ベクトル解析の公式の一覧

ベクトル解析の公式の一覧（ベクトルかいせきのこうしきのいちらん）では、3次元空間におけるベクトル解析の公式の一覧を与える。

内積と外積

ここで $\mathbf {A}$, $\mathbf {B}$, $\mathbf {C}$ は任意のベクトルである。また重複添え字については和を取る。$\epsilon _{ijk}$ はレヴィ＝チヴィタ記号、$\theta$ は $\mathbf {A}$, $\mathbf {B}$ がなす角である。

内積

$\mathbf {A} \cdot \mathbf {B} =A_{i}B_{i}=A_{x}B_{x}+A_{y}B_{y}+A_{z}B_{z}=|\mathbf {A} ||\mathbf {B} |\cos \theta$

$\mathbf {A} \cdot \mathbf {B} =\mathbf {B} \cdot \mathbf {A}$

外積

$\mathbf {A} \times \mathbf {B} =(\epsilon _{ijk}A_{j}B_{k})\mathbf {e} _{i}=(A_{y}B_{z}-A_{z}B_{y})\mathbf {e} _{x}+(A_{z}B_{x}-A_{x}B_{z})\mathbf {e} _{y}+(A_{x}B_{y}-A_{y}B_{x})\mathbf {e} _{z}$

$\mathbf {A} \times \mathbf {B} =-\mathbf {B} \times \mathbf {A}$

$|\mathbf {A} \times \mathbf {B} |=|\mathbf {A} |\mathbf {B} |\sin \theta$

スカラー三重積

$\mathbf {A} \cdot (\mathbf {B} \times \mathbf {C} )=\mathbf {B} \cdot (\mathbf {C} \times \mathbf {A} )=\mathbf {C} \cdot (\mathbf {A} \times \mathbf {B} )$

ベクトル三重積

$\mathbf {A} \times (\mathbf {B} \times \mathbf {C} )=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {C} )\mathbf {B} -(\mathbf {A} \cdot \mathbf {B} )\mathbf {C}$

ヤコビ恒等式

$\mathbf {A} \times (\mathbf {B} \times \mathbf {C} )+\mathbf {B} \times (\mathbf {C} \times \mathbf {A} )+\mathbf {C} \times (\mathbf {A} \times \mathbf {B} )=0$

四重積

$(\mathbf {A} \times \mathbf {B} )\cdot (\mathbf {C} \times \mathbf {D} )=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {C} )(\mathbf {B} \cdot \mathbf {D} )-(\mathbf {A} \cdot \mathbf {D} )(\mathbf {B} \cdot \mathbf {C} )$

$(\mathbf {A} \times \mathbf {B} )\times (\mathbf {C} \times \mathbf {D} )=[\mathbf {A} \cdot (\mathbf {C} \times \mathbf {D} )]\mathbf {B} -[\mathbf {B} \cdot (\mathbf {C} \times \mathbf {D} )]\mathbf {A}$

微分公式

ここで $\mathbf {A}$, $\mathbf {B}$ は任意のベクトル場, $f$ は任意のスカラー場である。

$\mathbf {\nabla } \cdot (f\mathbf {A} )=\mathbf {\nabla } f\cdot \mathbf {A} +f\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A}$

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

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

$\mathbf {\nabla } \times (f\mathbf {A} )=\mathbf {\nabla } f\times \mathbf {A} +f\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A}$

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

$\mathbf {\nabla } \times \mathbf {\nabla } f=0$

$\mathbf {\nabla } \cdot (\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} )=0$

$\mathbf {\nabla } \times (\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} )=\mathbf {\nabla } (\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A} )-\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A}$

ヘルムホルツ分解

$\mathbf {B} =\mathbf {\nabla } f+\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A}$

積分公式

ここで $\mathbf {A}$, $\mathbf {B}$, $\mathbf {C}$ は任意のベクトル場, $f$, $g$ は任意のスカラー場である。また, $V$ は空間領域, $\partial V$ はその境界, $S$ は面, $\mathbf {n}$ はその法線ベクトル ($S=\partial V$ の場合 $\mathbf {n}$ は外向きに取る), $d\mathbf {S} =\mathbf {n} dS$ は面要素ベクトルである。閉曲線 $\partial S$ に関する線積分 $d\mathbf {r}$ は法線 $\mathbf {n}$ に対応する向きとする。

ガウスの発散定理および関連する公式（最後の等式はグリーンの定理である）

$\int _{V}\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A} \,dV=\oint _{\partial V}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {S}$

$\int _{V}\mathbf {\nabla } f\,dV=\oint _{\partial V}f\,d\mathbf {S}$

$\int _{V}\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} \,dV=\oint _{\partial V}d\mathbf {S} \times \mathbf {A}$

$\int _{V}(f\mathbf {\nabla } ^{2}g-g\mathbf {\nabla } ^{2}f)dV=\oint _{\partial V}(f\mathbf {\nabla } g-g\mathbf {\nabla } f)\cdot d\mathbf {S}$

ストークスの定理および関連する公式

$\int _{S}(\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} )\cdot d\mathbf {S} =\oint _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {r}$

$\int _{S}d\mathbf {S} \times \mathbf {\nabla } f=\oint _{\partial S}fd\mathbf {r}$

$\int _{S}(d\mathbf {S} \times \mathbf {\nabla } )\times \mathbf {A} =\oint _{\partial S}d\mathbf {r} \times \mathbf {A}$

曲線座標

曲線座標における勾配、発散、回転、ラプラシアン、物質微分の公式。

円柱座標

円柱座標 $(r,\theta ,z)$ と直交座標 $(x,y,z)$ の変換

$\left\{{\begin{array}{l}x=r\cos \theta \\y=r\sin \theta \\z=z\end{array}}\right.\ \ \ \ \left\{{\begin{array}{l}r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}\\\theta =\tan ^{-1}{\frac {y}{x}}\\z=z\end{array}}\right.$

単位基底ベクトル

$\mathbf {e} _{r}=\cos \theta \mathbf {e} _{x}+\sin \theta \mathbf {e} _{y}$

$\mathbf {e} _{\theta }=-\sin \theta \mathbf {e} _{x}+\cos \theta \mathbf {e} _{y}$

$\mathbf {e} _{z}=\mathbf {e} _{z}$

計量

$ds^{2}=dr^{2}+r^{2}d\theta ^{2}+dz^{2}$

体積要素

$dV=r\,dr\,d\theta \,dz$

勾配

$\mathbf {\nabla } f={\frac {\partial f}{\partial r}}\mathbf {e} _{r}+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial f}{\partial \theta }}\mathbf {e} _{\theta }+{\frac {\partial f}{\partial z}}\mathbf {e} _{z}$

発散

$\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A} ={\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rA_{r})+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \theta }}+{\frac {\partial A_{z}}{\partial z}}$

回転

$\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} =\left({\frac {1}{r}}{\frac {\partial A_{z}}{\partial \theta }}-{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial z}}\right)\mathbf {e} _{r}+\left({\frac {\partial A_{r}}{\partial z}}-{\frac {\partial A_{z}}{\partial r}}\right)\mathbf {e} _{\theta }+\left[{\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}(rA_{\theta })-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}\right]\mathbf {e} _{z}$

ラプラシアン (スカラー場)

$\mathbf {\nabla } ^{2}f={\frac {1}{r}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r{\frac {\partial f}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial \theta ^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}f}{\partial z^{2}}}$

ラプラシアン (ベクトル場)

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{r}=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{r}-{\frac {2}{r^{2}}}{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \theta }}-{\frac {A_{r}}{r^{2}}}$

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{\theta }=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{\theta }+{\frac {2}{r^{2}}}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}-{\frac {A_{\theta }}{r^{2}}}$

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{z}=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{z}$

物質微分

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{r}=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{r}-{\frac {A_{\theta }B_{\theta }}{r}}$

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{\theta }=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{\theta }+{\frac {A_{\theta }B_{r}}{r}}$

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{z}=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{z}$

球座標

球座標 $(r,\theta ,\phi )$ と直交座標 $(x,y,z)$ の変換

$\left\{{\begin{array}{l}x=r\sin \theta \cos \phi \\y=r\sin \theta \sin \phi \\z=r\cos \theta \end{array}}\right.\ \ \ \ \left\{{\begin{array}{l}r={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}\\\theta =\cos ^{-1}{\frac {z}{r}}\\\phi =\tan ^{-1}{\frac {y}{x}}\end{array}}\right.$

単位基底ベクトル

$\mathbf {e} _{r}=\sin \theta \cos \phi \mathbf {e} _{x}+\sin \theta \sin \phi \mathbf {e} _{y}+\cos \theta \mathbf {e} _{z}$

$\mathbf {e} _{\theta }=\cos \theta \cos \phi \mathbf {e} _{x}+\cos \theta \sin \phi \mathbf {e} _{y}-\sin \theta \mathbf {e} _{z}$

$\mathbf {e} _{\phi }=-\sin \phi \mathbf {e} _{x}+\cos \phi \mathbf {e} _{y}$

計量

$ds^{2}=dr^{2}+r^{2}(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta d\phi ^{2})$

体積要素

$dV=r^{2}\sin \theta \,dr\,d\theta \,d\phi$

勾配

$\mathbf {\nabla } f={\frac {\partial f}{\partial r}}\mathbf {e} _{r}+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial f}{\partial \theta }}\mathbf {e} _{\theta }+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial f}{\partial \phi }}\mathbf {e} _{\phi }$

