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人生天地之间,若白驹之过隙,忽然而已。

矢量分析中的常用公式

三个常用坐标系下的坐标变换和体积元


1. 直角坐标系


 如图所示,空间中一点 M(x,y,z)M(x,y,z) 位置由 OMOM 在三个坐标轴上的投影值 xx 、 yy 、 zz 表示,单位矢量 x^\hat{x} 、y^\hat{y}、z^\hat{z},分别表示三个方向,一个矢量 AA 可表示为:

A=Axx^+Ayy^+Azz^\mathbf{A} = A_x\mathbf{\hat{x}} + A_y\mathbf{\hat{y}} + A_z\mathbf{\hat{z}}


AA 的大小为

∣A∣=(Ax2+Ay2+Az2)1/2|\mathbf{A}| = (A_x^2 + A_y2 + A_z^2)^{1/2}


积分用的体积元

dV=dxdydzdV=dxdydz

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2. 圆柱坐标系


 如图所示,空间中一点 M(ρ,ϕ,z)M(\rho , \phi , z),ρ\rho,ϕ\phi 为点 MM 在 OxyOxy 平面上的投影的极坐标 MM 到 OxyOxy 平面的距离,圆柱坐标与直角坐标的互换公式为

{x=ρcosϕ,y=ρsinϕ,z=z,{ρ=x2+y2ϕ=arctan⁡yxz=z\begin{cases} x=\rho\mathrm{cos}\phi, \\ y=\rho\mathrm{sin}\phi, \\ z=z, & \end{cases}\quad \begin{cases} \rho=\sqrt{x^2+y^2} \\ \\ \phi=\arctan\frac{y}{x} \\ \\ z=z & \end{cases}


一个矢量 AA 可表示为

A=Aρρ^+Aϕϕ^+Azz^\mathbf{A}=A_{\rho} \mathbf{\hat{\rho}} +A_{\phi} \mathbf{\hat{\phi}} +A_{z} \mathbf{\hat{z}}

式中,ρ^\mathbf{\hat{\rho}} 、ϕ^\mathbf{\hat{\phi}} 、z^\mathbf{\hat{z}} 是矢量 A\mathbf{A} 所在空间点的圆柱坐标的单位矢量。


积分用的柱面面积元

dS=ρdϕdzdS= \rho d \phi dz


积分用的体积元

dV=ρdρdϕdzdV=\rho d \rho d \phi dz

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3. 球坐标系


 如图所示,空间中一点 M(r,ϕ,θ)M(r , \phi , \theta),rr 为 OMOM 的长度,ϕ\phi 为经度,θ\theta 为纬度。球坐标与直角坐标的互换公式为


{x=rsin⁡θcos⁡ϕ,y=rsin⁡θsin⁡ϕ,z=rcos⁡θ,{r=x2+y2+z2ϕ=arctan⁡yxθ=arctan⁡x2+y2z\begin{cases} x=r\sin\theta\cos\phi, \\ y=r\sin\theta\sin\phi, \\ z=r\cos\theta, & \end{cases} \begin{cases} r=\sqrt{x^2+y^2+z^2} \\ \phi=\arctan\frac{y}{x} \\ \theta=\arctan\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{z} & \end{cases}


一个矢量 AA 可表示为

A=Arr^+Aϕϕ^+Aθθ^\mathbf{A}=A_{r} \mathbf{\hat{r}} +A_{\phi} \mathbf{\hat{\phi}} +A_{\theta} \mathbf{\hat{\theta}}

式中,r^\mathbf{\hat{r}} 、ϕ^\mathbf{\hat{\phi}} 、θ^\mathbf{\hat{\theta}} 是矢量 A\mathbf{A} 所在空间点的球坐标的单位矢量。


积分用的球面面积元

dS=r2sinθdθdϕdS=r^2 sin \theta d \theta d \phi


积分用的体积元

dV=r2sinθdrdθdϕdV=r^2 sin \theta dr d\theta d\phi


立体角元

dΩ=dSr2=sinθdθdϕd\varOmega = \frac{dS}{r^2}=sin \theta d\theta d\phi

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矢量代数运算公式


两个矢量的标量积(或称点积、内积)

A⋅B=B⋅A=∣A∣∣B∣cosα\mathbf{A} \cdot \mathbf{B} = \mathbf{B} \cdot \mathbf{A} = |\mathbf{A}| |\mathbf{B}| cos \alpha


α\alpha 是矢量 A\mathbf{A} 与 B\mathbf{B} 之间的夹角。标量积又可表示为

A⋅B=AxBx+AyBy+AzBz\mathbf{A} \cdot \mathbf{B} = A_x B_x +A_y B_y+A_z B_z


两个矢量的矢量积(或称叉积、外积)

