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正交座標系

數學裏,一個正交坐標系定義為一組正交坐標,其坐標曲面都以直角相交(注意:很多作者采用爱因斯坦记号对坐标标号使用上标并非表示指数)。坐標曲面定義為特定坐標等值曲面,即為常数的曲线曲面超曲面。例如,三維直角坐標是一種正交坐標系,它的為常數,為常數,為常數的坐標曲面,都是互相以直角相交的平面,都互相垂直。正交坐标系是曲线坐标系的特殊的但极其常见的形式。

二维拋物線坐標系,其中綠色坐标曲线与紅色坐标曲线正交

动机

正交座標時常用來解析一些出現於量子力學流體動力學電動力學熱力學等等的偏微分方程。舉例而言,選擇一個恰當的的正交座標來解析氫離子 波函數或消防水管的噴水,也許會比用直角座標方便的多。這主要是因為恰當的正交座標能夠與一個問題的對稱性相配合,從而促使應用分離變數法來成功的解析關於這問題的方程式。分離變數法是一種數學技巧,專門用來將一個複雜的 維問題變為 個一維問題。很多問題都可以簡化為拉普拉斯方程亥姆霍茲方程,這些方程式可以用很多種正交座標來分離。拉普拉斯方程可以在13个正交坐标系中分离(本文列出的14个中圆环坐标系除外),而亥姆霍茲方程可以在11个正交坐标系中分离[1][2]

概述

 
共形映射作用于矩形网格。注意,弯曲的网格的正交性被保留。

正交坐標的度規張量絕對沒有非對角項目。換句話說,無窮小距離的平方 ,可以寫為無窮小坐標位移的平方和:

 

其中, 是維數,標度因子 是度規張量的對角元素 的平方根:

 

這些標度因子可以用來計算一個正交坐標系的微分算子。例如,梯度拉普拉斯算子散度、或旋度

在數學裏,存在有各種各樣的正交座標系。應用二維直角座標系 共形映射方法,可以簡易的生成這些正交座標系。一個複數 的任何全純函數 ,其複值的導數,如果不等於零,則會造成一個共形映射。如果答案可以表達為 ,則  的等值曲線以直角相交,就如同原本的  的等值曲線以直角相交。

三維與更高維的正交座標系可以由一個二維正交座標系生成,只要將二維正交座標往一個新的座標軸投射(形成類似圓柱座標系的座標系),或者將二維正交座標繞著其對稱軸旋轉。可是,也有一些三維正交座標系,例如橢球座標系,則不能夠用上述方法得到。更一般的正交坐标可以从一些必要的坐标曲面/曲线起步并通过考虑它们的正交轨迹线英语Orthogonal trajectory而得到。

向量代数

在正交坐標系裏,內積的公式仍舊不變:

 

向量微積分

從前面的距離公式,可以觀察出,一個正交坐標 的無窮小改變 ,其相伴的長度是 。因此,一個位移向量的全微分 等於

 

其中, 是垂直於 等值曲面的單位向量,指向著 增值最快的方向,這些單位向量形成了一個局部直角坐標系的坐標軸。

因此,向量 沿著周線 的線積分等於

 

其中, 是向量 在單位向量 方向的分量:

 

類似地,一個無窮小面積元素是

 

一個無窮小體積元素是

 

例如,向量 對於一個曲面 的曲面積分是

 

球坐標系實例

 

直角坐標 與球坐標 的變換方程式為

 
 
 

直角坐標的全微分是

 
 
 

所以,無窮小距離的平方是

 

標度因子是

 
 
 

向量 沿著周線 的線積分等於

 

向量 對於一個曲面 的曲面積分是

 

三維微分算子

算子 正交坐標公式
标量场梯度  
向量场散度  
向量场旋度  
标量场拉普拉斯算子  

上面表达式可以使用列維-奇維塔符號 的更简洁形式书写,定义 ,并使用爱因斯坦记号,即在同时出现上标和下标的项目上求此项所有可能的总和:

算子 表达式
标量场梯度  
向量场散度  
向量场(只3D)的旋度  
标量场的拉普拉斯算子  

正交坐标系表格

除了直角坐标系之外,下表列出其他常见的正交坐标系[3],为了简明性在坐标列中使用了区间符号

曲线坐标 (q1, q2, q3) 从直角坐标(x, y, z)转换 缩放因子
球极坐标系

 

