Formelsammlung Tensoranalysis: Unterschied zwischen den Versionen

Formelsammlung Tensoranalysis: Unterschied zwischen den Versionen

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=== Nomenklatur ===
=== Nomenklatur ===


* Operatoren wie „<math>\operatorname{grad}</math>“ werden nicht kursiv geschrieben.
* 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]] <math>\mathbb{V}</math>.
** 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 <math>\hat{e}</math> mit einem Hut versehen.
** 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 <math>\mathbf{T}</math> mit fetten Großbuchstaben notiert.
* 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 <math>t\in\mathbb{R}</math>
* Zeit ''t'' ∈ ℝ
* Variablen: skalar <math>r,s\in\mathbb{R}</math> oder vektorwertig <math>\vec{r},\vec{s}\in\mathbb{V}^{3}</math>
* Variablen: skalar ''r,s'' ∈ ℝ oder vektorwertig <math>\vec{r},\vec{s}\in\mathbb{V}^{3}</math>
* Funktionen:
* 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: <math>\mathbf{T}(\vec{x},t)</math> oder <math>\mathbf{T}(\vec{y},t)</math>
** Tensorwertig: '''S''', '''T'''
* Operatoren:
* Operatoren:
** [[Spur (Mathematik)]]: <math>\operatorname{Sp}</math>
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Spur]]: Sp
** [[Transponierte Matrix]]: <math>\mathbf{T}^\top</math>
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Transposition]]: '''T'''<sup></sup>
** [[Inverse Matrix]]: <math>\mathbf{T}^{-1}</math>
** [[Formelsammlung Tensoralgebra#Inverse]]: '''T'''<sup> -1</sup>
** Transponierte inverse Matrix: <math>\mathbf{T}^{\top-1}</math>
** 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:
** [[Laplace-Operator]]: <math>\Delta</math>
** [[#Nabla-Operator]]: 𝜵
** [[Divergenz eines Vektorfeldes]]: <math>\operatorname{div}</math>
** [[#Gradient]]: grad
** [[Gradient (Mathematik)]]: <math>\operatorname{grad}</math>
** [[#Divergenz]]: div
** [[Rotation eines Vektorfeldes]]: <math>\operatorname{rot}</math>
** [[#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| aufgesetzte Punkt]] steht für die [[Substantielle Ableitung| substantielle Zeitableitung]]
** der Differentialoperator D/Dt und der [[Punkt (Oberzeichen)#Als wissenschaftliches Symbol| Überpunkt]] steht für die [[Substantielle Ableitung| substantielle Zeitableitung]]


=== Kronecker-Delta ===
=== Kronecker-Delta ===
{{Hauptartikel|Kronecker-Delta}}
{{Siehe auch|Kronecker-Delta}}
 
:<math>\delta_{ij}
:<math>\delta_{ij}
=\delta^{ij}
=\delta^{ij}
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\\
\\
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}}


[[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 =\begin{pmatrix}
\hat{e}_{\varphi,\varphi}=-\hat{e}_\rho
-\sin\varphi\\
\cos\varphi\\
0
\end{pmatrix},
\quad
\quad
\hat{e}_z =\begin{pmatrix} 0\\ 0\\ 1\end{pmatrix}.
\hat{e}_{z,\varphi}=\vec0
</math>
</math>


[[Kugelkoordinaten]]:
[[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},
\qquad
\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},
\qquad
\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}=\operatorname{grad}(y_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>


== Ableitungen nach dem Ort ==
== Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen ==
=== Gâteaux-Differential ===
=== Gâteaux-Differential ===
{{Hauptartikel|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>\,\mathrm{D}(f{\circ}g)(x)[h]
:<math>\mathrm{D}f\big(g(x)\big)[h]
=\,\mathrm{D}f(g)[Dg(x)[h]]</math>
=\mathrm{D}f(g)[Dg(x)[h]]</math>


=== Fréchet-Ableitung ===
=== Fréchet-Ableitung ===
{{Hauptartikel|Fréchet-Ableitung}}
{{Siehe auch|Fréchet-Ableitung}}


Existiert ein beschränkter linearer Operator <math>\mathcal{A}</math>, so dass
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>.


=== Nabla Operator ===
=== Ableitung von Potenzen eines Tensors ===
{{Hauptartikel|Nabla-Operator}}


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>&nbsp;&nbsp;&nbsp; mit&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\vec{b}^{j}
=\vec{b}^{j}\frac{\partial}{\partial y_j}</math>&nbsp;&nbsp;&nbsp; mit&nbsp;&nbsp;&nbsp; <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 ===
{{Hauptartikel|Gradient (Mathematik)}}
{{Siehe auch|Gradient (Mathematik)}}


Skalarfeld <math>f</math> :
==== Definition des Gradienten/Allgemeines ====
:<math>\operatorname{grad}(f)
Definierende Eigenschaft bei skalar- oder vektorwertiger Funktion ''f'':<ref name="hbphys">Truesdell (1972), S. 10 ff.</ref>
=\nabla f
 
=\frac{\partial f}{\partial x_i}\hat{e}_i
:<math>f(\vec y)-f(\vec x)=\mathrm{grad}(f)\cdot(\vec y-\vec x)
= f_{,i}\hat{e}_i
+\mathcal{O}(|\vec y-\vec x|)
</math>
</math> wenn <math>\vec y\to\vec x</math>


Vektorfeld <math>\vec{f}=f_i\hat{e}_i</math>:<ref name="altenbach">In der Literatur (z.&nbsp;B. Altenbach 2012) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:<br /> <math>\tilde{\operatorname{grad}}(\vec{f})
Wenn der Gradient existiert, ist er eindeutig. Berechnung bei skalar- oder vektorwertiger Funktion ''f'':
=\nabla\otimes\vec{f}
=\hat{e}_i\otimes\frac{\partial\vec{f}}{\partial x_i}
=\frac{\partial f_j}{\partial x_i}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j
=\operatorname{grad}(\vec{f})^\top
</math> <br />Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, <math>\tilde{\operatorname{grad}}(\vec{f})</math> und <math>\operatorname{grad}(\vec{f})^\top</math> vertauscht werden.</ref>
:<math>\operatorname{grad}(\vec{f})
=(\nabla\otimes\vec{f})^\top
=\frac{\partial\vec{f}}{\partial x_j}\otimes\hat{e}_j
=\frac{\partial f_i}{\partial x_j}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j
= f_{i,j}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j
</math>
:<math>\operatorname{grad}(\vec{x}) =\mathbf{I}</math>


Skalar- oder vektorwertige Funktion f:
:<math>\mathrm{grad}(f)\cdot\vec{h}
:<math>\operatorname{grad}(f)\cdot\vec{h}
=\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>


[[Zylinderkoordinaten]]:
[[Gradient (Mathematik)#Integrabilitätsbedingung|Integrabilitätsbedingung]]: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines [[Skalarpotential]]s:
:<math>\operatorname{grad}(f)
=\frac{\partial f}{\partial\rho}\hat{e}_{\rho}
+\frac{1}{\rho}\frac{\partial f}{\partial\varphi}\hat{e}_{\varphi}
+\frac{\partial f}{\partial z}\hat{e}_{z}</math>
 
:<math>
\operatorname{grad}(\vec f)
=\hat{e}_\rho\otimes\operatorname{grad}(f_\rho)
+\frac{f_\rho}{\rho}\hat{e}_\varphi\otimes\hat{e}_\varphi
+\hat{e}_\varphi\otimes\operatorname{grad}(f_\varphi)
-\frac{f_\varphi}{\rho}\hat{e}_\rho\otimes\hat{e}_\varphi
+\hat{e}_z\otimes\operatorname{grad}(f_z)
</math>
 
[[Kugelkoordinaten]]:
:<math>\operatorname{grad}(f)
=\frac{{\partial f}}{{\partial r}}\hat{e}_{r}
+\frac{1}{r}\frac{{\partial f}}{{\partial\vartheta}}\hat{e}_{\vartheta}
+\frac{1}{{r\sin\vartheta}}\frac{{\partial f}}{{\partial\varphi}}
\hat{e}_{\varphi}</math>
 
:<math>\begin{array}{rcl}
\operatorname{grad}(\vec f)
&=&
\hat{e}_r\otimes\operatorname{grad}(f_r)
+\frac{f_r}{r}\mathbf{I}-\frac{f_r}{r}\hat{e}_r\otimes\hat{e}_r
+\hat{e}_\vartheta\otimes\operatorname{grad}(f_\vartheta)
+\frac{f_\vartheta}{r\tan\vartheta}\hat{e}_\varphi\otimes\hat{e}_\varphi
-\frac{f_\vartheta}{r}\hat{e}_r\otimes\hat{e}_\vartheta
\\&&
+\hat{e}_\varphi\otimes\operatorname{grad}(f_\varphi)
-\frac{f_\varphi}{r\tan\vartheta}\hat{e}_\vartheta\otimes\hat{e}_\varphi
-\frac{f_\varphi}{r}\hat{e}_r\otimes\hat{e}_\varphi
\end{array}</math>


[[Gradient (Mathematik)#Integrabilitätsbedingung|Integrabilitätsbedingung]]: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines [[Skalarpotential]]s:
:<math>\mathrm{rot}(\vec{f})=\vec{0}
:<math>\operatorname{rot}(\vec{f})=\vec{0}
\quad\rightarrow\quad
\quad\rightarrow\quad
\exists g\colon\vec{f}=\operatorname{grad}(g)
\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.&nbsp;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:
:<math>\operatorname{grad}(f) =\operatorname{div}(f\mathbf{I})</math>


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}
\operatorname{grad}(f g) &=&\displaystyle
\mathrm{grad}(f g) &=&
\hat{e}_i f_{,i} g + f\hat{e}_i g_{,i}
(f_{,i} g + f g_{,i})\hat{e}_i
&=&\operatorname{grad}(f) g + f\operatorname{grad}(g)
&=&\mathrm{grad}(f) g + f\mathrm{grad}(g)
\\
\\
\operatorname{grad}(f\vec{g}) &=&\displaystyle
\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\operatorname{grad}(f) + f\operatorname{grad}(\vec{g})
&=&\vec{g}\otimes\mathrm{grad}(f) + f\mathrm{grad}(\vec{g})
\\
\\
\operatorname{grad}(\vec{f}\cdot\vec{g}) &=&\displaystyle
\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
&=&\operatorname{grad}(\vec{f})^\top\cdot\vec{g}
&=&
+\operatorname{grad}(\vec{g})^\top\cdot\vec{f}
\vec{g}\cdot\mathrm{grad}(\vec{f})+\vec{f}\cdot\mathrm{grad}(\vec{g})
\\
\\
\operatorname{grad}(\vec{f}\times\vec{g}) &=&\displaystyle
\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{g}\times\operatorname{grad}(\vec{f}) +\vec{f}\times\operatorname{grad}(\vec{g})
&=&
\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>\operatorname{grad}(f_i\vec{b}_i )
:<math>\mathrm{grad}(f_i\vec{b}_i )
=\vec{b}_i\otimes\operatorname{grad}(f_i )+f_i\,\operatorname{grad}(\vec{b}_i )</math>
=\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> :


Produkt mit Konstanten:
:<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>


:<math>\operatorname{grad}(cf)
Klassische Definition für ein Tensorfeld '''T''':<ref name="hbphys"/>
=c\,\operatorname{grad}(f)</math>


:<math>\operatorname{grad}(f\vec{c})
:<math>\mathrm{div}(\mathbf{T})\cdot\vec c
=\vec{c}\otimes\operatorname{grad}(f)</math>
=\mathrm{div}\left(\mathbf{T}^\top\cdot\vec c\right)
\quad\forall\vec c\in\mathbb V</math>


:<math>\operatorname{grad}(c\vec{f})
:<math>\mathrm{div}(\mathbf{T})=\nabla\cdot\left(\mathbf{T}^\top\right)</math>
=c\,\operatorname{grad}(\vec{f})</math>


:<math>\operatorname{grad}(\vec{c}\cdot\vec{f})
Koordinatenfreie Darstellung:
=\operatorname{grad}{(\vec{f})}^\top\cdot\vec{c}</math>
* 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})
\operatorname{grad}(\vec{c}\times\vec{f}) =\vec{c}\times\operatorname{grad}(\vec{f})
=\lim_{v\to 0}\left(\frac{1}{v}
=
\int_{a}\vec{f}\;\cdot\mathrm{d}\vec{a}\right)</math>
-\operatorname{grad}(\vec{f}\times\vec{c})
</math>


:<math>\operatorname{grad}(\mathbf{C}\cdot\vec{f})
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
=\mathbf{C}\cdot\operatorname{grad}(\vec{f})</math>


=== Divergenz ===
:<math>\begin{array}{lcccl}
{{Hauptartikel|Divergenz eines Vektorfeldes}}
\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>


Vektorfeld <math>\vec{f}=f_i\hat{e}_i</math> :
==== Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen ====


:<math>\operatorname{div}(\vec{f})
[[#Kartesische Koordinaten]]:
=\nabla\cdot\vec{f}
=\frac{\partial\vec{f}}{\partial x_i}\cdot\hat{e}_i
=\frac{\partial f_i}{\partial x_i}
=\operatorname{Sp}(\operatorname{grad}(\vec{f}))</math>


:<math>\operatorname{div}\vec x=3</math>
:<math>\mathrm{div}(\vec{f})=\vec{f}_{,i}\cdot\hat{e}_i=f_{i,i}</math>


