background image

 

1-1

1.  Repetytorium z analizy wektorowej 

1.1. Geometryczna i algebraiczna definicja wektora. 

W nauczaniu podstaw fizyki wprowadza się najpierw geometryczną 

postać wektora.  Wektor  x jest przedstawiany jako ukierunkowany odci-
nek linii prostej lub jako wielkość z określoną  długością i kierunkiem. 
Wektorami są np. prędkość, przyspieszenie, siła i pęd. 

Wielkości, którym nie możemy przypisać żadnego kierunku, lecz je-

dynie pewną wartość nazywamy skalarami. Skalarami są: masa, ładunek 
elektryczny, gęstość, temperatura. 

Wektory w podręcznikach akademickich oznacza się czcionką prostą 

pogrubioną (xAB itp.). Niekiedy używa się strzałek nad literą (np.

x

G

) lub 

podkreślenia (np. x). 

Algebraiczna postać wektora wynika z jednoznacznego przyporząd-

kowania wektorowi wodzącemu (wychodzącemu ze środka układu współ-
rzędnych i reprezentującego klasę równoważności wektorów) współrzęd-
nych jego punktu końcowego — uporządkowanej trójki liczb rzeczywi-
stych (x

1

x

2

x

3

). Liczby te nazywamy składowymi (współrzędnymi wekto-

ra). 

Wektor taki możemy krótko zapisać jako x

i

. Zapis taki oznacza, że i 

zmienia się od 1 do 3. 

 

 

Rys. 1.1. Trzy równoważne wektory w przestrzeni trójwymiarowej  

Te dwa uzupełniające się opisy wektora — geometryczny lub inaczej 

fizyczny i algebraiczny wybieramy w zależności od rozwiązywanego pro-
blemu. Wszystko co można udowodnić geometrycznie, można również 
wykazać algebraicznie i na odwrót. 

background image

 

1-2

1.2. Rozkład wektora na składowe 

W przestrzeni trójwymiarowej każdy wektor x może być wyrażony 
w postaci kombinacji liniowej dowolnych trzech niekomplanarnych (nie 
leżących na jednej płaszczyźnie) wektorów. Tak więc 
 

1

2

3

,

a

b

c

=

+

+

x

V

V

V

 

gdzie  a,  b,  c  są skalarami. Jeśli oznaczymy długość wektora x przez |x|, 
wtedy  a|V

1

|,  b|V

2

| i c|V

3

| będą składowymi wektora x odpowiednio 

w kierunkach V

1

V

2

 i V

3

Trzy wektory V

1

V

2

 i V

3

 tworzące bazę nie muszą być prostopadłe do 

siebie. Najczęściej wybiera się jednak wektory bazy prostopadłe do siebie 
i taką bazę nazywamy ortogonalną.  

Najpopularniejszą bazą wektorów jest ortonormalna baza kartezjań-

ska, której wektory są do siebie ortogonalne i znormalizowane (mają jed-
nostkową  długość). W fizyce pojęcia „bazy” i „układu współrzędnych” 
możemy uważać za tożsame. Jednostkowe wektory bazy kartezjańskiej 
będziemy oznaczać literami  ˆ

ˆy

,  ˆ. Zgodnie z tą umową baza kartezjań-

ska to zbiór ( ˆ

ˆy

,  ˆ), a dowolny wektor może być wyrażony w postaci 

 

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ,

x

x

x

=

+

+

r

x

y

z

 

gdzie x

1

x

2

x

3

 są składowymi wektora r w tej bazie.  

W fizyce używa się układu prawoskrętnego, to znaczy, że jeżeli usta-

wimy palce prawej ręki w kierunku dodatnim osi x

1

, a następnie zamyka-

jąc dłoń ustawimy je w kierunku dodatnim osi x

2

, odstawiony kciuk powi-

nien wskazywać dodatni kierunek osi x

3

. Istnieje wiele innych ortonormal-

nych układów współrzędnych (np. sferyczny, cylindryczny), które mogą 
uprościć rozwiązywanie problemów o określonej symetrii. 
UWAGA: W dostępnej literaturze Czytelnik może się spotkać też z inny-
mi oznaczeniami wersorów (jednostkowych wektorów) bazy np.: (ijk), 
(i

x

i

y

i

z

), (ijk). 

background image

 

1-3

1.3. Operacje na wektorach 

Można zdefiniować cztery operacje na wektorach: dodawanie i trzy rodza-
je mnożenia.  
Tabela 1.1. 

Rodzaj operacji 

Definicja geometryczna 

Definicja algebraiczna  

w układzie kartezjańskim 

Dodawanie,  
wynik jest wekto-
rem:  
z 

x + y 

Rys. 1.2a 

i

i

i

z

x

y

= +

i = 1, 2, 3  

(składowe)  

Mnożenie przez 
skalar, 
wynik jest wekto-
rem:  
z 

a x 

Rys. 1.2b 

i

i

z

ax

=

i = 1, 2, 3 

(składowe) 

Iloczyn skalarny,  
wynik jest skala-
rem:  
z 

x · y 

cos

z

ϑ

= ⋅ = ⋅

x y

x y

 

Rys. 1.2c 

3

1

i i

i

z

x y

=

= ⋅ =

x y

 

Iloczyn wektorowy, 
wynik jest wekto-
rem:  
z 

x × y  

sin ;

ϑ

= × =

z x y n x y

n – wersor prostopadły do 
płaszczyzny zawierającej x 
y

ϑ

≤ π

 

Rys. 1.2d 

1

2

3

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

x

x

x

y

y

y

= × =

x

y

z

z x y

 

 

 

Rys. 1.2. Operacje na wektorach: suma (a), mnożenie przez skalar (b), iloczyn skalarny (c) 

i wektorowy (d) 

background image

 

1-4

1.4. Różniczkowanie pól skalarnych i wektorowych 

Jeżeli każdemu punktowi x

i

  (i =1, 2, 3) w pewnym obszarze przestrzeni 

przyporządkowany jest skalar T(x

i

) lub wektor v(x

i

), to mamy pole skalar-

ne lub wektorowe. 

Typowymi polami skalarnymi są rozkłady temperatur lub gęstości 

w pewnej  objętości oraz potencjał elektrostatyczny. Typowymi polami 
wektorowymi są siły grawitacyjne, prędkość w każdym punkcie porusza-
jącej się cieczy lub natężenie pola magnetycznego. 

Gradient 

Mamy daną funkcję trzech zmiennych T(x

i

) – na przykład rozkład tempe-

ratury. Zadajemy pytanie „Jak szybko zmienia się T kiedy nieco zmienimy 
położenie?”. Pytanie to ma nieskończoną liczbę odpowiedzi odpowiadają-
cych nieskończonej liczbie kierunków, w których możemy się przemiesz-
czać. Korzystając z twierdzenia o pochodnej zupełnej  

 

1

2

3

1

2

3

d

d

d

d

d

i

i

T

T

T

T

T

x

x

x

x

x

x

x

x

=

=

+

+

  

(1.1) 

i zapisując je w sposób przypominający iloczyn skalarny otrzymujemy 

(

)

1

2

3

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

d

d

d

d

(

) (d ).

T

T

T

T

x

x

x

T

x

x

x

=

+

+

+

+

= ∇ ⋅

x

y

z

x

y

z

l

 (1.2) 

Do określenia szybkości zmian T wystarczą nam zatem trzy pochodne 
względem trzech współrzędnych zapisywanych za pomocą operatora róż-
niczkowego
  T

∇  zwanego gradientem funkcji T

 

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

.

T

T

T

T

x

x

x

∇ ≡

+

+

x

y

z

 (1.3) 

Właściwości: Gradient  T

∇  skierowany jest zgodnie z wektorem przesu-

nięcia, dla którego wzrost wartości funkcji T jest największy. Wynika to ze 
wzoru (1.2) który można zapisać za pomocą kąta ϑ między  T

∇  a dl:  

 

d

(

) (d )

d cos .

T

T

T

ϑ

= ∇ ⋅

= ∇ ⋅

l

l

 

Inaczej mówiąc wartość 

T

 określa szybkość zmian funkcji przy przesu-

nięciach wzdłuż linii najszybszego wzrostu. Proszę zwrócić uwagę na 
wprowadzony w równaniu (1.2) wektor infinitezymalnego (nieskończenie 
małego) przesunięcia dwyrażony równością 
 

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

d

d

d

d

x

x

x

=

+

+

l x

y

z

 (1.4) 

który będzie wielokrotnie wykorzystywany w dalszych rozważaniach. 

background image

 

1-5

Operator 

 

Wprowadza się  operator wektorowy nazywany operatorem nabla (albo 
del) w postaci wyrażenia 

 

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

.

x

x

x

∇ =

+

+

x

y

z

 (1.5) 

Operator nabla nie ma konkretnego znaczenia dopóki nie zostanie określo-
na funkcja na którą działa. Tym niemniej zachowuje się jak zwykły wektor 
jeśli wyraz „mnoży” zastąpimy „działa na”. 

Dywergencja 

Działając operatorem 

∇ na funkcję wektorową v, na wzór iloczynu skalar-

nego 

∇·v otrzymujemy dywergencję (funkcję skalarną) 

 

(

)

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

.

x

x

x

x

x

x

∇ ⋅ =

+

+

+

+

=

+

+

v

x

y

z

x

y

z

v

v

v

v

v

v

 (1.6) 

Interpretacja geometryczna: dywergencja jest miarą „rozbieżności” pola 
wektorowego. 

Rotacja 

Działając operatorem 

∇ na funkcję wektorową v, na wzór iloczynu wekto-

rowego 

∇ ×  otrzymujemy rotację (funkcję wektorową), która w zapisie 

za pomocą wyznacznika ma postać 

 

1

2

3

1

2

3

3

2

1

3

2

1

2

3

3

1

1

2

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

.

x

x

x

x

x

x

x

x

x

∇ × =

=

+

+

x

y

z

v

x

y

z

v

v

v

v

v

v

v

v

v

 (1.7) 

Interpretacja geometryczna: rotacja jest miarą „wirowości” pola wekto-
rowego. 

background image

 

1-6

Najważniejsze reguły obliczania pierwszych pochodnych 

Tabela 1.2. 

Reguły dla operatora nabla 

Reguła dla pochodnych zwyczajnych 

Pochodna sumy funkcji 

(

) (

)

(

) (

)

(

)

,

(

)

,

(

)

f

g

f

g

+

= ∇ + ∇

∇ ⋅

+

= ∇ ⋅

+ ∇ ⋅

∇ ×

+

= ∇ ×

+ ∇ ×

v y

v

y

v y

v

y

 

1

1

1

d

d

d

(

)

d

d

d

f

g

f

g

x

x

x

+

=

+

 

Pochodna funkcji pomnożonej przez stałą a 

( )

,

( )

(

),

( )

(

)

af

a f

a

a

a

a

= ∇

∇ ⋅

= ∇ ⋅

∇ ×

= ∇ ×

v

v

v

v

 

1

1

d

d

( )

d

d

f

af

a

x

x

=

 

Pochodna iloczynu funkcji dla gradientu 

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

,

(

)

fg

f g g f

= ∇ + ∇

∇ ⋅ ⋅

= × ∇ ×

+ × ∇ ×

+ ⋅∇

+

⋅∇

v y

v

y

y

v

v

y

y

v

 

1

1

1

d

d

d

( )

d

d

d

g

f

fg

f

g

x

x

x

=

+

 

Pochodna iloczynu funkcji dla dywergencji 

( )

(

)

(

),

(

)

(

)

(

)

f

f

f

∇ ⋅

=

∇ ⋅

+ ⋅ ∇

∇ ⋅ ×

= ⋅ ∇ ×

− ⋅ ∇ ×

v

v

v

v y

y

v

v

y

 

jak wyżej 

Pochodna iloczynu funkcji dla rotacji 

( )

(

)

(

),

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

f

f

f

∇ ×

=

∇ ×

− × ∇

∇ × ×

=

⋅ ∇ −

⋅ ∇

+ ∇ ⋅

− ∇ ⋅

v

v

v

v y

y

v

v

y

v

y

y

v

 

jak wyżej 

Pochodna ilorazu funkcji 

2

2

2

,

(

)

(

)

,

(

)

(

)

f

g f

f g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

⎛ ⎞

∇ − ∇

=

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛ ⎞

∇ ⋅ − ⋅ ∇

∇ ⋅

=

⎜ ⎟

⎝ ⎠

⎛ ⎞

∇ ×

+ × ∇

∇ ×

=

⎜ ⎟

⎝ ⎠

v

v

v

v

v

v

 

1

1

2

1

d

d

d

d

d

d

f

g

g

f

f

x

x

x

g

g

⎛ ⎞

=

⎜ ⎟

⎝ ⎠

 

background image

 

1-7

Drugie pochodne 

Stosując operator nabla jednokrotnie możemy utworzyć trzy pierwsze po-
chodne (gradient, dywergencję i rotację); stosując nablę dwukrotnie mo-
żemy skonstruować pięć drugich pochodnych: dla gradientu (który jest 
wektorem) — dywergencję i rotację, dla dywergencji (która jest skalarem) 
tylko gradient i dla rotacji (która jest wektorem) również dywergencję 
i rotację (tabela 1.3). 
 
Tabela 1.3 

1 Dywergencja 

gra-

dientu 
czyli laplasjan funk-
cji skalarnej 

2

2

2

2

2

2

2

1

2

3

(

)

T

T

T

T

T

T

x

x

x

∇ ⋅ ∇

=

+

+

= ∇ = Δ

 

2 Rotacja 

gradientu 

(

) 0

T

∇ × ∇

=

 

3 Gradient 

dywergen-

cji 

(

)

∇ ∇ ⋅

v

 

4 Dywergencja 

rotacji 

(

) 0

∇ ⋅ ∇ ×

=

v

 

5 Rotacja 

rotacji 

2

(

)

(

)

∇ × ∇ ×

= ∇ ∇ ⋅

− ∇

v

v

v

 

Uwaga: Tylko we współrzędnych kartezjańskich Laplasjan funkcji wekto-
rowej 

2

2

2

2

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

∇ = ∇

+ ∇

+ ∇

v x

y

z

v

v

v

 

background image

 

1-8

1.5. Rachunek całkowy 

W teorii pola elektromagnetycznego korzysta się z kilku typów całek, 
z których najważniejsze to całka krzywoliniowacałka powierzchniowa 
(inaczej strumień) i całka objętościowa

Całka krzywoliniowa 

Całka krzywoliniowa jest wyrażeniem postaci 

 

d

B

A

v l

 (1.8) 

gdzie  v oznacza funkcję wektorową, dl jest wektorem infinitezymalnego 
przesunięcia (wzór 1.4) a całka obliczana jest wzdłuż określonej krzywej 
w przestrzeni biegnącej od punktu A do punktu B. Jeśli krzywa jest za-
mknięta (punkt A pokrywa się z B) to na znaku całki umieszcza się zwy-
czajowo kółeczko: 
 

d .

v l

v

 (1.9) 

W każdym punkcie krzywej obliczamy iloczyn skalarny wartości funkcji v 
i przesunięcia dl z danego punktu do następnego punktu na krzywej. 
Przykładem całki krzywoliniowej jest praca wykonana przez siłę  F

d .

