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常用的些矢量运算公式
常用的一些矢量运算公式
三重标量积
如,和是三个矢量,组合 叫做他们的三重标量积。三重标量积等于这三个矢量为棱边所作的平行六面体体积。在直角坐标系中,设坐标轴向的三个单位矢量标记为,令三个矢量的分量记为及则有
因此,三重标量积必有如下关系式:即有循环法则成立,这就是说不改变三重标量积中三个矢量顺序的组合,其结果相等。
三重矢量积
如,和是三个矢量,组合 叫做他们的三重标量积,因有
故有中心法则成立,这就是说只有改变中间矢量时,三重标量积符号才改变。三重标量积有一个重要的性质(证略): (1-209)
将矢量作重新排列又有: (1-210)
3.算子()
是哈密顿算子,它是一个矢量算子。()则是一个标量算子,将它作用于标量,即是在方向的变化速率的倍。如以无穷小的位置矢量代替以上矢量,则
是在位移方向的变化率的倍,即。
若将作用于矢量,则就是再位移方向变化率的倍,既为速度矢量的全微分
应用三重矢量积公式(1-209)
应用三重矢量积公式(1-210)又有
将以上两式结合(相减)后可得
一个重要的特例,令,因则有
算子的应用
令是标量,是矢量,为并矢量,则有
在直角坐标中,令
对一组正交曲线坐标系,其单位矢量,将任意位置矢量变分写为
其中为尺度因子(拉美系数)。因在直角坐标中,,所以。在柱坐标中,因,所以。在球坐标中,因,所以。
在任意正交曲线坐标系中,令是标量,矢量,则有
单位矢量的旋度和散度为
方向梯度作用于矢量为
笛卡尔张量
求和约定.克罗尼克尔符号.轮转符号
以表示笛卡尔直角坐标系的坐标,表示三个坐标轴方向单位矢量。令,定义求和约定的写法为式中重复下标称为哑指标,表示求和约定。哑指标字母可以任意更换,和具有相同的效果。使用求和约定时规定在每一单项中同一指标使用不能超过两次。
克罗克尼尔(Kroneker)符号定义为
在笛卡尔直角坐标系中,有
单位矩阵也可以表示为
轮转符号定义为
例如。采用轮转符号可使运算的书写简化,如
或
或
笛卡尔张量定义
在直角坐标系中张量称为笛卡尔张量,而张量本身与所取的坐标无关。如一个标量在任何坐标系中都为同一个量,标量亦称为零阶张量。如一个适量在任何坐标系中以为同一个量。但他在三维空间中由三个分量组成,在不同的坐标系中这三个分量则不同,但他们都有一定的变换关系,矢量亦称为一阶张量。若有一个量(如应力)在任一点处有三个矢量分量即这个量具有九个分量。这个量在任何坐标系中都为一个量,而它们的9个分量在不同的坐标系中有不同的分量,但它们存在一定的变换关系,则这个量称为二阶张量,常简称为张量。在三维空间中被称为零阶张量,一阶张量,二阶张量等等,是因为它们分别有个分量,而称之为零阶,一阶,二阶张量,并可由此类推到n阶张量。
笛卡尔二阶张量所确定的三个矢量的分解式为
则张量可用9个张量元素来定义,可写成如下的矩阵形式
或写成张量的九项式:
如,则为单位张量
如果张两分两满足条件,则这个张量叫对称张量。如果张两分两满足条件,则这个张量叫反对称张量。若将张量的分量与互易位置后的张量,则称该张量的共轭张量,并以表示:
并失
为区别两个矢量的点乘,可将两个矢量的并失写成。令,则并失亦有9个分量,写成矩阵形式为,并失为二阶张量。必须注意,并失与是不同的,由此可见是并失的共轭张量。
矢量的梯度梯度为一并失,故是一个二阶张量:
考虑矢量的无穷小增量,因
故为具有九个分量的二阶张量
因可将 表示为张量与矢量的点乘,
应用并失运算法则又有
对标量函数类似的有
并失运算服从如下四个运算法则
结合律法则 连续的并失积可以任何方式加上括号而不改变结果。
标量率法则 标量在并失运算中可以提到任何一个位置。
缩并率法则 两个矢量点乘为一个标量,一个并失(张量)与一个矢量点乘则为一个矢量,表示通过点乘将并矢量积的阶降低了两阶,这个过程叫做缩并。如利用结合率和标量律后,可知并失与矢量的点乘后为一矢量:
如利用标量律后,可知两个并失点乘后仍未一并失
分配律法则
张量的梯度,散度和格林定理
零阶张量(标量)的梯度是矢量,一阶张量(矢量)的梯度是二阶张量,一次类推,二阶张量的梯度必为三阶张量。
设A是二阶张量,其分量,定义表示对求偏导数。
梯度符号是一矢量算子,故张量A的梯度可写为张量A的梯度具有27个分量的量,即个分量,属于三阶张量。
一阶张量(矢量)的散度是一个标量,二阶张量的散度将是一个矢量。散度的定义为
在正交坐标系中,拉美系数为时,二阶张量的散度和变形率张量分量的公式为
若令为一
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