imported>Da3mon K (→Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation: Verweiskosmetik) |
imported>Hutch K (Linkfix) |
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Zeile 9: | Zeile 9: | ||
=== Nomenklatur === | === Nomenklatur === | ||
* Operatoren wie „<math>\ | * Operatoren wie „<math>\mathrm{grad}</math>“ werden nicht kursiv geschrieben. | ||
* Buchstaben in der Mitte des Alphabets werden als Indizes benutzt: <math>i,j,k,l\in\{1,2,3\}</math> | * Buchstaben in der Mitte des Alphabets werden als Indizes benutzt: <math>i,j,k,l\in\{1,2,3\}</math> | ||
* Es gilt die [[Einsteinsche Summenkonvention]] ohne Beachtung der Indexstellung. | * Es gilt die [[Einsteinsche Summenkonvention]] ohne Beachtung der Indexstellung. | ||
** Kommt in einer Formel in einem [[Multiplikation|Produkt]] ein Index doppelt vor wie in <math>c=a_i b^i</math> wird über diesen Index von eins bis drei summiert:<br> <math>c=a_i b^i =\sum_{i=1}^3 a_i b^i</math>. | ** Kommt in einer Formel in einem [[Multiplikation|Produkt]] ein Index doppelt vor wie in <math>c=a_i b^i</math> wird über diesen Index von eins bis drei summiert:<br> <math>c=a_i b^i=\sum_{i=1}^3 a_i b^i</math>. | ||
** Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in <math>c=A_{ij} B^i_j</math> wird über diese summiert:<br> <math>c=A_{ij} B^i_j =\sum_{i=1}^3\sum_{j=1}^3 A_{ij} B^i_j</math>. | ** Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in <math>c=A_{ij} B^i_j</math> wird über diese summiert:<br> <math>c=A_{ij} B^i_j=\sum_{i=1}^3\sum_{j=1}^3 A_{ij} B^i_j</math>. | ||
** Ein Index, der nur einfach vorkommt wie <math>i</math> in <math>v_i = A_{ij} b_j</math>, ist ein ''freier'' Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:<br> <math>v_i = A_{ij} b_j\quad\leftrightarrow\quad v_i =\sum_{j=1}^3 A_{ij} b_j\quad\forall\; i\in\{1,2,3\}</math>. | ** Ein Index, der nur einfach vorkommt wie <math>i</math> in <math>v_i= A_{ij} b_j</math>, ist ein ''freier'' Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:<br> <math>v_i= A_{ij} b_j\quad\leftrightarrow\quad v_i=\sum_{j=1}^3 A_{ij} b_j\quad\forall\; i\in\{1,2,3\}</math>. | ||
* Vektoren: | * Vektoren: | ||
** Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren im dreidimensionalen [[Prähilbertraum|euklidischen Vektorraum]] < | ** Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren im dreidimensionalen [[Prähilbertraum|euklidischen Vektorraum]] 𝕍={ℝ<sup>3</sup>,+,·}. | ||
** Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. | ** Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. | ||
** Einheitsvektoren mit Länge eins werden wie in | ** Einheitsvektoren mit Länge eins werden wie in ê mit einem Hut versehen. | ||
** Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in <math>\vec{a}</math> mit einem Pfeil versehen. | ** Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in <math>\vec{a}</math> mit einem Pfeil versehen. | ||
** Standardbasis <math>\hat{e}_{1},\hat{e}_{2},\hat{e}_{3}</math> | ** [[Standardbasis]] <math>\hat{e}_{1},\hat{e}_{2},\hat{e}_{3}</math> | ||
** Beliebige Basis <math>\vec{b}_{1},\vec{b}_{2},\vec{b}_{3}</math> mit dualer Basis <math>\vec{b}^{1},\vec{b}^{2},\vec{b}^{3}</math> | ** Beliebige Basis <math>\vec{b}_{1},\vec{b}_{2},\vec{b}_{3}</math> mit [[Duale Basis|dualer Basis]] <math>\vec{b}^{1},\vec{b}^{2},\vec{b}^{3}</math> | ||
** Der Vektor <math>\vec{x}=x_i\hat{e}_i</math> wird durchgängig Ortsvektor genannt. | ** Der Vektor <math>\vec{x}=x_i\hat{e}_i</math> wird durchgängig Ortsvektor genannt. | ||
* Tensoren zweiter Stufe werden wie in | * Tensoren zweiter Stufe werden wie in '''T''' mit fetten Großbuchstaben notiert. Insbesondere [[Einheitstensor]] '''1'''. | ||
* Koordinaten: | * Koordinaten: | ||
** Kartesische Koordinaten <math>x_{1},x_{2},x_{3}\in\mathbb{R}</math> | ** [[#Kartesische Koordinaten]] <math>x_{1},x_{2},x_{3}\in\mathbb{R}</math> | ||
** [[Zylinderkoordinaten]]: <math>\rho,\varphi,z</math> | ** [[#Zylinderkoordinaten]]: <math>\rho,\varphi,z</math> | ||
** [[Kugelkoordinaten]]: <math>r,\vartheta,\varphi</math> | ** [[#Kugelkoordinaten]]: <math>r,\vartheta,\varphi</math> | ||
** Krummlinige Koordinaten <math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | ** [[Krummlinige Koordinaten]] <math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | ||
* Konstanten: <math>c,\vec{c},\mathbf{C}</math> | * Konstanten: <math>c,\vec{c},\mathbf{C}</math> | ||
* Zeit | * Zeit ''t'' ∈ ℝ | ||
* Variablen: skalar | * Variablen: skalar ''r,s'' ∈ ℝ oder vektorwertig <math>\vec{r},\vec{s}\in\mathbb{V}^{3}</math> | ||
* | * Feldfunktionen abhängig von <math>\vec{x},t</math> oder <math>\vec{y},t</math>: | ||
** Skalar <math>f,g\in\mathbb{R}</math> oder vektorwertig <math>\vec{f},\vec{g}\in\mathbb{V}^{3}</math> | ** Skalar <math>f,g\in\mathbb{R}</math> oder vektorwertig <math>\vec{f},\vec{g}\in\mathbb{V}^{3}</math> | ||
** Tensorwertig: | ** Tensorwertig: '''S''', '''T''' | ||
* Operatoren: | * Operatoren: | ||
** [[Spur | ** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Spur]]: Sp | ||
** [[ | ** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Transposition]]: '''T'''<sup>⊤</sup> | ||
** [[ | ** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Inverse]]: '''T'''<sup> -1</sup> | ||
** | ** Transponierte Inverse: '''T'''<sup> ⊤-1</sup> | ||
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Skalarprodukt von Tensoren]] :, von Vektoren · | |||
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor]] × oder von Vektoren untereinander | |||
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Dyadisches Produkt]] ⊗ | |||
** [[Äußeres Tensorprodukt]] <math>(\vec a\otimes\vec g)\#(\vec b\otimes\vec h):=(\vec a\times\vec b)\otimes(\vec g\times\vec h)</math> | |||
** [[Vektorinvariante]] <math>\vec{\mathrm i}(\vec a\otimes\vec b)=\vec a\times\vec b</math> | |||
* [[Differentialoperator]]en: | * [[Differentialoperator]]en: | ||
** [[ | ** [[#Nabla-Operator]]: 𝜵 | ||
** [[Divergenz | ** [[#Gradient]]: grad | ||
** [[ | ** [[#Divergenz]]: div | ||
** [[ | ** [[#Rotation]]: rot | ||
** Ein Index hinter einem Komma bezeichnet die Ableitung nach einer Koordinate:<br /><math>f_{,i}:=\frac{\partial f}{\partial x_i}\,,\quad f_{i,jk}=\frac{\partial^2 f_{i}}{\partial x_j\partial x_k}</math> | ** [[#Laplace-Operator]]: Δ | ||
** Ein Index hinter einem Komma bezeichnet die Ableitung nach einer Koordinate:<br /><math>f_{,i}:=\frac{\partial f}{\partial x_i}\,,\quad f_{i,jk}=\frac{\partial^2 f_{i}}{\partial x_j\partial x_k}\,,\quad f_{r,\vartheta}=\frac{\partial f_r}{\partial\vartheta}</math> | |||
** [[Zeitableitung]] mit [[Punkt (Oberzeichen)#Als wissenschaftliches Symbol| Überpunkt]]: <math>\dot f=\frac{\mathrm d f}{\mathrm d t}, \dot{\vec f}=\frac{\mathrm d\vec f}{\mathrm d t}, \dot{\mathbf T}=\frac{\mathrm d}{\mathrm d t}\mathbf T</math> | |||
* [[Landau-Symbole]]: f = 𝓞(x): f wächst langsamer als x. | |||
* Kontinuumsmechanik: | * Kontinuumsmechanik: | ||
** Verschiebung <math>\vec{u}=u_i\hat{e}_i</math> | ** Verschiebung <math>\vec{u}=u_i\hat{e}_i</math> | ||
** Geschwindigkeit <math>\vec{v}=v_i\hat{e}_i</math> | ** Geschwindigkeit <math>\vec{v}=v_i\hat{e}_i</math> | ||
** [[Deformationsgradient]] <math>\mathbf{F}</math> | ** [[Deformationsgradient]] <math>\mathbf{F}</math> | ||
** Räumlicher Geschwindigkeitsgradient <math>\mathbf{l}</math> | ** Räumlicher [[Geschwindigkeitsgradient]] <math>\mathbf{l}</math> | ||
** der Differentialoperator D/Dt und der [[Punkt (Oberzeichen)#Als wissenschaftliches Symbol| | ** der Differentialoperator D/Dt und der [[Punkt (Oberzeichen)#Als wissenschaftliches Symbol| Überpunkt]] steht für die [[Substantielle Ableitung| substantielle Zeitableitung]] | ||
=== Kronecker-Delta === | === Kronecker-Delta === | ||
{{ | {{Siehe auch|Kronecker-Delta}} | ||
:<math>\delta_{ij} | :<math>\delta_{ij} | ||
=\delta^{ij} | =\delta^{ij} | ||
Zeile 63: | Zeile 72: | ||
\\ | \\ | ||
0&\mathrm{sonst}\end{array}\right.</math> | 0&\mathrm{sonst}\end{array}\right.</math> | ||
=== Permutationssymbol === | |||
{{Siehe auch|Permutationssymbol}} | |||
:<math>\epsilon_{ijk} | |||
=\hat{e}_i\cdot(\hat{e}_j\times\hat{e}_k) | |||
=\begin{cases} | |||
1 &\text{falls}\;(i,j,k)\in\{(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2)\} | |||
\\ | |||
-1 &\text{falls}\;(i,j,k)\in\{(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)\} | |||
\\ | |||
0 &\text{sonst, d.h. bei doppeltem Index} | |||
\end{cases} | |||
</math> | |||
[[Kreuzprodukt]]: | |||
:<math>a_i\hat{e}_i\times b_j\hat{e}_j=\epsilon_{ijk}a_i b_j\hat{e}_k</math> | |||
:<math>\epsilon_{ijk}\hat{e}_k=\hat{e}_i\times\hat{e}_j</math> | |||
[[Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor]]: | |||
:<math>(\vec{a}\times\mathbf{A})\cdot\vec{g} | |||
:=\vec{a}\times(\mathbf{A}\cdot\vec{g}) | |||
</math> | |||
:<math>\vec{b}\cdot(\vec{a}\times\mathbf{A}) | |||
=(\vec{b}\times\vec{a})\cdot\mathbf{A} | |||
</math> | |||
:<math>\vec{g}\cdot(\mathbf{A}\times\vec{a}) | |||
:=(\vec{g}\cdot\mathbf{A})\times\vec{a} | |||
</math> | |||
:<math>(\mathbf{A}\times\vec{a})\cdot\vec{b} | |||
=\mathbf{A}\cdot(\vec{a}\times\vec b) | |||
</math> | |||
=== Basisvektoren === | === Basisvektoren === | ||
Kartesische Koordinaten: <math>\hat{e}_{1},\hat{e}_{2},\hat{e}_{3}</math> | ==== Kartesische Koordinaten ==== | ||
{{Siehe auch|Kartesische Koordinaten}} | |||
:<math>x_1, x_2, x_3\in\R</math> | |||
mit Basisvektoren | |||
:<math>\hat{e}_{1}=\begin{pmatrix}1\\0\\0\end{pmatrix}, | |||
\quad | |||
\hat{e}_{2}=\begin{pmatrix}0\\1\\0\end{pmatrix}, | |||
\quad | |||
\hat{e}_{3}=\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}</math> | |||
die [[Standardbasis]] oder allgemeiner eine beliebige [[Orthonormalbasis]] ist. | |||
==== Zylinderkoordinaten ==== | |||
{{Siehe auch|Zylinderkoordinaten}} | |||
:<math> | :<math> | ||
\hat{e}_\rho =\begin{pmatrix} | \hat{e}_\rho=\begin{pmatrix}\cos(\varphi)\\ \sin(\varphi)\\ 0\end{pmatrix}, | ||
\cos\varphi\\ | \quad | ||
\sin\varphi\\ | \hat{e}_\varphi=\begin{pmatrix}-\sin(\varphi)\\ \cos(\varphi)\\0\end{pmatrix}, | ||
0 | \quad | ||
\end{pmatrix}, | \hat{e}_z=\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 1\end{pmatrix} | ||
</math> | |||
:<math> | |||
\hat{e}_{\rho,\varphi}=\hat{e}_\varphi, | |||
\quad | \quad | ||
\hat{e}_\varphi | \hat{e}_{\varphi,\varphi}=-\hat{e}_\rho | ||
-\ | |||
\quad | \quad | ||
\hat{e} | \hat{e}_{z,\varphi}=\vec0 | ||
</math> | </math> | ||
[[ | [[Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten]]: | ||
:<math>\hat{e}_r =\begin{pmatrix} | |||
\sin\vartheta\cos\varphi\\ | :<math>\vec\omega=\dot\varphi\hat e_z | ||
\sin\vartheta\sin\varphi\\ | \;\rightarrow\; | ||
\cos\vartheta | \dot{\hat e}_{\rho/\varphi/z}=\vec\omega\times\hat{e}_{\rho/\varphi/z} | ||
</math> | |||
==== Kugelkoordinaten ==== | |||
{{Siehe auch|Kugelkoordinaten}} | |||
:<math>\hat{e}_r=\begin{pmatrix} | |||
\sin(\vartheta)\cos(\varphi)\\ | |||
\sin(\vartheta)\sin(\varphi)\\ | |||
\cos(\vartheta) | |||
\end{pmatrix}, | \end{pmatrix}, | ||
\ | \quad | ||
\hat{e}_\vartheta =\begin{pmatrix} | \hat{e}_\vartheta=\begin{pmatrix} | ||
\cos\vartheta\cos\varphi\\ | \cos(\vartheta)\cos(\varphi)\\ | ||
\cos\vartheta\sin\varphi\\ | \cos(\vartheta)\sin(\varphi)\\ | ||
-\sin\vartheta | -\sin(\vartheta) | ||
\end{pmatrix}, | \end{pmatrix}, | ||
\ | \quad | ||
\hat{e}_\varphi =\begin{pmatrix} | \hat{e}_\varphi=\begin{pmatrix} | ||
-\sin\varphi\\ | -\sin(\varphi)\\ | ||
\cos\varphi\\ | \cos(\varphi)\\ | ||
0 | 0 | ||
\end{pmatrix}</math> | \end{pmatrix}</math> | ||
Krummlinige Koordinaten: <math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | [[Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten]]: | ||
:<math>\begin{align} | |||
&\vec\omega | |||
= | |||
