SlideShare a Scribd company logo
1 of 21
Download to read offline
-                       -




                     (invariant )

            (Cartesian coordinate)

                (spherical coordinate)

           (cylindrical coordinate)

                               ,


                                                               (x,y,z)
(r,ϕ,z )                                                   (r , θ , ϕ )
            .

                    z               DEDODA
                                    university.arabsbook.com




                                        P




                                                           y


                x


                             -1             -

                                    1
(Cartesian)                                P
                                       , (x,y,z)
(r ,θ ,ϕ )                  (spherical coordinate)




                             -2       -
                                  ϕ       θ
                                               (displacement)
             .


                 (r,ϕ,z )
                                  ϕ




                                  2
-3       -


        .


       (Coordinate)                       (component)
                 r                          -:
                 A = 5i + 3 j − 4k

 (unit vector)                           (i , j , k )

            -:

i .i = 1           j.j = 1         k .k = 1
i × i = 0            j× j = 0          k × k = 0
i .j = 0          i .k = 0          j.k = 0
i × j= k           j× k = i         k × i = j



                           3
(unit vectors)
    (Cartesian coordinate)
                   (in general )
                        :
                     (a1 , a 2 , a3 )


         a1.a1 = 1       a2 .a2 = 1       a3.a3 = 1
         a1 × a1 = 0       a2 × a2 = 0          a3 × a3 = 0
         a1.a2 = 0       a1.a3 = 0         a2 .a3 = 0
         a1 × a2 = a3     a2 × a3 =a1 a3 × a2 = a1

                                (orthogonal unit curvilinear)
                               .




         (Orthogonal curvilinear coordinate)

                                           (Cartesian coordinate)
.

                                                             -:
                 r
                 l = x i +y j +z k ...........1-a

                  r
                d l = dx i +dy j +dz k ...........(1-b)

                                                        r
                   (distance)                         (dl)
              d l2 = dx 2 +dy 2 + dz 2               (2)

                                  4
z y x

             x = F1 (q1, q2 , q3 )              (4-a)
              y=F2 (q1, q2 , q3 )              (4-b)
             z=F3 (q1, q2 , q3 )               (4-c)

       (q 1 , q 2 , q 3 )                  x
              (q 1 , q 2 , q 3 )          y
              (q 1 , q 2 , q 3 )          z
                             (certain value)                   qs

                  (2) (1-b) (1-a)
               -:          z y x

            ∂x        ∂x          ∂x
     dx =       dq1 +      dq 2 +      dq 3            (5-a)
            ∂q1       ∂q 2        ∂q 3
            ∂y        ∂y          ∂y
     dy =       dq1 +      dq 2 +      dq 3            (5-b)
            ∂q1       ∂q 2        ∂q 3
            ∂z        ∂z          ∂z
     dz =       dq1 +      dq 2 +      dq 3            (5-c)
            ∂q1       ∂q 2        ∂q 3

-:
                      3
                            ∂x
        dx =        ∑i =1   ∂q i
                                 dq    i        (6 -a )
                      3
                            ∂y
        dy =        ∑i =1   ∂q i
                                 dq    i        (6 -b )
                      3
                            ∂z
        dz =        ∑
                    i =1    ∂q i
                                 dq    i        (6 -c )




                                   5
3
                                 ∂x ∂x
                  dx 2 = ∑                  dq i dq j      (7-a)
                          i =1   ∂q i ∂ q j
                           3
                                 ∂y ∂y
                  dy 2 = ∑                  dq i dq j      (7-b)
                          i =1   ∂q i ∂ q j
                           3
                               ∂z ∂z
                  dz 2 = ∑                dq i dq j        (7-c)
                          i =1 ∂ q i ∂q j




      (2)               (7-c) (7-b) (7-a)
                      -:      (2)

              3     ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z 
      dl = ∑ 
         2
                              +         +          dqi dq j (8)
                   
          i , j =1  ∂qi ∂q j   ∂qi ∂q j ∂qi ∂q j 
                                                  




               ∂x ∂ x     ∂y ∂y      ∂z ∂ z                
                        +          +                        = hij
               ∂q ∂q      ∂q i ∂q j ∂q i ∂q j              
               i      j                                    


(8)                 (metric coefficients)                             (hij )
                            -:
                                  3
                   dl =
                      2
                                 ∑ h dq dq
                               i , j =1
                                          ij       i   j   (9)



             Kronecker delta




                                               6
hii = hi2
                                     ,i=j
       hij = hij δij = 
                       h ij = 0
                                     ,i ≠ j

                  (9)
                    3
           d l2 = ∑hi2dqi2          (10)
                    i




            d l2 = d l12 +d l22 +d l32

   (metric coefficients)
      ∂x 2  ∂y 2  ∂z 2 
 h = 
   2
              +      +                 (11)
      ∂q i   ∂q i   ∂q i  
  i
                                

