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Formulae involving ∇ Vector Identities with Proofs: Nabla Formulae ...

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<strong>Formulae</strong> <strong>involving</strong> <strong>∇</strong><br />

<strong>Vector</strong> <strong>Identities</strong> <strong>with</strong> <strong>Proofs</strong>: <strong>Nabla</strong> <strong>Formulae</strong> for <strong>Vector</strong> Analysis<br />

李国华 (Kok-Wah LEE) @ 08 May 2009 (Version 1.0)<br />

No. 4, Jalan Bukit Beruang 5, Taman Bukit Beruang, 75450 Bukit Beruang, Melaka, Malaysia.<br />

Email: contact@xpreeli.com; E96LKW@hotmail.com<br />

Tel.: +6013-6134998; +606-2312594; +605-4664998<br />

www.xpreeli.com<br />

All rights reserved.<br />

<strong>Vector</strong>: A = A1 i + A2 j + A3 k B = B1 i + B2 j + B3 k C = C1 i + C2 j + C3 k<br />

Scalar: φ = φ(x,y,z) ψ = ψ(x,y,z)<br />

<strong>Nabla</strong>:<br />

<strong>∇</strong> =<br />

∂ ∂ ∂<br />

i + j + k<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

(1) (A x B).C ≡ (B x C).A ≡ (C x A).B<br />

(2) A x (B x C) ≡ (A.C)B - (A.B)C<br />

(3) Prove <strong>∇</strong>(φ + ψ) = <strong>∇</strong>φ + <strong>∇</strong>ψ<br />

( φ + ψ ) ∂(<br />

φ + ψ ) ∂(<br />

φ + )<br />

i + j + k<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ∂<br />

ψ<br />

⎜ i + j + k ⎟(<br />

φ + ψ ) =<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

∂φ ∂ψ<br />

∂φ<br />

∂ψ<br />

∂φ<br />

∂ψ<br />

= i + i + j + j + k + k<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂y<br />

∂z<br />

∂z<br />

⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂ψ<br />

∂ψ<br />

∂ψ<br />

⎞<br />

= ⎜ i + j + k ⎟ + ⎜ i + j + k ⎟<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

= ⎜ i + j + k ⎟φ<br />

+ ⎜ i + j + k ⎟ψ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

∴ <strong>∇</strong>(φ + ψ) = <strong>∇</strong>φ + <strong>∇</strong>ψ<br />

(4) Prove <strong>∇</strong>(φ ψ) = φ <strong>∇</strong>ψ + ψ <strong>∇</strong>φ<br />

( φψ ) ∂(<br />

φψ ) ∂(<br />

)<br />

i + j + k<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ∂<br />

φψ<br />

⎜ i + j + k ⎟(<br />

φψ<br />

) =<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

1


∂ψ ∂φ<br />

∂ψ<br />

∂φ<br />

∂ψ<br />

∂φ<br />

= φ i + ψ i + φ j + ψ j + φ k + ψ k<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

⎛ ∂ψ<br />

∂ψ<br />

∂ψ<br />

⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞<br />

= φ ⎜ i + j + k ⎟ + ψ ⎜ i + j + k ⎟<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

= φ⎜ i + j + k ⎟ψ<br />

+ ψ ⎜ i + j + k ⎟φ<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

∴ <strong>∇</strong>(φ ψ) = φ <strong>∇</strong>ψ + ψ <strong>∇</strong>φ<br />

(5) Prove <strong>∇</strong>.(A + B) = <strong>∇</strong>.A + <strong>∇</strong>.B<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

<strong>∇</strong> .( + B)<br />

= ⎜ i + j + k ⎟ 1 1 2 2 3 +<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

[ ( A + B ) i + ( A + B ) j + ( A B ) k]<br />

A 3<br />

=<br />

( A + B ) ∂(<br />

A + B ) ∂(<br />

A + B )<br />

∂ 1 1 2 2<br />

3 3<br />

∂x<br />

+<br />

∂y<br />

+<br />

∂z<br />

2<br />

= LHS<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

<strong>∇</strong> . + <strong>∇</strong>.<br />

B = ⎜ i + j + k ⎟ 1 2 3<br />

1 2 +<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

( Ai<br />

+ A j + A k)<br />

+ ⎜ i + j + k ⎟(<br />

B i + B j B k)<br />

A 3<br />

=<br />

=<br />

∂ 3<br />

A1<br />

∂A2<br />

∂A3<br />

∂B1<br />

∂B2<br />

∂B<br />

+ + + + +<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

( A + B ) ∂(<br />

A + B ) ∂(<br />

A + B )<br />

∂ 1 1 2 2 3 3<br />

∂x<br />

LHS = RHS<br />

+<br />

∂y<br />

∴ <strong>∇</strong>.(A + B) = <strong>∇</strong>.A + <strong>∇</strong>.B<br />

(6) Prove <strong>∇</strong>x(A + B) = <strong>∇</strong>xA + <strong>∇</strong>xB<br />

