(Siehe Bronstein, Taschenbuch der Mathematik [BSMM08, pp. 190])
Im Folgenden sind , , und Vektoren oder vektorielle Funktionen, a, b, c und f ihre Längen, k eine Zahl und φ() eine skalare Funktion. Die Komponenten der Vektoren in kartesischen Koordinaten sind
Für die anderen Vektoren werden die Komponenten analog geschrieben.
Doppeltes Vektorprodukt
| (C.1) |
Das Spatprodukt oder gemischte Produkt berechnet das Volumen des durch ,, aufgespannten Spates. Das Vorzeichen ist + bei gerader Permutation von a,b,c und − bei ungerader Permutation.
Drei Vektoren sind komplanar, wenn
| (C.3) |
Jacobi-Identität
| (C.4) |
Lagrangesche Identität
| (C.5) |
Vierfaches Vektorprodukt
| (C.6) |
Ableiten eines Vektors
| (C.7) |
Ableitung eines Produktes
| (C.8) |
Ableitung des Skalarproduktes
| (C.9) |
Ableitung des Vektorproduktes
| (C.10) |
Ableitung eines Vektors mit konstantem Betrag. Hier ist · = a2 = const. Aus Gleichung (C.9) folgt
| (C.11) |
Taylorentwicklung einer Vektorfunktion
| (C.12) |
(Siehe Bronstein, Taschenbuch der Mathematik [BSMM08, pp. 668])
Ableitung eines skalaren Feldes nach einer Richtung
| (C.13) |
Ableitung in Richtung des Einheitsvektors in Richtung von
| (C.14) |
Richtungsableitung einer skalaren Funktion im Vergleich zur Richtung mit dem stärksten Abfall (Einheitsvektor )
| (C.15) |
Ableitung eines Vektorfeldes nach einer Richtung
| (C.16) |
Ableitung in Richtung des Einheitsvektors in Richtung von
| (C.17) |
Richtungsableitung einer Vektorfunktion
Gradient eines Produktes
| (C.19) |
Kettenregel beim Gradienten
| (C.20) |
Gradient eines Skalarproduktes
| (C.21) |
Gradient eines Skalarproduktes eines konstanten Vektors mit einem Ortsvektor
| (C.22) |
Gradient eines Vektors = T
| (C.23) |
Divergenz eines Produktes
| (C.24) |
Divergenz eines Skalarproduktes eines konstanten Vektors mit einem Ortsvektor
| (C.25) |
Divergenz eines Vektorproduktes
| (C.26) |
Rotation eines Produktes
| (C.27) |
Rotation eines Vektorproduktes
| (C.28) |
Rotation eines Potentialfeldes
| (C.29) |
Divergenz einer Rotation
| (C.30) |
Rotation einer Rotation
| (C.31) |
Laplace-Operator in kartesischen Koordinaten
| (C.32) |
und für Vektorfunktionen
| (C.33) |
Wenn wir eine Funktion y = f(x) als Höhenprofil in einer zweidimensionalen Landschaft auffassen, dann ist
die Steigung dieses Profiles an der Stelle x. f(x) ist die Höhenangabe über einer eindimensionalen Grundfläche.
Wir können eine Funktion f(x,y) als Höhenangabe über einer zweidimensionalen Grundfläche betrachten.
__________________________________________________________________________
Gradient als Richtung der stärksten Steigung
_____________________________________________________________________
Die Funktion Gradient berechnet das stärkste Gefälle
einer Höhenlandschaft über einer zweidimensionalen
Ebene. Sie ist definiert:
|
Eine skalare Funktion f(x,y,z) definiert eine „Höhenlandschaft“ über einer dreidimensionalen Grundfläche. Sie kann nicht mit einfachen Mitteln visualisiert werden. Hier ist die Definition
Gradient einer skalaren Funktion f(x,y,z) von drei
Variablen
|
Wir betrachten eine Vektorfunktion
_________________________________________
_____________________________________________________________________
Wenn wir die Umrandung betrachten, dann sehen wir, dass netto etwas aus ihr herausfliesst. Die „Fläche“ ist dx. In die x-Richtung heisst das, dass
fliesst.
In die y-Richtung müssen wir die schräg liegenden Vektoren aufteilen. Die x-Komponente, fx(x,y) und fx(x,y + dy) ist parallel zur oberen und unteren Umrandung. Sie trägt nichts zum Fluss bei. Also gilt auch für die y-Richtung
Die Grösse F = Fx + Fy nennen wir Divergenz oder Quellstärke. Mit
und
erhalten wir für die
Divergenz oder Quellstärke in 2 Dimensionen
|
Eine analoge Überlegung kann man sich in drei Dimensionen machen. Die Vektorfunktion ist dann
Wir definieren
Divergenz einer Vektorfunktion (x,y,z) in drei
Dimensionen
|
Wir betrachten wieder eine zweidimensionale Vektorfunktion
_________________________________________
Drehung eines schwimmenden Klotzes, Rotation
_____________________________________________________________________
Wir nehmen nun an, dass die durch (x,y) definierten Strömungen den rechteckigen schwimmenden Klotz beeinflussen. So wie die Vektoren gezeichnet sind, wird er sich drehen. Seine Drehachse zeigt aus der Zeichenebene heraus, also die z-Richtung. Die Drehung hat etwas zu tun mit den Grössen
und
Um bei gleicher Drehrichtung (positiv ist im Gegenuhrzeigersinn) eine positive Grösse zu haben, wird bei Rx ein „−“ eingefügt. Mit
und
ist die Stärke der Drehung oder die
Rotation in zwei Dimensionen
|
Diese R zeigt in die +z-Richtung, wenn wir den zweidimensionalen Raum im dreidimensionalen eingebettet betrachten. Für eine dreidimensionale Vektorfunktion
kann man sich überlegen, dass die gleichen Überlegungen wie für die xy-Ebene (Rotation um z) auch für die xz-Ebene (Rotation um y) und die yz-Ebene (Rotation um x) gelten. Wir definieren also
Rotation in drei Dimensionen
|
Man kann sich die Berechnung gut merken mit
Gedankenstütze für Rotation
|
Wenn = ein konstanter Geschwindigkeitsvektor ist und diese Grösse an einem mit der Geschwindigkeit bewegten Ort beobachtet wird, dann gilt (Siehe Jackson[Jac75, p212]):
| (C.34) |
wobei die totale Ableitung im raumfesten Koordinatensystem und die lokale, mitgeführte Ableitung ist. Diese Gleichung stammt von der Kettenregel:
In drei Dimensionen muss mit dem Gradienten gerechnet werden:
Dabei bedeutet die partielle Ableitung ∂∕∂t dass man nur nach der Zeitvariable ableitet, nicht aber nach der impliziten Zeitableitung in .
Mit Gleichung (C.28) kann man schreiben
oder
Nun ist div = 0. Weiter ist div = div = (3) = 0 und grad = grad = E = 0, wobei E die 3 mal 3 Einheits-Diagonalmatrix ist. Damit haben wir ohne Einschränkung der Allgemeinheit
und
| (C.40) |