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湘南理工学舎
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2023/07/28

 楽しく学ぶ…物理数学
 勾配・発散・回転に関連する諸公式 
(formulas of gradient・divergence・rotation)
 --目 次--
勾配・発散・回転のまとめ
勾配・発散・回転の諸公式
諸公式の証明

∗\(grad\ (g\ h)\)  ∗\(div(g\ \bv{A})\)  ∗\(rot(g\ \bv{A})\)  ∗\(grad\ (\bv{A}\cdot \bv{B})\)  ∗\(div\ (\bv{A}\x \bv{B})\)  ∗\(rot (\bv{A}\x \bv{B})\)  ∗\(rot\ rot \bv{A}\)  ∗\(rot\ grad f=0\)  ∗\(div\ rot \bv{A}=0\)  ∗\(rot\ rot\ rot \bv{A}\) 

応用例と例題

∗スカラーポテンシャル  ∗ベクトルポテンシャル 


【閑話】磁場に回転があるか

 ここではgrad(勾配)、div(発散),rot(回転),∆(ラプラシアン)の間に成り立つ諸公式を紹介します。
実際に物理学(特に電磁気学)ではこれらの公式を使って導かれる式が多くあります。
まずは今までを整理しておきます。
 勾配,発散,回転のまとめ
勾配(\(grad\ f)\) スカラー ベクトル
位置ベクトル\(\b{r}=(x,y)\)における ”スカラー(場)\(f(\b{r})=f(x,y,z)\)” について

\(grad\ f(\b{r})=∇\ f\) \(= ( \pder{f(x,y,z)}{x},\pder{f(x,y,z)}{y},\pder{f(x,y,z)}{z} )\) \(\ :❶\)


発散(\(div\ \bv{f}\)) ベクトル スカラー
ある位置\(\bv{r}\)におけるベクトル\(f(r)\):

\(\bv{f(r)}=f(x,y,z)\)\(=( f_x ( x,y,z ) ,f_y (x,y,z),f_z(x,y,z) )\)に対して

\( div \bv{f}\)\(=∇\cdot \bv{f}\) \(=\pder{f_x}{x}+\pder{f_y}{y}+\pder{f_z}{z}\) \(\ :❷\)


回転(\(rot\ \bv{f}\)) ベクトル ベクトル
ある位置\(\bv{r}\)におけるベクトル\(f(r)\):

\(\bv{f(r)}=f(x,y,z)\)\(=( f_x ( x,y,z ) ,f_y (x,y,z),f_z(x,y,z) )\)に対して

\( rot\ \bv{f}\) \(=∇\x \bv{f}\) \(= (\pder{f_z}{y}-\pder{f_y}{z},\ \)\(\pder{f_x}{z}-\pder{f_z}{x},\ \)\( \pder{f_y}{x}-\pder{f_x}{y}\ )\) \(\ :❸\)


ラプラシアン(\(∆\ \bv{f}\))

スカラー関数\(f\)の勾配は
\(grad\ f=∇f\) \(=(\pder{f}{x},\pder{f}{y},\pder{f}{z})\)

関数\(f\)の勾配ベクトルの発散(\(∆\ \bv{f}\))

\(div\ (grad\ f\ ) \)\(=∇\cdot (grad\ f)\)\(=∇\cdot\ (∇f) \)\(=∇\cdot ∇\ f \)
\(=(\pder{}{x},\pder{}{y},\pder{}{z})\)\(\cdot\) \( (\pder{f}{x},\pder{f}{y},\pder{f}{z})\)
\(=(\pdera{}{x}+\pdera{}{y}+ \pdera{}{z})\ f\)
\(=∆ \ f\)

\(∆f=∇\cdot ∇f=∇^2f\) \(= (\pdera{}{x}+\pdera{}{y}+ \pdera{}{z})f \) \(\ :❹\)