\begin{pmatrix} | |||
-\dot\vartheta\sin(\varphi)\\ | |||
\dot\vartheta\cos(\varphi)\\ | |||
\dot\varphi | |||
\end{pmatrix} | |||
= | |||
\dot\varphi\cos(\vartheta)\hat{e}_r | |||
-\dot\varphi\sin(\vartheta)\hat{e}_\vartheta | |||
+\dot\vartheta\hat{e}_\varphi | |||
\\ | |||
&\rightarrow\; | |||
\dot{\hat e}_{r/\vartheta/\varphi} | |||
=\vec\omega\times\hat{e}_{r/\vartheta/\varphi} | |||
\end{align}</math> | |||
==== Krummlinige Koordinaten ==== | |||
{{Siehe auch|Krummlinige Koordinaten}} | |||
:<math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | |||
:<math>\vec{b}_i | :<math>\vec{b}_i | ||
=\frac{\partial\vec{x}}{\partial y_i},\quad | =\frac{\partial\vec{x}}{\partial y_i},\quad | ||
\vec{b}^{i}=\ | \vec{b}^{i}=\mathrm{grad}(y_i ) | ||
=\frac{\partial y_i}{\partial\vec{x}} | =\frac{\partial y_i}{\partial\vec{x}} | ||
\quad\rightarrow\quad\vec{b}_i\cdot\vec{b}^{j} | \quad\rightarrow\quad\vec{b}_i\cdot\vec{b}^{j} | ||
=\delta_i^{j}</math> | =\delta_i^{j}</math> | ||
== | == Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen == | ||
=== Gâteaux-Differential === | === Gâteaux-Differential === | ||
{{ | {{Siehe auch|Gâteaux-Differential}} | ||
:<math>\,\mathrm{D}f(x)[h]: | :<math>\,\mathrm{D}f(x)[h]: | ||
Zeile 123: | Zeile 216: | ||
mit <math>s\in\mathbb{R}</math>, <math>f,x,h</math> skalar-, vektor- oder tensorwertig aber <math>x</math> und <math>h</math> gleichartig. | mit <math>s\in\mathbb{R}</math>, <math>f,x,h</math> skalar-, vektor- oder tensorwertig aber <math>x</math> und <math>h</math> gleichartig. | ||
Produktregel: | [[Produktregel]]: | ||
:<math>\mathrm{D}(f(x)\cdot g(x))[h] | :<math>\mathrm{D}(f(x)\cdot g(x))[h] | ||
Zeile 129: | Zeile 222: | ||
</math> | </math> | ||
Kettenregel: | [[Kettenregel]]: | ||
:<math> | :<math>\mathrm{D}f\big(g(x)\big)[h] | ||
= | =\mathrm{D}f(g)[Dg(x)[h]]</math> | ||
=== Fréchet-Ableitung === | === Fréchet-Ableitung === | ||
{{ | {{Siehe auch|Fréchet-Ableitung}} | ||
Existiert ein beschränkter linearer Operator <math>\mathcal{A}</math>, | Existiert ein beschränkter linearer Operator <math>\mathcal{A}</math>, sodass | ||
:<math>\mathcal{A} [h] | :<math>\mathcal{A} [h] | ||
Zeile 144: | Zeile 237: | ||
gilt, so wird <math>\mathcal{A}</math> Fréchet-Ableitung von <math>f</math> nach <math>x</math> genannt. Man schreibt dann auch | gilt, so wird <math>\mathcal{A}</math> Fréchet-Ableitung von <math>f</math> nach <math>x</math> genannt. Man schreibt dann auch | ||
:<math>\frac{\partial f}{\partial x} =\mathcal{A}</math>. | :<math>\frac{\partial f}{\partial x}=\mathcal{A}</math>. | ||
=== | === Ableitung von Potenzen eines Tensors === | ||
Kartesische Koordinaten <math>\vec{x}</math> : <math>\nabla | :<math>\begin{align} | ||
\big(\mathbf T^{-1}\dot{\big)\;} | |||
=& | |||
-\mathbf{T}^{-1}\cdot\dot{\mathbf T}\cdot{\mathbf T}^{-1} | |||
= | |||
-\left(\mathbf{T}^{-1}\otimes\mathbf{T}^{\top-1} | |||
\right)^{\stackrel{23}\top}:\dot{\mathbf T} | |||
\\ | |||
\frac{\mathrm d\mathbf T^{-1}}{\mathrm d\mathbf T} | |||
=& | |||
-\left(\mathbf{T}^{-1}\otimes\mathbf{T}^{\top-1} | |||
\right)^{\stackrel{23}\top} | |||
\\ | |||
\big(\mathbf T^{\top-1}\dot{\big)\;} | |||
=& | |||
-\mathbf{T}^{\top-1}\cdot\dot{\mathbf T}^\top\cdot{\mathbf T}^{\top-1} | |||
= | |||
-\left(\mathbf{T}^{\top-1}\otimes\mathbf{T}^{\top-1} | |||
\right)^{\stackrel{24}\top}:\dot{\mathbf T} | |||
\\ | |||
\frac{\mathrm d\mathbf T^{\top-1}}{\mathrm d\mathbf T} | |||
=& | |||
-\left(\mathbf{T}^{\top-1}\otimes\mathbf{T}^{\top-1} | |||
\right)^{\stackrel{24}\top} | |||
\end{align}</math> | |||
siehe [[Formelsammlung Tensoralgebra#Spezielle Tensoren vierter Stufe]]. | |||
Allgemein mit n ∈ ℕ, >0, '''T'''<sup>0</sup> := '''1''': | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm D\mathbf{T}^n(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
=&\sum_{m=0}^{n-1}\mathbf{T}^m\cdot\mathbf{H\cdot T}^{n-m-1} | |||
\\ | |||
\frac{\mathrm d\mathbf T^n}{\mathrm d\mathbf T} | |||
=& | |||
\left(\sum_{m=0}^{n-1}\mathbf{T}^m\otimes\left(\mathbf{T}^{n-m-1}\right)^\top | |||
\right)^{\stackrel{23}\top} | |||
\end{align}</math> | |||
[[#Gâteaux-Differential]] der Inversen: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{T\cdot T}^{-1}=&\mathbf1 | |||
\;\rightarrow\quad | |||
\overbrace{\mathrm D\mathbf{T}(\mathbf T)[\mathbf H]}^{\mathbf H}\cdot\mathbf T^{-1} | |||
+\mathbf T\cdot\mathrm D\mathbf T^{-1}(\mathbf T)[\mathbf H]=\mathbf0 | |||
\\ \rightarrow\quad | |||
\mathrm D\mathbf T^{-1}(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
=& | |||
-\mathbf T^{-1}\cdot\mathbf H\cdot\mathbf T^{-1} | |||
= | |||
-\left(\mathbf T^{-1}\otimes\mathbf T^{\top-1}\right)^{\stackrel{23}\top} | |||
:\mathbf H | |||
\\ | |||
\mathrm D\mathbf T^{\top-1}(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
=& | |||
-\mathbf T^{\top-1}\cdot\mathbf H^\top\cdot\mathbf T^{\top-1} | |||
= | |||
-\left(\mathbf T^{\top-1}\otimes\mathbf T^{\top-1}\right)^{\stackrel{24}\top} | |||
:\mathbf H | |||
\end{align}</math> | |||
n ∈ ℕ, >0: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm D\mathbf{T}^{-n}(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
=&\sum_{m=1-n}^0\mathbf{T}^m\cdot\mathrm D\mathbf T^{-1}(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
\cdot\mathbf{T}^{1-n-m} | |||
\\=& | |||
-\sum_{m=1-n}^0\mathbf{T}^{m-1}\cdot\mathbf{H\cdot T}^{-n-m} | |||
\\ | |||
\frac{\mathrm d\mathbf T^{-n}}{\mathrm d\mathbf T} | |||
=& | |||
-\left(\sum_{m=1-n}^0\mathbf{T}^{m-1}\otimes\left(\mathbf{T}^{-n-m}\right)^\top | |||
\right)^{\stackrel{23}\top} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm D\mathbf{T}^{\top-n}(\mathbf T)[\mathbf H] | |||
=& | |||
-\sum_{m=1-n}^0\left(\mathbf{T}^{m-1}\right)^\top | |||
\cdot\mathbf{H^\top\cdot\big(T}^{-n-m}\big)^\top | |||
\\ | |||
\frac{\mathrm d\mathbf T^{\top-n}}{\mathrm d\mathbf T} | |||
=& | |||
-\left(\sum_{m=1-n}^0\left(\mathbf{T}^{m-1}\right)^\top\otimes | |||
\left(\mathbf{T}^{-n-m}\right)^\top | |||
\right)^{\stackrel{24}\top} | |||
\end{align}</math> | |||
[[Orthogonaler Tensor]] ('''Q·Q'''<sup>⊤</sup>='''1'''): | |||
:<math>{\dot{\mathbf{Q}}}^\top | |||
=-\mathbf{Q}^\top\cdot\dot{\mathbf{Q}}\cdot\mathbf{Q}^\top</math> | |||
== Ableitungen nach dem Ort == | |||
=== Nabla-Operator === | |||
{{Siehe auch|Nabla-Operator}} | |||
[[#Kartesische Koordinaten]] <math>\vec{x}</math> :<math>\nabla | |||
=\hat{e}_i\frac{\partial}{\partial x_i}</math> | =\hat{e}_i\frac{\partial}{\partial x_i}</math> | ||
Krummlinige Koordinaten <math>\vec{y}</math> : <math>\nabla | [[#Zylinderkoordinaten]]: <math>\nabla | ||
= | |||
\vec{e}_\rho\frac{\partial}{\partial\rho} | |||
+\frac1\rho\vec{e}_\varphi\frac{\partial}{\partial\varphi} | |||
+\vec{e}_z\frac{\partial}{\partial z}</math> | |||
[[#Kugelkoordinaten]]: <math>\nabla | |||
= | |||
\vec{e}_r\frac{\partial}{\partial r} | |||
+\frac{1}{r}\vec{e}_\vartheta\frac{\partial}{\partial\vartheta} | |||
+\frac{1}{r\sin(\vartheta)}\vec{e}_\varphi\frac{\partial}{\partial\varphi} | |||
</math> | |||
[[#Krummlinige Koordinaten]] <math>\vec{y}</math> :<math>\nabla | |||
=\vec{b}^{j}\frac{\partial}{\partial y_j}</math> mit <math>\vec{b}^{j} | =\vec{b}^{j}\frac{\partial}{\partial y_j}</math> mit <math>\vec{b}^{j} | ||
=\frac{\partial y_j}{\partial x_i}\hat{e}_i</math>. | =\frac{\partial y_j}{\partial x_i}\hat{e}_i</math>. | ||
=== Gradient === | === Gradient === | ||
{{ | {{Siehe auch|Gradient (Mathematik)}} | ||
==== Definition des Gradienten/Allgemeines ==== | |||
:<math>\ | Definierende Eigenschaft bei skalar- oder vektorwertiger Funktion ''f'':<ref name="hbphys">Truesdell (1972), S. 10 ff.</ref> | ||
:<math>f(\vec y)-f(\vec x)=\mathrm{grad}(f)\cdot(\vec y-\vec x) | |||
+\mathcal{O}(|\vec y-\vec x|) | |||
</math> | </math> wenn <math>\vec y\to\vec x</math> | ||
Wenn der Gradient existiert, ist er eindeutig. Berechnung bei skalar- oder vektorwertiger Funktion ''f'': | |||
: | |||
:<math>\mathrm{grad}(f)\cdot\vec{h} | |||
:<math>\ | |||
=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s} f(\vec{x}+s\vec{h})\right|_{s=0} | =\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s} f(\vec{x}+s\vec{h})\right|_{s=0} | ||
=\lim_{s\to 0}\frac{f(\vec{x}+s\vec{h})-f(\vec{x})}{s} | =\lim_{s\to 0}\frac{f(\vec{x}+s\vec{h})-f(\vec{x})}{s} | ||
\quad\forall\;\vec{h} | \quad\forall\;\vec{h}\in\mathbb V | ||
</math> | </math> | ||
[[ | [[Gradient (Mathematik)#Integrabilitätsbedingung|Integrabilitätsbedingung]]: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines [[Skalarpotential]]s: | ||
[[ | |||
:<math>\mathrm{rot}(\vec{f})=\vec{0} | |||
:<math>\ | |||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\exists g\colon\vec{f}=\ | \exists g\colon\vec{f}=\mathrm{grad}(g) | ||
</math>. | </math>. | ||
Zeile 236: | Zeile 391: | ||
=\lim_{v\to 0}\left(\frac{1}{v}\int_{a} f\,\mathrm{d}\vec{a}\right) | =\lim_{v\to 0}\left(\frac{1}{v}\int_{a} f\,\mathrm{d}\vec{a}\right) | ||
</math> | </math> | ||
Skalarfeld ''f'': | |||
:<math>\mathrm{grad}(f)=\nabla f=:\frac{\partial f}{\partial\vec x}</math> | |||
Vektorfeld <math>\vec{f}=f_i\hat{e}_i</math>:<ref name="altenbach">In der Literatur (z. B. Altenbach 2012) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:<br /> <math>\tilde{\mathrm{grad}}(\vec{f}) | |||
=\nabla\otimes\vec{f} | |||
=\hat{e}_i\otimes\frac{\partial\vec{f}}{\partial x_i} | |||
=f_{j}{\partial x_i}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\mathrm{grad}(\vec{f})^\top | |||
</math> <br />Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, <math>\tilde{\mathrm{grad}}(\vec{f})</math> und <math>\mathrm{grad}(\vec{f})^\top</math> vertauscht werden.</ref> | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec{f})=(\nabla\otimes\vec{f})^\top | |||
=:\frac{\partial\vec f}{\partial\vec x}</math> | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec{x})=\mathbf1</math> | |||
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren: | Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren: | ||
Produktregel | :<math>\mathrm{grad}(f)=\mathrm{div}(f\mathbf1)=\nabla\cdot(f\mathbf1)</math> | ||
:<math>\mathrm{grad}(f)\times\vec c=\mathrm{rot}(f\vec c)</math> | |||
==== Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen ==== | |||
[[#Kartesische Koordinaten]]: | |||
:<math>\mathrm{grad}(f)=f_{,i}\hat{e}_i</math> | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec{f}) | |||
=\vec{f}_{,i}\otimes\hat{e}_i | |||
=\hat{e}_i\otimes\mathrm{grad}(f_i) | |||
= f_{i,j}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
</math> | |||
[[#Zylinderkoordinaten]]: | |||
:<math> | |||
\mathrm{grad}(f) | |||
=f_{,\rho}\hat{e}_\rho+\frac{f_{,\varphi}}{\rho}\hat{e}_\varphi | |||
+f_{,z}\hat{e}_{z} | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{grad}(\vec f) | |||
=& | |||
\hat{e}_\rho\otimes\mathrm{grad}(f_\rho) | |||
+\hat{e}_\varphi\otimes\mathrm{grad}(f_\varphi) | |||
+\hat{e}_z\otimes\mathrm{grad}(f_z) | |||
\\& | |||
+\frac{1}{\rho}(f_\rho\hat{e}_\varphi-f_\varphi\hat{e}_\rho) | |||
\otimes\hat{e}_\varphi | |||
\end{align}</math> | |||
[[#Kugelkoordinaten]]: | |||
:<math>\mathrm{grad}(f) | |||
=f_{,r}\hat{e}_{r} | |||
+\frac{f_{,\vartheta}}{r}\hat{e}_\vartheta | |||
+\frac{f_{,\varphi}}{r\sin(\vartheta)} | |||
\hat{e}_\varphi</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{grad}(\vec f) | |||
=& | |||
\hat{e}_r\otimes\mathrm{grad}(f_r) | |||
+\hat{e}_\vartheta\otimes\mathrm{grad}(f_\vartheta) | |||
+\hat{e}_\varphi\otimes\mathrm{grad}(f_\varphi) | |||
\\& | |||
+\frac{f_r}{r}(\mathbf1-\hat{e}_r\otimes\hat{e}_r) | |||
-\hat{e}_r\otimes | |||
\frac{f_\vartheta\hat{e}_\vartheta+f_\varphi\hat{e}_\varphi}{r} | |||
+\frac{f_\vartheta\hat{e}_\varphi-f_\varphi\hat{e}_\vartheta}{r\tan(\vartheta)} | |||
\otimes\hat{e}_\varphi | |||
