En càlcul vectorial , l'operador nabla és un operador diferencial vectorial representat amb el símbol nabla ∇. En coordenades cartesianes tridimensionals R 3 amb coordenades (x , y , z ), l'operador nabla es pot definir com:
∇ = ( ∂ ∂ x , ∂ ∂ y , ∂ ∂ z )
En els sistemes de coordenades cilíndriques i esfèriques les expressions esdevenen més complexes i es detallen en la següent llista de fórmules de càlcul vectorial .
Notes
Aquest article utilitza la notació estàndard ISO 80000-2, que reemplaça la ISO 31-11, pel sistema de coordenades esfèriques (altres fonts poden haver revertit la definició dels angles θ i φ ):
L'angle polar es denota amb la lletra grega θ : es tracta de l'angle entre l'eix positiu z i el radial del vector que connecta l'origen amb el punt en qüestió.
L'angle azimutal es denota amb la lletra grega φ i és l'angle entre l'eix x positiu i la projecció del vector radial en el pla xy .
La funció atan2(x ,y ) es pot utilitzar en comptes de la funció matemàtica arctan (y /x ), atesos el seu domini i imatge . Mentre la clàssica funció arctan té una imatge de (−π/2, +π/2), atan2 es defineix amb una imatge de (−π, π].
Conversions de sistemes de coordenades
Conversions entre sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques
De
Cartesià
Cilíndric
Esfèric
A
Cartesià
Plantilla:N/a
x = ρ cos φ y = ρ sin φ z = z
x = r sin θ cos φ y = r sin θ sin φ z = r cos θ
Cilíndric
ρ = x 2 + y 2 φ = arctan ( y x ) z = z
Plantilla:N/a
ρ = r sin θ φ = φ z = r cos θ
Esfèric
r = x 2 + y 2 + z 2 θ = arccos ( z r ) φ = arctan ( y x )
r = ρ 2 + z 2 θ = arctan ( ρ z ) φ = φ
Plantilla:N/a
Conversions de vectors unitaris
Conversió entre vectors unitaris en sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques en termes de coordenades de destinació
Cartesià
Cilíndric
Esfèric
Cartesià
Plantilla:N/a
𝐱 ^ = cos φ ρ ^ − sin φ φ ^ 𝐲 ^ = sin φ ρ ^ + cos φ φ ^ 𝐳 ^ = 𝐳 ^
𝐱 ^ = sin θ cos φ 𝐫 ^ + cos θ cos φ θ ^ − sin φ φ ^ 𝐲 ^ = sin θ sin φ 𝐫 ^ + cos θ sin φ θ ^ + cos φ φ ^ 𝐳 ^ = cos θ 𝐫 ^ − sin θ θ ^
Cilíndric
ρ ^ = x 𝐱 ^ + y 𝐲 ^ x 2 + y 2 φ ^ = − y 𝐱 ^ + x 𝐲 ^ x 2 + y 2 𝐳 ^ = 𝐳 ^