以下はgrad(勾配)、div(発散),rot(回転),∆(ラプラシアン)の間に成り立つ諸公式です。
 勾配,発散,回転の諸公式

\(f,g,h\):スカラー値関数
\(\bv{f},\bv{A},\bv{B}\):ベクトル値関数
\(\bv{r}=(x,y,z)\):位置ベクトル

上記を変数として、以下の式が成り立ちます。
1) \(grad\ (g\ h)\) \(=∇(g\ h)\) \(=h∇g+g∇h\)


2) \(div(g\ \bv{A})\) \(=∇\cdot (g \bv{A})\) \(=(∇g)\cdot \bv{A}+g(∇\cdot \bv{A})\)


3) \(rot(g\ \bv{A})\) \(=∇\x (g \bv{A})\) \(=(∇ g)\x \bv{A}+g(∇\x \bv{A})\)


4) \(grad\ (\bv{A}\cdot \bv{B})\) \(=∇ (\bv{A}\cdot \bv{B})\) \(=(\bv{B}\cdot ∇)\bv{A} + (\bv{A}\cdot ∇)\bv{B}\) \(+ \bv{A}\x (∇\x \bv{B}) + \bv{B}\x (∇\x \bv{A})\)


5) \(div\ (\bv{A}\x \bv{B})\) \(=∇\cdot(\bv{A}\x \bv{B})\) \(=\bv{B}\cdot (∇ \x \bv{A})\) \(- \bv{A}\cdot (∇\x \bv{B}) \)


6) \(rot (\bv{A}\x \bv{B})\) \(=∇\x (\bv{A}\x \bv{B})\) \(=(\bv{B}\cdot ∇)\bv{A} -(\bv{A}\cdot ∇)\bv{B}\) \(+ (div \bv{B})\bv{A}-(div \bv{A})\bv{B}\)


7) \(rot\ rot \bv{A}\)\(=∇(∇\cdot A)-\color{red}{∆}\bv{A}\)


8) \(rot\ grad f=0\)


9) \(div\ rot \bv{A}=0\)


10)\(rot\ rot\ rot \bv{A}=-∆(rot \bv{A}) \)


 公式の証明

1) \(grad\ (g\ h)\)\(=∇(g\ h)\)
スカラー関数の"積\(gh\)"の勾配
\(=\left[\pder{(gh)}{x},\pder{(gh)}{y},\pder{(gh)}{z}\right]\) \(=\left[\pder{g}{x}h+\pder{h}{x}g,\pder{g}{y}h+\pder{h}{y}g,\pder{g}{z}h+\pder{h}{z}\right]\)
\(=\color{red}{ \left[\pder{h}{x},\pder{h}{y},\pder{h}{z}\right] } g\) \(+\color{blue}{ \left[\pder{g}{x},\pder{g}{y},\pder{g}{z}\right] } h\)

\(=\color{red}{(∇h)} g+\color{blue}{(∇g)} h\)


2) \(div(g\ \bv{A})\)\(=∇\cdot (g \bv{A})\)
スカラー関数とベクトル関数の"積\(g\bv{A}\)" の勾配
\(=\pder{(gA_x)}{x}+\pder{(gA_y)}{y}+\pder{(gA_z)}{z}\)
\(=\pder{g}{x}A_x+\ul{\pder{A_x}{x}g}+\pder{g}{y}A_y\) \(+\ul{\pder{A_y}{y}g}+\pder{g}{z}A_z+\ul{\pder{A_z}{z}g}\)
\(=(\pder{g}{x}A_x+\pder{g}{y}A_y+\pder{g}{z}A_z)\) \(+ \ul{g (\pder{A_x}{x}+\pder{A_y}{y}+\pder{A_z}{z}) }\)
左辺は内積の式に、右辺は発散の式に変換
\(=[\pder{g}{x},\pder{g}{y},\pder{g}{z}]\cdot [A_x,A_y.A_z]\)\(+ \ul{g(div\ A)}\)
\(=(∇g)\cdot \bv{A}+g(∇\cdot \bv{A})\)


