Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

Chapter 2 Mathematics

2

2.1Notation

Mathematics is, of course, a vast subject, and so here we concentrate on those mathematical methods and relationships that are most often applied in the physical sciences and engineering.

Although there is a high degree of consistency in accepted mathematical notation, there is some variation. For example the spherical harmonics, Ylm, can be written Ylm, and there is some freedom with their signs. In general, the conventions chosen here follow common practice as closely as possible, whilst maintaining consistency with the rest of the handbook.

In particular:

scalars

a

 

 

general vectors

a

unit vectors

aˆ

 

 

scalar product

a · b

vector cross-product

a×b

gradient operator

 

 

2

 

 

 

 

df

Laplacian operator

 

 

derivative

 

 

etc.

 

 

 

dx

partial derivatives

 

∂f

etc.

derivative of r with

˙r

∂x

respect to t

 

 

 

L dl

nth derivative

 

dnf

 

closed loop integral

 

dxn

closed surface integral

S

ds

matrix

A or aij

 

x

 

 

 

 

n

mean value (of x)

 

 

binomial coe cient

r

factorial

!

 

 

unit imaginary (i2 = −1)

i

exponential constant

e

 

 

modulus (of x)

|x|

natural logarithm

ln

 

 

log to base 10

log10

20

Mathematics

 

 

2.2 Vectors and matrices

Vector algebra

 

Scalar producta

a · b = |a||b| cosθ

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xˆ

yˆ

zˆ

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a×b =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vector productb

a b

 

sinθnˆ = ax

ay

az

 

(2.2)

 

θ

 

 

 

| || |

 

 

 

bx

by

bz

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nˆ

(in)

 

 

a · b = b · a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Product rules

a×b = −b×a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.4)

 

 

 

 

a · (b + c) = (a · b) + (a · c)

 

 

 

(2.5)

 

 

 

 

a×(b + c) = (a×b) + (a×c)

 

 

 

(2.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lagrange’s

(a×b) · (c×d ) = (a · c)(b · d ) − (a · d )(b · c)

(2.7)

 

 

 

identity

 

 

 

 

 

 

ax

ay

az

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a×b) c = bx

by

bz

·

 

 

(2.8)

 

 

 

 

·

 

 

×

·

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

Scalar triple

cx

cy

cz

 

 

 

 

 

a

 

 

product

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.9)

 

c

 

 

 

= (b c)

 

a = (c a) b

 

 

 

 

 

= volume of parallelepiped

(2.10)

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vector triple

(a×b)×c = (a · c)b − (b · c)a

 

 

 

(2.11)

 

 

 

product

a×(b×c) = (a · c)b

(a · b)c

 

 

 

(2.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a = (b

 

c)/[(a

b)

·

c]

 

 

 

(2.13)

 

 

 

 

 

×

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b = (c

 

a)/[(a

b)

·

c]

 

 

 

(2.14)

 

 

 

Reciprocal vectors

 

×

 

 

×

b)

 

c]

 

 

 

(2.15)

 

 

 

 

c = (a

 

b)/[(a

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a · a) = (b · b) = (c · c) = 1

 

 

(2.16)

 

 

 

Vector a with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

respect to a

a = (e1 · a)e1 + (e2 · a)e2 + (e3

· a)e3

(2.17)

 

 

 

nonorthogonal

 

 

 

basis {e1,e2,e3}c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Also known as the “dot product” or the “inner product.”

 

 

 

 

 

 

bAlso known as the “cross-product.” nˆ is a unit vector making a right-handed set with a and b. cThe prime ( ) denotes a reciprocal vector.

2.2 Vectors and matrices

Common three-dimensional coordinate systems

z

ρ

 

 

point P

 

 

θ

 

 

 

r

 

 

 

 

y

 

x

φ

 

 

 

 

 

 

 

ρ = (x2 + y2)1/2

(2.21)

x = ρcosφ = rsinθcosφ

(2.18)

r = (x2 + y2 + z2)1/2

 

y = ρsinφ = rsinθsinφ

(2.19)

(2.22)

 

 

z = rcosθ

(2.20)

θ = arccos(z/r)

(2.23)

 

 

 

 

φ = arctan(y/x)

(2.24)

 

 

 

 

coordinate system:

rectangular

spherical polar

cylindrical polar

coordinates of P :

(x,y,z)

(r,θ,φ)

(ρ,φ,z)

volume element:

dx dy dz

r2 sinθ dr dθ dφ

ρ dρ dz dφ

metric elementsa (h1,h2,h3):

(1,1,1)

(1,r,rsinθ)

(1,ρ,1)

aIn an orthogonal coordinate system (parameterised by coordinates q1,q2,q3), the di erential line element dl is obtained from (dl)2 = (h1 dq1)2 + (h2 dq2)2 + (h3 dq3)2.

