Skalár: egyetlen számadattal (+ mértékegység) jellemezhető mennyiség. Azonos dimenziójú skalár mennyiségek - mértékegység-konverzió után -

Hasonló dokumentumok
Matematika (mesterképzés)

A Descartes derékszög½u koordinátarendszert az i; j; k ortonormált bázis feszíti ki. Egy

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Budapesti Műszaki Főiskola, Neumann János Informatikai Kar. Vektorok. Fodor János

Matematika A1a Analízis

17. előadás: Vektorok a térben

{ } x x x y 1. MATEMATIKAI ÖSSZEFOGLALÓ. ( ) ( ) ( ) (a szorzás eredménye:vektor) 1.1. Vektorok közötti műveletek

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Vektorgeometria (1) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Gyakorlati példák Dr. Gönczi Dávid

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Számítási módszerek a fizikában 1. (BMETE90AF35) tárgy részletes tematikája

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Matematika III előadás

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Vektorok I.

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

1. feladatsor: Vektorfüggvények deriválása (megoldás)

Kettős integrál Hármas integrál. Többes integrálok. Sáfár Orsolya május 13.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

6. előadás. Vektoriális szorzás Vegyesszorzat

Hajder Levente 2017/2018. II. félév

Vektorterek. Több esetben találkozhattunk olyan struktúrával, ahol az. szabadvektorok esetében, vagy a függvények körében, vagy a. vektortér fogalma.

Lineáris algebra mérnököknek

T obbv altoz os f uggv enyek integr alja. 3. r esz aprilis 19.

VIK A3 Matematika, Gyakorlati anyag 2.

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Megoldások

1. Algebra Elemek Műveletek. Tenzor algebra és analízis Einstein-féle konvencióval

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Bevezetés az algebrába 1

Analízis II. gyakorlat

Megoldások. Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma)

λ 1 u 1 + λ 2 v 1 + λ 3 w 1 = 0 λ 1 u 2 + λ 2 v 2 + λ 3 w 2 = 0 λ 1 u 3 + λ 2 v 3 + λ 3 w 3 = 0

1. ábra. 24B-19 feladat

= e i1 e ik e j 1. tenzorok. A k = l = 0 speciális esetben e az R egységeleme. A. e q 1...q s. = e j 1...j l q 1...q s

5. előadás. Skaláris szorzás

Analízis III. gyakorlat október

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Robotika. Kinematika. Magyar Attila

Gyakorló feladatok I.

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Vektorok II.

a térerősség mindig az üreg falára merőleges, ezért a tér ott nem gömbszimmetrikus.

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

5 1 6 (2x3 + 4) 7. 4 ( ctg(4x + 2)) + c = 3 4 ctg(4x + 2) + c ] 12 (2x6 + 9) 20 ln(5x4 + 17) + c ch(8x) 20 ln 5x c = 11

Megjegyzés: jelenti. akkor létezik az. ekkor

Az elméleti fizika alapjai házi feladat

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Keresztmetszet másodrendű nyomatékainak meghatározása

n m db. szám a i R Lehet a k, vagy a α. i, α szabad index a ij két indexű mennyiség (i sor index, j oszlop index) a ib j

Többváltozós, valós értékű függvények

Komplex számok. (a, b) + (c, d) := (a + c, b + d)

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

Segédlet: Főfeszültségek meghatározása Mohr-féle feszültségi körök alkalmazásával

Többváltozós, valós értékű függvények

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

Pere Balázs október 20.

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

MateFIZIKA: Pörgés, forgás, csavarodás (Vektorok és axiálvektorok a fizikában)

Trigonometrikus függvények azonosságai

Matematika 11. osztály

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

A képzetes számok az isteni szellem e gyönyörű és csodálatos hordozói már majdnem a lét és nemlét megtestesítői. (Carl Friedrich Gauss)

1.1. Vektorok és operátorok mátrix formában

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Klár Gergely 2010/2011. tavaszi félév

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

MŰSZAKI MECHANIKA. A vektor- és tenzorszámítás alapismeretei mérnököknek. Összeállította: Szeidl György