3) \(rot(g\ \bv{A})\) \(=∇\x (g \bv{A})\)
\(\quad =rot[gA_x,gA_y,gA_] \)
スカラー関数とベクトル関数の"積\(g\bv{A}\)" の回転

\(=\left( \begin{array}{c} \pder{}{x}\\ \pder{}{y}\\ \pder{}{z} \end{array} \right) \) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} gA_x \\ gA_y \\ gA_z \end{array} \right) \) \(= \left( \begin{array}{c} \ul{\pder{gA_z}{y}-\pder{gA_y}{z}}\\ \pder{gA_x}{z}-\pder{gA_z}{x}\\ \pder{gAy}{x}-\pder{gA_x}{y} \end{array} \right) \)

上の下線部が回転(外積)のx成分です。
【参考先】 ベクトルの外積の
上式のx成分(下線部)を計算する。
積の微分(ライプニッツ則)より

\(\color{bl(ue}{\pder{gA_z}{y}-\pder{gA_y}{z}}\)
\(=\pder{g}{y}A_z+g\pder{A_z}{y}-\pder{g}{z}A_y-g\pder{A_y}{z}\)
\(=\underbrace{\pder{g}{y}A_z-\pder{g}{z}A_y}_{Q=(∇g)\x\bv{A}}\) \(+ \underbrace{g(\pder{A_z}{y}-\pder{A_y}{z})}_{R=∇\x \bv{A}}\)

以上から全成分について:

\(\small{Q}\) \(=\left( \begin{array}{c} \pder{g}{x}\\ \color{blue}{\pder{g}{y}}\\ \color{blue}{\pder{g}{z}} \end{array} \right) \) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} A_x \\ \color{blue}{A_y} \\ \color{blue}{A_z} \end{array} \right)\) \(\small{R}\) \(=\left( \begin{array}{c} \pder{}{x}\\ \color{blue}{\pder{}{y}}\\ \color{blue}{\pder{}{z}} \end{array} \right) \) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} A_x \\ \color{blue}{A_y} \\ \color{blue}{A_z} \end{array} \right) \)

これより
\(rot(g\bv{A})\)\(=\underbrace{(∇ g)\x \bv{A}}_{Q} + \underbrace{g(∇\x \bv{A})}_{R}\)

4) \(grad\ (\bv{A}\cdot \bv{B})\) \(=(\bv{B}\cdot ∇)\bv{A} + (\bv{A}\cdot ∇)\bv{B}\) \(+ \bv{A}\x (∇\x \bv{B}) + \bv{B}\x (∇\x \bv{A})\)
ベクトル関数の"内積\(\bv{A}\cdot \bv{A}\)" の勾配

•x成分について証明します。
•右辺から式展開して下記の式ⓐと同じになることが証明です。

左辺: \(∇(\bv{A}\cdot \bv{B})_x\)

\(=\pder{}{x}(A_x B_x+A_y B_y + A_z B_z)\) \(=(A_x B_x+A_y B_y + A_z B_z)_x\)
\(=(A_xB_x)_x+ (A_yB_y)_x+ (A_zB_z)_x\)
\(=\color{red}{\pder{A_x}{x}}B_x +A_x\pder{B_x}{x}\) \(+\pder{A_y}{x}B_y + A_y\pder{B_y}{x}\) \(+\pder{A_z}{x}B_z +A_z\pder{B_z}{x}\)
次のように簡略表示する
\(=\ul{ \color{red}{(A_x)_x}B_x +A_x (B_x)_x}\) \(\ul{+(A_y)_x B_y + A_y(B_y)_x}\) \(\ul{+(A_z)_x B_z +A_z (B_z)_x}\)  \(ⓐ\)

これから右辺の式展開をしていきます。

右辺: \((\underbrace{\bv{B}\cdot ∇)\bv{A}}_{①} + \underbrace{(\bv{A}\cdot ∇)\bv{B}}_{➁}\) \(+ \underbrace{\bv{A}\x (∇\x \bv{B})}_{③} + \underbrace{\bv{B}\x (∇\x \bv{A}}_{④})\)

