Formelsammlung Tensoranalysis
Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Analysis mit Vektor- und Tensorfeldern zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen.
Allgemeines
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Siehe auch
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nomenklatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Es wird der dreidimensionale euklidische Vektorraum 𝕍={ℝ3,+,·} mit Skalarprodukt „·“ zu Grunde gelegt.
- Operatoren wie „“ werden nicht kursiv geschrieben.
- Buchstaben in der Mitte des Alphabets werden als Indizes benutzt:
- Es gilt die Einsteinsche Summenkonvention ohne Beachtung der Indexstellung.
- Kommt in einer Formel in einem Produkt ein Index doppelt vor wie in wird über diesen Index von eins bis drei summiert:
. - Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in wird über diese summiert:
. - Ein Index, der nur einfach vorkommt wie in , ist ein freier Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:
.
- Kommt in einer Formel in einem Produkt ein Index doppelt vor wie in wird über diesen Index von eins bis drei summiert:
- Vektoren:
- Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren in 𝕍.
- Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet.
- Einheitsvektoren mit Länge eins werden wie in ĉ mit einem Hut versehen.
- Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in mit einem Pfeil versehen.
- Standardbasis ê1,2,3
- Beliebige Basis mit dualer Basis
- Der Vektor wird durchgängig Ortsvektor genannt.
- Tensoren zweiter Stufe werden wie in T mit fetten Großbuchstaben notiert. Insbesondere Einheitstensor 1.
- Koordinaten:
- Konstanten:
- Zeit t ∈ ℝ
- Variablen: skalar r,s ∈ ℝ oder vektorwertig
- Feldfunktionen abhängig von oder :
- Skalar oder vektorwertig
- Tensorwertig: S, T
- Skalar-, vektor- oder tensorwertig: φ
- Operatoren:
- Formelsammlung Tensoralgebra#Spur: Sp
- Formelsammlung Tensoralgebra#Transposition: T⊤
- Formelsammlung Tensoralgebra#Inverse: T -1
- Transponierte Inverse: T ⊤-1
- Formelsammlung Tensoralgebra#Skalarprodukt von Tensoren :, von Vektoren ·
- Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor × oder von Vektoren untereinander
- Formelsammlung Tensoralgebra#Dyadisches Produkt ⊗
- Äußeres Tensorprodukt
- Vektorinvariante
- Differentialoperatoren:
- #Nabla-Operator: 𝜵
- #Gradient: grad
- #Divergenz: div
- #Rotation: rot
- #Laplace-Operator: Δ
- Ein Index hinter einem Komma bezeichnet die Ableitung nach einer Koordinate:
- Zeitableitung mit Überpunkt:
- Landau-Symbole: f = 𝓞(x): f wächst langsamer als x.
- Kontinuumsmechanik:
- Verschiebung
- Geschwindigkeit
- Deformationsgradient
- Räumlicher Geschwindigkeitsgradient
- der Differentialoperator D/Dt und der Überpunkt steht für die substantielle Zeitableitung
Kronecker-Delta
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Permutationssymbol
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Formelsammlung Tensoralgebra#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor:
Basisvektoren
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Kartesische Koordinaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit Basisvektoren
die Standardbasis oder allgemeiner eine beliebige Orthonormalbasis ist.
Zylinderkoordinaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Winkelgeschwindigkeit#Zylinderkoordinaten:
Kugelkoordinaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Winkelgeschwindigkeit#Kugelkoordinaten:
Krummlinige Koordinaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ableitung von Skalar-, Vektor- oder Tensorfunktionen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gâteaux-Differential
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit , skalar-, vektor- oder tensorwertig aber und gleichartig.
Fréchet-Ableitung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Existiert ein beschränkter linearer Operator , sodass
gilt, so wird Fréchet-Ableitung von nach genannt. Man schreibt dann auch
- .
Ableitung der Inversen eines Tensors
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]siehe Formelsammlung Tensoralgebra#Tensoren vierter Stufe.
Denn das #Gâteaux-Differential der Inversen lautet:
Ableitungen nach dem Ort
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nabla-Operator
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]#Krummlinige Koordinaten : mit .
Gradient
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Definition des Gradienten/Allgemeines
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Definierende Eigenschaft bei skalar-, vektor- oder tensorwertiger Funktion φ ist die lineare Approximation 𝓛 in einem Punkt:[1.1]
- wenn
Wenn 𝓛 existiert, ist es eindeutig. Bei einer skalaren Funktion f ist grad(f) ein Vektor:
Bei Vektoren oder Tensoren φ gibt es Rechtsgradienten
und Linksgradienten
siehe Krummlinige Koordinaten#Allgemeine krummlinige Koordinatensysteme. Hier wird die Rechtsversion verwendet.
