Nabla-Operator

DerNabla-Operatorist ein Symbol, das in derVektor-undTensoranalysisbenutzt wird, um kontextabhängig einen der dreiDifferentialoperatorenGradient,DivergenzoderRotationzu notieren. Das Formelzeichen desOperatorsist dasNabla-Symbol$\nabla$(auch${\vec {\nabla }}$oder${\underline {\nabla }}$,um die formale Ähnlichkeit zu üblichen vektoriellen Größen zu betonen).

Der Name „Nabla “leitet sich ab von einemharfen­ähnlichen phönizischenSaiteninstrument, das in etwa die Form dieses Zeichens hatte. Die Schreibweise wurde vonWilliam Rowan Hamilton(1805–1865) eingeführt und vom MathematikerPeter Guthrie Tait(1831–1901) weiterentwickelt.Im Englischen wird der Operator als „del “bezeichnet.

Definition

Formal ist der Nabla-Operator ein Vektor, dessen Komponenten diepartiellen Ableitungsoperatoren$\textstyle {\frac {\partial }{\partial x_{i}}}$sind:

${\vec {\nabla }}=\left({\frac {\partial }{\partial x_{1}}},\ldots,{\frac {\partial }{\partial x_{n}}}\right)$

Er kann dabei sowohl als Spalten-Vektor (zum Beispiel grad) als auch als Zeilen-Vektor (zum Beispiel div) auftreten. Im dreidimensionalenkartesischen Koordinatensystemschreibt man auch:

${\vec {\nabla }}=\left({\frac {\partial }{\partial x}},{\frac {\partial }{\partial y}},{\frac {\partial }{\partial z}}\right)={\vec {e}}_{x}{\frac {\partial }{\partial x}}+{\vec {e}}_{y}{\frac {\partial }{\partial y}}+{\vec {e}}_{z}{\frac {\partial }{\partial z}}$

Dabei sind${\vec {e}}_{x}$,${\vec {e}}_{y}$und${\vec {e}}_{z}$dieEinheitsvektorendes Koordinatensystems. In allgemeinkrummlinigen Koordinaten$\Theta _{i}$sind die Einheitsvektoren durch die kontravarianten Basisvektoren zu ersetzen:

${\vec {\nabla }}=\sum _{i=1}^{n}{\vec {g}}^{i}{\frac {\partial }{\partial \Theta _{i}}}\quad {\text{mit}}\quad {\vec {g}}^{i}:=\operatorname {grad} \Theta _{i}\,.$

Darin ist$\operatorname {grad}$der Gradientenoperator. Bei der Anwendung dieses Nabla-Operators auf ein Vektorfeld ist zu beachten, dass die Basisvektoren in krummlinigen Koordinatensystemen im Allgemeinen von den Koordinaten$\Theta _{i}$abhängen und ebenfalls zu differenzieren sind.

Gerechnet wird mit dem Nabla-Operator wie mit einem Vektor, wobei das „Produkt “von beispielsweise$\textstyle {\frac {\partial }{\partial x_{i}}}$mit einer rechts davon stehenden Funktion$f$als partielle Ableitung$\textstyle {\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}$interpretiert wird.

Darstellung anderer Differentialoperatoren

Im n-dimensionalen Raum

Sei$D\subset \mathbb {R} ^{n}$eineoffene Teilmenge,$f\colon D\to \mathbb {R}$eine differenzierbare Funktion und${\vec {V}}=(V_{1},\dots,V_{n})^{\top }\colon D\to \mathbb {R} ^{n}$ein differenzierbaresVektorfeld.Das hochgestellte^┬bezeichnet dieTransposition.