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

O ( 0, 0, 0 ) A ( 4, 0, 0 ) B ( 4, 3, 0 ) C ( 0, 3, 0 ) D ( 4, 0, 5 ) E ( 4, 3, 5 ) F ( 0, 3, 5 ) G ( 0, 0, 5 )

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

A3 minimumkérdések szóbelire 2016

Valasek Gábor

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

1. Szabadvektorok és analitikus geometria

MODELLEZÉS - SZIMULÁCIÓ

Lineáris algebra mérnököknek

Elektromágneses hullámok

Vektoranalízis Vektor értékű függvények

1. Absztrakt terek 1. (x, y) x + y X és (λ, x) λx X. műveletek értelmezve vannak, és amelyekre teljesülnek a következő axiómák:

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

A Maxwellegyenletek. Elektromágneses térjellemz k: E( r, t) és H( r, t) térer sségek, D( r, t) elektromos eltolás és B( r, t) mágneses indukció.

Csuklós mechanizmus tervezése és analízise

1. Bevezetés. 2. Felületek megadása térben. A fenti kúp egy z tengellyel rendelkező. ismerhető fel, hogy. 1. definíció. Legyen D R n.

Átírás:

1 ALAPFOGALMAK Vektoranalízis 1. Alapfogalmak Skalár: egyetlen számadattal (+ mértékegység) jellemezhető mennyiség. Azonos dimenziójú skalár mennyiségek - mértékegység-konverzió után - összehasonlíthatóak és összeadhatóak egymással, valamint kivonhatók egymásból; tetszőleges dimenziójú skalárokat szorozhatunk és oszthatunk egymással (ha az osztó nem zérus).

1 ALAPFOGALMAK Vektor: olyan mennyiség, amelyet egy nagyság és egy irány jellemez (vektor hossza = nagyságának abszolút értéke). Zérus-vektor ( 0): zérus hosszú (és határozatlan irányú) vektor. Parallelogramma-szabály: a és b vektorok a+ b összege és a b különbsége az általuk kifeszített parallelogramma két átlója.

1 ALAPFOGALMAK α skalár és a vektor α a szorzata: a-val párhuzamos irányú vektor, melynek nagysága megegyezik α-nak és a nagyságának szorzatával (egy irányba mutat a-val ha α > 0, egyébként ellentétes irányú). Műveleti szabályok: a + ( b + c) = ( a + b) + c a + b = b + a α( a + b) = α a + α b 0 a = 0 a + 0 = a a b = a + ( 1) b asszociativitás kommutativitás disztributivitás

1 ALAPFOGALMAK Skalárszorzat: a b = a b cos θ ahol θ az a és b iránya által bezárt szög. a b = b a (α a + β b) c = α a c + β b c a a = a 2 0 szimmetria linearitás pozitivitás

1 ALAPFOGALMAK Vektoriális (kereszt-)szorzat: a b olyan vektor, amely merőleges mindkét vektorra, nagysága pedig megegyezik a két vektor által kifeszített parallelogramma előjeles területével. a b = a b sin θ a b 2 + a b 2 = a 2 b 2

1 ALAPFOGALMAK Ortogonalitási feltétel: a b = a b a b = 0 a és b irányai merőlegesek egymásra (vagy valamelyikük hossza zérus). Párhuzamossági feltétel: a b = 0 akkor és csak akkor, ha a és b vektorok párhuzamosak. Műveleti szabályok: b a = a b (α a + β b) c = α( a c) + β( b c) a ( b c) = ( a c) b ( a b) c ( a b) ( c d) = ( a c)( b d) ( a d)( b c) antiszimmetria linearitás kifejtési tétel Lagrange azonosság a ( b c) = b ( c a)

1 ALAPFOGALMAK a ( b c)=vol ( a, b, c ) az a, b és c vektorok által kifeszített paralelepipedon (előjeles) térfogata. Vektorok numerikus jellemzése vektorkomponensekkel.

1 ALAPFOGALMAK Három, nem egy síkba eső e 1, e 2 és e 3 vektor bázist alkot: minden vektor egyértelműen előállítható a lineáris kombinációjukként, azaz bármely a vektor előáll a = a 1 e 1 + a 2 e 2 + a 3 e 3 alakban valamely a 1, a 2 és a 3 skalár együtthatókkal, az a vektor { e 1, e 2, e 3 } bázisra vonatkozó vektorkomponenseivel. Egy másik { e 1, e 2, e 3} bázisra vonatkozó a i komponensek az a i-k lineáris kifejezése a i = j T ij a j ahol T ij a bázistranszformáció mátrixa.