Berechnung für skalar-, vektor- oder allgemein tensorwertige Funktion φ:
Integrabilitätsbedingung: Jedes rotationsfreie Vektorfeld ist das Gradientenfeld eines Skalarpotentials:
- .
Koordinatenfreie Darstellung als Volumenableitung:
- Volumen mit
- Oberfläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
Nützliche Formeln für Gradienten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit [2.1]
Gradient in verschiedenen Koordinatensystemen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Vektorfelder:
Mit den kovarianten Ableitungen
Tensorfelder:
Für ein Tensorfeld zweiter Stufe:
Produktregel für Gradienten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]In drei Dimensionen ist speziell[2]
Beliebige Basis:
Divergenz
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Definition der Divergenz/Allgemeines
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Vektorfeld :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]
- →
Koordinatenfreie Darstellung:
- Volumen mit
- Oberfläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
Nützliche Formeln für Divergenzen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit [2.1]
Divergenz in verschiedenen Koordinatensystemen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
ergibt sich hieraus durch Vertauschen von Tab durch Tba.
Produktregel für Divergenzen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
Rotation
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Definition der Rotation/Allgemeines
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Vektorfeld :
Klassische Definition für ein Tensorfeld T:[1]
- →
Allgemeine Identitäten:
Integrabilitätsbedingung[3]: Jedes divergenzfreie Vektorfeld ist die Rotation eines Vektorfeldes:
- .
Siehe auch #Satz über rotationsfreie Felder.
Koordinatenfreie Darstellung:
- Volumen mit
- Oberfläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
Zusammenhang mit den anderen Differentialoperatoren:
Rotation in verschiedenen Koordinatensystemen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Produktregel für Rotationen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Beliebige Basis:
Produkt mit Konstanten:
In divergenzfreien Feldern ist also:
Laplace-Operator
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Definition des Laplace Operators/Allgemeines
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Für Skalarfelder:[4]
mit
- der metrische Tensor der Riemannschen Mannigfaltigkeit,
- ∇i die kovariante Ableitung
Zusammenhang mit anderen Differentialoperatoren:
„Vektorieller Laplace-Operator“ in 3D:
Für Tensorfelder[1]
Nützliche Formeln für den Laplace-Operator
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit [2.1]
Laplace-Operator in verschiedenen Koordinatensystemen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Produktregel für den Laplace-Operator
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Verknüpfungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Wegen der in der Literatur teilweise abweichenden Definitionen der Differentialoperatoren kann es in der Literatur zu abweichenden Formeln kommen. Wenn die Definitionen der Literatur hier eingesetzt werden, gehen die hiesigen Formeln in die der Literatur über.
Bei symmetrischem T = T⊤ gilt:[1]
Wenn zusätzlich dann ist:
Grassmann-Entwicklung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Sätze über Gradient, Divergenz und Rotation
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein Vektorfeld, dessen Divergenz und Rotation verschwindet, ist harmonisch:
siehe #Vektorieller Laplace-Operator.
Helmholtz-Theorem
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Jedes Vektorfeld lässt sich eindeutig in einen divergenzfreien und einen rotationsfreien Anteil zerlegen. Den Integrabilitätsbedingungen für Rotationen und Gradienten zufolge ist der erste Anteil ein Rotationsfeld und der zweite ein Gradientenfeld.
Satz über rotationsfreie Felder
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]oder
Gaußscher Integralsatz
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Volumen mit Volumenform und
- Oberfläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
- Ortsvektoren
- Skalar-, vektor- oder tensorwertige Funktion des Ortes :
Mit der #Produktregel für Gradienten, #Produktregel für Divergenzen und #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Klassischer Integralsatz von Stokes
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben:
- Fläche mit äußerem vektoriellem Oberflächenelement
- Berandungskurve der Fläche mit Linienelement
- Ortsvektoren
Vektorwertige Funktion :
Mit der #Produktregel für Rotationen können Formeln für die partielle Integration im Mehrdimensionalen abgeleitet werden, beispielsweise:
Reynoldscher Transportsatz
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben:
- Zeit
- Zeitabhängiges Volumen mit Volumenform mit
- Oberfläche des Volumes und äußerem vektoriellem Oberflächenelement
- Ortsvektoren
- Geschwindigkeitsfeld:
- Eine skalare oder vektorwertige Dichtefunktion pro Volumeneinheit , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
- Die Integrale Größe für das Volumen:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Transportsatz für Flächenintegrale
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben:
- Zeit
- Ortsvektoren
- Geschwindigkeitsfeld:
- Zeitabhängige Fläche , die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und auf der mit räumlichem, vektoriellem Oberflächenelement im Volumen v integriert wird
- Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
- Die Integrale Größe auf der Fläche:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Transportsatz für Kurvenintegrale
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben:
- Zeit
- Ortsvektoren
- Geschwindigkeitsfeld:
- Zeitabhängige Kurve , die mit dem Geschwindigkeitsfeld transportiert wird und entlang derer mit räumlichem, vektoriellem Linienelement im Volumen v integriert wird
- Eine skalare oder vektorwertige Feldgröße , die mit den sich bewegenden Partikeln transportiert wird.