             (10)

            d l 1 = h1dq1 (12-a)
            d l 2 = h 2dq 2 (12-b)
            d l 3 = h3dq 3 (12-c)



            (Curvilinear coordinate)
   r
 d l = hdq1 a1+h2dq2 a2 +hdq3 a3
        1                 3                  (13)


 r  ∂l          ∂l          ∂l 
dl=      dq1 +       dq2 +      dq3 (14)
    ∂q1         ∂q 2        ∂q3 


                        7
(14)                 (13)



   1  ∂l 
             = a1               ( 1 5 -a )
   h1  ∂q 1 
   1  ∂l 
              = a2              (1 5 -b )
   h2  ∂q 2 
   1  ∂l 
             =a                 (1 5 -c )
   h3  ∂q 3 
                      3




                  1  ∂l 
        ai =                   (16)
                  hi  ∂q i 

   (metric coefficients)
    (11)



(spherical coordinate)


           x   = r s in θ c o s ϕ
           y   = r sin θ sin ϕ
           z   = r cosθ
           q   = (q r , q θ , q ϕ )

               (11)




                          8
 ∂x     ∂y                    ∂z 
                        2               2                   2
                                       
     h r2 =      +                   +       
             ∂r     ∂r                   ∂r 
     h r = (sin θ cos ϕ ) 2
        2
                                       + (sin θ sin ϕ ) 2 + (co s θ ) 2
     h r2 = sin 2 θ co s 2 ϕ + sin 2 θ sin 2 ϕ + co s 2 θ
     h r2 = sin 2 θ (co s 2 ϕ + sin 2 ϕ ) + co s 2 θ = 1
    ∴ hr = 1                       (17 )




             ∂x   ∂y   ∂z 
                    2              2                  2

      h =
       θ
        2
                   +         +      
             ∂θ   ∂θ   ∂θ 
      hθ2 = r 2 cos 2 θ cos 2 ϕ + r 2 cos 2 θ sin 2 ϕ + r 2 sin 2 θ
      hθ2 = r 2 →∴ hθ = r                       (18)

                             2              2                   2
                   ∂x   ∂y   ∂z 
            h =
             2
             ϕ           +          +       
                   ∂ϕ   ∂ϕ   ∂ϕ 
            hϕ2 = r 2 sin 2 θ sin 2 ϕ + r 2 sin 2 θ cos2 ϕ
            hϕ2 = r 2 sin 2 θ →∴ hϕ = r sin θ                       (19)




(cylindrical coordinate)
                            x = r cosϕ
                            y = r s in ϕ
                            z = z
                            q = q       r   ,q    ϕ    ,q   z



                                 (11)




                                            9
 ∂x                  ∂y       ∂z 
                                      2                  2                       2
                                     
              h r2 =                 +        +      
                      ∂r                 ∂r       ∂r 
              h r = cos2
                 2
                                     ϕ + sin 2 ϕ = 1
              ∴         h   r   =1                 (2 0 )


                                      2               2                      2
                          ∂x        ∂y        ∂z 
                  h =
                   ϕ
                    2
                                +         +       
                          ∂ϕ        ∂ϕ        ∂ϕ 
                  h ϕ2 = r 2 sin 2 ϕ + r 2 cos 2 ϕ
                  h ϕ2 = r 2 → ∴ h ϕ = r                          (21)


                       ∂x   ∂y   ∂z 
                                          2          2                   2

                   h =
                    2
                            +    + 
                        ∂z   ∂z   ∂z 
                    z
                      
                   hz2 = 1 →∴ hz = 1 (22)




curvilinear         Cartesian                      spherical                         cylindrical
   q1                   x                              r                                  r
   q                    y                                    θ                          ϕ
       2

   q3                           z                         ϕ                                 z
    h1                          1                            1                           1
    h2                          1                            r                           r
    h3                          1                     r sinθ                             1
    a1                          i                            r0                          r0
    a2                          j                            θ                           ϕ
    a3                          k                            ϕ                           k

                                              10
-1           -




  Gradient
             Curl     Laplacian      Divergence
  (Orthogonal curvilinear coordinate)

                .