\end{align}</math> | |||
[[#Krummlinige Koordinaten]]: | |||
{{Siehe auch|Gradient eines Vektorfeldes}} | |||
[[Christoffelsymbole]]: <math>\Gamma^k_{ij}=\vec g_{i,j}\cdot\vec g^k</math> | |||
Vektorfelder: | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec g_i)=\Gamma^k_{ij}\vec g_k\otimes\vec g^j</math> | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec g^k)=-\Gamma^k_{ij}\vec g^i\otimes\vec g^j</math> | |||
:<math>\mathrm{grad}(f^i\vec g_i) | |||
=\left.f^i\right|_j\vec g_i\otimes\vec g^j</math> | |||
:<math>\mathrm{grad}(f_i\vec g^i) | |||
=\left.f_i\right|_j\vec g^i\otimes\vec g^j</math> | |||
Mit den [[Kovariante Ableitung|kovarianten Ableitungen]] | |||
:<math>\left.f^i\right|_j=f^i_{,j}+\Gamma^i_{kj}f^k</math> | |||
:<math>\left.f_i\right|_j=f_{i,j}-\Gamma^k_{ij}f_k</math> | |||
Tensorfelder: | |||
:<math>\mathrm{grad}(\mathbf T)[\vec h] | |||
=(\vec h\cdot\vec g^k)\mathbf T_{,k} | |||
=\vec h\cdot(\vec g^k\otimes\mathbf T_{,k}) | |||
=(\mathbf T_{,k}\otimes\vec g^k)\cdot\vec h | |||
</math> | |||
Soll das Argument wie beim Vektorgradient rechts vom Operator stehen, dann lautet der Tensorgradient | |||
:<math>\mathrm{grad}(\mathbf T)=\mathbf T_{,k}\otimes\vec g^k</math> | |||
Für ein Tensorfeld zweiter Stufe: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{grad}(T^{ij}\vec g_i\otimes\vec g_j) | |||
=&\left.T_{ij}\right|_k\vec g^i\otimes\vec g^j\otimes\vec g^k | |||
,\quad | |||
\left.T_{ij}\right|_k | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=T_{ij,k}-\Gamma^l_{ik}T_{lj}-\Gamma^l_{jk}T_{il} | |||
\\ | |||
\mathrm{grad}(T^{ij}\vec g_i\otimes\vec g_j) | |||
=&\left.T^{ij}\right|_k\vec g_i\otimes\vec g_j\otimes\vec g^k | |||
,\quad | |||
\left.T^{ij}\right|_k | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&= | |||
T^{ij}_{,k}+\Gamma^i_{lk}T^{lj}+\Gamma^j_{lk}T^{il} | |||
\\ | |||
\mathrm{grad}(T_i^{.j}\vec g^i\otimes\vec g_j) | |||
=&\left.T_i^{.j}\right|_k\vec g^i\otimes\vec g_j\otimes\vec g^k | |||
,\quad | |||
\left.T_i^{.j}\right|_k | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&= | |||
T_{i,k}^{.j}-\Gamma^l_{ik}T_l^{.j}+\Gamma^j_{lk}T_i^{.l} | |||
\\ | |||
\mathrm{grad}(T^i_{.j})\vec g_i\otimes\vec g^j | |||
=&\left.T^i_{.j}\right|_k\vec g_i\otimes\vec g^j\otimes\vec g^k | |||
,\quad | |||
\left.T^i_{.j}\right|_k | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&= | |||
T^i_{.j,k}+\Gamma^i_{lk}T^l_{.j}-\Gamma^l_{jk}T^i_{.l} | |||
\end{align}</math> | |||
==== Produktregel für Gradienten ==== | |||
:<math>\begin{array}{rclcl} | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
\ | \mathrm{grad}(f g) &=& | ||
(f_{,i} g + f g_{,i})\hat{e}_i | |||
&=&\ | &=&\mathrm{grad}(f) g + f\mathrm{grad}(g) | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{grad}(f\vec{g}) &=& | ||
(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i})\otimes\hat{e}_i | (f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i})\otimes\hat{e}_i | ||
&=&\vec{g}\otimes\ | &=&\vec{g}\otimes\mathrm{grad}(f) + f\mathrm{grad}(\vec{g}) | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{grad}(\vec{f}\cdot\vec{g}) &=& | ||
\left(\vec{f}_{,i}\cdot\vec{g} | \left(\vec{f}_{,i}\cdot\vec{g} | ||
+\vec{f}\cdot\vec{g}_{,i}\right)\hat{e}_i | +\vec{f}\cdot\vec{g}_{,i}\right)\hat{e}_i | ||
&=&\ | &=& | ||
\vec{g}\cdot\mathrm{grad}(\vec{f})+\vec{f}\cdot\mathrm{grad}(\vec{g}) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{grad}(\vec{f}\times\vec{g}) &=& | ||
\left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g} | \left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g} | ||
+\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right)\otimes\hat{e}_i | +\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right)\otimes\hat{e}_i | ||
&=& | &=& | ||
\vec{f}\times\mathrm{grad}(\vec{g})-\vec{g}\times\mathrm{grad}(\vec{f}) | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
In drei Dimensionen ist speziell<ref>{{Literatur | |||
| Autor=Wolfgang Werner | |||
| Titel=Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik | |||
| TitelErg=Tensoralgebra und Tensoranalysis | |||
| Band=1 | |||
| Seiten=367 | |||
| Verlag=Springer Vieweg Verlag | |||
| Ort=Wiesbaden | |||
| Jahr=2019 | |||
| ISBN=978-3-658-25271-7 | |||
| DOI=10.1007/978-3-658-25272-4}}</ref> | |||
:<math>\mathrm{grad}(\vec{f}\cdot\vec{g}) | |||
=\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{g}+\mathrm{grad}(\vec{g})\cdot\vec{f} | |||
+\vec{f}\times\mathrm{rot}(\vec{g})+\vec{g}\times\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
</math> | |||
Beliebige Basis: | Beliebige Basis: | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{grad}(f_i\vec{b}_i ) | ||
=\vec{b}_i\otimes\ | =\vec{b}_i\otimes\mathrm{grad}(f_i )+f_i\,\mathrm{grad}(\vec{b}_i )</math> | ||
=== Divergenz === | |||
{{Siehe auch|Divergenz eines Vektorfeldes}} | |||
==== Definition der Divergenz/Allgemeines ==== | |||
Vektorfeld <math>\vec{f}</math> : | |||
:<math>\mathrm{div}(\vec{f}) | |||
=\nabla\cdot\vec{f} | |||
=\mathrm{Sp}\big(\mathrm{grad}(\vec{f})\big)</math> | |||
:<math>\mathrm{div}(\vec x)=\mathrm{Sp}\big(\mathrm{grad}(\vec x)\big) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf1)=3</math> | |||
:< | Klassische Definition für ein Tensorfeld '''T''':<ref name="hbphys"/> | ||
= | |||
:<math>\ | :<math>\mathrm{div}(\mathbf{T})\cdot\vec c | ||
=\ | =\mathrm{div}\left(\mathbf{T}^\top\cdot\vec c\right) | ||
\quad\forall\vec c\in\mathbb V</math> | |||
:<math>\ | :→ <math>\mathrm{div}(\mathbf{T})=\nabla\cdot\left(\mathbf{T}^\top\right)</math> | ||
= | |||
:<math> | Koordinatenfreie Darstellung: | ||
* Volumen <math>v</math> mit | |||
* Oberfläche <math>a</math> mit [[Oberflächenintegral|äußerem vektoriellem Oberflächenelement]] <math>\mathrm{d}\vec{a}</math> | |||
:<math> | :<math>\mathrm{div}(\vec{f}) | ||
\ | =\lim_{v\to 0}\left(\frac{1}{v} | ||
\int_{a}\vec{f}\;\cdot\mathrm{d}\vec{a}\right)</math> | |||
</math> | |||
: | Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren: | ||
=== | :<math>\begin{array}{lcccl} | ||
{ | \mathrm{div}(\vec{f})&=&\nabla\cdot\vec{f}&=&\mathrm{Sp(grad}(\vec{f})) | ||
\\ | |||
\mathrm{div}(f\mathbf1)&=&\nabla\cdot(f\mathbf1)&=&\mathrm{grad}(f) | |||
\end{array}</math> | |||
==== Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen ==== | |||
: | [[#Kartesische Koordinaten]]: | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{div}(\vec{f})=\vec{f}_{,i}\cdot\hat{e}_i=f_{i,i}</math> | ||
:<math> | |||
\mathrm{div}(\mathbf{T})=\mathbf{T}_{,i}\cdot\hat{e}_i=T_{ij,j}\hat{e}_i | |||
=\mathbf{T} | </math> | ||
=T_{ | |||
:<math> | :<math>\nabla\cdot\mathbf{T}=\hat{e}_i\cdot\mathbf{T}_{,i}=T_{ij,i}\hat{e}_j | ||
=T_{ji,j}\hat{e}_i | |||
=\hat{e}_i\cdot | </math> | ||
= | |||
[[Zylinderkoordinaten]]: | [[#Zylinderkoordinaten]]: | ||
:<math> | |||
\mathrm{div}(\vec{f}) | |||
=\frac{1}{\rho}\frac{\partial}{\partial\rho} (\rho f_\rho) | |||
+\frac 1\rho f_{\varphi,\varphi} | |||
+f_{z, z} | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\ | \mathrm{div}(\mathbf{T}) | ||
=& | =& | ||
\left(T_{\rho\rho,\rho} | \left(T_{\rho\rho,\rho} | ||
+\frac{1}{\rho}(T_{\varphi | +\frac{1}{\rho}(T_{\rho\varphi,\varphi}+T_{\rho\rho}-T_{\varphi\varphi}) | ||
+T_{ | +T_{\rho z,z}\right)\hat{e}_\rho | ||
\\& | \\& | ||
+\left(T_{\rho | +\left(T_{\varphi\rho,\rho} | ||
+\frac{1}{\rho}(T_{\varphi\varphi,\varphi}+T_{\rho\varphi}+T_{\varphi\rho}) | +\frac{1}{\rho}(T_{\varphi\varphi,\varphi}+T_{\rho\varphi}+T_{\varphi\rho}) | ||
+T_{ | +T_{\varphi z,z}\right)\hat{e}_\varphi | ||
\\& | \\& | ||
+\left(T_{\rho | +\left(T_{z\rho,\rho} | ||
+\frac{1}{\rho}(T_{\varphi | +\frac{1}{\rho}(T_{z\varphi,\varphi}+T_{z\rho}) | ||
+T_{zz,z}\right)\hat{e}_z | +T_{zz,z}\right)\hat{e}_z | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
[[Kugelkoordinaten]]: | <math>\nabla\cdot\mathbf{T}=\mathrm{div}\left(\mathbf{T}^\top\right)</math> ergibt sich hieraus durch Vertauschen von ''T<sub>ab</sub>'' durch ''T<sub>ba</sub>''. | ||
[[#Kugelkoordinaten]]: | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\ | \mathrm{div}(\vec{f}) | ||
=& | =& | ||
+\frac{ | f_{r,r}+\frac{2f_r+f_{\vartheta,\vartheta}}{r} | ||
+\frac{f_\vartheta\cos(\vartheta)+f_{\varphi,\varphi}}{r\sin(\vartheta)} | |||
+\ | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div}(\mathbf{T}) | ||
=& | =& | ||
\left( | \left( | ||
T_{rr,r}+\frac{2T_{rr}-T_{\vartheta\vartheta}-T_{\varphi\varphi} | |||
+ | +T_{r\vartheta,\vartheta}}{r} | ||
+\frac{T_{r\varphi,\varphi}+T_{r\vartheta}\cos(\vartheta)}{r\sin(\vartheta)} | |||
\hat{e}_r | \right)\hat{e}_r | ||
\\& | \\& | ||
\left( | |||
\ | T_{\vartheta r,r}+\frac{2T_{\vartheta r}+T_{r\vartheta}+T_{\vartheta\vartheta,\vartheta}}{r}+\frac{(T_{\vartheta\vartheta}-T_{\varphi\varphi})\cos(\vartheta)+T_{\vartheta\varphi,\varphi}}{r\sin(\vartheta)} | ||
+ | |||
+ | |||
\right)\hat{e}_\vartheta | \right)\hat{e}_\vartheta | ||
\\& | \\& | ||
\left( | |||
\ | T_{\varphi r,r}+\frac{2T_{\varphi r}+T_{r\varphi}+T_{\varphi\vartheta,\vartheta}}{r}+\frac{(T_{\vartheta\varphi}+T_{\varphi\vartheta})\cos(\vartheta)+T_{\varphi\varphi,\varphi}}{r\sin(\vartheta)} | ||
+ | \right)\hat{e}_\varphi | ||
+ | |||
\right) | |||
\hat{e}_\varphi | |||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
<math>\nabla\cdot\mathbf{T}=\mathrm{div}\left(\mathbf{T}^\top\right)</math> ergibt sich hieraus durch Vertauschen von ''T<sub>ab</sub>'' durch ''T<sub>ba</sub>''. | |||
==== Produktregel für Divergenzen ==== | |||
:<math>\ | :<math> | ||
=\ | \mathrm{div}(f\vec{g}) | ||
\ | =\nabla\cdot(f\vec{g}) | ||
=\left(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i}\right)\cdot\hat e_i | |||
=\mathrm{grad}(f)\cdot\vec{g}+f\mathrm{div}(\vec{g}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{div}(\vec{f}\times\vec{g})=\nabla\cdot(\vec{f}\times\vec{g}) | |||
=\left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g} | |||
+\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right)\cdot\hat e_i | |||
=\vec{g}\cdot\mathrm{rot}(\vec{f})-\vec{f}\cdot\mathrm{rot}(\vec{g}) | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\begin{ | \mathrm{div}(\vec{f}\otimes\vec{g})=& | ||
\ | \left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g} | ||
+\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right)\cdot\hat e_i | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{g}+\mathrm{div}(\vec{g})\vec{f} | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div}(f\mathbf{T})=& | ||
(f_{,i}\mathbf{T}+f\mathbf{T}_{,i})\cdot\hat e_i | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&\mathbf{T}\cdot\mathrm{grad}(f)+f\mathrm{div}(\mathbf{T}) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div}(\mathbf{T}\cdot\vec{f})=& | ||
\left(\mathbf{T}_{,i}\cdot\vec{f} | |||
+\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,i}\right)\cdot\hat e_i | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
\mathrm{div}(\mathbf{T}^\top)\cdot\vec{f} | |||
+\mathbf{T}^\top:\mathrm{grad}(\vec{f}) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div}(\vec{f}\times\mathbf{T})=& | ||
\end{ | (\vec{f}_{,i}\times\mathbf{T}+\vec{f}\times\mathbf{T}_{,i})\cdot\hat e_i | ||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
\vec{\mathrm i}\left(\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\mathbf{T}^\top\right) | |||
+\vec{f}\times\mathrm{div}(\mathbf{T}) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\nabla\cdot(\vec{f}\otimes\vec{g}) | |||
:<math>\begin{ | =& | ||
\ | \hat{e}_i\cdot\left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g} | ||
\hat{e}_i\cdot\left( | +\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right) | ||
&=&\ | \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | ||
(\nabla\cdot\vec{f})\vec{g}+(\nabla\otimes\vec{g})^\top\cdot\vec{f} | |||
