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在圆柱和球坐标系中的del

下面是常用于正交曲线坐标系英语Curvilinear coordinates中的一些向量微积分公式。

注释

  • 本文对球坐标使用标准符号ISO 80000-2,它取代了ISO 31-11,(部分其他来源可能有着颠倒θ和φ的定义):
    • 极角表示为θ:它是在z轴与连接原点和目标点的径向向量之间的角度。
    • 方位角表示为φ:它是在x轴与径向向量在xy面上的投影之间的角度。
  • 函数atan2(y, x)可以用于替代数学函数arctan(y/x)。这是由于它的定义域的缘故,经典arctan函数的像为(−π/2, +π/2),而atan2定义的像为(−π, π]

坐标转换

在直角、圆柱和球坐标间的变换[1]
直角 圆柱
直角      
圆柱      
     

单位向量转换

在直角、圆柱和球坐标系间的单位向量转换,从目的坐标的角度。[1]
直角 圆柱
直角 不適用    
圆柱   不適用  
    不適用
在直角、圆柱和球坐标系间的单位向量转换,从源坐标的角度。
直角 圆柱
直角 不適用    
圆柱   不適用  
    不適用

Del公式

在直角、圆柱和球坐标下的del算子的表格
运算 直角坐标 (x, y, z) 圆柱坐标 (ρ, φ, z) 球坐标 (r, θ, φ),这里的θ是极角而φ是方位角α
向量场 A      
梯度 f[1]      
散度 ∇ ⋅ A[1]      
旋度 ∇ × A[1]      
拉普拉斯算子 2f ≡ ∆f[1]      
向量拉普拉斯算子 2A ≡ ∆A  
物质导数α[2] (A ⋅ ∇)B    
张量散度 ∇ ⋅ T
微分位移 d[1]      
微分正规面积 dS      
微分体积 dV[1]      
本页对极角采用 对方位角采用 ,这是在物理学中常用的符号。某些来源在这些公式中对方位角采用 对极角采用 ,这是常用数学符号,如果需要这种数学公式,可对换上表公式中的  

非平凡的演算规则

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  (del的拉格朗日公式
  5.  

直角坐标系推导

 

 


 

  的表达式可以同理得出。

註:第一式中的   時的量值,並非 值乘上 。以下圓柱座標、球座標的推導中亦然。

圆柱坐标系推导

 

 
 
 
 
 

球坐标系推导

 

 

 

 

 

 

单位向量转换公式

坐标参数u的单位向量以如下方式定义,u的小的正值改变导致位置向量  方向上的改变。因此:

 