   
圆柱坐标系

 

   
抛物柱面坐标系

 

   
抛物线坐标系

 

   
椭圆柱坐标系

 

   
长球面坐标系

 

   
扁球面坐标系

 

   
双极圆柱坐标系

 

   
圆环坐标系

 

   
双球坐标系

 

   
圆锥坐标系

 

   
抛物面坐标系

 

 

其中  

 
椭球坐标系

 

 

其中  

 

微分算子导引

梯度導引

一個函數 的梯度朝某個方向 的分量,等於方向導數   方向的值:

 

其中, 是朝 方向的無窮小位移。

假若,這 與正交坐標軸 同方向。那麼, 。所以,函數 的梯度朝 的分量是 ;也就是說,

 

散度導引

 

取右手邊第一個項目,

 

應用向量恆等式  ,可以得到

 

總合所有項目,

 


旋度導引

 

取右手邊第一個項目,

 

應用向量恆等式 

 

應用向量恆等式 

 

總合所有項目,

 

拉普拉斯算子

 

引用

  1. ^ Eric W. Weisstein. Orthogonal Coordinate System. MathWorld. [10 July 2008]. (原始内容于2014-11-12). 
  2. ^ Morse and Feshbach 1953,Volume 1, pp. 494-523, 655-666.
  3. ^ Vector Analysis (2nd Edition), M.R. Spiegel, S. Lipschutz, D. Spellman, Schaum’s Outlines, McGraw Hill (USA), 2009, ISBN 978-0-07-161545-7

参见

參考文獻

  • Korn GA and Korn TM. (1961) Mathematical Handbook for Scientists and Engineers, McGraw-Hill, pp. 164-182。
  • Morse PM and Feshbach H. (1953) Methods of Theoretical Physics, McGraw-Hill, pp. 494-523, 655-666。
  • Margenau H. and Murphy GM. (1956) The Mathematics of Physics and Chemistry, 2nd. ed., Van Nostrand, pp. 172-192。

