r矢量球坐标系旋度_拉梅系数在矢量分析中的应用

这几天查资料看到的,顺手写下来当做笔记

拉梅系数可以较为方便的推导非空间直角坐标系中的梯度,散度,旋度,拉普拉斯算子

在一正交曲线坐标系

其中,定义拉梅系数

,其中

那么,

下面推导梯度:

是一个标量函数

其中,设

是可以推导的:

,

运用公式:

,算出
得到:

此时也得到了该坐标系下的哈密顿算子


之后是散度,此时的

是矢量函数,可以写成

暴力计算后可以得到,但是不够优雅;

下面我写一种计算比较简单的方法

先证明几个引理

引理1:

引理2:

引理3:

(涉及到叉乘,符号表示比较麻烦,故只证明
时的情况)

运用引理1,可得:

那么

那么

运用类似于引理3的套路进行构造,再运用引理3:


然后是旋度:

写成行列式

然后第一列、第二列、第三列的元素依次乘以

,再在行列式外面乘以对应的因子


最后是拉普拉斯

代入立即得到:(真的是代入立即得到


最后总结一下,哈密顿算子,梯度,散度,旋度,拉普拉斯算子用拉梅系数表示的公式

先列举常见的拉梅系数:

空间直角坐标系:

柱坐标系:

球坐标系:

举个例子,像比较麻烦的球坐标拉普拉斯,如果拿链式法则之类的很麻烦,但是如果拿这个公式不用计算,代入即得不信请看:

可见这个公式的强大。但是似乎不怎么方便记忆,这是一个问题。

这篇文章是从矢量分析的角度写的,格里菲斯电动力学导论的附录对此推导有着更清晰的物理图景

关于矢量分析的公式、证明以及一些方法我会专门开一篇文章写一写

关于拉梅系数就写到这里

update1:修改了两处笔误,增加了倒数第三段(2020.07.05)


版权声明:本文为weixin_42511990原创文章,遵循CC 4.0 BY-SA版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。