De derivater af skalarer , vektorer og anden ordens tensorer med hensyn til anden ordens tensorer er af betydelig anvendelse i kontinuum mekanik . Disse derivater bruges i teorierne om ikke-lineær elasticitet og plasticitet , især i designet af algoritmer til numeriske simuleringer .
Den retningsbestemte derivat giver en systematisk måde at finde disse derivater.
Derivater med hensyn til vektorer og andenordens tensorer
Definitionerne af retningsderivater til forskellige situationer er angivet nedenfor. Det antages, at funktionerne er tilstrækkeligt glatte til, at derivater kan tages.
Derivater af skalarværdige funktioner for vektorer
Lad f ( v ) være en reel værdi af vektoren v . Derefter den afledte af f ( v ) i forhold til v (eller i v ) er den vektor defineres gennem dets dot produkt med enhver vektor u er
for alle vektorer u . Ovenstående punktprodukt giver en skalar, og hvis u er en enhedsvektor giver retningsderivatet af f ved v , i u- retningen.
Ejendomme:
- Hvis så
- Hvis så
- Hvis så
Derivater af vektorværdiansatte funktioner af vektorer
Lad f ( v ) være en vektor-værdsat funktion af vektoren v . Derefter den afledte af f ( v ) i forhold til v (eller i v ) er den anden ordens tensor defineres gennem dets dot produkt med enhver vektor u er
for alle vektorer u . Ovenstående punktprodukt giver en vektor, og hvis u er en enhedsvektor, giver retningsderivatet af f ved v , i retning u .
Ejendomme:
- Hvis så
- Hvis så
- Hvis så
Afledte af skalarvurderede funktioner af andenordens tensorer
Lad være en reel værdsat funktion af anden ordens tensor . Derefter differentialkvotienten af med hensyn til (eller i ) i retningen er den anden ordens tensor defineret som
for alle andenordens tensorer .
Ejendomme:
- Hvis så
- Hvis så
- Hvis så
Afledte af tensorværdige funktioner af andenordens tensorer
Lad være en anden ordens tensorværdieret funktion af den anden ordens tensor . Derefter differentialkvotienten af med hensyn til (eller i ) i retningen er den fjerde orden tensor defineret som
for alle andenordens tensorer .
Ejendomme:
- Hvis så
- Hvis så
- Hvis så
- Hvis så
Gradient af et tensorfelt
Den gradient , på en tensor felt i retning af en arbitrær konstant vektor c defineres som:
Gradienten af et tensorfelt af orden n er et tensorfelt af orden n +1.
Kartesiske koordinater
- Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.
Hvis er basisvektorerne i et kartesisk koordinatsystem med koordinater for punkter angivet med ( ), så gives gradienten af tensorfeltet ved
Da basisvektorerne ikke varierer i et kartesisk koordinatsystem, har vi følgende relationer for gradienterne i et skalarfelt , et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .
Kurvlinære koordinater
- Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.
Hvis er de kontravariant basisvektorer i et krumlinjært koordinatsystem med koordinater af punkter angivet med ( ), så er gradienten af tensorfeltet givet ved (se et bevis.)
Fra denne definition har vi følgende relationer til gradienterne i et skalarfelt , et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .
hvor Christoffel-symbolet er defineret ved hjælp af
Cylindriske polære koordinater
I cylindriske koordinater er gradienten givet ved
Divergens af et tensorfelt
Den divergens af en tensor felt , er defineret på rekursive relation
hvor c er en vilkårlig konstant vektor, og v er et vektorfelt. Hvis er et tensorfelt af orden n > 1, så er divergensen af feltet en tensor af orden n - 1.
Kartesiske koordinater
- Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.
I et kartesisk koordinatsystem har vi følgende relationer for et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .
hvor tensorindeksnotation for partielle derivater bruges i de yderste udtryk. Noter det
For en symmetrisk andenordens tensor er divergensen ofte skrevet som
Ovenstående udtryk bruges undertiden som definitionen
i kartesisk komponentform (ofte også skrevet som
). Bemærk, at en sådan definition ikke er i overensstemmelse med resten af denne artikel (se afsnittet om krøllede koordinater).