+<br />

∂z<br />

= RHS<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

<strong>∇</strong> x( A + B)<br />

= ⎜ i + j + k ⎟x<br />

1 1 2 2 3 + 3<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

=<br />

i<br />

∂<br />

∂x<br />

A + B<br />

1<br />

1<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

A + B<br />

2<br />

2<br />

3<br />

[ ( A + B ) i + ( A + B ) j + ( A B ) k]<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

A + B<br />

3<br />

= ⎛ ∂( A3<br />

+ B3<br />

) ∂(<br />

A2<br />

+ B2<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A3<br />

+ B3<br />

) ∂(<br />

A1<br />

+ B1<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A2<br />

+ B2<br />

) ∂(<br />

A1<br />

+ B1<br />

) ⎞<br />

⎜ − ⎟i<br />

−<br />

−<br />

j + ⎜ − ⎟k<br />

⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂z<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂y<br />


=<br />

⎡⎛<br />

∂A<br />

⎤ ⎡<br />

⎤<br />

3 ∂A2<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂B3<br />

∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂B3<br />

∂B1<br />

⎞ ⎛ ∂B2<br />

∂B1<br />

⎞<br />

⎢⎜<br />

− ⎟i<br />

− ⎜ − ⎟ j + ⎜ − ⎟k⎥<br />

+ ⎢⎜<br />

− ⎟i<br />

− ⎜ − ⎟ j + ⎜ − ⎟k⎥<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎦ ⎣⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎦<br />

=<br />

i j k<br />

∂ ∂ ∂ +<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

A A A<br />

∴ <strong>∇</strong>x(A + B) = <strong>∇</strong>xA + <strong>∇</strong>xB<br />

(7) Prove <strong>∇</strong>.(φA) = (<strong>∇</strong>φ).A + φ(<strong>∇</strong>.A)<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

<strong>∇</strong> .( φ ) = ⎜ i + j + k ⎟ 1 2 + φ<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

1<br />

2<br />

3<br />

i<br />

∂<br />

∂x<br />

B<br />

. ( φAi<br />

+ φA<br />

j A k)<br />

A 3<br />

= ∂( φ A1<br />

) ∂(<br />

φA2<br />

) ∂(<br />

φA3<br />

) = LHS<br />

∂x<br />

+<br />

∂y<br />

+<br />

∂z<br />

⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞<br />

⎡⎛<br />

∂ ∂ ∂ ⎞<br />

⎤<br />

( <strong>∇</strong>φ ). A + φ(<br />

<strong>∇</strong>.<br />

A)<br />

= ⎜ i + j + k ⎟.<br />

( A1<br />

i + A2<br />

j + A3k<br />

) + φ ⎢⎜<br />

i + j + k ⎟.<br />

( A1i<br />

+ A2<br />

j + A3k<br />

)⎥<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎣⎝<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎦<br />

=<br />

1<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

B<br />

2<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

B<br />

⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂A1<br />

∂A2<br />

∂A3<br />

⎞<br />

⎜ A1<br />

+ A2<br />

+ A3<br />

⎟ + φ⎜<br />

+ + ⎟<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

= ⎛ ∂φ<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂A2<br />

⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂A3<br />

⎞<br />

⎜ A1<br />

+ φ ⎟ + ⎜ A2<br />

+ φ ⎟ + ⎜ A3<br />

+ φ ⎟<br />

⎝ ∂x<br />

∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂z<br />

∂z<br />

⎠<br />

= ∂( φ A1<br />

) ∂(<br />

φA2<br />

) ∂(<br />

φA3<br />

) = RHS<br />

∂x<br />

+<br />

∂y<br />

LHS = RHS<br />

+<br />

∂z<br />

∴ <strong>∇</strong>.(φA) = (<strong>∇</strong>φ).A + φ(<strong>∇</strong>.A)<br />

(8) Prove <strong>∇</strong>x(φA) = (<strong>∇</strong>φ)xA + φ(<strong>∇</strong>xA)<br />

<strong>∇</strong> x<br />

( φA)<br />

i<br />

∂<br />

=<br />

∂x<br />

φA<br />

1<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

φA<br />

2<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

φA<br />

3<br />

= ⎛ ∂( φ A3<br />

) ∂(<br />

φA2<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

φA3<br />

) ∂(<br />

φA1<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

φA2<br />

) ∂(<br />

φA1<br />

) ⎞<br />

⎜ − ⎟i<br />

− − j + ⎜ − ⎟k<br />

⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂z<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎝<br />

∂x<br />

= ⎛ ∂A3 ∂φ<br />

∂A2<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂φ<br />

∂A1<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂φ<br />

∂A1<br />

∂φ<br />

⎞<br />

⎜ + A −φ<br />

− A ⎟i<br />

− φ + A −φ<br />

− A j + ⎜φ<br />

+ A −φ<br />

− A ⎟k<br />

=<br />

φ 3<br />

2<br />

3<br />

1<br />

2<br />

1<br />

⎝<br />

∂y<br />

∂y<br />

∂y<br />

∂y<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂x<br />

⎡⎛<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

⎞ ⎤<br />

⎢⎜<br />

A3<br />

− A2<br />

⎟i<br />

− ⎜ A3<br />

− A1<br />

⎟ j + ⎜ A2<br />

− A1<br />

⎟k⎥<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎦<br />

3<br />

3<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎟<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂y<br />


=<br />

1<br />

⎡⎛<br />

∂A<br />

3 ∂A<br />

2 ⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂A<br />

2 ∂A1<br />

⎞ ⎤<br />

+ ⎢⎜φ<br />

−φ<br />

⎟i<br />

− ⎜φ<br />

−φ<br />

⎟ j + ⎜<br />

⎟<br />

⎜<br />

φ −φ<br />

⎟<br />

k⎥<br />

⎢<br />

⎜<br />

⎟ ⎜<br />

⎟<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎥⎦<br />

i j k i<br />

∂φ ∂x<br />

∂φ<br />

∂y<br />

∂φ<br />

+ ∂<br />

φ<br />

∂z<br />

∂x<br />

A A A A<br />

2<br />

3<br />

1<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

A<br />

2<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

A<br />

∴ <strong>∇</strong>x(φA) = (<strong>∇</strong>φ)xA + φ(<strong>∇</strong>xA)<br />

(9) Prove <strong>∇</strong>.(AxB) = B.(<strong>∇</strong>xA) - A.(<strong>∇</strong>xB)<br />

i<br />

.( AxB) i j k . A1<br />

x y z<br />

⎟<br />

B<br />

⎟<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

<strong>∇</strong> = ⎜ + +<br />

⎝ ∂ ∂ ∂ ⎠<br />

⎛ ∂<br />

⎝ ∂x<br />

∂<br />

∂y<br />

∂<br />

∂z<br />

⎞<br />

1<br />

3<br />

j<br />

A<br />

B<br />

2<br />

2<br />

k<br />

A<br />

B<br />

3<br />

3<br />

= ⎜ i + j + k ⎟.<br />

[ ( A B − A B ) i − ( A B − A B ) j + ( A B − A B ) k]<br />

⎠<br />

2<br />

=<br />

∂( A2<br />

B3<br />

− A3B2<br />

) ∂(<br />

A1B<br />

3 − A3B<br />

1)<br />

∂(<br />

A1B<br />

2 − A2<br />

B1<br />

)<br />

∂x<br />

−<br />

⎡⎛<br />

∂A<br />

⎤<br />

3 ∂A2<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂A1<br />

⎞<br />

B.(<br />

<strong>∇</strong>xA) = ( B1<br />

i + B2<br />

j + B3k<br />

) . ⎢⎜<br />

− ⎟i<br />

− ⎜ − ⎟ j + ⎜ − ⎟k⎥<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎦<br />

=<br />

3<br />

∂y<br />

3<br />

2<br />

+<br />

4<br />

1<br />

3<br />

∂z<br />

⎛ ∂A3<br />

∂A2<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂A1<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂A1<br />

⎞<br />

B1<br />

⎜ − ⎟ − B2⎜<br />

− ⎟ + B3<br />

⎜ − ⎟<br />

⎝ ∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠<br />

Similarly, by interchanging the variable of A and B, we have<br />

⎡⎛<br />

∂B<br />

⎤<br />

3 ∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂B3<br />

∂B1<br />

⎞ ⎛ ∂B2<br />

∂B1<br />

⎞<br />

A.(<br />

<strong>∇</strong>xB) = ( A1<br />

i + A2<br />

j + A3k<br />

) . ⎢ ⎜ − ⎟<br />

⎟i<br />

− ⎜ − ⎟ j + ⎜ − ⎟<br />

⎟k⎥<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠ ⎦<br />

=<br />

⎛ ∂B3<br />

∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂B3<br />

∂B1<br />

⎞ ⎛ ∂B2<br />

∂B1<br />

⎞<br />

A1<br />

⎜ − ⎟ − A2<br />

⎜ − ⎟ + A3<br />

⎜ − ⎟<br />

⎝ ∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

⎠<br />

B.(<strong>∇</strong>xA) - A.(<strong>∇</strong>xB) = ⎛ ∂A3<br />

∂B1<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂B1<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂B2<br />

⎞<br />

⎜ B1<br />

+ A3<br />

⎟ − ⎜ B1<br />

+ A2<br />

⎟ − ⎜ B2<br />

+ A3<br />

⎟<br />

⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂z<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂x<br />

⎠<br />

⎛ ∂A1<br />

∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂B3<br />

⎞ ⎛ ∂A1<br />

∂B3<br />

⎞<br />

+ ⎜ B2<br />

+ A1<br />

⎟ + ⎜ B3<br />

+ A2<br />

⎟ − ⎜ B3<br />

+ A1<br />

⎟<br />

⎝ ∂z<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠<br />

= ∂( A3<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A2B1<br />

) ∂(<br />

A3<br />

B2<br />

) ∂(<br />

A1B<br />

2 ) ∂(<br />

A2<br />

B3<br />

) ∂(<br />

A1B3<br />

)<br />

∂y<br />

−<br />

∂z<br />

−<br />

∂x<br />

+<br />

∂z<br />

+<br />

3<br />

1<br />

∂x<br />

= ∂( A2<br />

B3<br />

− A3B2<br />

) ∂(<br />

A1B3<br />

− A3B1<br />

) ∂(<br />

A1B2<br />

− A2B1<br />

)<br />

∂x<br />

−<br />

∂y<br />

∴ <strong>∇</strong>.(AxB) = B.(<strong>∇</strong>xA) - A.(<strong>∇</strong>xB)<br />

+<br />

∂z<br />

−<br />

1<br />

2<br />

∂y<br />

2<br />

1


(10) Prove <strong>∇</strong>x(AxB) = (B.<strong>∇</strong>)A - B(<strong>∇</strong>.A) - (A.<strong>∇</strong>)B + A(<strong>∇</strong>.B)<br />

<strong>∇</strong><br />

=<br />

i<br />

( AxB)<br />

= <strong>∇</strong>x<br />

A A A = <strong>∇</strong>x[<br />

( A B − A B ) i − ( A B − A B ) j + ( A B − A B ) k]<br />

B<br />

j<br />

B<br />

k<br />

x 1 2 3<br />

2 3 3 2 1 3 3 1 1 2 2 1<br />

i<br />

∂<br />

∂x<br />

A B − A B<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

1<br />

3<br />

1<br />

2<br />

B<br />

1<br />

3<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

A B − A B<br />

3<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

A B − A B<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

= ⎛ ∂( A1<br />

B2<br />

− A2<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A3B1<br />

− A1B<br />

3 ) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A1<br />

B2<br />

− A2<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A2<br />

B3<br />

− A3B<br />

2 ) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A3B1<br />

− A1B<br />

3 ) ∂(<br />

A2B3<br />

− A3B2<br />

) ⎞<br />

⎜<br />

−<br />

⎟i<br />

−<br />

−<br />

j + ⎜<br />

−<br />

⎟k<br />

⎝<br />

= LHS<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

(B.<strong>∇</strong>)A - B(<strong>∇</strong>.A) = ⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

⎛ ∂A1<br />

∂A2<br />

∂A3<br />

⎞<br />

⎜ B1 + B2<br />

+ B3<br />

⎟(<br />

A1i<br />

+ A2<br />

j + A3k<br />

) −⎜<br />

+ + ⎟(<br />

B1i<br />

+ B2<br />

j + B3k<br />

)<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

∂x<br />

= ⎛ ∂A1 ∂A1<br />

∂A2<br />

∂A3<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂A2<br />

∂A1<br />

∂A3<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂A3<br />

∂A1<br />

∂A2<br />

⎞<br />

⎜ B B B B ⎟i<br />

B B B B j + ⎜ B + B − B − B ⎟k<br />

⎝<br />

2<br />

+<br />

∂y<br />

3<br />

−<br />

∂z<br />

1<br />

−<br />

∂y<br />

1<br />

+ ⎜<br />

∂z<br />

⎠ ⎝<br />

1<br />

+<br />

∂x<br />

3<br />

−<br />

∂z<br />

2<br />

−<br />

∂x<br />

Similarly, by interchanging the variable of A and B, we have<br />

(A.<strong>∇</strong>)B - A(<strong>∇</strong>.B) = ⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞<br />

⎛ ∂B1<br />

∂B2<br />

∂B3<br />

⎞<br />

⎜ A1 + A2<br />

+ A3<br />

⎟(<br />

B1i<br />

+ B2<br />

j + B3k<br />

) −⎜<br />

+ + ⎟(<br />

A1i<br />

+ A2<br />

j + A3k<br />

)<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

= ⎛ ∂B1 ∂B1<br />

∂B2<br />

∂B3<br />

⎞ ⎛ ∂B2<br />

∂B2<br />

∂B1<br />

∂B3<br />

⎞ ⎛ ∂B3<br />

∂B3<br />

∂B1<br />

∂B2<br />

⎞<br />

⎜ A A A A ⎟i<br />

A A A A j + ⎜ A + A − A − A ⎟k<br />

⎝<br />

2<br />

+<br />

∂y<br />

3<br />

−<br />

∂z<br />

1<br />

−<br />

∂y<br />

1<br />

+ ⎜<br />

∂z<br />

⎠ ⎝<br />

(B.<strong>∇</strong>)A - B(<strong>∇</strong>.A) - (A.<strong>∇</strong>)B + A(<strong>∇</strong>.B)<br />

1<br />

+<br />

∂x<br />

3<br />

−<br />

∂z<br />

2<br />

−<br />

∂x<br />

5<br />

2<br />

2<br />

∂z<br />

⎟<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎟<br />

∂z<br />

⎠<br />

= ⎡⎛<br />

∂A B A B A B A B ⎤<br />

1 ∂ 2 ⎞ ⎛ ∂ 1 ∂ 3 ⎞ ⎛ ∂ 2 ∂ 1 ⎞ ⎛ ∂ 3 ∂ 1 ⎞<br />

⎜ A ⎟ B A ⎜ B A ⎟ B A i<br />

⎢ B2 + 1 + ⎜ 3 + 1 ⎟ − 1 + 2 − ⎜ 1 + 3 ⎟⎥<br />

⎣⎝<br />

∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂z<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂z<br />

