सदिश कैलकुलस

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सदिश कैल्कुलस या सदिश विश्लेषण (Vector calculus / vector analysis) गणित की वह विधा है जो सदिश राशियों के वास्तविक विश्लेषण (real analysis) से सम्बन्ध रखती है।

इसके अन्तर्गत बहुत सी समस्याएं हल करने की विधियाँ एवं सूत्र आते हैं जो कि प्रौद्योगिकी एवं विज्ञान में बहुत उपयोगी हैं। अमेरिकी वैज्ञानिक एवं इंजीनियर विलार्ड गिब्स (J. Willard Gibbs) तथा ब्रिटिश इंजीनियर हेवीसाइड (Oliver Heaviside) ने इस क्षेत्र के अग्रदूत रहे।

सदिश विश्लेषण अदिश क्षेत्र तथा सदिश क्षेत्र के साथ गहरा सम्बन्ध है।

अदिश क्षेत्रः (scalar field) के प्रत्येक बिन्दु के साथ एक अदिश राशि सम्बन्धित होती है। जबकि

सदिश क्षेत्र (vector field) के प्रत्येक बिन्दु पर एक सदिश राशि जुड़ी होती है।

उदाहरण

किसी तालाब का तापमान एक अदिश क्षेत्र है क्योंकि इसके अन्तर्गत प्रत्येक बिन्दु पर एक अदिश राशि - तापमान का अस्तित्व है। इसके विपरीत यदि तालाब का पानी गतिशील है तो इसके हरेक बिन्दु पर जल का वेग एक सदिश क्षेत्र है।

सदिश संक्रियाएँ (vector operations)[संपादित करें]

सदिश विश्लेषण की चार प्रमुख संक्रियाएं (कार्तीय निर्देशांक में) नीचे दी गयीं हैं। ये संक्रियाएं सदिश या अदिश क्षेत्र के उपर डेल् ऑपरेटर ( \nabla ) के प्रयोग से की जातीं हैं।

ग्रेडिएन्ट (Gradient)[संपादित करें]

 \operatorname{grad}~\varphi =\vec \nabla\varphi = \begin{pmatrix} \frac{\partial\varphi}  {\partial x} \\[0.2cm] \frac{\partial\varphi}{\partial y} \\[0.2cm] \frac{\partial\varphi}{\partial z} \end{pmatrix}

डाइवर्जेंस (Divergence)[संपादित करें]

\operatorname{div}~\vec F =\vec \nabla \cdot \vec F = 
\frac{\partial F_x}{\partial x} 
+ \frac{\partial F_y}{\partial y}+ \frac{\partial F_z}{\partial z}

कर्ल या रोटेशन (curl)[संपादित करें]

\operatorname{rot}~\vec F = \vec \nabla\times\vec F =
\begin{pmatrix}
  \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} \\[0.2cm]
  \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} \\[0.2cm]
  \frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y}
\end{pmatrix}

लाप्लासिअन (Laplacian)[संपादित करें]

यह एक द्वितीय ऑर्डर का डिफरेंसिअल संक्रिया है। त्रि-बिमीय कार्तीय निर्देशांक तंत्र में इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

\Delta=\nabla^2 =\frac{\partial^2}{\partial x^2}+\frac{\partial^2}{\partial y^2}+\frac{\partial^2}{\partial z^2}.

लापलासिअन के कुछ उपयोग[संपादित करें]

प्वासों का समीकरण (Poisson's equation)

{\nabla}^2 \varphi = f

तनी हुई डोरी का कम्पन

{\nabla}^2 \varphi(x, y, z, t) = \frac{1}{c^2}\cdot\frac{\partial^2 \varphi(x, y, z, t)}{\partial t^2}

संक्रियाओं का भौतिक जगत में अर्थ[संपादित करें]

संक्रिया (Operation) प्रकट करने का तरीका व्याख्या क्षेत्र/परास (Domain/Range)
ग्रेडिएन्ट (Gradient)  \operatorname{grad}(f) = \nabla f Measures the rate and direction of change in a scalar field. Maps scalar fields to vector fields.
कर्ल (Curl)  \operatorname{curl}(\mathbf{F}) = \nabla \times \mathbf{F} Measures the tendency to rotate about a point in a vector field. Maps vector fields to vector fields.
डाइवरजेंस (Divergence)  \operatorname{div}(\mathbf{F}) = \nabla \cdot \mathbf{F} Measures the magnitude of a source or sink at a given point in a vector field. Maps vector fields to scalar fields.
लाप्लास का ऑपरेटर (Laplace operator)  \Delta f = \nabla^2 f = \nabla \cdot \nabla f A composition of the divergence and gradient operations. Maps scalar fields to scalar fields.

