Formelsammlung Nabla-Operator

Formelsammlung Nabla-Operator
\sqrt[n]{x} Dieser Artikel ist eine Formelsammlung zum Thema Nabla-Operator. Es werden mathematische Symbole verwendet, die im Artikel Mathematische Symbole erläutert werden.

Dies ist eine Liste von einigen Formeln der Vektoranalysis im Zusammenhang mit gebräuchlichen Koordinatensystemen. Dabei bezeichnen \boldsymbol{\hat x}, \boldsymbol{\hat y}, \boldsymbol{\hat z}, \boldsymbol{\hat \rho}, \boldsymbol{\hat \phi}, \boldsymbol{\hat \theta},\boldsymbol{\hat r} die Einheitsvektoren in den jeweiligen Koordinatenrichtungen; atan2 ist der Arkustangens mit zwei Argumenten.

Tabelle mit Nabla-Operator in Zylinder und Kugelkoordinaten
Operation Kartesische Koordinaten (x,y,z) Zylinderkoordinaten (ρ,φ,z) Kugelkoordinaten (r,θ,φ)
Definition
der
Koordinaten
  \left[\begin{matrix}
x & = & \rho\cos\phi \\
y & = & \rho\sin\phi \\
z & = & z \end{matrix}\right. \left[\begin{matrix}
x & = & r\sin\theta\cos\phi \\
y & = & r\sin\theta\sin\phi \\
z & = & r\cos\theta \end{matrix}\right.
\left[\begin{matrix}
\rho & = & \sqrt{x^2 + y^2} \\
\phi & = & \operatorname{atan2}(y, x)  \\
z & = & z \end{matrix}\right. \left[\begin{matrix}
r & = & \sqrt{x^2 + y^2 + z^2} \\
\theta & = & \arccos(z / r) \\
\phi & = & \operatorname{atan2}(y, x) \end{matrix}\right.
\mathbf{A} A_x\mathbf{\hat x} + A_y\mathbf{\hat y} + A_z\mathbf{\hat z} A_\rho\boldsymbol{\hat \rho} + A_\phi\boldsymbol{\hat \phi} + A_z\boldsymbol{\hat z} A_r\boldsymbol{\hat r} + A_\theta\boldsymbol{\hat \theta} + A_\phi\boldsymbol{\hat \phi}
\nabla f {\partial f \over \partial x}\mathbf{\hat x} + {\partial f \over \partial y}\mathbf{\hat y}
+ {\partial f \over \partial z}\mathbf{\hat z} {\partial f \over \partial \rho}\boldsymbol{\hat \rho}
+ {1 \over \rho}{\partial f \over \partial \phi}\boldsymbol{\hat \phi} 
+ {\partial f \over \partial z}\boldsymbol{\hat z} {\partial f \over \partial r}\boldsymbol{\hat r}
+ {1 \over r}{\partial f \over \partial \theta}\boldsymbol{\hat \theta} 
+ {1 \over r\sin\theta}{\partial f \over \partial \phi}\boldsymbol{\hat \phi}
\nabla \cdot \mathbf{A} {\partial A_x \over \partial x} + {\partial A_y \over \partial y} + {\partial A_z \over \partial z} {1 \over \rho}{\partial ( \rho A_\rho  ) \over \partial \rho}
+ {1 \over \rho}{\partial A_\phi \over \partial \phi} 
+ {\partial A_z \over \partial z} {1 \over r^2}{\partial ( r^2 A_r ) \over \partial r}
+ {1 \over r\sin\theta}{\partial \over \partial \theta} (  A_\theta\sin\theta )  
+ {1 \over r\sin\theta}{\partial A_\phi \over \partial \phi}
\nabla \times \mathbf{A} \begin{matrix}
\left({\partial A_z \over \partial y} - {\partial A_y \over \partial z}\right) \mathbf{\hat x} & + \\
\left({\partial A_x \over \partial z} - {\partial A_z \over \partial x}\right) \mathbf{\hat y} & + \\
