Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Analysis mit Vektor- und Tensorfeldern zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen.
Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:
mit Basisvektoren
die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.
Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:
Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:
mit , skalar-, vektor- oder tensorwertig aber und gleichartig.
Existiert ein beschränkter linearer Operator , sodass
gilt, so wird Fréchet-Ableitung von nach genannt. Man schreibt dann auch
siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Tensoren vierter Stufe.
Denn das #Gâteaux-Differential der Inversen lautet:
#Krummlinige Koordinaten : mit .
Definierende Eigenschaft bei skalar-, vektor- oder tensorwertiger Funktion φ ist die lineare Approximation 𝓛 in einem Punkt:
Wenn 𝓛 existiert, ist es eindeutig. Bei einer skalaren Funktion f ist grad(f) ein Vektor:
Bei Vektoren oder Tensoren φ gibt es Rechtsgradienten
und Linksgradienten
siehe Krummlinige Koordinaten#Allgemeine krummlinige Koordinatensysteme. Hier wird die Rechtsversion verwendet.
Berechnung für skalar-, vektor- oder allgemein tensorwertige Funktion φ:
Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:
Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
mit
Vektorfelder:
Mit den kovarianten Ableitungen
Tensorfelder:
Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:
In drei Dimensionen ist speziell
Beliebige Basis:
Vektorfeld :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:
Koordinatenfreie Darstellung:
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
mit
ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
Vektorfeld :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:
Allgemeine Identitäten:
Integrabilitätsbedingung: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:
Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.
Koordinatenfreie Darstellung:
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
In divergenzfreien Feldern ist also:
Für Skalarfelder:
mit
Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:
„Vektorieller Laplace-Operator“ in 3D:
Für Tensorfelder
mit
Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren kann es in der Literatur zu abweichenden Formeln kommen. Wenn die Definitionen der Literatur hier eingesetzt werden, gehen die hiesigen Formeln in die der Literatur über.
Bei symmetrischem T = T⊤ gilt:
Wenn zusätzlich dann ist:
Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:
siehe #Vektorieller Laplace-Operator.
Jedes Vektorfeld lässt sich eindeutig in einen divergenzfreien und einen rotationsfreien Anteil zerlegen. Den Integrabilitätsbedingungen für Rotationen und Gradienten zufolge ist der erste Anteil ein Rotationsfeld und der zweite ein Gradientenfeld.
oder
Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Gegeben:
Vektorwertige Funktion :
Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Gegeben:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Gegeben:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Gegeben:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Ingenieursdehnungen:
Orthogonaler Tensor beschreibt die Drehung.
Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor des schiefsymmetrischen Tensors ist die Winkelgeschwindigkeit:
Starrkörperbewegung mit :
mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.
Funktion der Invarianten:
Ableitung der Frobenius-Norm:
Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):
Eigenwerte symmetrischer Tensoren:
Eigenwerte von , wo dual zu den Eigenvektoren sind :
Die Eigenwerte von sind mit den Eigenvektoren . Hier ist:
mit und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.
Konvektive Koordinaten
Kovariante Basisvektoren ,
Kontravariante Basisvektoren ,
Deformationsgradient
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient
Kovarianter Tensor
Kontravarianter Tensor
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:
Divergenz der Geschwindigkeit:
Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor
Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient
Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit
Wirbel- oder Spintensor
Gegeben: :
Gegeben: