1. 引言
哈密顿算符
是关于空间的一阶偏微分算子,在数学和物理学中发挥着重要作用。由
可以产生一系列的偏微分方程,如泊松方程、拉普拉斯方程等,这些方程在电磁学、热传导等方面经常用到 [1] [2] [3]。
及其产生的梯度、散度和旋度等常见运算式在笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、和极坐标系下,其具体表达形式是不一样的,能不能给各种运算式找到一个通用的一般表达式来统一呢?本文针对这个问题做了一些分析,在三维正交曲线坐标系
下,得到了几个包含哈密顿算符运算式的一般表达式。
2. 正交曲线坐标系
考虑一个由三维正交曲线坐标系
[4] 组成的空间,其中一个无限小的体积元可由
,
,
,
,
,
相围得到。一般通过
、
、
乘以坐标因子
,
,
来表示三个方向的距离,
,
,
是
的函数。
如图1所示,定义三个线元:

Figure 1. The map of generalized coordinates volume element
图1. 广义坐标系体积元图
,
,
(1.1)
体积元
,则哈密顿算符可以表示为:
(1.2)
、
、
分别是空间变量
的单位矢量。
1) 一标量
在正交曲线坐标系
连续,一阶微分存在,则根据梯度的定义式,
的梯度分量:
,
,
(1.3)
(1.4)
2) 一矢量
在正交曲线坐标系
连续,一阶微分存在,那么矢量
穿过面OCGB和ADFE的向外通量为:
(1.5)
用同样的方法可以得到穿过其他4个平面的通量,则根据散度的定义,
的散度:
(1.6)
3) 矢量
是
的函数,在正交曲线坐标下连续可微,
、
、
是沿着
、
、
三个变量方向上的分量,由Stokes定理,在面OADC上
沿着边OA和DC的线积分等于:
(1.7)
沿着边AD和CO的线积分等于
(1.8)
根据Stokes定理,
沿着面OADC边界上的环路积分等于
穿过平面OADC的通量,即:
(1.9)
对于另外两个面OBGC和OAEB也可以得到
(1.10)
(1.11)
所以,矢量
的旋度为
(1.12)
3. 几例含哈密顿算符的运算式
3.1. Poisson方程和Laplace方程
标量
在正交曲线坐标系
连续可微,存在二阶偏导数,且矢量
(如电势和电场强度),那么
等于什么呢?将(1.4)式中3个分量乘以
代替(1.6)式中的
、
、
有:
(2.1)
若
,且
则(2.1)式称Poisson方程;若
则称为Laplace方程,令
,可以得到拉普拉斯算符:
(2.2)
3.2.
连续可微,由(1.4)和(1.6)式可得到:
(2.3)
3.3.
由(2.2)式可得:
(2.4)
3.4.
由(1.4),(1.6),(2.4)三式可以得到
(2.5)
3.5. 动量算符
与Schrödinger方程
由(1.2)式可知动量算符
,自由粒子波函数
的波动方程为
(2.6)
4. 在笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系的具体形式
4.1. 笛卡尔坐标系
在笛卡尔坐标系中,坐标因子
,
,
,
,
,
,则:
4.2. 柱坐标系
在柱坐标系中,坐标因子
,
,
,
,
,
则:
4.3. 球坐标系
球坐标系中,坐标因子
,
,
,
,
,
,则:
5. 结论
通过定义一个三维正交曲线坐标系
组成的空间,以及用
、
、
乘以坐标因子
、
、
来表示三个方向的线长,
、
、
是
的函数。定义三个线元
,
,
,可以得到关于哈密顿算符
、
、
、
、
及的一般表达式Poisson方程和Laplace方程的一般表达式。在这些表达式中
、
、
取不同的值,可以演化得到在相应坐标系下的对应运算式。
基金项目
云南省教育厅科学研究基金项目(批准号:2016ZZX047)。