这里的s弧长参数。

对于两组坐标系  ,依据链式法则

在圆柱和球坐标系中的del, 下面是常用于正交曲线坐标系, 英语, curvilinear, coordinates, 中的一些向量微积分公式, 目录, 注释, 坐标转换, 单位向量转换, del公式, 非平凡的演算规则, 直角坐标系推导, 圆柱坐标系推导, 球坐标系推导, 单位向量转换公式, 参见, 引用, 外部链接注释, 编辑本文对球坐标使用标准符号iso, 80000, 它取代了iso, 部分其他来源可能有着颠倒θ和φ的定义, 极角表示为θ, 它是在z轴与连接原点和目标点的径向向量之间的角度, 方位角表示为φ. 下面是常用于正交曲线坐标系 英语 Curvilinear coordinates 中的一些向量微积分公式 目录 1 注释 2 坐标转换 3 单位向量转换 4 Del公式 4 1 非平凡的演算规则 5 直角坐标系推导 6 圆柱坐标系推导 7 球坐标系推导 8 单位向量转换公式 9 参见 10 引用 11 外部链接注释 编辑本文对球坐标使用标准符号ISO 80000 2 它取代了ISO 31 11 部分其他来源可能有着颠倒8和f的定义 极角表示为8 它是在z轴与连接原点和目标点的径向向量之间的角度 方位角表示为f 它是在x轴与径向向量在xy面上的投影之间的角度 函数atan2 y x 可以用于替代数学函数arctan y x 这是由于它的定义域和像的缘故 经典arctan函数的像为 p 2 p 2 而atan2定义的像为 p p 坐标转换 编辑在直角 圆柱和球坐标间的变换 1 从直角 圆柱 球到 直角 x x y y z z displaystyle begin aligned x amp x y amp y z amp z end aligned x r cos f y r sin f z z displaystyle begin aligned x amp rho cos varphi y amp rho sin varphi z amp z end aligned x r sin 8 cos f y r sin 8 sin f z r cos 8 displaystyle begin aligned x amp r sin theta cos varphi y amp r sin theta sin varphi z amp r cos theta end aligned 圆柱 r x 2 y 2 f arctan y x z z displaystyle begin aligned rho amp sqrt x 2 y 2 varphi amp arctan left frac y x right z amp z end aligned r r f f z z displaystyle begin aligned rho amp rho varphi amp varphi z amp z end aligned r r sin 8 f f z r cos 8 displaystyle begin aligned rho amp r sin theta varphi amp varphi z amp r cos theta end aligned 球 r x 2 y 2 z 2 8 arctan x 2 y 2 z f arctan y x displaystyle begin aligned r amp sqrt x 2 y 2 z 2 theta amp arctan left frac sqrt x 2 y 2 z right varphi amp arctan left frac y x right end aligned r r 2 z 2 8 arctan r z f f displaystyle begin aligned r amp sqrt rho 2 z 2 theta amp arctan left frac rho z right varphi amp varphi end aligned r r 8 8 f f displaystyle begin aligned r amp r theta amp theta varphi amp varphi end aligned 单位向量转换 编辑在直角 圆柱和球坐标系间的单位向量转换 从目的坐标的角度 1 直角 圆柱 球直角 不適用 x cos f r sin f f y sin f r cos f f z z displaystyle begin aligned hat mathbf x amp cos varphi hat boldsymbol rho sin varphi hat boldsymbol varphi hat mathbf y amp sin varphi hat boldsymbol rho cos varphi hat boldsymbol varphi hat mathbf z amp hat mathbf z end aligned x sin 8 cos f r cos 8 cos f 8 sin f f y sin 8 sin f r cos 8 sin f 8 cos f f z cos 8 r sin 8 8 displaystyle begin aligned hat mathbf x amp sin theta cos varphi hat mathbf r cos theta cos varphi hat boldsymbol theta sin varphi hat boldsymbol varphi hat mathbf y amp sin theta sin varphi hat mathbf r cos theta sin varphi hat boldsymbol theta cos varphi hat boldsymbol varphi hat mathbf z amp cos theta hat mathbf r sin theta hat boldsymbol theta end aligned 圆柱 r x x y y x 2 y 2 f y x x y x 2 y 2 z z displaystyle begin aligned hat boldsymbol rho amp frac x hat mathbf x y hat mathbf y sqrt x 2 y 2 hat boldsymbol varphi amp frac y hat mathbf x x hat mathbf y sqrt x 2 y 2 hat mathbf z amp hat mathbf z end aligned 不適用 r sin 8 r cos 8 8 f f z cos 8 r sin 8 8 displaystyle begin aligned hat boldsymbol rho amp sin theta hat mathbf r cos theta hat boldsymbol theta hat boldsymbol varphi amp hat boldsymbol varphi hat mathbf z amp cos theta hat mathbf r sin theta hat boldsymbol theta end aligned 球 r x x y y z z x 2 y 2 z 2 8 x x y y z x 2 y 2 z x 2 y 2 z 2 x 2 y 2 f y x x y x 2 y 2 displaystyle begin aligned hat mathbf r amp frac x hat mathbf x y hat mathbf y z hat mathbf z sqrt x 2 y 2 z 2 hat boldsymbol theta amp frac left x hat mathbf x y hat mathbf y right z left x 2 y 2 right hat mathbf z sqrt x 2 y 2 z 2 sqrt x 2 y 2 hat boldsymbol varphi amp frac y hat mathbf x x hat mathbf y sqrt x 2 y 2 end