\\ | \\ | ||
\ | \nabla\cdot(f\mathbf{T})=& | ||
\hat{e}_i\cdot(f_{,i}\mathbf{T}+f\mathbf{T}_{,i}) | \hat{e}_i\cdot(f_{,i}\mathbf{T}+f\mathbf{T}_{,i}) | ||
&=&\ | \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&(\nabla f)\cdot\mathbf{T} + f\nabla\cdot\mathbf{T} | ||
\\ | \\ | ||
\ | \nabla\cdot(\mathbf{T}\cdot\vec{f}) =& | ||
\hat{e}_i\cdot\left(\mathbf{T}_{,i}\cdot\vec{f} | \hat{e}_i\cdot\left(\mathbf{T}_{,i}\cdot\vec{f} | ||
+\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,i}\right) | +\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,i}\right) | ||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&(\nabla\cdot\mathbf{T})\cdot\vec{f} | |||
+\mathbf{T}:(\nabla\otimes\vec{f}) | |||
\\ | \\ | ||
\nabla\cdot(\mathbf{T}\times\vec{f}) =& | |||
\hat{e}_i\cdot(\mathbf{T}_{,i}\times\vec{f} +\mathbf{T}\times\vec{f}_{,i}) | \hat{e}_i\cdot(\mathbf{T}_{,i}\times\vec{f} +\mathbf{T}\times\vec{f}_{,i}) | ||
\\ | \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | ||
(\nabla\cdot\mathbf{T})\times\vec{f} | |||
-\vec{\mathrm i}\left((\nabla\otimes\vec{f})^\top\cdot\mathbf{T}\right) | |||
\end{align}</math> | |||
&=& | |||
\ | |||
-\ | |||
\end{ | |||
Beliebige Basis: | Beliebige Basis: | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{div}(f_i\vec{b}_i )=\nabla\cdot(f_i\vec{b}_i ) | ||
=\ | =\mathrm{grad}(f_i )\cdot\vec{b}_i +f_i\,\mathrm{div}(\vec{b}_i )</math> | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{div}(T^{ij}\vec{b}_i\otimes\vec{b}_j ) | ||
=(\ | =(\mathrm{grad}(T^{ij})\cdot\vec{b}_j)\vec{b}_i | ||
+T^{ij}\,\big(\mathrm{grad}(\vec{b}_i)\cdot\vec{b}_j | |||
+\mathrm{div}(\vec{b}_j)\vec{b}_i\big)</math> | |||
:<math>\nabla\cdot(T^{ij}\vec{b}_i\otimes\vec{b}_j ) | |||
=\big((\nabla T^{ij})\cdot\vec{b}_i\big)\vec{b}_j | |||
+T^{ij}\,\big((\nabla\cdot\vec{b}_i )\vec{b}_j | |||
+(\nabla\vec{b}_j)\cdot\vec{b}_i\big)</math> | |||
Produkt mit Konstanten: | Produkt mit Konstanten: | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{div}(f\mathbf{C}) | ||
= | =\mathbf{C}\cdot\mathrm{grad}(f) | ||
\quad\rightarrow\quad | |||
\mathrm{div}(f\mathbf1)=\mathrm{grad}(f) | |||
</math> | |||
:<math>\ | :<math>\nabla\cdot(f\mathbf{C}) | ||
=\mathrm{grad}(f)\cdot\mathbf{C} | |||
=\ | |||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\ | \nabla\cdot(f\mathbf1)=\nabla f | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\ | :<math>\begin{align} | ||
=\mathbf{C}^\top:\ | \mathrm{div}(\mathbf{C}\cdot\vec{f}) | ||
=\mathbf{C}^\top:\mathrm{grad}(\vec{f}) | |||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\ | \mathrm{div}(\vec{f}) | ||
=\ | =&\mathrm{div}(\mathbf1\cdot\vec{f}) | ||
=\ | =\mathbf1:\mathrm{grad}(\vec{f}) | ||
=\ | \\=&\mathrm{Sp}(\mathrm{grad}(\vec{f})) | ||
</math> | \end{align}</math> | ||
=== Rotation === | |||
{{Siehe auch|Rotation eines Vektorfeldes}} | |||
==== Definition der Rotation/Allgemeines ==== | |||
Vektorfeld <math>\vec{f}</math> : | |||
:<math>\ | :<math>\mathrm{rot}(\vec{f})=\nabla\times\vec{f}</math> | ||
=\ | |||
:< | Klassische Definition für ein Tensorfeld '''T''':<ref name="hbphys"/> | ||
= | |||
= | :<math>\mathrm{rot}(\mathbf{T})\cdot\vec c | ||
{{ | =\mathrm{rot}\left(\mathbf{T}^\top\cdot\vec c\right) | ||
\quad\forall\vec c\in\mathbb V</math> | |||
:→ <math>\mathrm{rot}(\mathbf{T})=\nabla\times\left(\mathbf{T}^\top\right)</math> | |||
:<math> | |||
\ | |||
=\nabla\times | |||
</math> | |||
: | Allgemeine Identitäten: | ||
:<math>\mathbf{T=T}^\top | |||
= | \quad\rightarrow\quad | ||
\mathrm{Sp\big(rot}(\mathbf{T})\big) | |||
=\mathrm{Sp}(\nabla\times\mathbf{T}) | |||
=0</math> | |||
:<math>\mathrm{rot}(\vec x)=\vec0</math> | |||
: <math> | |||
\ | |||
</math> | |||
Integrabilitätsbedingung<ref>R. Greve (2003), S. 111.</ref>: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes: | |||
</ | |||
:<math>\mathrm{div}(\vec{f})=0 | |||
:<math>\ | |||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\exists\vec{g}\colon\vec{f}=\ | \exists\vec{g}\colon\vec{f}=\mathrm{rot}(\vec{g}) | ||
</math>. | </math>. | ||
Siehe auch [[#Satz über rotationsfreie Felder]]. | |||
Koordinatenfreie Darstellung: | Koordinatenfreie Darstellung: | ||
* Volumen <math>v</math> mit | * Volumen <math>v</math> mit | ||
* Oberfläche <math>a</math> mit [[Oberflächenintegral|äußerem vektoriellem Oberflächenelement]] <math>\mathrm{d}\vec{a}</math> | * Oberfläche <math>a</math> mit [[Oberflächenintegral|äußerem vektoriellem Oberflächenelement]] <math>\mathrm{d}\vec{a}</math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\mathrm{rot}(\vec{f}) | \mathrm{rot}(\vec{f}) | ||
Zeile 558: | Zeile 827: | ||
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren: | Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren: | ||
:<math>\begin{ | |||
\ | :<math>\begin{align} | ||
\mathrm{rot}(f\vec{c})=&\mathrm{grad}(f)\times\vec{c} | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot}(\vec{f}) | ||
\end{ | =&-\vec{\mathrm i}\big(\mathrm{grad}(\vec{f})\big) | ||
=\vec{\mathrm i}(\nabla\otimes\vec{f})=\nabla\times\vec f | |||
\end{align}</math> | |||
==== Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen ==== | |||
[[#Kartesische Koordinaten]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
=& | |||
f_{j,i}\hat{e}_i\times\hat{e}_j | |||
=\epsilon_{ijk}f_{j,i}\hat{e}_k | |||
\\=& | |||
(f_{3,2}-f_{2,3})\hat{e}_{1}+(f_{1,3}-f_{3,1})\hat{e}_{2} | |||
+(f_{2,1}-f_{1,2})\hat{e}_{3} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\mathrm{rot}(\mathbf{T}) | |||
=\hat{e}_i\times\mathbf{T}^\top_{,i} | |||
=\hat{e}_i\times T_{lj,i}\hat{e}_j\otimes\hat{e}_l | |||
=\epsilon_{ijk} T_{lj,i}\hat{e}_k\otimes\hat{e}_l | |||
</math> | |||
[[#Zylinderkoordinaten]]: | |||
:<math> | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
= | |||
\frac{f_{z,\varphi}-\rho f_{\varphi, z}}{\rho}\hat{e}_\rho | |||
+(f_{\rho, z} -f_{z,\rho})\hat{e}_\varphi | |||
+ | |||
\frac{f_\varphi+\rho f_{\varphi,\rho}-f_{\rho,\varphi}}{\rho}\hat{e}_z | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{rot}(\mathbf T) | |||
= | |||
\hat e_\rho\times(\mathbf T^\top_{,\rho}) | |||
+\frac1\rho\hat e_\varphi\times(\mathbf T^\top_{,\varphi}) | |||
+\hat e_z\times(\mathbf T^\top_{,z}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\nabla\times\mathbf T | |||
= | |||
\hat e_\rho\times\mathbf T_{,\rho} | |||
+\frac1\rho\hat e_\varphi\times\mathbf T_{,\varphi} | |||
+\hat e_z\times\mathbf T_{,z} | |||
</math> | |||
[[#Kugelkoordinaten]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
=& | |||
\frac{f_{\varphi,\vartheta}\sin(\vartheta)+f_{\varphi}\cos(\vartheta) | |||
-f_{\vartheta,\varphi}}{r\sin(\vartheta)}\hat{e}_r | |||
+\left(\frac{f_{r,\varphi}}{r\sin(\vartheta)} | |||
-\frac{f_{\varphi}+rf_{\varphi,r}}{r}\right)\hat{e}_{\vartheta} | |||
\\& | |||
+\frac{f_{\vartheta}+rf_{\vartheta,r}-f_{r,\vartheta}}{r}\hat{e}_{\varphi} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{rot}(\mathbf T) | |||
= | |||
\hat e_r\times(\mathbf T^\top_{,r}) | |||
+\frac1r\hat e_\vartheta\times(\mathbf T^\top_{,\vartheta}) | |||
+\frac1{r\sin(\vartheta)}\hat e_\varphi\times(\mathbf T^\top_{,\varphi}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\nabla\times\mathbf T | |||
= | |||
\hat e_r\times\mathbf T_{,r} | |||
+\frac1r\hat e_\vartheta\times\mathbf T_{,\vartheta} | |||
+\frac1{r\sin(\vartheta)}\hat e_\varphi\times\mathbf T_{,\varphi} | |||
</math> | |||
==== Produktregel für Rotationen ==== | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\begin{ | \mathrm{rot}(f\vec{g}) | ||
\ | =& | ||
\hat{e}_i\times(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i}) | \hat{e}_i\times(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i}) | ||
= | = | ||
\ | \mathrm{grad}(f)\times\vec{g} + f\mathrm{rot}(\vec{g}) | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot}(\vec{f}\times\vec{g}) | ||
=& | |||
\hat{e}_i\times\left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g} | \hat{e}_i\times\left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g}+\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right) | ||
+\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right) | \\=& | ||
= | |||
(\hat{e}_i\cdot\vec{g})\vec{f}_{,i} | (\hat{e}_i\cdot\vec{g})\vec{f}_{,i} | ||
-\left(\hat{e}_i\cdot\vec{f}_{,i}\right)\vec{g} | -\left(\hat{e}_i\cdot\vec{f}_{,i}\right)\vec{g} | ||
Zeile 583: | Zeile 930: | ||
- (\hat{e}_i\cdot\vec{f})\vec{g}_{,i} | - (\hat{e}_i\cdot\vec{f})\vec{g}_{,i} | ||
\\ | \\ | ||
=& | |||
\ | \mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{g}-\mathrm{div}(\vec{f})\vec{g} | ||
-\ | +\mathrm{div}(\vec{g})\vec{f}-\mathrm{grad}(\vec{g})\cdot\vec{f} | ||
+\ | |||
-\ | |||
\\ | \\ | ||
=& | |||
\ | \mathrm{div}(\vec{f}\otimes\vec{g})-\mathrm{div}(\vec{g}\otimes\vec{f}) | ||
=\nabla\cdot(\vec{g}\otimes\vec{f})-\nabla\cdot(\vec{f}\otimes\vec{g}) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}\otimes\vec{g}) | |||
=& | |||
\hat{e}_i\times\left(\vec{g}_{,i}\otimes\vec{f} | |||
+\vec{g}\otimes\vec{f}_{,i}\right) | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
\mathrm{rot}(\vec{g})\otimes\vec{f}-\vec{g}\times\mathrm{grad}(\vec{f})^\top | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot}(f\mathbf{T}) | ||
=& | |||
\hat{e}_k\times(f_{,k}\mathbf{T}^\top + f\mathbf{T}^\top_{,k}) | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
\mathrm{grad}(f)\times(\mathbf{T}^\top) + f\mathrm{rot}(\mathbf{T}) | |||
\end{align}</math> | |||
<math>\begin{align} | |||
\mathrm{rot}(\mathbf{T}\cdot\vec{f}) | |||
=& | |||
\hat{e}_k\times\big(\mathbf{T}_{,k}\cdot\vec{f} | |||
+\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k}\big) | |||
\\=& | |||
\mathrm{rot}(\mathbf{T}^\top)\cdot\vec{f} | |||
+ | |||
\vec{\mathrm i}\left(\hat{e}_k\otimes\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k}\right) | |||
\\=& | |||
\mathrm{rot}(\mathbf{T}^\top)\cdot\vec{f} | |||
-\vec{\mathrm i}\left(\mathbf{T}\cdot\mathrm{grad}(\vec{f})\right) | |||
\\ | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}\times\mathbf{T}) | |||
=& | |||
-\mathrm{rot}\left((\mathbf{T}^\top\times\vec{f})^\top\right) | |||
\\=& | |||
-\nabla\times\left(\mathbf{T}^\top\times\vec{f}\right) | |||
\\=& | |||
-(\nabla\times\mathbf{T}^\top)\times\vec{f} | |||
+\mathbf{T}^\top\#(\nabla\otimes\vec{f}) | |||
\\=& | |||
-\mathrm{rot}(\mathbf{T})\times\vec{f} | |||
+\left(\mathbf{T}\#\mathrm{grad}(\vec{f})\right)^\top | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\nabla\times(\vec{f}\otimes\vec{g}) =& | |||
\hat{e}_i\times\left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g} | \hat{e}_i\times\left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g} | ||
+\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right) | +\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right) | ||
= | \!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | ||
\ | (\nabla\times\vec{f})\otimes\vec{g}-\vec{f}\times(\nabla\otimes(\vec{g}) | ||
\\ | \\ | ||
\ | \nabla\times(f\mathbf{T}) | ||
=& | |||
\hat{e}_k\times(f_{,k}\mathbf{T} + f\mathbf{T}_{,k}) | |||
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=& | |||
(\nabla f)\times\mathbf{T} + f\nabla\times\mathbf{T} | |||
\end{align}</math> | |||
<math>\begin{align} | |||
\nabla\times(\mathbf{T}\cdot\vec{f}) | |||
=& | |||
\hat{e}_k\times(\mathbf{T}_{,k}\cdot\vec{f} | \hat{e}_k\times(\mathbf{T}_{,k}\cdot\vec{f} | ||
+ | +\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k}) | ||
= | \\=& | ||
\ | (\nabla\times\mathbf{T})\cdot\vec{f} | ||
+\vec{\mathrm i}\left(\hat{e}_k\otimes\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k}\right) | |||
(\mathbf{T}\cdot\ | \\=& | ||
(\nabla\times\mathbf{T})\cdot\vec{f} | |||