1 ALAPFOGALMAK Elemi vektorműveletek kifejezése vektorkomponensekkel (dimenziótlan bázisvektorok) (α a) i = αa i ( a + b) i = a i + b i Ortonormált bázis: egységnyi hosszú, kölcsönösen merőleges (ortogonális) vektorokból álló bázis. { 1 if i=j e i e j = δ ij = 0 if i j Észrevétel. vol ( e 1, e 2, e 3 ) = ±1 bármely ortonormált bázisra, pozitív előjellel jobbsodrású, és negatív előjellel balsodrású esetben.

1 ALAPFOGALMAK Az a vektor komponenseinek kifejezése egy { e 1, e 2, e 3 } ortonormált bázisra vonatkozóan a i = a e i míg a különféle vektorszorzatok kifejezése a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 a b = (a 2 b 3 a 3 b 2 ) e 1 + (a 3 b 1 a 1 b 3 ) e 2 + (a 1 b 2 a 2 b 1 ) e 3 és vol ( a, b, c ) = det a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3

2 TENZOROK 2. Tenzorok Tenzor: vektorok közti A : x A( x) lineáris megfeleltetés, azaz A(α a + β b) = α A( a) + β A( b) bármely α, β skalárokra és a, b vektorokra. Példák tenzormennyiségekre: tehetetlenségi tenzor, deformációs tenzor, feszültségtenzor, stb.

2 TENZOROK Egy { e 1, e 2, e 3 } bázisra vonatkozóan az A tenzor jellemezhető az [ A ] = A 11 A 12 A 13 A 21 A 22 A 23 A 31 A 32 A 33 mátrix segítségével, melynek A ij elemeit az A( e i ) = 3 j=1 A ji e j összefüggés határozza meg. Példák: 1. A 0 : x 0 zérustenzor, amely minden vektorhoz a zérusvektort rendeli (mátrixának minden eleme zérus).

2 TENZOROK 2. Az 1 : x x identitástenzor, amely minden vektort önmagába visz; ) mátrixa az egységmátrix. ( 1 0 0 0 1 0 0 0 1 3. Az a és b vektorok diadikus szorzata az a b : x ( b x) a tenzor, melynek (ortonormált bázisra vonatkozó) mátrixa [ a ] b = a 1 b 1 a 1 b 2 a 1 b 3 a 2 b 1 a 2 b 2 a 2 b 3 a 3 b 1 a 3 b 2 a 3 b 3

2 TENZOROK Műveletek: 1. Egy α skalár és egy A tenzor szorzata az αa : x αa( x) tenzor, [ ] [ melynek mátrixa αa A ] =α. 2. Egy A tenzor és egy a vektor szorzata az A a= A( a) vektor. 3. Az A és B tenzorok összege az A + B : x A( x) + B( x) tenzor, [ A ] [ A ] [ B ] melynek mátrixa + B = +. ( 4. Az A és B tenzorok szorzata az A B : x A B( x) ) [ A ] [ A ][ B ] melynek mátrixa B =. tenzor, 5. Egy a vektor és egy A tenzor keresztszorzata az a A: x a A( x) tenzor.

2 TENZOROK A + ( B + C ) = ( A + B ) + C A A + B = B + A ( B ) ( A ) C = B C (α A + β B) C = α( A C) + β( B C) (α a + β b) c = α( a c) + β( b c) c (α a + β b) = α( c a) + β( c b) (α a + β b) A = α( a A) + β( b A) a (α A + β B) = α( a A) + β( a B) ( a b) ( c d) = ( b c)( a d) a ( b c) = ( a b) c a ( b A) = ( b a) A ( a b) A ( a b) A = ( b a a b) A

3 SKALÁR-, VEKTOR- ÉS TENZORMEZŐK 3. Skalár-, vektor- és tenzormezők Skalár-(vektor-/tenzor-)mező: adott tenzori jellegű helyfüggő mennyiség. Szemléletes geometriai jellemzés: skalármező szintfelületei, melyek mentén a vizsgált mező konstans értékeket vesz fel; vektormező erővonalai (áramgörbéi), mely görbék érintője minden pontban párhuzamos a vektormező irányával, míg lokális sűrűségük arányos a mező nagyságával.

