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El "inverso" de operador de $\nabla\times$

De la física, para utilizar un ejemplo bien conocido, sabemos que la relación entre la inducción magnética $\mathbf{B}$y el vector potencial $\mathbf{A}$ está dada por:

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

Mi pregunta es: podría/hace existe un operador $\mathrm{\hat{O}}$ (o con una mala notación: "$(\nabla\times)^{-1}"$ tal que

$$(\nabla\times)^{-1}\mathbf{B} = \mathbf{A}$$

¿Quiero decir: conocer el campo magnético $\mathbf{B}$, existe un operador $\mathrm{O}$ tal que $\mathrm{\hat{O}} \mathbf{B} = \mathbf{A}$?

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Chappers Puntos 20774

En primer lugar, tenga en cuenta que podemos esperar una relación inversa entre la voluntad de ser no local, ya que la inversa de la norma diferencial operador $d/dx$ es la integral de la $\int_a^x \, dx'$.

Suponga que en el caso más simple, tenemos el simplemente se conecta el dominio $\mathbb{R}^3$ (con suficiente caries en el infinito que lo que las integrales escribimos convergerán), y que estamos tratando de resolver $$ \nabla \times A = B $$ para $A$. Tomando otro curl da $$ \nabla \times (\nabla \times A) = \nabla \times B, $$ y parece que he hecho cosas peores. Pero tenemos $$ \nabla \times (\nabla \times A) = \nabla(\nabla \cdot A)-\nabla^2 A, $$ donde el último término es el vector de Laplace. Ahora, si podemos decir que $\nabla \cdot A=0$ (que es cierto que no está claro es posible; vamos a volver a eso), entonces tenemos que resolver la ecuación $$ -\nabla^2 A = \nabla \times B. $$ Pero si usamos coordenadas Cartesianas, el vector de Laplace actúa como el ordinario Laplaciano en cada componente de $A$; por lo tanto, se puede invertir mediante la función de Green para el Laplaciano (si usted no conoce esto, es dada por la solución a $-\nabla_x^2 G(x-y) = \delta(x-y)$ satisfacer el derecho de las condiciones de contorno), que en este caso es $-1/(4\pi |x-y|)$. A continuación, definimos $$ A_B(x) = \int_{\mathbb{R}^3} G(x-y) (\nabla \times B)(y) \, dy=\int B(y) \times [\nabla G(x-y)] \, dy, $$ la integración por partes. Hace este trabajo? Bien, $$ \nabla \times (X \times a) = (a\cdot \nabla)X-(\nabla \cdot X)a, $$ así tenemos $$ \nabla \times A_B = \int (B(y) \cdot \nabla)\nabla G(x-y) \, dy + \int B(y) (-\nabla^2 G(x-y)) \, dy; $$ el antiguo término es cero porque si vamos a integrar por partes, obtenemos un $\nabla \cdot B$, que es cero debido a que $B$ que se supone será el curl de algo. El segundo término es sólo $B(x)$ por la definición de la función de Green!

(Algunos se requiere más atención en el anterior: decidir cómo activar el $\nabla_x$ a una $\nabla_y$ y así sucesivamente, pero esa es la idea correcta.)

Bueno, eso funciona. Ahora vamos a ordenar. Tenemos en primer lugar, quiero mostrar que podemos tomar $\nabla \cdot A=0$. Supongamos que definimos $\Lambda$, de modo que $-\nabla^2\Lambda=\nabla \cdot A$ (bastante fácil, el uso de la función de Green). Pero, a continuación, $A_{\Lambda}=A+\nabla \Lambda$ también resuelve $\nabla \times A_{\Lambda} = B$, y tiene cero divergencia. Esto también nos dice cómo llegar desde nuestro $A_B$ a lo más general a $A$ que no tiene $\nabla \cdot A=0$: agregar en un gradiente de algo.

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mathreadler Puntos 3517

Usted tiene el Helmholtz de descomposición en la física:

$$ {\bf F} = -\nabla \Phi + \nabla \times {\bf A}$$

que decir que el diferencial de partes de un vector campos se puede descomponer como la suma de una rotación libre (potencial escalar) y la rotación de la parte ( la llave ). Por lo tanto, debe ser imposible para "invertir", como el curl sólo capta una parte de los vectores que no es parte del potencial escalar. Mientras que un inverso por lo tanto es imposible que probablemente podemos encontrar una adecuada inversa generalizada o pseudoinverse, generalmente asumiendo que los componentes que faltan son 0.

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