                    Gradient

          r       ∂φ       ∂φ       ∂φ
          ∇φ = a1     + a2     + a3     (23)
                  ∂l1      ∂l2      ∂l3

(23)                  (12)                 ∂l

       r        ∂φ         ∂φ         ∂φ
       ∇φ = a1       + a2       + a3       (24)
               h1∂q1      h2∂q2      h3∂q3



               Divergence




                             11
(Gauss's or Divergence theorem)
                           r r       r r
                         Ñ
                         ∫
                         S
                           F .da = ∫ ∇.Fdτ
                                    v
                                                (25)


                      r r
                      ∇ .F = constant


                  a3
                                 DEDODA
                                 university.arabsbook.com
                                  r
                                  F



                                                      a2




                                                        (q1 , q 2 , q 3 )
      a1




-4      -
                                        (25)
                                   r r
                     r r
                     ∇. F = lim
                                 Ñ
                                 ∫ F . da
                                                      (26)
                           ∫dτ →0 ∫ dτ

4
              r r
            Ñ
            ∫ F . da = φR +φL + φT + φBo + φF + φBa      (27)
                                                                            -:
R: - right: -
L: - left: -
T:-top: -

                                        12
Bo:-bottom: -
F:-front: -
Ba:- back: -




                                                                 
                                                                 
  φR = F2R d l3R d l1R                                           
             ∂F2 dq2                                           
                                                                 
  φR =  F2 +           ( h3R dq3h1R dq1 )                       (28 − a)
             ∂q2 2                                             
                                                                
              ∂F2 dq2         ∂h3 dq2        ∂h1 dq2 
  φR =  F2 +           h3 +            h1 +         dq1dq3 
             ∂q2 2           ∂q2 2          ∂q2 2          
                                                                 




               ∂F dq     ∂h dq     ∂h dq 
   φL = −  F2 − 2 2  h1 − 1 2  h3 + 1 2  dq1dq3 (28-b)
               ∂q2 2     ∂q2 2     ∂q2 2 


                     (28-b)                (28-a)


                     ∂h          ∂h    ∂F           
      φR + φL =  F2h1 3 + F2h3 1 + h1h3 2 dq1dq2dq3 
                     ∂q2         ∂q2   ∂q2          
                                                       (28 − c )
                 ∂(F2h1h3 )                         
      φR + φL =             dq1dq2dq3               
                 ∂q2                                




                                     13
 ∂( F2 h1h2 ) 
                φT + φBo =                dq1dq 2dq 3   (28-d)
                            ∂q 3 
                            ∂(F1h2 h3 ) 
                φF + φBa =               dq1dq 2dq 3    (28-e)
                            ∂q1 

(27)                (28-e) (28-d) (28-c)

         r r  ∂(F h h ) ∂(F h h ) ∂(F h h ) 
       Ñ
       ∫
       S
         F . da=  2 2 3 + 2 1 3 + 3 1 2  dq1dq2dq3 (29)
                  ∂q1     ∂q2       ∂q3 

       r r
       ∇. F             (26)                 (29)

                    ∂(F2h2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 ) 
                              +          +            dq1dq2dq3
       r r          ∂q1          ∂q2         ∂q3 
       ∇. F= lim
            ∫dτ →0                     ∫ dτ
       but      ∫ dτ = h h h
                        1 2 3   dq1dq2dq3
                ∂(F2h2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 ) 
                          +          +            dq dq dq
         r r  ∂q1            ∂q2         ∂q3  1 2 3
       ∴ ∇. F=
                             h1h2h3 dq1dq2dq3
        r r       1  ∂(Fh2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 ) 
        ∇. F=          
                         1
                               +          +            (30)
                h1h2h3  ∂q1      ∂q2         ∂q3 


                  Divergence                   (30)
              (Orthogonal curvilinear coordinate)
                    Divergence
                       .


             Laplacian
 (The Laplacian in orthogonal curvilinear coordinate)

                                       14
r r r2
                           ∇. ∇φ =∇ φ
                             (24)
r        1  ∂  h2h3 ∂φ  ∂  hh3 ∂φ  ∂  hh2 ∂φ 
∇2φ =                   + 
                                  1
                                         + 
                                                 1
                                                         (31)
      hh2h3 ∂q1  h1 ∂q1  ∂q2  h2 ∂q2  ∂q3  h3 ∂q3 
       1



            Laplacian


    The curl in orthogonal curvilinear coordinate


               " Stoke's Theorem"
                    r r r r r
                   ∫∇×F. da=ÑF. dr (32)
                            ∫

                       r r
                       ∇×F = constant
                       q3

                                                DEDODA
                                 h2cdq          universi ty.arabsbook.com
                                            2




                       c
        h3dq   3   d                             h3b
                                                   dq     3
                                        b

                             a
                                                              q2

                            h2dq 2


q1



                                   15
-5         -
       q2        q3
                                                           curl

                                q2 q1

                             q3        q1
.    (32)                   5                              curl
                                     r r
                   r r
                  (∇×F )1 = lim
                                   Ñ F. dr
                                   ∫                (33)
                           ∫da→0       ∫da
      r r
    Ñ F . dr=F2h2dq 2 + F3b h3b dq3 − F2c h2cdq 2 − F3h3dq3
    ∫
      r r                     ∂F           ∂h     
    Ñ
    ∫ F . dr=F2h2dq 2 +  F3 + 3 dq 2  h3 + 3 dq 2  dq3
                             ∂q 2          ∂q 2   
                    ∂F           ∂h       
             -  F2 + 2 dq3  F2 + 2 dq3  dq2 − F3h3dq3
                    ∂q3          ∂q3      
         r r  ∂(F h ) ∂(F2h2 ) 
    →∴ Ñ F . dr =  3 3 −
       ∫                         dq2dq3                      (34)
                   ∂q 2  ∂q3 