3 SKALÁR-, VEKTOR- ÉS TENZORMEZŐK Térbeli pontok jellemezhetők az r helyvektorukkal, azaz egy tetszőlegesen választott referenciapontból az origóból a vizsgált pontba mutató vektorral. Helyfüggő mennyiségek jellemezhetők a helyvektor függvényeivel, amelyek megadják az egyes mennyiségek értékét a különböző r helyvektorú pontokban. Alternatív módon, egy helyfüggő mennyiség jellemezhető az r helyvektor adott bázisra vonatkozó vektorkomponenseinek háromváltozós függvényével.

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK 4. Görbevonalú koordináták Görbevonalú koordináták: háromdimenziós tér pontjainak jellemzése (u 1, u 2, u 3 ) D valós számhármasokkal, ahol D R 3 egy olyan részhalmaz (fundamentális tartomány), melynek két különböző belső pontja két különböző térbeli pontnak felel meg (határra ez már nem szükségszerű). Görbevonalú koordináták választása tetszőleges, csak praktikus megfontolások befolyásolják (pl. szimmetria). Görbevonalú koordináták választását jellemző r(u 1, u 2, u 3 ) összefüggés minden (u 1, u 2, u 3 ) D számhármas esetén megadja a megfelelő térbeli pont helyvektorát.

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK Konverziós függvények: különféle görbevonalú koordináták közti átváltást jellemző u i (u 1, u 2, u 3 ) függvények, melyekre r(u 1, u 2, u 3)= r(u 1, u 2, u 3 ). Ortogonális koordináták: G ij = r r =0 ha i j. u i u j Lamé együtthatók: l i = r u i. Ívelem: infinitezimálisan közeli ( u 1 +du 1, u 2 +du 2, u 3 +du 3 ) és (u1, u 2, u 3 ) görbevonalú koordinátájú pontok közti távolság négyzete Térfogatelem ds 2 = l 2 1 du 2 1 + l 2 2 du 2 2 + l 2 3 du 2 3 V = vol ( r u 1, r u 2, r u 3 ) = ±l1 l 2 l 3

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK Példák: 1. (x, y, z) Descartes-koordináták, ahol D = {(x, y, z) <x, y, z <+ } r(x, y, z) = x e 1 + y e 2 + z e 3 Lamé együtthatók: l x = l y = l z = 1 Térfogatelem: V = 1

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK 2. (ϱ, ϕ, z) hengerkoordináták D = {(ϱ, ϕ, z) 0 ϱ<+, 0 ϕ<2π, <z <+ } r(ϱ, ϕ, z) = ϱ cos ϕ e 1 + ϱ sin ϕ e 2 + z e 3 Lamé együtthatók: l ϱ =l z =1 és l ϕ =ϱ Térfogatelem: V = ϱ

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK 3. (r, φ, ϑ) gömbkoordináták D = {(r, φ, ϑ) 0 r <+, 0 φ<2π, 0 ϑ<π} r(r, φ, ϑ) = r cos φ sin ϑ e 1 + r sin φ sin ϑ e 2 + r cos ϑ e 3 Lamé együtthatók: l r =1, l φ =r sin ϑ és l ϑ =r Térfogatelem: V =r 2 sinϑ

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK 1. Descartes-koordináták hengerkoordináták: ϱ = x 2 + y 2 ( y ϕ = arctan x) x = ϱ cos ϕ y = ϱ sin ϕ z=z 2. Descartes-koordináták gömbkoordináták: r = x 2 + y 2 + z 2 ( y φ = arctan x) ( z ) ϑ = arccos x2 + y 2 + z 2 x = r cos φ sin ϑ y = r sin φ sin ϑ z = r cos ϑ

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK Helyfüggő lokális bázisvektorok e i = 1 l i r u i Ortogonális koordináták esetén ortonormált bázist alkotnak. Vektor- és tenzorkomponenseket a lokális e i ( r) bázisra szokás vonatkoztatni w( r) = 3 w i ( r) e i ( r) i=1 w i ( r) = e i ( r) w( r) ortogonális koordináták esetén.