∂z<br />

⎠⎦<br />

⎡⎛<br />

∂A2<br />

∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂A2<br />

∂B3<br />

⎞ ⎛ ∂A1<br />

∂B2<br />

⎞ ⎛ ∂A3<br />

∂B2<br />

⎞⎤<br />

+ ⎢⎜<br />

B1 + A1<br />

⎟ + ⎜ B3<br />

+ A2<br />

⎟ −⎜<br />

B2<br />

+ A1<br />

⎟ −⎜<br />

B2<br />

+ A3<br />

⎟ j<br />

x x z z x x z z<br />

⎥<br />

⎣⎝<br />

∂ ∂ ⎠ ⎝ ∂ ∂ ⎠ ⎝ ∂ ∂ ⎠ ⎝ ∂ ∂ ⎠⎦<br />

⎡⎛<br />

∂A<br />

B A B A B A B ⎤<br />

3 ∂ 1 ⎞ ⎛ ∂ 3 ∂ 2 ⎞ ⎛ ∂ 1 ∂ 3 ⎞ ⎛ ∂ 2 ∂ 3 ⎞<br />

+ ⎢⎜<br />

B1 + A3<br />

⎟ + ⎜ B2<br />

+ A3<br />

⎟ −⎜<br />

B3<br />

+ A1<br />

⎟ −⎜<br />

B3<br />

+ A2<br />

⎟⎥k<br />

⎣⎝<br />

∂x<br />

∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

⎠⎦<br />

= ⎛ ∂( A1<br />

B2<br />

− A2<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A1<br />

B3<br />

− A3B1<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A1B<br />

2 − A2B1<br />

) ∂(<br />

A3B<br />

2 − A2<br />

B3<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A3B1<br />

− A1B<br />

3 ) ∂(<br />

A3B2<br />

− A2<br />

B3<br />

) ⎞<br />

⎜<br />

+<br />

⎟i<br />

−<br />

+<br />

j + ⎜<br />

+<br />

⎟k<br />

⎝<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

∂x<br />

= ⎛ ∂( A1<br />

B2<br />

− A2<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A3B1<br />

− A1B<br />

3 ) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A1<br />

B2<br />

− A2<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A2<br />

B3<br />

− A3B<br />

2 ) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A3B1<br />

− A1B<br />

3 ) ∂(<br />

A2B3<br />

− A3B2<br />

) ⎞<br />

⎜<br />

−<br />

⎟i<br />

−<br />

−<br />

j + ⎜<br />

−<br />

⎟k<br />

⎝<br />

= RHS<br />

∂y<br />

RHS = LHS<br />

∂z<br />

⎠<br />

⎜<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂z<br />

∂z<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎝<br />

⎝<br />

⎝<br />

⎝<br />

⎟<br />

⎠<br />

1<br />

1<br />

⎝<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

2<br />

2<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂y<br />

3<br />

3<br />

∂x<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂y<br />

3<br />

∂y<br />

3<br />

∂y<br />

⎠<br />

∂y<br />

⎠<br />

⎠<br />

⎠<br />


6<br />

∴ <strong>∇</strong>x(AxB) = (B.<strong>∇</strong>)A - B(<strong>∇</strong>.A) - (A.<strong>∇</strong>)B + A(<strong>∇</strong>.B)<br />

(11) Prove <strong>∇</strong>(A.B) = (B.<strong>∇</strong>)A + (A.<strong>∇</strong>)B + Bx(<strong>∇</strong>xA) + Ax(<strong>∇</strong>xB)<br />

<strong>∇</strong>(A.B) = ( )<br />

3<br />

3<br />

2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

B<br />

A<br />

B<br />

A<br />

B<br />

A<br />

k<br />

z<br />

j<br />

y<br />

i<br />

x<br />

+<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂ = LHS<br />

(B.<strong>∇</strong>)A = ( )<br />

k<br />

A<br />

j<br />

A<br />

i<br />

A<br />

z<br />

B<br />

y<br />

B<br />

x<br />

B 3<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

1<br />

+<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

( ) ⎥ ⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

+<br />

=<br />

<strong>∇</strong> k<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

j<br />

z<br />

A<br />

x<br />

A<br />

i<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

k<br />

B<br />

j<br />

B<br />

i<br />

B<br />

xA<br />

Bx<br />

1<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

1<br />

)<br />

(<br />

=<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

x<br />

A<br />

z<br />

A<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

B<br />

B<br />

B<br />

k<br />

j<br />

i<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂ 1<br />

2<br />

3<br />

1<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

1<br />

= k<br />

B<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

B<br />

x<br />

A<br />

z<br />

A<br />

j<br />

B<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

B<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

i<br />

B<br />

x<br />

A<br />

z<br />

A<br />

B<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

2<br />

2<br />

3<br />

1<br />

3<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

1<br />

1<br />

2<br />

3<br />

3<br />

1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

Similarly, by interchanging the variable of A and B, we have<br />

(A.<strong>∇</strong>)B = ( )<br />

k<br />

B<br />

j<br />

B<br />

i<br />

B<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A 3<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