aligned r r r z z r 2 z 2 8 z r r z r 2 z 2 f f displaystyle begin aligned hat mathbf r amp frac rho hat boldsymbol rho z hat mathbf z sqrt rho 2 z 2 hat boldsymbol theta amp frac z hat boldsymbol rho rho hat mathbf z sqrt rho 2 z 2 hat boldsymbol varphi amp hat boldsymbol varphi end aligned 不適用在直角 圆柱和球坐标系间的单位向量转换 从源坐标的角度 直角 圆柱 球直角 不適用 x x r y f x 2 y 2 y y r x f x 2 y 2 z z displaystyle begin aligned hat mathbf x amp frac x hat boldsymbol rho y hat boldsymbol varphi sqrt x 2 y 2 hat mathbf y amp frac y hat boldsymbol rho x hat boldsymbol varphi sqrt x 2 y 2 hat mathbf z amp hat mathbf z end aligned x x x 2 y 2 r z 8 y x 2 y 2 z 2 f x 2 y 2 x 2 y 2 z 2 y y x 2 y 2 r z 8 x x 2 y 2 z 2 f x 2 y 2 x 2 y 2 z 2 z z r x 2 y 2 8 x 2 y 2 z 2 displaystyle begin aligned hat mathbf x amp frac x left sqrt x 2 y 2 hat mathbf r z hat boldsymbol theta right y sqrt x 2 y 2 z 2 hat boldsymbol varphi sqrt x 2 y 2 sqrt x 2 y 2 z 2 hat mathbf y amp frac y left sqrt x 2 y 2 hat mathbf r z hat boldsymbol theta right x sqrt x 2 y 2 z 2 hat boldsymbol varphi sqrt x 2 y 2 sqrt x 2 y 2 z 2 hat mathbf z amp frac z hat mathbf r sqrt x 2 y 2 hat boldsymbol theta sqrt x 2 y 2 z 2 end aligned 圆柱 r cos f x sin f y f sin f x cos f y z z displaystyle begin aligned hat boldsymbol rho amp cos varphi hat mathbf x sin varphi hat mathbf y hat boldsymbol varphi amp sin varphi hat mathbf x cos varphi hat mathbf y hat mathbf z amp hat mathbf z end aligned 不適用 r r r z 8 r 2 z 2 f f z z r r 8 r 2 z 2 displaystyle begin aligned hat boldsymbol rho amp frac rho hat mathbf r z hat boldsymbol theta sqrt rho 2 z 2 hat boldsymbol varphi amp hat boldsymbol varphi hat mathbf z amp frac z hat mathbf r rho hat boldsymbol theta sqrt rho 2 z 2 end aligned 球 r sin 8 cos f x sin f y cos 8 z 8 cos 8 cos f x sin f y sin 8 z f sin f x cos f y displaystyle begin aligned hat mathbf r amp sin theta left cos varphi hat mathbf x sin varphi hat mathbf y right cos theta hat mathbf z hat boldsymbol theta amp cos theta left cos varphi hat mathbf x sin varphi hat mathbf y right sin theta hat mathbf z hat boldsymbol varphi amp sin varphi hat mathbf x cos varphi hat mathbf y end aligned r sin 8 r cos 8 z 8 cos 8 r sin 8 z f f displaystyle begin aligned hat mathbf r amp sin theta hat boldsymbol rho cos theta hat mathbf z hat boldsymbol theta amp cos theta hat boldsymbol rho sin theta hat mathbf z hat boldsymbol varphi amp hat boldsymbol varphi end aligned 不適用Del公式 编辑在直角 圆柱和球坐标下的del算子的表格 运算 直角坐标 x y z 圆柱坐标 r f z 球坐标 r 8 f 这里的8是极角而f 是方位角a向量场 A A x x A y y A z z displaystyle A x hat mathbf x A y hat mathbf y A z hat mathbf z A r r A f f A z z displaystyle A rho hat boldsymbol rho A varphi hat boldsymbol varphi A z hat mathbf z A r r A 8 8 A f f displaystyle A r hat mathbf r A theta hat boldsymbol theta A varphi hat boldsymbol varphi 梯度 f 1 f x x f y y f z z displaystyle partial f over partial x hat mathbf x partial f over partial y hat mathbf y partial f over partial z hat mathbf z f r r 1 r f f f f z z displaystyle partial f over partial rho hat boldsymbol rho 1 over rho partial f over partial varphi hat boldsymbol varphi partial f over partial z hat mathbf z f r r 1 r f 8 8 1 r sin 8 f f f displaystyle partial f over partial r hat mathbf r 1 over r partial f over partial theta hat boldsymbol theta 1 over r sin theta partial f over partial varphi hat boldsymbol varphi 散度 A 1 A x x A y y A z z displaystyle partial A x over partial x partial A y over partial y partial A z over partial z 1 r r A r r 1 r A f f A z z displaystyle 1 over rho partial left rho A