Das (formale) Produkt von${\vec {\nabla }}$mit der Funktion$f$ergibt deren Gradienten:

${\vec {\nabla }}f=\operatorname {grad} f=\left({\frac {\partial f}{\partial x_{1}}},\ldots,{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}\right)^{\top }\,.$

Das transponierte (formale)dyadische Produkt„$\otimes$“von${\vec {\nabla }}$mit dem Vektorfeld${\vec {V}}$ergibt dessen Gradienten oderJacobi-Matrix:

$({\vec {\nabla }}\otimes {\vec {V}})^{\top }=\operatorname {grad} {\vec {V}}=J_{\vec {V}}={\begin{pmatrix}{\frac {\partial V_{1}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\frac {\partial V_{1}}{\partial x_{n}}}\\\vdots &\ddots &\vdots \\{\frac {\partial V_{n}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\frac {\partial V_{n}}{\partial x_{n}}}\end{pmatrix}}\,.$

Das (formale)Skalarproduktmit dem Vektorfeld${\vec {V}}$ergibt dessen Divergenz:

${\vec {\nabla }}\cdot {\vec {V}}=\operatorname {div} {\vec {V}}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial V_{i}}{\partial x_{i}}}\,.$

Sie ist dieSpurdes Gradienten.

Laplace-Operator

Das (formale) Skalarprodukt${\vec {\nabla }}^{2}$von${\vec {\nabla }}$mit sich selbst ergibt denLaplace-Operator$\Delta$,denn es gilt

$\nabla ^{2}={\vec {\nabla }}\cdot {\vec {\nabla }}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {\partial ^{2}}{\partial x_{i}^{2}}}=\Delta \,.$

Manche Autoren verwenden das Symbol$\nabla ^{2}$oder${\vec {\nabla }}{\vec {\nabla }}$auch für dieHesse-Matrix,deshalb sollte immer der Kontext angegeben werden.

Richtungsableitung

Bei einem gegebenen Vektor${\vec {H}}$kann mit dem Operator

$\operatorname {D} _{\vec {H}}:={\vec {H}}\cdot {\vec {\nabla }}=\sum _{i=1}^{n}H_{i}{\frac {\partial }{\partial x_{i}}}$

dieRichtungsableitungvon differenzierbaren Funktionen$f$in Richtung des Vektors${\vec {H}}$berechnet werden:

$\operatorname {D} _{\vec {H}}f=({\vec {H}}\cdot {\vec {\nabla }})f={\vec {H}}\cdot {\vec {\nabla }}f={\vec {H}}\cdot \operatorname {grad} (f)=\operatorname {grad} (f)\cdot {\vec {H}}$

siehe denZusammenhang zwischen Gradient und Richtungsableitung.Ist die Funktion ein Vektorfeld${\vec {V}}$,dann berechnet sich das Produkt aus der Jacobi-Matrix des Feldes und dem Vektor:

${\begin{aligned}\operatorname {D} _{\vec {H}}{\vec {V}}&=\underbrace {({\vec {H}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {V}}} ={\vec {H}}\cdot ({\vec {\nabla }}\otimes {\vec {V}})=({\vec {\nabla }}\otimes {\vec {V}})^{\top }\cdot {\vec {H}}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&\underbrace {\mathrm {grad} ({\vec {V}})} \cdot {\vec {H}}\\&={\begin{pmatrix}H_{1}{\frac {\partial }{\partial x_{1}}}V_{1}+&\ldots &+H_{n}{\frac {\partial }{\partial x_{n}}}V_{1}\\\vdots &\ddots &\vdots \\H_{1}{\frac {\partial }{\partial x_{1}}}V_{n}+&\ldots &+H_{n}{\frac {\partial }{\partial x_{n}}}V_{n}\end{pmatrix}}\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!&=&{\begin{pmatrix}{\frac {\partial V_{1}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\frac {\partial V_{1}}{\partial x_{n}}}\\\vdots &\ddots &\vdots \\{\frac {\partial V_{n}}{\partial x_{1}}}&\ldots &{\frac {\partial V_{n}}{\partial x_{n}}}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}H_{1}\\\vdots \\H_{n}\end{pmatrix}}\end{aligned}}$

sieheVektorgradientund dieAnwendung in der Kontinuumsmechanikunten.

Im dreidimensionalen Raum

Sei$D\subset \mathbb {R} ^{3}$nun eine offene Teilmenge,$f\colon D\to \mathbb {R}$eine differenzierbare Funktion und${\vec {V}}=(V_{x},V_{y},V_{z})^{\top }\colon D\to \mathbb {R} ^{3}$ein differenzierbares Vektorfeld. Die Indizes…_x,y,zbezeichnen hier die Vektorkomponenten und keine Ableitungen. Im dreidimensionalen Raum$\mathbb {R} ^{3}$mit den kartesischen Koordinaten$x$,$y$,$z$stellen sich die obigen Formeln wie folgt dar:

Der Nabla-Operator angewandt auf dasSkalarfeld$f$ergibt den Gradienten des Skalarfeldes

$\operatorname {grad} f={\vec {\nabla }}f=\left({\frac {\partial f}{\partial x}},{\frac {\partial f}{\partial y}},{\frac {\partial f}{\partial z}}\right)^{\top }={\frac {\partial f}{\partial x}}{\vec {e}}_{x}+{\frac {\partial f}{\partial y}}{\vec {e}}_{y}+{\frac {\partial f}{\partial z}}{\vec {e}}_{z}\,.$

Das Ergebnis ist ein Vektorfeld. Hierbei sind${\vec {e}}_{x},\,{\vec {e}}_{y},\,{\vec {e}}_{z}$dieEinheitsvektorendes$\mathbb {R} ^{3}$.

Der Nabla-Operator angewandt auf dasVektorfeld${\vec {V}}$ergibt die Divergenz des Vektorfeldes als formales Skalarprodukt mit dem Vektorfeld zu

$\operatorname {div} {\vec {V}}={\vec {\nabla }}\cdot {\vec {V}}={\frac {\partial V_{x}}{\partial x}}+{\frac {\partial V_{y}}{\partial y}}+{\frac {\partial V_{z}}{\partial z}},$

also ein Skalarfeld.

Eine Besonderheit des dreidimensionalen Raums ist die Rotation eines Vektorfelds. Sie ergibt sich durch (rechtsseitige) Verknüpfung über das formaleKreuzproduktals

$\operatorname {rot} {\vec {V}}={\vec {\nabla }}\times {\vec {V}}={\begin{pmatrix}{\frac {\partial V_{z}}{\partial y}}-{\frac {\partial V_{y}}{\partial z}}\\{\frac {\partial V_{x}}{\partial z}}-{\frac {\partial V_{z}}{\partial x}}\\{\frac {\partial V_{y}}{\partial x}}-{\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}\end{pmatrix}}$

also wieder ein Vektorfeld.

Zylinderkoordinaten(ρ,φ,z) undKugelkoordinaten(r,θ,φ) sind Beispiele für krummlinige Koordinaten. Die Formeln für denGradient in Zylinder- und Kugelkoordinatenergeben sich aus den Nabla-Operatoren

${\begin{aligned}{\text{in Zylinderkoordinaten:}}\quad &{\vec {\nabla }}={\vec {e}}_{\rho }{\frac {\partial }{\partial \rho }}+{\frac {1}{\rho }}{\vec {e}}_{\varphi }{\frac {\partial }{\partial \varphi }}+{\vec {e}}_{z}{\frac {\partial }{\partial z}}\\{\text{bzw. Kugelkoordinaten:}}\quad &{\vec {\nabla }}={\vec {e}}_{r}{\frac {\partial }{\partial r}}+{\frac {1}{r}}{\vec {e}}_{\theta }{\frac {\partial }{\partial \theta }}+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\vec {e}}_{\varphi }{\frac {\partial }{\partial \varphi }}\,.\end{aligned}}$