発散

$\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A} ={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}(r^{2}A_{r})+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial }{\partial \theta }}(\sin \theta A_{\theta })+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial \phi }}$

回転

$\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} ={\frac {1}{r\sin \theta }}\left[{\frac {\partial }{\partial \theta }}(\sin \theta A_{\phi })-{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \phi }}\right]\mathbf {e} _{r}+{\frac {1}{r}}\left[{\frac {1}{\sin \theta }}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \phi }}-{\frac {\partial }{\partial r}}(rA_{\phi })\right]\mathbf {e} _{\theta }+{\frac {1}{r}}\left[{\frac {\partial }{\partial r}}(rA_{\theta })-{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}\right]\mathbf {e} _{\phi }$

ラプラシアン (スカラー場)

$\mathbf {\nabla } ^{2}f={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial }{\partial r}}\left(r^{2}{\frac {\partial f}{\partial r}}\right)+{\frac {1}{r^{2}\sin \theta }}{\frac {\partial }{\partial \theta }}\left(\sin \theta {\frac {\partial f}{\partial \theta }}\right)+{\frac {1}{r^{2}\sin ^{2}\theta }}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial \phi ^{2}}}$

ラプラシアン (ベクトル場)

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{r}=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{r}-{\frac {2}{r^{2}}}{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \theta }}-{\frac {2}{r^{2}\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial \phi }}-{\frac {2A_{r}}{r^{2}}}-{\frac {2\cot \theta A_{\theta }}{r^{2}}}$

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{\theta }=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{\theta }+{\frac {2}{r^{2}}}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}-{\frac {2\cot \theta }{r^{2}\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial \phi }}-{\frac {A_{\theta }}{r^{2}\sin ^{2}\theta }}$

$[\mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {A} ]_{\phi }=\mathbf {\nabla } ^{2}A_{\phi }+{\frac {2}{r^{2}\sin \theta }}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \phi }}+{\frac {2\cot \theta }{r^{2}\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \phi }}-{\frac {A_{\phi }}{r^{2}\sin ^{2}\theta }}$

物質微分

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{r}=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{r}-{\frac {A_{\theta }B_{\theta }+A_{\phi }B_{\phi }}{r}}$

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{\theta }=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{\theta }+{\frac {A_{\theta }B_{r}}{r}}-{\frac {A_{\phi }B_{\phi }\cot \theta }{r}}$

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{\phi }=(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )B_{z}+{\frac {A_{\phi }B_{r}}{r}}+{\frac {A_{\phi }B_{\theta }\cot \theta }{r}}$

直交曲線座標

3次元ユークリッド空間 $\mathbb {R} ^{3}$ の曲線座標 $x^{i}$ について、その座標系で計量が

$ds^{2}=\sum _{i=1}^{3}h_{i}(x)^{2}(dx^{i})^{2}$

という対角形になるとき、これを直交曲線座標と呼ぶ。この座標系に付随する規格化された基底ベクトルを $\mathbf {e} _{i}$ とする。

体積要素

$dV=hdx^{1}dx^{2}dx^{3},\ \ h=h_{1}h_{2}h_{3}$

勾配

$\mathbf {\nabla } f=\sum _{i=1}^{3}{\frac {1}{h_{i}}}{\frac {\partial f}{\partial x^{i}}}\mathbf {e} _{i}$

発散

$\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {A} =\sum _{i=1}^{3}{\frac {1}{h}}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}\left({\frac {h}{h_{i}}}A_{i}\right)$

回転

$\mathbf {\nabla } \times \mathbf {A} =\sum _{i=1}^{3}\mathbf {e} _{i}\sum _{j=1}^{3}\sum _{k=1}^{3}\epsilon _{ijk}{\frac {h_{i}}{h}}{\frac {\partial (h_{k}A_{k})}{\partial x^{j}}}$

ラプラシアン (スカラー場)

$\mathbf {\nabla } ^{2}f=\sum _{i=1}^{3}{\frac {1}{h}}{\frac {\partial }{\partial x^{i}}}\left({\frac {h}{h_{i}^{2}}}{\frac {\partial f}{\partial x^{i}}}\right)$

物質微分

$[(\mathbf {A} \cdot \mathbf {\nabla } )\mathbf {B} ]_{i}=\sum _{k=1}^{3}\left[{\frac {A_{k}}{h_{k}}}{\frac {\partial B_{i}}{\partial x_{k}}}+\left(A_{i}{\frac {\partial h_{i}}{\partial x_{k}}}-A_{k}{\frac {\partial h_{k}}{\partial x_{i}}}\right){\frac {B_{k}}{h_{k}h_{i}}}\right]$