W

=

F l

 

Całka powierzchniowa (strumień) 

Całka powierzchniowa jest wyrażeniem postaci 
 

d ,

S

v s

 (1.10) 

gdzie v oznacza funkcję wektorową a ds jest wektorem prostopadłym do 
powierzchni o wartości równej polu powierzchni infinitezymalnego ele-
mentu powierzchni. Jeśli powierzchnia jest zamknięta to na zasadzie kon-
wencji przyjmuje się, że kierunek wektora „na zewnątrz” jest dodatni. Po-
dobnie jak dla całki krzywoliniowej kółeczkiem oznaczamy całkowanie po 
powierzchni zamkniętej: 
 

d .

v s

v

 (1.11) 

Całkę powierzchniową nazywa się czasem strumieniem. Nazwa „stru-
mień” wynika prawdopodobnie stąd,  że jeśli  v opisuje przepływ płynu 
(masę na jednostkę powierzchni i jednostkę czasu), to 

d

v s

 wyznacza 

masę płynu przepływającego przez powierzchnię w jednostce czasu. 
 

background image

 

1-9

Całka objętościowa 

Całka objętościowa jest wyrażeniem postaci 
 

d ,

V

T

V

 (1.12) 

gdzie T jest funkcją skalarną, a dV jest infinitezymalnym elementem obję-
tości. W układzie kartezjańskim 
 

1

2

3

d d d .

dV

x x x

=

 (1.13) 

Przykładem zastosowania może być obliczenie całkowitej masy ciała 
o niejednorodnej  gęstości 

1

2

3

( , , )

x x x

ρ

za pomocą całki objętościowej 

d .

V

ρ

 

Niekiedy możemy mieć do czynienia z całką objętościową z funkcji 

wektorowej: 

(

)

1

2

3

1

2

3

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

d

d

d

d

d ,

V

V

V

V

V

V

V

V

V

V

=

+

+

=

+

+

v

x

y

z

x

y

z

v

v

v

v

v

v

 (1.14) 

którą można wyrazić w postaci sumy trzech całek.  

Podstawowe twierdzenia rachunku różniczkowego i całkowego 

Niech f(x

1

) będzie funkcją jednej zmiennej. Wówczas podstawowe twier-

dzenie rachunku różniczkowego i całkowego głosi, że 

 

1

1

d

d

( )

( ).

d

b

a

f

x

f b

f a

x

=

 (1.15) 

Schemat twierdzenia podstawowego: całka z pochodnej funkcji po prze-
dziale całkowania daje różnicę wartości funkcji na końcach przedziału 
całkowania (granicach). 

background image

 

1-10

Podstawowe twierdzenie dla gradientów 

Dane jest pole skalarne T(x

i

) w przestrzeni trójwymiarowej (i = 1, 2, 3). 

Pomiędzy punktami A i B wybieramy określoną krzywą wzdłuż której 
chcemy zbadać zmianę pola. Dzielimy krzywą na nieskończenie małe od-
cinki i dokonujemy wzdłuż nich infinitezymalnych przesunięć począwszy 
od dl

1

 (rys. 1.3).  

 

Rys. 1.3. Ilustracja podstawowego twierdzenia dla gradientów 

Z równania (1.2) znajdujemy infinitezymalny przyrost funkcji T
 

1

d

(

) (d ).

T

T

= ∇ ⋅ l

 

Procedurę powtarzamy dla dl

2

 otrzymując 

2

(

) (d )

T

∇ ⋅ l

 itd. W każdym 

punkcie obliczamy gradient funkcji i jego iloczyn skalarny z dl

1

. Sumując 

otrzymane wartości (całkując) otrzymujemy całkowitą zmianę wartości T 
przy przejściu od A do B wzdłuż określonej drogi: 

 

(

) d

( )

( ).