rho right over partial rho 1 over rho partial A varphi over partial varphi partial A z over partial z 1 r 2 r 2 A r r 1 r sin 8 8 A 8 sin 8 1 r sin 8 A f f displaystyle 1 over r 2 partial left r 2 A r right over partial r 1 over r sin theta partial over partial theta left A theta sin theta right 1 over r sin theta partial A varphi over partial varphi 旋度 A 1 A z y A y z x A x z A z x y A y x A x y z displaystyle begin aligned left frac partial A z partial y frac partial A y partial z right amp hat mathbf x left frac partial A x partial z frac partial A z partial x right amp hat mathbf y left frac partial A y partial x frac partial A x partial y right amp hat mathbf z end aligned 1 r A z f A f z r A r z A z r f 1 r r A f r A r f z displaystyle begin aligned left frac 1 rho frac partial A z partial varphi frac partial A varphi partial z right amp hat boldsymbol rho left frac partial A rho partial z frac partial A z partial rho 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f over partial z 2 1 r 2 r r 2 f r 1 r 2 sin 8 8 sin 8 f 8 1 r 2 sin 2 8 2 f f 2 displaystyle 1 over r 2 partial over partial r left r 2 partial f over partial r right 1 over r 2 sin theta partial over partial theta left sin theta partial f over partial theta right 1 over r 2 sin 2 theta partial 2 f over partial varphi 2 向量拉普拉斯算子 2A A 2 A x x 2 A y y 2 A z z displaystyle nabla 2 A x hat mathbf x nabla 2 A y hat mathbf y nabla 2 A z hat mathbf z 点击查看 显示 2 A r A r r 2 2 r 2 A f f r 2 A f A f r 2 2 r 2 A r f f 2 A z z displaystyle begin aligned mathopen left nabla 2 A rho frac A rho rho 2 frac 2 rho 2 frac partial A varphi partial varphi right mathclose amp hat boldsymbol rho mathopen left nabla 2 A varphi frac A varphi rho 2 frac 2 rho 2 frac partial A rho partial varphi right mathclose amp hat boldsymbol varphi nabla 2 A z amp hat mathbf z end aligned 点击查看 显示 2 A r 2 A r r 2 2 r 2 sin 8 A 8 sin 8 8 2 r 2 sin 8 A f f r 2 A 8 A 8 r 2 sin 2 8 2 r 2 A r 8 2 cos 8 r 2 sin 2 8 A f f 8 2 A f A f r 2 sin 2 8 2 r 2 sin 8 A r f 2 cos 8 r 2 sin 2 8 A 8 f f displaystyle begin aligned left nabla 2 A r frac 2A r r 2 frac 2 r 2 sin theta frac partial left A theta sin theta right partial theta frac 2 r 2 sin theta frac partial A varphi partial varphi right amp hat mathbf r left nabla 2 A theta frac A theta r 2 sin 2 theta frac 2 r 2 frac partial A r partial theta frac 2 cos theta r 2 sin 2 theta frac partial A varphi partial varphi right amp hat boldsymbol theta left nabla 2 A varphi frac A varphi r 2 sin 2 theta frac 2 r 2 sin theta frac partial A r partial varphi frac 2 cos theta r 2 sin 2 theta frac partial A theta partial varphi right amp hat boldsymbol varphi end aligned 物质导数a 2 A B A B x x A B y y A B z z displaystyle mathbf A cdot nabla B x hat mathbf x mathbf A cdot nabla B y hat mathbf y mathbf A cdot nabla B z hat mathbf z A r B r r A f r B r f A z B r z A f B f r r A r B f r A f r B f f A z B f z A f B r r f A r B z r A f r B z f A z B z z z displaystyle begin aligned left 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1 r T r f T f r f T r z r 1 r T f z f T z z z T r z r z displaystyle begin aligned left frac partial T rho rho partial rho frac 1 rho frac partial T varphi rho partial varphi frac partial T z rho partial z frac 1 rho T rho rho T varphi varphi right amp hat boldsymbol rho left frac partial T rho varphi partial rho frac 1 rho frac partial T varphi varphi partial varphi frac partial T z varphi partial z frac 1 rho T rho varphi T varphi rho right amp hat boldsymbol varphi left frac partial T rho z