正交座標系, 在數學裏, 一個正交坐標系定義為一組正交坐標q, displaystyle, mathbf, dots, 其坐標曲面都以直角相交, 注意, 很多作者采用爱因斯坦记号对坐标标号使用上标并非表示指数, 坐標曲面定義為特定坐標q, displaystyle, 的等值曲面, 即q, displaystyle, 為常数的曲线, 曲面或超曲面, 例如, 三維直角坐標, displaystyle, 是一種正交坐標系, 它的x, displaystyle, 為常數, displaystyle, 為常數, displa. 在數學裏 一個正交坐標系定義為一組正交坐標q q 1 q 2 q 3 q n displaystyle mathbf q q 1 q 2 q 3 dots q n 其坐標曲面都以直角相交 注意 很多作者采用爱因斯坦记号对坐标标号使用上标并非表示指数 坐標曲面定義為特定坐標q i displaystyle q i 的等值曲面 即q i displaystyle q i 為常数的曲线 曲面或超曲面 例如 三維直角坐標 x y z displaystyle x y z 是一種正交坐標系 它的x displaystyle x 為常數 y displaystyle y 為常數 z displaystyle z 為常數的坐標曲面 都是互相以直角相交的平面 都互相垂直 正交坐标系是曲线坐标系的特殊的但极其常见的形式 二维拋物線坐標系 其中綠色坐标曲线与紅色坐标曲线正交 目录 1 动机 2 概述 3 向量代数 4 向量微積分 4 1 球坐標系實例 5 三維微分算子 6 正交坐标系表格 7 微分算子导引 7 1 梯度導引 7 2 散度導引 7 3 旋度導引 7 4 拉普拉斯算子 8 引用 9 参见 10 參考文獻动机 编辑正交座標時常用來解析一些出現於量子力學 流體動力學 電動力學 熱力學等等的偏微分方程 舉例而言 選擇一個恰當的的正交座標來解析氫離子H 2 displaystyle H 2 的波函數或消防水管的噴水 也許會比用直角座標方便的多 這主要是因為恰當的正交座標能夠與一個問題的對稱性相配合 從而促使應用分離變數法來成功的解析關於這問題的方程式 分離變數法是一種數學技巧 專門用來將一個複雜的n displaystyle n 維問題變為n displaystyle n 個一維問題 很多問題都可以簡化為拉普拉斯方程或亥姆霍茲方程 這些方程式可以用很多種正交座標來分離 拉普拉斯方程可以在13个正交坐标系中分离 本文列出的14个中圆环坐标系除外 而亥姆霍茲方程可以在11个正交坐标系中分离 1 2 概述 编辑 共形映射作用于矩形网格 注意 弯曲的网格的正交性被保留 正交坐標的度規張量絕對沒有非對角項目 換句話說 無窮小距離的平方d s 2 displaystyle ds 2 可以寫為無窮小坐標位移的平方和 d s 2 i 1 n h i d q i 2 displaystyle ds 2 sum i 1 n left h i dq i right 2 其中 n displaystyle n 是維數 標度因子h i displaystyle h i 是度規張量的對角元素g i i displaystyle g ii 的平方根 h i q d e f g i i q displaystyle h i mathbf q stackrel mathrm def sqrt g ii mathbf q 這些標度因子可以用來計算一個正交坐標系的微分算子 例如 梯度 拉普拉斯算子 散度 或旋度 在數學裏 存在有各種各樣的正交座標系 應用二維直角座標系 x y displaystyle x y 的共形映射方法 可以簡易的生成這些正交座標系 一個複數z x i y displaystyle z x iy 的任何全純函數w f z displaystyle w f z 其複值的導數 如果不等於零 則會造成一個共形映射 如果答案可以表達為w u i v displaystyle w u iv 則u displaystyle u 與v displaystyle v 的等值曲線以直角相交 就如同原本的x displaystyle x 與y displaystyle y 的等值曲線以直角相交 三維與更高維的正交座標系可以由一個二維正交座標系生成 只要將二維正交座標往一個新的座標軸投射 形成類似圓柱座標系的座標系 或者將二維正交座標繞著其對稱軸旋轉 可是 也有一些三維正交座標系 例如橢球座標系 則不能夠用上述方法得到 更一般的正交坐标可以从一些必要的坐标曲面 曲线起步并通过考虑它们的正交轨迹线 英语 Orthogonal trajectory 而得到 向量代数 编辑在正交坐標系裏 內積的公式仍舊不變 A B i 1 n A i B i displaystyle mathbf A cdot mathbf B sum i 1 n A i B i 向量微積分 编辑從前面的距離公式 可以觀察出 一個正交坐標q i displaystyle q i 的無窮小改變d q i displaystyle dq i 其相伴的長度是d s i h i d q i displaystyle ds i h i dq i 因此 一個位移向量的全微分d r displaystyle d mathbf r 等於 d r i 1 n h i d q i e i displaystyle d mathbf r sum i 1 n h i dq i mathbf e i 其中 e i displaystyle mathbf e i 是垂直於q i displaystyle q i 等值曲面的單位向量 指向著q i displaystyle q i 增值最快的方向 這些單位向量形成了一個局部直角坐標系的坐標軸 因此 向量F displaystyle mathbf F 沿著周線C displaystyle mathbb C 的線積分等於 C F d r i 1 n C F i h i d q i displaystyle int mathbb C mathbf F cdot d mathbf r sum i 1 n int mathbb C F i h i dq i 其中 F i displaystyle F i 是向量F displaystyle mathbf F 在單位向量e i displaystyle mathbf e i 方向的分量 F i d e f e i F displaystyle F i stackrel mathrm def mathbf e i cdot mathbf F 類似地 一個無窮小面積元素是 d A d s i d s j h i h j d q i d q j i j displaystyle