A×B=−B×A=∣x^y^z^AxAyAzBxByBz∣=(AyBz−AzBy)x^+(AzBx−AxBz)y^+(AxBy−AyBx)z^\begin{aligned} \mathbf{A}\times\mathbf{B}= & -\mathbf{B}\times\mathbf{A}= \begin{vmatrix} {\mathbf{\hat{x} } } & {\mathbf{\hat{y} } } & {\mathbf{\hat{z} } } \\ {A_{x} } & {A_{y} } & {A_{z} } \\ {B_{x} } & {B_{y} } & {B_{z} } \end{vmatrix} \\ & =(A_{y}B_{z}-A_{z}B_{y})\mathbf{\hat{x} }+(A_{z}B_{x}-A_{x}B_{z})\mathbf{\hat{y} }+(A_{x}B_{y}-A_{y}B_{x})\mathbf{\hat{z} }\end{aligned}


又有

∣A×B∣=∣A∣∣B∣sinα,(0≤α≤π)|\mathbf{A} \times \mathbf{B}|=|\mathbf{A} | |\mathbf{B} |sin \alpha , \qquad (0\le \alpha \le \pi)

A\mathbf{A} 、B\mathbf{B} 与 A×B\mathbf{A} \times \mathbf{B} 三个矢量构成右手系,如图所示

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三个矢量的混合积

A⋅(B×C)=∣AxAyAzBxByBzCxCyCz∣=Ax(ByCz−BzCy)+Ay(BzCx−BxCz)+Az(BxCy−ByCx)=C⋅(A×B)=B⋅(C×A)\begin{aligned} \mathbf{A}\cdot(\mathbf{B}\times\mathbf{C})= & \left.\left| \begin{array} {ccc}{A_{x} } & {A_{y} } & {A_{z} } \\ {B_{x} } & {B_{y} } & {B_{z} } \\ {C_{x} } & {C_{y} } & {C_{z} } \end{array}\right.\right| \\ =A_{x}\left(B_{y}C_{z}-B_{z}C_{y}\right) & +A_{y}(B_{z}C_{x}-B_{x}C_{z})+A_{z}(B_{x}C_{y}-B_{y}C_{x}) \\ =\mathbf{C}\cdot (\mathbf{A}\times \mathbf{B})=\mathbf{B}\cdot(\mathbf{C}\times \mathbf{A}) \end{aligned}

混合积是一个数,它的绝对值等于以 A\mathbf{A} 、B\mathbf{B} 、 C\mathbf{C} 为边的平行六面体的体积。


三重矢积

A×(B×C)=B(A⋅C)−C(A⋅B)\mathbf{A} \times (\mathbf{B} \times \mathbf{C}) =\mathbf{B}(\mathbf{A} \cdot \mathbf{C}) - \mathbf{C}(\mathbf{A}\cdot \mathbf{B})



在三种坐标系下的矢量分析常用公式

1. 直角坐标系


散度

∇⋅A=divA=∂Ax∂x+∂Ay∂y+∂Az∂z\nabla\cdot \mathbf{A}=\mathrm{div} \mathbf{A}=\frac{\partial A_x}{\partial x}+\frac{\partial A_y}{\partial y}+\frac{\partial A_z}{\partial z}


旋度

∇×A=rot⁡A=∣x^y^z^∂∂x∂∂y∂∂zAxAyAz∣=(∂Az∂y−∂Ay∂z)x^+(∂Ax∂z−∂Az∂x)y^+(∂Ay∂x−∂Ax∂y)z^\begin{aligned} \mathbf{\nabla}\times\mathbf{A}= & \operatorname{rot}\mathbf{A}= \begin{vmatrix} {\boldsymbol{\hat{x} } } & {\boldsymbol{\hat{y} } } & {\boldsymbol{\hat{z} } } \\ {\frac{\partial}{\partial x} } & {\frac{\partial}{\partial y} } & {\frac{\partial}{\partial z} } \\ {A_{x} } & {A_{y} } & {A_{z} } \end{vmatrix} \\ = & \left(\frac{\partial A_{z} }{\partial y}-\frac{\partial A_{y} }{\partial z}\right)\boldsymbol{\hat{x} }+\left(\frac{\partial A_{x} }{\partial z}-\frac{\partial A_{z} }{\partial x}\right)\boldsymbol{\hat{y} } +\left(\frac{\partial A_{y} }{\partial x}-\frac{\partial A_{x} }{\partial y}\right)\boldsymbol{\hat{z} }\end{aligned}