Bei der Anwendung auf ein Vektorfeld ist wie oben erwähnt zu beachten, dass die Basisvektoren in krummlinigen Koordinatensystemen im Allgemeinen wie auch hier von den Koordinaten abhängen und ebenfalls zu differenzieren sind. Beispielsweise ergibt sich für die Divergenz eines Vektorfeldes in Zylinderkoordinaten, wo die Basisvektoren${\vec {e}}_{\rho }$und${\vec {e}}_{\varphi }$vom Winkel φ abhängen und${\tfrac {\partial }{\partial \varphi }}{\vec {e}}_{\rho }={\vec {e}}_{\varphi },\,{\tfrac {\partial }{\partial \varphi }}{\vec {e}}_{\varphi }=-{\vec {e}}_{\rho }$gilt:

${\begin{aligned}\operatorname {div} {\vec {V}}=&{\vec {\nabla }}\cdot {\vec {V}}=\left({\vec {e}}_{\rho }{\frac {\partial }{\partial \rho }}+{\frac {1}{\rho }}{\vec {e}}_{\varphi }{\frac {\partial }{\partial \varphi }}+{\vec {e}}_{z}{\frac {\partial }{\partial z}}\right)\cdot (V_{\rho }{\vec {e}}_{\rho }+V_{\varphi }{\vec {e}}_{\varphi }+V_{z}{\vec {e}}_{z})\\=&{\frac {\partial }{\partial \rho }}V_{\rho }+{\frac {1}{\rho }}{\vec {e}}_{\varphi }\cdot {\frac {\partial }{\partial \varphi }}(V_{\rho }{\vec {e}}_{\rho }+V_{\varphi }{\vec {e}}_{\varphi }+V_{z}{\vec {e}}_{z})+{\frac {\partial V_{z}}{\partial z}}\\=&{\frac {\partial }{\partial \rho }}V_{\rho }+{\frac {1}{\rho }}{\vec {e}}_{\varphi }\cdot \left({\frac {\partial V_{\rho }}{\partial \varphi }}{\vec {e}}_{\rho }+V_{\rho }{\vec {e}}_{\varphi }+{\frac {\partial V_{\varphi }}{\partial \varphi }}{\vec {e}}_{\varphi }-V_{\varphi }{\vec {e}}_{\rho }+{\frac {\partial V_{z}}{\partial \varphi }}{\vec {e}}_{z}\right)+{\frac {\partial V_{z}}{\partial z}}\\=&{\frac {\partial V_{\rho }}{\partial \rho }}+{\frac {1}{\rho }}V_{\rho }+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial V_{\varphi }}{\partial \varphi }}+{\frac {\partial V_{z}}{\partial z}}\,.\end{aligned}}$

Notation mit Subskript

Wirkt der Nablaoperator nur auf bestimmte Komponenten einer Funktion mit einem mehrdimensionalen Argument, so wird dies durch einSubskriptangedeutet. Für eine Funktion$f({\vec {r}},t)$mit${\vec {r}}=(x_{1},x_{2},\dotsc,x_{n})$beispielsweise ist

${\vec {\nabla }}_{\vec {r}}f=\left({\frac {\partial f}{\partial x_{1}}},{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}},\dots,{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}}\right)^{\top }$

im Gegensatz zu

${\vec {\nabla }}f=\left({\frac {\partial f}{\partial x_{1}}},{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}},\dots,{\frac {\partial f}{\partial x_{n}}},{\frac {\partial {f}}{\partial t}}\right)^{\top }\,.$

Diese Bezeichnung ist üblich, wenn mit dem Nabla-Symbol das einfache Differential (d. h. die einzeiligeJacobi-Matrix) bzw. ein Teil davon bezeichnet wird.

Gelegentlich tritt alternativ für die Schreibweise mit dem Nabla-Symbol${\vec {\nabla }}_{\vec {r}}$die Schreibweise${\tfrac {\partial }{\partial {\vec {r}}}}$auf.