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK Példák 1. Descartes-koordináták r(x, y, z) = x e 1 + y e 2 + z e 3 r x = e 1 r y = e 2 r z = e 3 e x = e 1 e y = e 2 e z = e 3 r = x e x + y e y + z e z 2. Hengerkoordináták r(ϱ, ϕ, z) = ϱ cos ϕ e 1 + ϱ sin ϕ e 2 + z e 3 r ϱ = cos ϕ e 1+sin ϕ e 2 r ϕ = ϱ sin ϕ e 1+ϱ cos ϕ e 2 r z = e 3 e ϱ = cos ϕ e 1 +sin ϕ e 2 e ϕ = cos ϕ e 2 sin ϕ e 1 e z = e 3 r = ϱ e ϱ + z e z

4 GÖRBEVONALÚ KOORDINÁTÁK 3. Gömbkoordináták r(r, φ, ϑ)=r cosφ sinϑ e 1 +r sinφ sinϑ e 2 +r cosϑ e 3 e r = cos φ sin ϑ e 1 + sin φ sin ϑ e 2 + cos ϑ e 3 e φ = cos φ e 2 sin φ e 1 e ϑ = cos φ cos ϑ e 1 + sin φ cos ϑ e 2 sin ϑ e 3 r = r e r Helyvektornak csak radiális komponense van!

5 VONALMENTI INTEGRÁLOK 5. Vonalmenti integrálok Tekintsünk egy Γ folytonos görbét és egy A( r) helyfüggő mennyiséget. A Γ görbe minden Γ = N i=1 Γ i felosztására át nem lapoló kis darabokra jelölje r i a Γ i valamely pontját és r i a kezdőpontjából a végpontjába mutató vektort.

5 VONALMENTI INTEGRÁLOK Ahogy a felosztást finomítjuk, azaz max i egyre kisebb és kisebb lesz, a r i (görbeszakaszok hossza) N A( r i ) r i i=1 összeg ahol valamely (skaláris, vektoriális vagy diadikus) szorzatot jelöl egy ˆ Γ A( r) d r határértékhez tart, az A( r) mennyiség Γ -menti vonalintegráljához.

5 VONALMENTI INTEGRÁLOK Skalár- vagy tenzormennyiség vonalintegrálja mindig vektor, viszont egy w( r) vektormezőnek négy különböző vonalintegrálja képezhető: egy w( r) d r skaláris, egy w( r) d r vektoriális és két tenzoriális, Γ Γ w( r) d r illetve d r w( r). Γ Γ A görbe egy r(t) parametrizációja esetén a vonalintegrál számolása egy határozott integrál meghatározására vezethető vissza az alábbi képlet segítségével (a görbe kezdőpontja r(0), míg r(1) a végpontja) ˆ Γ A( r) d r = ˆ1 0 ( A( r(t)) d r dt ) dt

6 FELÜLETI INTEGRÁLOK 6. Felületi integrálok Tekintsünk egy Σ felületet és egy azon értelmezett, tetszőleges tenzori jellegű A( r) helyfüggő mennyiséget. Osszuk fel a felületet kicsiny, át nem lapoló Σ i darabokra: ezek mindegyikét jellemezhetjük valamely belső pontjuk r i helyvektorával és s i felületelem-vektorukkal, melynek nagysága a felületdarab Σ i területe, és iránya az r i pontbeli normális (felületre merőleges) irányba mutat.