\left({\partial A_y \over \partial x} - {\partial A_x \over \partial y}\right) \mathbf{\hat z} & \ \end{matrix} \begin{matrix}
\left({1 \over \rho}{\partial A_z \over \partial \phi}
- {\partial A_\phi \over \partial z}\right) \boldsymbol{\hat \rho} & + \\
\left({\partial A_\rho \over \partial z} - {\partial A_z \over \partial \rho}\right) \boldsymbol{\hat \phi} & + \\
{1 \over \rho}\left({\partial ( \rho A_\phi ) \over \partial \rho}
- {\partial A_\rho \over \partial \phi}\right) \boldsymbol{\hat z} & \ \end{matrix} \begin{matrix}
{1 \over r\sin\theta}\left({\partial \over \partial \theta} ( A_\phi\sin\theta )
- {\partial A_\theta \over \partial \phi}\right) \boldsymbol{\hat r} & + \\
{1 \over r}\left({1 \over \sin\theta}{\partial A_r \over \partial \phi}
- {\partial \over \partial r} ( r A_\phi ) \right) \boldsymbol{\hat \theta} & + \\
{1 \over r}\left({\partial \over \partial r} ( r A_\theta )
- {\partial A_r \over \partial \theta}\right) \boldsymbol{\hat \phi} & \ \end{matrix}
\Delta f = \nabla^2 f {\partial^2 f \over \partial x^2} + {\partial^2 f \over \partial y^2} + {\partial^2 f \over \partial z^2} {1 \over \rho}{\partial \over \partial \rho}\left(\rho {\partial f \over \partial \rho}\right)
+ {1 \over \rho^2}{\partial^2 f \over \partial \phi^2} 
+ {\partial^2 f \over \partial z^2} {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 \phi^2}
\Delta \mathbf{A} = \nabla^2 \mathbf{A} \Delta A_x \mathbf{\hat x} + \Delta A_y \mathbf{\hat y} + \Delta A_z \mathbf{\hat z} \begin{matrix}
(\Delta A_\rho - {A_\rho \over \rho^2}
- {2 \over \rho^2}{\partial A_\phi \over \partial \phi}) \boldsymbol{\hat\rho} & + \\
(\Delta A_\phi - {A_\phi \over \rho^2}
+ {2 \over \rho^2}{\partial A_\rho \over \partial \phi}) \boldsymbol{\hat\phi} & + \\
(\Delta A_z ) \boldsymbol{\hat z}  & \ \end{matrix} \begin{matrix}
(\Delta A_r - {2 A_r \over r^2}
- {2 A_\theta\cos\theta \over r^2\sin\theta}  
- {2 \over r^2}{\partial A_\theta \over \partial \theta} 
- {2 \over r^2\sin\theta}{\partial A_\phi \over \partial \phi}) \boldsymbol{\hat r} & + \\
(\Delta A_\theta - {A_\theta \over r^2\sin^2\theta}
+ {2 \over r^2}{\partial A_r \over \partial \theta} 
- {2 \cos\theta \over r^2\sin^2\theta}{\partial A_\phi \over \partial \phi}) \boldsymbol{\hat\theta} & + \\
(\Delta A_\phi - {A_\phi \over r^2\sin^2\theta}
+ {2 \over r^2\sin^2\theta}{\partial A_r \over \partial \phi}
+ {2 \cos\theta \over r^2\sin^2\theta}{\partial A_\theta \over \partial \phi}) \boldsymbol{\hat\phi} & \end{matrix}
infinitesimale
Verschiebung
\mathrm{d}\mathbf{l} = \mathrm{d}x \, \mathbf{\hat x} + \mathrm{d}y \, \mathbf{\hat y} + \mathrm{d}z \, \mathbf{\hat z} \mathrm{d}\mathbf{l} = \mathrm{d}\rho \, \boldsymbol{\hat \rho} + \rho \, \mathrm{d}\phi \, \boldsymbol{\hat \phi} + \mathrm{d}z \, \boldsymbol{\hat z} \mathrm{d}\mathbf{l} = \mathrm{d}r \, \mathbf{\hat r} + r \, \mathrm{d}\theta \, \boldsymbol{\hat \theta} + r\sin\theta \, \mathrm{d}\phi \, \boldsymbol{\hat \phi}