Darstellung als Quaternion

→Hauptartikel:Quaternion

SirWilliam Rowan Hamiltondefinierte den Nabla-Operator alsreine Quaternion

$\nabla:=\mathrm {i} \,{\frac {\partial }{\partial x}}+\mathrm {j} \,{\frac {\partial }{\partial y}}+\mathrm {k} \,{\frac {\partial }{\partial z}}$

mit den komplex-imaginären Einheiten$\mathrm {i}$,$\mathrm {j}$und$\mathrm {k}$,die durch dieHamilton-Regeln$\mathrm {i^{2}=j^{2}=k^{2}=i\,j\,k=-1}$nichtkommutativverknüpft sind. Beispielsweise gilt$\mathrm {j\,k=-k\,j=i}$.

Anwendung auf eine reellwertige Funktion$f$(formale Multiplikation) liefert die quaternionische Entsprechung für deren Gradient und Laplace-Ableitung:

${\begin{aligned}\nabla f=&\mathrm {i} \,{\frac {\partial f}{\partial x}}+\mathrm {j} \,{\frac {\partial f}{\partial y}}+\mathrm {k} \,{\frac {\partial f}{\partial z}}=\operatorname {grad} f\\\nabla \nabla f=&\nabla \cdot \nabla f=-{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x^{2}}}-{\frac {\partial ^{2}f}{\partial y^{2}}}-{\frac {\partial ^{2}f}{\partial z^{2}}}=-\Delta f\end{aligned}}$

Anwendung auf eine reine Quaternion$q=\mathrm {i} \,u+\mathrm {j} \,v+\mathrm {k} \,w$(formale Multiplikation) liefert:

${\begin{aligned}\nabla q=&-{\frac {\partial u}{\partial x}}-{\frac {\partial v}{\partial y}}-{\frac {\partial w}{\partial z}}+\mathrm {i} \,\left({\frac {\partial w}{\partial y}}-{\frac {\partial v}{\partial z}}\right)+\mathrm {j} \,\left({\frac {\partial u}{\partial z}}-{\frac {\partial w}{\partial x}}\right)+\mathrm {k} \,\left({\frac {\partial v}{\partial x}}-{\frac {\partial u}{\partial y}}\right)\\=&-\nabla \cdot q+\nabla \times q=-\operatorname {div} q+\operatorname {rot} q\end{aligned}}$

Die hier benutzten Definitionen des Skalarprodukts und Kreuzprodukts von Quaternionen sind im Hauptartikel nachzuschlagen.

Rechenregeln

Rechenregeln für den Nabla-Operator lassen sich formal aus den Rechenregeln für Skalar- und Kreuzprodukt zusammen mit den Ableitungsregeln herleiten. Dabei muss man dieProduktregelanwenden, wenn der Nabla-Operator links von einem Produkt steht.

Sind$\psi$und$\varphi$differenzierbare Skalarfelder (Funktionen) und${\vec {A}}$sowie${\vec {B}}$differenzierbare Vektorfelder, so gilt:

${\vec {\nabla }}\varphi (\psi )={\frac {\mathrm {d} \varphi }{\mathrm {d} \psi }}{\vec {\nabla }}\psi$(Kettenregel für Gradient)

${\vec {\nabla }}(\psi \varphi )=\psi {\vec {\nabla }}\varphi +\varphi {\vec {\nabla }}\psi$(Produktregel für Gradient)

${\vec {\nabla }}({\vec {A}}\cdot {\vec {B}})=({\vec {A}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {B}}+({\vec {B}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {A}}+{\vec {A}}\times ({\vec {\nabla }}\times {\vec {B}})+{\vec {B}}\times ({\vec {\nabla }}\times {\vec {A}})$

${\vec {\nabla }}\cdot (\varphi {\vec {A}})=\varphi {\vec {\nabla }}\cdot {\vec {A}}+{\vec {A}}\cdot {\vec {\nabla }}\varphi$

${\vec {\nabla }}\cdot ({\vec {A}}\times {\vec {B}})={\vec {B}}\cdot ({\vec {\nabla }}\times {\vec {A}})-{\vec {A}}\cdot ({\vec {\nabla }}\times {\vec {B}})$