6 FELÜLETI INTEGRÁLOK Ahogy a felosztás finomodik, azaz max Σ i egyre kisebb lesz, a i A( r i ) d s i összeg (tetszőleges szorzatra) a ˆ A( r) d s i Σ határértékhez tart, az A( r) mennyiség Σ feletti felületi integráljához. Skalár- vagy tenzormennyiség felületi integrálja mindig vektor, viszont egy w( r) vektormezőnek négy különböző felületi integrálja képezhető: egy w( r) d r skaláris, egy w( r) d r vektoriális és két tenzoriális, Σ Σ w( r) d r illetve d r w( r). Σ Σ

6 FELÜLETI INTEGRÁLOK Ha adott a felület egy r(u, v) parametrizációja, ahol (u, v) D R 2, a felületi integrál az alábbi képlet alapján egy kettős integrálra redukálódik ˆ Σ A( r) d s = D { A( r (u, v)) ( r u r )} dudv v Bizonyos esetekben az A( r i ) értékeket nem a s i felületelemmel súlyozzuk, hanem csak annak s i nagyságával. Az így adódó A( r) d s felületi integrálnak ugyanaz a tenzori jellege mint az A integrandusnak, és Σ területét az alábbi képlet adja Σ ˆ 1 d s = Σ Σ

7 TÉRFOGATI INTEGRÁLOK 7. Térfogati integrálok Tekintsünk egy V térrészt és egy azon értelmezett A( r) helyfüggő mennyiséget. Osszuk fel a térrészt kicsiny, át nem lapoló V i részekre, melyek mindegyikét jellemzi V i térfogata és valamely belső pontjuk r i helyvektora. Ahogy a felosztás finomodik (max i A( r i ) V i i V i egyre kisebb lesz), a összeg egy véges határértékhez tart, az A( r) mennyiség V feletti ˆ A( r) d 3 r térfogati integráljához. V

7 TÉRFOGATI INTEGRÁLOK A térfogati integrál tenzori jellege ugyanaz, mint az integrandusé, és a V térrész (előjeles) térfogata egyenlő az A( r) = 1 konstans függvény tréfogati integráljával: V = ˆ d 3 r V Ha adott a térrész egy r(u 1, u 2, u 3 ) parametrizációja (u 1, u 2, u 3 ) D R 3 görbevonalú koordináták segítségével, akkor a térfogati integrál átalakítható egy hármas integrállá ˆ V A( r) d 3 r = D A( r(u 1, u 2, u 3 ))vol ( r u 1, r u 2, r u 3 ) du1 du 2 du 3

8 GRADIENS 8. Gradiens és iránymenti derivált Egy Φ( r) skalármező gradiense a grad Φ = lim 1 V V Φ( r) d s képlet segítségével értelmezett vektormező, ahol a határértéket úgy kell képezni, hogy a V térfogatú és V határoló felületű V térrészt egy pontra zsugorítjuk. Hasonlóképpen, egy w( r) vektormező gradiense a grad w = lim 1 V V d s w( r) tenzormező, ahol a határátmenet ugyanaz, mint a skaláris esetben.

8 GRADIENS A gradiens additív és teljesíti a Leibniz szabályt, vagyis bármely Φ( r) és Ψ( r) skalár-, illetve w( r) és v( r) vektormezők esetén grad(φ+ψ) = grad Φ + grad Ψ grad( w+ v) = grad w + grad v grad(φψ) = Φ( r) grad Ψ + Ψ( r) grad Φ grad(φ w) = Φ( r) grad w + grad Φ w( r) Megmutatható, hogy bármely konstans n egységvektor esetén grad A n = A n = lim ε 0 A( r + ε n) A( r) ε legyen A( r) akár skalár-, akár vektormező; a határérték az A( r) mennyiség változási sebességét adja meg az n irányában (irány menti derivált) skalármező gradiense a leggyorsabb változás irányába mutat.

8 GRADIENS Φ( r) skalármező gradiense különféle görbevonalú koordinátákban: Descartes-koordináták Hengerkoordináták Gömbkoordináták grad Φ = Φ x e x + Φ y e y + Φ z e z grad Φ = Φ ϱ e ϱ + 1 ϱ grad Φ = Φ r e r + 1 r sin ϑ Φ ϕ e ϕ + Φ z e z Φ φ e φ + 1 r Φ ϑ e ϑ

8 GRADIENS Egy w( r) vektormező gradiensének kifejezése Descartes-koordináták segítségével grad w = i,j w i x j e i e j Végül, amennyiben ψ(x) egy tetszőleges egyváltozós skalárfüggvény és a egy konstans vektor, akkor és grad ψ( r a ) = ψ ( r a) ( r a ) r a grad { ψ( r a )( r a) } = ψ ( r a ) r a { } 3( r a) ( r a) r a 2 1

9 DIVERGENCIA ÉS ROTÁCIÓ 9. Divergencia és rotáció Egy w( r) vektormező div w divergenciáját és rot w rotációját az alábbi módon értelmezzük div w = lim 1 V rot w = lim -1 V V V w( r) d s w( r) d s ahol a határértéket úgy kell képezni, hogy a V térfogatú és V határoló felületű V térrészt egy pontra zsugorítjuk. Egy vektormező divergenciája skalármező, míg rotációja vektormező.

