向量與張量 (II)

座標變換、向量微分、空間曲線、軌道

 

座標變換

向量的座標變換?一個向量好好的在那�堙A為何需要(怎麼可以)變換?

畫在空間中的向量的確不必,但藉由座標軸單位表示

分別拿 e1^'、e2^'、e1^' 與上上式 之 A 內積,得下列三式

表示成矩陣型,則簡化為

看,變換(轉換)矩陣由新舊基底唯一決定。

 

物理學家希望物理定律的公式,在不同座標系之下都是完全相同的形式。在此一要求下,凡是出現在公式中之物理量都要具有特定的座標轉換規則。而我們就是這樣去定義純量、向量、張量,並只用這些量來代表公式中的物理量。

 

線性向量空間 Vn

正交歸一向量 f^i 具 f^i · f^j = δij 特性

使任意 A 有

A = Σi ci f^i,其中 ci = A · f^i

 

基底 完備(性)

一組向量, 足以線性組合 出空間中任意向量時稱之為完備, 該組向量形成基底, 其中各 向量 叫 基底向量。

 

線性獨立

{f^1, f^2, f^3} 線性獨立 : c1 f^1 + c2 f^2 + c3 f^3 = 0  iff   c1 = c2 = c3 = 0

(幾何解釋,三個向量在三維中不共面。)

 

向量空間

加法 (交換律)

乘係數 (分配律)

 (內積非必要) (詳見 維基百科 or MathWorld)

 

向量微分

分量微分

(直接求向量差也可)

A(t)

多變量偏微分

A(u, v)

dA = (∂A /∂u ) du + (∂A /∂v ) dv

上面這個 dA 叫做 A 的全微分,在熱力學與保守場的力學中非常重要。

問 1:其意義顯而易見,你能夠用白話把它講出來嗎?

問 2:這�堶惜]包含了微積分的基本核心觀念,你看出來了嗎?。

 

習題

用分量及 εijk 表示法,證明 d/dt (A × B) = dA/dt × B + A × dB/dt

 

空間曲線

考慮前面的向量值 A(u) 是 空間中的位置向量 r(u) , 或以下 x(t)

參數

一個良好的空間曲線的參數表法,x(t) 是 1 對 1、至少一次可微,以及斜率 x'(t) 處處不為零。

切向量

若以弧長 s 作為參數(弧長的定義用畢氏定理,想像許多小直線段長度之累積,見微積分或幾何學課本),則切向量 dx / ds = T^ 恰為單位長。

把曲線看成許多小段,再利用畢氏定理 ΔL = √(Δx12 + Δx22)

如此,空間曲線孤長參數的定義為:

這個 l   可以被證明將與選取參數表示法無關。(但這個 l 真的是我們所認知的弧長這種東西嗎?怎麼看出來?關鍵在 dx = (dx/dt) dt = x· dt,即 dx = √(dx · dx) = √(x· · x· ) dt )

弧長本身可以依其長度發展的變化而拿來當作一個表示曲線的參數,它與原參數之間的關係只要仿照上式定義來定成以下的形式即可:

 

法向量, 曲率

單位切向量的大小改變是曲率,改變方向是法向量。dT^/ds = κN^

 

平面運動(重要)

基底向量不是固定的

為什麼是上式這樣?因為萊布尼玆律

利用 e^r = cosθ e^1 + sinθ e^2

(d/dt) e^r = -sinθ (dθ/dt) e^1  + cosθ(dθ/dt) e^2 ,則其長度為

√[( sin2θ+ cos2θ) (dθ/dt)2] = dθ/dt,方向則恰是 e^θ(自已用力看清楚),因此得下式

(另法:由圖可看出 dl = dr e^r + r dθe^θ,一樣可得上式。)

(不採用卡氏座標基底,是自找麻煩?)

 

軌道問題(選)

與距離平方呈反比之作用力所構成的天體,運行軌道為一(封閉的)橢圓。這是牛頓在其巨著 Principa Mathematica 中揭露的爆炸性結果。(詳見牛頓傳記)

利用極座標,可以很容易地得到此結果。

 

推導如下:

 

基本定義及性質

L = r × p = r × mv

可證明角動量守恆 dL / dt = 0 (馬上會用到)

 

L2 = L · L = L · ( r × v ) = r · ( v × L ) (純量三重積的輪換)

那 v × L 是多少?見下

由於 d / dt ( v × L ) = d / dt (v) × L + v × d / dt (L) = d / dt (v) × L + 0 = dv / dt

(dL /dt = 0 是中心力場下角動量守恆之故,證明如下:待植入)

而 dv / dt = ?

由平方反比作用力定律,有 ma = m dv / dt = - ( k / r2 ) n^

其中 n^ 是法向向量(徑向向量),由原點(作用力中心)射出。

 

如此得到(提示:利用 n^ = r / | r | )

d / dt ( v × L ) = k dn^/dt

這意味著

v × L = k n^ + C

代回前 L2 式 中,得

L2 = mr · ( v × L ) = m r ( k + C cosθ )

整理看 r 是多少(即 r 與 θ 的關係 r(θ) )

r = (L2/km) / [ 1 + C / (k cosθ) ]

相當於圓錐曲線的通式,

r = A / (1 + ε cosθ)

其中 ε 稱作 離心率(偏心率 ) , 視其值的不同,可以是圓、橢圓、拋物線,雙曲線。

用在中心力問題(尤其是距離平方反比作用力)求解上,可解釋克卜勒之行星定律的軌道。

r = A / (1 + ε cosθ)

離心率 ε的

ε = C / k = | v × L - k n^ | = ( 1 / k ) [ | v × L |2 + k2 - 2kn^ · ( v × L ) ]1/2

由於 v 垂直於 L,故 | v × L |2 = v2L2

又前已有 L2 = mr · ( v × L ) = m r n^ · ( v × L )

則

ε = ( 1 / k ) [ v2L2 + k2 + 2k L2/(mr) ]1/2 = [ 1 + [2 L2 /(mk2)][mv2/2 - k/r] ]1/2

總結ε=

使用極座標向量,就能以最簡潔的方式推得上述結果。