Plantilla:N/a
ρ ^ = sin θ 𝐫 ^ + cos θ θ ^ φ ^ = φ ^ 𝐳 ^ = cos θ 𝐫 ^ − sin θ θ ^
Esfèric
𝐫 ^ = x 𝐱 ^ + y 𝐲 ^ + z 𝐳 ^ x 2 + y 2 + z 2 θ ^ = ( x 𝐱 ^ + y 𝐲 ^ ) z − ( x 2 + y 2 ) 𝐳 ^ x 2 + y 2 + z 2 x 2 + y 2 φ ^ = − y 𝐱 ^ + x 𝐲 ^ x 2 + y 2
𝐫 ^ = ρ ρ ^ + z 𝐳 ^ ρ 2 + z 2 θ ^ = z ρ ^ − ρ 𝐳 ^ ρ 2 + z 2 φ ^ = φ ^
Plantilla:N/a
Conversió entre vectors unitaris en sistemes de coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques en termes de coordenades de d'origen
Cartesià
Cilíndric
Esfèric
Cartesià
Plantilla:N/a
𝐱 ^ = x ρ ^ − y φ ^ x 2 + y 2 𝐲 ^ = y ρ ^ + x φ ^ x 2 + y 2 𝐳 ^ = 𝐳 ^
𝐱 ^ = x ( x 2 + y 2 𝐫 ^ + z θ ^ ) − y x 2 + y 2 + z 2 φ ^ x 2 + y 2 x 2 + y 2 + z 2 𝐲 ^ = y ( x 2 + y 2 𝐫 ^ + z θ ^ ) + x x 2 + y 2 + z 2 φ ^ x 2 + y 2 x 2 + y 2 + z 2 𝐳 ^ = z 𝐫 ^ − x 2 + y 2 θ ^ x 2 + y 2 + z 2
Cilíndric
ρ ^ = cos φ 𝐱 ^ + sin φ 𝐲 ^ φ ^ = − sin φ 𝐱 ^ + cos φ 𝐲 ^ 𝐳 ^ = 𝐳 ^
Plantilla:N/a
ρ ^ = ρ 𝐫 ^ + z θ ^ ρ 2 + z 2 φ ^ = φ ^ 𝐳 ^ = z 𝐫 ^ − ρ θ ^ ρ 2 + z 2
Esfèric
𝐫 ^ = sin θ ( cos φ 𝐱 ^ + sin φ 𝐲 ^ ) + cos θ 𝐳 ^ θ ^ = cos θ ( cos φ 𝐱 ^ + sin φ 𝐲 ^ ) − sin θ 𝐳 ^ φ ^ = − sin φ 𝐱 ^ + cos φ 𝐲 ^
𝐫 ^ = sin θ ρ ^ + cos θ 𝐳 ^ θ ^ = cos θ ρ ^ − sin θ 𝐳 ^ φ ^ = φ ^
Plantilla:N/a
Fórmules amb l'operador nabla
Taula amb l'operador nabla en coordenades cartesianes, cilíndriques i esfèriques
Operació
Coordenades cartesianes Plantilla:Math
Coordenades cilíndriques Plantilla:Math
Coordenades esfèriques Plantilla:Math , on θ és l'angle polar i Plantilla:Math és l'angle azimutalPlantilla:Ref
Un camp vectorial Plantilla:Math
A x 𝐱 ^ + A y 𝐲 ^ + A z 𝐳 ^
A ρ ρ ^ + A φ φ ^ + A z 𝐳 ^
A r 𝐫 ^ + A θ θ ^ + A φ φ ^
Gradient Plantilla:Math
∂ f ∂ x 𝐱 ^ + ∂ f ∂ y 𝐲 ^ + ∂ f ∂ z 𝐳 ^
∂ f ∂ ρ ρ ^ + 1 ρ ∂ f ∂ φ φ ^ + ∂ f ∂ z 𝐳 ^
∂ f ∂ r 𝐫 ^ + 1 r ∂ f ∂ θ θ ^ + 1 r sin θ ∂ f ∂ φ φ ^
Divergència Plantilla:Math
∂ A x ∂ x + ∂ A y ∂ y + ∂ A z ∂ z
1 ρ ∂ ( ρ A ρ ) ∂ ρ + 1 ρ ∂ A φ ∂ φ + ∂ A z ∂ z
1 r 2 ∂ ( r 2 A r ) ∂ r + 1 r sin θ ∂ ∂ θ ( A θ sin θ ) + 1 r sin θ ∂ A φ ∂ φ
Rotacional Plantilla:Math
( ∂ A z ∂ y − ∂ A y ∂ z ) 𝐱 ^ + ( ∂ A x ∂ z − ∂ A z ∂ x ) 𝐲 ^ + ( ∂ A y ∂ x − ∂ A x ∂ y ) 𝐳 ^