9 DIVERGENCIA ÉS ROTÁCIÓ Egy w( r) vektormező divergenciájának és rotációjának kifejezése különféle görbevonalú koordináták segítségével: Descartes-koordináták rot w = ( wz y w ) y e x + z div w = w x x + w y y + w z z ( wx z w ) z e y + x ( wy x w ) x e z y Hengerkoordináták ( 1 rot w = ϱ div w = w ϱ ϱ + w ϱ ϱ + 1 ϱ w z ϕ w ) ϕ e ϱ + z w ϕ ϕ + w z z ( wϱ z w ) z e ϕ + ϱ ( wϕ ϱ + w ϕ ϱ w ) ϱ e z ϕ

9 DIVERGENCIA ÉS ROTÁCIÓ Gömbkoordináták div w = w r r + 2w r r + 1 r sin ϑ w φ φ + 1 r w ϑ ϑ + w ϑ r tan ϑ és rot w = + ( wϑ r ( wφ r tan ϑ + 1 r + w ϑ r 1 r w φ ϑ w ) ϑ e r φ w r ϑ ) e φ + ( 1 r sin ϑ w r φ w φ r w φ r ) e ϑ

9 DIVERGENCIA ÉS ROTÁCIÓ Egy T( r) tenzormező divergenciája a div T = lim 1 V V T( r) d s vektormező, a szokásos módon képezve a határértéket (egy pontra zsugorítva V térrészt). Vektorkomponensei Descartes-koordinátákban div T = ( Txx x + T xy y + T xz z ) e x + + ( Tyx x ( Tzx x + T yy y + T zy y + T yz z + T zz z ) e y ) e z

9 DIVERGENCIA ÉS ROTÁCIÓ Egy Φ( r) skalár-, w( r) vektor- és T( r) tenzormező esetén div(φ w) = Φ( r) div w + w( r) grad Φ rot(φ w) = Φ( r) rot w + grad Φ w( r) div(φt) = Φ( r) div T + T( r) grad Φ míg w 1 ( r) és w 2 ( r) vektormezők esetén div( w 1 + w 2 ) = div w 1 + div w 2 rot( w 1 + w 2 ) = rot w 1 + rot w 2 grad( w 1 w 2 ) = grad w 1 w 2 +grad w 2 w 1 + w 1 rot w 2 + w 2 rot w 1 div( w 1 w 2 ) = w 2 rot w 1 w 1 rot w 2 rot( w 1 w 2 ) = (grad w 1 div w 1 ) w 2 (grad w 2 div w 2 ) w 1 div( w 1 w 2 ) = w 1 div w 2 + grad w 1 w 2

10 FUNDAMENTÁLIS AZONOSSÁGOK 10. Fundamentális azonosságok Minden Φ( r) skalármezőre rot(grad Φ) = 0 és minden w( r) vektormezőre div(rot w) = 0 továbbá div(grad w)= grad(div w)

11 LAPLACE-OPERÁTOR 11. Laplace-operátor A (skaláris) Laplace operátor minden Φ( r) skalármezőhöz hozzárendeli a Φ skalármezőt, amely gradiensének divergenciájával egyenlő: Φ = div(grad Φ) A vektoriális Laplace operátor egy w( r) vektormezőhöz hozzárendeli a w = grad (div w) rot(rot w) vektormezőt. Mindkét Laplace operátor lineáris: (Φ 1 +Φ 2 )= Φ 1 + Φ 2 és ( w 1 + w 2 )= w 1 + w 2

