Formelsammlung Tensoranalysis

Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Analysis mit Vektor- und Tensorfeldern zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen.

Allgemeines

Siehe auch

Formelsammlung Tensoralgebra

Nomenklatur

Kronecker-Delta

δij=δij=δij=δji={1falls i=j0sonst

Permutationssymbol

ϵijk=êi⋅(êj×êk)={1falls(i,j,k)∈{(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2)}−1falls(i,j,k)∈{(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)}0sonst, d. h. bei doppeltem Index

Kreuzprodukt:

aiêi×bjêj=ϵijkaibjêk
ϵijkêk=êi×êj

Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:

(a→×𝐀)⋅g→:=a→×(𝐀⋅g→)
b→⋅(a→×𝐀)=(b→×a→)⋅𝐀
g→⋅(𝐀×a→):=(g→⋅𝐀)×a→
(𝐀×a→)⋅b→=𝐀⋅(a→×b→)

Basisvektoren

Kartesische Koordinaten

x1,x2,x3∈ℝ

mit Basisvektoren

ê1=(100),ê2=(010),ê3=(001)

die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.

Zylinderkoordinaten

êρ=(cos⁡(φ)sin⁡(φ)0),êφ=(−sin⁡(φ)cos⁡(φ)0),êz=(001)
êρ,φ=êφ,êφ,φ=−êρêz,φ=0→

Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:

ω→=φ˙êz→ê˙ρ/φ/z=ω→×êρ/φ/z

Kugelkoordinaten

êr=(sin⁡(ϑ)cos⁡(φ)sin⁡(ϑ)sin⁡(φ)cos⁡(ϑ)),êϑ=(cos⁡(ϑ)cos⁡(φ)cos⁡(ϑ)sin⁡(φ)−sin⁡(ϑ)),êφ=(−sin⁡(φ)cos⁡(φ)0)

Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:

ω→=(−ϑ˙sin⁡(φ)ϑ˙cos⁡(φ)φ˙)=φ˙cos⁡(ϑ)êr−φ˙sin⁡(ϑ)êϑ+ϑ˙êφ→ê˙r/ϑ/φ=ω→×êr/ϑ/φ

Krummlinige Koordinaten

y1,y2,y3∈ℝ
b→i=∂x→∂yi,b→i=grad⁡(yi)=∂yi∂x→→b→i⋅b→j=δij

Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen

Gâteaux-Differential

Df(x)[h]:=ddsf(x+sh)|s=0=lims→0f(x+sh)−f(x)s

mit s∈ℝ, f,x,h skalar-, vektor- oder tensorwertig aber x und h gleichartig.

Produktregel:

D(f(x)⋅g(x))[h]=Df(x)[h]⋅g(x)+f(x)⋅Dg(x)[h]

Kettenregel:

Df(g(x))[h]=Df(g)[Dg(x)[h]]

Fréchet-Ableitung

Existiert ein beschränkter linearer Operator 𝒜, sodass

𝒜[h]=Df(x)[h]∀h

gilt, so wird 𝒜 Fréchet-Ableitung von f nach x genannt. Man schreibt dann auch

∂f∂x=𝒜.

Ableitung der Inversen eines Tensors

(𝐓−1)˙=−𝐓−1⋅𝐓˙⋅𝐓−1=−(𝐓−1⊗𝐓⊤−1)⊤23:𝐓˙d𝐓−1d𝐓=−(𝐓−1⊗𝐓⊤−1)⊤23(𝐓⊤−1)˙=−𝐓⊤−1⋅𝐓˙⋅𝐓⊤−1=−(𝐓⊤−1⊗𝐓−1)⊤23:𝐓˙d𝐓⊤−1d𝐓=−(𝐓⊤−1⊗𝐓⊤−1)⊤24

siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Tensoren vierter Stufe.

Denn das #Gâteaux-Differential der Inversen lautet:

𝐓⋅𝐓−1=𝟏→D𝐓(𝐓)[𝐇]⏞𝐇⋅𝐓−1+𝐓⋅D𝐓−1(𝐓)[𝐇]=𝟎→D𝐓−1(𝐓)[𝐇]=−𝐓−1⋅𝐇⋅𝐓−1=−(𝐓−1⊗𝐓⊤−1)⊤23:𝐇𝐓⊤⋅𝐓⊤−1=𝟏→D𝐓⊤(𝐓)[𝐇]⏞𝐇⊤⋅𝐓⊤−1+𝐓⊤⋅D𝐓⊤−1(𝐓)[𝐇]=𝟎→D𝐓⊤−1(𝐓)[𝐇]=−𝐓⊤−1⋅𝐇⊤⋅𝐓⊤−1=−(𝐓⊤−1⊗𝐓⊤−1)⊤24:𝐇