-\vec{\mathrm i}\big(\mathbf{T}\cdot(\nabla\otimes\vec{f})^\top\big) | |||
\\ | \\ | ||
\nabla\times(\mathbf{T}\times\vec{f}) | |||
=& | |||
\hat{e}_k\times(\mathbf{T}_{,k}\times\vec{f} | \hat{e}_k\times(\mathbf{T}_{,k}\times\vec{f} | ||
+ (\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_i\times\vec{f}_{,k}) | + (\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_i\times\vec{f}_{,k}) | ||
=\ | \\=& | ||
-\hat{e} | (\nabla\times\mathbf{T})\times\vec{f} | ||
\vec{f}_{,k} | -(\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\times\hat{e}_k\otimes\hat{e}_i\times\vec{f}_{,k} | ||
\\ | \\ | ||
=& | |||
(\nabla\times\mathbf{T})\times\vec{f} | |||
-\mathbf{T}\#(\nabla\otimes\vec{f}) | |||
\end{align}</math> | |||
- | |||
\end{ | |||
Beliebige Basis: | Beliebige Basis: | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{rot}(f^{i}\vec{b}_i ) | ||
=\ | =\mathrm{grad}(f^{i})\times\vec{b}_i +f^{i}\,\mathrm{rot}(\vec{b}_i )</math> | ||
Produkt mit Konstanten: | Produkt mit Konstanten: | ||
:<math>\begin{array}{rcl} | :<math>\begin{array}{rcl} | ||
\ | \mathrm{rot}(\mathbf{C}\cdot\vec{f}) | ||
&=&\ | &=& | ||
-\vec{\mathrm i}\left(\mathbf{C}\cdot\mathrm{grad}(\vec{f})\right) | |||
\\&& | |||
\rightarrow\quad | |||
\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
=\mathrm{rot}(\mathbf1\cdot\vec{f}) | |||
=-\vec{\mathrm i}\left(\mathrm{grad}(\vec{f})\right) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot}(\vec{f}\times\mathbf1) | ||
&=&\mathbf1\#\mathrm{grad}(\vec{f})^\top | |||
=\mathrm{grad}(\vec{f}) -\mathrm{div}(\vec{f})\mathbf1 | |||
&=&\ | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
= | In divergenzfreien Feldern ist also: <math>\mathrm{rot}(\vec{f}\times\mathbf1)=\mathrm{grad}(\vec{f})</math> | ||
{{ | |||
:<math>\begin{array}{ | === Laplace-Operator === | ||
\ | {{Siehe auch|Laplace-Operator}} | ||
==== Definition/Allgemeines ==== | |||
:<math>\Delta:=\nabla\cdot\nabla=\nabla^2</math> | |||
Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren: | |||
:<math>\begin{array}{rclcl} | |||
\Delta f | |||
&=&\mathrm{div\big(grad}(f)\big)&=&\nabla\cdot(\nabla f) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \Delta\vec{f} | ||
& | &=&\mathrm{div\big(grad}(\vec{f})\big)&=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f}) | ||
\ | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
„Vektorieller Laplace-Operator“: | |||
:<math> | |||
:<math>\Delta | \Delta\vec{f} | ||
= | |||
\mathrm{grad\big(div}(\vec{f})\big) | |||
-\mathrm{rot\big(rot}(\vec{f})\big) | |||
</math> | |||
==== Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen ==== | |||
[[#Kartesische Koordinaten]]: | |||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\Delta f=& | \Delta f=&f_{,kk} | ||
\\ | \\ | ||
\Delta\vec{f} =& | \Delta\vec{f}=&\Delta f_i\hat{e}_i=f_{i,kk}\hat{e}_i | ||
= f_{i,kk}\hat{e}_i | |||
\\ | \\ | ||
\Delta\mathbf{T} =& | \Delta\mathbf{T}=&\Delta T_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | ||
=T_{ij,kk}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
[[Zylinderkoordinaten]]: | [[#Zylinderkoordinaten]]: | ||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\Delta f =&\frac{ | \Delta f | ||
=& | |||
\frac{ | \frac{f_{,\rho}}{\rho}+f_{,\rho\rho}+\frac{f_{,\varphi\varphi}}{\rho^2}+f_{,zz} | ||
\\ | \\ | ||
\Delta\vec f | \Delta\vec f | ||
=& | =& | ||
\left(\Delta f_\rho-\frac{ | \left(\Delta f_\rho-\frac{2f_{\varphi,\varphi}+f_\rho}{\rho^2} | ||
+\left(\Delta f_\varphi | \right)\hat{e}_\rho | ||
+\left(\Delta f_\varphi+\frac{2f_{\rho,\varphi}-f_\varphi}{\rho^2} | |||
\right)\hat{e}_\varphi | |||
+\Delta f_z\hat{e}_z | +\Delta f_z\hat{e}_z | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
[[Kugelkoordinaten]]: | [[#Kugelkoordinaten]]: | ||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\Delta f =&\frac{1}{r^2} | \Delta f=&\frac{1}{r^2} | ||
\frac{\partial}{\partial r} | \frac{\partial}{\partial r} | ||
\left( r^2\frac{\partial f}{\partial r}\right) | \left( r^2\frac{\partial f}{\partial r}\right) | ||
+ | + | ||
\frac{1}{r^2\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta} | \frac{1}{r^2\sin(\vartheta)}\frac{\partial}{\partial\vartheta} | ||
\left(\sin\vartheta\,\frac{\partial f}{\partial\vartheta}\right) | \left(\sin(\vartheta)\,\frac{\partial f}{\partial\vartheta}\right) | ||
+ | + | ||
\frac{1}{r^2\sin^2\vartheta}\frac{\partial^2 f}{\partial\ | \frac{1}{r^2\sin^2(\vartheta)}\frac{\partial^2 f}{\partial\varphi^2} | ||
\\=& | |||
\frac{2f_{,r}}{r}+f_{,rr} | |||
+\frac{f_{,\vartheta}\cos(\vartheta)+f_{,\vartheta\vartheta}\sin(\vartheta)}{ | |||
r^2\sin(\vartheta)} | |||
+\frac{f_{,\varphi\varphi}}{r^2\sin^2(\vartheta)} | |||
\\ | \\ | ||
\Delta\vec f | \Delta\vec f | ||
=& | =& | ||
\left(\Delta | \left(\Delta f_{r}-\frac{2}{r^2}(f_{r}+f_{\vartheta,\vartheta}) | ||
-\frac{ | -2\frac{f_{\varphi,\varphi}+f_{\vartheta}\cos(\vartheta)} | ||
{r^2\sin(\vartheta)} | |||
\right)\hat{e}_r | \right)\hat{e}_r | ||
\\& | \\& | ||
+\left(\Delta f_\vartheta+\frac{ | +\left( | ||
-\frac{ | \Delta f_{\vartheta}+\frac{2f_{r,\vartheta}}{r^2} | ||
-\frac{f_{\vartheta}+2f_{\varphi,\varphi}\cos(\vartheta)}{r^2\sin^2(\vartheta)} | |||
\right)\hat{e}_\vartheta | \right)\hat{e}_\vartheta | ||
\\& | \\& | ||
+\left(\Delta f_\varphi-\frac{f_\varphi}{ | +\left( | ||
\Delta f_{\varphi}-\frac{f_{\varphi}-2f_{\vartheta,\varphi}\cos(\vartheta) | |||
-2f_{r,\varphi}\sin(\vartheta)}{r^2\sin^2(\vartheta)} | |||
\right)\hat{e}_\varphi | \right)\hat{e}_\varphi | ||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
=== Verknüpfungen === | === Verknüpfungen === | ||
Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren | Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren kann es in der Literatur zu abweichenden Formeln kommen. Wenn die Definitionen der Literatur hier eingesetzt werden, gehen die hiesigen Formeln in die der Literatur über. | ||
:<math>\begin{array}{rclcl} | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
\ | \mathrm{div(rot}(\vec{f})) | ||
&=& | &=&\nabla\cdot(\nabla\times\vec{f}) &=& 0 | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot(grad}(f)) | ||
&=&\nabla\times\ | &=&\nabla\times\nabla f &=&\vec0 | ||
&=&\ | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div(grad}(f)\times\mathrm{grad}(g)) | ||
&=&\nabla\cdot(\nabla\times(\nabla\times\ | &=& | ||
&=& | \nabla\cdot(\nabla f\times\nabla g) | ||
=\nabla g\cdot(\nabla\times\nabla f) &=& 0 | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot\big(grad}(\vec{f})\big) | ||
&=&\nabla\times(\nabla\otimes\vec{f}) | |||
&=& | |||
&=&\mathbf{0} | &=&\mathbf{0} | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div\big(rot}(\mathbf{T})^\top\big) | ||
&=& | &=&\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{T}) | ||
\nabla\cdot(\nabla | &=&\vec{0} | ||
\end{array}</math> | |||
\\ | |||
\ | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
&=&\nabla\cdot(\nabla f) = (\nabla\cdot\nabla)f | \mathrm{div\big(grad}(f)\big) | ||
&=&\nabla\cdot(\nabla f)=(\nabla\cdot\nabla)f | |||
&=&\Delta f | &=&\Delta f | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{div\big(grad}(\vec{f})\big) | ||
&=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f}) = (\nabla\cdot\nabla)\vec{f} | &=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f})=(\nabla\cdot\nabla)\vec{f} | ||
&=&\Delta\vec{f} | &=&\Delta\vec{f} | ||
\\ | \end{array}</math> | ||
\ | |||
&=&\nabla\cdot(\vec{f}\ | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
&=&\ | \mathrm{div\big(grad}(\vec{f})^\top\big) | ||
&=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f}^\top) | |||
=f_{i,ij}\hat e_j | |||
&=&\mathrm{grad\big(div}(\vec{f})\big) | |||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot\big(grad}(\vec{f})^\top\big) | ||
&=& | &=& | ||
\nabla\times\big((\nabla\otimes\vec{f})^\top\big) | |||
= | = | ||
&=&\ | \nabla\times\big(\vec{f}_{,i}\otimes\hat e_i\big) | ||
\\ | &=&\mathrm{grad\big(rot}(\vec f)\big) | ||
\ | \end{array}</math> | ||
&=& | |||
\nabla\times(\nabla\times\vec{f}) =\nabla(\nabla\cdot\vec{f}) -\Delta\vec{f} | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
\mathrm{rot\big(rot}(\vec{f})\big) | |||
&=& | |||
\nabla\times(\nabla\times\vec{f})=\nabla(\nabla\cdot\vec{f}) -\Delta\vec{f} | |||
&=& | &=& | ||
\ | \mathrm{grad(div}(\vec{f})) | ||
-\Delta\vec{f} | -\Delta\vec{f} | ||
\\ | \\ | ||
\ | \mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T})^\top\big)^\top | ||
&=& | &=& | ||
\nabla\times | \big(\nabla\times(\nabla\times(\mathbf{T}^\top))\big)^\top | ||
\\ | \\&=&\big(\nabla\otimes\nabla\cdot\mathbf{T}^\top\big)^\top | ||
-(\nabla\cdot\nabla)\mathbf{T} | |||
&=&\mathrm{grad(div}(\mathbf{T}))-\Delta\mathbf{T} | |||
\end{array}</math> | |||
:<math>\begin{array}{rcl} | |||
\mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T}^\top)\big) | |||
&=& | &=& | ||
-\Delta\mathbf{T}-\mathrm{grad\big(grad(Sp}(\mathbf{T}))\big) | |||
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T})\big) | |||
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T}^\top)\big)^\top | |||
\\ | \\ | ||
& | &&+\left[\Delta\mathrm{Sp}(\mathbf{T})-\mathrm{div\big(div}(\mathbf{T})\big) | ||
\right]\mathbf1 | |||
-\ | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
Bei symmetrischem '''T''' = '''T'''<sup>⊤</sup> gilt: | |||
:<math>\begin{array}{rcl} | :<math>\begin{array}{rcl} | ||
\ | \mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T})\big) | ||
&=& | &=& | ||
-\Delta\mathbf{T} -\ | -\Delta\mathbf{T}-\mathrm{grad\big(grad(Sp}(\mathbf{T}))\big) | ||
+\ | +\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T})\big) | ||
+\ | +\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T})\big)^\top | ||
\\ | \\ | ||
&& + [\Delta\ | &&+\left[\Delta\mathrm{Sp}(\mathbf{T})-\mathrm{div\big(div}(\mathbf{T})\big) | ||
\right]\mathbf1 | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
(\mathbf{G})\ | |||
:<math>\ | Wenn zusätzlich <math>\mathbf{T}=\mathbf{T}^\top=\mathbf{G}-\mathrm{Sp}(\mathbf{G})\mathbf1</math> dann ist: | ||
:<math>\mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T})\big)= | |||
-\Delta\mathbf{G} | -\Delta\mathbf{G} | ||
+\ | +\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{G})\big) | ||
+\ | +\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{G})\big)^\top | ||
-\ | -\mathrm{div\big(div}(\mathbf{G})\big)\mathbf1 | ||
</math> | </math> | ||
Der [[#Laplace-Operator]] kann wie ein Skalar behandelt werden, also an beliebiger Stelle in die Formeln eingesetzt werden, z. B.: | Der [[#Laplace-Operator|Laplace-Operator]] kann zwischen den anderen Operatoren wie ein Skalar behandelt werden, also an beliebiger Stelle in die Formeln eingesetzt werden, z. B.: | ||
:<math>\begin{array}{l} | :<math>\begin{array}{l} | ||
\Delta\ | \Delta\mathrm{rot(rot}(\vec{f})) | ||
=\ | =\mathrm{rot(\Delta rot}(\vec{f})) | ||
=\ | =\mathrm{rot(rot}(\Delta\vec{f}))=\ldots | ||
\\ | \\ | ||
\ldots =\Delta\ | \ldots=\Delta\mathrm{grad(div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f} | ||
=\ | =\mathrm{grad}(\Delta\mathrm{div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f} | ||
=\ | =\mathrm{grad(div}(\Delta\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f} | ||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
=== Grassmann-Entwicklung === | === Grassmann-Entwicklung === | ||
:<math>\vec{f}\times\ | |||
:<math>\begin{align} | |||
\vec{f}\times\mathrm{rot}(\vec{f}) | |||
=& | |||
\frac{1}{2}\mathrm{grad}(\vec{f}\cdot\vec{f}) | |||
-\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{f} | |||
\\=& | |||
\big(\mathrm{grad}(\vec{f})^\top-\mathrm{grad}(\vec{f})\big)\cdot\vec{f} | |||
=\vec{\mathrm i}\big(\mathrm{grad}(\vec{f})\big)\times\vec f | |||
\end{align}</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{f} | |||
