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

32

Mathematics

 

 

2.5Trigonometric and hyperbolic formulas

Trigonometric relationships

sin(A± B) = sinAcosB ± cosAsinB

(2.171)

cos(A± B) = cosAcosB sinAsinB

(2.172)

tan(A

±

B) =

tanA± tanB

 

 

 

 

(2.173)

 

 

 

 

 

 

1

 

tanAtanB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosAcosB =

1

 

[cos(A+ B) + cos(AB)]

(2.174)

 

 

2

 

sinAcosB =

1

 

[sin(A+ B) + sin(AB)]

(2.175)

 

 

2

 

sinAsinB =

1

 

[cos(AB) − cos(A+ B)]

(2.176)

 

 

2

 

cos2 A+ sin2 A = 1

 

 

 

 

 

 

 

(2.177)

sec2 A− tan2 A = 1

 

 

 

 

 

 

 

(2.178)

csc2 A− cot2 A = 1

 

 

 

 

 

 

 

(2.179)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2A = 2sinAcosA

 

 

 

 

 

 

 

(2.180)

cos2A = cos2 A− sin2 A

 

 

 

 

 

 

 

(2.181)

tan2A =

 

 

2tanA

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.182)

 

1 − tan2 A

 

 

 

 

 

 

 

sin3A = 3sinA− 4sin3 A

 

 

 

 

(2.183)

cos3A = 4cos3 A− 3cosA

 

 

 

 

(2.184)

sinA+ sinB = 2sin

A+ B

 

cos

AB

(2.185)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

sinA

sinB = 2cos

A+ B

sin

AB

(2.186)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

cosA+ cosB = 2cos

A+ B

cos

AB

(2.187)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

cosA

cosB =

2sin

A+ B

sin

AB

(2.188)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 A =

1

(1 + cos2A)

 

 

 

 

 

 

 

(2.189)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2 A =

1

(1 − cos2A)

 

 

 

 

 

 

 

(2.190)

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

cos3 A =

1

(3cosA+ cos3A)

 

 

 

 

(2.191)

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin3 A =

1

(3sinA− sin3A)

 

 

 

 

(2.192)

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−2

 

 

 

 

 

tan

 

 

 

 

6

4

2

 

0

2

4

6

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sec

x

 

 

 

 

 

csc

 

 

2

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cot

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

−2

 

 

 

 

 

 

−4

 

 

 

 

 

 

−6

−4

−2

0

2

4

6

 

 

 

x

 

 

 

2.5 Trigonometric and hyperbolic formulas

33

 

 

Hyperbolic relationshipsa

sinh(x± y) = sinhxcoshy ± coshxsinhy

(2.193)

cosh(x± y) = coshxcoshy ± sinhxsinhy

(2.194)

tanh(x

±

y) =

tanhx± tanhy

 

 

 

(2.195)

 

 

 

 

 

1

±

tanhxtanhy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

coshxcoshy =

 

1

[cosh(x+ y) + cosh(xy)]

(2.196)

 

 

 

2

sinhxcoshy =

 

1

[sinh(x+ y) + sinh(xy)]

(2.197)

 

 

 

2

sinhxsinhy =

 

1

[cosh(x+ y) − cosh(xy)]

(2.198)

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosh2 x− sinh2 x = 1

 

 

(2.199)

sech2 x+ tanh2 x = 1

 

 

(2.200)

coth2 x− csch2 x = 1

 

 

(2.201)

sinh2x = 2sinhxcoshx

 

 

(2.202)

cosh2x = cosh2 x+ sinh2 x

 

 

(2.203)

tanh2x =

 

 

2tanhx

 

 

 

(2.204)

 

1 + tanh2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinh3x = 3sinhx+ 4sinh3 x

 

 

(2.205)

cosh3x = 4cosh3 x− 3coshx

 

 

(2.206)

 

 

 

 

 

 

 

 

sinhx+ sinhy = 2sinh

x+ y

 

cosh

xy

(2.207)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

sinhx

sinhy = 2cosh

x+ y

sinh

xy

(2.208)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

coshx+ coshy = 2cosh

x+ y

cosh

xy

(2.209)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

coshx

coshy = 2sinh

x+ y

sinh

xy

(2.210)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosh2 x =

1

(cosh2x+ 1)

 

 

(2.211)

 

 

 