Ableitungen nach dem Ort

Nabla-Operator

#Kartesische Koordinaten x→ :∇=êi∂∂xi

#Zylinderkoordinaten: ∇=e→ρ∂∂ρ+1ρe→φ∂∂φ+e→z∂∂z

#Kugelkoordinaten: ∇=e→r∂∂r+1re→ϑ∂∂ϑ+1rsin⁡(ϑ)e→φ∂∂φ

#Krummlinige Koordinaten y→ :∇=b→j∂∂yj    mit    b→j=∂yj∂xiêi.

Gradient

Definition des Gradienten/Allgemeines

Definierende Eigenschaft bei skalar-, vektor- oder tensorwertiger Funktion φ ist die lineare Approximation 𝓛 in einem Punkt:

φ(y→)−φ(x→)=ℒ(y→−x→)+𝒪(|y→−x→|) wenn y→→x→

Wenn 𝓛 existiert, ist es eindeutig. Bei einer skalaren Funktion f ist grad(f) ein Vektor:

ℒ(y→−x→)=grad⁡(f)⋅(y→−x→)
grad⁡(f)=∇f=:∂f∂x→

Bei Vektoren oder Tensoren φ gibt es Rechtsgradienten

ℒ(y→−x→)=grad⁡(φ)⋅(y→−x→)
grad(f→)=(∇⊗f→)⊤=:∂f→∂x→

und Linksgradienten

ℒ(y→−x→)=(y→−x→)⋅grad~(φ)
grad~(f→)=∇⊗f→

siehe Krummlinige Koordinaten#Allgemeine krummlinige Koordinatensysteme. Hier wird die Rechtsversion verwendet.

Berechnung für skalar-, vektor- oder allgemein tensorwertige Funktion φ:

grad⁡(φ)⋅h→=ddsφ(x→+sh→)|s=0=lims→0φ(x→+sh→)−φ(x→)s∀h→∈𝕍

Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:

rot⁡(f→)=0→→∃g:f→=grad⁡(g).

Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:

grad⁡(f)=limv→0(1v∫afda→)
grad⁡(x→)=𝟏

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

grad⁡(f)=div⁡(f𝟏)=∇⋅(f𝟏)
grad⁡(f)×c→=rot⁡(fc→)
rot⁡(f→)×c→=(grad⁡(f→)−grad⁡(f→)⊤)⋅c→

Nützliche Formeln für Gradienten

grad(r)=x→rgrad(f(r))=df(r)drx→rgrad(r−1)=−x→r3

mit r=|x→|

Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

grad(f)=f,iêi
grad(f→)=f→,i⊗êi=êi⊗grad(fi)=fi,jêi⊗êj

#Zylinderkoordinaten:

grad(f)=f,ρêρ+f,φρêφ+f,zêz
grad(f→)=êρ⊗grad(fρ)+êφ⊗grad(fφ)+êz⊗grad(fz)+1ρ(fρêφ−fφêρ)⊗êφ

#Kugelkoordinaten:

grad(f)=f,rêr+f,ϑrêϑ+f,φrsin⁡(ϑ)êφ
grad(f→)=êr⊗grad(fr)+êϑ⊗grad(fϑ)+êφ⊗grad(fφ)+frr(𝟏−êr⊗êr)−êr⊗fϑêϑ+fφêφr+fϑêφ−fφêϑrtan⁡(ϑ)⊗êφ

#Krummlinige Koordinaten:

Christoffelsymbole: Γijk=g→i,j⋅g→k

Vektorfelder:

grad(g→i)=Γijkg→k⊗g→j
grad(g→k)=−Γijkg→i⊗g→j
grad(fig→i)=fi|jg→i⊗g→j
grad(fig→i)=fi|jg→i⊗g→j

Mit den kovarianten Ableitungen

fi|j=f,ji+Γkjifk
fi|j=fi,j−Γijkfk

Tensorfelder:

grad(𝐓)=𝐓,k⊗g→k

Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:

grad(Tijg→i⊗g→j)=Tij|kg→i⊗g→j⊗g→k,Tij|k=Tij,k−ΓiklTlj−ΓjklTilgrad(Tijg→i⊗g→j)=Tij|kg→i⊗g→j⊗g→k,Tij|k=T,kij+ΓlkiTlj+ΓlkjTilgrad(Ti.jg→i⊗g→j)=Ti.j|kg→i⊗g→j⊗g→k,Ti.j|k=Ti,k.j−ΓiklTl.j+ΓlkjTi.lgrad(T.ji)g→i⊗g→j=T.ji|kg→i⊗g→j⊗g→k,T.ji|k=T.j,ki+ΓlkiT.jl−ΓjklT.li