Tensorfeld <math>\mathbf{T}
:<math>
=T_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j</math>:<ref name="truesdell1">In der Literatur (z.&nbsp;B. Truesdell 1972) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:<br /> <math>\tilde{\operatorname{div}}(\mathbf{T})
\mathrm{div}(\mathbf{T})=\mathbf{T}_{,i}\cdot\hat{e}_i=T_{ij,j}\hat{e}_i
=\mathbf{T}\cdot\nabla
</math>
=\frac{\partial\mathbf{T}}{\partial x_k}\cdot\hat{e}_k
=T_{ik,k}\hat{e}_i
=\operatorname{div}(\mathbf{T}^\top)
</math> <br />Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, <math>\tilde{\operatorname{div}}(\mathbf{T})</math> und <math>\operatorname{div}(\mathbf{T}^\top)</math> vertauscht werden. </ref>


:<math>\operatorname{div}(\mathbf{T})
:<math>\nabla\cdot\mathbf{T}=\hat{e}_i\cdot\mathbf{T}_{,i}=T_{ij,i}\hat{e}_j
=\nabla\cdot\mathbf{T}
=T_{ji,j}\hat{e}_i
=\hat{e}_i\cdot\frac{\partial\mathbf{T}}{\partial x_i}
</math>
=\frac{\partial T_{ij}}{\partial x_i}\hat{e}_j</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}
\operatorname{div}(\vec{f})
\mathrm{div}(\mathbf{T})
=&\frac{1}{\rho}\frac{\partial}{\partial\rho} (\rho f_\rho)
+\frac 1\rho\frac{\partial f_\varphi}{\partial\varphi}
+\frac{\partial f_z}{\partial z}
\\
\operatorname{div}(\mathbf{T})
=&
=&
\left(T_{\rho\rho,\rho}  
\left(T_{\rho\rho,\rho}
+\frac{1}{\rho}(T_{\varphi\rho,\varphi}+T_{\rho\rho}-T_{\varphi\varphi})
+\frac{1}{\rho}(T_{\rho\varphi,\varphi}+T_{\rho\rho}-T_{\varphi\varphi})
+T_{z\rho,z}\right)\hat{e}_\rho  
+T_{\rho z,z}\right)\hat{e}_\rho  
\\&
\\&
+\left(T_{\rho\varphi,\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_{z\varphi,z}\right)\hat{e}_\varphi
+T_{\varphi z,z}\right)\hat{e}_\varphi
\\&
\\&
+\left(T_{\rho z,\rho}
+\left(T_{z\rho,\rho}
+\frac{1}{\rho}(T_{\varphi z,\varphi}+T_{\rho z})
+\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}
\operatorname{div}(\vec{f})
\mathrm{div}(\vec{f})
=&\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r} (r^2 f_r)
=&
+\frac{1}{r\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta}
f_{r,r}+\frac{2f_r+f_{\vartheta,\vartheta}}{r}
( f_\vartheta\sin\vartheta)
+\frac{f_\vartheta\cos(\vartheta)+f_{\varphi,\varphi}}{r\sin(\vartheta)}
+\frac{1}{r\sin\vartheta}
\frac{\partial f_\varphi}{\partial\varphi}
\\
\\
\operatorname{div}(\mathbf{T})
\mathrm{div}(\mathbf{T})
=&
=&
\left(\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}(r^2T_{rr})
\left(
+\frac{1}{r\sin\vartheta}T_{\varphi r,\varphi}
T_{rr,r}+\frac{2T_{rr}-T_{\vartheta\vartheta}-T_{\varphi\varphi}
+\frac{1}{r\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta}(T_{\vartheta r}\sin\vartheta)
+T_{r\vartheta,\vartheta}}{r}
-\frac{1}{r}(T_{\vartheta\vartheta}+T_{\varphi\varphi})\right)
+\frac{T_{r\varphi,\varphi}+T_{r\vartheta}\cos(\vartheta)}{r\sin(\vartheta)}
\hat{e}_r
\right)\hat{e}_r
\\&
\\&
+\left(
\left(
\frac{1}{r^3}\frac{\partial}{\partial r}(r^3T_{r\vartheta})
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)}
+\frac{1}{r\sin\vartheta}T_{\varphi\vartheta,\varphi}
+\frac{1}{r\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta}(T_{\vartheta\vartheta}\sin\vartheta)
+\frac{1}{r}(T_{\vartheta r}-T_{r\vartheta}-T_{\varphi\varphi}\cot\vartheta)
\right)\hat{e}_\vartheta
\right)\hat{e}_\vartheta
\\&
\\&
+\left(
\left(
\frac{1}{r^3}\frac{\partial}{\partial r}(r^3T_{r\varphi})
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)}
+\frac{1}{r\sin\vartheta}T_{\varphi\varphi,\varphi}
\right)\hat{e}_\varphi
+\frac{1}{r\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta}(T_{\vartheta\varphi}\sin\vartheta)
+\frac{1}{r}(T_{\varphi r}-T_{r\varphi}+T_{\varphi\vartheta}\cot\vartheta)
\right)
\hat{e}_\varphi
\end{align}</math>
\end{align}</math>


Koordinatenfreie Darstellung:
<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>''.
* Volumen <math>v</math> mit
 
* Oberfläche <math>a</math> mit [[Oberflächenintegral|äußerem vektoriellem Oberflächenelement]] <math>\mathrm{d}\vec{a}</math>
==== Produktregel für Divergenzen ====


:<math>\operatorname{div}(\vec{f})
:<math>
=\lim_{v\to 0}\left(\frac{1}{v}
\mathrm{div}(f\vec{g})
\int_{a}\vec{f}\;\cdot\mathrm{d}\vec{a}\right)\,.</math>
=\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>


Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
:<math>\begin{align}
:<math>\begin{array}{rcl}
\mathrm{div}(\vec{f}\otimes\vec{g})=&
\operatorname{div}(\vec{f}) &=&\operatorname{Sp(grad}(\vec{f}))
\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}
\\
\\
\operatorname{div}(f\mathbf{I})&=&\operatorname{grad}(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})
\\
\\
\operatorname{div}(f_i\hat{e}_i) &=&\operatorname{grad}(f_i)\cdot\hat{e}_i
\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})
\\
\\
\operatorname{div}(\vec{f}\times\hat{e}_i) &=&\operatorname{rot}(f)\cdot\hat{e}_i
\mathrm{div}(\vec{f}\times\mathbf{T})=&
\end{array}</math>
(\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>


Produktregel:
:<math>\begin{align}
 
\nabla\cdot(\vec{f}\otimes\vec{g})
:<math>\begin{array}{rclcl}
=&
\operatorname{div}(f\vec{g}) &=&\displaystyle
\hat{e}_i\cdot\left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g}
\hat{e}_i\cdot\left(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i}\right)
+\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right)
&=&\operatorname{grad}(f)\cdot\vec{g} + f\operatorname{div}(\vec{g})
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&
(\nabla\cdot\vec{f})\vec{g}+(\nabla\otimes\vec{g})^\top\cdot\vec{f}
\\
\\
\operatorname{div}(f\mathbf{T}) &=&  
\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})
&=&\operatorname{grad}(f)\cdot\mathbf{T} + f\operatorname{div}(\mathbf{T})
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&(\nabla f)\cdot\mathbf{T} + f\nabla\cdot\mathbf{T}
\\
\\
\operatorname{div}(\mathbf{T}\cdot\vec{f}) &=&\displaystyle
\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})
\\
\\
&=&\operatorname{div}(\mathbf{T})\cdot\vec{f}
\nabla\cdot(\mathbf{T}\times\vec{f}) =&
+\operatorname{Sp}\left(\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,i}\otimes\hat{e}_i\right)
&=&\operatorname{div}(\mathbf{T})\cdot\vec{f}
+\mathbf{T}^\top:\operatorname{grad}(\vec{f})
\\
\operatorname{div}(\vec{f}\otimes\vec{g}) &=&\displaystyle
\hat{e}_i\cdot\left(\vec{f}_{,i}\otimes\vec{g}
+\vec{f}\otimes\vec{g}_{,i}\right)
&=&\operatorname{div}(\vec{f})\vec{g} +\operatorname{grad}(\vec{g})\cdot\vec{f}
\\
\operatorname{div}(\vec{f}\times\vec{g}) &=&\displaystyle
\hat{e}_i\cdot\left(\vec{f}_{,i}\times\vec{g}
+\vec{f}\times\vec{g}_{,i}\right)
&=&\vec{g}\cdot\operatorname{rot}(\vec{f}) -\vec{f}\cdot\operatorname{rot}(\vec{g})
\\
\operatorname{div}(\mathbf{T}\times\vec{f}) &=&\displaystyle
\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}
(\hat{e}_i\cdot\mathbf{T}_{,i})\times\vec{f}
-\vec{\mathrm i}\left((\nabla\otimes\vec{f})^\top\cdot\mathbf{T}\right)
+\mathbf{I}\cdot\!\!\times(\mathbf{T}^\top\cdot\hat{e}_i\otimes\vec{f}_{,i})
\end{align}</math>
&=&
\operatorname{div}(\mathbf{T})\times\vec{f}
-\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\!\!\times\mathbf{T}
\end{array}</math>


Beliebige Basis:
Beliebige Basis:


:<math>\operatorname{div}(f_i\vec{b}_i )
:<math>\mathrm{div}(f_i\vec{b}_i )=\nabla\cdot(f_i\vec{b}_i )
=\operatorname{grad}(f_i )\cdot\vec{b}_i +f_i\,\operatorname{div}(\vec{b}_i )</math>
=\mathrm{grad}(f_i )\cdot\vec{b}_i +f_i\,\mathrm{div}(\vec{b}_i )</math>


:<math>\operatorname{div}(T^{ij}\vec{b}_i\otimes\vec{b}_j )
:<math>\mathrm{div}(T^{ij}\vec{b}_i\otimes\vec{b}_j )
=(\operatorname{grad}(T^{ij})\cdot\vec{b}_i )\vec{b}_j +T^{ij}\,\operatorname{div}(\vec{b}_i )\vec{b}_j +T^{ij}\,\operatorname{grad}(\vec{b}_j )\cdot\vec{b}_i</math>
=(\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>\operatorname{div}(c\vec{f})
:<math>\mathrm{div}(f\mathbf{C})
=c\,\operatorname{div}(\vec{f})</math>
=\mathbf{C}\cdot\mathrm{grad}(f)
\quad\rightarrow\quad
\mathrm{div}(f\mathbf1)=\mathrm{grad}(f)
</math>


:<math>\operatorname{div}(f\vec{c})
:<math>\nabla\cdot(f\mathbf{C})
=\operatorname{grad}(f)\cdot\vec{c}</math>
=\mathrm{grad}(f)\cdot\mathbf{C}
 
:<math>\operatorname{div}(c\mathbf{T})
=c\,\operatorname{div}(\mathbf{T})</math>
 
:<math>\operatorname{div}(f\mathbf{C})
=\operatorname{grad}(f)\cdot\mathbf{C}
\quad\rightarrow\quad
\quad\rightarrow\quad
\operatorname{div}(f\mathbf{I})=\operatorname{grad}(f)
\nabla\cdot(f\mathbf1)=\nabla f
</math>
</math>


:<math>\operatorname{div}(\mathbf{C}\cdot\vec{f})
:<math>\begin{align}
=\mathbf{C}^\top:\operatorname{grad}(\vec{f})
\mathrm{div}(\mathbf{C}\cdot\vec{f})
=\mathbf{C}^\top:\mathrm{grad}(\vec{f})
\quad\rightarrow\quad
\quad\rightarrow\quad
\operatorname{div}(\mathbf{I}\cdot\vec{f})
\mathrm{div}(\vec{f})
=\operatorname{div}(\vec{f})
=&\mathrm{div}(\mathbf1\cdot\vec{f})
=\mathbf{I}:\operatorname{grad}(\vec{f})
=\mathbf1:\mathrm{grad}(\vec{f})
=\operatorname{Sp}(\operatorname{grad}(\vec{f}))
\\=&\mathrm{Sp}(\mathrm{grad}(\vec{f}))
</math>
\end{align}</math>
 
=== Rotation ===
{{Siehe auch|Rotation eines Vektorfeldes}}
 
==== Definition der Rotation/Allgemeines ====


:<math>\operatorname{div}(\mathbf{T}\cdot\vec{c})
Vektorfeld <math>\vec{f}</math> :
=\operatorname{div}(\mathbf{T})\cdot\vec{c}</math>


:<math>\operatorname{div}(\vec{c}\otimes\vec{f})
:<math>\mathrm{rot}(\vec{f})=\nabla\times\vec{f}</math>
=\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{c}</math>


:<math>\operatorname{div}(\vec{f}\otimes\vec{c})
Klassische Definition für ein Tensorfeld '''T''':<ref name="hbphys"/>
=\operatorname{div}(\vec{f})\vec{c}</math>


=== Rotation ===
:<math>\mathrm{rot}(\mathbf{T})\cdot\vec c
{{Hauptartikel|Rotation eines Vektorfeldes}}
=\mathrm{rot}\left(\mathbf{T}^\top\cdot\vec c\right)
\quad\forall\vec c\in\mathbb V</math>