dA ds i ds j h i h j dq i dq j qquad i neq j 一個無窮小體積元素是 d V d s i d s j d s k h i h j h k d q i d q j d q k i j k displaystyle dV ds i ds j ds k h i h j h k dq i dq j dq k qquad i neq j neq k 例如 向量F displaystyle mathbf F 對於一個曲面S displaystyle mathbb S 的曲面積分是 S F d A S F 1 h 2 h 3 d q 2 d q 3 S F 2 h 3 h 1 d q 3 d q 1 S F 3 h 1 h 2 d q 1 d q 2 displaystyle int mathbb S mathbf F cdot d mathbf A int mathbb S F 1 h 2 h 3 dq 2 dq 3 int mathbb S F 2 h 3 h 1 dq 3 dq 1 int mathbb S F 3 h 1 h 2 dq 1 dq 2 球坐標系實例 编辑 直角坐標 x y z displaystyle x y z 與球坐標 r 8 ϕ displaystyle r theta phi 的變換方程式為 x r sin 8 cos ϕ displaystyle x r sin theta cos phi y r sin 8 sin ϕ displaystyle y r sin theta sin phi z r cos 8 displaystyle z r cos theta 直角坐標的全微分是 d x sin 8 cos ϕ d r r cos 8 cos ϕ d 8 r sin 8 sin ϕ d ϕ displaystyle dx sin theta cos phi dr r cos theta cos phi d theta r sin theta sin phi d phi d y sin 8 sin ϕ d r r cos 8 sin ϕ d 8 r sin 8 cos ϕ d ϕ displaystyle dy sin theta sin phi dr r cos theta sin phi d theta r sin theta cos phi d phi d z cos 8 d r r sin 8 d 8 displaystyle dz cos theta dr r sin theta d theta 所以 無窮小距離的平方是 d s 2 d x 2 d y 2 d z 2 d r 2 r d 8 2 r sin 8 d ϕ 2 displaystyle begin aligned ds 2 amp dx 2 dy 2 dz 2 amp dr 2 rd theta 2 r sin theta d phi 2 end aligned 標度因子是 h r 1 displaystyle h r 1 h 8 r displaystyle h theta r h ϕ r sin 8 displaystyle h phi r sin theta 向量F displaystyle mathbf F 沿著周線C displaystyle mathbb C 的線積分等於 C F d r C F r d r F 8 r d 8 F ϕ r sin 8 d ϕ displaystyle int mathbb C mathbf F cdot d mathbf r int mathbb C F r dr F theta rd theta F phi r sin theta d phi 向量F displaystyle mathbf F 對於一個曲面S displaystyle mathbb S 的曲面積分是 S F d A S F r r 2 sin 8 d 8 d ϕ S F 8 r sin 8 d r d ϕ S F ϕ r d r d 8 displaystyle int mathbb S mathbf F cdot d mathbf A int mathbb S F r r 2 sin theta d theta d phi int mathbb S F theta r sin theta drd phi int mathbb S F phi rdrd theta 三維微分算子 编辑主条目 向量分析和Nabla算子 算子 正交坐標公式标量场的梯度 F e 1 1 h 1 F q 1 e 2 1 h 2 F q 2 e 3 1 h 3 F q 3 displaystyle nabla Phi hat mathbf e 1 frac 1 h 1 frac partial Phi partial q 1 hat mathbf e 2 frac 1 h 2 frac partial Phi partial q 2 hat mathbf e 3 frac 1 h 3 frac partial Phi partial q 3 向量场的散度 F 1 h 1 h 2 h 3 q 1 F 1 h 2 h 3 q 2 F 2 h 3 h 1 q 3 F 3 h 1 h 2 displaystyle nabla cdot mathbf F frac 1 h 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 1 F 1 h 2 h 3 frac partial partial q 2 F 2 h 3 h 1 frac partial partial q 3 F 3 h 1 h 2 right 向量场的旋度 F e 1 h 2 h 3 q 2 h 3 F 3 q 3 h 2 F 2 e 2 h 3 h 1 q 3 h 1 F 1 q 1 h 3 F 3 e 3 h 1 h 2 q 1 h 2 F 2 q 2 h 1 F 1 displaystyle begin aligned nabla times mathbf F amp frac mathbf e 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 2 left h 3 F 3 right frac partial partial q 3 left h 2 F 2 right right frac mathbf e 2 h 3 h 1 left frac partial partial q 3 left h 1 F 1 right frac partial partial q 1 left h 3 F 3 right right amp frac