2

 

 

sinh2 x =

1

(cosh2x− 1)

 

 

(2.212)

 

 

 

2

 

 

cosh3 x =

1

(3coshx+ cosh3x)

 

 

(2.213)

 

 

 

4

 

 

sinh3 x =

1

(sinh3x− 3sinhx)

 

 

(2.214)

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosh

 

 

 

 

2

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tanhx

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

tanhx

 

 

 

 

 

 

−2

sinh

x

 

 

 

 

−4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−3

−2

 

−1

0

1

2

3

 

 

 

 

x

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

cothx

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sech

 

 

 

 

0

 

csch

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−2

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−4

 

 

 

 

 

 

−3

−2

−1

0

1

2

3

 

 

 

x

 

 

 

aThese can be derived from trigonometric relationships by using the substitutions cosx →coshx and sinx →isinhx.

34 Mathematics

Trigonometric and hyperbolic definitions

de Moivre’s theorem

(cosx+ isinx)n = einx = cosnx+ isinnx

(2.215)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosx =

1

 

eix + e−ix

(2.216)

coshx =

1

ex + ex

(2.217)

 

 

 

 

 

 

2

 

2

sinx =

1

 

eix − e−ix

(2.218)

sinhx =

1

 

ex − ex

(2.219)

 

 

 

 

 

2i

2

 

tanx =

 

sinx

 

(2.220)

tanhx =

 

sinhx

 

(2.221)

 

cosx

 

coshx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosix = coshx

(2.222)

coshix = cosx

(2.223)

sinix = isinhx

(2.224)

sinhix = isinx

(2.225)

 

 

 

 

cotx = (tanx)−1

(2.226)

cothx = (tanhx)−1

(2.227)

secx = (cosx)−1

(2.228)

sechx = (coshx)−1

(2.229)

cscx = (sinx)−1

(2.230)

cschx = (sinhx)−1

(2.231)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inverse trigonometric functionsa

 

1.6

 

 

 

 

 

 

 

arccosx

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

arcsinx = arctan (1 − x2)1/2

(2.232)

1

 

x

 

arctanx

arccosx = arctan (1 − x

)

 

 

(2.233)

 

 

arcsin

 

 

 

 

x2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

arccscx = arctan (x2

 

11)1/2

 

(2.234)

 

0

 

x

1

 

 

 

 

1.6

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arcsecx = arctan (x2 − 1)1/2

 

(2.235)

 

arccot arccsc

 

arcsecx

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arccotx = arctan x

 

 

 

 

(2.236)

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arccosx = 2 − arcsinx

 

 

 

 

(2.237)

 

 

 

 

 

aValid in the angle range 0 ≤ θ π/2. Note that arcsinx ≡ sin−1 x etc.

0

1

2

3

4

5

x

2.6 Mensuration

35

 

 

Inverse hyperbolic functions

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

arsinhx ≡ sinh−1 x = ln x+ (x2 + 1)1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.238)

for all x

1

 

 

artanhx

 

x

2

arcoshx ≡ cosh−1 x = ln x+ (x2 − 1)1/2

(2.239)

x ≥ 1

0

 

x

 

arcosh

 

 

1

1 + x

 

 

 

 

 

 

−1

arsinh

 

 

 

 

artanhx ≡ tanh−1 x =

 

 

 

 

|x| < 1

−2

 

 

 

 

 

 

2 ln 1

x

 

 

 

(2.240)

1

0

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arcothx ≡ coth−1 x =

2 ln x− 1

 

 

 

(2.241)

|x| > 1

4

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arsechx ≡ sech−1 x = ln x

+ (1 − x

)

 

(2.242)

0 < x ≤ 1

3

 

 

arcoth

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

(1 + x2)1/2

 

 

 

 

 

x

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

arcsch

 

 

 

 

arcschx ≡ cschx = ln x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

(2.243)

x = 0

1

 

arsechx x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

2.6 Mensuration

Moire´ fringesa

 

 

 

1

1

 

1

 

dM

Moire´ fringe spacing

 

 

 

 

Parallel pattern

dM =

 

 

 

 

(2.244)

d1,2

grating spacings

d1

d2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

common grating

Rotational

dM =

 

 

d

 

 

(2.245)

 

spacing

patternb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2| sin(θ/2)|

θ

relative rotation angle

 

 

 

 

(

θ

| ≤

π/2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

aFrom overlapping linear gratings.

bFrom identical gratings, spacing d, with a relative rotation θ.

