial x}\right. \\ & \left.\frac{\partial^2 X}{\partial z \partial x}-\frac{\partial^2 Z}{\partial x^2}-\frac{\partial^2 Z}{\partial y^2}+\frac{\partial^2 Y}{\partial z \partial y}\right) \end{aligned} $$ 相減可得 $$ \operatorname{grad} \operatorname{div} R -\operatorname{rot} \operatorname{rot} R =\Delta R $$
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