Vektorfeld <math>\vec{f}=f_i\hat{e}_i</math> :
:<math>\mathrm{rot}(\mathbf{T})=\nabla\times\left(\mathbf{T}^\top\right)</math>
:<math>
\operatorname{rot}(\vec{f})
=\nabla\times\vec{f}
=\frac{\partial f_j}{\partial x_i}\hat{e}_i\times\hat{e}_j
=\varepsilon_{ijk}\frac{\partial f_j}{\partial x_i}\hat{e}_k
=\left(\frac{\partial f_{3}}{\partial x_{2}}
-\frac{\partial f_{2}}{\partial x_{3}}\right)\hat{e}_{1}
+\left(\frac{\partial f_{1}}{\partial x_{3}}
-\frac{\partial f_{3}}{\partial x_{1}}\right)\hat{e}_{2}
+\left(\frac{\partial f_{2}}{\partial x_{1}}
-\frac{\partial f_{1}}{\partial x_{2}}\right)\hat{e}_{3}
</math>


:<math>\operatorname{rot}\vec x =\vec 0</math>
Allgemeine Identitäten:


Tensorfeld <math>\mathbf{T}=T_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j</math>:<ref name="truesdell2">In der Literatur (z.&nbsp;B. Truesdell 1972) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:<br /> <math>\tilde{\operatorname{rot}}(\mathbf{T})
:<math>\mathbf{T=T}^\top
=\nabla\times\mathbf{T}^\top
\quad\rightarrow\quad
=\hat{e}_k\times\frac{\partial\mathbf{T}^\top}{\partial x_k}
\mathrm{Sp\big(rot}(\mathbf{T})\big)
=\hat{e}_k\times T_{ij,k}\hat{e}_j\otimes\hat{e}_i
=\mathrm{Sp}(\nabla\times\mathbf{T})
=\operatorname{rot}(\mathbf{T}^\top)
=0</math>
</math> <br />Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, <math>\tilde{\operatorname{rot}}(\mathbf{T})</math> und <math>\operatorname{rot}(\mathbf{T}^\top)</math> vertauscht werden. </ref>
:<math>\operatorname{rot}(\mathbf{T})
=\nabla\times\mathbf{T}
=\hat{e}_i\times\frac{\partial\mathbf{T}}{\partial x_i}
=\hat{e}_i\times T_{jl,i}\hat{e}_j\otimes\hat{e}_l
=\varepsilon_{ijk} T_{jl,i}\hat{e}_k\otimes\hat{e}_l
</math>
:<math>\mathbf{T=T}^\top\quad\rightarrow\quad\operatorname{Sp(rot}(\mathbf{T}))=0</math>


[[Zylinderkoordinaten]]:
:<math>\mathrm{rot}(\vec x)=\vec0</math>
: <math>
\operatorname{rot}\vec{f} =  
\left[\frac{1}{\rho}\frac{\partial f_z}{\partial\varphi}
-\frac{\partial f_\varphi}{\partial z}
\right]\hat{e}_\rho
+\left [
\frac{\partial f_\rho}{\partial z} -\frac{\partial f_z}{\partial\rho}
\right ]\hat{e}_\varphi
+
\frac{1}{\rho}\left[
\frac\partial {\partial\rho}\left(\rho\, f_\varphi\right)
-\frac{\partial f_\rho}{\partial\varphi}\right]\hat{e}_z
</math>


[[Kugelkoordinaten]]:
Integrabilitätsbedingung<ref>R. Greve (2003), S. 111.</ref>: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:
: <math>
\operatorname{rot}(\vec{f})
=
\frac{1}{r\sin\vartheta}\left[\frac{\partial}{\partial\vartheta}
\left( f_\varphi\sin\vartheta\right)
-\frac{\partial f_\vartheta}{\partial\varphi}
\right]\hat{e}_r
+
\left [\frac{1}{r\sin\vartheta}\frac{\partial f_r}{\partial\varphi}
-\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\left( r f_\varphi\right)
\right]\hat{e}_\vartheta
+
\frac{1}{r}\left[\frac{\partial}{\partial r}
\left( r f_\vartheta\right)
-\frac{\partial f_r}{\partial\vartheta}\right]\hat{e}_\varphi
</math>


Integrabilitätsbedingung<ref>R. Greve (2003), S. 111 </ref>: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:
:<math>\mathrm{div}(\vec{f})=0
:<math>\operatorname{div}(\vec{f})=0
\quad\rightarrow\quad
\quad\rightarrow\quad
\exists\vec{g}\colon\vec{f}=\operatorname{rot}(\vec{g})
\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{array}{rcl}
 
\operatorname{rot}(f\vec{c}) &=&\operatorname{grad}(f)\times\vec{c}
:<math>\begin{align}
\mathrm{rot}(f\vec{c})=&\mathrm{grad}(f)\times\vec{c}
\\
\\
\operatorname{rot}(\vec{f}) &=& -\mathbf{I}\cdot\!\!\times\operatorname{grad}(\vec{f})
\mathrm{rot}(\vec{f})
\end{array}</math>
=&-\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 ====


Produktregel:
:<math>\begin{align}
:<math>\begin{array}{rcl}
\mathrm{rot}(f\vec{g})
\operatorname{rot}(f\vec{g})
=&
&=&\displaystyle
\hat{e}_i\times(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i})
\hat{e}_i\times(f_{,i}\vec{g}+f\vec{g}_{,i})
=
=
\operatorname{grad}(f)\times\vec{g} + f\operatorname{rot}(\vec{g})
\mathrm{grad}(f)\times\vec{g} + f\mathrm{rot}(\vec{g})
\\
\\
\operatorname{rot}(\vec{f}\times\vec{g})
\mathrm{rot}(\vec{f}\times\vec{g})
&=&\displaystyle
=&
\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}
\\
\\
&=&\displaystyle
=&
\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{g}
\mathrm{grad}(\vec{f})\cdot\vec{g}-\mathrm{div}(\vec{f})\vec{g}
-\operatorname{div}(\vec{f})\vec{g}
+\mathrm{div}(\vec{g})\vec{f}-\mathrm{grad}(\vec{g})\cdot\vec{f}
+\operatorname{div}(\vec{g})\vec{f}
-\operatorname{grad}(\vec{g})\cdot\vec{f}
\\
\\
&=&\displaystyle
=&
\operatorname{div}(\vec{g}\otimes\vec{f})-\operatorname{div}(\vec{f}\otimes\vec{g})
\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
\\
\\
\operatorname{rot}(\vec{f}\otimes\vec{g}) &=&\displaystyle
\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)
=
\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&
\operatorname{rot}(\vec{f})\otimes\vec{g}-\vec{f}\times\operatorname{grad}(\vec{g})^\top
(\nabla\times\vec{f})\otimes\vec{g}-\vec{f}\times(\nabla\otimes(\vec{g})
\\
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{T}\cdot\vec{f})
\nabla\times(f\mathbf{T})
&=&\displaystyle
=&
\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\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_i\cdot\vec{f}_{,k})
+\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k})
=
\\=&
\operatorname{rot}(\mathbf{T})\cdot\vec{f}
(\nabla\times\mathbf{T})\cdot\vec{f}
-\left(\hat{e}_i\cdot\vec{f}_{,k}\right)
+\vec{\mathrm i}\left(\hat{e}_k\otimes\mathbf{T}\cdot\vec{f}_{,k}\right)
(\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\times\hat{e}_k
\\=&
(\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})
\operatorname{rot}(\mathbf{T})\cdot\vec{f}
=&
-\mathbf{T}\cdot\!\!\times\operatorname{grad}(\vec{f})
\\
\operatorname{rot}(f\mathbf{T})
&=&\displaystyle
\hat{e}_k\times(f_{,k}\mathbf{T} + f\mathbf{T}_{,k})
=\operatorname{grad}(f)\times\mathbf{T} + f\operatorname{rot}(\mathbf{T})
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{T}\times\vec{f})
&=&\displaystyle
\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})
=\operatorname{rot}(\mathbf{T})\times\vec{f}
\\=&
-\hat{e}_k\times(\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\otimes
(\nabla\times\mathbf{T})\times\vec{f}
\vec{f}_{,k}\times\hat{e}_i
-(\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\times\hat{e}_k\otimes\hat{e}_i\times\vec{f}_{,k}
\\
\\
&=&
=&
\operatorname{rot}(\mathbf{T})\times\vec{f}
(\nabla\times\mathbf{T})\times\vec{f}
-\operatorname{grad}(\vec{f})\times\!\!\times\mathbf{T}
-\mathbf{T}\#(\nabla\otimes\vec{f})
\\
\end{align}</math>
\operatorname{rot}(\vec{f}\times\mathbf{C})
&=&\displaystyle
\hat{e}_k\times\left(\vec{f}_{,k}\times(\mathbf{C}\cdot\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_i\right)
=
(\hat{e}_k\cdot\mathbf{C}\cdot\hat{e}_i)\vec{f}_{,k}\otimes\hat{e}_i
-\left(\hat{e}_k\cdot\vec{f}_{,k}\right)\mathbf{C}\cdot\hat{e}_i\otimes\hat{e}_i
\\
&=&
\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\mathbf{C} -\operatorname{div}(\vec{f})\mathbf{C}
\end{array}</math>


Beliebige Basis:
Beliebige Basis:


:<math>\operatorname{rot}(f^{i}\vec{b}_i )
:<math>\mathrm{rot}(f^{i}\vec{b}_i )
=\operatorname{grad}(f^{i})\times\vec{b}_i +f^{i}\,\operatorname{rot}(\vec{b}_i )</math>
=\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}
\operatorname{rot}(c\vec{f})
\mathrm{rot}(\mathbf{C}\cdot\vec{f})
&=&\displaystyle c\,\operatorname{rot}(\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)
\\
\\
\operatorname{rot}(f\vec{c})
\mathrm{rot}(\vec{f}\times\mathbf1)
&=&\displaystyle\operatorname{grad}(f)\times\vec{c}
&=&\mathbf1\#\mathrm{grad}(\vec{f})^\top
\\
=\mathrm{grad}(\vec{f}) -\mathrm{div}(\vec{f})\mathbf1
\operatorname{rot}(\vec{c}\times\vec{f})
&=&\displaystyle -\operatorname{rot}(\vec{f}\times\vec{c})
=\operatorname{div}(\vec{f})\vec{c} -\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{c}
=\operatorname{div}(\vec{f}\otimes\vec{c})
-\operatorname{div}(\vec{c}\otimes\vec{f})
\\
\operatorname{rot}(\vec{c}\otimes\vec{f})
&=&\displaystyle -\vec{c}\times\operatorname{grad}(\vec{f})^\top
\\
\operatorname{rot}(\vec{f}\otimes\vec{c}) &=&\displaystyle
\operatorname{rot}(\vec{f})\otimes\vec{c}
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{C}\cdot\vec{f})
&=&\displaystyle
-\mathbf{C}\cdot\!\!\times\operatorname{grad}(\vec{f})
\quad\rightarrow\quad
\operatorname{rot}(\vec{f})
=\operatorname{rot}(\mathbf{I}\cdot\vec{f})
= -\mathbf{I}\cdot\!\!\times\operatorname{grad}(\vec{f})
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{T}\cdot\vec{c})
&=&\displaystyle
\operatorname{rot}(\mathbf{T})\cdot\vec{c}
\\
\operatorname{rot}(c\mathbf{T})&=& c\operatorname{rot}(\mathbf{T})
\\
\operatorname{rot}(f\mathbf{C})&=&\operatorname{grad}(f)\times\mathbf{C}
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{C}\times\vec{f}) &=&
-\operatorname{grad}(\vec{f})\times\!\!\times\mathbf{C}
\\
\operatorname{rot}(\mathbf{T}\times\vec{c}) &=&
\operatorname{rot}(\mathbf{T})\times\vec{c}
\\
\operatorname{rot}(\vec{f}\times\mathbf{I})
&=&\operatorname{grad}(\vec{f}) -\operatorname{div}(\vec{f})\mathbf{I}
\end{array}</math>
\end{array}</math>


==== Satz über rotationsfreie Felder ====
In divergenzfreien Feldern ist also: <math>\mathrm{rot}(\vec{f}\times\mathbf1)=\mathrm{grad}(\vec{f})</math>
{{Hauptartikel|Poincaré-Lemma}}


:<math>\begin{array}{rrcll}
=== Laplace-Operator ===
\textsf{I}:&\operatorname{rot}(\vec{u}):=\hat{e}_k\times\vec{u}_{,k}=\vec{0}&\rightarrow&\exists f\colon&\vec{u}=\operatorname{grad}(f)
{{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)
\\
\\
\textsf{II}: &\operatorname{rot}(\mathbf{T}^\top)=\mathbf{0}
\Delta\vec{f}
&\rightarrow&\exists\vec{u}\colon&\mathbf{T}
&=&\mathrm{div\big(grad}(\vec{f})\big)&=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f})
=\operatorname{grad}(\vec{u})
\\
\textsf{III}: &\operatorname{rot}(\mathbf{T}^\top)=\mathbf{0}\wedge\operatorname{Sp}(\mathbf{T})
= 0&\rightarrow&\exists\mathbf{W}\colon&\mathbf{T} =\operatorname{rot}(\mathbf{W})
\,\wedge\;
\mathbf{W} = -\mathbf{W}^\top
\end{array}</math>
\end{array}</math>


=== Laplace-Operator ===
„Vektorieller Laplace-Operator“:
{{Hauptartikel|Laplace-Operator}}
:<math>
:<math>\Delta:=\nabla\cdot\nabla =\nabla^2</math>
\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]]:


Kartesische Koordinaten:
:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
\Delta f=&\frac{{\partial f}^{2}}{\partial x_{1}^{2}}
\Delta f=&f_{,kk}
+\frac{{\partial f}^{2}}{\partial x_{2}^{2}}
+\frac{{\partial f}^{2}}{\partial x_{3}^{2}}
= f_{,kk}
\\
\\
\Delta\vec{f} =&\nabla^2\vec{f} = (\nabla\cdot\nabla)\vec{f}=\Delta f_i\hat{e}_i
\Delta\vec{f}=&\Delta f_i\hat{e}_i=f_{i,kk}\hat{e}_i
= f_{i,kk}\hat{e}_i
\\
\\
\Delta\mathbf{T} =&\nabla^2\mathbf{T} = (\nabla\cdot\nabla)\mathbf{T}
\Delta\mathbf{T}=&\Delta T_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j
=\Delta T_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j= T_{ij,kk}\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{1}{\rho}\frac{\partial}{\partial\rho}
\Delta f
\left(\rho\,\frac{\partial f}{\partial\rho}\right) +
=&
\frac{1}{\rho^2}\frac{\partial^2 f}{\partial\phi^2} +
\frac{f_{,\rho}}{\rho}+f_{,\rho\rho}+\frac{f_{,\varphi\varphi}}{\rho^2}+f_{,zz}
\frac{\partial^2 f}{\partial z^2}
\\
\\
\Delta\vec f
\Delta\vec f
=&
=&
\left(\Delta f_\rho-\frac{1}{\rho^2}f_\rho-\frac{2}{\rho^2}f_{\varphi,\varphi}\right)\hat{e}_\rho
\left(\Delta f_\rho-\frac{2f_{\varphi,\varphi}+f_\rho}{\rho^2}
+\left(\Delta f_\varphi-\frac{1}{\rho^2} f_\varphi
\right)\hat{e}_\rho
+\frac{2}{\rho^2}f_{\rho,\varphi}\right)\hat{e}_\varphi
+\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\phi^2}
\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 f_r-\frac{2}{r^2}f_r-\frac{2}{r^2\sin\vartheta}f_{\varphi,\varphi}
\left(\Delta f_{r}-\frac{2}{r^2}(f_{r}+f_{\vartheta,\vartheta})
-\frac{2}{r^2}f_{\vartheta,\vartheta}
-2\frac{f_{\varphi,\varphi}+f_{\vartheta}\cos(\vartheta)}
-\frac{2}{r^2}f_{\vartheta}\cot\vartheta
{r^2\sin(\vartheta)}
\right)\hat{e}_r
\right)\hat{e}_r
\\&
\\&
+\left(\Delta f_\vartheta+\frac{2}{r^2}f_{r,\vartheta}
+\left(
-\frac{2}{r^2\sin\vartheta}f_{\varphi,\varphi}
\Delta f_{\vartheta}+\frac{2f_{r,\vartheta}}{r^2}
-\frac{f_\vartheta}{r^2\sin^2\vartheta}
-\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}{r^2\sin^2\vartheta}
+\left(
+\frac{2}{r^2\sin^2\vartheta}f_{r,\varphi}
\Delta f_{\varphi}-\frac{f_{\varphi}-2f_{\vartheta,\varphi}\cos(\vartheta)
+\frac{2\cos\vartheta}{r^2\sin^2\vartheta}f_{\vartheta,\varphi}
-2f_{r,\varphi}\sin(\vartheta)}{r^2\sin^2(\vartheta)}
\right)\hat{e}_\varphi
\right)\hat{e}_\varphi
\end{align}</math>
\end{align}</math>
Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:
:<math>\begin{array}{rclcl}
\Delta f
&=&\nabla\cdot(\nabla f) &=&\operatorname{div(grad}(f))
\\
\Delta\vec{f}
&=&\nabla\cdot(\nabla\otimes\vec{f}) &=&\operatorname{div(grad}(\vec{f})^\top)
\end{array}</math>


=== Verknüpfungen ===
=== Verknüpfungen ===
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.
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}
\operatorname{div(rot}(\vec{f}))
\mathrm{div(rot}(\vec{f}))
&=&\displaystyle\nabla\cdot(\nabla\times\vec{f}) &=& 0
&=&\nabla\cdot(\nabla\times\vec{f}) &=& 0
\\
\\
\operatorname{div(rot}(\mathbf{T}))
\mathrm{rot(grad}(f))
&=&\nabla\times\mathbf{T}
&=&\nabla\times\nabla f &=&\vec0
&=&\vec{0}
\\
\\
\operatorname{div(rot(rot}(\mathbf{T})^\top))
\mathrm{div(grad}(f)\times\mathrm{grad}(g))
&=&\nabla\cdot(\nabla\times(\nabla\times\mathbf{T})^\top)
&=&
&=&\vec{0}
\nabla\cdot(\nabla f\times\nabla g)
=\nabla g\cdot(\nabla\times\nabla f) &=& 0
\\
\\
\operatorname{rot(grad}(f))
\mathrm{rot\big(grad}(\vec{f})\big)
&=&\displaystyle\nabla\times\nabla f &=&\vec{0}
&=&\nabla\times(\nabla\otimes\vec{f})
\\
\operatorname{rot(grad}(\vec{f})^\top)
&=&\displaystyle\nabla\times(\nabla\otimes\vec{f})
&=&\mathbf{0}
&=&\mathbf{0}
\\
\\
\operatorname{div(grad}(f)\times\operatorname{grad}(g))
\mathrm{div\big(rot}(\mathbf{T})^\top\big)
&=&\displaystyle
&=&\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{T})
\nabla\cdot(\nabla f\times\nabla g)
&=&\vec{0}
=\nabla g\cdot(\nabla\times\nabla f) &=& 0
\end{array}</math>
\\[2ex]
 
\operatorname{div(grad}(f))
:<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
\\
\\
\operatorname{div(grad}(\vec{f})^\top)
\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}
\\[2ex]
\end{array}</math>
\operatorname{div(grad}(\vec{f}))
 
&=&\nabla\cdot(\vec{f}\otimes\nabla) = (\nabla\cdot\vec{f})\nabla
:<math>\begin{array}{rclcl}
&=&\operatorname{grad(div}(\vec{f}))
\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)
\\
\\
\operatorname{rot(grad}(\vec{f}))
\mathrm{rot\big(grad}(\vec{f})^\top\big)
&=&  
&=&  
\displaystyle\nabla\times(\vec{f}\otimes\nabla )
\nabla\times\big((\nabla\otimes\vec{f})^\top\big)
= (\nabla\times\vec{f})\otimes\nabla
=
&=&\operatorname{grad(rot}(\vec{f}))
\nabla\times\big(\vec{f}_{,i}\otimes\hat e_i\big)
\\[2ex]
&=&\mathrm{grad\big(rot}(\vec f)\big)
\operatorname{rot(rot}(\vec{f}))
\end{array}</math>
&=&\displaystyle
 
\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}
&=&
&=&
\operatorname{grad(div}(\vec{f}))
\mathrm{grad(div}(\vec{f}))
-\Delta\vec{f}
-\Delta\vec{f}
\\
\\
\operatorname{rot(rot}(\mathbf{T}))
\mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T})^\top\big)^\top
&=&
&=&
\nabla\times[\nabla\times (\mathbf{T}\cdot\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_i]
\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)
&=&
&=&
[\operatorname{div}(\mathbf{T})\cdot\hat{e}_i]\nabla\otimes\hat{e}_i
-\Delta\mathbf{T}-\mathrm{grad\big(grad(Sp}(\mathbf{T}))\big)
-\Delta\mathbf{T}
+\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)
(\nabla\otimes\operatorname{div}(\mathbf{T}))\cdot\hat{e}_i\otimes\hat{e}_i
\right]\mathbf1
-\Delta\mathbf{T}
&=&\operatorname{grad(div}(\mathbf{T}))^\top -\Delta\mathbf{T}
\end{array}</math>
\end{array}</math>
Bei symmetrischem '''T''' = '''T'''<sup>⊤</sup> gilt:


:<math>\begin{array}{rcl}
:<math>\begin{array}{rcl}
\operatorname{rot(rot}(\mathbf{T})^\top)
\mathrm{rot\big(rot}(\mathbf{T})\big)
&=&
&=&
-\Delta\mathbf{T} -\operatorname{grad(grad(Sp}(\mathbf{T})))
-\Delta\mathbf{T}-\mathrm{grad\big(grad(Sp}(\mathbf{T}))\big)
+\operatorname{grad(div}(\mathbf{T}))
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T})\big)
+\operatorname{grad(div}(\mathbf{T}))^\top
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{T})\big)^\top
\\
\\
&& + [\Delta\operatorname{Sp}(\mathbf{T}) -\operatorname{div(div}(\mathbf{T}))]\mathbf{I}
&&+\left[\Delta\mathrm{Sp}(\mathbf{T})-\mathrm{div\big(div}(\mathbf{T})\big)
\right]\mathbf1
\end{array}</math>
\end{array}</math>
Bei symmetrischem <math>\mathbf{T} =\mathbf{G} -\operatorname{Sp}
 
(\mathbf{G})\mathbf{I}</math> gilt außerdem:
 
:<math>\operatorname{rot(rot}(\mathbf{T})^\top) =
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}
+\operatorname{grad(div}(\mathbf{G}))
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{G})\big)
+\operatorname{grad(div}(\mathbf{G}))^\top
+\mathrm{grad\big(div}(\mathbf{G})\big)^\top
-\operatorname{div(div}(\mathbf{G}))\mathbf{I}
-\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.&nbsp;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.&nbsp;B.:
 
:<math>\begin{array}{l}
:<math>\begin{array}{l}
\Delta\operatorname{rot(rot}(\vec{f}))
\Delta\mathrm{rot(rot}(\vec{f}))
=\operatorname{rot(\Delta rot}(\vec{f}))
=\mathrm{rot(\Delta rot}(\vec{f}))
=\operatorname{rot(rot}(\Delta\vec{f})) =\ldots
=\mathrm{rot(rot}(\Delta\vec{f}))=\ldots
\\
\\
\ldots =\Delta\operatorname{grad(div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f}
\ldots=\Delta\mathrm{grad(div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f}
=\operatorname{grad}(\Delta\operatorname{div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f}
=\mathrm{grad}(\Delta\mathrm{div}(\vec{f})) -\Delta\Delta\vec{f}
=\operatorname{grad(div}(\Delta\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\operatorname{rot}(\vec{f})
 
:<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}\operatorname{grad}(\vec{f}\cdot\vec{f})
\frac{1}{2}\mathrm{grad}(\vec{f}\cdot\vec{f})
-\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{f}
-\vec{f}\times\mathrm{rot}(\vec{f})
=
(\operatorname{grad}(\vec{f})^\top
-\operatorname{grad}(\vec{f}))\cdot\vec{f}
</math>
</math>
:<math>
 
\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{f}
== Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation ==
=
Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist [[Harmonische Funktion|harmonisch]]:
\frac{1}{2}\operatorname{grad}(\vec{f}\cdot\vec{f})
 
-\vec{f}\times\operatorname{rot}(\vec{f})
:<math>\mathrm{div}(\vec{f})= 0
\;\text{und}\;
\mathrm{rot}(\vec{f})=\vec{0}
\quad\rightarrow\quad
\Delta\vec{f}=\vec{0}
</math>
</math>


=== Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation ===
=== Helmholtz-Theorem ===
* [[Helmholtz-Theorem]]: 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}
{{Siehe auch|Helmholtz-Theorem}}
\vec{f} =\vec{f}_1 +\vec{f}_2:&&&\operatorname{div}(\vec{f}_1) = 0
 
&\wedge&\operatorname{rot}(\vec{f}_2) =\vec{0}
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} =&\operatorname{rot}(\vec{g}) &+&\operatorname{grad}(g)
\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>
* Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:<br /> <math>\operatorname{div}(\vec{f}) = 0
\;\wedge\;
\operatorname{rot}(\vec{f}) =\vec{0}
\quad\rightarrow\quad
\Delta\vec{f} =\vec{0}
</math>.
* Siehe auch [[#Satz über rotationsfreie Felder|Satz über rotationsfreie Felder]]


== Integralsätze ==
=== Gaußscher Integralsatz ===
=== Gaußscher Integralsatz ===
{{Hauptartikel|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}\operatorname{grad}(f)\,\mathrm{d}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}\operatorname{grad}(\vec{f})\,\mathrm{d}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}\operatorname{div}(\vec{f})\,\mathrm{d}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}\operatorname{rot}(\vec{f})\,\mathrm{d}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}\operatorname{div}(\mathbf{T})\,\mathrm{d}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 ===
{{Hauptartikel|Satz 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}\operatorname{rot}(\vec{f})\cdot\mathrm{d}\vec{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>


Kompatibilitätsbedingungen:
[[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{\omega}</math> des schiefsymmetrischen Tensors <math>\mathbf{\Omega}</math> :
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{\omega}\times\vec{r}{\quad\forall\;}\vec{r}</math>
=\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{\omega}\times (\vec{x}-\vec{f})</math>
=\dot{\vec{f}}+\vec\omega\times (\vec{x}-\vec{f})</math>


=== Ableitungen der Invarianten ===
=== Ableitungen der Invarianten ===
:<math>\frac{\partial\operatorname{I}_{1}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}}
 