36

Mathematics

 

 

Plane triangles

Sine formulaa

 

a

b

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

 

(2.246)

sinA

sinB

sinC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2 = b2 + c2 − 2bccosA

(2.247)

Cosine

2

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

cosA =

b

 

+ c a

 

 

 

 

 

(2.248)

formulas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2bc

 

 

 

 

 

 

 

 

a = bcosC + ccosB

(2.249)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tangent

tan

AB

 

=

 

ab

cot

C

 

 

(2.250)

formula

 

 

2

 

 

 

 

 

a+ b

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

area

=

 

1

absinC

(2.251)

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

a2

 

sinB sinC

 

(2.252)

Area

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

sinA

 

 

 

 

 

 

 

= [s(sa)(sb)(sc)]1/2

(2.253)

 

where s =

 

 

1

(a+ b+ c)

(2.254)

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aThe diameter of the circumscribed circle equals a/sinA.

Cb

a

A B

c

Spherical trianglesa

Sine formula

 

sina

=

sinb

=

sinc

 

(2.255)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sinA

sinB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cosine

 

cosa = cosbcosc+ sinbsinccosA

(2.256)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

formulas

cosA = − cosB cosC + sinB sinC cosa

(2.257)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Analogue

sinacosB = cosbsinc− sinbcosccosA

(2.258)

 

 

 

 

 

 

C

 

 

formula

 

 

 

 

 

B

A

 

Four-parts

cosacosC = sinacotb− sinC cotB

(2.259)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

formula

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Areab

E = A+ B + C π

(2.260)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aOn a unit sphere.

bAlso called the “spherical excess.”

2.6 Mensuration

37

 

 

Perimeter, area, and volume

Perimeter of circle

 

P = 2πr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.261)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Area of circle

 

A = πr2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.262)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Surface area of spherea

A = 4πR2

 

 

 

 

 

 

(2.263)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of sphere

 

V =

4

πR3

 

 

 

 

 

 

(2.264)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P = 4aE(π/2, e)

 

(2.265)

Perimeter of ellipse

b

 

 

 

 

 

a2 + b2

1/2

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.266)

 

 

 

 

2

 

 

 

Area of ellipse

 

A = πab

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.267)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of ellipsoidc

 

 

 

abc

 

 

 

 

 

 

(2.268)

V = 4π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Surface area of

 

A = 2πr(h+ r)

 

 

(2.269)

cylinder

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of cylinder

 

V = πr2h

 

 

 

 

 

 

(2.270)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Area of circular coned

A = πrl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.271)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of cone or

 

V = Abh/3

 

 

 

 

 

 

(2.272)

pyramid

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Surface area of torus

A = π2(r1 + r2)(r2 r1)

 

(2.273)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of torus

 

 

π2

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V = 4 (r2 r1 )(r2 r1)

 

(2.274)

 

 

 

Aread of spherical cap,

A = 2πRd

 

 

 

 

 

 

(2.275)

depth d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Volume of spherical

V = πd2

R

 

d

 

 

 

cap, depth d

 

 

 

 

(2.276)

 

3

 

Solid angle of a circle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ω = 2π 1 − (z2 + r2)1/2

(2.277)

from a point on its

axis, z from centre

 

= 2π(1 − cosα)

 

(2.278)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pperimeter

rradius

A area

2

Rsphere radius

Vvolume

asemi-major axis

bsemi-minor axis

Eelliptic integral of the second kind (p. 45)

eeccentricity (= 1 − b2/a2)

cthird semi-axis

hheight

lslant height

Ab base area

r1

inner radius

r2

outer radius

dcap depth

solid angle

zdistance from centre

αhalf-angle subtended

α

r

 

z

 

aSphere defined by x2 + y2 + z2 = R2.

b

exact when e = 0 and e

 

0.91, giving a maximum error of 11% at e = 1.

c The approximation is

2

/a

2

+ y

2

/b

2

+ z

2 2

 

 

Ellipsoid defined by x

 

 

 

/c

= 1.

 

dCurved surface only.