Produktregel für Gradienten

grad(fg)=(f,ig+fg,i)êi=grad(f)g+fgrad(g)grad(fg→)=(f,ig→+fg→,i)⊗êi=g→⊗grad(f)+fgrad(g→)grad(f→⋅g→)=(f→,i⋅g→+f→⋅g→,i)êi=g→⋅grad(f→)+f→⋅grad(g→)=grad(f→)⊤⋅g→+grad(g→)⊤⋅f→grad(f→×g→)=(f→,i×g→+f→×g→,i)⊗êi=f→×grad(g→)−g→×grad(f→)

In drei Dimensionen ist speziell

grad(f→⋅g→)=grad(f→)⋅g→+grad(g→)⋅f→+f→×rot(g→)+g→×rot(f→)

Beliebige Basis:

grad(fib→i)=b→i⊗grad(fi)+figrad(b→i)

Divergenz

Definition der Divergenz/Allgemeines

Vektorfeld f→ :

div(f→)=∇⋅f→=Sp(grad(f→))
div(x→)=Sp(grad(x→))=Sp(𝟏)=3

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:

div(𝐓)⋅c→=div(𝐓⊤⋅c→)∀c→∈𝕍
→ div(𝐓)=∇⋅(𝐓⊤)

Koordinatenfreie Darstellung:

div(f→)=limv→0(1v∫af→⋅da→)

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

div(f→)=∇⋅f→=Sp(grad(f→))div(f𝟏)=∇⋅(f𝟏)=grad(f)

Nützliche Formeln für Divergenzen

div(f(r)x→)=3f(r)+rdf(r)dr

mit r=|x→|

Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

div(f→)=f→,i⋅êi=fi,i
div(𝐓)=𝐓,i⋅êi=Tij,jêi
∇⋅𝐓=êi⋅𝐓,i=Tij,iêj=Tji,jêi

#Zylinderkoordinaten:

div(f→)=1ρ∂∂ρ(ρfρ)+1ρfφ,φ+fz,z
div(𝐓)=(Tρρ,ρ+1ρ(Tρφ,φ+Tρρ−Tφφ)+Tρz,z)êρ+(Tφρ,ρ+1ρ(Tφφ,φ+Tρφ+Tφρ)+Tφz,z)êφ+(Tzρ,ρ+1ρ(Tzφ,φ+Tzρ)+Tzz,z)êz

∇⋅𝐓=div(𝐓⊤) ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

#Kugelkoordinaten:

div(f→)=fr,r+2fr+fϑ,ϑr+fϑcos⁡(ϑ)+fφ,φrsin⁡(ϑ)div(𝐓)=(Trr,r+2Trr−Tϑϑ−Tφφ+Trϑ,ϑr+Trφ,φ+Trϑcos⁡(ϑ)rsin⁡(ϑ))êr(Tϑr,r+2Tϑr+Trϑ+Tϑϑ,ϑr+(Tϑϑ−Tφφ)cos⁡(ϑ)+Tϑφ,φrsin⁡(ϑ))êϑ(Tφr,r+2Tφr+Trφ+Tφϑ,ϑr+(Tϑφ+Tφϑ)cos⁡(ϑ)+Tφφ,φrsin⁡(ϑ))êφ

∇⋅𝐓=div(𝐓⊤) ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.

Produktregel für Divergenzen

div(fg→)=∇⋅(fg→)=(f,ig→+fg→,i)⋅êi=grad(f)⋅g→+fdiv(g→)
div(f→×g→)=∇⋅(f→×g→)=(f→,i×g→+f→×g→,i)⋅êi=g→⋅rot(f→)−f→⋅rot(g→)
div(f→⊗g→)=(f→,i⊗g→+f→⊗g→,i)⋅êi=grad(f→)⋅g→+div(g→)f→div(f𝐓)=(f,i𝐓+f𝐓,i)⋅êi=𝐓⋅grad(f)+fdiv(𝐓)div(𝐓⋅f→)=(𝐓,i⋅f→+𝐓⋅f→,i)⋅êi=div(𝐓⊤)⋅f→+𝐓⊤:grad(f→)div(f→×𝐓)=(f→,i×𝐓+f→×𝐓,i)⋅êi=i→(grad(f→)⋅𝐓⊤)+f→×div(𝐓)
∇⋅(f→⊗g→)=êi⋅(f→,i⊗g→+f→⊗g→,i)=(∇⋅f→)g→+(∇⊗g→)⊤⋅f→∇⋅(f𝐓)=êi⋅(f,i𝐓+f𝐓,i)=(∇f)⋅𝐓+f∇⋅𝐓∇⋅(𝐓⋅f→)=êi⋅(𝐓,i⋅f→+𝐓⋅f→,i)=(∇⋅𝐓)⋅f→+𝐓:(∇⊗f→)∇⋅(𝐓×f→)=êi⋅(𝐓,i×f→+𝐓×f→,i)=(∇⋅𝐓)×f→−i→((∇⊗f→)⊤⋅𝐓)

