\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \newcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bff}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\iu}{\mathrm{i}} \newcommand{\ju}{\mathrm{j}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} \newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]} \newcommand{\piste}{\cdot} \newcommand{\qedhere}{} \newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]} \newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]} \newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|} \newcommand{\trans}{\mathrm{T}} \newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}} \newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}} \newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}} \newcommand{\num}[2][]{#2} \newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}} \newcommand{\meter}{m} \newcommand{\metre}{\meter} \newcommand{\kilo}{k} \newcommand{\kilogram}{kg} \newcommand{\gram}{g} \newcommand{\squared}{^2} \newcommand{\cubed}{^3} \newcommand{\minute}{min} \newcommand{\hour}{h} \newcommand{\second}{s} \newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C} \newcommand{\per}{/} \newcommand{\centi}{c} \newcommand{\milli}{m} \newcommand{\deci}{d} \newcommand{\percent}{\%} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}} \newcommand{\oiint}{\unicode{x222F}}\]

Lähteisyys ja pyörteisyys

Olkoon \(A\subset \R^n\) avoin. Vektorikentän \({\bf F}\colon A\to {\bf R}^n\) (divergence) lähteisyys (eli divergenssi, ”nabla piste \({\bf F}\)”) on skalaarikenttä

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \nabla \cdot {\bf F} &=& \text{div}\, {\bf F}= D_1F_1+\dots +D_nF_n = \sum_{k=1}^nD_kF_k = \sum_{k=1}^n \frac{\partial F_k}{\partial x_k}\\ &=& \frac{\partial F_1}{\partial x}+\frac{\partial F_2}{\partial y}+\frac{\partial F_3}{\partial z} \ (n=3)\nonumber \end{array}\end{split}\]

ja tapauksessa \(n=3\) sen pyörteisyys (eli roottori, ”nabla risti \({\bf F}\)”) (curl) (rotation) (vorticity) on vektorikenttä

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \nabla \times {\bf F} &=& \text{curl}\, {\bf F}= \text{rot}\, {\bf F} =\left| \begin{matrix} {\bf i} &{\bf j} & {\bf k} \\ D_1 & D_2 & D_3 \\ F_1 & F_2 & F_3\\ \end{matrix} \right| \nonumber \\ &=&(D_2F_3-D_3F_2){\bf i}-(D_1F_3-D_3F_1){\bf j}+(D_1F_2-D_2F_1){\bf k}.\nonumber \end{array}\end{split}\]

Vektorikenttä on \(\mathbf{F}\) on lähteetön, (solenoidal) (divergence-free) jos

\[\nabla\cdot \mathbf{F}=0,\]

ja pyörteetön, (irrotational) (curl-free) jos

\[\nabla\times \mathbf{F}=\overline{0}.\]

Nämä ehdot vaaditaan siis kaikissa vektorikentän määrittelyjoukon pisteissä.

Pyörteisyys ja skalaaripotentiaali

Koska vektorikentän \(\nabla \times {\bf F}\) koordinaattifunktiot ovat muotoa

\[\frac{\partial F_i}{\partial x_j}-\frac{\partial F_j}{\partial x_i},\]

niin kentän \({\bf F}\) konservatiivisuuden (lokaalisti) takaava ehto (2) voidaan kolmiulotteisessa tapauksessa kirjoittaa yksinkertaisessa muodossa

\[\nabla \times {\bf F}=\overline{0}.\]

Ainakin lokaalisti pätee siis: ”konservatiivinen = pyörteetön”.

Laplace-operaattori

Skalaarikentälle \(f\) on voimassa

\[\nabla\cdot \nabla f = f_{x_1x_1}+\dots +f_{x_nx_n} =\Delta f,\]

missä \(\Delta\) on ennestään tuttu (?) Laplace-operaattori (Laplacian)

\[\Delta = \frac{\partial²}{\partial x_1^2}+\dots +\frac{\partial^2}{\partial x_n^2}.\]

Voidaan siis ajatella, että \(\Delta = \nabla\cdot \nabla\), ja joskus Laplace-operaattorille käytetään myös merkintää \(\nabla^2\). Tapauksessa \(n=3\) on siis

\[\Delta f =\frac{\partial^2 f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2 f}{\partial y^2} +\frac{\partial^2 f}{\partial z^2} =f_{xx}+f_{yy}+f_{zz}.\]

Huomautus 7.2.1

Fysikaalissa sovelluksissa nabla-operaatioiden osittaisderivaatat lasketaan vain paikkamuuttujien suhteen. Jos esimerkiksi \(u(x,y,z,t)\) kuvaa jonkin kappaleen pisteen \((x,y,z)\) lämpötilaa hetkellä \(t\), niin \(\Delta u= u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}\), eikä siihen sisälly termiä \(u_{tt}\). Sama tulkinta koskee myös gradienttia, lähteisyyttä ja pyörteisyyttä; vrt. esimerkit 1.2 ja 1.8.