                         ∫da = h h dq dq
                                  2 3       2   3

                  (33)                  (34)

               r r     1 ∂(Fh ) ∂(Fh )
              (∇×F)1 =  3 3 − 2 2  (35-a)
                      h2h3  ∂q2   ∂q3 

            q3   q1


                                  16
r r
                (∇ × F ) 2
     q2 q1
                 r r
                (∇ × F )3




      r r     1 ∂(Fh ) ∂(Fh )
     (∇×F)2 =  1 1 − 3 3  (35-b)
             hh3  ∂q3
              1           ∂q1 


      r r     1 ∂(Fh ) ∂(Fh )
     (∇×F)3 =  2 2 − 1 1  (35-c)
             hh2  ∂q1
              1          ∂q2 

              (35)



                a1h1     a 2 h2      a 3h3
r r        1      ∂          ∂        ∂
∇× F =                                       (36)
         h1h2 h3 ∂q1        ∂q 2     ∂q3
                h1F1        h 2 F2   h3F3




                       17
ϕ       θ
                           ,                         (displacement)



        z

                                                DEDODA
                                                universi ty.arabsbook.com
                           dr
                 rd θ

                  r
            θ
                   dθ
                                                         y

        ϕ                                   r sin θ dϕ


x
            dϕ

                 r sin θ


                      -6            -

                                    ϕ       θ

    1              12



                               18
d lϕ    d lθ
                             1                          12

                 d lθ = hθ dqθ → d lθ = rd θ
                 d lϕ = hϕdqϕ → d lϕ = r sinθd ϕ



Laplacian       Divergence            Gradient
                                                            Curl
                     1
                   (36) (31) (30) (24)


                      (24)
               r        ∂φ         ∂φ         ∂φ
               ∇φ = a1       + a2       + a3
                       h1∂q1      h2∂q2      h3∂q3

                     Gradient            1

            ( Cartesian coordinate)
                Gradient
                 r      ∂φ    ∂φ  ∂φ
                 ∇φ = i    + j +k    (37)
                        ∂x    ∂y  ∂z



              r      ∂φ   ∂φ         ∂φ
              ∇φ = r0 +θ      +ϕ          (38)
                     ∂r  r ∂θ    r sinθ∂ϕ




                                 19
r      ∂φ   ∂φ     ∂φ
                 ∇φ = r0 +ϕ      +k    (39)
                        ∂r  r ∂ϕ    ∂z

                  Divergence
         r r       1  ∂(Fh2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 ) 
         ∇. F=          
                          1
                                +          +           
                 h1h2h3  ∂q1      ∂q2         ∂q3 



                     r r  ∂F ∂F ∂F 
                     ∇. F=  x + y + z  (40)
                            ∂x ∂y ∂z 




      r r         1  ∂(Fr r 2 sinθ ) ∂(Fθ r sinθ ) ∂(Fϕ r ) 
      ∇. F=                         +             +         
              r 2 sin θ    ∂r            ∂θ          ∂ϕ 
      r r 1 ∂(r 2Fr )      1 ∂(sinθ Fθ )      1 ∂(Fϕ )
    → ∇. F= 2         +                  +             (41)
           r  ∂r        r sin θ  ∂θ        r sinθ ∂ϕ



               r r 1  ∂(F r ) ∂(F ) ∂(F r ) 
               ∇. F=  r + ϕ + z 
                    r  ∂r      ∂ϕ     ∂z 
                r r 1 ∂(rFr ) 1 ∂(Fϕ ) ∂(Fz )
              → ∇. F=        +        +       (42)
                      r ∂r     r ∂ϕ     ∂z


                                    Laplacian
r        1  ∂  h2h3 ∂φ  ∂  hh3 ∂φ  ∂  hh2 ∂φ 
∇2φ =                   + 
                                  1
                                         + 
                                                 1
                                                        
      hh2h3 ∂q1  h1 ∂q1  ∂q2  h2 ∂q2  ∂q3  h3 ∂q3 
       1




                                    20
r2 ∂2φ ∂2φ ∂2φ 
                 ∇φ =  2 + 2 + 2  (43)
                      ∂x ∂y ∂z 


r       1 ∂  2       ∂φ  ∂   ∂φ  ∂  1 ∂φ 
∇2φ = 2        r sinθ + sinθ +               (44)
     r sinθ ∂r       ∂r  ∂θ  ∂θ  ∂ϕ sinθ ∂ϕ 



        r2 1  ∂  ∂φ  ∂  1 ∂φ  ∂  ∂φ 
        ∇φ =  r +                + r  (45)
            r ∂r  ∂r  ∂ϕ  r ∂ϕ  ∂z  ∂z 
                                   

                                    Curl
                    .1

                .