( 1 ρ ∂ A z ∂ φ − ∂ A φ ∂ z ) ρ ^ + ( ∂ A ρ ∂ z − ∂ A z ∂ ρ ) φ ^ + 1 ρ ( ∂ ( ρ A φ ) ∂ ρ − ∂ A ρ ∂ φ ) 𝐳 ^
1 r sin θ ( ∂ ∂ θ ( A φ sin θ ) − ∂ A θ ∂ φ ) 𝐫 ^ + 1 r ( 1 sin θ ∂ A r ∂ φ − ∂ ∂ r ( r A φ ) ) θ ^ + 1 r ( ∂ ∂ r ( r A θ ) − ∂ A r ∂ θ ) φ ^
Operador laplacià Plantilla:Math
∂ 2 f ∂ x 2 + ∂ 2 f ∂ y 2 + ∂ 2 f ∂ z 2
1 ρ ∂ ∂ ρ ( ρ ∂ f ∂ ρ ) + 1 ρ 2 ∂ 2 f ∂ φ 2 + ∂ 2 f ∂ z 2
1 r 2 ∂ ∂ r ( r 2 ∂ f ∂ r ) + 1 r 2 sin θ ∂ ∂ θ ( sin θ ∂ f ∂ θ ) + 1 r 2 sin 2 θ ∂ 2 f ∂ φ 2
Vector laplacià Plantilla:Math
∇ 2 A x 𝐱 ^ + ∇ 2 A y 𝐲 ^ + ∇ 2 A z 𝐳 ^
( ∇ 2 A ρ − A ρ ρ 2 − 2 ρ 2 ∂ A φ ∂ φ ) ρ ^ + ( ∇ 2 A φ − A φ ρ 2 + 2 ρ 2 ∂ A ρ ∂ φ ) φ ^ + ∇ 2 A z 𝐳 ^
( ∇ 2 A r − 2 A r r 2 − 2 r 2 sin θ ∂ ( A θ sin θ ) ∂ θ − 2 r 2 sin θ ∂ A φ ∂ φ ) 𝐫 ^ + ( ∇ 2 A θ − A θ r 2 sin 2 θ + 2 r 2 ∂ A r ∂ θ − 2 cos θ r 2 sin 2 θ ∂ A φ ∂ φ ) θ ^ + ( ∇ 2 A φ − A φ r 2 sin 2 θ + 2 r 2 sin θ ∂ A r ∂ φ + 2 cos θ r 2 sin 2 θ ∂ A θ ∂ φ ) φ ^
Derivada materialPlantilla:Ref [ 1] Plantilla:Math
𝐀 ⋅ ∇ B x 𝐱 ^ + 𝐀 ⋅ ∇ B y 𝐲 ^ + 𝐀 ⋅ ∇ B z 𝐳 ^
( A ρ ∂ B ρ ∂ ρ + A φ ρ ∂ B ρ ∂ φ + A z ∂ B ρ ∂ z − A φ B φ ρ ) ρ ^ + ( A ρ ∂ B φ ∂ ρ + A φ ρ ∂ B φ ∂ φ + A z ∂ B φ ∂ z + A φ B ρ ρ ) φ ^ + ( A ρ ∂ B z ∂ ρ + A φ ρ ∂ B z ∂ φ + A z ∂ B z ∂ z ) 𝐳 ^
( A r ∂ B r ∂ r + A θ r ∂ B r ∂ θ + A φ r sin θ ∂ B r ∂ φ − A θ B θ + A φ B φ r ) 𝐫 ^ + ( A r ∂ B θ ∂ r + A θ r ∂ B θ ∂ θ + A φ r sin θ ∂ B θ ∂ φ + A θ B r r − A φ B φ cot θ r ) θ ^ + ( A r ∂ B φ ∂ r + A θ r ∂ B φ ∂ θ + A φ r sin θ ∂ B φ ∂ φ + A φ B r r + A φ B θ cot θ r ) φ ^
Tensor de divergència Plantilla:Math
( ∂ T x x ∂ x + ∂ T y x ∂ y + ∂ T z x ∂ z ) 𝐱 ^ + ( ∂ T x y ∂ x + ∂ T y y ∂ y + ∂ T z y ∂ z ) 𝐲 ^ + ( ∂ T x z ∂ x + ∂ T y z ∂ y + ∂ T z z ∂ z ) 𝐳 ^
[ ∂ T ρ ρ ∂ ρ + 1 ρ ∂ T φ ρ ∂ φ + ∂ T z ρ ∂ z + 1 ρ ( T ρ ρ − T φ φ ) ] ρ ^ + [ ∂ T ρ φ ∂ ρ + 1 ρ ∂ T φ φ ∂ φ + ∂ T z φ ∂ z + 1 ρ ( T ρ φ + T φ ρ ) ] φ ^ + [ ∂ T ρ z ∂ ρ + 1 ρ ∂ T φ z ∂ φ + ∂ T z z ∂ z + T ρ z ρ ] 𝐳 ^