Lisäksi täytyy muistaa, että Laplace-operaattori ei liity mitenkään funktion muutosta kuvaavaan lausekkeeseen \(\Delta f = f(\mathbf{r}+\Delta \mathbf{r})-f(\mathbf{r})\).

Esimerkki 7.2.2

Laplace-operaattori esiintyy kaikissa kolmessa sovellusten kannalta tärkeimmässä osittaisdiffrerentiaaliyhtälössä:

  • Laplace-yhtälö \(\Delta u = 0\) ja Poisson-yhtälö (Poisson’s equation) \(\Delta u = f\), jossa \(u=u(x,y,z)\) on esimerkiksi sähkökentän potentiaali.

  • Lämpöyhtälö (heat equation) \(u_t=k\Delta u\), jossa \(u=u(x,y,z,t)\) on kappaleen lämpötila ja vakio \(k>0\) aineen lämmönjohtavuus. (heat conductivity) Sama yhtälö kuvaa myös konsentraation \(u\) muutoksia diffuusiossa, (diffusion equation) jolloin vakiota merkitään yleensä symbolilla \(D\). Staattinen eli ajasta riippumaton lämpöyhtälön ratkaisu toteuttaa Laplace-yhtälön; vrt. esimerkki 1.7.

  • Aaltoyhtälö (wave equation) \(u_{tt}=c^2\Delta u\), jossa \(u=u(x,y,z,t)\) on aallon amplitudi. (amplitude) Tässä vakio \(c\) on aallon etenemisnopeus. (speed of propagation)

Edellä mainittu nabla-operaatioita koskeva huomautus liittyy sekä lämpö- että aaltoyhtälöön.

Koska toisen kertaluvun osittaisderivaatat voidaan laskea (kaksi kertaa jatkuvasti derivoituville) usean muuttujan funktiolle missä järjestyksessä tahansa, on yleisesti voimassa

\[\begin{split}\begin{cases} \nabla\cdot (\nabla\times {\bf A})=0&\\ \nabla\times \nabla f= \overline{0}&\\ \end{cases}\end{split}\]

kaikille kentille.

Perustelu: Laskuharjoitukset.

Esimerkki 7.2.3

Laske vektorikenttien \({\bf F}(x,y,z)=x\bi+y\bj+z\bk\) ja \({\bf G}(x,y,z)=y\bi-x\bj\) lähteisyys ja pyörteisyys.

Kentälle \({\bf F}\) saadaan

\[\nabla\cdot {\bf F} = \frac{\partial x}{\partial x}+ \frac{\partial y}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial z} = 3\]

ja \(\nabla\times {\bf F}=\overline{0}\). Kenttä on siis pyörteetön, mikä ilmenee myös kuviosta, koska kyseessä on säteittäinen eli radiaalinen kenttä.

Kentälle \({\bf G}\) on puolestaan

\[\nabla\cdot {\bf G} = \frac{\partial y}{\partial x}+ \frac{\partial (-x)}{\partial y} + \frac{\partial 0}{\partial z} = 0,\]

joten kyseessä on lähteetön kenttä. Toisaalta

\[\begin{split}\nabla\times {\bf F}=\left| \begin{matrix} {\bf i} &{\bf j} & {\bf k} \\ D_1 & D_2 & D_3 \\ y & -x & 0\\ \end{matrix} \right| = \left( 0-\frac{\partial (-x)}{\partial z}\right) {\bf i}-\left( 0-\frac{\partial y}{\partial z}\right) {\bf j}+ \left( \frac{\partial (-x)}{\partial x}-\frac{\partial y}{\partial y}\right) {\bf k}=-2\bk.\end{split}\]

Tällainen kenttä voisi kuvata esim. nestepyörrettä \(z\)-akselin ympäri.

Esimerkki 7.2.4

Osoita, että vektorikenttä

\[{\bf F}(x,y,z)=(y+3z)\bi+(x+2z)\bj+(3x+2y)\bk\]

on lähteetön ja pyörteetön.

Piilota/näytä ratkaisu

Luennolla/harjoitukset. Lisätieto: Pyörteettömyysehdon vuoksi tällaisella vektorikentällä on (ainakin lokaalisti) potentiaali, ts. \({\bf F}=\nabla u\), mutta lähteettömyysehdon vuoksi potentiaalin \(u\) täytyy lisäksi toteuttaa Laplace-yhtälö \(\Delta u= \nabla\cdot\nabla u =0\). Esimerkin vektorikenttä on saatu tällä tavalla potentiaalista \(u(x,y,z)=xy+2yz+3xz\), joka toteuttaa myös ehdon \(\Delta u = 0\).

Esimerkki 7.2.5

Osoita, että vektorikentällä

\[{\bf F}(x,y,z)=2xz\cos y\bi+(1-x^2z\sin y)\bj+(x^2\cos y -3z^2)\bk\]

on potentiaali.