                            21

More Related Content

What's hot

Công thức tích phân
Công thức tích phânCông thức tích phân
Công thức tích phândiemthic3
 
1ª lista de exercicios de cálculo I limites
1ª lista de exercicios de cálculo I   limites1ª lista de exercicios de cálculo I   limites
1ª lista de exercicios de cálculo I limitesmarcelotorraca
 
Limit dan kontinuan
Limit dan kontinuanLimit dan kontinuan
Limit dan kontinuansidesty
 
Pertemuan 8 metode integrasi
Pertemuan 8 metode integrasiPertemuan 8 metode integrasi
Pertemuan 8 metode integrasiIwan Saputra
 
Tổng hợp hình cầu truonghocso.com
Tổng hợp hình cầu   truonghocso.comTổng hợp hình cầu   truonghocso.com
Tổng hợp hình cầu truonghocso.comThế Giới Tinh Hoa
 
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tích
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tíchứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tích
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tíchThế Giới Tinh Hoa
 
Bài tập tích phân- nguyên hàm
Bài tập tích phân- nguyên hàmBài tập tích phân- nguyên hàm
Bài tập tích phân- nguyên hàmdiemthic3
 
Trigonometrijske formule
Trigonometrijske formuleTrigonometrijske formule
Trigonometrijske formulemArKoBK3
 
Rで解く最適化問題 線型計画問題編
Rで解く最適化問題   線型計画問題編 Rで解く最適化問題   線型計画問題編
Rで解く最適化問題 線型計画問題編 Hidekazu Tanaka
 

What's hot (15)

Operadores teoria
Operadores teoriaOperadores teoria
Operadores teoria
 
Công thức tích phân
Công thức tích phânCông thức tích phân
Công thức tích phân
 
1ª lista de exercicios de cálculo I limites
1ª lista de exercicios de cálculo I   limites1ª lista de exercicios de cálculo I   limites
1ª lista de exercicios de cálculo I limites
 
Ankom klmpk
Ankom klmpkAnkom klmpk
Ankom klmpk
 
Limit dan kontinuan
Limit dan kontinuanLimit dan kontinuan
Limit dan kontinuan
 
Pertemuan 8 metode integrasi
Pertemuan 8 metode integrasiPertemuan 8 metode integrasi
Pertemuan 8 metode integrasi
 
Tổng hợp hình cầu truonghocso.com
Tổng hợp hình cầu   truonghocso.comTổng hợp hình cầu   truonghocso.com
Tổng hợp hình cầu truonghocso.com
 
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tích
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tíchứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tích
ứNg dụng tích phân tính diện tích và thể tích
 
Bài tập tích phân- nguyên hàm
Bài tập tích phân- nguyên hàmBài tập tích phân- nguyên hàm
Bài tập tích phân- nguyên hàm
 
Mat1 lec10
Mat1 lec10Mat1 lec10
Mat1 lec10
 
Trigonometrijske formule
Trigonometrijske formuleTrigonometrijske formule
Trigonometrijske formule
 
