\[\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}}\]

Vektoripotentiaali

Tässä kappaleessa käsitellään ainoastaan kolmiulotteisia vektorikenttiä.

Aikaisemmin todettiin, että pyörteettömyysehdosta \(\nabla \times \mathbf{F} =\overline{0}\) seuraa (yhdesti yhtenäisessä alueessa) skalaaripotentiaalin olemassaolo. Samaan tapaan voidaan nabla-kaavan \(\nabla\cdot (\nabla\times {\bf A})=0\) perusteella kysyä, seuraako lähteettömyysehdosta \(\nabla\cdot \mathbf{G}=0\), että vektorikenttä \(\mathbf{G}\) voidaan esittää muodossa \(\mathbf{G}=\nabla\times {\bf A}\) jonkin toisen vektorikentän \(A\) avulla.

Määritelmä 7.3.1

Olkoon \(\mathbf{G}\colon D\to\mathbf{R}^3\) jatkuva vektorikenttä. Jos on olemassa sellainen vektorikenttä \(\mathbf{A}\colon D\to\mathbf{R}^3\), että

\[\nabla\times {\bf A}=\mathbf{G},\]

niin \(\mathbf{A}\) on vektorikentän \(\mathbf{G}\) vektoripotentiaali.

Skalaaripotentiaali (jos se on olemassa) on vakiota vaille yksikäsitteinen, mutta (mahdolliseen) vektoripotentiaaliin liittyy paljon enemmän valinnanvaraa, sillä

\[\nabla\times (\mathbf{A}+\nabla\psi) = \nabla\times \mathbf{A}+ \underbrace{\nabla\times \nabla\psi}_{=\overline{0}} =\nabla\times \mathbf{A}.\]

Vektoripotentiaaliin voidaan siis aina lisätä mikä tahansa gradienttikenttä. Erityisesti tästä seuraa käytännön laskujen kannalta hyödyllinen ominaisuus:

  • Vektoripotentiaalia laskettaessa voidaan yksi vektoripotentiaalin koordinaattifunktio olettaa nollaksi.

Perustelu: (toinen koordinaattifunktio \(\to 0\)): Oletetaan, että \(\mathbf{G}=\nabla\times {\bf A}\) jollakin \(\mathbf{A}\). Valitaan

\[\psi =-\int A_2(x,y,z)\, dy,\]

jolloin \([\nabla\psi]_2=\psi_y= -A_2\). Tästä seuraa, että vektorikentälle \(\mathbf{B}=\mathbf{A}+\nabla\psi\) pätee

\[\nabla\times \mathbf{B} = \nabla\times \mathbf{A}= \mathbf{G} \ \text{ ja }\ B_2 = A_2+[\nabla\psi]_2 = A_2 - A_2 = 0.\]

Tulos: Jos vektorikentällä on vektoripotentiaali, niin sillä on myös sellainen vektoripotentiaali, jossa toinen koordinaattifunktio on nolla. Muut kaksi tapausta vastaavalla tavalla.

Ennen laskuesimerkkiä todetaan, että \(\nabla\cdot \mathbf{G}=0\) on välttämätön ehto vektoripotentiaalin olemassaololle; ts. jos tämä ehto ei ole voimassa, niin vektoripotentiaalia ei ole. Se ei kuitenkaan aina ole riittävä ehto vektoripotentiaalin olemassaololle; ts. ehto ei yleisesti takaa vektoripotentiaalin olemassaoloa. Aivan kuten skalaaripotentiaalin tapauksessa ongelmat liittyvät vektorikentän \(\mathbf{G}\) määrittelyjoukon \(D\) topologisiin ominaisuuksiin. Yleensä ne eivät tuota ongelmia, esimerkiksi koko avaruuden, puoliavaruuksien tai konveksien joukkojen tapauksessa (Täsmällinen ehto on \(\pi_2(D)=0\), eli alueen \(D\) toinen homotopiaryhmä on triviaali. Tämä ei ole sama ehto kuin skalaaripotentiaalin kohdalla; intuitiivisesti se tarkoittaa sitä, että joukon \(D\) sisällä ei ole puuttuvia osia, jotka voidaan sulkea joukkoon \(D\) sisältyvään umpinaiseen pussiin. Esimerkiksi kahden sisäkkäisen pallon väliin jäävä alue ei toteuta tätä ehtoa; ei myöskään pallon sisäpuoli, josta on poistettu yksi tai useampia erillisiä pisteitä).

Esimerkki 7.3.2

Määritä vektorikentälle

\[\mathbf{G} =2y\mathbf{i} +2x\mathbf{j}+2xy \mathbf{k}\]

jokin vektoripotentiaali.

Piilota/näytä ratkaisu

Todetaan aluksi, että \(\nabla\cdot \mathbf{G}=0\), joten vektoripotentiaali on olemassa (koska määrittelyjoukkona on \(D=\mathbf{R}^3\)). Yllä esitetyn perusteella etsitään sellainen vektoripotentiaali, jossa \(A_2=0\), ja kirjoitetaan ehto \(\nabla\times \mathbf{A}= \mathbf{G}\) koordinaateittain:

\[\begin{split}\begin{cases} \frac{\partial A_3}{\partial y}- \frac{\partial A_2}{\partial z} =\frac{\partial A_3}{\partial y}= G_1 = 2y &\\ \frac{\partial A_1}{\partial z}- \frac{\partial A_3}{\partial x} = G_2 = 2x &\\ \frac{\partial A_2}{\partial x}- \frac{\partial A_1}{\partial y} = - \frac{\partial A_1}{\partial y} =G_3 = 2xy. &\\ \end{cases}\end{split}\]

Tämän jälkeen edetään samaan tapaan kuin skalaaripotentiaalilaskuissa, eli integroidaan yhtälöt yksi kerrallaan. Erona aikaisempaan kannattaa kuitenkin aloittaa helpommista tapauksista, eli ensimmäisestä ja kolmannesta yhtälöstä:

\[\begin{split}\begin{cases} \frac{\partial A_3}{\partial y} = 2y & \Rightarrow A_3 = \int 2y\, dy = y^2+C_1(x,z) \\ - \frac{\partial A_1}{\partial y} = 2xy & \Rightarrow A_1 = -\int 2xy\, dy = -xy^2+C_2(x,z).\\ \end{cases}\end{split}\]

Sijoitetaan nämä tulokset toiseen yhtälöön, jolloin saadaan

\[ \frac{\partial A_1}{\partial z}- \frac{\partial A_3}{\partial x} = 2x \Leftrightarrow \frac{\partial C_2}{\partial z}- \frac{\partial C_1}{\partial x} = 2x.\]

Tätä ei tarvitse ratkaista yleisesti, vaan voidaan valita (helpoin?) ratkaisu \(C_1=0\) ja \(C_2=2xz\). Kootaan lopuksi yhteen kysytty vektoripotentiaali

\[\mathbf{A} =(2xz-xy^2)\mathbf{i} +y^2 \mathbf{k}.\]

Todetaan vielä lopuksi, että kaikki vektorikentät \(\mathbf{F}\) voidaan (ainakin paikallisesti) jakaa pyörteettömään ja lähteettömään osaan, eli esittää muodossa

\[\mathbf{F}= \nabla u + \nabla\times {\bf A}.\]

Tämä on nimeltään Helmholtzin hajotelma.

Palautusta lähetetään...