21

2

Gradient

Rectangular

f =

∂f

 

 

 

∂f

 

∂f

 

 

 

 

f

scalar field

coordinates

 

 

 

xˆ +

 

 

 

 

 

 

yˆ

+

 

 

 

zˆ

 

 

 

(2.25)

 

 

∂x

∂y

∂z

 

 

 

ˆ

unit vector

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cylindrical

f =

∂f

 

 

 

1 ∂f ˆ

∂f

 

 

 

 

ρ

distance from the

coordinates

 

 

 

ρˆ +

 

 

 

 

 

 

φ +

 

zˆ

 

 

 

(2.26)

 

z axis

∂ρ

r

∂φ

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical polar

f =

∂f

 

 

1 ∂f

ˆ

1

 

 

∂f

ˆ

 

 

 

coordinates

∂r

 

rˆ +

r

 

∂θ

θ +

rsinθ

 

∂φ

φ

(2.27)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

General

 

qˆ1

 

∂f

 

 

 

 

 

 

qˆ2

 

∂f

 

qˆ3

 

∂f

 

 

qi

basis

orthogonal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = h1 ∂q1

+ h2 ∂q2

+ h3 ∂q3

 

(2.28)

hi

metric elements

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 Mathematics

Divergence

Rectangular

 

 

∂Ax

 

 

∂Ay

 

 

∂Az

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

vector field

·

A =

+

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.29)

A

 

ith component

coordinates

∂x

 

∂y

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cylindrical

· A =

1 (ρAρ)

 

1 ∂Aφ

 

 

∂Az

 

 

 

 

 

 

ρ

 

distance from

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

 

 

 

 

 

(2.30)

 

 

the z axis

ρ

∂ρ

 

 

 

ρ ∂φ

∂z

 

 

 

 

 

Spherical polar

 

 

1 (r2Ar)

 

1

 

 

(Aθ sinθ)

1

 

∂Aφ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· A = r2

∂r

 

 

+ rsinθ

 

 

 

∂θ

 

+ rsinθ

 

∂φ

 

 

 

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.31)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

General

·

A =

1

 

 

 

 

(A1h2h3) +

 

(A2h3h1)

 

 

 

 

 

 

h1h2h3

∂q1

∂q2

 

 

 

qi

basis

orthogonal

 

 

 

 

 

 

 

(A3h1h2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hi

metric

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

(2.32)

 

 

elements

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂q3

 

 

Curl

 

 

 

 

 

 

 

xˆ

 

 

 

 

yˆ

 

 

zˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

unit vector

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rectangular

×

A =

∂/∂x

 

∂/∂y

∂/∂z

 

 

 

 

 

(2.33)

A

vector field

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ai

ith component

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ax

 

 

 

 

 

 

Az

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ay

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

of A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cylindrical

 

 

 

ρˆ

 

 

 

φ

 

 

zˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

∂/∂ρ

 

∂/∂φ

∂/∂z

 

 

 

 

 

(2.34)

ρ

distance from

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

the z axis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aρ

 

 

 

 

ρAφ

 

 

Az

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical polar

 

 

 

rˆ

/(r

 

sinθ)

 

θ/(rsinθ)

 

φ/r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

 

∂/∂r

 

 

 

∂/∂θ

 

 

∂/∂φ

(2.35)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ar

 

 

 

 

rAθ

 

 

rAφ sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

 

 

 

 

 

General

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qˆ1h1

qˆ2h2

qˆ3h3

 

 

 

 

 

 

 

qi

basis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

orthogonal

×

A =

 

 

1

 

 

 

∂/∂q

 

 

∂/∂q

 

∂/∂q

 

 

 

(2.36)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h h h

 

 

 

 

1

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

hi

metric

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coordinates

 

 

 

1 2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

elements

 

 

 

 

 

 

 

 

h2A2

h3A3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h1A1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Radial formsa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1/r) =

r

 

(2.41)

 

r =

 

 

 

(2.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r31

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· r = 3

 

(2.38)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· (r/r2) =

 

 

(2.42)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

r2 = 2r

 

(2.39)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1/r2) =

 

−2r

(2.43)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r4

 

 

 

· (rr) = 4r

 

(2.40)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· (r/r3) = 4πδ(r)

(2.44)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aNote that the curl of any purely radial function is zero. δ(r) is the Dirac delta function.

