Next: El teorema de Green
Up: Teoremes integrals
Previous: Teoremes integrals
Índex
L'operador nabla i les seves propietats
L'operador nabla, designat per
, és un operador diferencial
vectorial3 que, en
coordenades cartesianes, té la forma, a
,
Cada una de les components és un operador de derivació i, com a tal,
obeeix les regles de derivació. Quan
actua sobre funcions
escalars o vectorials s'obtenen diverses quantitats importants:
- gradient d'una funció escalar f (x, y, z), és un camp
vectorial donat per
En un punt (x, y, z) donat,
f (x, y, z) apunta en la direcció
en el que el valor de f aumenta el més ràpidament possible.
- divergència d'una funció vectorial
(x, y, z), és una
funció escalar, producte escalar de
i
,
.  |
= |
 , , . (Fx, Fy, Fz) |
|
| |
= |
+ +  |
|
| |
 |
div . |
|
- rotacional d'una funció vectorial
(x, y, z), és un
camp vectorial, producte vectorial de
i
,
× |
= |
 , , ×(Fx, Fy, Fz) |
|
| |
= |
 - , - , -   |
|
| |
 |
rot . |
|
- Laplacià d'una funció escalar f (x, y, z), és una funció
escalar, la divergència del gradient de f,
f |
= |
( )2f = . f |
|
| |
= |
 , , .  , ,  |
|
| |
= |
+ + . |
|
- Laplacià d'un camp vectorial
, és un camp vectorial format
pels Laplacians de les components,
Evitarem les notacions
grad f,
div
i
rot
ja que utilitzen de forma inconsistent la notació
vectorial.
El fet que
sigui alhora un vector i un operador de
derivació fa que tingui les propietats d'ambdós tipus d'objectes. Les
més importants són les següents:
-
(f + g) =
f +
g,
-
. (
+
) =
.
+
.
,
-
×(
+
) =
×
+
×
,
-
. (f
) = (
f ) .
+ f
.
,
-
×(f
) = (
f )×
+ f
×
,
-
. (
×
) =
. (
×
) -
. (
×
),
-
×(
×
) = (
.
)
-
(
.
) - (
.
)
+
(
.
),
-
(
.
) = (
.
)
+ (
.
)
+
×(
×
) +
×(
×
),
-
×(
f )= 0,
-
. (
×
) = 0,
-
×(
×
) =
(
.
) - 
.
La demostració d'aquestes igualtats és un simple càlcul,4 que es deixa al
lector, el qual podrà, si ho intenta, descubrir el significat d'algunes
de les expressions dels membres drets (significat que, d'altra banda, és
el més obvi). Aquest càlcul, però, es simplifica, en els casos més
complicats, si s'utilitza l'anomenat conveni de sumació d'Einstein,
juntament amb una representació intel-l . ligent dels vectors, de
i del producte vectorial, tal com es mostra a l'apèndix.
Per acabar aquesta secció, parlarem una mica de canvis de coordenades.
En concret, volem saber com s'expressa el Laplacià en coordenades no
cartesianes, qüestió aquesta força útil, per exemple per a resoldre
problemes d'electrostàtica.
Per concretar, imaginem que volem treballar amb coordenades cilındriques
a
(o coordenades polars a
):
Sigui ara una funció
f (r,
, z) de la que, a través de la dependència
de les coordenades cilındriques de les cartesianes, volem calcular

(
r,

,
z).
Aplicant la regla de la cadena tenim
i anàlogament si volem calcular
i
. Expressant-ho tot vectorialment tindrem
Això es pot escriure, amb notació matricial compacte i
autoexplicativa, com
f =
M
f.
Pensant una mica, es veu que la matriu M és
on
és la derivada de l'aplicació que expressa les coordenades cartesianes
en termes de les cilındriques:
Hom obté aixı
La relació
f = M
f pot
llegir-se, prescindint de la funció f, com

=
M
,
que expressa de manera compacta com canvien les derivades parcials al
canviar de sistema de coordenades. Per a un sistema de coordenades
(u, v, w) qualsevol es té

=
M
,
amb
Tornant al nostre problema, serà,
S'ha de tenir en compte que les derivades que hi ha en el primer
actuen tant sobre el segon M com sobre f.
Hom té
Multiplicant escalarment aquests dos vectors s'arriba a que
El membre de la dreta és el que s'anomena el Laplacià en coordenades
cilındriques. Simbòlicament, prescindint de la funció f,
Exemple 16
Demostreu que el Laplacià en coordenades esfèriques
val
Next: El teorema de Green
Up: Teoremes integrals
Previous: Teoremes integrals
Índex
Carles Batlle Arnau
2003-12-23