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