partial rho frac 1 rho frac partial T varphi z partial varphi frac partial T zz partial z frac T rho z rho right amp hat mathbf z end aligned 点击查看 显示 T r r r 2 T r r r 1 r T 8 r 8 cot 8 r T 8 r 1 r sin 8 T f r f 1 r T 8 8 T f f r T r 8 r 2 T r 8 r 1 r T 8 8 8 cot 8 r T 8 8 1 r sin 8 T f 8 f T 8 r r cot 8 r T f f 8 T r f r 2 T r f r 1 r T 8 f 8 1 r sin 8 T f f f T f r r cot 8 r T 8 f T f 8 f displaystyle begin aligned left frac partial T rr partial r 2 frac T rr r frac 1 r frac partial T theta r partial theta frac cot theta r T theta r frac 1 r sin theta frac partial T varphi r partial varphi frac 1 r T theta theta T varphi varphi right amp hat mathbf r left frac partial T r theta partial r 2 frac T r theta r frac 1 r frac partial T theta theta partial theta frac cot theta r T theta theta frac 1 r sin theta frac partial T varphi theta partial varphi frac T theta r r frac cot theta r T varphi varphi right amp hat boldsymbol theta left frac partial T r varphi partial r 2 frac T r varphi r frac 1 r frac partial T theta varphi partial theta frac 1 r sin theta frac partial T varphi varphi partial varphi frac T varphi r r frac cot theta r T theta varphi T varphi theta right amp hat boldsymbol varphi end aligned 微分位移 dℓ 1 d x x d y y d z z displaystyle dx hat mathbf x dy hat mathbf y dz hat mathbf z d r r r d f f d z z displaystyle d rho hat boldsymbol rho rho d varphi hat boldsymbol varphi dz hat mathbf z d r r r d 8 8 r sin 8 d f f displaystyle dr hat mathbf r r d theta hat boldsymbol theta r sin theta d varphi hat boldsymbol varphi 微分正规面积 dS d y d z x d x d z y d x d y z displaystyle begin aligned dy dz amp hat mathbf x dx dz amp hat mathbf y dx dy amp hat mathbf z end aligned r d f d z r d r d z f r d r d f z displaystyle begin aligned rho d varphi dz amp hat boldsymbol rho d rho dz amp hat boldsymbol varphi rho d rho d varphi amp hat mathbf z end aligned r 2 sin 8 d 8 d f r r sin 8 d r d f 8 r d r d 8 f displaystyle begin aligned r 2 sin theta d theta d varphi amp hat mathbf r r sin theta dr d varphi amp hat boldsymbol theta r dr d theta amp hat boldsymbol varphi end aligned 微分体积 dV 1 d x d y d z displaystyle dx dy dz r d r d f d z displaystyle rho d rho d varphi dz r 2 sin 8 d r d 8 d f displaystyle r 2 sin theta dr d theta d varphi a 本页对极角采用8 displaystyle theta 对方位角采用f displaystyle varphi 这是在物理学中常用的符号 某些来源在这些公式中对方位角采用8 displaystyle theta 对极角采用f displaystyle varphi 这是常用数学符号 如果需要这种数学公式 可对换上表公式中的8 displaystyle theta 和f displaystyle varphi 非平凡的演算规则 编辑 div grad f f 2 f displaystyle operatorname div operatorname grad f equiv nabla cdot nabla f equiv nabla 2 f curl grad f f 0 displaystyle operatorname curl operatorname grad f equiv nabla times nabla f mathbf 0 div curl A A 0 displaystyle operatorname div operatorname curl mathbf A equiv nabla cdot nabla times mathbf A 0 curl curl A A A 2 A displaystyle operatorname curl operatorname curl mathbf A equiv nabla times nabla times mathbf A nabla nabla cdot mathbf A nabla 2 mathbf A del的拉格朗日公式 2 f g f 2 g 2 f g g 2 f displaystyle nabla 2 fg f nabla 2 g 2 nabla f cdot nabla g g nabla 2 f 直角坐标系推导 编辑 div A lim V 0 V A d S V d V A x x d x d y d z A x x d y d z A y y d y d x d z A y y d x d z A z z d z d x d y A z z d x d y d x d y d z A x x A y y A z z displaystyle begin aligned operatorname div mathbf A lim V to 0 frac iint partial V mathbf A cdot d mathbf S iiint V dV amp frac A x x dx dydz A x x dydz A y y dy dxdz A y y dxdz A z z dz dxdy A z z dxdy dxdydz amp frac partial A x partial x frac 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