Beliebige Basis:

div(fib→i)=∇⋅(fib→i)=grad(fi)⋅b→i+fidiv(b→i)
div(Tijb→i⊗b→j)=(grad(Tij)⋅b→j)b→i+Tij(grad(b→i)⋅b→j+div(b→j)b→i)
∇⋅(Tijb→i⊗b→j)=((∇Tij)⋅b→i)b→j+Tij((∇⋅b→i)b→j+(∇b→j)⋅b→i)

Produkt mit Konstanten:

div(f𝐂)=𝐂⋅grad(f)→div(f𝟏)=grad(f)
∇⋅(f𝐂)=grad(f)⋅𝐂→∇⋅(f𝟏)=∇f
div(𝐂⋅f→)=𝐂⊤:grad(f→)→div(f→)=div(𝟏⋅f→)=𝟏:grad(f→)=Sp(grad(f→))

Rotation

Definition der Rotation/Allgemeines

Vektorfeld f→ :

rot(f→)=∇×f→

Klassische Definition für ein Tensorfeld T:

rot(𝐓)⋅c→=rot(𝐓⊤⋅c→)∀c→∈𝕍
→ rot(𝐓)=∇×(𝐓⊤)

Allgemeine Identitäten:

𝐓=𝐓⊤→Sp(rot(𝐓))=Sp(∇×𝐓)=0
rot(x→)=rot(f(|x→|)x→)=0→

Integrabilitätsbedingung: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:

div(f→)=0→∃g→:f→=rot(g→).

Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.

Koordinatenfreie Darstellung:

rot(f→)=−limv→0(1v∫af→×da→)

Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:

rot(fc→)=grad(f)×c→rot(f→)=−i→(grad(f→))=i→(∇⊗f→)=∇×f→

Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

rot(f→)=êi×f→,i=fj,iêi×êj=ϵijkfj,iêk=(f3,2−f2,3)ê1+(f1,3−f3,1)ê2+(f2,1−f1,2)ê3
rot(𝐓)=êi×𝐓,i⊤=êi×Tlj,iêj⊗êl=ϵijkTlj,iêk⊗êl

#Zylinderkoordinaten:

rot(f→)=fz,φ−ρfφ,zρêρ+(fρ,z−fz,ρ)êφ+fφ+ρfφ,ρ−fρ,φρêz
rot(𝐓)=êρ×(𝐓,ρ⊤)+1ρêφ×(𝐓,φ⊤)+êz×(𝐓,z⊤)
∇×𝐓=êρ×𝐓,ρ+1ρêφ×𝐓,φ+êz×𝐓,z

#Kugelkoordinaten:

rot(f→)=fφ,ϑsin⁡(ϑ)+fφcos⁡(ϑ)−fϑ,φrsin⁡(ϑ)êr+(fr,φrsin⁡(ϑ)−fφ+rfφ,rr)êϑ+fϑ+rfϑ,r−fr,ϑrêφ
rot(𝐓)=êr×(𝐓,r⊤)+1rêϑ×(𝐓,ϑ⊤)+1rsin⁡(ϑ)êφ×(𝐓,φ⊤)
∇×𝐓=êr×𝐓,r+1rêϑ×𝐓,ϑ+1rsin⁡(ϑ)êφ×𝐓,φ