[ ∂ T r r ∂ r + 2 T r r r + 1 r ∂ T θ r ∂ θ + cot θ r T θ r + 1 r sin θ ∂ T φ r ∂ φ − 1 r ( T θ θ + T φ φ ) ] 𝐫 ^ + [ ∂ T r θ ∂ r + 2 T r θ r + 1 r ∂ T θ θ ∂ θ + cot θ r T θ θ + 1 r sin θ ∂ T φ θ ∂ φ + T θ r r − cot θ r T φ φ ] θ ^ + [ ∂ T r φ ∂ r + 2 T r φ r + 1 r ∂ T θ φ ∂ θ + 1 r sin θ ∂ T φ φ ∂ φ + T φ r r + cot θ r ( T θ φ + T φ θ ) ] φ ^
Desplaçament diferencial Plantilla:Math
d x 𝐱 ^ + d y 𝐲 ^ + d z 𝐳 ^
d ρ ρ ^ + ρ d φ φ ^ + d z 𝐳 ^
d r 𝐫 ^ + r d θ θ ^ + r sin θ d φ φ ^
Normal d'àrea diferencial Plantilla:Math
d y d z 𝐱 ^ + d x d z 𝐲 ^ + d x d y 𝐳 ^
ρ d φ d z ρ ^ + d ρ d z φ ^ + ρ d ρ d φ 𝐳 ^
r 2 sin θ d θ d φ 𝐫 ^ + r sin θ d r d φ θ ^ + r d r d θ φ ^
Volum diferencial Plantilla:Math
d x d y d z
ρ d ρ d φ d z
r 2 sin θ d r d θ d φ
Plantilla:Note Aquesta pàgina utilitza θ per l'angle polar i φ per l'angle azimutal, que és la notació habitual en física . La font que s'utilitza per aquestes fórmules utilitza θ per l'azimut i φ per l'angle polar, que és la notació habitual en matemàtiques . Per tal d'obternir les fórmules en notació matemàtica , canviï's θ i φ en les fórmules de la taula.
Normes de càlcul no trivials
div grad f ≡ ∇ ⋅ ∇ f ≡ ∇ 2 f (Operador laplacià )
curl grad f ≡ ∇ × ∇ f = 𝟎
div curl 𝐀 ≡ ∇ ⋅ ( ∇ × 𝐀 ) = 0
curl curl 𝐀 ≡ ∇ × ( ∇ × 𝐀 ) = ∇ ( ∇ ⋅ 𝐀 ) − ∇ 2 𝐀
∇ 2 ( f g ) = f ∇ 2 g + 2 ∇ f ⋅ ∇ g + g ∇ 2 f
Derivació cartesiana
Element infinitesimal en coordenades cartesianes
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
( curl 𝐀 ) x = lim S ⊥ 𝐱 ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A z ( z + d z ) d z − A z ( z ) d z + A y ( y ) d y − A y ( y + d y ) d y d y d z = ∂ A z ∂ y − ∂ A y ∂ z
Les expressions per ( curl 𝐀 ) y i ( curl 𝐀 ) z s'obtenen de la mateixa manera.
Derivació cilíndrica
Element infinitesimal en coordenades cilíndriques
div 𝐀 = lim V → 0 ∬ ∂ V 𝐀 ⋅ d 𝐒 ∭ V d V = A ρ ( ρ + d ρ ) ( ρ + d ρ ) d ϕ d z − A ρ ( ρ ) ρ d ϕ d z + A ϕ ( ϕ + d ϕ ) d ρ d z − A ϕ ( ϕ ) d ρ d z + A z ( z + d z ) d ρ ( ρ + d ρ / 2 ) d ϕ − A z ( z ) d ρ ( ρ + d ρ / 2 ) d ϕ ( ρ + d ρ / 2 ) d ϕ d ρ d z = 1 ρ ∂ ( ρ A ρ ) ∂ ρ + 1 ρ ∂ A ϕ ∂ ϕ + ∂ A z ∂ z
( curl 𝐀 ) ρ = lim S ⊥ ρ ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A ϕ ( z ) ( ρ + d ρ ) d ϕ − A ϕ ( z + d z ) ( ρ + d ρ ) d ϕ + A z ( ϕ + d ϕ ) d z − A z ( ϕ ) d z ( ρ + d ρ ) d ϕ d z = − ∂ A ϕ ∂ z + 1 ρ ∂ A z ∂ ϕ
