Asst. Prof. Mehmet ร‡ayรถren 1 Electromagnetic Waves 2014

Asst. Prof. Mehmet Çayören
Electromagnetic Waves
2014-2015 Fall Semester Exercise 1
1. a) ๐‘‰ = ๐‘ฅ 2 + ๐‘ฆ 2 + ๐‘ง 2 . Find ๐ธโƒ— if ๐ธโƒ— = โˆ’โˆ‡๐‘‰.
๐œ•
๐œ•
๐œ•
๐ธโƒ— = โˆ’ ( โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ +
๐‘’๐‘ฆ + โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’ ) (๐‘ฅ 2 + ๐‘ฆ 2 + ๐‘ง 2 )
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง ๐‘ง
๐ธโƒ— = โˆ’2๐‘ฅ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ โˆ’ 2๐‘ฆ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ โˆ’ 2๐‘ง๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
b) ๐‘‰ = ๐œŒ2 + ๐›ท2 + ๐‘ง 2 . Find ๐ธโƒ— if ๐ธโƒ— = โˆ’โˆ‡๐‘‰.
๐œ•
1 ๐œ•
๐œ•
๐ธโƒ— = โˆ’ ( โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐œŒ +
๐‘’๐›ท + โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’ ) (๐œŒ2 + ๐›ท2 + ๐‘ง 2 )
๐œ•๐œŒ
๐œŒ ๐œ•๐›ท
๐œ•๐‘ง ๐‘ง
๐ธโƒ— = โˆ’2๐œŒ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐œŒ โˆ’ 2
๐›ท
๐‘’ โˆ’ 2๐‘ง๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
๐œŒ ๐›ท
2. (P2.19 In Chengโ€™s Book) For vector function ๐ด = ๐œŒ2 โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐œŒ + 2๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง , verify the divergence theorem
for the circular cylindrical region enclosed by ๐œŒ = 5, ๐‘ง = 0 and ๐‘ง = 4.
Divergence theorem:
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โˆซ โˆ‡. ๐ด๐‘‘๐‘ฃ = โˆฎ ๐ด. ๐‘‘๐‘ 
๐‘‰
โˆ‡. ๐ด =
๐‘†
1 ๐œ•
1 ๐œ•
๐œ•๐ด๐‘ง
(๐ด๐›ท ) +
(๐œŒ๐ด๐œŒ ) +
๐œŒ ๐œ•๐œŒ
๐œŒ ๐œ•๐›ท
๐œ•๐‘ง
โŸ
=0
1 ๐œ• 3
๐œ•
(๐œŒ ) + (2๐‘ง) = 3๐œŒ + 2
โˆ‡. ๐ด =
๐œŒ ๐œ•๐œŒ
๐œ•๐‘ง
4
2๐œ‹
5
โˆซ โˆ‡. ๐ด๐‘‘๐‘ฃ = โˆซ โˆซ โˆซ (3๐œŒ + 2)๐œŒ ๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐›ท ๐‘‘๐‘ง
๐‘‰
๐‘ง=0 ๐›ท=0 ๐œŒ=0
4
2๐œ‹
โˆซ โˆ‡. ๐ด๐‘‘๐‘ฃ = โˆซ โˆซ (๐œŒ3 + ๐œŒ2 )|5๐œŒ=0 ๐‘‘๐›ท ๐‘‘๐‘ง = 8๐œ‹(150) = 1200๐œ‹
๐‘‰
๐‘ง=0 ๐›ท=0
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = ( โˆซ + โˆซ + โˆซ ) (๐ด. ๐‘‘๐‘ 
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— )
โˆฎ ๐ด. ๐‘‘๐‘ 
๐‘†
๐‘†1
๐‘†2
๐‘†3
๐‘†2
๐‘†1
On ๐‘†1 (๐œŒ = 5)
๐‘†3
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = ๐œŒ ๐‘‘๐›ท ๐‘‘๐‘ง โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘ 
๐‘’๐œŒ
1
Asst. Prof. Mehmet Çayören
2๐œ‹
4
3
โˆซ ๐œŒ ๐‘‘๐›ท ๐‘‘๐‘ง = 125 โˆซ โˆซ ๐‘‘๐›ท ๐‘‘๐‘ง = 8๐œ‹(125) = 1000๐œ‹
๐‘†1
๐‘ง=0 ๐›ท=0
On ๐‘†2 (๐‘ง = 4)
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = ๐œŒ ๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐›ท โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง
2๐œ‹
5
โˆซ 2๐‘ง๐œŒ ๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐›ท = 4 × โˆซ โˆซ 2๐œŒ ๐‘‘๐œŒ ๐‘‘๐›ท = 2๐œ‹ × 4 × ๐œŒ2 |5๐œŒ=0 = 8๐œ‹ × 25 = 200๐œ‹
๐‘†2
๐›ท=0 ๐œŒ=0
On ๐‘†2 (๐‘ง = 0)
๐ด๐‘ง = 0 ๏ƒจโˆซ๐‘† (๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘ ) = 0
3
โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = 1000๐œ‹ + 200๐œ‹ + 0 = 1200๐œ‹
๐‘†
โˆซ โˆ‡. ๐ด๐‘‘๐‘ฃ = โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = 1200๐œ‹
๐‘‰
๐‘†
โƒ— =
3. (P2.19 In Chengโ€™s Book) A vector field ๐ท
cos2 ๐›ท
๐‘’๐‘Ÿ
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘Ÿ3
exists in the region between two
spherical shells defined by ๐‘Ÿ = 1 and ๐‘Ÿ = 2. Evaluate
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
a) โˆฎ ๐ท
๐‘‘๐‘ 
โƒ— ๐‘‘๐‘ฃ
b) โˆซ โˆ‡. ๐ท
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
a) โˆฎ ๐ท
๐‘‘๐‘  = (โˆซ๐‘† + โˆซ๐‘† ) (๐ท
๐‘‘๐‘ ) where ๐‘†1 and ๐‘†2 represents ๐‘Ÿ = 1 and ๐‘Ÿ = 2 respectively.