Forskellen stammer fra, om differentieringen udføres med hensyn til rækkerne eller kolonnerne i og er konventionel. Dette demonstreres med et eksempel. I et kartesisk koordinatsystem er den anden ordens tensor (matrix) gradienten af en vektorfunktion .
Den sidste ligning svarer til den alternative definition / fortolkning
Kurvlinære koordinater
- Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.
I buelinjede koordinater, de divergerende et vektorfelt v og en anden ordens tensor felt er
Mere generelt,
Cylindriske polære koordinater
I cylindriske polære koordinater
Krølle af et tensorfelt
Den krølle af en ordre- n > 1 tensor felt er også defineret ved hjælp af rekursive relation
hvor c er en vilkårlig konstant vektor, og v er et vektorfelt.
Krølle af et første ordens tensor (vektor) felt
Overvej et vektorfelt v og en vilkårlig konstant vektor c . I indeksnotation er krydsproduktet givet af
hvor er permutationssymbolet , ellers kendt som Levi-Civita-symbolet. Derefter,
Derfor,
Krølle af et andet ordens tensorfelt
For en anden ordens tensor
Derfor bruger definitionen af krøllen af et første ordens tensorfelt,
Derfor har vi det
Identiteter, der involverer krølningen af et tensorfelt
Den mest almindeligt anvendte identitet, der involverer krumning af et tensorfelt , er
Denne identitet gælder for tensorfelter af alle ordrer. I det vigtige tilfælde af en anden ordens tensor indebærer denne identitet det
Afledt af determinanten for en anden ordens tensor
Derivatet af determinanten af en anden ordens tensor er givet ved
I en ortonormalbasis, komponenterne i kan skrives som en matrix A . I så fald svarer højre side til matrixens medfaktorer.
Afledte af invarianter af en anden ordens tensor
De vigtigste invarianter af en anden ordens tensor er
Derivaterne af disse tre invarianter med hensyn til er
Bevis
|
Fra afledningen af determinanten ved vi det
For afledningerne af de to andre invarianter, lad os gå tilbage til den karakteristiske ligning
Ved at bruge den samme tilgang som for determinanten af en tensor, kan vi vise det
Nu kan venstre side udvides som
Derfor
eller,
Udvidelse af højre side og adskillelse af termer på venstre side giver
eller,
Hvis vi definerer og , kan vi skrive ovenstående som
Samler termer, der indeholder forskellige beføjelser i λ, får vi
Derefter har vi påkaldt λ's vilkårlighed
Dette indebærer, at
|
Afledt af andenordens identitetstensor
Lad være andenordens identitetstensor. Derefter gives afledningen af denne tensor med hensyn til en anden ordens tensor af
Dette er fordi er uafhængig af .
Afledt af en anden ordens tensor med hensyn til sig selv
Lad være en anden ordens tensor. Derefter
Derfor,
Her er fjerde ordens identitetstensor. I indeksnotation med hensyn til et ortonormalt grundlag
Dette resultat indebærer det
hvor
Derfor, hvis tensoren er symmetrisk, så er afledningen også symmetrisk, og vi får
hvor den symmetriske fjerde ordens identitetstensor er
Afledt af det omvendte af en anden ordens tensor
Lad og være to andenordens tensorer, så
I indeksnotation med hensyn til et ortonormalt grundlag
Vi har også
I indeksnotation
Hvis tensoren er symmetrisk, så
Bevis
|
Husk det
Siden kan vi skrive
Brug af produktreglen til andenordens tensorer
vi får
eller,
Derfor,
|
Integration af dele
En anden vigtig operation relateret til tensorderivater i kontinuummekanik er integration af dele. Formlen for integration af dele kan skrives som
hvor og er differentierbare tensorfelter af vilkårlig orden, er enheden udad normal i forhold til det domæne, som tensorfelterne er defineret over, repræsenterer en generaliseret tensorproduktoperatør og er en generaliseret gradientoperatør. Når er lig med identitetstensoren, får vi divergenssætningen
Vi kan udtrykke formlen for integration af dele i kartesisk indeksnotation som
I det specielle tilfælde, hvor tensorproduktoperationen er en sammentrækning af et indeks, og gradientoperationen er en divergens, og begge og er andenordens tensorer, har vi
I indeksnotation,
Se også
Referencer