38

 

 

 

 

 

 

Mathematics

Conic sections

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

y

 

y

 

 

 

 

b

 

 

 

 

a

 

x

 

x

 

x

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

parabola

ellipse

hyperbola

 

 

2

 

x2

y2

x2

y2

equation

y

 

= 4ax

a2 + b2 = 1

a2 b2 = 1

parametric

 

x = t2/(4a)

x = acost

x = ±acosht

form

 

y = t

y = bsint

y = bsinht

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,0)

foci

(a,0)

a2 b2

,0)

a2 + b2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

+ b2

eccentricity

e = 1

a2

b2

e =

 

 

 

 

 

 

e =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

directrices

x = −a

x = ±

 

 

 

 

 

 

x = ±

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

e

 

 

 

Platonic solidsa

solid

volume

 

 

 

 

 

surface area

circumradius

inradius

 

 

 

 

 

 

 

(faces,edges,vertices)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

6

 

 

 

 

 

 

 

tetrahedron

 

 

 

 

 

 

 

a23

 

 

 

 

 

 

 

(4,6,4)

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cube

a3

 

 

 

 

 

6a2

 

 

 

 

 

 

 

 

3

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6,12,8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

octahedron

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8,12,6)

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

(12,30,20)

 

 

 

 

 

 

 

3a2

5(5 + 25)

 

3(1 + 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

4

4

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dodecahedron

 

a3(15 + 75)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

50 + 225

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(20,30,12)

 

 

 

 

 

 

 

5a2

3

 

 

2(5 + 5)

 

 

3 +

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

4

4

3

 

5)

 

icosahedron

 

5a3(3 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aOf side a. Both regular and irregular polyhedra follow the Euler relation, faces − edges + vertices = 2.

2.6 Mensuration

39

 

 

Curve measure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

a

start point

 

 

Length of plane

 

 

b

 

 

 

dy

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

b

end point

 

 

curve

l =

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

(2.279)

y(x)

plane curve

 

2

a

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

length

 

Surface of

 

 

 

b

 

 

 

 

dy

2

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

revolution

A = 2π a

y 1 +

 

 

 

 

 

 

 

dx

(2.280)

A

surface area

 

 

dx

 

 

 

 

 

Volume of

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V = π a

y2 dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.281)

V

volume

 

 

revolution

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Radius of

ρ = 1 +

dy

2

 

3/2

 

d2y

 

−1

 

ρ

radius of

 

 

curvature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.282)

 

curvature

 

 

dx

 

 

 

 

dx2

 

 

 

 

Di erential geometrya

Unit tangent

τˆ =

r˙

=

r˙

 

 

(2.283)

 

 

 

 

 

|r˙|

v

 

 

Unit principal normal

nˆ =

r¨ − ˙ˆ

 

 

(2.284)

 

 

|r¨ − ˙ˆ |

 

 

Unit binormal

ˆ

 

 

 

 

 

 

(2.285)

b = τˆ×nˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

˙

r¨

 

 

 

 

Curvature

κ =

|r×3|

 

 

 

(2.286)

 

 

|r˙|

 

 

 

 

Radius of curvature

ρ =

1

 

 

 

 

 

(2.287)

κ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r˙ · (r¨×

...

 

 

Torsion

λ =

r

)

 

(2.288)

 

 

 

 

 

|r˙×r¨|2

 

 

 

 

˙

 

 

 

 

 

 

(2.289)

 

τˆ = κvnˆ

 

 

 

Frenet’s formulas

˙

 

 

 

 

 

ˆ

(2.290)

nˆ = −κvτˆ +

λvb

 

˙

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

(2.291)

 

b = −λvnˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

τtangent

rcurve parameterised by r(t)

v|r˙(t)|

nprincipal normal

bbinormal

κcurvature

ρradius of curvature

λ

torsion

 

 

 

nˆ

 

 

osculating

 

 

plane

normal plane

τˆ

 

 

 

r

rectifying

ˆ

 

 

plane

b

 

origin

aFor a continuous curve in three dimensions, traced by the position vector r(t).

40

Mathematics

 

 

2.7 Di erentiation

Derivatives (general)

Power

d

(un) = nun−1

 

 

 

du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.292)

dx

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Product

d

(uv) = u

dv

 

+ v

 

du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.293)

dx

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quotient

d

 

u

!