\(①_x=[B_x\pder{}{x}+ B_y\pder{}{y}\)\(+ B_z\pder{}{z}]A_x\) \(=B_x\pder{A_x}{x}+ B_y\pder{A_x}{y}\)\(+ B_z\pder{A_x}{z} \)

\(①_x=\ul{B_x(A_x)_x+ B_y(A_x)_y}\)\(\ul{+ B_z(A_x)_z}\)

\(②_x=\ul{A_x(B_x)_x+ A_y(B_x)_y}\)\(\ul{+ A_z(B_x)_z}\)

\(③=A\x (∇\x \bv{B})\)

\(=\left( \begin{array}{c} A_x \\ \color{blue}{A_y} \\ \color{blue}{A_z} \end{array} \right)\) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} \pder{}{x}\\ \color{blue}{\pder{}{y}}\\ \color{blue}{\pder{}{z}} \end{array} \right) \) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} B_x \\ \color{blue}{B_y} \\ \color{blue}{B_z} \end{array} \right) \)
\(=\left( \begin{array}{c} A_x \\ \color{blue}{A_y} \\ \color{blue}{A_z} \end{array} \right) \) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} \pder{B_z}{y}-\pder{B_y}{z}\\ \color{blue}{\pder{B_x}{z}-\pder{B_z}{x}}\\ \color{blue}{\pder{B_y}{x}-\pder{B_x}{y}} \end{array} \right)\)
\(=\left( \begin{array}{c} A_x \\ \color{blue}{A_y} \\ \color{blue}{A_z} \end{array} \right)\) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} (B_z)_y-(B_y)_z\\ \color{blue}{(B_x)_z-(B_z)_x}\\ \color{blue}{(B_y)_x-(B_x)_y} \end{array} \right)\)
③のx成分は:
\(③_x=\ul{A_y[\color{blue}{(B_y)_x-(B_x)_y}]}\)\(\ul{-A_z[\color{blue}{(B_x)_z-(B_z)_x}]}\)

\(④=\bv{B}\x (∇\x \bv{A})\)

上記③と同様な計算をして
\(④_x=\ul{B_y[\color{blue}{(A_y)_x-(A_x)_y}]}\)\(\ul{-B_z[\color{blue}{(A_x)_z-(A_z)_x}]}\)

上記をまとめると:

\(①_x=\ul{B_x(A_x)_x+ B_y(A_x)_y+ B_z(A_x)_z}\)
\(②_x=\ul{A_x(B_x)_x+ A_y(B_x)_y+ A_z(B_x)_z}\)
\(③_x=\ul{A_y[\color{blue}{(B_y)_x-(B_x)_y}]}\)\(\ul{-A_z[\color{blue}{(B_x)_z-(B_z)_x}]}\)
\(④_x=\ul{B_y[\color{blue}{(A_y)_x-(A_x)_y}]}\)\(\ul{-B_z[\color{blue}{(A_x)_z-(A_z)_x}]}\)

\(①_x=B_x(A_x)_x+\cancel{B_y(A_x)_y}+ \bcancel{B_z(A_x)_z}\)
\(②_x=A_x(B_x)_x+ \xcancel{A_y(B_x)_y}+ \cancel{A_z(B_x)_z}\)
\(③_x=A_y(B_y)_x-\xcancel{A_y(B_x)_y}\)\(-\cancel{A_z(B_x)_z}+A_z(B_z)_x\)
\(④_x=B_y(A_y)_x-\cancel{B_y(A_x)_y}\)\(-\bcancel{B_z(A_x)_z}+B_z(A_z)_x\)

\((①+②+③+④)_x\) \(=B_x(A_x)_x+ A_x(B_x)_x+ A_y(B_y)_x\) \(+ B_y(A_y)_x+ A_z(B_z)_x+ B_z(A_z)_x\)
\(=(A_xB_x)_x+ (A_yB_y)_x+ (A_zB_z)_x\)
これより右辺=左辺 が証明できました。