- Die Integrale Größe entlang des Weges:
Skalare Funktion :
Vektorwertige Funktion :
Kontinuumsmechanik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Kleine Deformationen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ingenieursdehnungen:
Starrkörperbewegung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Orthogonaler Tensor beschreibt die Drehung.
Vektorinvariante oder dualer axialer Vektor des schiefsymmetrischen Tensors ist die Winkelgeschwindigkeit:
Starrkörperbewegung mit :
Ableitungen der Invarianten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]mit der transponiert inversen T⊤-1 und dem Kofaktor cof(T) des Tensors T.
Funktion der Invarianten:
Ableitung der Frobenius-Norm:
Eigenwerte (aus der impliziten Ableitung des charakteristischen Polynoms):
- →
Eigenwerte symmetrischer Tensoren:
Eigenwerte von , wo dual zu den Eigenvektoren sind :
- (keine Summe)
Die Eigenwerte von sind mit den Eigenvektoren . Hier ist:
- (keine Summe)
mit und der Überstrich markiert den konjugiert komplexen Wert.
Konvektive Koordinaten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Konvektive Koordinaten
Kovariante Basisvektoren ,
Kontravariante Basisvektoren ,
Deformationsgradient
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient
Kovarianter Tensor
Kontravarianter Tensor
Geschwindigkeitsgradient
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Räumlicher Geschwindigkeitsgradient:
Divergenz der Geschwindigkeit:
Winkelgeschwindigkeit oder Wirbelstärke ist der duale axiale Vektor
Objektive Zeitableitungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Bezeichnungen wie in #Konvektive Koordinaten.
Räumlicher Geschwindigkeitsgradient
Räumliche Verzerrungsgeschwindigkeit
Wirbel- oder Spintensor
Objektive Zeitableitungen von Vektoren
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben: :
Objektive Zeitableitungen von Tensoren
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Gegeben:
Materielle Zeitableitung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Fußnoten
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- 1 2 3 4
M. E. Gurtin: The Linear Theory of Elasticity. In: S. Flügge (Hrsg.): Handbuch der Physik. Band VIa/2, Bandherausgeber C. Truesdell. Springer, 1972, ISBN 3-540-05535-5, S. 10 ff.
- ↑ S. 10
- ↑ Wolfgang Werner: Vektoren und Tensoren als universelle Sprache in Physik und Technik. Tensoralgebra und Tensoranalysis. Band 1. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-25271-7, S. 367, doi:10.1007/978-3-658-25272-4.
- ↑ Ralf Greve: Kontinuumsmechanik. Springer, 2003, ISBN 3-540-00760-1, S. 111.
- ↑ Guido Walz (Hrsg.): Lexikon der Mathematik. 2. Auflage. Band 3 (Inp bis Mon). Springer Spektrum Verlag, Mannheim 2017, ISBN 978-3-662-53501-1, S. 253., doi:10.1007/978-3-662-53502-8.
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- H. Altenbach: Kontinuumsmechanik. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24118-5.
- M. Bestehorn: Hydrodynamik und Strukturbildung. Springer, 2006, ISBN 978-3-540-33796-6.
- Adolf J. Schwab: Begriffswelt der Feldtheorie. Praxisnahe, anschauliche Einführung. Elektromagnetische Felder, Maxwellsche Gleichungen, Gradient, Rotation, Divergenz. 6., unveränderte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-42018-5.
- Konrad Königsberger: Analysis. überarbeitete Auflage. Band 2. 4. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-43580-8.
- C. Truesdell: Festkörpermechanik II. In: S. Flügge (Hrsg.): Handbuch der Physik. Band VIa/2. Springer, 1972, ISBN 3-540-05535-5.