=

1 du

u

 

 

 

dv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.294)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

v

v

 

dx

v2

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Function of a

d

[f(u)] =

 

d

[f(u)]

·

 

du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.295)

functiona

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

du

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

dnu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n dv dn−1u

 

 

 

 

 

 

 

 

[uv] = 0 v

 

 

 

 

 

 

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

+ · · ·

 

Leibniz theorem

dxn

dxn

 

 

dx

dxn−1

(2.296)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n dkv dnku

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

dnv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ k

 

 

 

 

 

 

 

 

+ · · · + n u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxk

dxnk

dxn

 

 

d

 

 

 

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Di erentiation

p

f(x) dx

 

= f(q)

(p constant)

 

 

(2.297)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

under the integral

dq

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

q

f(x) dx = −f(p)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sign

p

 

(q constant)

(2.298)

 

 

 

 

dp

 

d

 

 

 

v(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

 

 

 

 

du

 

 

 

 

General integral

u(x)

f(t) dt = f(v)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(u)

 

 

 

 

 

 

(2.299)

dx

dx

dx

 

 

 

Logarithm

d

(logb |ax|) = (xlnb)−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.300)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Exponential

d

(eax) = aeax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.301)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

dy

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.302)

 

 

dy

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2x

 

 

 

 

 

d2y

 

 

 

 

dy

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inverse functions

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.303)

dy2

dx2

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d3x

 

 

3

 

 

 

d2y

 

2

 

 

 

 

 

 

 

dy d3y

 

 

dy

 

5

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.304)

 

dy3

dx2

 

 

 

 

dx

dx3

 

dx

 

 

npower index

u,v functions of x

f(u) function of u(x)

n

binomial

k

coe cient

blog base

aconstant

aThe “chain rule.”

2.7 Di erentiation

41

 

 

Trigonometric derivativesa

 

d

(sinax) = acosax

 

 

 

 

(2.305)

d

(cosax) = −asinax

 

 

 

(2.306)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

dx

 

 

 

2

 

d

(tanax) = asec

2

ax

 

 

 

 

(2.307)

d

(cscax) = −acscax· cotax

(2.308)

 

 

dx

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

(secax) = asecax· tanax

(2.309)

d

(cotax) = −acsc2 ax

 

 

 

(2.310)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx

 

 

 

 

 

 

d

(arcsinax) = a(1 − a2x2)−1/2

(2.311)

d

(arccosax) = −a(1 − a2x2)−1/2

(2.312)

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

(arctanax) = a(1 + a2x2)−1

(2.313)

 

(arccscax) = −

 

 

 

(a2x2 − 1)−1/2

(2.314)

 

 

 

dx

dx

|ax|

 

 

 

d

(arcsecax) =

 

 

a

 

(a2x2

− 1)−1/2

(2.315)

d

(arccotax) = −a(a2x2 + 1)−1

(2.316)

 

 

 

dx

|

ax

|

dx

 

 

aa is a constant.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hyperbolic derivativesa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

(sinhax) = acoshax

 

 

 

(2.317)

d

(coshax) = asinhax

 

 

 

(2.318)

 

 

 

dx

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

(tanhax) = asech2 ax

 

 

 

(2.319)

d

(cschax) = −acschax· cothax

(2.320)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

dx

 

 

 

d

(sechax) = −asechax· tanhax

(2.321)

d

(cothax) = −acsch2 ax

 

 

(2.322)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx

 

 

 

 

 

d

(arsinhax) = a(a2x2 + 1)−1/2

(2.323)

d

(arcoshax) = a(a2x2 − 1)−1/2

(2.324)

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

(artanhax) = a(1 − a2x2)−1

(2.325)

 

(arcschax) = −

 

(1 + a2x2)−1/2

(2.326)

 

 

 

dx

dx

|ax|

 

 

 

d

(arsechax) =

 

a

(1

a2x2)−1/2

d

2

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

dx

 

|ax|

 

 

 

 

(arcothax) = a(1 − a

x

 

(2.328)

 

 

 

 

 

 

(2.327)

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aa is a constant.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42 Mathematics

Partial derivatives

Total

 

 

 

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

∂f

 

 

 

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

di erential

df =

 

 

 

dx+

 

 

 

dy +

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

(2.329)

f

 

f(x,y,z)

∂x

∂y

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂g

 

 

∂x

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reciprocity

 

∂x

y

∂y

 

g

∂g

 

x = −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.330)

g

 

g(x,y)