11 LAPLACE-OPERÁTOR Skaláris Laplace operátor kifejezése különböző koordináta-rendszerekben Descartes-koordináták Φ = 2 Φ x 2 + 2 Φ y 2 + 2 Φ z 2 Hengerkoordináták Φ= 1 ϱ ( ϱ Φ ) + 1 2 Φ ϱ ϱ ϱ 2 ϕ 2 + 2 Φ z 2 Gömbkoordináták Φ= 1 r 2 r ( r 2 Φ r ) 1 + r 2 sin 2 ϑ 2 Φ ϕ 2 + 1 r 2 sin 2 ϑ ( sin ϑ Φ ) ϑ ϑ

11 LAPLACE-OPERÁTOR A vektoriális Laplace operátor kifejezése Descartes-koordináták segítségével w = ( 2 w x x 2 + 2 w x y 2 + 2 w x z 2 ) e x + ( 2 w y x 2 + 2 w y y 2 + 2 w y z 2 ) e y + ( 2 w z x 2 + 2 w z y 2 + 2 w z z 2 ) e z Vagyis a vektoriális Laplace operátor hatását úgy kaphatjuk meg, hogy a skaláris Laplace operátort alkalmazzuk a w( r) vektormező minden egyes Descartes komponensére külön-külön.

12 INTEGRÁLTÉTELEK 12. Integráltételek Az egyváltozós függvényekre vonatkozó klasszikus ˆb f (x) dx = f(b) f(a) a Newton-Leibniz formula (integrálszámítás alaptétele) általánosításai különféle tenzori jellegű integrandusokra (skalár-, vektor- és tenzormezők) és magasabb dimenziós integrációs tartományokra (görbék, felületek és térrészek).

12 INTEGRÁLTÉTELEK 12.1. A gradiens-tétel Bármely Φ( r) skalár- és w( r) vektormező esetén ˆ γ ˆ grad Φ d r = Φ(γ + ) Φ(γ ) grad w d r = w(γ + ) w(γ ) γ ahol γ egy folytonos görbét jelöl γ kezdő- és γ + végponttal. Az integrálszámítás alaptételének legközvetlenebb általánosításai.

12 INTEGRÁLTÉTELEK 12.2. Stokes tétele és variánsai Jelöljön Σ egy felületet Σ határoló görbével. Ekkor bármely Φ( r) skalárés w( r) vektormező esetén w( r) d r = ˆ rot w d s Stokes tétel S S Φ( r) d r S ˆ = S grad Φ d s továbbá S w( r) d r = ˆ {rot w d s + div w d s grad w d s} S

12 INTEGRÁLTÉTELEK 12.3. A divergencia-tétel és következményei ˆ div w d 3 r = w( r) d s Gauss tétel V ˆ V rot w d 3 r = w( r) d s V ˆ div T d 3 r = V T( r) d s V ˆ V ˆ V grad Φ d 3 r = grad w d 3 r = V V V Φ( r) d s d s w( r)

12 INTEGRÁLTÉTELEK bármely V térrészre melyet a V felület határol, és minden Φ( r) skalár-, w( r) vektor- illetve T( r) tenzormezőre. Észrevétel. Abban a határesetben, ha a V térrész egyetlen pontra zsugorodik, a divergencia-tétel fenti változatai rendre automatikusan teljesülnek a gradiens, divergencia és rotáció definíciói alapján. A Gauss tételt a Φ( r) és Ψ( r) skalármezőkből képzett Ψ grad Φ vektormezőre alkalmazva adódik Green első tétele ˆ {Ψ( r) Φ + grad Φ grad Ψ} d 3 r = Ψ( r) grad Φ d s V V A fenti összefüggésben felcserélve Φ-t és Ψ-t, és az eredményt kivonva az

12 INTEGRÁLTÉTELEK előzőből kapjuk Green második tételét ˆ {Ψ( r) Φ Φ( r) Ψ} d 3 r = {Ψ( r) grad Φ Φ( r) grad Ψ} d s V V ahonnan Ψ( r) = 1 választással ˆ Φ d 3 r = grad Φ d s V V Hasonlóképpen, egy w( r) vektormező gradiensére alkalmazva a divergenciatételt ˆ w d 3 r = {rot w d s grad w d s} V V