mathbf e 3 h 1 h 2 left frac partial partial q 1 left h 2 F 2 right frac partial partial q 2 left h 1 F 1 right right end aligned 标量场的拉普拉斯算子 2 F 1 h 1 h 2 h 3 q 1 h 2 h 3 h 1 F q 1 q 2 h 3 h 1 h 2 F q 2 q 3 h 1 h 2 h 3 F q 3 displaystyle nabla 2 Phi frac 1 h 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 1 left frac h 2 h 3 h 1 frac partial Phi partial q 1 right frac partial partial q 2 left frac h 3 h 1 h 2 frac partial Phi partial q 2 right frac partial partial q 3 left frac h 1 h 2 h 3 frac partial Phi partial q 3 right right 上面表达式可以使用列維 奇維塔符號ϵ displaystyle epsilon 的更简洁形式书写 定义H h 1 h 2 h 3 displaystyle H h 1 h 2 h 3 并使用爱因斯坦记号 即在同时出现上标和下标的项目上求此项所有可能的总和 算子 表达式标量场的梯度 ϕ e k h k ϕ q k displaystyle nabla phi frac hat mathbf e k h k frac partial phi partial q k 向量场的散度 F 1 H q k H h k F k displaystyle nabla cdot mathbf F frac 1 H frac partial partial q k left frac H h k F k right 向量场 只3D 的旋度 F k h k e k H ϵ i j k q i h j F j displaystyle left nabla times mathbf F right k frac h k hat mathbf e k H epsilon ijk frac partial partial q i left h j F j right 标量场的拉普拉斯算子 2 ϕ 1 H q k H h k 2 ϕ q k displaystyle nabla 2 phi frac 1 H frac partial partial q k left frac H h k 2 frac partial phi partial q k right 正交坐标系表格 编辑除了直角坐标系之外 下表列出其他常见的正交坐标系 3 为了简明性在坐标列中使用了区间符号 曲线坐标 q1 q2 q3 从直角坐标 x y z 转换 缩放因子球极坐标系 r 8 ϕ 0 0 p 0 2 p displaystyle r theta phi in 0 infty times 0 pi times 0 2 pi x r sin 8 cos ϕ y r sin 8 sin ϕ z r cos 8 displaystyle begin aligned x amp r sin theta cos phi y amp r sin theta sin phi z amp r cos theta end aligned h 1 1 h 2 r h 3 r sin 8 displaystyle begin aligned h 1 amp 1 h 2 amp r h 3 amp r sin theta end aligned 圆柱坐标系 r ϕ z 0 0 2 p displaystyle rho phi z in 0 infty times 0 2 pi times infty infty x r cos ϕ y r sin ϕ z z displaystyle begin aligned x amp rho cos phi y amp rho sin phi z amp z end aligned h 1 h 3 1 h 2 r displaystyle begin aligned h 1 amp h 3 1 h 2 amp rho end aligned 抛物柱面坐标系 u v z 0 displaystyle u v z in infty infty times 0 infty times infty infty x 1 2 u 2 v 2 y u v z z displaystyle begin aligned x amp frac 1 2 u 2 v 2 y amp uv z amp z end aligned h 1 h 2 u 2 v 2 h 3 1 displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 sqrt u 2 v 2 h 3 amp 1 end aligned 抛物线坐标系 u v ϕ 0 0 0 2 p displaystyle u v phi in 0 infty times 0 infty times 0 2 pi x u v cos ϕ y u v sin ϕ z 1 2 u 2 v 2 displaystyle begin aligned x amp uv cos phi y amp uv sin phi z amp frac 1 2 u 2 v 2 end aligned h 1 h 2 u 2 v 2 h 3 u v displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 sqrt u 2 v 2 h 3 amp uv end aligned 椭圆柱坐标系 u v z 0 0 2 p displaystyle u v z in 0 infty times 0 2 pi times infty infty x a cosh u cos v y a sinh u sin v z z displaystyle begin aligned x amp a cosh u cos v y amp a sinh u sin v z amp z end aligned h 1 h 2 a sinh 2 u sin 2 v h 3 1 displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 a sqrt sinh 2 u sin 