Rで解く最適化問題 線型計画問題編
Rで解く最適化問題   線型計画問題編 Rで解く最適化問題   線型計画問題編
Rで解く最適化問題 線型計画問題編
 
Biaz289
Biaz289Biaz289
Biaz289
 
Ex01
Ex01Ex01
Ex01
 
Formulas
FormulasFormulas
Formulas
 

تحليل المتجهات

  • 1. - - (invariant ) (Cartesian coordinate) (spherical coordinate) (cylindrical coordinate) , (x,y,z) (r,ϕ,z ) (r , θ , ϕ ) . z DEDODA university.arabsbook.com P y x -1 - 1
  • 2. (Cartesian) P , (x,y,z) (r ,θ ,ϕ ) (spherical coordinate) -2 - ϕ θ (displacement) . (r,ϕ,z ) ϕ 2
  • 3. -3 - . (Coordinate) (component) r -: A = 5i + 3 j − 4k (unit vector) (i , j , k ) -: i .i = 1 j.j = 1 k .k = 1 i × i = 0 j× j = 0 k × k = 0 i .j = 0 i .k = 0 j.k = 0 i × j= k j× k = i k × i = j 3
  • 4. (unit vectors) (Cartesian coordinate) (in general ) : (a1 , a 2 , a3 ) a1.a1 = 1 a2 .a2 = 1 a3.a3 = 1 a1 × a1 = 0 a2 × a2 = 0 a3 × a3 = 0 a1.a2 = 0 a1.a3 = 0 a2 .a3 = 0 a1 × a2 = a3 a2 × a3 =a1 a3 × a2 = a1 (orthogonal unit curvilinear) . (Orthogonal curvilinear coordinate) (Cartesian coordinate) . -: r l = x i +y j +z k ...........1-a r d l = dx i +dy j +dz k ...........(1-b) r (distance) (dl) d l2 = dx 2 +dy 2 + dz 2 (2) 4
  • 5. z y x x = F1 (q1, q2 , q3 ) (4-a) y=F2 (q1, q2 , q3 ) (4-b) z=F3 (q1, q2 , q3 ) (4-c) (q 1 , q 2 , q 3 ) x (q 1 , q 2 , q 3 ) y (q 1 , q 2 , q 3 ) z (certain value) qs (2) (1-b) (1-a) -: z y x ∂x ∂x ∂x dx = dq1 + dq 2 + dq 3 (5-a) ∂q1 ∂q 2 ∂q 3 ∂y ∂y ∂y dy = dq1 + dq 2 + dq 3 (5-b) ∂q1 ∂q 2 ∂q 3 ∂z ∂z ∂z dz = dq1 + dq 2 + dq 3 (5-c) ∂q1 ∂q 2 ∂q 3 -: 3 ∂x dx = ∑i =1 ∂q i dq i (6 -a ) 3 ∂y dy = ∑i =1 ∂q i dq i (6 -b ) 3 ∂z dz = ∑ i =1 ∂q i dq i (6 -c ) 5
  • 6. 3 ∂x ∂x dx 2 = ∑ dq i dq j (7-a) i =1 ∂q i ∂ q j 3 ∂y ∂y dy 2 = ∑ dq i dq j (7-b) i =1 ∂q i ∂ q j 3 ∂z ∂z dz 2 = ∑ dq i dq j (7-c) i =1 ∂ q i ∂q j (2) (7-c) (7-b) (7-a) -: (2) 3  ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z  dl = ∑  2 + +  dqi dq j (8)  i , j =1  ∂qi ∂q j ∂qi ∂q j ∂qi ∂q j    ∂x ∂ x ∂y ∂y ∂z ∂ z   + +  = hij  ∂q ∂q ∂q i ∂q j ∂q i ∂q j   i j  (8) (metric coefficients) (hij ) -: 3 dl = 2 ∑ h dq dq i , j =1 ij i j (9) Kronecker delta 6
  • 7. hii = hi2  ,i=j hij = hij δij =  h ij = 0  ,i ≠ j (9) 3 d l2 = ∑hi2dqi2 (10) i d l2 = d l12 +d l22 +d l32 (metric coefficients)  ∂x 2  ∂y 2  ∂z 2  h =  2  +  +   (11)  ∂q i   ∂q i   ∂q i   i   (10) d l 1 = h1dq1 (12-a) d l 2 = h 2dq 2 (12-b) d l 3 = h3dq 3 (12-c) (Curvilinear coordinate) r d l = hdq1 a1+h2dq2 a2 +hdq3 a3 1 3 (13) r  ∂l   ∂l   ∂l  dl=  dq1 +  dq2 +  dq3 (14)  ∂q1   ∂q 2   ∂q3  7
  • 8. (14) (13) 1  ∂l    = a1 ( 1 5 -a ) h1  ∂q 1  1  ∂l    = a2 (1 5 -b ) h2  ∂q 2  1  ∂l    =a (1 5 -c ) h3  ∂q 3  3 1  ∂l  ai =   (16) hi  ∂q i  (metric coefficients) (11) (spherical coordinate) x = r s in θ c o s ϕ y = r sin θ sin ϕ z = r cosθ q = (q r , q θ , q ϕ ) (11) 8