2.2 Vectors and matrices

23

 

 

Laplacian (scalar)

Rectangular

 

2

 

2f

 

2f

 

2f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coordinates

f =

 

 

 

+

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.45)

 

f scalar field

 

 

 

∂x2

∂y2

∂z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ distance

 

Cylindrical

 

2

1

 

 

 

∂f

 

 

 

1 2f

 

 

2f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f =

 

 

 

 

 

ρ

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.46)

 

 

 

 

coordinates

 

ρ

 

∂ρ

 

∂ρ

ρ2

 

∂φ2

∂z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z axis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

from the

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spherical

 

 

1

 

 

∂f

 

 

1

 

 

 

 

 

 

∂f

 

 

1

 

2f

 

 

 

 

 

polar

2f =

 

 

r2

 

 

+

 

 

 

 

 

sinθ

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

∂r

∂r

r2 sinθ

∂θ

∂θ

r2 sin2 θ

∂φ2

 

 

 

 

 

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.47)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

General

 

2f =

 

1

 

 

 

 

 

h2h3 ∂f

+

 

h3h1

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

orthogonal

 

h1h2h3

h1 ∂q1

 

 

 

∂q2

h2

∂q2

 

 

 

 

 

 

qi basis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h1h2

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

hi metric

 

 

coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

(2.48)

 

elements

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂q3

h3

∂q3

 

 

 

 

Di erential operator identities

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(fg) ≡ f g + g f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.49)

 

 

 

 

 

 

 

 

· (fA) ≡ f · A + A · f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

×(fA) ≡ f ×A + ( f)×A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.51)

 

 

 

 

 

 

 

 

(A · B) ≡ A×( ×B) + (A · )B + B×( ×A) + (B · )A

 

 

(2.52)

 

 

 

 

 

 

 

 

· (A×B) ≡ B · ( ×A) − A · ( ×B)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.53)

 

f,g

 

scalar fields

 

 

×(A×B) ≡ A( · B) − B( · A) + (B · )A − (A · )B

 

 

 

 

 

(2.54)

 

A,B

 

vector fields

 

 

· ( f) ≡ 2f f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.55)

 

 

 

 

 

 

 

 

×( f) ≡ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.56)

 

 

 

 

 

 

 

 

· ( ×A) ≡ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.57)

 

 

 

 

 

 

 

 

×( ×A) ≡ ( · A) − 2A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.58)

 

 

 

 

 

 

 

 

Vector integral transformations

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gauss’s

 

 

V ( · A) dV = Sc A · ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

vector field

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dV

volume element

 

 

(Divergence)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.59)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sc

closed surface

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

volume enclosed

 

 

 

 

 

S ( ×A) · ds = L A · dl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

surface

 

 

Stokes’s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.60)

 

ds

surface element

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

loop bounding S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dl

line element

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Green’s first

 

 

S (f g) · ds = V · (f g) dV

 

 

 

 

 

 

(2.61)

 

f,g

scalar fields

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= V [f 2g + ( f) · ( g)] dV

 

 

(2.62)

 

 

 

 

 

 

 

 

Green’s second

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S [f( g) − g( f)] · ds = V (f g g f) dV

 

 

 

 

 

 

 

 

theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.63)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k aikbkj .

24 Mathematics

Matrix algebraa

 

 

a11

a12

· · ·

a1n

 

 

 

 

 

 

a21

a22

a2n

 

A

m by n matrix

Matrix definition

 

A = ...

...

· · · ...