1<br />

+<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

( ) ⎥ ⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

+<br />

=<br />

<strong>∇</strong> k<br />

y<br />

B<br />

x<br />

B<br />

j<br />

z<br />

B<br />

x<br />

B<br />

i<br />

z<br />

B<br />

y<br />

B<br />

x<br />

k<br />

A<br />

j<br />

A<br />

i<br />

A<br />

xB<br />

Ax<br />

1<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

1<br />

)<br />

(<br />

=<br />

y<br />

B<br />

x<br />

B<br />

x<br />

B<br />

z<br />

B<br />

z<br />

B<br />

y<br />

B<br />

A<br />

A<br />

A<br />

k<br />

j<br />

i<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂ 1<br />

2<br />

3<br />

1<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

1<br />

= k<br />

A<br />

z<br />

B<br />

y<br />

B<br />

A<br />

x<br />

B<br />

z<br />

B<br />

j<br />

A<br />

z<br />

B<br />

y<br />

B<br />

A<br />

y<br />

B<br />

x<br />

B<br />

i<br />

A<br />

x<br />

B<br />

z<br />

B<br />

A<br />

y<br />

B<br />

x<br />

B<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

2<br />

2<br />

3<br />

1<br />

3<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

1<br />

1<br />

2<br />

3<br />

3<br />

1<br />

2<br />

1<br />

2<br />

Hence<br />

(B.<strong>∇</strong>)A + Bx(<strong>∇</strong>xA)<br />

= k<br />

z<br />

A<br />

B<br />

z<br />

A<br />

B<br />

z<br />

A<br />

B<br />

j<br />

y<br />

A<br />

B<br />

y<br />

A<br />

B<br />

y<br />

A<br />

B<br />

i<br />

x<br />

A<br />

B<br />

x<br />

A<br />

B<br />

x<br />

A<br />

B ⎟ ⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂ 2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

3<br />

3<br />

3<br />

3<br />

1<br />

1<br />

2<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

(A.<strong>∇</strong>)B + Ax(<strong>∇</strong>xB)<br />

= k<br />

z<br />

B<br />

A<br />

z<br />

B<br />

A<br />

z<br />

B<br />

A<br />

j<br />

y<br />

B<br />

A<br />

y<br />

B<br />

A<br />

y<br />

B<br />

A<br />

i<br />

x<br />

B<br />

A<br />

x<br />

B<br />

A<br />

x<br />

B<br />

A ⎟ ⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂ 2<br />

2<br />

1<br />

1<br />

3<br />

3<br />

3<br />

3<br />

1<br />

1<br />

2<br />

2<br />

3<br />

3<br />

2<br />

2<br />

1<br />

1


(B.<strong>∇</strong>)A + (A.<strong>∇</strong>)B + Bx(<strong>∇</strong>xA) + Ax(<strong>∇</strong>xB)<br />

= ⎛ ∂( A1<br />

B1<br />

) ∂(<br />

A2B<br />

2 ) ∂(<br />

A3B3<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A2B<br />

2 ) ∂(<br />

A1B1<br />

) ∂(<br />

A3B3<br />

) ⎞ ⎛ ∂(<br />

A3B<br />

3 ) ∂(<br />

A1B<br />

1)<br />

∂(<br />

A2B<br />

2 ) ⎞<br />

⎜ + + ⎟i<br />

+ ⎜ + + ⎟ j + ⎜ + + ⎟k<br />

⎝ ∂x<br />

∂x<br />

∂x<br />

⎠ ⎝ ∂y<br />

∂y<br />

∂y<br />

⎠ ⎝ ∂z<br />

∂z<br />

∂z<br />

⎠<br />

=<br />

( A1<br />

B1<br />

+ A2B<br />

2 + A3B<br />

3 ) ∂(<br />

A1B<br />

1 + A2B<br />

2 + A3B<br />

3)<br />

∂(<br />

A1B<br />

1 + A2B2<br />

+ A3B<br />

)<br />

i +<br />

j +<br />

k<br />

∂ 3<br />

⎛<br />

⎝ ∂x<br />

∂x<br />

∂y<br />

= ∂ ∂ ∂<br />

⎜ i + j + k ⎟(<br />

A B + A B + A B ) = RHS<br />

∂y<br />

LHS = RHS<br />

∂z<br />

⎞<br />

⎠<br />

1<br />

1<br />

2<br />

2<br />

∴ <strong>∇</strong>(A.B) = (B.<strong>∇</strong>)A + (A.<strong>∇</strong>)B + Bx(<strong>∇</strong>xA) + Ax(<strong>∇</strong>xB)<br />

(12) Prove <strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>φ) = <strong>∇</strong> 2 φ<br />

<strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>φ) = ⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