5) \(div\ (\bv{A}\x \bv{B})\) \(=∇\cdot(\bv{A}\x \bv{B})\) \(=\bv{B}\cdot (∇ \x \bv{A})\) \(- \bv{A}\cdot (∇\x \bv{B}) \)
ベクトル関数の"外積\(\bv{A}\x \bv{A}\)" の発散

\(=\pder{}{x}(A_y B_z- A_z B_y)\) \(+ \pder{}{y}(A_z B_x- A_x B_z)\)\(+ \pder{}{z}(A_x B_y- A_y B_x)\)
上式を展開して、次式にまとめることができる。
\(=B_x(\pder{A_z}{x}-\pder{A_y}{z})\) \(+ B_y(\pder{A_x}{z}-\pder{A_z}{x})\) \(+ B_z(\pder{A_y}{x}-\pder{A_x}{y})\)
\(-A_x(\pder{B_z}{x}-\pder{B_y}{z})\) \(- A_y(\pder{B_x}{z}-\pder{B_z}{x})\) \(- A_z(\pder{B_y}{x}-\pder{B_x}{y})\)
上式の括弧内は回転rot を示している。
\(=\ul{B_x(∇\x A)_x+ B_y(∇\x A)_y}\)\(\ul{+ B_z(∇\x A)_zul}\) \(-\ul{A_x(∇\x B)_x- A_y(∇\x B)_y}\)\(\ul{- A_z(∇\x B)_z}\)

上式は下式に書ける。(内積の功により3項が1項にまとまる)
内積の【参考先】

\(=\ul{B\cdot(∇\x A)}- \ul{A\cdot(∇\x B)}\)

6) \(rot (\bv{A}\x \bv{B})\) \(=(\bv{B}\cdot ∇)\bv{A} -(\bv{A}\cdot ∇)\bv{B}\) \(+ (div \bv{B})\bv{A}-(div \bv{A})\bv{B}\)
ベクトル関数の"外積\(\bv{A}\x \bv{A}\)" の回転

\(左辺=rot \left([A_yB_z-A_zB_y],[A_zB_x-A_xB_z] \right.\) \(\left. ,[A_xB_y-A_yB_x]\right) \)

参考(回転のx成分は右辺に上段)
\(\left( \begin{array}{c} \pder{}{x}\\ \pder{}{y}\\ \pder{}{z} \end{array} \right)\) \( \x \) \(\left( \begin{array}{c} A \\ B \\ C \end{array} \right)\) \(=\left( \begin{array}{c} \pder{C}{y}- \pder{B}{z}\\ \pder{A}{z}- \pder{C}{x}\\ \pder{B}{x}- \pder{A}{y} \end{array} \right) \)

\(左辺_x\) (上の回転のx成分を参考にして)
\(=rot (\bv{A}\x \bv{B})_x\) \(=\pder{}{y}[A_xB_y-A_yB_x]-\pder{}{z}[A_zB_x-A_xB_z]\) \(=[A_xB_y-A_yB_x]_y-[A_zB_x-A_xB_z]_z\)
\(=\ul{[B_y(A_x)_y+A_x(B_y)_y-B_x(A_y)_y-A_y(B_x)_y]}\)\(\ul{-[B_x(A_z)_z+A_z(B_x)_z-B_z(A_x)_z-A_x(B_z)_z]}\)

\(右辺=(B_x\pder{}{x}+B_y\pder{}{y}+B_z\pder{}{z})[A_x,A_y,A_z]\) \(-(A_x\pder{}{x}+A_y\pder{}{y}+A_z\pder{}{z})[B_x,B_y,B_z]\) \(+((B_x)_x+(B_y)_y+(B_z)_z)[A_x,A_y,A_z]\) \(-((A_x)_x+(A_y)_y+(A_z)_z)[B_x,B_y,B_z]\)