 

(2.64)

aij

matrix elements

 

 

 

a

· · ·

a

 

 

 

 

 

 

a

· · ·

 

 

 

 

 

 

m1

m2

 

mn

 

 

 

 

Matrix addition

 

C = A + B

if

cij = aij + bij

(2.65)

 

 

Matrix

 

C = AB if

cij = aikbkj

 

(2.66)

 

 

 

(AB)C = A(BC)

 

 

 

(2.67)

 

 

multiplication

 

 

 

 

 

 

 

A(B + C) = AB + AC

 

 

(2.68)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Transpose matrix

b

a˜ij = aji

 

 

 

 

(2.69)

˜aij

transpose matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

˜

˜ ˜

 

 

(2.70)

 

(sometimes aijT , or aij )

 

 

(AB...N) = N...BA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

complex conjugate (of

Adjoint matrix

 

A= A˜

 

 

 

 

(2.71)

 

each component)

(definition 1)c

 

(AB...N)= N...BA

 

(2.72)

adjoint (or Hermitian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

conjugate)

 

 

 

 

 

 

 

H

Hermitian (or

Hermitian matrixd

H= H

 

 

 

 

(2.73)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

self-adjoint) matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

examples:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

a11

a12

a13

 

 

a21

a22

a23

 

 

a31

a32

a33

 

A˜ =

 

a11

a21

a31

 

a12

a22

a32

 

 

 

 

 

 

 

a13

a23

a33

 

 

b11

b12

b13

 

 

 

 

B =

b21

b22

b23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b31

b32

b33

 

 

 

 

 

a11 + b11

a12 + b12

a13

+ b13

 

A + B =

a21 + b21

a22 + b22

a23

+ b23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a31 + b31

a32 + b32

a33

+ b33

 

 

a11 b11

+ a12 b21 + a13 b31

a11 b12 + a12 b22 + a13 b32

a11 b13

+ a12 b23

+ a13 b33

 

AB =

a21 b11

+ a22 b21 + a23 b31

a21 b12 + a22 b22 + a23 b32

a21 b13

+ a22 b23

+ a23 b33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a31 b11

+ a32 b21 + a33 b31

a31 b12 + a32 b22 + a33 b32

a31 b13

+ a32 b23

+ a33 b33

 

aTerms are implicitly summed over repeated su ces; hence aikbkj equals bSee also Equation (2.85).

cOr “Hermitian conjugate matrix.” The term “adjoint” is used in quantum physics for the transpose conjugate of a matrix and in linear algebra for the transpose matrix of its cofactors. These definitions are not compatible, but both are widely used [cf. Equation (2.80)].

dHermitian matrices must also be square (see next table).

2.2 Vectors and matrices

25

 

 

Square matricesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

trA = aii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.74)

 

A

 

 

square matrix

 

 

 

Trace

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aij

 

 

matrix elements

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

tr(AB) = tr(BA)

 

 

 

 

 

 

 

(2.75)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aii

 

 

implicitly = i aii

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

detA = ijk...a1ia2j a3k ...

 

 

 

 

 

(2.76)

 

tr

 

 

trace

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Determinant

b

 

 

 

 

= (

1)i+1ai1Mi1

 

 

 

 

 

(2.77)

 

det

 

 

determinant (or |A|)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.78)

 

Mij

 

minor of element aij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ai1Ci1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cij

 

 

cofactor of the

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

det(AB...N) = detAdetB...detN

 

 

(2.79)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

element aij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

adj

 

 

adjoint (sometimes

 

 

 

Adjoint matrix

 

 

 

 

 

˜

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Cji

 

 

 

 

 

 

 

(2.80)

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

(definition 2)c

 

adjA = Cij

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

written A)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

transpose

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aij−1 =

 

Cji

 

=

adjA

 

 

 

 

 

 

(2.81)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inverse matrix

 

 

 

 

detA

detA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AA−1 = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.82)

 

1

 

 

unit matrix

 

 

 

(detA = 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(AB...N)−1 = N−1 ...B−1A−1

 

 

 

(2.83)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Orthogonality

 

aij aik = δjk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.84)

 

δjk

 

 

Kronecker delta (= 1

 

 

 

condition

 

 

 

 

 

i.e., A˜ = A−1

 

 

 

 

 

 

 

(2.85)

 

 

 

 

 

if i = j, = 0 otherwise)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If

 

 

 

 

˜

 

 

A is symmetric

 

 

 

(2.86)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Symmetry

 

 

 

 

A = A,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If

 

 

 

 

 

˜

 

A is antisymmetric

(2.87)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = −A,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Unitary matrix

