31-01-2024
Опера́тор на́бла (оператор Гамильтона) — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого являются частными производными по координатам. Обозначается символом (набла) (в Юникоде U+2207
, ∇).
Для трёхмерного евклидова пространства в прямоугольной декартовой системе координат (ПДСК)[1] оператор набла определяется следующим образом:
где — единичные векторы по осям соответственно.
Также используется следующая запись оператора набла через компоненты:
Через оператор набла естественным способом выражаются основные операции векторного анализа: grad (градиент), div (дивергенция), rot (ротор), а также оператор Лапласа (см. ниже). Широко употребляется в описанном смысле в физике и математике (хотя иногда графический символ используется также для обозначения некоторых других, хотя в некотором отношении не совсем далеких от рассмотренного, математических объектов, например, ковариантной производной).
Под n-мерным оператором набла подразумевается вектор в n-мерном пространстве[2] следующего вида:
где — единичные векторы по осям соответственно.
Иногда, особенно при начертании от руки, над оператором набла рисуют стрелку: — чтобы подчеркнуть векторный характер оператора. Смысл такого начертания ничем не отличается от обычного .
Этот оператор приобретает смысл в сочетании со скалярной или векторной функцией, к которой он применяется.
Если умножить вектор на скаляр , то получится вектор
который представляет собой градиент функции .
Если вектор скалярно умножить на вектор , получится скаляр
то есть дивергенция вектора .
Если умножить на векторно, то получится ротор вектора :
Соответственно, скалярное произведение есть скалярный оператор, называемый оператором Лапласа. Последний обозначается также . В декартовых координатах оператор Лапласа определяется следующим образом:
Поскольку оператор набла является дифференциальным оператором, то при преобразовании выражений необходимо учитывать как правила векторной алгебры, так и правила дифференцирования. Например:
То есть производная выражения, зависящего от двух полей, есть сумма выражений, в каждом из которых дифференцированию подвергается только одно поле.
Для удобства обозначения того, на какие поля действует набла, принято считать, что в произведении полей и операторов каждый оператор действует на выражение, стоящее справа от него, и не действует на всё, что стоит слева. Если требуется, чтобы оператор действовал на поле, стоящее слева, это поле каким-то образом отмечают, например, ставя над буквой стрелочку:
Такая форма записи обычно используется в промежуточных преобразованиях. Из-за её неудобства в окончательном ответе от стрелочек стараются избавиться.
Так как существуют различные способы перемножения векторов и скаляров, с помощью оператора набла можно записать различные виды дифференцирования. Комбинирование скалярных и векторных произведений даёт 7 различных вариантов производных второго порядка:
Для достаточно гладких полей (дважды непрерывно дифференцируемых) эти операторы не независимы. Два из них всегда равны нулю:
Два всегда совпадают:
Три оставшихся связаны соотношением:
Еще одно может быть выражено через тензорное произведение векторов:
Хотя большинство свойств оператора набла следуют из алгебраических свойств операторов и чисел и становятся вполне очевидными, если рассматривать его как вектор, нужно соблюдать осторожность. Оператор набла не принадлежит тому же пространству, что и обычные векторы, а говоря точнее, скалярное и векторное произведение для него определено с некоторыми отличиями (в основном сводящимися к тому, что — как это обычно подразумевается — оператор действует на те поля, что стоят от него справа, и не действует на стоящие от него слева, из-за чего скалярное и векторное произведение с участием не коммутативны и не антикоммутативны, как это свойственно для таких произведений обычных векторов), таким образом, оператор набла не обладает некоторыми свойствами обычных векторов, и следовательно не во всём может вести себя в соответствии с геометрическими свойствами обычного вектора. В частности,
он не коммутирует с векторами:
ведь — это дивергенция, то есть в конечном итоге просто скалярная функция координат, а представляет собой нетривиальный оператор дифференцирования по направлению векторного поля .
Можно дополнительно убедиться в том, что они не совпадают, применив оба выражения к скалярной функции f:
так как
Если бы набла был вектором, то смешанное произведение было бы всегда равно нулю, однако несложно убедиться, что это неверно.
Кроме того, необходимо помнить, на какие векторы и функции действует каждый оператор набла в написанной формуле, например:
(здесь первый оператор набла действует только на поле x, а второй — только на 'y', что как бы жестко фиксирует порядок действий). Тогда как для обычных векторов:
поскольку здесь x и y легко выносятся.
Поэтому для удобства, при умножении оператора набла на сложное выражение, обычно дифференцируемое поле обозначают стрелочкой:
Если оператор не действует на некоторое поле, то частные производные коммутируют во всех выражениях с компонентами этого поля, поэтому поле и оператор коммутируют (для векторного произведения — антикоммутируют) во всех выражениях и можно производить чисто алгебраические преобразования.
В 1853 году В. Р. Гамильтон ввёл этот оператор и придумал для него символ в виде перевёрнутой греческой буквы Δ (дельта). У Гамильтона острие символа указывало налево, позже в работах П. Г. Тэта символ приобрёл современный вид. Гамильтон назвал этот символ словом «атлед» (слово «дельта», прочитанное наоборот), однако позднее английские учёные, в том числе О. Хевисайд, стали называть этот символ «на́бла» из-за сходства с остовом древнеассирийского музыкального инструмента наблы, а оператор получил название оператора Гамильтона, или оператора набла[3].
Существует мнение, что — буква финикийского алфавита, происхождение которой связано с музыкальным инструментом типа арфы[4]. «ναβλα» (набла) на древнегреческом означает «арфа».
Дифференциальное исчисление | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Основное | Производная • Дифференциал • Производная по направлению • Частная производная • Полная производная функции • Логарифмическая производная • Матрица Якоби • Матрица Гессе • Дифференциальная форма • Дифференциальное уравнение | ||||||
Частные виды | Абелев дифференциал • Производная Ли • Производная Дини • Производная Пинкерля • Производная Римана • Ковариантная производная • Производная Пеано • Производная Радона — Никодима | ||||||
Дифференциальные операторы (в различных координатах) |
|
||||||
Связанные темы | Численное дифференцирование • Вариационное исчисление • Интеграл • Ряд Тейлора |
Оператор набла от функции, оператор набла для сферических координат, оператор набла это в физике.
Пуксиб, Речные пираты, Файл:Gatineau - QC - Museum of Civilisation.jpg, Сиблинги.