B

A

T

T B

T A

∇ ⋅ =

l

 (1.16) 

Równanie (1.16) wyraża treść  podstawowego twierdzenia dla gradien-
tów

Schemat twierdzenia podstawowego: całka (w tym przypadku całka 
krzywoliniowa
) z pochodnej (w tym przypadku gradientu) po przedziale 
całkowania (wzdłuż  krzywej) daje różnicę wartości funkcji na końcach 
przedziału całkowania (punktach A i B). 

Wniosek 1: 

(

) d

B

A

T

∇ ⋅

l

 nie zależy od wyboru krzywej całkowania łączącej 

punkty A i B
Wniosek 2: 

(

) d

0,

T

∇ ⋅ =

l

v

 ponieważ początek drogi całkowania pokrywa 

się z jej końcem. 
Wniosek 3: Jeśli funkcja wektorowa jest gradientem funkcji skalarnej to 
całka krzywoliniowa z takiej funkcji nie zależy od drogi całkowania. 

background image

 

1-11

Podstawowe twierdzenie dla dywergencji (twierdzenie Gaussa) 

Podstawowe twierdzenie dla dywergencji (znane także jako twierdzenie 
Gaussa
 lub twierdzenie Greena) ma postać: 
 

(

)d

d .

V

S

V

∇ ⋅

=

v

v s

v

 (1.17) 

Schemat twierdzenia podstawowego: całka (w tym przypadku całka ob-
jętościowa
) z pochodnej (w tym przypadku dywergencji) po obszarze cał-
kowania (w tym przypadku po objętości) wyraża się przez wartość funkcji 
na brzegu tego obszaru całkowania (w tym przypadku powierzchni ograni-
czającej obszar całkowania). Należy zauważyć,  że człon brzegowy także 
jest całką, a konkretnie całką powierzchniową. 
Interpretacja geometryczna: jeśli v opisuje gęstość strumienia przepły-
wu płynu nieściśliwego (masę na jednostkę powierzchni i jednostkę czasu) 
to prawa strona równania jest równa całkowitej masie płynu przepływają-
cego przez powierzchnię w jednostce czasu (strumieniowi).  

Rozpatrując lewą stronę równania (1.17) zauważmy, że dywergencja 

funkcji wektorowej v jest miarą „rozbieżności” wektorów w otoczeniu da-
nego punktu. Punkt w którym dywergencja ma dużą wartość dodatnią za-
chowuje się jak „źródło” z którego wypływa płyn. Jeśli zsumujemy (scał-
kujemy) wszystkie źródła dodatnie i ujemne w danej objętości i otrzyma-
my wartość dodatnią, to nadmiar płynu musi wydostawać się przez brzeg 
obszaru na zewnątrz. Mamy zatem 

V

(

źródła dodatnie i ujemne w obszarze

) dV = 

S

∫v

(

gęstość strumienia

) · ds

background image

 

1-12

Podstawowe twierdzenie dla rotacji (twierdzenie Stokesa) 

Podstawowe twierdzenie dla rotacji (znane także jako twierdzenie Stoke-
sa
) ma postać: 
 

(

)d

d .

S

l

∇ ×

=

v s

v l

v

 (1.17) 

Schemat twierdzenia podstawowego: całka (w tym przypadku całka po-
wierzchniowa
) z pochodnej (w tym przypadku rotacji) po obszarze całko-
wania (w tym przypadku po powierzchni) wyraża się przez wartość funkcji 
na brzegu tego obszaru całkowania (w tym przypadku krzywej  będącej 
brzegiem obszaru całkowania). Podobnie jak dla dywergencji należy za-
uważyć, że człon brzegowy także jest całką, a konkretnie całką krzywoli-
niową po krzywej zamkniętej. 
Wniosek 1: 

(

) d

S

∇ × ⋅

v

s

 nie zależy od kształtu powierzchni, a jedynie od 

krzywej będącej jej brzegiem. 
Wniosek 2: Dla dowolnej powierzchni zamkniętej 

(

) d

0,

∇ × ⋅

=

v

s

v

 po-

nieważ brzeg powierzchni zostaje zredukowany do punktu.