∂φ<br />

⎞<br />

⎜i<br />

+ j + k ⎟.<br />

⎜i<br />

+ j + k ⎟<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠<br />

2 2 2<br />

=<br />

∂ φ ∂ φ ∂ φ 2<br />

+ + = <strong>∇</strong> φ<br />

2 2 2<br />

∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

∴ <strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>φ) = <strong>∇</strong> 2 φ<br />

(13) Prove <strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>φ) = 0<br />

<strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>φ) =<br />

3<br />

⎛ ∂ ∂ ∂ ⎞ ⎛ ∂φ<br />

∂φ<br />

⎜i<br />

+ j + k ⎟x⎜<br />

i + j + k<br />

⎝ ∂x<br />

∂y<br />

∂z<br />

⎠ ⎝ ∂x<br />

∂y<br />

=<br />

i<br />

∂<br />

∂x<br />

∂φ<br />

∂x<br />

j<br />

∂<br />

∂y<br />

∂φ<br />

∂y<br />

3<br />

k<br />

∂<br />

∂z<br />

∂φ<br />

∂z<br />

7<br />

∂φ<br />

⎞<br />

⎟<br />

∂z<br />

⎠<br />

∂z<br />

= ( φ − φ ) − ( φ −φ<br />

) j + ( φ −φ<br />

)k<br />

zy<br />

yz i zx xz yx xy<br />

Since φ has continuous second order partial derivatives, we have<br />

∴ <strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>φ) = 0<br />

φxy = φyx φyz = φzy φzx = φxz


8<br />

(14) Prove <strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>xA) = 0<br />

<strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>xA) =<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

k<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

j<br />

z<br />

A<br />

x<br />

A<br />

i<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

z<br />

k<br />

y<br />

j<br />

x<br />

i<br />

1<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

.<br />

=<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

z<br />

y<br />

A<br />

z<br />

x<br />

A<br />

y<br />

z<br />

A<br />

y<br />

x<br />

A<br />

x<br />

z<br />

A<br />

x<br />

y<br />

A 1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

= 0<br />

∴ <strong>∇</strong>.(<strong>∇</strong>xA) = 0<br />

(15) Prove <strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>xA) = <strong>∇</strong>(<strong>∇</strong>.A) - <strong>∇</strong> 2 A<br />

<strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>xA) =<br />

⎥<br />

⎦<br />

⎤<br />

⎢<br />

⎣<br />

⎡<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

k<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

j<br />

z<br />

A<br />

x<br />

A<br />

i<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

z<br />

k<br />

y<br />

j<br />

x<br />

i<br />

1<br />

2<br />

1<br />

3<br />

2<br />

3<br />

=<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

x<br />

A<br />

z<br />

A<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

z<br />

y<br />

x<br />

k<br />

j<br />

i<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

1<br />

2<br />

3<br />

1<br />

2<br />

3<br />

= k<br />

y<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

x<br />

z<br />

A<br />

j<br />

z<br />

A<br />

z<br />

y<br />

A<br />

x<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

i<br />

x<br />

z<br />

A<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

y<br />

x<br />

A<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂ 2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

= LHS<br />

<strong>∇</strong>(<strong>∇</strong>.A) - <strong>∇</strong> 2 A<br />

= ( )<br />

k<br />

A<br />

j<br />

A<br />

i<br />

A<br />

z<br />

y<br />

x<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

z<br />

k<br />

y<br />

j<br />

x<br />

i 3<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

1 +<br />

+<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

= k<br />

y<br />

A<br />

x<br />

A<br />

z<br />

y<br />

A<br />

z<br />

x<br />

A<br />

j<br />

z<br />

A<br />

x<br />

A<br />

y<br />

z<br />

A<br />

y<br />

x<br />

A<br />

i<br />

z<br />

A<br />

y<br />

A<br />

x<br />

z<br />

A<br />

x<br />

y<br />

A<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

⎟<br />

⎟<br />

⎠<br />

⎞<br />

⎜<br />

⎜<br />

⎝<br />

⎛<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

−<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

+<br />

∂<br />

∂<br />

∂<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

2<br />

3<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

2<br />

1<br />

2<br />

3<br />

2<br />

2<br />

2<br />

= RHS<br />

LHS = RHS<br />

∴ <strong>∇</strong>x(<strong>∇</strong>xA) = <strong>∇</strong>(<strong>∇</strong>.A) - <strong>∇</strong> 2 A

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