\(右辺_x\)  (上式のx成分を抽出)
\(=(B_x\pder{}{x}+B_y\pder{}{y}+B_z\pder{}{z})[A_x]\) \(-(A_x\pder{}{x}+A_y\pder{}{y}+A_z\pder{}{z})[B_x]\) \(+((B_x)_x+(B_y)_y+(B_z)_z)[A_x]\) \(-((A_x)_x+(A_y)_y+(A_z)_z)[B_x]\)
\(=(\cancel{B_x(A_x)_x}+B_y(A_x)_y+B_z(A_x)_z)\) \(-(\bcancel{A_x(B_x)_x}+A_y(B_x)_y+A_z(B_x)_z)\) \(+(\bcancel{A_x(B_x)_x}+A_x(B_y)_y+A_x(B_z)_z)\) \(-(\cancel{B_x(A_x)_x}+B_x(A_y)_y+B_x(A_z)_z)\)
\(=\ul{[B_y(A_x)_y+A_x(B_y)_y-B_x(A_y)_y -A_y(B_x)_y]}\) \(\ul{-[B_x(A_z)_z+A_z(B_x)_z-B_z(A_x)_z-A_x(B_z)_z]}\)

∴右辺=左辺

7) \(rot\ rot \bv{A}\) \(=∇\x ∇\x\bv{A}\) \(=grad\ div \bv{A}-\color{red}{∇^2}\bv{A}\)\(=∇(∇\cdot \bv{A})-\color{red}{∆}\bv{A}\)
ベクトル関数"回転\(∇\x \bv{A}\)" の回転
 注:\(∇^2=∆(ラプラシアン)\)

x成分について解き、証明する
今までの外積演算のx成分を参考にして
\([rot\ (rot \bv{A})]_x\)\(=[∇\x ∇\x\bv{A}]_x\)\(=\pder{}{y}(∇\x\bv{A})_z- \pder{}{z}(∇\x\bv{A})\)
外積演算のx成分は上記の4)の式③ を参考にして
\(=\pder{}{y}(\pder{A_y}{x}-\pder{A_x}{y})\) \(- \pder{}{z}(\pder{A_x}{z}-\pder{A_z}{x})\)
\(=\pderc{A_y}{y}{x}- \pdera{A_x}{y}-\pdera{A_x}{z}+\pderc{A_z}{z}{x}\)
\(=\ul{\pdera{A_x}{x}}+\pderc{A_y}{y}{x}+ \pderc{A_z}{z}{x}\ul{-\pdera{A_x}{x}}-\pdera{A_y}{y}-\pdera{A_x}{z}\)
\(=\pder{}{x}(\pder{A_x}{x}+\pder{A_y}{y}+\pder{A_z}{z})\) \(-(\ul{\pdera{}{x}+\pdera{}{y}+\pdera{}{z}})A_x\)
\(=\pder{}{x}(∇ \cdot \bv{A})- ∇^2 A_x\)

\(=∇(∇ \cdot \bv{A})- \color{red}{∆}\ A_x\)

8) \(rot\ grad f\)\(=∇\x (∇f)=0\)
ベクトル関数"勾配\(∇\bv{A}\)" の回転
x成分について解く
外積演算のx成分は上記の4)の式③ を参考にして

\(=[∇\x (∇f)]_x\)\(=\pder{}{y}(∇f)_z-\pder{}{z}{(∇f)_y}\)
\(=\pder{}{y}(\pder{f}{z})-\pder{}{z}(\pder{f}{y})\)
シュワルツの定理\(f_{yz}=f_{zy}\)を使い
\(=\pderc{f}{y}{z}-\pderc{f}{z}{y}=0\)

