邓嘉驹
数学分析(B2)汇总/习题课讲义

24春-第8次习题课(场论基础)

第一部分 · 第 6 份 · 2024.05.31 · 18 页 · 24 Spring · Problem Session 8 · Elements of Field Theory

1场论基础

1.1 坐标变换

1. Einstein求和约定

在求和式中,求和指标即哑指标,其余不被求和的指标称为自由指标. 这些指标具有以下性质:

  1. 1.

    哑指标可以替换为任意其他字母,例如在矩阵乘法中,

    (1.1)
  2. 2.

    若反对称、对称,即,则.

Einstein求和约定为:若同一指标在同一单项式中重复出现,则默认对其求和,例如矩阵乘法中,

(1.2)

2. Kronecker符号与Levi-Civita符号

Kronecker符号定义为

(1.3)

其性质有

(1.4)

Levi-Civita符号定义为

(1.5)

其性质有

  1. 1.

    完全反对称:.

  2. 2.

    矩阵的行列式:

    (1.6)
  3. 3.

    (相当重要的公式!).

3. 右手直角坐标系

  1. 1.

    基矢:,满足

    (1.7)
  2. 2.

    坐标:.

  3. 3.

    位矢:.

4. 转动变换

  1. 1.

    新、旧基矢间的关系:

    (1.8)
  2. 2.

    新、旧坐标间的关系:

    (1.9)

若新坐标系亦为右手直角系,则

(1.10)
(1.11)

因此要求旋转矩阵为一行列式为的正交矩阵.

1.2 场的微分

1. 梯度算子

梯度算子(或称Nabla算子)定义为

(1.12)

其同时具有一阶线性微分算子的性质(满足Leibniz法则、链式法则)与矢量算子的性质.

2. 场的一阶导数

标量场的梯度定义为

(1.13)

矢量场的梯度、散度、旋度分别定义为

(1.14)

特别地,对于三维空间中的位矢,记其模长,则有

(1.15)

其中为二阶单位张量,在三维空间中可理解为的单位矩阵.

3. Leibniz法则

  1. 1.

    .

  2. 2.

    .

  3. 3.

    . . .

  4. 4.

    . . .

其中第二式非常特殊,不能直接用Leibniz法则理解(否则会漏掉后两项旋度项).

这里不采用定义严格证明,而是通过Leibniz法则半说明以帮助理解记忆公式.

(1.16)
(1.17)

其中分别表示只作用在上的Nabla算子.

4. 链式法则

若标量场、矢量场,其中,则

(1.18)

特别地,

(1.19)

5. 场的二阶导数

  1. 1.

    恒等式:

    (1.20)
  2. 2.

    Laplace算子:

    (1.21)

6. Taylor展开1

  1. 1.

    单变量函数:

    (1.22)
  2. 2.

    标量场:

    (1.23)

    特别地,原点附近微分中值定理可利用梯度算符简写为

    (1.24)

1.3 场的积分

1. 梯度积分的基本定理

考虑任一梯度场2在曲线上的积分,的起点与终点分别为,则

(1.25)

例如对于标量场与,其结果分别为

(1.26)

对于向量场,其结果为

(1.27)

2. 散度积分的基本定理

考虑任一散度场在区域内的积分,则

(1.28)
  1. 1.

    记为常矢量,分别令,可得

    (1.29)

    特别地,.

  2. 2.

    Green恒等式.

    1. (a).

      Green第一公式:令,可得

      (1.30)
    2. (b).

      Green第二公式:令,可得

      (1.31)

3. 旋度积分的基本定理

考虑任一旋度场在曲面上的积分,则

(1.32)

1.4 正交曲线坐标系3

1. 正交曲线坐标系

在空间中一组曲线坐标系中,空间线元可写为

(1.33)

对比后两个等号的表达式可定义Lame系数与坐标基矢

(1.34)

对于柱坐标,; 对于球坐标,.

2. 场的梯度

由于

(1.35)

因此

(1.36)

3. 正交曲线坐标系中的重要矢量公式

正交曲线坐标系中的坐标基矢满足以下关系:

(1.37)

其中. 对于柱坐标系,

(1.38)

对于球坐标系,

(1.39)
证明
  1. 1.

    由定义可证明.

  2. 2.

    利用场的二阶导数的恒等式

    (1.40)
  3. 3.

    记,则

    (1.41)

    因此,即.

