stringtranslate.com

Дель

Оператор Del,
представленный
символом набла

Del , или nabla , — оператор, используемый в математике (в частности, в векторном исчислении ) как векторный дифференциальный оператор , обычно представленный символом набла . При применении к функции, определенной в одномерной области, он обозначает стандартную производную функции, как определено в исчислении . При применении к полю (функции, определенной в многомерной области) он может обозначать любую из трех операций в зависимости от способа его применения: градиент или (локально) самый крутой наклон скалярного поля ( или иногда векторного поля , как в уравнениях Навье–Стокса ); дивергенция векторного поля; или ротор (вращение) векторного поля.

Del — очень удобная математическая нотация для этих трех операций (градиента, расхождения и ротора), которая упрощает написание и запоминание многих уравнений . Символ del (или nabla) можно формально определить как векторный оператор, компонентами которого являются соответствующие операторы частных производных . Как векторный оператор, он может действовать на скалярные и векторные поля тремя различными способами, что приводит к трем различным дифференциальным операциям: во-первых, он может действовать на скалярные поля посредством формального скалярного умножения — чтобы получить векторное поле, называемое градиентом; во-вторых, он может действовать на векторные поля посредством формального скалярного произведения — чтобы получить скалярное поле, называемое дивергенцией; и, наконец, он может действовать на векторные поля посредством формального векторного произведения — чтобы получить векторное поле, называемое ротором. Эти формальные произведения не обязательно коммутируют с другими операторами или произведениями. Эти три использования, подробно описанные ниже, суммируются следующим образом:

Определение

В декартовой системе координат с координатами и стандартным базисом del — векторный оператор, компонентами которого являются операторы частных производных ; то есть,

Где выражение в скобках — вектор-строка. В трехмерной декартовой системе координат с координатами и стандартным базисом или единичными векторами осей del записывается как

Как векторный оператор, del естественным образом действует на скалярные поля посредством скалярного умножения, а на векторные поля естественным образом действует посредством скалярных произведений и перекрестных произведений.

Более конкретно, для любого скалярного поля и любого векторного поля , если определить

тогда, используя приведенное выше определение , можно написать

и

и

Пример:

Del также может быть выражен в других системах координат, см., например, del в цилиндрических и сферических координатах .

Обозначения используются

Del используется как сокращенная форма для упрощения многих длинных математических выражений. Чаще всего он используется для упрощения выражений для градиента , дивергенции , ротора , производной по направлению и Лапласа .

Градиент

Векторная производная скалярного поля называется градиентом и может быть представлена ​​как:

Он всегда указывает в направлении наибольшего увеличения , и имеет величину, равную максимальной скорости увеличения в точке — как и стандартная производная. В частности, если холм определен как функция высоты над плоскостью , градиент в заданном месте будет вектором в плоскости xy (визуализируемым как стрелка на карте), указывающим вдоль самого крутого направления. Величина градиента — это значение этого самого крутого склона.

В частности, эта нотация является мощной, поскольку правило градиентного произведения выглядит очень похоже на случай 1d-производной:

Однако правила для скалярных произведений не оказываются простыми, как показано ниже:

Дивергенция

Дивергенция векторного поля — это скалярное поле , которое можно представить как:

Дивергенция — это, грубо говоря, мера увеличения векторного поля в направлении, которое оно указывает; но, если говорить точнее, это мера тенденции этого поля сходиться к точке или расходиться от нее.

Сила записи del показана в следующем правиле произведения:

Формула для векторного произведения немного менее интуитивна, поскольку это произведение не является коммутативным:

Завиток

Ротор векторного поля — это векторная функция , которую можно представить в виде:

Завихрение в точке пропорционально крутящему моменту на оси, которому подвергалась бы крошечная вертушка, если бы она была центрирована в этой точке.

Операция векторного произведения может быть визуализирована как псевдодетерминант :

И снова сила нотации демонстрируется правилом произведения:

Правило для векторного произведения оказывается не таким уж простым:

Направленная производная

Направленная производная скалярного поля по направлению определяется как:

Что равно следующему, когда градиент существует

Это дает скорость изменения поля в направлении , масштабированную по величине . В операторной нотации элемент в скобках можно считать единой связной единицей; динамика жидкости широко использует это соглашение, называя его конвективной производной — «движущейся» производной жидкости.