${\vec {\nabla }}\cdot ({\vec {\nabla }}\varphi )=\operatorname {div(grad} \varphi )=\Delta \varphi$(siehe auchLaplace-Operator)

${\vec {\nabla }}\cdot ({\vec {\nabla }}\times {\vec {A}})=\operatorname {div(rot} {\vec {A}})=0$

${\vec {\nabla }}\times ({\vec {\nabla }}\varphi )=\operatorname {rot(grad} \varphi )=0$

${\vec {\nabla }}\times \varphi {\vec {A}}=\varphi {\vec {\nabla }}\times {\vec {A}}-{\vec {A}}\times {\vec {\nabla }}\varphi$

${\vec {\nabla }}\times ({\vec {A}}\times {\vec {B}})=({\vec {B}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {A}}-{\vec {B}}({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {A}})+{\vec {A}}({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {B}})-({\vec {A}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {B}}$

${\vec {\nabla }}\times ({\vec {\nabla }}\times {\vec {A}})=\operatorname {rot(rot} {\vec {A}})=\operatorname {grad(div} {\vec {A}})-\Delta {\vec {A}}$(siehe auchvektorieller Laplace-Operator)

Weitere Rechenregeln siehe unterGradient,DivergenzundRotation.

Anwendung in der Kontinuumsmechanik

In derKontinuumsmechanikwird der Nabla-Operator dazu verwendet, zusätzlich zu den oben genannten Operatoren den Gradient eines Vektorfeldes und die Divergenz sowie Rotation einesTensorfeldeszu definieren. Hier kann der Nabla-Operator gelegentlich auch nach links wirken.

Die Darstellung erfolgt wegen der Wichtigkeit der Rotation für die Kontinuumsmechanik in drei Dimensionen. Sei also$D\subset \mathbb {R} ^{3}$eineoffene Teilmenge,${\vec {V}}=(V_{x},V_{y},V_{z})^{\top }\colon D\to \mathbb {R} ^{3}$ein differenzierbaresVektorfeldmit Komponenten V_x,y,z,die wie üblich nach dem Schema x→1, y→2 und z→3 durchnummeriert werden, und$\mathbf {T} \colon D\to \mathbb {R} ^{3\times 3}$ein differenzierbares Tensorfeld zweiter Stufe mit Komponenten$T_{ij}\,,\;i,j=1,2,3$bezüglich eineskartesischen Koordinatensystems.

Das transponierte dyadische Produkt des Nabla-Operators mit einem Vektorfeld${\vec {V}}$ergibt – wie oben dargelegt – denGradient eines Vektorfeldes

$({\vec {\nabla }}\otimes {\vec {V}})^{\top }=\operatorname {grad} ({\vec {V}}):=\sum _{j=1}^{3}{\frac {\partial {\vec {V}}}{\partial x_{j}}}\otimes {\vec {e}}_{j}=\sum _{i=1}^{3}{\vec {e}}_{i}\otimes \operatorname {grad} (V_{i})=\sum _{i,j=1}^{3}{\frac {\partial V_{i}}{\partial x_{j}}}{\vec {e}}_{i}\otimes {\vec {e}}_{j}$

also ein Tensorfeld zweiter Stufe. Der so definierte Gradient stimmt mit derFréchet-Ableitungüberein:

$\operatorname {grad} ({\vec {V}})\cdot {\vec {h}}=\left.{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}{\vec {V}}({\vec {x}}+s{\vec {h}})\right|_{s=0}=\lim _{s\rightarrow 0}{\frac {{\vec {V}}({\vec {x}}+s{\vec {h}})-{\vec {V}}({\vec {x}})}{s}}\quad {\text{für alle}}\;{\vec {x}},{\vec {h}}\in D$

und nähert das Vektorfeld in der Nähe eines Punktes${\vec {x}}$linear an:

${\vec {V}}({\vec {y}})-{\vec {V}}({\vec {x}})=\mathrm {grad} ({\vec {V}})\cdot ({\vec {y}}-{\vec {x}})+{\mathcal {O}}(|{\vec {y}}-{\vec {x}}|)$wenn${\vec {y}}\to {\vec {x}}$

DasLandau-Symbol𝓞(x) stellt eine Größe dar, die langsamer wächst als ihr Argument x.