4. 场的散度

利用式(1.37)与梯度的定义可得

(1.42)

其中已利用坐标基矢正交的条件:. 对于柱坐标系,

(1.43)

对于球坐标系,

(1.44)

5. 场的旋度

利用式(1.37)与梯度的定义可得

(1.45)

6. 场的Laplace算子

利用散度的定义式(1.42)可得

(1.46)

对于柱坐标系,

(1.47)

对于球坐标系,

(1.48)

1.5 Dirac-函数

1. 一维函数

对于行为良好4的函数,一维Dirac-函数及其阶导定义为

(1.49)

其中可理解为对于函数“偶函数”的性质.

注

实际上,函数并非通常意义上的函数,数学上将其称为“分布”,分布是由其对任意行为良好的函数的作用定义的. 分布的导数仍是一个分布,定义为. 通常的函数其实也可以视为一个分布:.

2. 函数的基本性质5

  1. 1.

    量纲:.

  2. 2.

    .

  3. 3.

    .

  4. 4.

    若只有若干单零点6,则

    (1.50)

    特别地,,当时,即函数具有类似偶函数的性质.

3. 函数的形式定义与渐进行为

形式上,函数可表述为

(1.51)

函数也可以视为普通函数系的极限,即或. 例如分别对函数作图,可以得到如图1所示的图线.

数分讲义8_1.png数分讲义8_2.png数分讲义8_3.png
图 1三种函数在极限情况下对函数的趋近

4. Heaviside阶跃函数

阶跃函数定义为其与函数的关系为

(1.52)

5. 三维函数

三维函数的定义与一维情形类似:

(1.53)

其中为全空间,其性质有

  1. 1.

    量纲为.

  2. 2.

    .

  3. 3.

    .

  4. 4.

    若仅有一个简单零点,则.

6. 平方反比矢量场

最重要的结论是

(1.54)

其中为任一包含原点的区域,由此可导出

(1.55)

整合的结论如下:

(1.56)

1.6 Helmholtz定理

若已知矢量场的散度和旋度,则矢量场唯一确定,且可以表示为

(1.57)

1.7 选做练习

  1. 1.

    证明恒等式

    (1.58)
  2. 2.

    证明恒等式

    (1.59)

    其中为位置矢量,.

  3. 3.

    设电荷是局域分布的(为什么?),试由

    (1.60)

    证明:

    (1.61)
  4. 4.
    1. (a).

      已知

      (1.62)

      验证:是均匀静电场的标量势,而是均匀静磁场的矢量势.

    2. (b).

      由和直接计算证明,任意电磁场的电磁势可以取为如下形式:

      (1.63)
      注

      可以先证明对于任意矢量场有

      (1.64)

2作业选讲

  1. 1.

    (11.5.2 (3)) 求引力场通过光滑闭曲面外侧的通量,其中质点在上.

  2. 2.

    (11.5.3) 设区域是由曲面及平面围成的,为的全表面外侧. 又设,求积分.

  3. 3.

    (Ch11.5) 设是平面被球面截下的部分,且

    (2.1)

    求证:当时,有

    (2.2)
  4. 4.

    (Ch11.6) 设在上连续,证明:

    (2.3)

3教材习题

  1. 1.

    (Ch11.4) (Poisson公式)设,是上的连续函数,求证:

    (3.1)
    解

    考虑从到的线性正交变换,其中,那么. 在系中取为轴,作球坐标变换可得

    (3.2)
  2. 2.

    (Ch11.8) 设在上有二阶连续偏导数且满足Laplace方程

    (3.3)

    求证:对,有,其中,是以为圆心、为半径的圆.

    证明

    参考Ch11.10的证法.

  3. 3.

    (Ch11.9) 设是平面上光滑闭曲线所围成的区域,在上有二阶连续偏导数且满足Laplace方程

    (3.4)

    求证:若不是常数,则它在上的最大值和最小值都只能在上取到.

    证明

    采用反证法. 若的最大值在内某点取到,则由Ch11.8的结论,

    (3.5)

    等号成立当且仅当对于,均有. 由于可以任意取到,因此在点的任意邻域内,均有. 类似地,对上的任一点,在其任意邻域内也有. 依此类推,可证明在整个上均有,这与不是常数矛盾,因此假设不成立,的最大值只能在上取到. 最小值类似可证.

  4. 4.

    (Ch11.10) 设在上有二阶连续偏导数且满足

    (3.6)

    求证:对,有,其中,是以为球心、为半径的球面.