= | = | ||
\frac{1}{2}\ | \frac{1}{2}\mathrm{grad}(\vec{f}\cdot\vec{f}) | ||
- | -\vec{f}\times\mathrm{rot}(\vec{f}) | ||
</math> | </math> | ||
:<math> | |||
\ | == Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation == | ||
Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist [[Harmonische Funktion|harmonisch]]: | |||
\ | |||
:<math>\mathrm{div}(\vec{f})= 0 | |||
\;\text{und}\; | |||
\mathrm{rot}(\vec{f})=\vec{0} | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\Delta\vec{f}=\vec{0} | |||
</math> | </math> | ||
=== | === Helmholtz-Theorem === | ||
{{Siehe auch|Helmholtz-Theorem}} | |||
\vec{f} =\vec{f}_1 +\vec{f}_2:&&&\ | |||
&\ | Jedes Vektorfeld lässt sich eindeutig in einen divergenzfreien und einen rotationsfreien Anteil zerlegen. Den Integrabilitätsbedingungen für Rotationen und Gradienten zufolge ist der erste Anteil ein Rotationsfeld und der zweite ein Gradientenfeld.<br /><math>\begin{array}{rclccl} | ||
\vec{f}=\vec{f}_1 +\vec{f}_2:&&&\mathrm{div}(\vec{f}_1)= 0 | |||
&\text{und}&\mathrm{rot}(\vec{f}_2)=\vec{0} | |||
\\ | \\ | ||
\leftrightarrow\exists g,\vec{g}: && | \leftrightarrow\exists g,\vec{g}: && | ||
\vec{f} =&\ | \vec{f}=&\mathrm{rot}(\vec{g}) &+&\mathrm{grad}(g) | ||
\end{array}</math> | |||
=== Satz über rotationsfreie Felder === | |||
{{Siehe auch|Poincaré-Lemma}} | |||
:<math>\begin{array}{rrcll} | |||
\textsf{I}:&\mathrm{rot}(\vec{u}):=\hat{e}_k\times\vec{u}_{,k}=\vec{0}&\rightarrow&\exists f\colon&\vec{u}=\mathrm{grad}(f) | |||
\\ | |||
\textsf{II}: &\mathrm{rot}(\mathbf{T})=\mathbf{0} | |||
&\rightarrow&\exists\vec{u}\colon&\mathbf{T} | |||
=\mathrm{grad}(\vec{u}) | |||
\\ | |||
\textsf{III}: &\mathrm{rot}(\mathbf{T})=\mathbf{0} | |||
\;\text{und}\;\mathrm{Sp}(\mathbf{T}) | |||
= 0&\rightarrow&\exists\mathbf{W}\colon&\mathbf{T}=\mathrm{rot}(\mathbf{W}) | |||
\;\text{und}\; | |||
\mathbf{W}= -\mathbf{W}^\top | |||
\end{array}</math> | |||
oder | |||
:<math>\begin{array}{rrcll} | |||
\textsf{II}: &\nabla\times(\mathbf{T}^\top)=\mathbf{0} | |||
&\rightarrow&\exists\vec{u}\colon&\mathbf{T}=\mathrm{grad}(\vec{u}) | |||
\\ | |||
\textsf{III}: &\nabla\times(\mathbf{T}^\top) | |||
=\mathbf{0}\;\text{und}\;\mathrm{Sp}(\mathbf{T}) | |||
= 0&\rightarrow&\exists\mathbf{W}\colon&\mathbf{T}=\mathrm{rot}(\mathbf{W}) | |||
\;\text{und}\; | |||
\mathbf{W}= -\mathbf{W}^\top | |||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
=== Gaußscher Integralsatz === | === Gaußscher Integralsatz === | ||
{{ | {{Siehe auch|Gaußscher Integralsatz}} | ||
* Volumen <math>v</math> mit [[Volumenform]] <math>\mathrm{d}v</math> und | * Volumen <math>v</math> mit [[Volumenform]] <math>\mathrm{d}v</math> und | ||
Zeile 914: | Zeile 1.321: | ||
:<math>\begin{array}{rcl} | :<math>\begin{array}{rcl} | ||
\int_{v}\ | \int_{v}\mathrm{grad}(f)\,\mathrm{d}v | ||
&=&\int_{a} f\,\mathrm{d}\vec{a} | &=&\int_{a} f\,\mathrm{d}\vec{a} | ||
\\ | \\ | ||
\int_{v}\ | \int_{v}\mathrm{grad}(\vec{f})\,\mathrm{d}v | ||
&=&\int_{a}\vec{f}\otimes\mathrm{d}\vec{a} | &=&\int_{a}\vec{f}\otimes\mathrm{d}\vec{a} | ||
\\ | \\ | ||
\int_{v}\ | \int_{v}\mathrm{div}(\vec{f})\,\mathrm{d}v | ||
&=&\int_{a}\vec{f}\cdot\mathrm{d}\vec{a} | &=&\int_{a}\vec{f}\cdot\mathrm{d}\vec{a} | ||
\\ | \\ | ||
\int_{v}\ | \int_{v}\mathrm{rot}(\vec{f})\,\mathrm{d}v | ||
&=& -\int_{a}\vec{f}\times\mathrm{d}\vec{a} | &=& -\int_{a}\vec{f}\times\mathrm{d}\vec{a} | ||
\\ | \\ | ||
\int_{v}\ | \int_{v}\mathrm{div}(\mathbf{T})\,\mathrm{d}v | ||
&=&\int_{a}\mathbf{T}\cdot\mathrm{d}\vec{a} | |||
\\ | |||
\int_{v}\nabla\cdot\mathbf{T}\,\mathrm{d}v | |||
&=&\int_{a}\mathbf{T}^\top\cdot\mathrm{d}\vec{a} | &=&\int_{a}\mathbf{T}^\top\cdot\mathrm{d}\vec{a} | ||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
Mit der [[#Produktregel für Gradienten]], [[#Produktregel für Divergenzen]] und [[#Produktregel für Rotationen]] können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{grad}(f g) | |||
=&\mathrm{grad}(f)g+f\mathrm{grad}(g) | |||
\\ | |||
\rightarrow\int_{v}\mathrm{grad}(f)g\,\mathrm{d}v | |||
=&\int_{a}fg\,\mathrm{d}\vec{a} | |||
-\int_{v}f\mathrm{grad}(g)\,\mathrm{d}v | |||
\end{align}</math> | |||
=== Klassischer Integralsatz von Stokes === | === Klassischer Integralsatz von Stokes === | ||
{{ | {{Siehe auch|Satz von Stokes}} | ||
Gegeben: | Gegeben: | ||
Zeile 941: | Zeile 1.362: | ||
Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math> : | Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math> : | ||
:<math>\int_{a}\ | :<math>\int_{a}\mathrm{rot}(\vec{f})\cdot\mathrm{d}\vec{a} | ||
=\oint_{b}\vec{f}\cdot\mathrm{d}\vec{b}</math> | =\oint_{b}\vec{f}\cdot\mathrm{d}\vec{b}</math> | ||
Mit der [[#Produktregel für Rotationen]] können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{rot}(f\vec g) | |||
=&\mathrm{grad}(f)\times\vec g+f\mathrm{rot}(\vec g) | |||
\\ | |||
\rightarrow | |||
\int_{a}\big(\mathrm{grad}(f)\times\vec g\big)\cdot\mathrm{d}\vec{a} | |||
=&\oint_{b}f\vec g\cdot\mathrm{d}\vec{b} | |||
-\int_{a}f\mathrm{rot}(\vec g)\cdot\mathrm{d}\vec{a} | |||
\end{align}</math> | |||
=== Reynoldscher Transportsatz === | |||
{{Siehe auch|Reynolds’scher Transportsatz}} | |||
Gegeben: | |||
* Zeit <math>t</math> | |||
* Zeitabhängiges Volumen <math>v</math> mit [[Volumenform]] <math>\mathrm{d}v</math> mit | |||
* Oberfläche des Volumes <math>a</math> und [[Oberflächenintegral|äußerem vektoriellem Oberflächenelement]] <math>\mathrm{d}\vec{a}</math> | |||
* Ortsvektoren <math>\vec{x}\in v</math> | |||
* Geschwindigkeitsfeld:<math>\vec{v}(\vec{x},t)</math> | |||
* Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit <math>f(\vec{x},t)</math>, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird. | |||
* Die Integrale Größe für das Volumen:<math>\int_v\vec{f}(\vec{x},t)\,\mathrm{d}v</math> | |||
Skalare Funktion <math>f(\vec{x},t)</math> : | |||
:<math>\begin{array}{rcl} | |||
\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{v}f\,\mathrm{d}v | |||
&=& | |||
\int_{v}\frac{\partial f}{\partial t}\,\mathrm{d}v | |||
+\int_{a} f (\vec{v}\cdot\mathrm{d}\vec{a}) | |||
=\int_{v}\left( | |||
\frac{\partial f}{\partial t} | |||
+\mathrm{div}(f\vec{v})\right)\,\mathrm{d}v | |||
\\ | |||
&=& | |||
\int_{v}\left( | |||
\frac{\partial f}{\partial t} | |||
+\mathrm{grad}(f)\cdot\vec{v} | |||
+\mathrm{div}(\vec{v})\,f | |||
\right)\,\mathrm{d}v | |||
= | |||
\int_{v}\left(\dot{f} +\mathrm{div}(\vec{v})\,f\right)\,\mathrm{d}v | |||
\end{array}</math> | |||
Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math> : | |||
:<math>\begin{array}{rcl} | |||
\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_{v}\vec{f}\,\mathrm{d}v | |||
&=& | |||
\int_{v}\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}\,\mathrm{d}v | |||
+\int_{a}\vec{f}(\vec{v}\cdot\mathrm{d}\vec{a}) | |||
= | |||
\int_{v} | |||
\left(\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}+\mathrm{div}(\vec{v}\otimes\vec{f})\right) | |||
\,\mathrm{d}v | |||
\\ | |||
&=& | |||
\int_{v}\left( | |||
\frac{\partial\vec{f}}{\partial t} | |||
+\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{v} | |||
+\mathrm{div}(\vec{v})\vec{f} | |||
\right)\,\mathrm{d}v | |||
= | |||
\int_{v}(\dot{\vec{f}}+\mathrm{div}(\vec{v})\vec{f})\,\mathrm{d}v | |||
\end{array}</math> | |||
=== Transportsatz für Flächenintegrale === | |||
Gegeben: | |||
* Zeit <math>t</math> | |||
* Ortsvektoren <math>\vec{x}\in v</math> | |||
* Geschwindigkeitsfeld:<math>\vec{v}(\vec{x},t)</math> | |||
* Zeitabhängige Fläche <math>a\colon [0,1]^2\mapsto v</math>, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement <math>\mathrm{d}\vec{a}</math> im Volumen v integriert wird | |||
* Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße <math>f(\vec{x},t)</math>, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird. | |||
* Die Integrale Größe auf der Fläche:<math>\int_a f(\vec{x},t)\cdot\mathrm{d}\vec{a}</math> | |||
Skalare Funktion <math>f(\vec{x},t)</math> : | |||
:<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_a f\,\mathrm{d}\vec{a} | |||
= | |||
\int_a[ | |||
\dot{f}\mathbf1+f\operatorname{div}(\vec v)\mathbf1 | |||
-f \operatorname{grad}(\vec v)^\top | |||
]\cdot\,\mathrm{d}\vec{a} | |||
</math> | |||
Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math>: | |||
:<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\int_a\vec{f}\cdot\,\mathrm{d}\vec{a} | |||
= | |||
\int_a[ | |||
\dot{\vec{f}} | |||
+\vec{f}\operatorname{div}(\vec v) | |||
-\operatorname{grad}(\vec v)\cdot\vec{f} | |||
]\cdot\,\mathrm{d}\vec{a} | |||
</math> | |||
=== Transportsatz für Kurvenintegrale === | |||
Gegeben: | |||
* Zeit <math>t</math> | |||
* Ortsvektoren <math>\vec{x}\in v</math> | |||
* Geschwindigkeitsfeld:<math>\vec{v}(\vec{x},t)</math> | |||
* Zeitabhängige Kurve <math>b\colon [0,1)\mapsto v</math>, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement <math>\mathrm{d}\vec{b}</math> im Volumen v integriert wird | |||
* Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße <math>f(\vec{x},t)</math>, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird. | |||
* Die Integrale Größe entlang des Weges:<math>\int_b f(\vec{x},t)\cdot\mathrm{d}\vec{b}</math> | |||
Skalare Funktion <math>f(\vec{x},t)</math> : | |||
:<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\oint_b f\,\mathrm{d}\vec{b} | |||
=\oint_b(\dot{f}\mathbf1+f\,\mathrm{grad}\vec{v})\cdot\mathrm{d}\vec{b} | |||
</math> | |||
Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math>: | |||
:<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\oint_b\vec{f}\cdot\mathrm{d}\vec{b} | |||
=\oint_b(\dot{\vec{f}}+\vec{f}\cdot\mathrm{grad}\vec{v})\cdot\mathrm{d}\vec{b} | |||
</math> | |||
== Kontinuumsmechanik == | == Kontinuumsmechanik == | ||
Zeile 948: | Zeile 1.487: | ||
=== Kleine Deformationen === | === Kleine Deformationen === | ||
Ingenieursdehnungen: | Ingenieursdehnungen: | ||
:<math>\boldsymbol{\varepsilon} =\varepsilon_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
:<math>\boldsymbol{\varepsilon}=\varepsilon_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\frac{1}{2}( u_{i,j} + u_{j,i})\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j</math> | =\frac{1}{2}( u_{i,j} + u_{j,i})\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j</math> | ||
[[Kompatibilitätsbedingung]]en: | |||
:<math>\begin{array}{rcl} | :<math>\begin{array}{rcl} | ||
\mathrm{rot\big(rot}(\boldsymbol{\varepsilon})\big) | |||
=\nabla\times(\nabla\times\boldsymbol{\varepsilon})^\top | |||
&=&\mathbf0 | |||
\\ | |||
&\downarrow& | |||
\\ | |||
2\varepsilon_{12,12} -\varepsilon_{22,11} -\varepsilon_{11,22} &=& 0 | 2\varepsilon_{12,12} -\varepsilon_{22,11} -\varepsilon_{11,22} &=& 0 | ||
\\ | \\ | ||
Zeile 974: | Zeile 1.521: | ||
=-\mathbf{Q}\cdot{\dot{\mathbf{Q}}}^\top</math> | =-\mathbf{Q}\cdot{\dot{\mathbf{Q}}}^\top</math> | ||
Vektorinvariante oder axialer Vektor <math>\vec | Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor <math>\vec\omega</math> des schiefsymmetrischen Tensors <math>\mathbf{\Omega}</math> ist die [[Winkelgeschwindigkeit]]: | ||
:<math>\mathbf{\Omega}\vec{r} | :<math>\mathbf{\Omega}\cdot\vec{r} | ||
=\vec | =\vec\omega\times\vec{r}{\quad\forall\;}\vec{r}</math> | ||
Starrkörperbewegung mit <math>\vec{r}=\mathrm{const.}</math> : | Starrkörperbewegung mit <math>\vec{r}=\mathrm{const.}</math> : | ||
Zeile 984: | Zeile 1.531: | ||
=\vec{f}+\mathbf{Q}\cdot\vec{r} | =\vec{f}+\mathbf{Q}\cdot\vec{r} | ||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\vec{r} =\mathbf{Q}^\top\cdot(\vec{x}-\vec{f})</math> | \vec{r}=\mathbf{Q}^\top\cdot(\vec{x}-\vec{f})</math> | ||
:<math>\vec{v} | :<math>\vec{v} | ||
Zeile 990: | Zeile 1.537: | ||