2 v h 3 amp 1 end aligned 长球面坐标系 3 h ϕ 0 0 p 0 2 p displaystyle xi eta phi in 0 infty times 0 pi times 0 2 pi x a sinh 3 sin h cos ϕ y a sinh 3 sin h sin ϕ z a cosh 3 cos h displaystyle begin aligned x amp a sinh xi sin eta cos phi y amp a sinh xi sin eta sin phi z amp a cosh xi cos eta end aligned h 1 h 2 a sinh 2 3 sin 2 h h 3 a sinh 3 sin h displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 a sqrt sinh 2 xi sin 2 eta h 3 amp a sinh xi sin eta end aligned 扁球面坐标系 3 h ϕ 0 p 2 p 2 0 2 p displaystyle xi eta phi in 0 infty times left frac pi 2 frac pi 2 right times 0 2 pi x a cosh 3 cos h cos ϕ y a cosh 3 cos h sin ϕ z a sinh 3 sin h displaystyle begin aligned x amp a cosh xi cos eta cos phi y amp a cosh xi cos eta sin phi z amp a sinh xi sin eta end aligned h 1 h 2 a sinh 2 3 sin 2 h h 3 a cosh 3 cos h displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 a sqrt sinh 2 xi sin 2 eta h 3 amp a cosh xi cos eta end aligned 双极圆柱坐标系 u v z 0 2 p displaystyle u v z in 0 2 pi times infty infty times infty infty x a sinh v cosh v cos u y a sin u cosh v cos u z z displaystyle begin aligned x amp frac a sinh v cosh v cos u y amp frac a sin u cosh v cos u z amp z end aligned h 1 h 2 a cosh v cos u h 3 1 displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 frac a cosh v cos u h 3 amp 1 end aligned 圆环坐标系 u v ϕ p p 0 0 2 p displaystyle u v phi in pi pi times 0 infty times 0 2 pi x a sinh v cos ϕ cosh v cos u y a sinh v sin ϕ cosh v cos u z a sin u cosh v cos u displaystyle begin aligned x amp frac a sinh v cos phi cosh v cos u y amp frac a sinh v sin phi cosh v cos u z amp frac a sin u cosh v cos u end aligned h 1 h 2 a cosh v cos u h 3 a sinh v cosh v cos u displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 frac a cosh v cos u h 3 amp frac a sinh v cosh v cos u end aligned 双球坐标系 u v ϕ p p 0 0 2 p displaystyle u v phi in pi pi times 0 infty times 0 2 pi x a sin u cos ϕ cosh v cos u y a sin u sin ϕ cosh v cos u z a sinh v cosh v cos u displaystyle begin aligned x amp frac a sin u cos phi cosh v cos u y amp frac a sin u sin phi cosh v cos u z amp frac a sinh v cosh v cos u end aligned h 1 h 2 a cosh v cos u h 3 a sin u cosh v cos u displaystyle begin aligned h 1 amp h 2 frac a cosh v cos u h 3 amp frac a sin u cosh v cos u end aligned 圆锥坐标系 l m n n 2 lt b 2 lt m 2 lt a 2 l 0 displaystyle begin aligned amp lambda mu nu amp nu 2 lt b 2 lt mu 2 lt a 2 amp lambda in 0 infty end aligned x l m n a b y l a m 2 a 2 n 2 a 2 a 2 b 2 z l b m 2 b 2 n 2 b 2 a 2 b 2 displaystyle begin aligned x amp frac lambda mu nu ab y amp frac lambda a sqrt frac mu 2 a 2 nu 2 a 2 a 2 b 2 z amp frac lambda b sqrt frac mu 2 b 2 nu 2 b 2 a 2 b 2 end aligned h 1 1 h 2 2 l 2 m 2 n 2 m 2 a 2 b 2 m 2 h 3 2 l 2 m 2 n 2 n 2 a 2 n 2 b 2 displaystyle begin aligned h 1 amp 1 h 2 2 amp frac lambda 2 mu 2 nu 2 mu 2 a 2 b 2 mu 2 h 3 2 amp frac lambda 2 mu 2 