델 연산자가 포함된 곱셈 규칙
📂수리물리델 연산자가 포함된 곱셈 규칙
공식
f=f(x,y,z)를 스칼라 함수라고 하자. A=Axx^+Ayy^+Azz^,B=Bxx^+Byy^+Bzz^를 벡터 함수라고 하자. 그러면 다음의 식들이 성립한다.
그래디언트기울기
(a) ∇(fg)=f∇g+g∇f
(b) ∇(A⋅B)=A×(∇×B)+B×(∇×A)+(A⋅∇)B+(B⋅∇)A
다이벌전스발산
(c) ∇⋅(fA)=f(∇⋅A)+A⋅(∇f)
(d) ∇⋅(A×B)=B⋅(∇×A)−A⋅(∇×B)
컬회전
(e) ∇×(fA)=(∇f)×A+f(∇×A)
(f) ∇×(A×B)=(B⋅∇)A−(A⋅∇)B+A(∇⋅B)−B(∇⋅A)
설명
증명 전반에서 아인슈타인 노테이션을 쓰고 있으니 헷갈리지 않게 주의하자. 즉 한 식에 같은 인덱스가 두 번 나오면 다음과 같은 의미이다.
xiyi=i=1∑3xiyi=x1y1+x2y2+x3y3
또한 크로네커 델타와 레비-치비타 심볼을 사용하는데 익숙해야하고 그 둘 사이에 관계에 대해서 알고 있어야 증명을 따라가기 쉽다.
증명
(a)
그래디언트의 정의와 미분의 성질로 쉽게 보일 수 있다.
∇(fg)==== ∂x∂(fg)x^+∂y∂(fg)y^+∂z∂(fg)z^ (g∂x∂f+f∂x∂g)x^+(g∂y∂f+f∂y∂g)y^+(g∂z∂f+f∂z∂g)z^ g(∂x∂fx^+∂y∂fy^+∂z∂fz^)+f(∂x∂gx^+∂y∂gy^+∂z∂gz^) g∇f+f∇g
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(b)
좌변을 그대로 계산해보면 다음과 같다.
∇(A⋅B)==== ∂x1∂(A⋅B)e1+∂x2∂(A⋅B)e2+∂x3∂(A⋅B)e3 i=1∑3∂xi∂(A⋅B)ei i=1∑3∂xi∂(∑j=13AjBj)ei i=1∑3j=1∑3∂xi∂(AjBj)ei
이를 아인슈타인노테이션으로 간단하게 표기하면 다음과 같다.
∇(A⋅B)=∂xi∂(AjBj)ei=∂xi∂AjBjei+Aj∂xi∂Bjei
다시 크로네커 델타를 사용하여 위 식을 XiYi=XiYjδij와 같이 표현하면 다음과 같다.
⟹∂xi∂AjBjei+Aj∂xi∂Bjei===∇(A⋅B)= δjm∂xi∂AjBmei+δjmAm∂xi∂Bjeiδilδjm∂xi∂AjBmel+δilδjmAm∂xi∂Bjelδjlδjm(∂xi∂AjBmel+Am∂xi∂Bjel) δjlδjm(∂xi∂AjBmel+Am∂xi∂Bjel)
또한 ϵijkϵklm=δilδjm−δimδjl이므로 위 식을 다음과 같이 전개할 수 있다.
∇(A⋅B)== (ϵijkϵklm+δimδjl)(∂xi∂AjBmel+Am∂xi∂Bjel) ϵijkϵklm∂xi∂AjBmel+ϵijkϵklmAm∂xi∂Bjel+δimδjl∂xi∂AjBmel+δimδjlAm∂xi∂Bjel
여기서 레비-치비타 심볼의 정의에 의해 ϵijk∂xi∂Aj=(∇×A)k, ϵijk∂xi∂Bj=(∇×B)k이므로 다음의 결과를 얻는다.
∇(A⋅B)== ϵklm(∇×A)kBmel^+ϵklmAm(∇×B)kel^+∂xi∂AjBiej^+Ai∂xi∂Bjej^ B×(∇×A)+A×(∇×B)+(B⋅∇)A+(A⋅∇)B
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(c)
∇⋅(fA)==== δij∇i(fAj) δij(∇if)Aj+δijf(∇iAj) (∇if)Ai+f(∇iAi) (∇f)⋅A+f(∇⋅A)
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(d)
∇⋅(A×B)=δij∇i(A×B)j=δij∇i(ϵjklAkBl)=δijϵjkl∇i(AkBl)=δijϵjkl(∇iAk)Bl+δijϵjklAk(∇iBl)=(ϵjkl∇jAk)Bl+Ak(ϵjkl∇jBl)=(∇×A)lBl−Ak(∇×B)k=(∇×A)⋅B−A⋅(∇×B)
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(e)
∇×(fA)=ϵijk∇i(fAj)ek=ϵijk(∇if)Ajek+ϵijkf(∇iAj)ek=(∇f)×A+fϵijk(∇iAj)ek=(∇f)×A+f(∇×A)=f(∇×A)−A×(∇f)
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(f)
아인슈타인 노테이션에 익숙하지 않다면 증명을 따라가는데 힘들 것이다.
=========∇×(A×B) ϵijk∇i(A×B)jek ϵijk∇i(ϵjlmAlBm)ek ϵijkϵjlm∇i(AlBm)ek ϵjkiϵjlm[Bm(∇iAl)ek+Al(∇iBm)ek] (δklδim−δkmδil)[Bm(∇iAl)ek+Al(∇iBm)ek] δklδimBm(∇iAl)ek−δkmδilBm(∇iAl)ek+δklδimAl(∇iBm)ek−δkmδilAl(∇iBm)ek Bi(∇iAk)ek−Bk(∇iAi)ek+Ak(∇iBi)ek−Ai(∇iBk)ek (B⋅∇)A−(∇⋅A)B+A(∇⋅B)−(A⋅∇)B (B⋅∇)A−(A⋅∇)B+A(∇⋅B)−B(∇⋅A)
네번째 줄은 ϵjkiϵjlm=δklδim−δkmδil에 의해 성립한다. 일곱번째 줄은 아인슈타인 노테이션에 의해 성립한다.
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