Обратите внимание, что это оператор, который переводит скаляр в скаляр. Его можно расширить для работы с вектором, работая отдельно с каждым из его компонентов.

Лапласиан

Оператор Лапласа — скалярный оператор, который может применяться как к векторным, так и к скалярным полям; для декартовых систем координат он определяется как:

а определение для более общих систем координат дано в векторном Лапласиане .

Лапласиан повсеместно используется в современной математической физике , появляясь, например, в уравнении Лапласа , уравнении Пуассона , уравнении теплопроводности , волновом уравнении и уравнении Шредингера .

Матрица Гессе

В то время как обычно представляет собой лапласиан , иногда также представляет собой матрицу Гессе . Первый относится к внутреннему произведению , в то время как последний относится к двоичному произведению :

.

Поэтому речь идет о матрице Лапласа или Гессе, зависит от контекста.

Производная тензора

Del также может быть применен к векторному полю, результатом чего будет тензор . Производная тензора векторного поля (в трех измерениях) является 9-членным тензором второго ранга, то есть матрицей 3×3, но может быть обозначена просто как , где представляет собой двоичное произведение . Эта величина эквивалентна транспонированию матрицы Якоби векторного поля относительно пространства. Тогда дивергенция векторного поля может быть выражена как след этой матрицы.

При малом смещении изменение векторного поля определяется выражением:

Правила продукта

Для векторного исчисления :

Для матричного исчисления (для которого можно записать ):

Другое интересное соотношение (см., например, уравнения Эйлера ) заключается в следующем, где — тензор внешнего произведения :

Вторые производные

Диаграмма DCG: Простая диаграмма, иллюстрирующая все правила, относящиеся ко вторым производным. D, C, G, L и CC обозначают дивергенцию, завиток, градиент, лапласиан и завиток завитка соответственно. Стрелки указывают на существование вторых производных. Синий круг в середине представляет завиток завитка, тогда как два других красных круга (пунктирные) означают, что DD и GG не существуют.

Когда del работает со скаляром или вектором, возвращается либо скаляр, либо вектор. Из-за разнообразия векторных произведений (скаляр, точка, крест) одно применение del уже приводит к трем основным производным: градиенту (скалярное произведение), дивергенции (скалярное произведение) и ротору (перекрестное произведение). Применение этих трех видов производных снова друг к другу дает пять возможных вторых производных для скалярного поля f или векторного поля v ; использование скалярного лапласиана и векторного лапласиана дает еще два:

Они интересны в основном потому, что они не всегда уникальны или независимы друг от друга. Пока функции ведут себя хорошо ( в большинстве случаев), две из них всегда равны нулю:

Два из них всегда равны:

Три оставшиеся векторные производные связаны уравнением:

И один из них можно даже выразить с помощью тензорного произведения, если функции ведут себя хорошо:

Меры предосторожности

Большинство из вышеперечисленных векторных свойств (за исключением тех, которые явно опираются на дифференциальные свойства del, например, правило произведения) опираются только на перестановку символов и должны обязательно сохраняться, если символ del заменяется любым другим вектором. Это часть ценности, которая должна быть получена при обозначении этого оператора как вектора.

Хотя часто можно заменить del вектором и получить векторную идентичность, сделав эти идентичности мнемоническими, обратное не обязательно надежно, поскольку del в общем случае не коммутирует.

Контрпример, демонстрирующий, что оператор дивергенции ( ) и оператор адвекции ( ) не являются коммутативными:

Контрпример, основанный на дифференциальных свойствах Дэля:

Центральным в этих различиях является тот факт, что del — это не просто вектор; это векторный оператор . В то время как вектор — это объект, имеющий как величину, так и направление, del не имеет ни величины, ни направления, пока не работает с функцией.

По этой причине тождества, включающие del, следует выводить с осторожностью, используя как векторные тождества, так и тождества дифференциации, такие как правило произведения.

Смотрите также

Ссылки

Внешние ссылки