数学物理中的常见误区

DocNan DocNan     2022-10-29     414

关键词:

  • 多元函数求偏导数时注意区分那些是自变量,那些是函数,以及函数的自变量是什么。自变量之间的偏导都是零,而针对函数的偏导则不一定是零。
    例:在计算阿尔芬波色散关系的时候有这样的式子:
    \[\fracddx[(\omega^2-\omega_A^2(x))\fracdU(x)dx]\]
    上式中\(\fracddx\)作用到\(\omega^2\)上就是0,但是作用到\(\omega_A^2(x)\)则非零,因为\(x,\omega\)都是自变量,而\(\omega_A^2\)则是函数。
  • 多元傅立叶变换中的等价性:
    对于\(U(\vecr,t)\to U(x)e^i(k_y y+k_z z-\omega t)\),这时如果有梯度算符\(\nabla\)作用到U上,则梯度算符\(\nabla\)与波数\(\veck=k_y\vece_y+k_z\vece_z\)并不等价。而是有等价关系:
    \[\nabla\Leftrightarrow (\vece_x\fracddx+i\veck)\]
  • 平衡量的微分
    物理中的平衡量一般而言都是针对时间的平衡量\(A_0=A_0(\vecr)\),所以对空间变量的微分未必是零。
    \(\frac\partial A\partial t=0,\ \frac\partial A\partial x\neq 0\)
  • 微分算符的可交换性
    在物理问题中常常出现连续作用的微分算符,有些微分算符还是一些比较复杂的运算。一般而言,只要是相互独立的微分算符都是可以交换顺序的。因为实际物理问题中的多元函数一般都是可微的,并没有数学中要求的那么严格。
    例如:\(\textitD=(\frac\partial^2\partial t^2-\frac1\rho_0\mu_0(\vecB_0\cdot\nabla)^2)\),这个算符同时也是x的函数而与y,z无关。所以\(\textitD\)不可以与\(\frac\partial\partial x\)交换顺序,但是可以与\(\frac\partial\partial y\)\(\frac\partial\partial z\)交换顺序。即:\(\frac\partial\partial x(\textitDf) \neq \textitD\frac\partial f\partial x\),但是可以有\(\frac\partial\partial y(\textitDf)=\textitD\frac\partial f\partial y\).
  • 极限运算与微积分运算的可交换性
    极限运算和微分运算,极限运算和积分运算都是可以交换先后顺序的,因为无论积分运算或者是微分运算,都是利用极限运算来定义的。
  • 对时间的全导数和偏导数是不等价的
    假设有一个时变的标量场\(Q=Q(\vecr,t)\)则有如下关系:
    \(\fracdQdt=\frac\partial Q\partial t+\vecv\cdot\nabla Q\neq \frac\partial Q\partial t\)
  • 物理规律的适用条件
    从哲学的角度来讲,人类目前领悟的物理定律都源于对自然现象的总结归纳,都还只是对宇宙中绝对真理(自然规律)的近似,所以和真正的自然现象还会存在一定的误差。就连我们已经掌握的物理定律在不同条件下都有不同的近似。
    例:牛顿第二定律,
    \[ \beginequation \vecF=\fracddt(m\vecv)= \left\ \beginarrayl m\fracd\vecvdt & (low\ speed)\\fracdmdt\vecv+m\fracd\vecvdt & (high\ speed\ v \approx c) \endarray \right. \endequation \]
    例:流体连续方程,
    \[ \beginequation \frac\partial \rho\partial t+\nabla\cdot(\rho \vecv)=0\Leftrightarrow \beginarrayl \frac\partial \rho\partial t+\rho \nabla\cdot\vecv=0 & (non-compressible\ fluid)\\frac\partial \rho\partial t+\nabla\rho\cdot\vecv+\rho \nabla\cdot\vecv=0 & (compressible\ fluid) \endarray \endequation \]

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