प्रमुख प्रमेय[संपादित करें]

Theorem Statement Description
ग्रेडिएन्ट प्रमेय (Gradient theorem)  \varphi\left(\mathbf{q}\right)-\varphi\left(\mathbf{p}\right) = \int_L \nabla\varphi\cdot d\mathbf{r}. The line integral through a gradient (vector) field equals the difference in its scalar field at the endpoints of the curve.
ग्रीन का प्रमेय (Green's theorem) \int_{C} L\, dx + M\, dy = \iint_{D} \left(\frac{\partial M}{\partial x} - \frac{\partial L}{\partial y}\right)\, dA The integral of the scalar curl of a vector field over some region in the plane equals the line integral of the vector field over the curve bounding the region.
स्टोक का प्रमेय (Stokes' theorem)  \int_{\Sigma} \nabla \times \mathbf{F} \cdot d\mathbf{\Sigma} = \oint_{\partial\Sigma} \mathbf{F} \cdot d \mathbf{r}, The integral of the curl of a vector field over a surface equals the line integral of the vector field over the curve bounding the surface.
डाइवर्जेंस प्रमेय (Divergence theorem) \iiint\limits_V\left(\nabla\cdot\mathbf{F}\right)dV=\iint\limits_{\part V}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{S}, The integral of the divergence of a vector field over some solid equals the integral of the flux through the surface bounding the solid.

अन्य निर्देशांकों में सदिश संक्रियाएँ[संपादित करें]

बेलनी निर्देशांक में[संपादित करें]

\vec{\mathrm{grad}}f=\frac{\partial f}{\partial r}\vec{u_r}+\frac{1}{r}\frac{\partial f}{\partial \theta}\vec{u_\theta}+\frac{\partial f}{\partial z}\vec{u_z}
\mathrm{div}\vec{A}=\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}\left(rA_r \right)+\frac{1}{r}\frac{\partial A_\theta}{\partial \theta}+\frac{\partial A_z}{\partial z}
\vec{\mathrm{curl}}\vec{A}=\left(\frac{1}{r}\frac{\partial A_z}{\partial \theta}-\frac{\partial A_\theta}{\partial z}\right)\vec{u_r} + \left(\frac{\partial A_r}{\partial z}-\frac{\partial A_z}{\partial r}\right)\vec{u_\theta} + \frac{1}{r}\left(\frac{\partial}{\partial r}(rA_\theta)-\frac{\partial A_r}{\partial \theta}\right)\vec{u_z}
\Delta 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}

गोलीय निर्देशांक में[संपादित करें]

\vec{\mathrm{grad}}f
 =   \frac{\partial f}{\partial r}\vec{u_r}
   + \frac{1}{r}\frac{\partial f}{\partial \theta}\vec{u_\theta}
   + \frac{1}{r \sin\theta}\frac{\partial f}{\partial \varphi} \vec{u_\varphi}
\mathrm{div}\vec{A}
 =   \frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial r}(r^2A_r)
   + \frac{1}{r\sin\theta}\frac{\partial} {\partial \theta}(\sin\theta A_\theta)
   + \frac{1}{r\sin\theta}\frac{\partial A_\varphi}{\partial \varphi}
\vec{\mathrm{curl}}\vec{A}
 =   \frac{1}{r\sin\theta}\left(\frac{\partial}{\partial \theta}(\sin\theta A_\varphi)-\frac{\partial A_\theta}{\partial \varphi}\right)\vec{u_r}
   + \left(\frac{1}{r\sin\theta}\frac{\partial A_r}{\partial \varphi}-\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}(rA_\varphi)\right)\vec{u_\theta}
   + \frac{1}{r}\left(\frac{\partial}{\partial r}(rA_\theta)-\frac{\partial A_r}{\partial \theta}\right)\vec{u_\varphi}
\Delta 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 \varphi^2}

सर्वसमिकाएँ[संपादित करें]

  • \vec \nabla \times \big( \vec \nabla \Psi \big) = \vec 0
  • \vec \nabla \cdot \big( \vec \nabla \times \vec A \big) = 0
  • \vec \nabla \times \big( \vec \nabla \times \vec A \big) = \vec \nabla \big( \vec \nabla \cdot \vec A \big) - \nabla^2 \vec A
  • \vec \nabla \cdot \vec x  = 3
  • \vec \nabla \times \vec x  = \vec 0

यदि \vec \nabla \cdot \vec A = 0 तो \vec A = \vec \nabla \times \vec B जहाँ \vec B कोई सदिश क्षेत्र है।

यदि \vec \nabla \times \vec A = 0 तो \vec A = \vec \nabla \Psi जहाँ \Psi कोई अदिश क्षेत्र है।

इन्हें भी देखें[संपादित करें]

सन्दर्भ[संपादित करें]

  • Michael J. Crowe (1994). A History of Vector Analysis : The Evolution of the Idea of a Vectorial System. Dover Publications; Reprint edition. ISBN 0-486-67910-1.  (Summary)
  • H. M. Schey (2005). Div Grad Curl and all that: An informal text on vector calculus. W. W. Norton & Company. ISBN 0-393-92516-1. 
  • J.E. Marsden (1976). Vecor Calculus. W. H. Freeman & Company. ISBN 0-7167-o462-5. 

वाह्य सूत्र[संपादित करें]