  • 9.  ∂x   ∂y  ∂z  2 2 2  h r2 =   +  +   ∂r   ∂r   ∂r  h r = (sin θ cos ϕ ) 2 2 + (sin θ sin ϕ ) 2 + (co s θ ) 2 h r2 = sin 2 θ co s 2 ϕ + sin 2 θ sin 2 ϕ + co s 2 θ h r2 = sin 2 θ (co s 2 ϕ + sin 2 ϕ ) + co s 2 θ = 1 ∴ hr = 1 (17 )  ∂x   ∂y   ∂z  2 2 2 h = θ 2  +  +   ∂θ   ∂θ   ∂θ  hθ2 = r 2 cos 2 θ cos 2 ϕ + r 2 cos 2 θ sin 2 ϕ + r 2 sin 2 θ hθ2 = r 2 →∴ hθ = r (18) 2 2 2  ∂x   ∂y   ∂z  h = 2 ϕ  +  +   ∂ϕ   ∂ϕ   ∂ϕ  hϕ2 = r 2 sin 2 θ sin 2 ϕ + r 2 sin 2 θ cos2 ϕ hϕ2 = r 2 sin 2 θ →∴ hϕ = r sin θ (19) (cylindrical coordinate) x = r cosϕ y = r s in ϕ z = z q = q r ,q ϕ ,q z (11) 9
  • 10.  ∂x  ∂y   ∂z  2 2 2  h r2 =   +   +    ∂r   ∂r   ∂r  h r = cos2 2 ϕ + sin 2 ϕ = 1 ∴ h r =1 (2 0 ) 2 2 2  ∂x   ∂y   ∂z  h = ϕ 2  +  +   ∂ϕ   ∂ϕ   ∂ϕ  h ϕ2 = r 2 sin 2 ϕ + r 2 cos 2 ϕ h ϕ2 = r 2 → ∴ h ϕ = r (21)  ∂x   ∂y   ∂z  2 2 2 h = 2  +  +  ∂z   ∂z   ∂z  z  hz2 = 1 →∴ hz = 1 (22) curvilinear Cartesian spherical cylindrical q1 x r r q y θ ϕ 2 q3 z ϕ z h1 1 1 1 h2 1 r r h3 1 r sinθ 1 a1 i r0 r0 a2 j θ ϕ a3 k ϕ k 10
  • 11. -1 - Gradient Curl Laplacian Divergence (Orthogonal curvilinear coordinate) . Gradient r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = a1 + a2 + a3 (23) ∂l1 ∂l2 ∂l3 (23) (12) ∂l r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = a1 + a2 + a3 (24) h1∂q1 h2∂q2 h3∂q3 Divergence 11
  • 12. (Gauss's or Divergence theorem) r r r r Ñ ∫ S F .da = ∫ ∇.Fdτ v (25) r r ∇ .F = constant a3 DEDODA university.arabsbook.com r F a2 (q1 , q 2 , q 3 ) a1 -4 - (25) r r r r ∇. F = lim Ñ ∫ F . da (26) ∫dτ →0 ∫ dτ 4 r r Ñ ∫ F . da = φR +φL + φT + φBo + φF + φBa (27) -: R: - right: - L: - left: - T:-top: - 12
  • 13. Bo:-bottom: - F:-front: - Ba:- back: -   φR = F2R d l3R d l1R   ∂F2 dq2    φR =  F2 +  ( h3R dq3h1R dq1 )  (28 − a)  ∂q2 2     ∂F2 dq2  ∂h3 dq2  ∂h1 dq2  φR =  F2 +  h3 +  h1 + dq1dq3   ∂q2 2  ∂q2 2  ∂q2 2     ∂F dq  ∂h dq  ∂h dq  φL = −  F2 − 2 2  h1 − 1 2  h3 + 1 2  dq1dq3 (28-b)  ∂q2 2  ∂q2 2  ∂q2 2  (28-b) (28-a)  ∂h ∂h ∂F   φR + φL =  F2h1 3 + F2h3 1 + h1h3 2 dq1dq2dq3   ∂q2 ∂q2 ∂q2    (28 − c )  ∂(F2h1h3 )   φR + φL =  dq1dq2dq3   ∂q2   13
  • 14.  ∂( F2 h1h2 )  φT + φBo =   dq1dq 2dq 3 (28-d)  ∂q 3   ∂(F1h2 h3 )  φF + φBa =   dq1dq 2dq 3 (28-e)  ∂q1  (27) (28-e) (28-d) (28-c) r r  ∂(F h h ) ∂(F h h ) ∂(F h h )  Ñ ∫ S F . da=  2 2 3 + 2 1 3 + 3 1 2  dq1dq2dq3 (29)  ∂q1 ∂q2 ∂q3  r r ∇. F (26) (29)  ∂(F2h2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 )   + +  dq1dq2dq3 r r  ∂q1 ∂q2 ∂q3  ∇. F= lim ∫dτ →0 ∫ dτ but ∫ dτ = h h h 1 2 3 dq1dq2dq3  ∂(F2h2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 )   + +  dq dq dq r r  ∂q1 ∂q2 ∂q3  1 2 3 ∴ ∇. F= h1h2h3 dq1dq2dq3 r r 1  ∂(Fh2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 )  ∇. F=  1 + +  (30) h1h2h3  ∂q1 ∂q2 ∂q3  Divergence (30) (Orthogonal curvilinear coordinate) Divergence . Laplacian (The Laplacian in orthogonal curvilinear coordinate) 14