:<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}}
=\mathbf{I}</math>
=\mathbf1</math>


:<math>\frac{\partial\operatorname{I}_{2}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}}
:<math>\frac{\partial\mathrm{I}_{2}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}}
=\operatorname{I}_{1}(\mathbf{T})\mathbf{I}-\mathbf{T}^\top</math>
=\mathrm{I}_{1}(\mathbf{T})\mathbf1-\mathbf{T}^\top</math>


:<math>\frac{\partial\operatorname{I}_{3}(\mathbf{T})}{\partial\mathbf{T}}
:<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}-1}</math>
=\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'''.


mit der transponiert inversen <math>\mathbf{T}^{\mathrm{T}-1}</math> des Tensors <math>\mathbf{T}</math>.
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 (keine Summe über <math>i</math>):
Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des [[Charakteristisches Polynom|charakteristischen Polynoms]]):


:<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v}_i =\lambda_i\vec{v}_i
:<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v}=\lambda\vec{v}
\quad\rightarrow\quad
\quad\rightarrow\quad
\frac{\partial\lambda_i}{\partial\mathbf{T}}
\mathrm{det}(\mathbf{T}-\lambda\mathbf1)
=\vec{v}_i\otimes\vec{v}_i</math>
=-\lambda^3+\mathrm{I}_1\lambda^2-\mathrm{I}_2\lambda+\mathrm{I}_3
=0
</math>


Funktion <math>f</math> der Invarianten:
:→ <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>


:<math>\frac{\partial f}{\partial\mathbf{T}}
Eigenwerte symmetrischer Tensoren:
(\operatorname{I}_{1}(\mathbf{T}),\,\operatorname{I}_{2}(\mathbf{T}),
\,\operatorname{I}_{3}(\mathbf{T}))
=\left(
\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{1}}
+\operatorname{I}_{1}\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{2}}
+\operatorname{I}_{2}\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{3}}
\right)\mathbf{I}
-
\left(
\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{2}}
+\operatorname{I}_{1}\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{3}}
\right)\mathbf{T}^\top
+
\frac{\partial f}{\partial\operatorname{I}_{3}}\mathbf{T}^\top\cdot
\mathbf{T}^\top</math>


=== Zeitableitungen der Invarianten ===
:<math>\mathbf{T}\cdot\vec{v}=\lambda\vec{v}
:<math>\frac{\mathrm{D}\operatorname{I}_{1}(\mathbf{T})}{\mathrm{D}t}
\quad\rightarrow\quad
=\operatorname{Sp}(\dot{\mathbf{T}})</math>
\frac{\partial\lambda}{\partial\mathbf{T}}
=\vec{v}\otimes\vec{v}</math>


:<math>\frac{\mathrm{D}\operatorname{I}_{2}(\mathbf{T})}{\mathrm{D}t}
Eigenwerte von <math>\mathbf{T}=\sum_{i=1}^3\lambda_i\,\vec{v}_i\otimes\vec{v}^i
=\operatorname{Sp}(\mathbf{T})\,\operatorname{Sp}(\dot{\mathbf{T}})-\operatorname{Sp}(\mathbf{T}\cdot\dot{\mathbf{T}})</math>
</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{\mathrm{D}\operatorname{I}_{3}(\mathbf{T})}{\mathrm{D}t}
:<math>\frac{\partial\lambda_i}{\partial\mathbf{T}}
=\frac{\mathrm{D}\mathrm{det}(\mathbf{T})}{\mathrm{D}t}
=\vec{v}^i\otimes\vec{v}_i</math>&nbsp;(keine Summe)
=\mathrm{det}(\mathbf{T})\,
\operatorname{Sp}(\dot{\mathbf{T}}\cdot\mathbf{T}^{-1})</math>


:<math>\frac{\mathrm{D}\parallel\mathbf{T}\parallel}{\mathrm{D}t}
Die Eigenwerte von <math>\mathbf{T}
=\frac{\mathbf{T}\cdot\dot{\mathbf{T}}}{\parallel\mathbf{T}\parallel}</math>
=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:


=== Zeitableitung von inversen Tensoren ===
:<math>\frac{\partial\lambda_1}{\partial\mathbf{T}}
:<math>\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}(\mathbf{T}^{-1})
=\vec{v}^1\otimes\vec{v}_1
=-\mathbf{T}^{-1}\cdot\dot{\mathbf{T}}\cdot\mathbf{T}^{-1}</math>
,\quad
:<math>\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}(\mathbf{T}^{\top-1})
\frac{\partial\lambda_k}{\partial\mathbf{T}}
=-\mathbf{T}^{\top-1}\cdot\dot{\mathbf{T}}^\top\cdot\mathbf{T}^{\top-1}</math>
=\frac12\overline{\vec{w}^k\otimes\vec{w}_k},\quad k=2,3
</math>&nbsp;(keine Summe)


Orthogonale Tensoren:
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.
 
:<math>{\dot{\mathbf{Q}}}^\top
=-\mathbf{Q}^\top\cdot\dot{\mathbf{Q}}\cdot\mathbf{Q}^\top</math>


=== Konvektive Koordinaten ===
=== Konvektive Koordinaten ===
{{Hauptartikel|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}}
=\operatorname{grad}(y_i )</math>,&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\vec{b}^{i}
:=\mathrm{GRAD}(y_i )</math>,&nbsp;&nbsp;&nbsp; <math>\vec{b}^{i}
=\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{x}}
=\frac{\mathrm{d}y_i}{\mathrm{d}\vec{x}}
=\operatorname{grad}(y_i )</math>
:=\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 ===
{{Hauptartikel| Geschwindigkeitsgradient}}
{{Siehe auch| Geschwindigkeitsgradient}}
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient: <math>\mathbf{l}
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:<math>\mathbf{l}
=\operatorname{grad}(\vec{v})</math>
=\mathrm{grad}(\vec{v})=\dot{\mathbf{F}}\cdot\mathbf{F}^{-1}</math>


Divergenz der Geschwindigkeit: <math>\operatorname{div}(\vec{v})
Divergenz der Geschwindigkeit:<math>\mathrm{div}(\vec{v})
=\operatorname{Sp}(\mathbf{l})</math>
=\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})\,\operatorname{div}(\vec{v})</math>
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\mathbf{F}^{\top-1}:\dot{\mathbf F}
 
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\mathrm{Sp}(\dot{\mathbf F}\cdot\mathbf{F}^{-1})
:<math>\mathbf{l}
=\mathrm{det}(\mathbf{F})\,\mathrm{div}(\vec{v})</math>
=\dot{\mathbf{F}}\cdot\mathbf{F}^{-1}
=-\mathbf{F}\cdot\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}(\mathbf{F}^{-1})</math>


=== Objektive Zeitableitungen ===
=== Objektive Zeitableitungen ===
{{Hauptartikel|Euklidische Transformation}}
{{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}}+\operatorname{Sp}(\mathbf{l})\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 ===
{{Hauptartikel|Substantielle Ableitung}}
{{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}+\operatorname{grad}(f)\cdot\vec{v}</math>
=\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}+\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{v}</math>
=\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>
Zeile 1.196: Zeile 1.768:
\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.
=== Transportsätze ===
==== Reynoldscher Transportsatz ====
{{Hauptartikel|Reynolds’scher Transportsatz}}
Gegeben:
* Zeit <math>t</math>
* Zeitabhängiges Volumen <math>v</math> mit [[Volumenform]] <math>\mathrm{d}v</math> mit
* Die 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 Punkten 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}
\displaystyle\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}\int_{v}f\,\mathrm{d}v
&=&\displaystyle
\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}
+\operatorname{div}(f\vec{v})\right)\,\mathrm{d}v
\\
&=&\displaystyle
\int_{v}\left(
\frac{\partial f}{\partial t}
+\operatorname{grad}(f)\cdot\vec{v}
+\operatorname{div}(\vec{v})\,f
\right)\,\mathrm{d}v
=
\int_{v}\left(\dot{f} +\operatorname{div}(\vec{v})\,f\right)\,\mathrm{d}v
\end{array}</math>
Vektorwertige Funktion <math>\vec{f}(\vec{x},t)</math> :
:<math>\begin{array}{rcl}
\displaystyle\frac{\mathrm{D}}{\mathrm{D}t}\int_{v}\vec{f}\,\mathrm{d}v
&=&\displaystyle\displaystyle
\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}+\operatorname{div}(\vec{v}\otimes\vec{f})\right)
\,\mathrm{d}v
\\
&=&\displaystyle
\int_{v}\left(
\frac{\partial\vec{f}}{\partial t}
+\operatorname{grad}(\vec{f})\cdot\vec{v}
+\operatorname{div}(\vec{v})\vec{f}
\right)\,\mathrm{d}v
=
\int_{v}(\dot{\vec{f}}+\operatorname{div}(\vec{v})\vec{f})\,\mathrm{d}v
\end{array}</math>
==== Transportsatz für Kurvenintegrale ====
Gegeben:
* Zeit <math>t</math>
* Zeitabhängige Kurve <math>b\colon [0,1)\mapsto v</math>, entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement <math>\mathrm{d}\vec{b}</math> im Volumen v integriert wird
* Ortsvektoren <math>\vec{x}\in v</math>
* Geschwindigkeitsfeld: <math>\vec{v}(\vec{x},t)</math>
* Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße <math>f(\vec{x},t)</math>, die mit den sich bewegenden Punkten 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}+f\,\operatorname{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\operatorname{grad}\vec{v})\cdot\mathrm{d}\vec{b}
</math>


== Fußnoten ==
== Fußnoten ==

Aktuelle Version vom 10. Dezember 2021, 17:34 Uhr

$ {\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.

Allgemeines

Siehe auch

Formelsammlung Tensoralgebra

Nomenklatur

  • Operatoren wie „$ \mathrm {grad} $“ werden nicht kursiv geschrieben.
  • Buchstaben in der Mitte des Alphabets werden als Indizes benutzt: $ i,j,k,l\in \{1,2,3\} $
  • Es gilt die Einsteinsche Summenkonvention ohne Beachtung der Indexstellung.
    • Kommt in einer Formel in einem Produkt ein Index doppelt vor wie in $ c=a_{i}b^{i} $ wird über diesen Index von eins bis drei summiert:
      $ c=a_{i}b^{i}=\sum _{i=1}^{3}a_{i}b^{i} $.
    • Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in $ c=A_{ij}B_{j}^{i} $ wird über diese summiert:
      $ c=A_{ij}B_{j}^{i}=\sum _{i=1}^{3}\sum _{j=1}^{3}A_{ij}B_{j}^{i} $.
    • Ein Index, der nur einfach vorkommt wie $ i $ in $ v_{i}=A_{ij}b_{j} $, ist ein freier Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:
      $ 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\} $.
  • Vektoren:
    • Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren im dreidimensionalen euklidischen Vektorraum 𝕍={ℝ3,+,·}.
    • Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet.
    • Einheitsvektoren mit Länge eins werden wie in ê mit einem Hut versehen.
    • Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in $ {\vec {a}} $ mit einem Pfeil versehen.
    • Standardbasis $ {\hat {e}}_{1},{\hat {e}}_{2},{\hat {e}}_{3} $
    • Beliebige Basis $ {\vec {b}}_{1},{\vec {b}}_{2},{\vec {b}}_{3} $ mit dualer Basis $ {\vec {b}}^{1},{\vec {b}}^{2},{\vec {b}}^{3} $
    • Der Vektor $ {\vec {x}}=x_{i}{\hat {e}}_{i} $ wird durchgängig Ortsvektor genannt.
  • Tensoren zweiter Stufe werden wie in T mit fetten Großbuchstaben notiert. Insbesondere Einheitstensor 1.
  • Koordinaten:
  • Konstanten: $ c,{\vec {c}},\mathbf {C} $
  • Zeit t ∈ ℝ
  • Variablen: skalar r,s ∈ ℝ oder vektorwertig $ {\vec {r}},{\vec {s}}\in \mathbb {V} ^{3} $
  • Feldfunktionen abhängig von $ {\vec {x}},t $ oder $ {\vec {y}},t $:
    • Skalar $ f,g\in \mathbb {R} $ oder vektorwertig $ {\vec {f}},{\vec {g}}\in \mathbb {V} ^{3} $
    • Tensorwertig: S, T
  • Operatoren:
  • Differentialoperatoren:
    • #Nabla-Operator: 𝜵
    • #Gradient: grad
    • #Divergenz: div
    • #Rotation: rot
    • #Laplace-Operator: Δ
    • Ein Index hinter einem Komma bezeichnet die Ableitung nach einer Koordinate:
      $ 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 }} $
    • Zeitableitung mit Überpunkt: $ {\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} $
  • Landau-Symbole: f = 𝓞(x): f wächst langsamer als x.
  • Kontinuumsmechanik:

Kronecker-Delta

$ \delta _{ij}=\delta ^{ij}=\delta _{i}^{j}=\delta _{j}^{i}=\left\{{\begin{array}{ll}1&\mathrm {falls} \ i=j\\0&\mathrm {sonst} \end{array}}\right. $

Permutationssymbol

$ \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}} $

Kreuzprodukt:

$ a_{i}{\hat {e}}_{i}\times b_{j}{\hat {e}}_{j}=\epsilon _{ijk}a_{i}b_{j}{\hat {e}}_{k} $
$ \epsilon _{ijk}{\hat {e}}_{k}={\hat {e}}_{i}\times {\hat {e}}_{j} $

Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:

$ ({\vec {a}}\times \mathbf {A} )\cdot {\vec {g}}:={\vec {a}}\times (\mathbf {A} \cdot {\vec {g}}) $
$ {\vec {b}}\cdot ({\vec {a}}\times \mathbf {A} )=({\vec {b}}\times {\vec {a}})\cdot \mathbf {A} $
$ {\vec {g}}\cdot (\mathbf {A} \times {\vec {a}}):=({\vec {g}}\cdot \mathbf {A} )\times {\vec {a}} $
$ (\mathbf {A} \times {\vec {a}})\cdot {\vec {b}}=\mathbf {A} \cdot ({\vec {a}}\times {\vec {b}}) $

Basisvektoren

Kartesische Koordinaten

$ x_{1},x_{2},x_{3}\in \mathbb {R} $

mit Basisvektoren

$ {\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}} $

die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.

Zylinderkoordinaten

$ {\hat {e}}_{\rho }={\begin{pmatrix}\cos(\varphi )\\\sin(\varphi )\\0\end{pmatrix}},\quad {\hat {e}}_{\varphi }={\begin{pmatrix}-\sin(\varphi )\\\cos(\varphi )\\0\end{pmatrix}},\quad {\hat {e}}_{z}={\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}} $
$ {\hat {e}}_{\rho ,\varphi }={\hat {e}}_{\varphi },\quad {\hat {e}}_{\varphi ,\varphi }=-{\hat {e}}_{\rho }\quad {\hat {e}}_{z,\varphi }={\vec {0}} $

Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:

$ {\vec {\omega }}={\dot {\varphi }}{\hat {e}}_{z}\;\rightarrow \;{\dot {\hat {e}}}_{\rho /\varphi /z}={\vec {\omega }}\times {\hat {e}}_{\rho /\varphi /z} $

Kugelkoordinaten

$ {\hat {e}}_{r}={\begin{pmatrix}\sin(\vartheta )\cos(\varphi )\\\sin(\vartheta )\sin(\varphi )\\\cos(\vartheta )\end{pmatrix}},\quad {\hat {e}}_{\vartheta }={\begin{pmatrix}\cos(\vartheta )\cos(\varphi )\\\cos(\vartheta )\sin(\varphi )\\-\sin(\vartheta )\end{pmatrix}},\quad {\hat {e}}_{\varphi }={\begin{pmatrix}-\sin(\varphi )\\\cos(\varphi )\\0\end{pmatrix}} $

Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:

$ {\begin{aligned}&{\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{aligned}} $

Krummlinige Koordinaten

$ y_{1},y_{2},y_{3}\in \mathbb {R} $
$ {\vec {b}}_{i}={\frac {\partial {\vec {x}}}{\partial y_{i}}},\quad {\vec {b}}^{i}=\mathrm {grad} (y_{i})={\frac {\partial y_{i}}{\partial {\vec {x}}}}\quad \rightarrow \quad {\vec {b}}_{i}\cdot {\vec {b}}^{j}=\delta _{i}^{j} $

Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen

Gâteaux-Differential

$ \,\mathrm {D} f(x)[h]:=\left.{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}f(x+sh)\right|_{s=0}=\lim _{s\rightarrow 0}{\frac {f(x+sh)-f(x)}{s}} $

mit $ s\in \mathbb {R} $, $ f,x,h $ skalar-, vektor- oder tensorwertig aber $ x $ und $ h $ gleichartig.

Produktregel:

$ \mathrm {D} (f(x)\cdot g(x))[h]=\mathrm {D} f(x)[h]\cdot g(x)+f(x)\cdot \mathrm {D} g(x)[h] $

Kettenregel:

$ \mathrm {D} f{\big (}g(x){\big )}[h]=\mathrm {D} f(g)[Dg(x)[h]] $

Fréchet-Ableitung

Existiert ein beschränkter linearer Operator $ {\mathcal {A}} $, sodass

$ {\mathcal {A}}[h]={Df}(x)[h]{\quad \forall \;}h $

gilt, so wird $ {\mathcal {A}} $ Fréchet-Ableitung von $ f $ nach $ x $ genannt. Man schreibt dann auch

$ {\frac {\partial f}{\partial x}}={\mathcal {A}} $.

Ableitung von Potenzen eines Tensors

$ {\begin{aligned}{\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{aligned}} $

siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Spezielle Tensoren vierter Stufe.

Allgemein mit n ∈ ℕ, >0, T0 := 1:

$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $

#Gâteaux-Differential der Inversen:

$ {\begin{aligned}\mathbf {T\cdot T} ^{-1}=&\mathbf {1} \;\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} ]=\mathbf {0} \\\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{aligned}} $

n ∈ ℕ, >0:

$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $
$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $

Orthogonaler Tensor (Q·Q=1):

$ {\dot {\mathbf {Q} }}^{\top }=-\mathbf {Q} ^{\top }\cdot {\dot {\mathbf {Q} }}\cdot \mathbf {Q} ^{\top } $

Ableitungen nach dem Ort

Nabla-Operator

#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} $.

Gradient

Definition des Gradienten/Allgemeines

Definierende Eigenschaft bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:[1]

$ f({\vec {y}})-f({\vec {x}})=\mathrm {grad} (f)\cdot ({\vec {y}}-{\vec {x}})+{\mathcal {O}}(|{\vec {y}}-{\vec {x}}|) $ wenn $ {\vec {y}}\to {\vec {x}} $

Wenn der Gradient existiert, ist er eindeutig. Berechnung bei skalar- oder vektorwertiger Funktion f:

$ \mathrm {grad} (f)\cdot {\vec {h}}=\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}}\quad \forall \;{\vec {h}}\in \mathbb {V} $

Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:

$ \mathrm {rot} ({\vec {f}})={\vec {0}}\quad \rightarrow \quad \exists g\colon {\vec {f}}=\mathrm {grad} (g) $.

Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:

  • Volumen $ v $ mit
  • Oberfläche $ a $ mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
$ \mathrm {grad} (f)=\lim _{v\to 0}\left({\frac {1}{v}}\int _{a}f\,\mathrm {d} {\vec {a}}\right) $

Skalarfeld f:

$ \mathrm {grad} (f)=\nabla f=:{\frac {\partial f}{\partial {\vec {x}}}} $

Vektorfeld $ {\vec {f}}=f_{i}{\hat {e}}_{i} $:[2]

$ \mathrm {grad} ({\vec {f}})=(\nabla \otimes {\vec {f}})^{\top }=:{\frac {\partial {\vec {f}}}{\partial {\vec {x}}}} $
$ \mathrm {grad} ({\vec {x}})=\mathbf {1} $

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

$ \mathrm {grad} (f)=\mathrm {div} (f\mathbf {1} )=\nabla \cdot (f\mathbf {1} ) $
$ \mathrm {grad} (f)\times {\vec {c}}=\mathrm {rot} (f{\vec {c}}) $

Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

$ \mathrm {grad} (f)=f_{,i}{\hat {e}}_{i} $
$ \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} $

#Zylinderkoordinaten:

$ \mathrm {grad} (f)=f_{,\rho }{\hat {e}}_{\rho }+{\frac {f_{,\varphi }}{\rho }}{\hat {e}}_{\varphi }+f_{,z}{\hat {e}}_{z} $
$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $

#Kugelkoordinaten:

$ \mathrm {grad} (f)=f_{,r}{\hat {e}}_{r}+{\frac {f_{,\vartheta }}{r}}{\hat {e}}_{\vartheta }+{\frac {f_{,\varphi }}{r\sin(\vartheta )}}{\hat {e}}_{\varphi } $
$ {\begin{aligned}\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}}(\mathbf {1} -{\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{aligned}} $

#Krummlinige Koordinaten:

Christoffelsymbole: $ \Gamma _{ij}^{k}={\vec {g}}_{i,j}\cdot {\vec {g}}^{k} $

Vektorfelder:

$ \mathrm {grad} ({\vec {g}}_{i})=\Gamma _{ij}^{k}{\vec {g}}_{k}\otimes {\vec {g}}^{j} $
$ \mathrm {grad} ({\vec {g}}^{k})=-\Gamma _{ij}^{k}{\vec {g}}^{i}\otimes {\vec {g}}^{j} $
$ \mathrm {grad} (f^{i}{\vec {g}}_{i})=\left.f^{i}\right|_{j}{\vec {g}}_{i}\otimes {\vec {g}}^{j} $
$ \mathrm {grad} (f_{i}{\vec {g}}^{i})=\left.f_{i}\right|_{j}{\vec {g}}^{i}\otimes {\vec {g}}^{j} $

Mit den kovarianten Ableitungen

$ \left.f^{i}\right|_{j}=f_{,j}^{i}+\Gamma _{kj}^{i}f^{k} $
$ \left.f_{i}\right|_{j}=f_{i,j}-\Gamma _{ij}^{k}f_{k} $

Tensorfelder:

$ \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}} $

Soll das Argument wie beim Vektorgradient rechts vom Operator stehen, dann lautet der Tensorgradient

$ \mathrm {grad} (\mathbf {T} )=\mathbf {T} _{,k}\otimes {\vec {g}}^{k} $

Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:

$ {\begin{aligned}\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 _{ik}^{l}T_{lj}-\Gamma _{jk}^{l}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_{,k}^{ij}+\Gamma _{lk}^{i}T^{lj}+\Gamma _{lk}^{j}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 _{ik}^{l}T_{l}^{.j}+\Gamma _{lk}^{j}T_{i}^{.l}\\\mathrm {grad} (T_{.j}^{i}){\vec {g}}_{i}\otimes {\vec {g}}^{j}=&\left.T_{.j}^{i}\right|_{k}{\vec {g}}_{i}\otimes {\vec {g}}^{j}\otimes {\vec {g}}^{k},\quad \left.T_{.j}^{i}\right|_{k}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=T_{.j,k}^{i}+\Gamma _{lk}^{i}T_{.j}^{l}-\Gamma _{jk}^{l}T_{.l}^{i}\end{aligned}} $

Produktregel für Gradienten

$ {\begin{array}{rclcl}\mathrm {grad} (fg)&=&(f_{,i}g+fg_{,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}&=&{\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}}+{\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}}+{\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}} $

In drei Dimensionen ist speziell[3]

$ \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}}) $

Beliebige Basis:

$ \mathrm {grad} (f_{i}{\vec {b}}_{i})={\vec {b}}_{i}\otimes \mathrm {grad} (f_{i})+f_{i}\,\mathrm {grad} ({\vec {b}}_{i}) $

Divergenz

Definition der Divergenz/Allgemeines

Vektorfeld $ {\vec {f}} $ :

$ \mathrm {div} ({\vec {f}})=\nabla \cdot {\vec {f}}=\mathrm {Sp} {\big (}\mathrm {grad} ({\vec {f}}){\big )} $
$ \mathrm {div} ({\vec {x}})=\mathrm {Sp} {\big (}\mathrm {grad} ({\vec {x}}){\big )}=\mathrm {Sp} (\mathbf {1} )=3 $

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

$ \mathrm {div} (\mathbf {T} )\cdot {\vec {c}}=\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\cdot {\vec {c}}\right)\quad \forall {\vec {c}}\in \mathbb {V} $
$ \mathrm {div} (\mathbf {T} )=\nabla \cdot \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $

Koordinatenfreie Darstellung:

  • Volumen $ v $ mit
  • Oberfläche $ a $ mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
$ \mathrm {div} ({\vec {f}})=\lim _{v\to 0}\left({\frac {1}{v}}\int _{a}{\vec {f}}\;\cdot \mathrm {d} {\vec {a}}\right) $

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

$ {\begin{array}{lcccl}\mathrm {div} ({\vec {f}})&=&\nabla \cdot {\vec {f}}&=&\mathrm {Sp(grad} ({\vec {f}}))\\\mathrm {div} (f\mathbf {1} )&=&\nabla \cdot (f\mathbf {1} )&=&\mathrm {grad} (f)\end{array}} $

Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

$ \mathrm {div} ({\vec {f}})={\vec {f}}_{,i}\cdot {\hat {e}}_{i}=f_{i,i} $
$ \mathrm {div} (\mathbf {T} )=\mathbf {T} _{,i}\cdot {\hat {e}}_{i}=T_{ij,j}{\hat {e}}_{i} $
$ \nabla \cdot \mathbf {T} ={\hat {e}}_{i}\cdot \mathbf {T} _{,i}=T_{ij,i}{\hat {e}}_{j}=T_{ji,j}{\hat {e}}_{i} $

#Zylinderkoordinaten:

$ \mathrm {div} ({\vec {f}})={\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial }{\partial \rho }}(\rho f_{\rho })+{\frac {1}{\rho }}f_{\varphi ,\varphi }+f_{z,z} $
$ {\begin{aligned}\mathrm {div} (\mathbf {T} )=&\left(T_{\rho \rho ,\rho }+{\frac {1}{\rho }}(T_{\rho \varphi ,\varphi }+T_{\rho \rho }-T_{\varphi \varphi })+T_{\rho z,z}\right){\hat {e}}_{\rho }\\&+\left(T_{\varphi \rho ,\rho }+{\frac {1}{\rho }}(T_{\varphi \varphi ,\varphi }+T_{\rho \varphi }+T_{\varphi \rho })+T_{\varphi z,z}\right){\hat {e}}_{\varphi }\\&+\left(T_{z\rho ,\rho }+{\frac {1}{\rho }}(T_{z\varphi ,\varphi }+T_{z\rho })+T_{zz,z}\right){\hat {e}}_{z}\end{aligned}} $