Produktregel für Rotationen

rot(fg→)=êi×(f,ig→+fg→,i)=grad(f)×g→+frot(g→)rot(f→×g→)=êi×(f→,i×g→+f→×g→,i)=(êi⋅g→)f→,i−(êi⋅f→,i)g→+(êi⋅g→,i)f→−(êi⋅f→)g→,i=grad(f→)⋅g→−div(f→)g→+div(g→)f→−grad(g→)⋅f→=div(f→⊗g→)−div(g→⊗f→)=∇⋅(g→⊗f→)−∇⋅(f→⊗g→)
rot(f→⊗g→)=êi×(g→,i⊗f→+g→⊗f→,i)=rot(g→)⊗f→−g→×grad(f→)⊤rot(f𝐓)=êk×(f,k𝐓⊤+f𝐓,k⊤)=grad(f)×(𝐓⊤)+frot(𝐓)

rot(𝐓⋅f→)=êk×(𝐓,k⋅f→+𝐓⋅f→,k)=rot(𝐓⊤)⋅f→+i→(êk⊗𝐓⋅f→,k)=rot(𝐓⊤)⋅f→−i→(𝐓⋅grad(f→))rot(f→×𝐓)=−rot((𝐓⊤×f→)⊤)=−∇×(𝐓⊤×f→)=−(∇×𝐓⊤)×f→+𝐓⊤#(∇⊗f→)=−rot(𝐓)×f→+(𝐓#grad(f→))⊤

∇×(f→⊗g→)=êi×(f→,i⊗g→+f→⊗g→,i)=(∇×f→)⊗g→−f→×(∇⊗(g→)∇×(f𝐓)=êk×(f,k𝐓+f𝐓,k)=(∇f)×𝐓+f∇×𝐓

∇×(𝐓⋅f→)=êk×(𝐓,k⋅f→+𝐓⋅f→,k)=(∇×𝐓)⋅f→+i→(êk⊗𝐓⋅f→,k)=(∇×𝐓)⋅f→−i→(𝐓⋅(∇⊗f→)⊤)∇×(𝐓×f→)=êk×(𝐓,k×f→+(𝐓⋅êi)⊗êi×f→,k)=(∇×𝐓)×f→−(𝐓⋅êi)×êk⊗êi×f→,k=(∇×𝐓)×f→−𝐓#(∇⊗f→)

Beliebige Basis:

rot(fib→i)=grad(fi)×b→i+firot(b→i)

Produkt mit Konstanten:

rot(𝐂⋅f→)=−i→(𝐂⋅grad(f→))→rot(f→)=rot(𝟏⋅f→)=−i→(grad(f→))rot(f→×𝟏)=𝟏#grad(f→)⊤=div(f→)𝟏−grad(f→)

In divergenzfreien Feldern ist also: rot(f→×𝟏)=−grad(f→)

Laplace-Operator

Definition des Laplace Operators/Allgemeines

Für Skalarfelder:

Δ:=∇⋅∇=∇2
Δ=∑i,jgij∇i∇j

mit

gij der metrische Tensor der Riemannschen Mannigfaltigkeit,
∇i die kovariante Ableitung

Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:

Δf=div(grad(f))=∇⋅(∇f)

„Vektorieller Laplace-Operator“ in 3D:

Δf→=div(grad(f→))=grad(div(f→))−rot(rot(f→))
Δ(x→)=0→

Für Tensorfelder

Δ(𝐓)⋅c→=Δ(𝐓⋅c→)∀c→∈𝕍
Δ𝐓=grad(div(𝐓⊤))⊤−rot(rot(𝐓⊤)⊤)

Nützliche Formeln für den Laplace-Operator

Δr=2rΔf(r)=1rd2dr2(rf(r))Δ(r−1)=0(r≠0)Δ(f(r)x→)=x→Δf(r)+2gradf(r)

mit r=|x→|

Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen

#Kartesische Koordinaten:

Δf=f,kkΔf→=Δfiêi=fi,kkêiΔ𝐓=ΔTijêi⊗êj=Tij,kkêi⊗êj

#Zylinderkoordinaten:

Δf=f,ρρ+f,ρρ+f,φφρ2+f,zzΔf→=(Δfρ−2fφ,φ+fρρ2)êρ+(Δfφ+2fρ,φ−fφρ2)êφ+Δfzêz

#Kugelkoordinaten:

Δf=1r2∂∂r(r2∂f∂r)+1r2sin⁡(ϑ)∂∂ϑ(sin⁡(ϑ)∂f∂ϑ)+1r2sin2(ϑ)∂2f∂φ2=2f,rr+f,rr+f,ϑcos⁡(ϑ)+f,ϑϑsin⁡(ϑ)r2sin⁡(ϑ)+f,φφr2sin2(ϑ)Δf→=(Δfr−2r2(fr+fϑ,ϑ)−2fφ,φ+fϑcos⁡(ϑ)r2sin⁡(ϑ))êr+(Δfϑ+2fr,ϑr2−fϑ+2fφ,φcos⁡(ϑ)r2sin2(ϑ))êϑ+(Δfφ−fφ−2fϑ,φcos⁡(ϑ)−2fr,φsin⁡(ϑ)r2sin2(ϑ))êφ