( curl 𝐀 ) ϕ = lim S ⊥ ϕ ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A z ( ρ ) d z − A z ( ρ + d ρ ) d z + A ρ ( z + d z ) d ρ − A ρ ( z ) d ρ d ρ d z = − ∂ A z ∂ ρ + ∂ A ρ ∂ z
( curl 𝐀 ) z = lim S ⊥ 𝒛 ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A ρ ( ϕ ) d ρ − A ρ ( ϕ + d ϕ ) d ρ + A ϕ ( ρ + d ρ ) ( ρ + d ρ ) d ϕ − A ϕ ( ρ ) ρ d ϕ ( ρ + d ρ / 2 ) d ρ d ϕ = − 1 ρ ∂ A ρ ∂ ϕ + 1 ρ ∂ ( ρ A ϕ ) ∂ ρ
curl 𝐀 = ( curl 𝐀 ) ρ ρ ^ + ( curl 𝐀 ) ϕ ϕ ^ + ( curl 𝐀 ) z 𝒛 ^ = ( 1 ρ ∂ A z ∂ ϕ − ∂ A ϕ ∂ z ) ρ ^ + ( ∂ A ρ ∂ z − ∂ A z ∂ ρ ) ϕ ^ + 1 ρ ( ∂ ( ρ A ϕ ) ∂ ρ − ∂ A ρ ∂ ϕ ) 𝒛 ^
Derivació esfèrica
Element infinitesimal en coordenades esfèriques.
div 𝐀 = lim V → 0 ∬ ∂ V 𝐀 ⋅ d 𝐒 ∭ V d V = A r ( r + d r ) ( r + d r ) d θ ( r + d r ) sin θ d ϕ − A r ( r ) r d θ r sin θ d ϕ + A θ ( θ + d θ ) sin ( θ + d θ ) r d r d ϕ − A θ ( θ ) sin ( θ ) r d r d ϕ + A ϕ ( ϕ + d ϕ ) ( r + d r / 2 ) d r d θ − A ϕ ( ϕ ) ( r + d r / 2 ) d r d θ d r r d θ r sin θ d ϕ = 1 r 2 ∂ ( r 2 A r ) ∂ r + 1 r sin θ ∂ ( A θ sin θ ) ∂ θ + 1 r sin θ ∂ A ϕ ∂ ϕ
( curl 𝐀 ) r = lim S ⊥ 𝒓 ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A θ ( ϕ ) r d θ + A ϕ ( θ + d θ ) r sin ( θ + d θ ) d ϕ − A θ ( ϕ + d ϕ ) r d θ − A ϕ ( θ ) r sin ( θ ) d ϕ r d θ r sin θ d ϕ = 1 r sin θ ∂ ( A ϕ sin θ ) ∂ θ − 1 r sin θ ∂ A θ ∂ ϕ
( curl 𝐀 ) θ = lim S ⊥ θ ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A ϕ ( r ) r sin θ d ϕ + A r ( ϕ + d ϕ ) d r − A ϕ ( r + d r ) ( r + d r ) sin θ d ϕ − A r ( ϕ ) d r d r r sin θ d ϕ = 1 r sin θ ∂ A r ∂ ϕ − 1 r ∂ ( r A ϕ ) ∂ r
( curl 𝐀 ) ϕ = lim S ⊥ ϕ ^ → 0 ∫ ∂ S 𝐀 ⋅ d ℓ ∬ S d S = A r ( θ ) d r + A θ ( r + d r ) ( r + d r ) d θ − A r ( θ + d θ ) d r − A θ ( r ) r d θ ( r + d r / 2 ) d r d θ = 1 r ∂ ( r A θ ) ∂ r − 1 r ∂ A r ∂ θ
curl 𝐀 = ( curl 𝐀 ) r 𝒓 ^ + ( curl 𝐀 ) θ θ ^ + ( curl 𝐀 ) ϕ ϕ ^ = 1 r sin θ ( ∂ ( A ϕ sin θ ) ∂ θ − ∂ A θ ∂ ϕ ) 𝒓 ^ + 1 r ( 1 sin θ ∂ A r ∂ ϕ − ∂ ( r A ϕ ) ∂ r ) θ ^ + 1 r ( ∂ ( r A θ ) ∂ r − ∂ A r ∂ θ ) ϕ ^
Vegeu també
Referències
Plantilla:Referències