$ \nabla \cdot \mathbf {T} =\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $ ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

#Kugelkoordinaten:

$ {\begin{aligned}\mathrm {div} ({\vec {f}})=&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(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 )}}\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 }\\&\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 }\end{aligned}} $

$ \nabla \cdot \mathbf {T} =\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $ ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

Produktregel für Divergenzen

$ \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}}) $
$ \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}}) $
$ {\begin{aligned}\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} )=&({\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{aligned}} $
$ {\begin{aligned}\nabla \cdot ({\vec {f}}\otimes {\vec {g}})=&{\hat {e}}_{i}\cdot \left({\vec {f}}_{,i}\otimes {\vec {g}}+{\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})\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&(\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}}+\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})\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&(\nabla \cdot \mathbf {T} )\times {\vec {f}}-{\vec {\mathrm {i} }}\left((\nabla \otimes {\vec {f}})^{\top }\cdot \mathbf {T} \right)\end{aligned}} $

Beliebige Basis:

$ \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}) $
$ \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 )} $
$ \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 )} $

Produkt mit Konstanten:

$ \mathrm {div} (f\mathbf {C} )=\mathbf {C} \cdot \mathrm {grad} (f)\quad \rightarrow \quad \mathrm {div} (f\mathbf {1} )=\mathrm {grad} (f) $
$ \nabla \cdot (f\mathbf {C} )=\mathrm {grad} (f)\cdot \mathbf {C} \quad \rightarrow \quad \nabla \cdot (f\mathbf {1} )=\nabla f $
$ {\begin{aligned}\mathrm {div} (\mathbf {C} \cdot {\vec {f}})=\mathbf {C} ^{\top }:\mathrm {grad} ({\vec {f}})\quad \rightarrow \quad \mathrm {div} ({\vec {f}})=&\mathrm {div} (\mathbf {1} \cdot {\vec {f}})=\mathbf {1} :\mathrm {grad} ({\vec {f}})\\=&\mathrm {Sp} (\mathrm {grad} ({\vec {f}}))\end{aligned}} $

Rotation

Definition der Rotation/Allgemeines

Vektorfeld $ {\vec {f}} $ :

$ \mathrm {rot} ({\vec {f}})=\nabla \times {\vec {f}} $

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]

$ \mathrm {rot} (\mathbf {T} )\cdot {\vec {c}}=\mathrm {rot} \left(\mathbf {T} ^{\top }\cdot {\vec {c}}\right)\quad \forall {\vec {c}}\in \mathbb {V} $
$ \mathrm {rot} (\mathbf {T} )=\nabla \times \left(\mathbf {T} ^{\top }\right) $

Allgemeine Identitäten:

$ \mathbf {T=T} ^{\top }\quad \rightarrow \quad \mathrm {Sp{\big (}rot} (\mathbf {T} ){\big )}=\mathrm {Sp} (\nabla \times \mathbf {T} )=0 $
$ \mathrm {rot} ({\vec {x}})={\vec {0}} $

Integrabilitätsbedingung[4]: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:

$ \mathrm {div} ({\vec {f}})=0\quad \rightarrow \quad \exists {\vec {g}}\colon {\vec {f}}=\mathrm {rot} ({\vec {g}}) $.

Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.

Koordinatenfreie Darstellung:

  • Volumen $ v $ mit
  • Oberfläche $ a $ mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
$ \mathrm {rot} ({\vec {f}})=-\lim _{v\rightarrow 0}\left({\frac {1}{v}}\int _{a}{\vec {f}}\times \mathrm {d} {\vec {a}}\right) $

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

$ {\begin{aligned}\mathrm {rot} (f{\vec {c}})=&\mathrm {grad} (f)\times {\vec {c}}\\\mathrm {rot} ({\vec {f}})=&-{\vec {\mathrm {i} }}{\big (}\mathrm {grad} ({\vec {f}}){\big )}={\vec {\mathrm {i} }}(\nabla \otimes {\vec {f}})=\nabla \times {\vec {f}}\end{aligned}} $

Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $
$ \mathrm {rot} (\mathbf {T} )={\hat {e}}_{i}\times \mathbf {T} _{,i}^{\top }={\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} $

#Zylinderkoordinaten:

$ \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} $
$ \mathrm {rot} (\mathbf {T} )={\hat {e}}_{\rho }\times (\mathbf {T} _{,\rho }^{\top })+{\frac {1}{\rho }}{\hat {e}}_{\varphi }\times (\mathbf {T} _{,\varphi }^{\top })+{\hat {e}}_{z}\times (\mathbf {T} _{,z}^{\top }) $
$ \nabla \times \mathbf {T} ={\hat {e}}_{\rho }\times \mathbf {T} _{,\rho }+{\frac {1}{\rho }}{\hat {e}}_{\varphi }\times \mathbf {T} _{,\varphi }+{\hat {e}}_{z}\times \mathbf {T} _{,z} $

#Kugelkoordinaten:

$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $
$ \mathrm {rot} (\mathbf {T} )={\hat {e}}_{r}\times (\mathbf {T} _{,r}^{\top })+{\frac {1}{r}}{\hat {e}}_{\vartheta }\times (\mathbf {T} _{,\vartheta }^{\top })+{\frac {1}{r\sin(\vartheta )}}{\hat {e}}_{\varphi }\times (\mathbf {T} _{,\varphi }^{\top }) $
$ \nabla \times \mathbf {T} ={\hat {e}}_{r}\times \mathbf {T} _{,r}+{\frac {1}{r}}{\hat {e}}_{\vartheta }\times \mathbf {T} _{,\vartheta }+{\frac {1}{r\sin(\vartheta )}}{\hat {e}}_{\varphi }\times \mathbf {T} _{,\varphi } $

Produktregel für Rotationen

$ {\begin{aligned}\mathrm {rot} (f{\vec {g}})=&{\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}}+{\vec {f}}\times {\vec {g}}_{,i}\right)\\=&({\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 {g}}_{,i}\right){\vec {f}}-({\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{aligned}} $
$ {\begin{aligned}\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} _{,k}^{\top })\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&\mathrm {grad} (f)\times (\mathbf {T} ^{\top })+f\mathrm {rot} (\mathbf {T} )\end{aligned}} $

$ {\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 ({\vec {f}}\otimes {\vec {g}})=&{\hat {e}}_{i}\times \left({\vec {f}}_{,i}\otimes {\vec {g}}+{\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{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:

$ \mathrm {rot} (f^{i}{\vec {b}}_{i})=\mathrm {grad} (f^{i})\times {\vec {b}}_{i}+f^{i}\,\mathrm {rot} ({\vec {b}}_{i}) $

Produkt mit Konstanten:

$ {\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} (\mathbf {1} \cdot {\vec {f}})=-{\vec {\mathrm {i} }}\left(\mathrm {grad} ({\vec {f}})\right)\\\mathrm {rot} ({\vec {f}}\times \mathbf {1} )&=&\mathbf {1} \#\mathrm {grad} ({\vec {f}})^{\top }=\mathrm {grad} ({\vec {f}})-\mathrm {div} ({\vec {f}})\mathbf {1} \end{array}} $

In divergenzfreien Feldern ist also: $ \mathrm {rot} ({\vec {f}}\times \mathbf {1} )=\mathrm {grad} ({\vec {f}}) $

Laplace-Operator

Definition/Allgemeines

$ \Delta :=\nabla \cdot \nabla =\nabla ^{2} $

Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:

$ {\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}} $

„Vektorieller Laplace-Operator“:

$ \Delta {\vec {f}}=\mathrm {grad{\big (}div} ({\vec {f}}){\big )}-\mathrm {rot{\big (}rot} ({\vec {f}}){\big )} $

Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

$ {\begin{aligned}\Delta f=&f_{,kk}\\\Delta {\vec {f}}=&\Delta f_{i}{\hat {e}}_{i}=f_{i,kk}{\hat {e}}_{i}\\\Delta \mathbf {T} =&\Delta T_{ij}{\hat {e}}_{i}\otimes {\hat {e}}_{j}=T_{ij,kk}{\hat {e}}_{i}\otimes {\hat {e}}_{j}\end{aligned}} $

#Zylinderkoordinaten:

$ {\begin{aligned}\Delta f=&{\frac {f_{,\rho }}{\rho }}+f_{,\rho \rho }+{\frac {f_{,\varphi \varphi }}{\rho ^{2}}}+f_{,zz}\\\Delta {\vec {f}}=&\left(\Delta f_{\rho }-{\frac {2f_{\varphi ,\varphi }+f_{\rho }}{\rho ^{2}}}\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}\end{aligned}} $

#Kugelkoordinaten:

$ {\begin{aligned}\Delta f=&{\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r^{2}{\frac {\partial f}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{r^{2}\sin(\vartheta )}}{\frac {\partial }{\partial \vartheta }}\left(\sin(\vartheta )\,{\frac {\partial f}{\partial \vartheta }}\right)+{\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}}=&\left(\Delta f_{r}-{\frac {2}{r^{2}}}(f_{r}+f_{\vartheta ,\vartheta })-2{\frac {f_{\varphi ,\varphi }+f_{\vartheta }\cos(\vartheta )}{r^{2}\sin(\vartheta )}}\right){\hat {e}}_{r}\\&+\left(\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 }\\&+\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 }\end{aligned}} $

Verknüpfungen

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.

$ {\begin{array}{rclcl}\mathrm {div(rot} ({\vec {f}}))&=&\nabla \cdot (\nabla \times {\vec {f}})&=&0\\\mathrm {rot(grad} (f))&=&\nabla \times \nabla f&=&{\vec {0}}\\\mathrm {div(grad} (f)\times \mathrm {grad} (g))&=&\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} \\\mathrm {div{\big (}rot} (\mathbf {T} )^{\top }{\big )}&=&\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf {T} )&=&{\vec {0}}\end{array}} $
$ {\begin{array}{rclcl}\mathrm {div{\big (}grad} (f){\big )}&=&\nabla \cdot (\nabla f)=(\nabla \cdot \nabla )f&=&\Delta f\\\mathrm {div{\big (}grad} ({\vec {f}}){\big )}&=&\nabla \cdot (\nabla \otimes {\vec {f}})=(\nabla \cdot \nabla ){\vec {f}}&=&\Delta {\vec {f}}\end{array}} $
$ {\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}} $
$ {\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}}\\\mathrm {rot{\big (}rot} (\mathbf {T} )^{\top }{\big )}^{\top }&=&{\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}} $
$ {\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]\mathbf {1} \end{array}} $

Bei symmetrischem T = T gilt:

$ {\begin{array}{rcl}\mathrm {rot{\big (}rot} (\mathbf {T} ){\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} ){\big )}^{\top }\\&&+\left[\Delta \mathrm {Sp} (\mathbf {T} )-\mathrm {div{\big (}div} (\mathbf {T} ){\big )}\right]\mathbf {1} \end{array}} $


Wenn zusätzlich $ \mathbf {T} =\mathbf {T} ^{\top }=\mathbf {G} -\mathrm {Sp} (\mathbf {G} )\mathbf {1} $ dann ist:

$ \mathrm {rot{\big (}rot} (\mathbf {T} ){\big )}=-\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 )}\mathbf {1} $

Der Laplace-Operator kann zwischen den anderen Operatoren wie ein Skalar behandelt werden, also an beliebiger Stelle in die Formeln eingesetzt werden, z. B.:

$ {\begin{array}{l}\Delta \mathrm {rot(rot} ({\vec {f}}))=\mathrm {rot(\Delta rot} ({\vec {f}}))=\mathrm {rot(rot} (\Delta {\vec {f}}))=\ldots \\\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}} $

Grassmann-Entwicklung

$ {\begin{aligned}{\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{aligned}} $
$ \mathrm {grad} ({\vec {f}})\cdot {\vec {f}}={\frac {1}{2}}\mathrm {grad} ({\vec {f}}\cdot {\vec {f}})-{\vec {f}}\times \mathrm {rot} ({\vec {f}}) $

Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation

Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:

$ \mathrm {div} ({\vec {f}})=0\;{\text{und}}\;\mathrm {rot} ({\vec {f}})={\vec {0}}\quad \rightarrow \quad \Delta {\vec {f}}={\vec {0}} $

Helmholtz-Theorem

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}} $

Satz über rotationsfreie Felder

$ {\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}} $

oder

$ {\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}} $

Gaußscher Integralsatz

  • Volumen $ v $ mit Volumenform $ \mathrm {d} v $ und
  • Oberfläche $ a $ mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
  • Ortsvektoren $ {\vec {x}}\in v $
  • Skalar-, vektor- oder tensorwertige Funktion $ f,{\vec {f}},\mathbf {T} $ des Ortes $ {\vec {x}} $ :
$ {\begin{array}{rcl}\int _{v}\mathrm {grad} (f)\,\mathrm {d} v&=&\int _{a}f\,\mathrm {d} {\vec {a}}\\\int _{v}\mathrm {grad} ({\vec {f}})\,\mathrm {d} v&=&\int _{a}{\vec {f}}\otimes \mathrm {d} {\vec {a}}\\\int _{v}\mathrm {div} ({\vec {f}})\,\mathrm {d} v&=&\int _{a}{\vec {f}}\cdot \mathrm {d} {\vec {a}}\\\int _{v}\mathrm {rot} ({\vec {f}})\,\mathrm {d} v&=&-\int _{a}{\vec {f}}\times \mathrm {d} {\vec {a}}\\\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}}\end{array}} $

Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

$ {\begin{aligned}\mathrm {grad} (fg)=&\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{aligned}} $

Klassischer Integralsatz von Stokes

Gegeben:

  • Fläche $ a $ mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
  • Berandungskurve $ b $ der Fläche $ a $ mit Linienelement $ \mathrm {d} {\vec {b}} $
  • Ortsvektoren $ {\vec {x}}\in a $

Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $ :

$ \int _{a}\mathrm {rot} ({\vec {f}})\cdot \mathrm {d} {\vec {a}}=\oint _{b}{\vec {f}}\cdot \mathrm {d} {\vec {b}} $

Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

$ {\begin{aligned}\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{aligned}} $

Reynoldscher Transportsatz

Gegeben:

  • Zeit $ t $
  • Zeitabhängiges Volumen $ v $ mit Volumenform $ \mathrm {d} v $ mit
  • Oberfläche des Volumes $ a $ und äußerem vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $
  • Ortsvektoren $ {\vec {x}}\in v $
  • Geschwindigkeitsfeld:$ {\vec {v}}({\vec {x}},t) $
  • Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit $ f({\vec {x}},t) $, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe für das Volumen:$ \int _{v}{\vec {f}}({\vec {x}},t)\,\mathrm {d} v $

Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :

$ {\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}} $

Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $ :

$ {\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}} $

Transportsatz für Flächenintegrale

Gegeben:

  • Zeit $ t $
  • Ortsvektoren $ {\vec {x}}\in v $
  • Geschwindigkeitsfeld:$ {\vec {v}}({\vec {x}},t) $
  • Zeitabhängige Fläche $ a\colon [0,1]^{2}\mapsto v $, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement $ \mathrm {d} {\vec {a}} $ im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße $ f({\vec {x}},t) $, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe auf der Fläche:$ \int _{a}f({\vec {x}},t)\cdot \mathrm {d} {\vec {a}} $

Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :

$ {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\int _{a}f\,\mathrm {d} {\vec {a}}=\int _{a}[{\dot {f}}\mathbf {1} +f\operatorname {div} ({\vec {v}})\mathbf {1} -f\operatorname {grad} ({\vec {v}})^{\top }]\cdot \,\mathrm {d} {\vec {a}} $

Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $:

$ {\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}} $

Transportsatz für Kurvenintegrale

Gegeben:

  • Zeit $ t $
  • Ortsvektoren $ {\vec {x}}\in v $
  • Geschwindigkeitsfeld:$ {\vec {v}}({\vec {x}},t) $
  • Zeitabhängige Kurve $ b\colon [0,1)\mapsto v $, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement $ \mathrm {d} {\vec {b}} $ im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße $ f({\vec {x}},t) $, die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe entlang des Weges:$ \int _{b}f({\vec {x}},t)\cdot \mathrm {d} {\vec {b}} $

Skalare Funktion $ f({\vec {x}},t) $ :

$ {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}\oint _{b}f\,\mathrm {d} {\vec {b}}=\oint _{b}({\dot {f}}\mathbf {1} +f\,\mathrm {grad} {\vec {v}})\cdot \mathrm {d} {\vec {b}} $

Vektorwertige Funktion $ {\vec {f}}({\vec {x}},t) $:

$ {\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}} $

Kontinuumsmechanik

Kleine Deformationen

Ingenieursdehnungen:

$ {\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} $

Kompatibilitätsbedingungen:

$ {\begin{array}{rcl}\mathrm {rot{\big (}rot} ({\boldsymbol {\varepsilon }}){\big )}=\nabla \times (\nabla \times {\boldsymbol {\varepsilon }})^{\top }&=&\mathbf {0} \\&\downarrow &\\2\varepsilon _{12,12}-\varepsilon _{22,11}-\varepsilon _{11,22}&=&0\\2\varepsilon _{13,13}-\varepsilon _{33,11}-\varepsilon _{11,33}&=&0\\2\varepsilon _{23,23}-\varepsilon _{33,22}-\varepsilon _{22,33}&=&0\\\varepsilon _{11,23}+\varepsilon _{23,11}-\varepsilon _{12,13}-\varepsilon _{13,12}&=&0\\\varepsilon _{22,13}+\varepsilon _{13,22}-\varepsilon _{12,23}-\varepsilon _{23,12}&=&0\\\varepsilon _{12,33}+\varepsilon _{33,12}-\varepsilon _{13,23}-\varepsilon _{23,13}&=&0\end{array}} $

Starrkörperbewegung

Orthogonaler Tensor $ \mathbf {Q} $ beschreibt die Drehung.

$ \mathbf {\Omega } :={\dot {\mathbf {Q} }}\cdot \mathbf {Q} ^{\top }={(\mathbf {Q} \cdot {\dot {\mathbf {Q} }}^{\top })}^{\top }=-\mathbf {Q} \cdot {\dot {\mathbf {Q} }}^{\top } $

Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor $ {\vec {\omega }} $ des schiefsymmetrischen Tensors $ \mathbf {\Omega } $ ist die Winkelgeschwindigkeit:

$ \mathbf {\Omega } \cdot {\vec {r}}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}{\quad \forall \;}{\vec {r}} $

Starrkörperbewegung mit $ {\vec {r}}=\mathrm {const.} $ :

$ {\vec {x}}={\vec {f}}+\mathbf {Q} \cdot {\vec {r}}\quad \rightarrow \quad {\vec {r}}=\mathbf {Q} ^{\top }\cdot ({\vec {x}}-{\vec {f}}) $
$ {\vec {v}}={\dot {\vec {f}}}+{\dot {\mathbf {Q} }}\cdot {\vec {r}}={\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}}}+{\vec {\omega }}\times ({\vec {x}}-{\vec {f}}) $

Ableitungen der Invarianten

$ {\frac {\partial \mathrm {I} _{1}(\mathbf {T} )}{\partial \mathbf {T} }}={\frac {\partial \mathrm {Sp} (\mathbf {T} )}{\partial \mathbf {T} }}=\mathbf {1} $
$ {\frac {\partial \mathrm {I} _{2}(\mathbf {T} )}{\partial \mathbf {T} }}=\mathrm {I} _{1}(\mathbf {T} )\mathbf {1} -\mathbf {T} ^{\top } $
$ {\frac {\partial \mathrm {I} _{3}(\mathbf {T} )}{\partial \mathbf {T} }}={\frac {\partial \mathrm {det} (\mathbf {T} )}{\partial \mathbf {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} )\mathbf {1} $

mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.

Funktion $ f $ der Invarianten:

$ {\begin{aligned}{\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)\mathbf {1} -\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{aligned}} $

Ableitung der Frobenius-Norm:

$ {\frac {\partial \parallel \mathbf {T} \parallel }{\partial \mathbf {T} }}={\frac {\mathbf {T} }{\parallel \mathbf {T} \parallel }} $

Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):

$ \mathbf {T} \cdot {\vec {v}}=\lambda {\vec {v}}\quad \rightarrow \quad \mathrm {det} (\mathbf {T} -\lambda \mathbf {1} )=-\lambda ^{3}+\mathrm {I} _{1}\lambda ^{2}-\mathrm {I} _{2}\lambda +\mathrm {I} _{3}=0 $
$ {\dfrac {\mathrm {d} \lambda }{\mathrm {d} \mathbf {T} }}={\dfrac {(\lambda ^{2}-\lambda \mathrm {I} _{1}+\mathrm {I} _{2})\mathbf {1} +(\lambda -\mathrm {I} _{1})\mathbf {T} ^{\top }+\mathbf {T^{\top }\cdot T^{\top }} }{3\lambda ^{2}-2\mathrm {I} _{1}\lambda +\mathrm {I} _{2}}} $

Eigenwerte symmetrischer Tensoren:

$ \mathbf {T} \cdot {\vec {v}}=\lambda {\vec {v}}\quad \rightarrow \quad {\frac {\partial \lambda }{\partial \mathbf {T} }}={\vec {v}}\otimes {\vec {v}} $

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}) $:

$ {\frac {\partial \lambda _{i}}{\partial \mathbf {T} }}={\vec {v}}^{i}\otimes {\vec {v}}_{i} $ (keine Summe)

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:

$ {\frac {\partial \lambda _{1}}{\partial \mathbf {T} }}={\vec {v}}^{1}\otimes {\vec {v}}_{1},\quad {\frac {\partial \lambda _{k}}{\partial \mathbf {T} }}={\frac {1}{2}}{\overline {{\vec {w}}^{k}\otimes {\vec {w}}_{k}}},\quad k=2,3 $ (keine Summe)

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

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}) $

$ {\vec {B}}_{i}\cdot {\vec {B}}^{j}={\vec {b}}_{i}\cdot {\vec {b}}^{j}=\delta _{i}^{j} $

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} $

Geschwindigkeitsgradient

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

$ {\vec {\omega }}={\stackrel {A}{\vec {\mathbf {l} }}}=-{\frac {1}{2}}{\vec {\mathrm {i} }}(\mathbf {l} )={\frac {1}{2}}\mathrm {rot} ({\vec {v}}) $
$ {\frac {\mathrm {D} }{\mathrm {D} t}}\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}}) $

Objektive Zeitableitungen

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 }) $

Objektive Zeitableitungen von Vektoren

Gegeben:$ {\vec {v}}=v_{i}{\vec {b}}^{i}=v^{i}{\vec {b}}_{i} $:

$ {\begin{array}{rclcl}{\stackrel {\Delta }{\vec {v}}}&=&{\dot {\vec {v}}}+\mathbf {l} ^{\top }\cdot {\vec {v}}&=&{\dot {v}}_{i}{\vec {b}}^{i}\\{\stackrel {\nabla }{\vec {v}}}&=&{\dot {\vec {v}}}-\mathbf {l} \cdot {\vec {v}}&=&{\dot {v}}^{i}{\vec {b}}_{i}\\{\stackrel {\circ }{\vec {v}}}&=&{\dot {\vec {v}}}-\mathbf {w} \cdot {\vec {v}}\end{array}} $

Objektive Zeitableitungen von Tensoren

Gegeben:$ \mathbf {T} =T_{ij}{\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {b}}^{j}=T^{ij}{\vec {b}}_{i}\otimes {\vec {b}}_{j} $

$ {\begin{array}{rclcl}{\stackrel {\Delta }{\mathbf {T} }}&=&{\dot {\mathbf {T} }}+\mathbf {T\cdot l} +\mathbf {l} ^{\top }\cdot \mathbf {T} &=&{\dot {T}}_{ij}{\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {b}}^{j}\\{\stackrel {\nabla }{\mathbf {T} }}&=&{\dot {\mathbf {T} }}-\mathbf {l\cdot T} -\mathbf {T\cdot l} ^{\top }&=&{\dot {T}}^{ij}{\vec {b}}_{i}\otimes {\vec {b}}_{j}\\{\stackrel {\circ }{\mathbf {T} }}&=&{\dot {\mathbf {T} }}+\mathbf {T\cdot w} -\mathbf {w\cdot T} \\{\stackrel {\diamond }{\mathbf {T} }}&=&{\dot {\mathbf {T} }}+\mathrm {Sp} (\mathbf {l} )\mathbf {T} -\mathbf {l\cdot T} -\mathbf {T\cdot l} ^{\top }\end{array}} $

Materielle Zeitableitung

$ {\dot {f}}({\vec {x}},t)={\frac {\mathrm {D} f}{\mathrm {D} t}}={\frac {\partial f}{\partial t}}+\mathrm {grad} (f)\cdot {\vec {v}}={\frac {\partial f}{\partial t}}+({\vec {v}}\cdot \nabla )f $
$ {\dot {\vec {f}}}({\vec {x}},t)={\frac {\mathrm {D} {\vec {f}}}{\mathrm {D} 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}} $

#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.

Fußnoten

  1. 1,0 1,1 1,2 Truesdell (1972), S. 10 ff.
  2. In der Literatur (z. B. Altenbach 2012) wird auch die transponierte Beziehung benutzt:
    $ {\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 } $
    Dann muss, um die Formeln zu vergleichen, $ {\tilde {\mathrm {grad} }}({\vec {f}}) $ und $ \mathrm {grad} ({\vec {f}})^{\top } $ vertauscht werden.
  3. Wolfgang Werner: Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik. Tensoralgebra und Tensoranalysis. Band 1. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-25271-7, S. 367, doi:10.1007/978-3-658-25272-4.
  4. R. Greve (2003), S. 111.

Literatur

  • H. Altenbach: Kontinuumsmechanik. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24118-5.
  • M. Bestehorn: Hydrodynamik und Strukturbildung. Springer, 2006, ISBN 978-3-540-33796-6.
  • Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie. Praxisnahe, anschauliche Einführung. Elektromagnetische Felder, Maxwellsche Gleichungen, Gradient, Rotation, Divergenz. 6., unveränderte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-42018-5.
  • Konrad Königsberger: Analysis. überarbeitete Auflage. Band 2. 4. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-43580-8.
  • Ralf Greve: Kontinuumsmechanik. Springer, 2003, ISBN 3-540-00760-1.
  • C. Truesdell: Festkörpermechanik II. In: S. Flügge (Hrsg.): Handbuch der Physik. Band VIa/2. Springer, 1972, ISBN 3-540-05535-5.