    证明

    记球面上一点,则,因此. 记为以为球心、半径为的球域,那么

    (3.7)

    因此

    (3.8)

    整理得,结论得证.

4真题集萃

  1. 1.

    (17-18期末) 设曲面

    (4.1)

    它的定向与轴正向同侧,设

    (4.2)

    求积分.

    解

    注意到

    (4.3)

    构造平面上的有向曲面,其方向沿方向,因此构成法向向外的闭曲面,其中为与区域相同但方向相反的有向曲面. 由Gauss定理,

    (4.4)

    由题意,

    (4.5)
    (4.6)

    因此

    (4.7)

    其中最后一步利用了被积函数与积分区域中的交换对称性.

  2. 2.

    (18-19期末) 设

    (4.8)

    是定义在上的向量场,其中.

    1. (a).

      证明:的旋度.

    2. (b).

      求向量场的势函数.

    解
    1. (a).

      由题意,

      (4.9)

      由Leibniz法则,

      (4.10)
    2. (b).

      记势函数为,则

      (4.11)
  3. 3.

    (18-19期末) 设向量场,曲面,它的正向是外法向. 求向量场在定向曲面上的积分

    (4.12)
    解

    注意到,为闭曲面,由Gauss定理,积分值为零.

  4. 4.

    (19-20期末) 设函数在区域上具有连续的二阶偏导数,且满足

    (4.13)

    计算

    (4.14)
    解

    注意到被积函数是的形式,而题设条件仅给定. 若希望两者的导数是同阶的,则将配成,其中是的结果. 而是的结果,因此由Leibniz法则,

    (4.15)

    由Gauss定理,

    (4.16)
  5. 5.

    (20-21期末) 设在圆盘上有二阶连续偏导数,且

    (4.17)

    为边界圆周的单位外法向,计算曲线积分.

    解

    记上某点的法向,则其正向切向

    (4.18)

    有向线元,即

    (4.19)

    那么

    (4.20)

    由Green定理,

    (4.21)
  6. 6.

    (20-21期末) 记,计算曲线积分

    (4.22)

    其中是球面与柱面的交线 (),从轴的正向看去沿顺时针方向.

    证明

    记球面上被包围的区域为,由Stokes定理,

    (4.23)

    其中第一行最后一个等号已利用关于坐标具有偶对称性的条件.

  7. 7.

    (21-22期末) 设常数都是正实数,平面向量场.

    1. (a).

      求在区域的所有势函数.

    2. (b).

      证明不是区域上的保守(有势)场.

    解
    1. (a).

      对,由于在内无奇点,由Green定理,

      (4.24)

      因此是保守场. 考虑折线段路径,积分得的势函数

      (4.25)
    2. (b).

      取正向积分路径,则

      (4.26)

      而对于内任意不包含原点的区域,由第(1)问的结果,. 因此不是内的保守场.

  8. 8.

    (21-22期末) 设函数在有二阶连续偏导数,并且对任一点及任意正数有

    (4.27)

    其中是以为球心、为半径的球面. 证明:满足Laplace方程

    (4.28)
    证明

    参考Ch11.10的证明思路. 记球面上一点,则,因此. 记为以为球心、半径为的球域,那么

    (4.29)

    整理得

    (4.30)

    由于,因此若在某点非零,不妨设,则,使得对,均有,因此

    (4.31)

    这与以上结论矛盾,故要求对,均有.

  9. 9.

    (22-23期末) 设是由简单光滑闭曲线围成的区域,在上具有连续的偏导数. 记.

    1. (a).

      证明:

      (4.32)
    2. (b).

      对于. 证明:

      (4.33)
    证明
    1. (a).

      由Green定理,

      (4.34)
    2. (b).

      分别取和,由Green定理,

      (4.35)
      (4.36)

      利用上的条件可得

      (4.37)

      其中后两个不等号均利用了Cahchy-Schwarz不等式,整理得

      (4.38)
  1. 实际上称为Taylor级数更合适,不过将该级数在某处阶段成多项式基本亦可得Taylor展开,故不加以区别
  2. 例如标量场、矢量场、张量场,以后未指定具体场的场均认为对任意场成立
  3. 本小节不采用Einstein求和约定
  4. 行为良好即无穷可微,并且当时,及其所有导数都比更快地趋于零
  5. 这些性质都可以通过定义进行积分证明
  6. 即但