 

U= U−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.88)

 

U

 

 

unitary matrix

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hermitian conjugate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

examples:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11

 

a12

a13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B =

b11

b12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = a21

 

a22

a23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b21 b22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a31 a32

a33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

trA = a11 + a22 + a33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

trB = b11 + b22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

detA = a11 a22 a33 a11 a23 a32 a21 a12 a33 + a21 a13 a32 + a31 a12 a23 a31 a13 a22

 

 

 

 

 

detB = b11 b22 b12 b21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a22 a33 a23 a32

 

 

a12 a33 + a13 a32

 

 

a12 a23 a13 a22

 

 

 

 

 

 

 

A−1 =

 

 

1

 

 

a21 a33 + a23 a31

 

a11 a33

a13 a31

 

 

a11 a23 + a13 a21

 

 

 

 

 

 

 

detA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a21 a32

a22 a31

 

 

 

 

 

 

a11 a22

a12 a21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a11 a32 + a12 a31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B−1 =

 

 

1

 

 

 

 

b22

b12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

detB

 

b21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aTerms are implicitly summed over repeated su ces; hence aikbkj equals

k aikbkj .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

ijk... is defined as the natural extension of Equation (2.443) to

n

dimensions (see page 50). M

ij

is the determinant

 

 

 

-

 

 

 

ij = (−1)

i+j

M

 

 

 

 

of the matrix

A

with the ith row and the jth column deleted. The cofactor C

 

 

ij .

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Or “adjugate matrix.” See the footnote to Equation (2.71) for a discussion of the term “adjoint.”

 

26 Mathematics

Commutators

Commutator

[A,B] = AB − BA = −[B,A]

(2.89)

,·] commutator

definition

 

 

 

 

Adjoint

[A,B]= [B,A]

(2.90)

adjoint

 

 

 

 

Distribution

[A + B,C] = [A,C] + [B,C]

(2.91)

 

 

 

 

 

Association

[AB,C] = A[B,C] + [A,C]B

(2.92)

 

 

 

 

 

Jacobi identity

[A,[B,C]] = [B,[A,C]] − [C,[A,B]]

(2.93)

 

 

 

 

 

Pauli matrices

 

σ1 = 0

1

σ2 =

0

i

 

σ

Pauli spin matrices

Pauli matrices

1

0

 

i

0

 

1i

2

×

2 unit matrix

1

0

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

= −1

 

σ3 = 0

−1

1 = 0

1

(2.94)

i

i

 

Anticommuta-

σiσj + σj σi = 2δij 1

 

 

 

(2.95)

δij

Kronecker delta

tion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cyclic

σiσj = iσk

 

 

 

 

(2.96)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

permutation

(σi)2 = 1

 

 

 

 

(2.97)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rotation matricesa

Rotation

 

 

 

 

1

 

0

 

0

 

 

 

Ri(θ)

matrix for rotation

 

R1(θ) =

0

 

cosθ

 

sinθ

 

(2.98)

 

about the ith axis

about x1

 

 

 

 

 

 

 

 

0

− sinθ

 

cosθ

 

θ

rotation angle

 

Rotation

 

 

 

 

cosθ

0

sinθ

 

 

 

 

 

 

R2(θ) =

0

1

0

 

(2.99)

 

 

 

about x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinθ

0

 

cosθ

 

 

 

 

Rotation

 

 

 

 

 

cosθ sinθ 0

 

 

α

rotation about x3

 

R3

(θ) =

 

sinθ cosθ

0

(2.100)

 

 

 

about x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

rotation about x2

 

 

 

 

0

 

0

 

1

 

γ

rotation about x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Euler angles

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

rotation matrix

 

 

cosγcosβ cosα

sinγsinα

 

 

cosγcosβ sinα+ sinγcosα

cosγsinβ

R(α,β,γ) =

sinγcosβ cosα

cosγsinα

 

sinγcosβ sinα+ cosγcosα

sinγsinβ

 

 

 

sinβ cosα

 

 

 

sinβ sinα

cosβ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.101)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aAngles are in the right-handed sense for rotation of axes, or the left-handed sense for rotation of vectors. i.e., a vector v is given a right-handed rotation of θ about the x3-axis using R3(−θ)v v . Conventionally, x1 x, x2 y, and x3 z.