  • 15. r r r2 ∇. ∇φ =∇ φ (24) r 1  ∂  h2h3 ∂φ  ∂  hh3 ∂φ  ∂  hh2 ∂φ  ∇2φ =   +  1 +  1  (31) hh2h3 ∂q1  h1 ∂q1  ∂q2  h2 ∂q2  ∂q3  h3 ∂q3  1 Laplacian The curl in orthogonal curvilinear coordinate " Stoke's Theorem" r r r r r ∫∇×F. da=ÑF. dr (32) ∫ r r ∇×F = constant q3 DEDODA h2cdq universi ty.arabsbook.com 2 c h3dq 3 d h3b dq 3 b a q2 h2dq 2 q1 15
  • 16. -5 - q2 q3 curl q2 q1 q3 q1 . (32) 5 curl r r r r (∇×F )1 = lim Ñ F. dr ∫ (33) ∫da→0 ∫da r r Ñ F . dr=F2h2dq 2 + F3b h3b dq3 − F2c h2cdq 2 − F3h3dq3 ∫ r r  ∂F  ∂h  Ñ ∫ F . dr=F2h2dq 2 +  F3 + 3 dq 2  h3 + 3 dq 2  dq3  ∂q 2  ∂q 2   ∂F  ∂h  -  F2 + 2 dq3  F2 + 2 dq3  dq2 − F3h3dq3  ∂q3  ∂q3  r r  ∂(F h ) ∂(F2h2 )  →∴ Ñ F . dr =  3 3 − ∫  dq2dq3 (34)  ∂q 2 ∂q3  ∫da = h h dq dq 2 3 2 3 (33) (34) r r 1 ∂(Fh ) ∂(Fh ) (∇×F)1 =  3 3 − 2 2  (35-a) h2h3  ∂q2 ∂q3  q3 q1 16
  • 17. r r (∇ × F ) 2 q2 q1 r r (∇ × F )3 r r 1 ∂(Fh ) ∂(Fh ) (∇×F)2 =  1 1 − 3 3  (35-b) hh3  ∂q3 1 ∂q1  r r 1 ∂(Fh ) ∂(Fh ) (∇×F)3 =  2 2 − 1 1  (35-c) hh2  ∂q1 1 ∂q2  (35) a1h1 a 2 h2 a 3h3 r r 1 ∂ ∂ ∂ ∇× F = (36) h1h2 h3 ∂q1 ∂q 2 ∂q3 h1F1 h 2 F2 h3F3 17
  • 18. ϕ θ , (displacement) z DEDODA universi ty.arabsbook.com dr rd θ r θ dθ y ϕ r sin θ dϕ x dϕ r sin θ -6 - ϕ θ 1 12 18
  • 19. d lϕ d lθ 1 12 d lθ = hθ dqθ → d lθ = rd θ d lϕ = hϕdqϕ → d lϕ = r sinθd ϕ Laplacian Divergence Gradient Curl 1 (36) (31) (30) (24) (24) r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = a1 + a2 + a3 h1∂q1 h2∂q2 h3∂q3 Gradient 1 ( Cartesian coordinate) Gradient r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = i + j +k (37) ∂x ∂y ∂z r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = r0 +θ +ϕ (38) ∂r r ∂θ r sinθ∂ϕ 19
  • 20. r ∂φ ∂φ ∂φ ∇φ = r0 +ϕ +k (39) ∂r r ∂ϕ ∂z Divergence r r 1  ∂(Fh2h3 ) ∂(F2h1h3 ) ∂(F3h1h2 )  ∇. F=  1 + +  h1h2h3  ∂q1 ∂q2 ∂q3  r r  ∂F ∂F ∂F  ∇. F=  x + y + z  (40)  ∂x ∂y ∂z  r r 1  ∂(Fr r 2 sinθ ) ∂(Fθ r sinθ ) ∂(Fϕ r )  ∇. F=  + +  r 2 sin θ  ∂r ∂θ ∂ϕ  r r 1 ∂(r 2Fr ) 1 ∂(sinθ Fθ ) 1 ∂(Fϕ ) → ∇. F= 2 + + (41) r ∂r r sin θ ∂θ r sinθ ∂ϕ r r 1  ∂(F r ) ∂(F ) ∂(F r )  ∇. F=  r + ϕ + z  r  ∂r ∂ϕ ∂z  r r 1 ∂(rFr ) 1 ∂(Fϕ ) ∂(Fz ) → ∇. F= + + (42) r ∂r r ∂ϕ ∂z Laplacian r 1  ∂  h2h3 ∂φ  ∂  hh3 ∂φ  ∂  hh2 ∂φ  ∇2φ =   +  1 +  1  hh2h3 ∂q1  h1 ∂q1  ∂q2  h2 ∂q2  ∂q3  h3 ∂q3  1 20
  • 21. r2 ∂2φ ∂2φ ∂2φ  ∇φ =  2 + 2 + 2  (43) ∂x ∂y ∂z  r 1 ∂  2 ∂φ  ∂  ∂φ  ∂  1 ∂φ  ∇2φ = 2   r sinθ + sinθ +   (44) r sinθ ∂r  ∂r  ∂θ  ∂θ  ∂ϕ sinθ ∂ϕ  r2 1  ∂  ∂φ  ∂  1 ∂φ  ∂  ∂φ  ∇φ =  r +  + r  (45) r ∂r  ∂r  ∂ϕ  r ∂ϕ  ∂z  ∂z   Curl .1 . 21