Piilota/näytä ratkaisu

Koska

\[\begin{split}\nabla\times {\bf F}=\left| \begin{matrix} {\bf i} &{\bf j} & {\bf k} \\ D_1 & D_2 & D_3 \\ 2xz\cos y & 1-x^2z\sin y & x^2\cos y -3z^2\\ \end{matrix} \right| =\overline{0}\end{split}\]

koko avaruudessa, niin \({\bf F}\):llä on potentiaali. Potentiaalin \(u\) muodostaminen käytännössä on esitetty aikaisemmin; siinä ratkaistiin yhtälöryhmä

\[\begin{split}\begin{cases} u_x=F_1=2xz\cos y&\\ u_y=F_2=1-x^2z\sin y&\\ u_z=F_3=x^2\cos y -3z^2&\\ \end{cases}\end{split}\]

integroimalla.

Seuraavan esimerkin avulla vektorikentän lähteisyyden voi päätellä kvalitatiivisesti (esimerkiksi kuvasta katsomalla) kenttäviivojen ja kentän voimakkuuden \(\| \mathbf{F}\|\) avulla.

Esimerkki 7.2.6

Tarkastellaan positiivista skalaarikenttää \(f(x,y,z)\) ja siitä muodostettua laminaarista vektorikenttää

\[\mathbf{F}(x,y,z) = f(x,y,z)\, \mathbf{e},\]

kun \(\mathbf{e}\) on kolmiulotteisen avaruuden vakiovektori, jolloin \(\| \mathbf{F}\|= f\). Osoita, että

\[\nabla \cdot \mathbf{F} = D_{\mathbf{e}} f = \nabla f \cdot \mathbf{e}.\]
Piilota/näytä ratkaisu

Luennolla/harjoitukset.

Laminaarisuus tarkoittaa sitä, että vektorikentän kenttäviivat ovat yhdensuuntaisia (vektorin \(\mathbf{e}\) suuntaisia) suoria. Kaavan oikealla puolella esiintyy vektorikentän \(\mathbf{F}\) voimakkuuden \(f\) suunnattu derivaatta kenttäviivan suuntaan. Tämä kaava yleistyy likimääräisesti myös ”kaareville”vektorikentille. Gaussin lauseen avulla voidaan osoittaa, että kaavassa pätee jopa yhtäsuuruus, jos kenttäviivoista muodostuu ”virtausputkia”, joiden paksuus ei muutu.

Seuraavan esimerkin kaavat voidaan todistaa esittämällä lausekkeet \(xyz\)-koordinaateissa, mutta paljon helpommin kurssin loppuosan yleisillä menetelmillä.

Esimerkki 7.2.7

Säteittäisille kentille on voimassa (radial vector field)

\[\begin{split}\begin{array}{rcl} \nabla f(r) &=& f'(r)\frac{{\bf r}}{r}= f'(r){\bf e}_r, \nonumber\\ \nabla \cdot f(r){\bf e}_r&=& f'(r)+\frac{2}{r}f(r) \ \text{ ja } \nonumber\\ \nabla \times f(r){\bf e}_r &=&\overline{0}.\nonumber \end{array}\end{split}\]

Tässä \({\bf r}=x{\bf i} +y{\bf j} +z {\bf k}\), \(r=\| {\bf r}\| = \sqrt{x^2+y^2+z^2}\) ja \(\mathbf{e}_r=\br/r\) ovat pallokoordinaatistoon liittyviä merkintöjä.

Esimerkiksi säteittäisen painovoimakentän \({\bf F}=-c\, \br/r^3\) potentiaaliksi voidaan valita \(u ( r) =c/r\) ja sille pätee \(\nabla \cdot {\bf F}=0\) ja \(\nabla \times {\bf F}=\overline{0}\). Painovoimakenttä on siis lähteetön ja pyörteetön (alueessa \(r > 0\)).

Edellinen esimerkki liittyy tilanteeseen, jossa nabla-operaatioille tarvitaan esitys tavallisesta \(xyz\)-koordinaatistosta poikkeavien uusien koordinaattien avulla. Tärkeimmät tapaukset ovat tason napakoordinaatisto sekä avaruuden pallo- ja sylinterikoordinaatistot, joita käsitellään myöhemmin tällä kurssilla.

Esimerkki 7.2.8

Divergenssin ja roottorin tunnetuin sovellus liittyy sähkö- ja magneettikenttien väliseen yhteyteen, jota kuvaavat Maxwellin yhtälöt: (Maxwell’s equations)

\[\begin{split}\begin{cases} \nabla \cdot \mathbf{D} = \rho &\\ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 &\\ \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t} &\\ \nabla \times \mathbf{H} = \mathbf{J}+\frac{\partial\mathbf{D}}{\partial t}. &\\ \end{cases}\end{split}\]

Merkintöjen selitykset.

Palautusta lähetetään...