 

 

∂f

 

 

 

 

∂f

∂x

 

 

∂f ∂y

 

∂f ∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chain rule

 

 

=

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.331)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z ∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x ∂u

 

 

∂y ∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂x

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

Jacobian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

∂v

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x,y,z)

 

 

∂y

 

 

 

∂y

 

∂y

 

 

 

 

 

 

u

 

u(x,y,z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jacobian

J =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.332)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(u,v,w)

 

 

∂u

 

 

∂v

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

v(x,y,z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

∂z

 

∂z

 

 

 

 

 

 

w

 

w(x,y,z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

∂v

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

Change of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)J dudvdw

V

 

volume in (x,y,z)

 

 

f(x,y,z) dxdydz =

 

 

 

 

f(u,v,w

V

 

volume in (u,v,w)

variable

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.333)

 

mapped to by V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Euler–

if

I =

 

 

F(x,y,y

 

) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lagrange

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

d

 

∂F

 

 

y

 

dy/dx

equation

then

 

δI = 0

 

 

when

 

 

=

 

(2.334)

a,b

fixed end points

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

dx

∂y

 

 

 

Stationary pointsa

saddle point

 

maximum

 

 

 

minimum

 

quartic minimum

Stationary point if

∂f

∂f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x = ∂y

= 0

at (x0,y0)

(necessary condition)

 

 

 

 

(2.335)

 

 

 

 

 

Additional su cient conditions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2f

 

 

2f ∂2f

>

2f

 

2

 

 

 

 

 

for maximum

< 0,

and

 

 

 

 

 

(2.336)

∂x2

∂x2 ∂y2

∂x∂y

 

 

 

 

 

 

2f

 

 

2f ∂2f

>

2f

 

2

 

 

 

 

 

for minimum

> 0,

and

 

 

 

 

 

(2.337)

∂x2

∂x2 ∂y2

∂x∂y

 

 

 

 

 

 

2f ∂2f

2f

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for saddle point

∂x2 ∂y2

< ∂x∂y

 

 

 

 

 

 

2f2

 

2f2

(2.338)

aOf a function f(x,y) at the point (x0,y0). Note that at, for example, a quartic minimum

=

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

2.7 Di erentiation

43

 

 

Di erential equations

Laplace

2f = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.339)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Di usiona

 

∂f

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t = D

f

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.340)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Helmholtz

2f + α2f = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.341)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wave

 

 

2

 

 

 

 

1 2f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = c2 ∂t2

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.342)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Legendre

 

d

(1

x2)

 

dy

+ l(l + 1)y = 0

 

(2.343)

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx

 

Associated

 

d

(1

x2)

 

dy

+ l

(l + 1) −

m2

y = 0

(2.344)

Legendre

 

dx

dx

1 − x2

Bessel

 

 

2 d2y

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x dx2

+ x dx + (x m )y = 0

 

(2.345)

 

 

Hermite

 

d2y

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx2 − 2x dx + 2αy = 0

 

 

(2.346)

 

 

 

 

Laguerre

 

 

 

d2y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

x dx2 + (1 − x) dx + αy = 0

 

 

(2.347)

 

 

 

Associated

 

 

 

d2y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

Laguerre

x

 

+ (1 + k x)

 

 

+ αy = 0

 

(2.348)

dx2

dx

 

Chebyshev

 

 

 

 

2

 

d2y

 

 

dy

 

2

 

 

 

(1 − x ) dx2 x dx + n y = 0

 

 

(2.349)

 

 

 

Euler (or

 

 

2

d2y

 

 

 

 

 

 

 

 

dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cauchy)

x

 

 

 

 

+ ax

 

 

 

+ by = f(x)

 

 

(2.350)

 

 

dx2

dx

 

 

Bernoulli

 

dy

+ p(x)y = q(x)ya

 

 

 

(2.351)

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Airy

 

d2y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx2 = xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.352)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ff(x,y,z)

D

di usion

2

 

coe cient

 

α

constant

 

cwave speed

linteger

minteger

kinteger

ninteger

a,b constants

p,q functions of x

aAlso known as the “conduction equation.” For thermal conduction, f T and D, the thermal di usivity, ≡ κ λ/(ρcp), where T is the temperature distribution, λ the thermal conductivity, ρ the density, and cp the specific heat capacity of the material.