=\dot{\vec{f}}+\dot{\mathbf{Q}}\cdot\mathbf{Q}^\top\cdot(\vec{x}-\vec{f}) | =\dot{\vec{f}}+\dot{\mathbf{Q}}\cdot\mathbf{Q}^\top\cdot(\vec{x}-\vec{f}) | ||
=\dot{\vec{f}}+\mathbf{\Omega}\cdot (\vec{x}-\vec{f}) | =\dot{\vec{f}}+\mathbf{\Omega}\cdot (\vec{x}-\vec{f}) | ||
=\dot{\vec{f}}+\vec | =\dot{\vec{f}}+\vec\omega\times (\vec{x}-\vec{f})</math> | ||
=== Ableitungen der Invarianten === | === Ableitungen der Invarianten === | ||
:<math>\frac{\partial\ | |||
:<math>\frac{\partial\mathrm{I}_{1}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | |||
=\frac{\partial\mathrm{Sp}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | =\frac{\partial\mathrm{Sp}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\ | =\mathbf1</math> | ||
:<math>\frac{\partial\ | :<math>\frac{\partial\mathrm{I}_{2}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\ | =\mathrm{I}_{1}(\mathbf{T})\mathbf1-\mathbf{T}^\top</math> | ||
:<math>\frac{\partial\ | :<math>\frac{\partial\mathrm{I}_{3}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\frac{\partial\mathrm{det}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | =\frac{\partial\mathrm{det}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\mathrm{det}(\mathbf{T})\mathbf{T}^{\mathrm{T}- | =\mathrm{det}(\mathbf{T})\mathbf{T}^{\top-1} | ||
=\mathrm{cof}(\mathbf{T}) | |||
=\mathbf{T^\top\cdot T^\top}-\mathrm{I}_1(\mathbf{T})\mathbf{T}^\top | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{T})\mathbf1 | |||
</math> | |||
mit der transponiert inversen '''T'''<sup>⊤-1</sup> und dem [[Formelsammlung Tensoralgebra#Kofaktor|Kofaktor]] cof('''T''') des Tensors '''T'''. | |||
Funktion <math>f</math> der Invarianten: | |||
:<math>\begin{align}\frac{\partial f}{\partial\mathbf{T}} | |||
(\mathrm{I}_{1}(\mathbf{T}),\,\mathrm{I}_{2}(\mathbf{T}), | |||
\,\mathrm{I}_{3}(\mathbf{T})) | |||
=& | |||
\left(\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{1}} | |||
+\mathrm{I}_{1}\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{2}} | |||
+\mathrm{I}_{2}\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{3}}\right)\mathbf1 | |||
- | |||
\left(\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{2}} | |||
+\mathrm{I}_{1}\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{3}}\right)\mathbf{T}^\top | |||
\\&+ | |||
\frac{\partial f}{\partial\mathrm{I}_{3}}\mathbf{T}^\top\cdot\mathbf{T}^\top | |||
\end{align}</math> | |||
Ableitung der [[Frobenius-Norm]]: | |||
:<math>\frac{\partial\parallel\mathbf{T}\parallel}{\partial\mathbf{T}} | :<math>\frac{\partial\parallel\mathbf{T}\parallel}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\frac{\mathbf{T}}{\parallel\mathbf{T}\parallel}</math> | =\frac{\mathbf{T}}{\parallel\mathbf{T}\parallel}</math> | ||
Eigenwerte ( | Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des [[Charakteristisches Polynom|charakteristischen Polynoms]]): | ||
:<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v} | :<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v}=\lambda\vec{v} | ||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\ | \mathrm{det}(\mathbf{T}-\lambda\mathbf1) | ||
=\ | =-\lambda^3+\mathrm{I}_1\lambda^2-\mathrm{I}_2\lambda+\mathrm{I}_3 | ||
=0 | |||
</math> | |||
:→ <math>\dfrac{\mathrm{d}\lambda}{\mathrm{d}\mathbf{T}} | |||
= | |||
\dfrac{(\lambda^2-\lambda\mathrm{I}_1+\mathrm{I}_2)\mathbf1 | |||
+(\lambda-\mathrm{I}_1)\mathbf{T}^\top | |||
+\mathbf{T^\top\cdot T^\top}}{3\lambda^2-2\mathrm{I}_1\lambda+\mathrm{I}_2} | |||
</math> | |||
: | Eigenwerte symmetrischer Tensoren: | ||
:<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v}=\lambda\vec{v} | |||
:<math>\ | \quad\rightarrow\quad | ||
=\ | \frac{\partial\lambda}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\vec{v}\otimes\vec{v}</math> | |||
Eigenwerte von <math>\mathbf{T}=\sum_{i=1}^3\lambda_i\,\vec{v}_i\otimes\vec{v}^i | |||
= | </math>, wo <math>\vec{v}^i</math> [[Duale Basis|dual]] zu den Eigenvektoren <math>\vec{v}_i</math> sind <math>(\vec{v}_i\cdot\vec{v}^j=\delta_i^j)</math>: | ||
:<math>\frac{\ | :<math>\frac{\partial\lambda_i}{\partial\mathbf{T}} | ||
=\vec{v}^i\otimes\vec{v}_i</math> (keine Summe) | |||
=\ | |||
\ | |||
Die Eigenwerte von <math>\mathbf{T} | |||
=c\,\vec{v}_1\otimes\vec{v}^1 | |||
+a(\vec{v}_2\otimes\vec{v}^2+\vec{v}_3\otimes\vec{v}^3) | |||
+b(\vec{v}_2\otimes\vec{v}^3-\vec{v}_3\otimes\vec{v}^2) | |||
</math> sind <math>\lambda_1=c,\,\lambda_2=a+\mathrm{i}b,\,\lambda_3=a-\mathrm{i}b</math> mit den Eigenvektoren <math>\vec v_1,\,\vec w_2=\vec v_2+\mathrm{i}\vec v_3,\,\vec w_3=\vec v_2-\mathrm{i}\vec v_3</math>. Hier ist: | |||
:<math>\frac{\partial\lambda_1}{\partial\mathbf{T}} | |||
:<math>\frac{\ | =\vec{v}^1\otimes\vec{v}_1 | ||
= | ,\quad | ||
\frac{\partial\lambda_k}{\partial\mathbf{T}} | |||
= | =\frac12\overline{\vec{w}^k\otimes\vec{w}_k},\quad k=2,3 | ||
</math> (keine Summe) | |||
mit <math>\vec w^2=\vec v^2+\mathrm{i}\vec v^3,\,\vec w^3=\vec v^2-\mathrm{i}\vec v^3</math> und der Überstrich markiert den [[konjugiert komplex]]en Wert. | |||
=== Konvektive Koordinaten === | === Konvektive Koordinaten === | ||
{{ | {{Siehe auch|Konvektive Koordinaten}} | ||
Konvektive Koordinaten <math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | Konvektive Koordinaten <math>y_{1},y_{2},y_{3}\in\mathbb{R}</math> | ||
Zeile 1.072: | Zeile 1.634: | ||
Kontravariante Basisvektoren <math>\vec{B}^{i} | Kontravariante Basisvektoren <math>\vec{B}^{i} | ||
=\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{X}} | =\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{X}} | ||
=\ | :=\mathrm{GRAD}(y_i )</math>, <math>\vec{b}^{i} | ||
=\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{x}} | =\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{x}} | ||
=\ | :=\mathrm{grad}(y_i )</math> | ||
:<math>\vec{B}_i\cdot\vec{B}^{j} | :<math>\vec{B}_i\cdot\vec{B}^{j} | ||
Zeile 1.095: | Zeile 1.657: | ||
=== Geschwindigkeitsgradient === | === Geschwindigkeitsgradient === | ||
{{ | {{Siehe auch| Geschwindigkeitsgradient}} | ||
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient: <math>\mathbf{l} | Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:<math>\mathbf{l} | ||
=\ | =\mathrm{grad}(\vec{v})=\dot{\mathbf{F}}\cdot\mathbf{F}^{-1}</math> | ||
Divergenz der Geschwindigkeit: <math>\ | Divergenz der Geschwindigkeit:<math>\mathrm{div}(\vec{v}) | ||
=\ | =\mathrm{Sp}(\mathbf{l})</math> | ||
[[Winkelgeschwindigkeit]] oder [[Wirbelstärke]] ist der [[Formelsammlung Tensoralgebra#Dualer axialer Vektor|duale axiale Vektor]] | |||
:<math>\vec\omega | |||
=\stackrel{A}{\vec{\mathbf l}}=-\frac12\vec{\mathrm i}(\mathbf l) | |||
=\frac12\mathrm{rot}(\vec v)</math> | |||
:<math>\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}\mathrm{det}(\mathbf{F}) | :<math>\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}\mathrm{det}(\mathbf{F}) | ||
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\ | =\mathrm{det}(\mathbf{F})\mathbf{F}^{\top-1}:\dot{\mathbf F} | ||
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\mathrm{Sp}(\dot{\mathbf F}\cdot\mathbf{F}^{-1}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\,\mathrm{div}(\vec{v})</math> | |||
= | |||
=== Objektive Zeitableitungen === | === Objektive Zeitableitungen === | ||
{{ | {{Siehe auch|Euklidische Transformation}} | ||
Bezeichnungen wie in [[#Konvektive Koordinaten]]. | Bezeichnungen wie in [[#Konvektive Koordinaten]]. | ||
[[Geschwindigkeitsgradient|Räumlicher Geschwindigkeitsgradient]] <math>\mathbf{l} | [[Geschwindigkeitsgradient|Räumlicher Geschwindigkeitsgradient]] <math>\mathbf{l} | ||
=\dot{\vec{b}}_i\otimes\vec{b}^i = -\vec{b}_i\otimes\dot{\vec{b}}\,^i | =\dot{\vec{b}}_i\otimes\vec{b}^i= -\vec{b}_i\otimes\dot{\vec{b}}\,^i | ||
=\mathbf{d}+\mathbf{w}</math> | =\mathbf{d}+\mathbf{w}</math> | ||
Zeile 1.125: | Zeile 1.691: | ||
==== Objektive Zeitableitungen von Vektoren ==== | ==== Objektive Zeitableitungen von Vektoren ==== | ||
Gegeben: <math>\vec{v}=v_i\vec{b}^i=v^i\vec{b}_i</math>: | Gegeben:<math>\vec{v}=v_i\vec{b}^i=v^i\vec{b}_i</math>: | ||
:<math>\begin{array}{rclcl} | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
\stackrel{\Delta}{\vec{v}} &=&\dot{\vec{v}}+\mathbf{l}^\top\cdot\vec{v} | \stackrel{\Delta}{\vec{v}} &=&\dot{\vec{v}}+\mathbf{l}^\top\cdot\vec{v} | ||
Zeile 1.138: | Zeile 1.705: | ||
==== Objektive Zeitableitungen von Tensoren ==== | ==== Objektive Zeitableitungen von Tensoren ==== | ||
Gegeben: <math>\mathbf{T}=T_{ij}\vec{b}^{i}\otimes\vec{b}^{j} | Gegeben:<math>\mathbf{T}=T_{ij}\vec{b}^{i}\otimes\vec{b}^{j} | ||
=T^{ij}\vec{b}_{i}\otimes\vec{b}_{j}</math> | =T^{ij}\vec{b}_{i}\otimes\vec{b}_{j}</math> | ||
:<math>\begin{array}{rclcl} | :<math>\begin{array}{rclcl} | ||
\stackrel\Delta{\mathbf{T}} | \stackrel\Delta{\mathbf{T}} | ||
Zeile 1.153: | Zeile 1.721: | ||
\\ | \\ | ||
\stackrel{\diamond}{\mathbf{T}} | \stackrel{\diamond}{\mathbf{T}} | ||
&=&\dot{\mathbf{T}}+\ | &=&\dot{\mathbf{T}}+\mathrm{Sp}(\mathbf{l})\mathbf{T} | ||
-\mathbf{l\cdot T}-\mathbf{T\cdot l}^\top | -\mathbf{l\cdot T}-\mathbf{T\cdot l}^\top | ||
\end{array}</math> | \end{array}</math> | ||
=== Materielle Zeitableitung === | === Materielle Zeitableitung === | ||
{{ | {{Siehe auch|Substantielle Ableitung}} | ||
:<math>\dot{f}(\vec{x},t)=\frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | :<math>\dot{f}(\vec{x},t)=\frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | ||
=\frac{\partial f}{\partial t}+\ | =\frac{\partial f}{\partial t}+\mathrm{grad}(f)\cdot\vec{v} | ||
=\frac{\partial f}{\partial t}+(\vec v\cdot\nabla)f | |||
</math> | |||
:<math>\dot{\vec{f}}(\vec{x},t)=\frac{\mathrm{D}\vec f}{\mathrm{D}t} | :<math>\dot{\vec{f}}(\vec{x},t)=\frac{\mathrm{D}\vec f}{\mathrm{D}t} | ||
=\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}+\ | =\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}+\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{v} | ||
=\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}+(\vec v\cdot\nabla)\vec{f} | |||
</math> | |||
Kartesische Koordinaten: <math> | [[#Kartesische Koordinaten]]:<math> | ||
\frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | \frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | ||
:= | := | ||
Zeile 1.175: | Zeile 1.747: | ||
</math> | </math> | ||
Zylinderkoordinaten: <math> | [[#Zylinderkoordinaten]]:<math> | ||
\frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | \frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | ||
:= | := | ||
Zeile 1.184: | Zeile 1.756: | ||
</math> | </math> | ||
Kugelkoordinaten: <math> | [[#Kugelkoordinaten]]:<math> | ||
\frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | \frac{\mathrm{D}f}{\mathrm{D}t} | ||
:= | := | ||
\frac{\partial f}{\partial t} | \frac{\partial f}{\partial t} | ||
+v_r\frac{\partial f}{\partial r} | +v_r\frac{\partial f}{\partial r} | ||
+\frac{v_\varphi}{r\sin\vartheta}\frac{\partial f}{\partial\varphi} | +\frac{v_\varphi}{r\sin(\vartheta)}\frac{\partial f}{\partial\varphi} | ||
+\frac{v_\vartheta}{r}\frac{\partial f}{\partial\vartheta} | +\frac{v_\vartheta}{r}\frac{\partial f}{\partial\vartheta} | ||
</math> | </math> | ||
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\tfrac{\mathrm{D}\vec f}{\mathrm{D}t} | \tfrac{\mathrm{D}\vec f}{\mathrm{D}t} | ||
=\tfrac{\mathrm{D}f_i}{\mathrm{D}t}\hat{e}_i</math> daraus zusammengesetzt. | =\tfrac{\mathrm{D}f_i}{\mathrm{D}t}\hat{e}_i</math> daraus zusammengesetzt. | ||
== Fußnoten == | == Fußnoten == |
$ {\sqrt[{n}]{x}} $ | Dieser Artikel ist eine Formelsammlung zum Thema Tensoranalysis. Es werden mathematische Symbole verwendet, die im Artikel Liste mathematischer Symbole erläutert werden. |
Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Analysis mit Vektor- und Tensorfeldern zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen.