Produktregel für den Laplace-Operator

Δ(f⋅g)=gΔf+fΔg+2grad(f)⋅grad(g)Δ(fg→)=g→Δ(f)+fΔg→+2grad(g→)⋅grad(f)
Δ(f𝐓)=𝐓Δf+fΔ𝐓+(d𝐓dyi⊗b→i)⋅grad(f)

Verknüpfungen

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.

div(rot(f→))=∇⋅(∇×f→)=0rot(grad(f))=∇×∇f=0→div(grad(f)×grad(g))=∇⋅(∇f×∇g)=∇g⋅(∇×∇f)=0rot(grad(f→))=∇×(∇⊗f→)=𝟎div(rot(𝐓)⊤)=∇⋅(∇×𝐓)=0→
div(grad(f))=∇⋅(∇f)=(∇⋅∇)f=Δf
div(grad(f→)⊤)=∇⋅(∇⊗f→⊤)=fi,ijêj=grad(div(f→))rot(grad(f→)⊤)=∇×((∇⊗f→)⊤)=∇×(f→,i⊗êi)=grad(rot(f→))
rot(rot(f→))=∇×(∇×f→)=∇(∇⋅f→)−Δf→=grad(div(f→))−Δf→

Bei symmetrischem T = T⊤ gilt:

rot(rot(𝐓))=−Δ𝐓−grad(grad(Sp(𝐓)))+grad(div(𝐓))+grad(div(𝐓))⊤+[ΔSp(𝐓)−div(div(𝐓))]𝟏

Wenn zusätzlich 𝐓=𝐓⊤=𝐆−Sp(𝐆)𝟏 dann ist:

rot(rot(𝐓))=−Δ𝐆+grad(div(𝐆))+grad(div(𝐆))⊤−div(div(𝐆))𝟏

Grassmann-Entwicklung

f→×rot(f→)=12grad(f→⋅f→)−grad(f→)⋅f→=(grad(f→)⊤−grad(f→))⋅f→=i→(grad(f→))×f→

Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation

Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:

div⁡(f→)=0undrot⁡(f→)=0→→Δf→=0→

siehe #Vektorieller Laplace-Operator.

Helmholtz-Theorem

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.
f→=f→1+f→2:div(f→1)=0undrot⁡(f→2)=0→↔∃g,g→:f→=rot⁡(g→)+grad(g)

Satz über rotationsfreie Felder

𝖨:rot(u→):=êk×u→,k=0→→∃f:u→=grad(f)𝖨𝖨:rot(𝐓)=𝟎→∃u→:𝐓=grad(u→)𝖨𝖨𝖨:rot(𝐓)=𝟎undSp(𝐓)=0→∃𝐖:𝐓=rot(𝐖)und𝐖=−𝐖⊤

oder

𝖨𝖨:∇×(𝐓⊤)=𝟎→∃u→:𝐓=grad(u→)𝖨𝖨𝖨:∇×(𝐓⊤)=𝟎undSp(𝐓)=0→∃𝐖:𝐓=rot(𝐖)und𝐖=−𝐖⊤

Gaußscher Integralsatz

∫vgrad(f)dv=∫afda→∫vgrad(f→)dv=∫af→⊗da→∫vdiv(f→)dv=∫af→⋅da→∫vrot(f→)dv=−∫af→×da→∫vdiv(𝐓)dv=∫a𝐓⋅da→∫v∇⋅𝐓dv=∫a𝐓⊤⋅da→

Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

grad(fg)=grad(f)g+fgrad(g)→∫vgrad(f)gdv=∫afgda→−∫vfgrad(g)dv

Klassischer Integralsatz von Stokes

Gegeben:

Vektorwertige Funktion f→(x→,t) :

∫arot(f→)⋅da→=∮bf→⋅db→

Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:

rot(fg→)=grad(f)×g→+frot(g→)→∫a(grad(f)×g→)⋅da→=∮bfg→⋅db→−∫afrot(g→)⋅da→

Reynoldscher Transportsatz

Gegeben:

  • Zeit t
  • Zeitabhängiges Volumen v mit Volumenform dv mit
  • Oberfläche des Volumes a und äußerem vektoriellem Oberflächenelement da→
  • Ortsvektoren x→∈v
  • Geschwindigkeitsfeld:v→(x→,t)
  • Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit f(x→,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe für das Volumen:∫vf→(x→,t)dv