梯度

∇Φ=gradΦ=∂Φ∂xx^+∂Φ∂yy^+∂Φ∂zz^\nabla\Phi=\mathrm{grad}\Phi=\frac{\partial\Phi}{\partial x}\boldsymbol{\hat{x} }+\frac{\partial\Phi}{\partial y}\boldsymbol{\hat{y} }+\frac{\partial\Phi}{\partial z}\boldsymbol{\hat{z} }


拉普拉斯算符 $\nabla ^2 $ 运算

∇2Φ=∂2Φ∂x2+∂2Φ∂y2+∂2Φ∂z2\nabla^{2} \Phi=\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial x^{2}}+\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial y^{2}}+\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial z^{2}}


2. 圆柱坐标


散度

∇⋅A=1ρ∂∂ρ(ρAρ)+1ρ∂Aϕ∂ϕ+∂Az∂z\mathbf{\nabla}\cdot\mathbf{A}=\frac{1}{\rho}\frac{\partial}{\partial\rho}(\rho A_{\rho})+\frac{1}{\rho}\frac{\partial A_{\phi}}{\partial\phi}+\frac{\partial A_{z}}{\partial z}


旋度

∇×A=(1ρ∂Az∂ϕ−∂Aϕ∂z)ρ^+(∂Aρ∂z−∂Az∂ρ)ϕ^+1ρ[∂∂ρ(ρAϕ)−∂Aρ∂ϕ]z^\mathbf{\nabla}\times\mathbf{A} =\left(\frac{1}{\rho}\frac{\partial A_{z} }{\partial\phi}-\frac{\partial A_{\phi} }{\partial z}\right)\hat{\boldsymbol{\rho}}+\left(\frac{\partial A_{\rho} }{\partial z}-\frac{\partial A_{z} }{\partial\rho}\right)\hat{\boldsymbol{\phi} }+\frac{1}{\rho}\left[\frac{\partial}{\partial\rho}(\rho A_{\phi} )-\frac{\partial A_{\rho} }{\partial\phi}\right]\boldsymbol{\hat{z} }


梯度

∇Φ=∂Φ∂ρρ^+1ρ∂Φ∂ϕϕ^+∂Φ∂zz^\nabla\Phi=\frac{\partial\Phi}{\partial\rho}\hat{\boldsymbol{\rho} }+\frac{1}{\rho}\frac{\partial\Phi}{\partial\phi}\hat{\boldsymbol{\phi} }+\frac{\partial\Phi}{\partial z}\hat{\boldsymbol{z} }


拉普拉斯算符 $\nabla ^2 $ 运算

∇2Φ=1ρ∂∂ρ(ρ∂Φ∂ρ)+1ρ2∂2Φ∂ϕ2+∂2Φ∂z2\mathbf{\nabla}^{2} \Phi=\frac{1}{\rho}\frac{\partial}{\partial\rho}\left(\rho\frac{\partial\Phi}{\partial\rho}\right)+\frac{1}{\rho^{2} }\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial\phi^{2} }+\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial z^{2} }


3. 球坐标


散度

∇⋅A=1r2∂∂r(r2Ar)+1rsinθ∂∂θ(Aθsinθ)+1rsinθ∂Aϕ∂ϕ\nabla \cdot \mathbf{ A}=\frac{1}{r^{2}}\frac{\partial}{\partial r}(r^{2}A_{r})+\frac{1}{r\mathrm{sin}\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}(A_{\theta}\mathrm{sin}\theta)+\frac{1}{r\mathrm{sin}\theta}\frac{\partial A_{\phi}}{\partial\phi}


旋度

∇×A=1rsinθ[∂∂θ(Aϕsinθ)−∂Aθ∂ϕ]r^+1r[1sinθ∂Ar∂ϕ−∂∂r(rAϕ)]θ^+1r[∂∂r(rAθ)−∂Ar∂θ]ϕ^\mathbf{\nabla}\times\mathbf{A}= \frac{1}{r\mathrm{sin}\theta}\left[\frac{\partial}{\partial\theta}(A_{\phi}\mathrm{sin}\theta)-\frac{\partial A_{\theta} }{\partial\phi}\right]\boldsymbol{\hat{r} }+\frac{1}{r}\left[\frac{1}{\mathrm{sin}\theta}\frac{\partial A_{r} }{\partial\phi}-\frac{\partial}{\partial r}(rA_{\phi})\right]\boldsymbol{\hat{\theta} } +\frac{1}{r}\left[\frac{\partial}{\partial r}(rA_{\theta})-\frac{\partial A_{r} }{\partial\theta}\right]\hat{\boldsymbol{\phi} }


梯度

∇Φ=∂Φ∂rr^+1r∂Φ∂θθ^+1rsinθ∂Φ∂ϕϕ^\nabla\Phi=\frac{\partial\Phi}{\partial r}\boldsymbol{\hat{r} }+\frac{1}{r}\frac{\partial\Phi}{\partial\theta}\boldsymbol{\hat{\theta} }+\frac{1}{r\mathrm{sin}\theta}\frac{\partial\Phi}{\partial\phi}\boldsymbol{\hat{\phi} }


拉普拉斯算符 $\nabla ^2 $ 运算

∇2Φ=1r2∂∂r(r2∂Φ∂r)+1r2sin⁡θ∂∂θ(sin⁡θ∂Φ∂θ)+1r2sin⁡2θ∂2Φ∂ϕ2\mathbf{\nabla}^{2}\Phi= \frac{1}{r^{2} }\frac{\partial}{\partial r}\left(r^{2}\frac{\partial\Phi}{\partial r}\right)+\frac{1}{r^{2}\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\sin\theta\frac{\partial\Phi}{\partial\theta}\right)+\frac{1}{r^{2}\sin^{2}\theta}\frac{\partial^{2}\Phi}{\partial\phi^{2} }


4. ∇\nabla 算符的运算公式

  ff 和 gg 是空间位置的标量函数,A\mathbf{A} 和 B\mathbf{B} 是空间位置的矢量函数,则有

∇(f+g)=∇f+∇g∇⋅(A+B)=∇⋅A+∇⋅B∇×(A+B)=∇×A+∇×B∇(fg)=(∇f)g+f(∇g)∇⋅(fA)=(∇f)⋅A+f(∇⋅A)∇×(fA)=(∇f)×A+f(∇×A)∇(A⋅B)=(B⋅∇)A+B×(∇×A)+(A⋅∇)B+A×(∇×B)∇⋅(A×B)=B⋅(∇×A)−A⋅(∇×B)∇×(A×B)=(B⋅∇)A+A(∇⋅B)−(A⋅∇)B−B(∇⋅A)∇×(∇f)=0∇⋅(∇×A)=0∇⋅(∇f)=∇2f\begin{gathered} \nabla(f+g)=\nabla f+\nabla g \\ \nabla\cdot(\mathbf{A}+\mathbf{B})=\nabla\cdot \mathbf{A}+\nabla\cdot \mathbf{B} \\ \nabla\times(\mathbf{A}+\mathbf{B})=\nabla\times \mathbf{A}+\nabla\times \mathbf{B} \\ \nabla(fg)=(\nabla f)g+f(\nabla g) \\ \nabla\cdot(f\mathbf{A})=(\nabla f)\cdot \mathbf{A}+f(\nabla\cdot \mathbf{A}) \\ \nabla\times(f\mathbf{A})=(\nabla f)\times\mathbf{A}+f(\nabla\times\mathbf{A}) \\ \nabla(\mathbf{A}\cdot \mathbf{B})=(\mathbf{B}\cdot\nabla)\mathbf{A}+\mathbf{B}\times(\nabla\times \mathbf{A})+(\mathbf{A}\cdot\nabla)\mathbf{B}+\mathbf{A}\times(\nabla\times \mathbf{B}) \\ \nabla\cdot(\mathbf{A}\times \mathbf{B})=\mathbf{B}\cdot(\nabla\times \mathbf{A})-\mathbf{A}\cdot(\nabla\times \mathbf{B}) \\ \nabla\times(\mathbf{A}\times \mathbf{B})=(\mathbf{B}\cdot\nabla)\mathbf{A}+\mathbf{A}(\nabla\cdot \mathbf{B})-(\mathbf{A}\cdot\nabla)\mathbf{B}-\mathbf{B}(\nabla\cdot \mathbf{A}) \\ \nabla\times(\nabla f)=0 \\ \nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{A})=0 \\ \nabla\cdot(\nabla f)=\nabla^{2}f \end{gathered}



矢量积分的两个公式


1. 高斯公式


∮SA⋅dS=∭V∇⋅AdV\oint_{S}\mathbf{A}\cdot\mathrm{d}\mathbf{S}=\iiint_{V}\nabla\cdot\mathbf{A}\mathrm{d}V

式中,VV 为闭合面 SS 所围的体积


2. 斯托克斯公式


∮LA⋅dl=∬S(∇×A)⋅dS\oint_L\mathbf{A}\cdot\mathrm{d}\boldsymbol{l}=\iint_S(\nabla\times\boldsymbol{A})\cdot\mathrm{d}\boldsymbol{S}




参考书籍:《电磁学与电动力学》上册附录 $IV$ ————胡友秋 【科学出版社】(基本上照着抄的属于是)