nu 2 nu 2 a 2 nu 2 b 2 end aligned 抛物面坐标系 l m n l lt b 2 lt m lt a 2 lt n displaystyle begin aligned amp lambda mu nu amp lambda lt b 2 lt mu lt a 2 lt nu end aligned x 2 q i a 2 y 2 q i b 2 2 z q i displaystyle frac x 2 q i a 2 frac y 2 q i b 2 2z q i 其中 q 1 q 2 q 3 l m n displaystyle q 1 q 2 q 3 lambda mu nu h i 1 2 q j q i q k q i a 2 q i b 2 q i displaystyle h i frac 1 2 sqrt frac q j q i q k q i a 2 q i b 2 q i 椭球坐标系 l m n l lt c 2 lt b 2 lt a 2 c 2 lt m lt b 2 lt a 2 c 2 lt b 2 lt n lt a 2 displaystyle begin aligned amp lambda mu nu amp lambda lt c 2 lt b 2 lt a 2 amp c 2 lt mu lt b 2 lt a 2 amp c 2 lt b 2 lt nu lt a 2 end aligned x 2 a 2 q i y 2 b 2 q i z 2 c 2 q i 1 displaystyle frac x 2 a 2 q i frac y 2 b 2 q i frac z 2 c 2 q i 1 其中 q 1 q 2 q 3 l m n displaystyle q 1 q 2 q 3 lambda mu nu h i 1 2 q j q i q k q i a 2 q i b 2 q i c 2 q i displaystyle h i frac 1 2 sqrt frac q j q i q k q i a 2 q i b 2 q i c 2 q i 微分算子导引 编辑梯度導引 编辑 一個函數ϕ displaystyle phi 的梯度朝某個方向n displaystyle hat mathbf n 的分量 等於方向導數 d ϕ d s displaystyle frac d phi ds 朝n displaystyle hat mathbf n 方向的值 F n d ϕ d s displaystyle nabla Phi cdot hat mathbf n frac d phi ds 其中 d s displaystyle ds 是朝n displaystyle hat mathbf n 方向的無窮小位移 假若 這n displaystyle hat mathbf n 與正交坐標軸e i displaystyle hat mathbf e i 同方向 那麼 d s h i d q i displaystyle ds h i dq i 所以 函數ϕ displaystyle phi 的梯度朝e i displaystyle hat mathbf e i 的分量是 ϕ h i q i displaystyle frac partial phi h i partial q i 也就是說 F e 1 1 h 1 F q 1 e 2 1 h 2 F q 2 e 3 1 h 3 F q 3 displaystyle nabla Phi hat mathbf e 1 frac 1 h 1 frac partial Phi partial q 1 hat mathbf e 2 frac 1 h 2 frac partial Phi partial q 2 hat mathbf e 3 frac 1 h 3 frac partial Phi partial q 3 散度導引 编辑 F e 1 F 1 e 2 F 2 e 3 F 3 displaystyle nabla cdot mathbf F nabla cdot hat mathbf e 1 F 1 hat mathbf e 2 F 2 hat mathbf e 3 F 3 取右手邊第一個項目 e 1 F 1 e 1 h 2 h 3 h 2 h 3 F 1 displaystyle nabla cdot hat mathbf e 1 F 1 nabla cdot left left frac hat mathbf e 1 h 2 h 3 right left h 2 h 3 F 1 right right 應用向量恆等式 A ϕ ϕ A A ϕ displaystyle nabla cdot mathbf A phi phi nabla cdot mathbf A mathbf A cdot nabla phi 與 ϕ 1 ϕ 2 0 displaystyle nabla cdot nabla phi 1 times nabla phi 2 0 可以得到 e 1 F 1 h 2 h 3 F 1 e 1 h 2 h 3 e 1 h 2 h 3 h 2 h 3 F 1 h 2 h 3 F 1 q 2 q 3 e 1 h 2 h 3 h 2 h 3 F 1 e 1 h 2 h 3 h 2 h 3 F 1 1 h 1 h 2 h 3 q 1 F 1 h 2 h 3 displaystyle begin aligned nabla cdot hat mathbf e 1 F 1 amp h 2 h 3 F 1 nabla cdot left frac hat mathbf e 1 h 2 h 3 right left frac hat mathbf e 1 h 2 h 3 right cdot nabla h 2 h 3 F 1 amp h 2 h 3 F 1 nabla cdot nabla q 2 times nabla q 3 left frac hat mathbf e 1 h 2 h 3 right cdot nabla h 2 h 3 F 1 amp left frac hat mathbf e 1 h 2 h 3 right cdot nabla h 2 h 3 F 1 amp frac 1 h 1 h 2 h 3 frac partial partial q 1 F 1 h 2 h 3 end aligned 總合所有項目 F 1 h 1 h 2 h 3 q 1 F 1 h 2 h 3 q 2 F 2 h 3 h 1 q 3 F 3 h 1 h 2 displaystyle nabla cdot mathbf F