Skalare Funktion f(x→,t) :

ddt∫vfdv=∫v∂f∂tdv+∫af(v→⋅da→)=∫v(∂f∂t+div(fv→))dv=∫v(∂f∂t+grad(f)⋅v→+div(v→)f)dv=∫v(f˙+div(v→)f)dv

Vektorwertige Funktion f→(x→,t) :

ddt∫vf→dv=∫v∂f→∂tdv+∫af→(v→⋅da→)=∫v(∂f→∂t+div(v→⊗f→))dv=∫v(∂f→∂t+grad(f→)⋅v→+div(v→)f→)dv=∫v(f→˙+div(v→)f→)dv

Transportsatz für Flächenintegrale

Gegeben:

  • Zeit t
  • Ortsvektoren x→∈v
  • Geschwindigkeitsfeld:v→(x→,t)
  • Zeitabhängige Fläche a:[0,1]2↦v, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement da→ im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße f(x→,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe auf der Fläche:∫af(x→,t)⋅da→

Skalare Funktion f(x→,t) :

ddt∫afda→=∫a[f˙𝟏+fdiv⁡(v→)𝟏−fgrad⁡(v→)⊤]⋅da→

Vektorwertige Funktion f→(x→,t):

ddt∫af→⋅da→=∫a[f→˙+f→div⁡(v→)−grad⁡(v→)⋅f→]⋅da→

Transportsatz für Kurvenintegrale

Gegeben:

  • Zeit t
  • Ortsvektoren x→∈v
  • Geschwindigkeitsfeld:v→(x→,t)
  • Zeitabhängige Kurve b:[0,1)↦v, die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement db→ im Volumen v integriert wird
  • Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße f(x→,t), die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
  • Die Integrale Größe entlang des Weges:∫bf(x→,t)⋅db→

Skalare Funktion f(x→,t) :

ddt∮bfdb→=∮b(f˙𝟏+fgradv→)⋅db→

Vektorwertige Funktion f→(x→,t):

ddt∮bf→⋅db→=∮b(f→˙+f→⋅gradv→)⋅db→

Kontinuumsmechanik

Kleine Deformationen

Ingenieursdehnungen:

𝜺=εijêi⊗êj=12(ui,j+uj,i)êi⊗êj

Kompatibilitätsbedingungen:

rot(rot(𝜺))=∇×(∇×𝜺)⊤=𝟎↓2ε12,12−ε22,11−ε11,22=02ε13,13−ε33,11−ε11,33=02ε23,23−ε33,22−ε22,33=0ε11,23+ε23,11−ε12,13−ε13,12=0ε22,13+ε13,22−ε12,23−ε23,12=0ε12,33+ε33,12−ε13,23−ε23,13=0

Starrkörperbewegung

Orthogonaler Tensor 𝐐 beschreibt die Drehung.

𝜴:=𝐐˙⋅𝐐⊤=(𝐐⋅𝐐˙⊤)⊤=−𝐐⋅𝐐˙⊤

Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor ω→ des schiefsymmetrischen Tensors 𝜴 ist die Winkelgeschwindigkeit:

𝜴⋅r→=ω→×r→∀r→

Starrkörperbewegung mit r→=const. :

x→=f→+𝐐⋅r→→r→=𝐐⊤⋅(x→−f→)
v→=f→˙+𝐐˙⋅r→=f→˙+𝐐˙⋅𝐐⊤⋅(x→−f→)=f→˙+𝜴⋅(x→−f→)=f→˙+ω→×(x→−f→)

Ableitungen der Invarianten

∂I1(𝐓)∂𝐓=∂Sp(𝐓)∂𝐓=𝟏
∂I2(𝐓)∂𝐓=I1(𝐓)𝟏−𝐓⊤
∂I3(𝐓)∂𝐓=∂det(𝐓)∂𝐓=det(𝐓)𝐓⊤−1=cof(𝐓)=𝐓⊤⋅𝐓⊤−I1(𝐓)𝐓⊤+I2(𝐓)𝟏

mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.