Das linksseitige Skalarprodukt des Nabla-Operators mit einem transponierten Tensorfeld zweiter Stufe ergibt formal die Divergenz des Tensorfeldes:

${\vec {\nabla }}\cdot (\mathbf {T} ^{\top })=\operatorname {div} (\mathbf {T} )=\sum _{k=1}^{3}{\frac {\partial \mathbf {T} }{\partial x_{k}}}\cdot {\vec {e}}_{k}=\sum _{i,j}^{3}{\frac {\partial T_{ij}}{\partial x_{j}}}{\vec {e}}_{i}$

also ein Vektorfeld. Sie entspricht der Definition

$\mathrm {div} (\mathbf {T} )\cdot {\vec {c}}=\mathrm {div} \left(\mathbf {T} ^{\top }\cdot {\vec {c}}\right)\quad {\text{für alle}}\;{\vec {c}}\in \mathbb {V}$.

Es wird auch die nicht-transponierte Version benutzt,${\vec {\nabla }}\cdot \mathbf {T}$,die beisymmetrischenTensoren zum selben Ergebnis führt.

Das Kreuzprodukt des Nabla-Operators mit einem transponierten Tensor zweiter Stufe liefert dessen Rotation:

${\vec {\nabla }}\times (\mathbf {T} ^{\top })=\operatorname {rot} (\mathbf {T} )=\sum _{i,j,l=1}^{3}{\vec {e}}_{i}\times {\frac {\partial T_{lj}}{\partial x_{i}}}({\vec {e}}_{j}\otimes {\vec {e}}_{l})=\sum _{i,j,k,l=1}^{3}\epsilon _{ijk}{\frac {\partial T_{lj}}{\partial x_{i}}}({\vec {e}}_{k}\otimes {\vec {e}}_{l})$

also ein Tensorfeld zweiter Stufe. Darin ist ϵ_ijk= (ê_i× ê_j) · ê_kdasPermutationssymbol.Obige Form der Rotation entspricht der Definition

$\mathrm {rot} (\mathbf {T} )\cdot {\vec {c}}=\mathrm {rot} \left(\mathbf {T} ^{\top }\cdot {\vec {c}}\right)\quad {\text{für alle}}\;{\vec {c}}\in \mathbb {V}$

Es wird auch die Form ohne Transposition benutzt,${\vec {\nabla }}\times \mathbf {T}$,die bei symmetrischen Tensoren zum selben Ergebnis führt.

Siehe auch

• Formelsammlung Tensoranalysis
• Konvektive Koordinaten#Differentialoperatoren und Nabla-Operator
• Poincaré-Lemma

Weblinks

Wikibooks: Formelsammlung Physik: Nabla-Operator– Lern- und Lehrmaterialien

Literatur

• Bronstein, Semendjajew, Musiol, Mühlig:Taschenbuch der Mathematik.5. Auflage. Harri Deutsch, 2001,ISBN 3-8171-2005-2(Enthält alle hier genannten Eigenschaften, jedoch ohne Beweis.).
• Jänich:Vektoranalysis.Springer, 1992,ISBN 3-540-55530-7(Enthält nur die grundlegende Definition.).
• Großmann:Mathematischer Einführungskurs für die Physik.Teubner, Stuttgart 1991 (siehe insbesondere Abschnitt 3.6).
• H. Altenbach:Kontinuumsmechanik.Springer, 2012,ISBN 978-3-642-24118-5(siehe Abschnitt 2.3 Tensoranalysis).