frac 1 h 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 1 F 1 h 2 h 3 frac partial partial q 2 F 2 h 3 h 1 frac partial partial q 3 F 3 h 1 h 2 right 旋度導引 编辑 F e 1 F 1 e 2 F 2 e 3 F 3 displaystyle nabla times mathbf F nabla times hat mathbf e 1 F 1 hat mathbf e 2 F 2 hat mathbf e 3 F 3 取右手邊第一個項目 e 1 F 1 e 1 h 1 h 1 F 1 displaystyle nabla times hat mathbf e 1 F 1 nabla times left left frac hat mathbf e 1 h 1 right left h 1 F 1 right right 應用向量恆等式 A ϕ ϕ A A ϕ displaystyle nabla times mathbf A phi phi nabla times mathbf A mathbf A times nabla phi e 1 F 1 h 1 F 1 e 1 h 1 e 1 h 1 h 1 F 1 h 1 F 1 q 1 e 1 h 1 e 2 h 2 q 2 h 1 F 1 e 3 h 3 q 3 h 1 F 1 displaystyle begin aligned nabla times hat mathbf e 1 F 1 amp h 1 F 1 nabla times left frac hat mathbf e 1 h 1 right left frac hat mathbf e 1 h 1 right times nabla h 1 F 1 amp h 1 F 1 nabla times nabla q 1 left frac hat mathbf e 1 h 1 right times left frac hat mathbf e 2 h 2 frac partial partial q 2 h 1 F 1 frac hat mathbf e 3 h 3 frac partial partial q 3 h 1 F 1 right end aligned 應用向量恆等式 ϕ 0 displaystyle nabla times nabla phi 0 e 1 F 1 e 2 h 1 h 3 q 3 h 1 F 1 e 3 h 1 h 2 q 2 h 1 F 1 displaystyle nabla times hat mathbf e 1 F 1 frac hat mathbf e 2 h 1 h 3 frac partial partial q 3 h 1 F 1 frac hat mathbf e 3 h 1 h 2 frac partial partial q 2 h 1 F 1 總合所有項目 F e 1 h 2 h 3 q 2 h 3 F 3 q 3 h 2 F 2 e 2 h 3 h 1 q 3 h 1 F 1 q 1 h 3 F 3 e 3 h 1 h 2 q 1 h 2 F 2 q 2 h 1 F 1 displaystyle begin aligned nabla times mathbf F amp frac mathbf e 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 2 left h 3 F 3 right frac partial partial q 3 left h 2 F 2 right right frac mathbf e 2 h 3 h 1 left frac partial partial q 3 left h 1 F 1 right frac partial partial q 1 left h 3 F 3 right right amp frac mathbf e 3 h 1 h 2 left frac partial partial q 1 left h 2 F 2 right frac partial partial q 2 left h 1 F 1 right right end aligned 拉普拉斯算子 编辑 2 F 1 h 1 h 2 h 3 q 1 h 2 h 3 h 1 F q 1 q 2 h 3 h 1 h 2 F q 2 q 3 h 1 h 2 h 3 F q 3 displaystyle nabla 2 Phi frac 1 h 1 h 2 h 3 left frac partial partial q 1 left frac h 2 h 3 h 1 frac partial Phi partial q 1 right frac partial partial q 2 left frac h 3 h 1 h 2 frac partial Phi partial q 2 right frac partial partial q 3 left frac h 1 h 2 h 3 frac partial Phi partial q 3 right right 引用 编辑 Eric W Weisstein Orthogonal Coordinate System MathWorld 10 July 2008 原始内容存档于2014 11 12 Morse and Feshbach 1953 Volume 1 pp 494 523 655 666 harvnb error no target CITEREFMorse and Feshbach1953 help Vector Analysis 2nd Edition M R Spiegel S Lipschutz D Spellman Schaum s Outlines McGraw Hill USA 2009 ISBN 978 0 07 161545 7参见 编辑坐标系 曲线坐标系 斜交坐标系 度規張量有非對角項目 在圆柱和球坐标系中的del參考文獻 编辑Korn GA and Korn TM 1961 Mathematical Handbook for Scientists and Engineers McGraw Hill pp 164 182 Morse PM and Feshbach H 1953 Methods of Theoretical Physics McGraw 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