Kreuzprodukt:
Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:
mit Basisvektoren
die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.
Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:
Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:
mit $ s\in \mathbb {R} $, $ f,x,h $ skalar-, vektor- oder tensorwertig aber $ x $ und $ h $ gleichartig.
Produktregel:
Kettenregel:
Existiert ein beschränkter linearer Operator $ {\mathcal {A}} $, sodass
gilt, so wird $ {\mathcal {A}} $ Fréchet-Ableitung von $ f $ nach $ x $ genannt. Man schreibt dann auch
siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Spezielle Tensoren vierter Stufe.
Allgemein mit n ∈ ℕ, >0, T0 := 1:
#Gâteaux-Differential der Inversen:
n ∈ ℕ, >0:
Orthogonaler Tensor (Q·Q⊤=1):
#Kartesische Koordinaten $ {\vec {x}} $ :$ \nabla ={\hat {e}}_{i}{\frac {\partial }{\partial x_{i}}} $
#Zylinderkoordinaten: $ \nabla ={\vec {e}}_{\rho }{\frac {\partial }{\partial \rho }}+{\frac {1}{\rho }}{\vec {e}}_{\varphi }{\frac {\partial }{\partial \varphi }}+{\vec {e}}_{z}{\frac {\partial }{\partial z}} $
#Kugelkoordinaten: $ \nabla ={\vec {e}}_{r}{\frac {\partial }{\partial r}}+{\frac {1}{r}}{\vec {e}}_{\vartheta }{\frac {\partial }{\partial \vartheta }}+{\frac {1}{r\sin(\vartheta )}}{\vec {e}}_{\varphi }{\frac {\partial }{\partial \varphi }} $
#Krummlinige Koordinaten $ {\vec {y}} $ :$ \nabla ={\vec {b}}^{j}{\frac {\partial }{\partial y_{j}}} $ mit $ {\vec {b}}^{j}={\frac {\partial y_{j}}{\partial x_{i}}}{\hat {e}}_{i} $.
Definierende Eigenschaft bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:[1]
Wenn der Gradient existiert, ist er eindeutig. Berechnung bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:
Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:
Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:
Skalarfeld f:
Vektorfeld $ {\vec {f}}=f_{i}{\hat {e}}_{i} $:[2]
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
Christoffelsymbole: $ \Gamma _{ij}^{k}={\vec {g}}_{i,j}\cdot {\vec {g}}^{k} $
Vektorfelder:
Mit den kovarianten Ableitungen
Tensorfelder:
Soll das Argument wie beim Vektorgradient rechts vom Operator stehen, dann lautet der Tensorgradient
Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:
In drei Dimensionen ist speziell[3]
Beliebige Basis:
Vektorfeld $ {\vec {f}} $ :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]
Koordinatenfreie Darstellung:
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
$ \nabla \cdot \mathbf {T} =\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $ ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
$ \nabla \cdot \mathbf {T} =\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $ ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
Vektorfeld $ {\vec {f}} $ :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]
Allgemeine Identitäten:
Integrabilitätsbedingung[4]: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:
Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.
Koordinatenfreie Darstellung:
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
$ {\begin{aligned}\mathrm {rot} (\mathbf {T} \cdot {\vec {f}})=&{\hat {e}}_{k}\times {\big (}\mathbf {T} _{,k}\cdot {\vec {f}}+\mathbf {T} \cdot {\vec {f}}_{,k}{\big )}\\=&\mathrm {rot} (\mathbf {T} ^{\top })\cdot {\vec {f}}+{\vec {\mathrm {i} }}\left({\hat {e}}_{k}\otimes \mathbf {T} \cdot {\vec {f}}_{,k}\right)\\=&\mathrm {rot} (\mathbf {T} ^{\top })\cdot {\vec {f}}-{\vec {\mathrm {i} }}\left(\mathbf {T} \cdot \mathrm {grad} ({\vec {f}})\right)\\\mathrm {rot} ({\vec {f}}\times \mathbf {T} )=&-\mathrm {rot} \left((\mathbf {T} ^{\top }\times {\vec {f}})^{\top }\right)\\=&-\nabla \times \left(\mathbf {T} ^{\top }\times {\vec {f}}\right)\\=&-(\nabla \times \mathbf {T} ^{\top })\times {\vec {f}}+\mathbf {T} ^{\top }\#(\nabla \otimes {\vec {f}})\\=&-\mathrm {rot} (\mathbf {T} )\times {\vec {f}}+\left(\mathbf {T} \#\mathrm {grad} ({\vec {f}})\right)^{\top }\end{aligned}} $
$ {\begin{aligned}\nabla \times (\mathbf {T} \cdot {\vec {f}})=&{\hat {e}}_{k}\times (\mathbf {T} _{,k}\cdot {\vec {f}}+\mathbf {T} \cdot {\vec {f}}_{,k})\\=&(\nabla \times \mathbf {T} )\cdot {\vec {f}}+{\vec {\mathrm {i} }}\left({\hat {e}}_{k}\otimes \mathbf {T} \cdot {\vec {f}}_{,k}\right)\\=&(\nabla \times \mathbf {T} )\cdot {\vec {f}}-{\vec {\mathrm {i} }}{\big (}\mathbf {T} \cdot (\nabla \otimes {\vec {f}})^{\top }{\big )}\\\nabla \times (\mathbf {T} \times {\vec {f}})=&{\hat {e}}_{k}\times (\mathbf {T} _{,k}\times {\vec {f}}+(\mathbf {T} \cdot {\hat {e}}_{i})\otimes {\hat {e}}_{i}\times {\vec {f}}_{,k})\\=&(\nabla \times \mathbf {T} )\times {\vec {f}}-(\mathbf {T} \cdot {\hat {e}}_{i})\times {\hat {e}}_{k}\otimes {\hat {e}}_{i}\times {\vec {f}}_{,k}\\=&(\nabla \times \mathbf {T} )\times {\vec {f}}-\mathbf {T} \#(\nabla \otimes {\vec {f}})\end{aligned}} $
Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
In divergenzfreien Feldern ist also: $ \mathrm {rot} ({\vec {f}}\times \mathbf {1} )=\mathrm {grad} ({\vec {f}}) $
Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:
„Vektorieller Laplace-Operator“:
Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren kann es in der Literatur zu abweichenden Formeln kommen. Wenn die Definitionen der Literatur hier eingesetzt werden, gehen die hiesigen Formeln in die der Literatur über.
Bei symmetrischem T = T⊤ gilt:
Wenn zusätzlich $ \mathbf {T} =\mathbf {T} ^{\top }=\mathbf {G} -\mathrm {Sp} (\mathbf {G} )\mathbf {1} $ dann ist:
Der Laplace-Operator kann zwischen den anderen Operatoren wie ein Skalar behandelt werden, also an beliebiger Stelle in die Formeln eingesetzt werden, z. B.:
Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:
Jedes Vektorfeld lässt sich eindeutig in einen divergenzfreien und einen rotationsfreien Anteil zerlegen. Den Integrabilitätsbedingungen für Rotationen und Gradienten zufolge ist der erste Anteil ein Rotationsfeld und der zweite ein Gradientenfeld.
$ {\begin{array}{rclccl}{\vec {f}}={\vec {f}}_{1}+{\vec {f}}_{2}:&&&\mathrm {div} ({\vec {f}}_{1})=0&{\text{und}}&\mathrm {rot} ({\vec {f}}_{2})={\vec {0}}\\\leftrightarrow \exists g,{\vec {g}}:&&{\vec {f}}=&\mathrm {rot} ({\vec {g}})&+&\mathrm {grad} (g)\end{array}} $
oder
Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Gegeben:
Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $ :
Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Gegeben:
Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :
Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $ :
Gegeben:
Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :
Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $:
Gegeben:
Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :
Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $:
Ingenieursdehnungen:
Orthogonaler Tensor $ \mathbf {Q} $ beschreibt die Drehung.
Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor $ {\vec {\omega }} $ des schiefsymmetrischen Tensors $ \mathbf {\Omega } $ ist die Winkelgeschwindigkeit:
Starrkörperbewegung mit $ {\vec {r}}=\mathrm {const.} $ :
mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.
Funktion $ f $ der Invarianten:
Ableitung der Frobenius-Norm:
Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):
Eigenwerte symmetrischer Tensoren:
Eigenwerte von $ \mathbf {T} =\sum _{i=1}^{3}\lambda _{i}\,{\vec {v}}_{i}\otimes {\vec {v}}^{i} $, wo $ {\vec {v}}^{i} $ dual zu den Eigenvektoren $ {\vec {v}}_{i} $ sind $ ({\vec {v}}_{i}\cdot {\vec {v}}^{j}=\delta _{i}^{j}) $:
Die Eigenwerte von $ \mathbf {T} =c\,{\vec {v}}_{1}\otimes {\vec {v}}^{1}+a({\vec {v}}_{2}\otimes {\vec {v}}^{2}+{\vec {v}}_{3}\otimes {\vec {v}}^{3})+b({\vec {v}}_{2}\otimes {\vec {v}}^{3}-{\vec {v}}_{3}\otimes {\vec {v}}^{2}) $ sind $ \lambda _{1}=c,\,\lambda _{2}=a+\mathrm {i} b,\,\lambda _{3}=a-\mathrm {i} b $ mit den Eigenvektoren $ {\vec {v}}_{1},\,{\vec {w}}_{2}={\vec {v}}_{2}+\mathrm {i} {\vec {v}}_{3},\,{\vec {w}}_{3}={\vec {v}}_{2}-\mathrm {i} {\vec {v}}_{3} $. Hier ist:
mit $ {\vec {w}}^{2}={\vec {v}}^{2}+\mathrm {i} {\vec {v}}^{3},\,{\vec {w}}^{3}={\vec {v}}^{2}-\mathrm {i} {\vec {v}}^{3} $ und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.
Konvektive Koordinaten $ y_{1},y_{2},y_{3}\in \mathbb {R} $
Kovariante Basisvektoren $ {\vec {B}}_{i}={\frac {\mathrm {d} {\vec {X}}}{\mathrm {d} y_{i}}} $, $ {\vec {b}}_{i}={\frac {\mathrm {d} {\vec {x}}}{\mathrm {d} y_{i}}} $
Kontravariante Basisvektoren $ {\vec {B}}^{i}={\frac {\mathrm {d} y_{i}}{\mathrm {d} {\vec {X}}}}:=\mathrm {GRAD} (y_{i}) $, $ {\vec {b}}^{i}={\frac {\mathrm {d} y_{i}}{\mathrm {d} {\vec {x}}}}:=\mathrm {grad} (y_{i}) $
Deformationsgradient $ \mathbf {F} ={\vec {b}}_{i}\otimes {\vec {B}}^{i} $
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient $ \mathbf {l} ={\dot {\vec {b}}}_{i}\otimes {\vec {b}}^{i}=-{\vec {b}}_{i}\otimes {\dot {\vec {b}}}^{i} $
Kovarianter Tensor $ \mathbf {T} =T_{ij}{\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {b}}^{j} $
Kontravarianter Tensor $ \mathbf {T} =T^{ij}{\vec {b}}_{i}\otimes {\vec {b}}_{j} $
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:$ \mathbf {l} =\mathrm {grad} ({\vec {v}})={\dot {\mathbf {F} }}\cdot \mathbf {F} ^{-1} $
Divergenz der Geschwindigkeit:$ \mathrm {div} ({\vec {v}})=\mathrm {Sp} (\mathbf {l} ) $
Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor
Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient $ \mathbf {l} ={\dot {\vec {b}}}_{i}\otimes {\vec {b}}^{i}=-{\vec {b}}_{i}\otimes {\dot {\vec {b}}}\,^{i}=\mathbf {d} +\mathbf {w} $
Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit $ \mathbf {d} ={\frac {1}{2}}(\mathbf {l} +\mathbf {l} ^{\top }) $
Wirbel- oder Spintensor $ \mathbf {w} ={\frac {1}{2}}(\mathbf {l} -\mathbf {l} ^{\top }) $
Gegeben:$ {\vec {v}}=v_{i}{\vec {b}}^{i}=v^{i}{\vec {b}}_{i} $:
Gegeben:$ \mathbf {T} =T_{ij}{\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {b}}^{j}=T^{ij}{\vec {b}}_{i}\otimes {\vec {b}}_{j} $
#Kartesische Koordinaten:$ {\frac {\mathrm {D} f}{\mathrm {D} t}}:={\frac {\partial f}{\partial t}}+v_{x}{\frac {\partial f}{\partial x}}+v_{y}{\frac {\partial f}{\partial y}}+v_{z}{\frac {\partial f}{\partial z}} $
#Zylinderkoordinaten:$ {\frac {\mathrm {D} f}{\mathrm {D} t}}:={\frac {\partial f}{\partial t}}+v_{\rho }{\frac {\partial f}{\partial \rho }}+{\frac {v_{\varphi }}{\rho }}{\frac {\partial f}{\partial \varphi }}+v_{z}{\frac {\partial f}{\partial z}} $
#Kugelkoordinaten:$ {\frac {\mathrm {D} f}{\mathrm {D} t}}:={\frac {\partial f}{\partial t}}+v_{r}{\frac {\partial f}{\partial r}}+{\frac {v_{\varphi }}{r\sin(\vartheta )}}{\frac {\partial f}{\partial \varphi }}+{\frac {v_{\vartheta }}{r}}{\frac {\partial f}{\partial \vartheta }} $
Materielle Zeitableitungen von Vektoren werden mittels $ {\tfrac {\mathrm {D} {\vec {f}}}{\mathrm {D} t}}={\tfrac {\mathrm {D} f_{i}}{\mathrm {D} t}}{\hat {e}}_{i} $ daraus zusammengesetzt.