9) \(div\ rot \bv{A}\)\(=∇\cdot (∇\x \bv{A})=0\)
  ベクトル関数の"回転\(∇\x {A}\)" の発散

\(=\pder{}{x}(∇\x \bv{A})_x+\pder{}{y}+(∇\x \bv{A})_y+\pder{}{z}(∇\x \bv{A})_y\)
\(=\pder{}{x}(\pder{A_z}{y}-\pder{A_y}{z})\)\(+\pder{}{y}(\pder{A_x}{z}-\pder{A_z}{x})\) \(+\pder{}{z}(\pder{A_y}{x}-\pder{A_x}{y})\)
シュワルツの定理\(f_{yz}=f_{zy}\)を使い
\(=\cancel{\pderc{A_z}{x}{y}}-\bcancel{\pderc{A_y}{x}{z}}\) \(+\pderc{A_x}{y}{z}-\cancel{\pderc{A_z}{y}{x}}\) \(+\bcancel{\pderc{A_y}{z}{x}}-\pderc{A_x}{z}{y}\) \(=0\)

10)\(rot\ rot\ rot \bv{A}=-∆(rot \bv{A}) \)
ベクトル関数「"回転\(∇\x \bv{A}\)"の回転」の回転

\(\bv{F}=∇\x \bv{A}=rot\bv{A}\)とおき、上記の式7)を使うと:
\(rot\ rot\ \ul{rot \bv{A}}=rot\ rot\ \ul{\bv{F}}\) \(=∇(∇\cdot \bv{F})-\color{red}{∆}\bv{F}\)
\(=∇(\ul{∇\cdot rot\bv{A}})-\color{red}{∆} rot\bv{A}\)
式9)より \(∇\cdot rot\bv{A}=0\) です。
\(=-\color{red}{∆} rot\bv{A}\)


 応用例と例題

•例題1:スカラーポテンシャル \(\varphi\)
空間ベクトル場\(\bv{E}=[x,y,z]\)において
\(\bv{E}=-∇\varphi\)
を満たす\(\varphi\) 存在するとき、\(\varphi\) を\(\bv{E}\)のスカラーポテンシャルといいます。
このとき条件は \(\ul{rot \bv{E}=0}\) である。 このことを証明せよ。
 解:
公式8): \(rot\ grad f\)\(=\ul{∇\x (∇f)}=0\)を使う。
\(\bv{E}=-∇\varphi\)だから
\(rot \bv{E}=rot(-∇\varphi)=-\ul{∇\x (∇\varphi)}=0\)

•例題2:ベクトルポテンシャル \(\bv{A}\)
空間ベクトル場\(\bv{B}=[x,y,z]\)において
\(\bv{B}=rot \bv{A}\)
を満たす\(\bv{A}\) 存在するとき、\(\bv{A}\) を\(\bv{B}\)のベクトルポテンシャルといいます。
このとき条件は \(\ul{dir \bv{B}=0}\) である。 このことを証明せよ。
 解:
公式8): \(div\ rot \bv{A}\)\(=\ul{∇\cdot (∇\x \bv{A})}=0\)を使う。
\(\bv{B}=rot \bv{A}\)だから
\(dir \bv{B}= dir (rot \bv{A})\)\(=\ul{∇\cdot (∇\x \bv{A})}=0\)


  

coffe

[コーヒーブレイク/閑話]…お疲れさまでした

磁場\(\bv{B}\)に発散はあるのか
 \(\bv{B}\):磁場ベクトルとして、「公式9)\(=div\ rot \bv{A}=0\)」を使い:
磁場の発散(\(div \bv{B}\))は:
  \(\ul{div \bv{B}=∇ \cdot \bv{B}}\)\(=div(\ rot \bv{A})=∇ \cdot (∇ \x A)\ul{=0}\)
となり、磁場の発散はありません。
上記 は磁場の発散はゼロは「公式9」より導かれ、\(∇ \cdot \bv{B}=0\) はマックウェルの方程式(電磁気学)と一致する。
「Ⓢ棒磁石Ⓝ」をイメージすると磁場を表す磁力線はⓃ極から出てⓈ極に戻ります。
だから磁力線は電場と異なり、勝手にどこかに行くような 発散はないのです。 また電流が流れる電線の周りには回転する磁場が発生します。