ベクトル解析

様々な微分演算子に関する公式

次の関係式が成り立つことを示せ。
div(f(r)A(r))=f(r)divA(r)+gradf(r)A(r)rot rotA(r)=grad divA(r)ΔA(r)div(A(r)×B(r))=B(r)rotA(r)A(r)rotB(r)rot gradf(r)=0div rotA(r)=0

Einstein の縮約、及び Levi-Civita の記号を利用して証明を行う。(こちらの記事を参照

div(f(r)A(r))=xi(f(r)Axi(r))=f(r)xiAxi(r)+f(r)Axi(r)xi=gradf(r)A(r)+f(r)divA(r)

(rot rotA(r))xi=ϵijkxj(rotA(r))xk=ϵijkxjϵklmAxm(r)xl=(ϵijkϵlmk)xjAxm(r)xl=(δi,lδj,mδi,mδj,l)2Axm(r)xjxl=2Axj(r)xjxi2Axi(r)xjxj=(grad divA(r))xiΔAxi(r)

div(A(r)×B(r))=xi(A(r)×B(r))xi=xi(ϵijkAxj(r)Bxk(r))=ϵkijAxj(r)xiBxk(r)Axj(r)ϵjikBxk(r)xi=rotA(r)B(r)ArotB(r)

(rot gradf(r))xi=ϵijkxj(gradf(r))xk=ϵijk2xjxkf(r)=ϵikj2xkxjf(r)=ϵijk2xjxkf(r)=0
ここで2行目から3行目においてjkを入れ替えても値が変わらないことを用いた。

div rotA(r)=xi(rotA(r))xi=xiϵijkAxk(r)xj=ϵijk2Axk(r)xixj=0
ここで3行目から4行目はijを入れ替えても値は変わらないことを用いた。

このように、Einstein の縮約と Levi-Civita の記号は、ベクトル積や微分演算子の計算を非常に簡便に行うことが出来る。

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