infinitesimales
Flächenelement
\begin{matrix}\mathrm{d}\mathbf{A} = &\mathrm{d}y \mathrm{d}z \, \mathbf{\hat x} + \\
 &\mathrm{d}x\mathrm{d}z \, \mathbf{\hat y} + \\ 
 &\mathrm{d}x\mathrm{d}y \, \mathbf{\hat z}\end{matrix} \begin{matrix}
  \mathrm{d}\mathbf{A} = & \rho \, \mathrm{d}\phi \mathrm{d}z \, \boldsymbol{\hat \rho} + \\
 &\mathrm{d}\rho \mathrm{d}z \, \boldsymbol{\hat \phi} + \\ 
 &\rho \, \mathrm{d}\rho \mathrm{d}\phi \, \mathbf{\hat z}
\end{matrix} \begin{matrix}
  \mathrm{d}\mathbf{A} = & r^2 \sin\theta \, \mathrm{d}\theta \mathrm{d}\phi \, \mathbf{\hat r} + \\
 &r\sin\theta \, \mathrm{d}r \mathrm{d}\phi \, \boldsymbol{\hat \theta} + \\
 &r \, \mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \, \boldsymbol{\hat \phi}
\end{matrix}
infinitesimales
Volumenelement
\mathrm{d}V = \mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z \, \mathrm{d}V = \rho \, \mathrm{d}\rho \mathrm{d}\phi \mathrm{d}z\, \mathrm{d}V = r^2\sin\theta \, \mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \mathrm{d}\phi\,
Nichttriviale Rechenregeln:
  1. \operatorname{div\ grad\ } f = \nabla \cdot (\nabla f) = \nabla^2 f = \Delta f (Laplace-Operator)
  2. \operatorname{rot\ grad\ } f = \nabla \times (\nabla f) = 0
  3. \operatorname{div\ rot\ } \mathbf{A} = \nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{A}) = 0
  4. \operatorname{rot\ rot\ } \mathbf{A} = \nabla \times (\nabla \times \mathbf{A})
= \nabla (\nabla \cdot \mathbf{A}) - \Delta \mathbf{A}
  5. \Delta ( f g)  = f \Delta g + 2 \nabla f \cdot \nabla g + g \Delta f
  6. \nabla\cdot(f \mathbf A)=f \nabla\cdot\mathbf A+\mathbf A\cdot\nabla f
  7. \nabla\times f \mathbf A= f \nabla\times \mathbf A-\mathbf A\times \nabla f
  8. \nabla ( \mathbf{A} \cdot \mathbf{B} ) 
= ( \mathbf{A} \cdot \nabla ) \mathbf{B}
+ ( \mathbf{B} \cdot \nabla ) \mathbf{A}
+ \mathbf{A} \times ( \nabla \times \mathbf{B} )
+ \mathbf{B} \times ( \nabla \times \mathbf{A} ),
    woraus mit \mathbf{A} = \mathbf{B} = \mathbf{v} unmittelbar die für die Strömungslehre wichtige Weber-Transformation folgt:
    ( \mathbf{v} \cdot \nabla ) \mathbf{v} 
= \nabla \frac{\mathbf{v}^2}{2} 
- \mathbf{v} \times ( \nabla \times \mathbf{v} )
  9. \mathbf{A}\times(\nabla\times\mathbf{C}) = \nabla_{\mathbf{C}}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{C})-(\mathbf{A}\cdot\nabla)\mathbf{C}=(\nabla\mathbf{C})\cdot\mathbf{A}-(\mathbf{A}\cdot\nabla )\mathbf{C}
  10. \nabla\times (\mathbf A\times\mathbf B)= \mathbf A\,(\nabla\cdot\mathbf B)  - \mathbf B\,(\nabla\cdot\mathbf A) + (\mathbf  B\cdot\nabla)\mathbf A - (\mathbf A\cdot\nabla)\mathbf B
  11. \nabla\cdot(\mathbf A\times\mathbf B)=\mathbf B\cdot(\nabla\times\mathbf A)-\mathbf A\cdot(\nabla\times\mathbf B)

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