本文给出常见的正交曲线坐标系下梯度、散度、旋度和拉普拉斯算子的形式,以供快速查阅。
正交曲线坐标系
拉梅系数
dr=∂q1∂rdq1+∂q2∂rdq2+∂q3∂rdq3
⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧∣∣∣∣∣∂q1∂r∣∣∣∣∣=(∂q1∂x)2+(∂q1∂y)2+(∂q1∂z)2=H1∣∣∣∣∣∂q2∂r∣∣∣∣∣=(∂q2∂x)2+(∂q2∂y)2+(∂q2∂z)2=H2∣∣∣∣∣∂q1∂r∣∣∣∣∣=(∂q3∂x)2+(∂q3∂y)2+(∂q3∂z)2=H3
弧长
∣dr∣=ds=H12dq12+H22dq22+H32dq32
面积元
⎩⎪⎨⎪⎧dσ1=H2H3dq2dq3dσ2=H1H3dq1dq3dσ3=H2H1dq2dq1
体积元
dV=ds1ds2ds3=H1H2H3dq1dq2dq3
梯度
∇f=H11∂q1∂fe1+H21∂q2∂fe2+H31∂q3∂fe3
散度
∇⋅A=H1H2H31(∂q1∂(A1H2H3)+∂q2∂(A2H1H3)+∂q3∂(A3H2H1))
旋度
∇×A=H1H2H31∣∣∣∣∣∣∣H1e1∂q1∂H1A1H2e2∂q2∂H2A2H3e3∂q3∂H3A3∣∣∣∣∣∣∣
拉普拉斯算子
Δf=H1H2H31[∂q1∂(H1H2H3∂q1∂f)+∂q2∂(H2H1H3∂q2∂f)+∂q3∂(H3H2H1∂q3∂f)]
直角坐标系
梯度
∇f(x,y,z)=∂x∂fi+∂y∂fj+∂z∂fk
散度
∇⋅A=∂x∂Ax+∂y∂Ay+∂z∂Az
旋度
∇×A=∣∣∣∣∣∣∣i∂x∂Axj∂y∂Ayk∂z∂Az∣∣∣∣∣∣∣
拉普拉斯算子
Δf=∂x2∂2f+∂y2∂2f+∂z2∂2f
柱坐标系
梯度
∇f(ρ,θ,z)=∂ρ∂feρ+ρ1∂θ∂feθ+∂z∂fez
散度
∇⋅A=ρ1∂ρ∂(ρAρ)+ρ1∂φ∂Aφ+∂z∂Az
旋度
∇×A=∣∣∣∣∣∣∣ρ1eρ∂ρ∂Aρeθ∂θ∂ρAθρ1ez∂z∂Az∣∣∣∣∣∣∣
拉普拉斯算子
Δf=ρ1∂ρ∂(ρ∂ρ∂f)+ρ21∂θ2∂2f+∂z2∂2f
球坐标系
梯度
∇f(r,θ,ϕ)=∂r∂fer+r1∂θ∂feθ+rsinθ1∂ϕ∂feϕ
散度
∇⋅A=r21∂r∂(r2Ar)+rsinθ1∂θ∂(sinθAθ)+rsinθ1∂ϕ∂Aϕ
旋度
∇×A=r2sinθ1∣∣∣∣∣∣∣er∂r∂Arreθ∂θ∂rAθrsinθeϕ∂ϕ∂rsinθAϕ∣∣∣∣∣∣∣
拉普拉斯算子
Δf=r21∂r∂(r2∂r∂f)+r2sinθ1∂θ∂(sinθ∂θ∂f)+r2sin2θ1∂ϕ2∂2f