Funktion f der Invarianten:

∂f∂𝐓(I1(𝐓),I2(𝐓),I3(𝐓))=(∂f∂I1+I1∂f∂I2+I2∂f∂I3)𝟏−(∂f∂I2+I1∂f∂I3)𝐓⊤+∂f∂I3𝐓⊤⋅𝐓⊤

Ableitung der Frobenius-Norm:

∂∥𝐓∥∂𝐓=𝐓∥𝐓∥

Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):

𝐓⋅v→=λv→→det(𝐓−λ𝟏)=−λ3+I1λ2−I2λ+I3=0
→ dλd𝐓=(λ2−λI1+I2)𝟏+(λ−I1)𝐓⊤+𝐓⊤⋅𝐓⊤3λ2−2I1λ+I2

Eigenwerte symmetrischer Tensoren:

𝐓⋅v→=λv→→∂λ∂𝐓=v→⊗v→

Eigenwerte von 𝐓=∑i=13λiv→i⊗v→i, wo v→i dual zu den Eigenvektoren v→i sind (v→i⋅v→j=δij):

∂λi∂𝐓=v→i⊗v→i (keine Summe)

Die Eigenwerte von 𝐓=cv→1⊗v→1+a(v→2⊗v→2+v→3⊗v→3)+b(v→2⊗v→3−v→3⊗v→2) sind λ1=c,λ2=a+ib,λ3=a−ib mit den Eigenvektoren v→1,w→2=v→2+iv→3,w→3=v→2−iv→3. Hier ist:

∂λ1∂𝐓=v→1⊗v→1,∂λk∂𝐓=12w→k⊗w→k‾,k=2,3 (keine Summe)

mit w→2=v→2+iv→3,w→3=v→2−iv→3 und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.

Konvektive Koordinaten

Konvektive Koordinaten y1,y2,y3∈ℝ

Kovariante Basisvektoren B→i=dX→dyi,    b→i=dx→dyi

Kontravariante Basisvektoren B→i=dyidX→:=GRAD(yi),    b→i=dyidx→:=grad(yi)

B→i⋅B→j=b→i⋅b→j=δij

Deformationsgradient 𝐅=b→i⊗B→i

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient 𝐥=b→˙i⊗b→i=−b→i⊗b→˙i

Kovarianter Tensor 𝐓=Tijb→i⊗b→j

Kontravarianter Tensor 𝐓=Tijb→i⊗b→j

Geschwindigkeitsgradient

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient: 𝐥=grad(v→)=𝐅˙⋅𝐅−1

Divergenz der Geschwindigkeit: div(v→)=Sp(𝐥)

Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor

ω→=𝐥→A=−12i→(𝐥)=12rot(v→)
DDtdet(𝐅)=det(𝐅)𝐅⊤−1:𝐅˙=det(𝐅)Sp(𝐅˙⋅𝐅−1)=det(𝐅)div(v→)

Objektive Zeitableitungen

Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.

Räumlicher Geschwindigkeitsgradient 𝐥=b→˙i⊗b→i=−b→i⊗b→˙i=𝐝+𝐰

Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit 𝐝=12(𝐥+𝐥⊤)

Wirbel- oder Spintensor 𝐰=12(𝐥−𝐥⊤)

Objektive Zeitableitungen von Vektoren

Gegeben: v→=vib→i=vib→i:

v→Δ=v→˙+𝐥⊤⋅v→=v˙ib→iv→∇=v→˙−𝐥⋅v→=v˙ib→iv→∘=v→˙−𝐰⋅v→

Objektive Zeitableitungen von Tensoren

Gegeben: 𝐓=Tijb→i⊗b→j=Tijb→i⊗b→j

𝐓Δ=𝐓˙+𝐓⋅𝐥+𝐥⊤⋅𝐓=T˙ijb→i⊗b→j𝐓∇=𝐓˙−𝐥⋅𝐓−𝐓⋅𝐥⊤=T˙ijb→i⊗b→j𝐓∘=𝐓˙+𝐓⋅𝐰−𝐰⋅𝐓𝐓⋄=𝐓˙+Sp(𝐥)𝐓−𝐥⋅𝐓−𝐓⋅𝐥⊤

Materielle Zeitableitung

f˙(x→,t)=DfDt=∂f∂t+grad(f)⋅v→=∂f∂t+(v→⋅∇)f
f→˙(x→,t)=Df→Dt=∂f→∂t+grad(f→)⋅v→=∂f→∂t+(v→⋅∇)f→

#Kartesische Koordinaten: DfDt:=∂f∂t+vx∂f∂x+vy∂f∂y+vz∂f∂z

#Zylinderkoordinaten: DfDt:=∂f∂t+vρ∂f∂ρ+vφρ∂f∂φ+vz∂f∂z

#Kugelkoordinaten: DfDt:=∂f∂t+vr∂f∂r+vφrsin⁡(ϑ)∂f∂φ+vϑr∂f∂ϑ