1
2
On ๐‘†1 (๐‘Ÿ = 1)
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = โˆ’๐‘Ÿ 2 sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘ 
๐‘’๐‘Ÿ
2๐œ‹
๐œ‹
2๐œ‹
๐œ‹
cos 2 ๐›ท 2
1
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โˆซ๐ท
๐‘‘๐‘  = โˆซ โˆซ โˆ’
๐‘Ÿ sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท = โˆ’ โˆซ โˆซ cos2 ๐›ท sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท
3
๐‘Ÿ
1
๐‘†1
๐›ท=0 ฮธ=0
๐›ท=0 ฮธ=0
2๐œ‹
2๐œ‹
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = ( โˆซ cos
โƒ— . ๐‘‘๐‘ 
โˆซ๐ท
๐‘†1
2
๐›ท ๐‘‘๐›ท) (๐‘๐‘œ๐‘ ฮธ)|๐œ‹ฮธ=0
= โˆ’2 โˆซ cos2 ๐›ท ๐‘‘๐›ท
๐›ท=0
๐›ท=0
1
cos2 ๐‘ฅ = (cos(2๐‘ฅ) + 1)
2
2๐œ‹
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = โˆ’2 โˆซ
โƒ— . ๐‘‘๐‘ 
โˆซ๐ท
๐‘†1
๐›ท=0
2๐œ‹
1
1
(cos 2๐›ท + 1)๐‘‘๐›ท = ( sin2๐›ท + ๐›ท)|
= โˆ’2๐œ‹
2
2
๐›ท=0
On ๐‘†2 (๐‘Ÿ = 2)
2
Asst. Prof. Mehmet Çayören
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = ๐‘Ÿ 2 sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘ 
๐‘’๐‘Ÿ
2๐œ‹
๐œ‹
2๐œ‹
๐œ‹
cos2 ๐›ท 2
1
๐‘Ÿ sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท =
โˆซ โˆซ cos2 ๐›ท sinฮธ ๐‘‘ฮธ ๐‘‘๐›ท = ๐œ‹
3
๐‘Ÿ
2
โŸ ฮธ=0
๐›ท=0 ฮธ=0
๐›ท=0
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โˆซ๐ท
๐‘‘๐‘  = โˆซ โˆซ
๐‘†2
2๐œ‹
โƒ— . โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
( โˆซ + โˆซ ) (๐ท
๐‘‘๐‘ ) = โˆ’2๐œ‹ + ๐œ‹ = โˆ’๐œ‹
๐‘†1
1 ๐œ•
1
๐‘†2
๐œ•
1
๐œ•
โƒ— = 2 (๐‘Ÿ 2 ๐ท๐‘Ÿ ) +
(๐ทฮธ ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ) +
(๐ท๐›ท )
b) โˆ‡. ๐ท
โŸ
๐‘Ÿ ๐œ•๐‘Ÿ
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ ๐œ•ฮธ
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ ๐œ•๐›ท
=0
โƒ— =
โˆ‡. ๐ท
1 ๐œ•
cos2 ๐›ท
1 ๐œ• cos2 ๐›ท
cos2 ๐›ท
2
(๐‘Ÿ
)= 2 (
)=
๐‘Ÿ 2 ๐œ•๐‘Ÿ
๐‘Ÿ3
๐‘Ÿ ๐œ•๐‘Ÿ
๐‘Ÿ
๐‘Ÿ4
๐‘‘๐‘ฃ = ๐‘Ÿ 2 ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ ๐‘‘r๐‘‘๐›ท๐‘‘ฮธ
๐œ‹
2๐œ‹
2
โƒ— ๐‘‘๐‘ฃ = โˆซ โˆซ โˆซ
โˆซ โˆ‡. ๐ท
ฮธ=0 ๐›ท=0 ๐‘Ÿ=1
๐œ‹
cos 2 ๐›ท
๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ๐‘‘r๐‘‘๐›ท๐‘‘ฮธ
๐‘Ÿ2
2๐œ‹
๐œ‹
2๐œ‹
1 2
1
2
โƒ—
โˆซ โˆ‡. ๐ท ๐‘‘๐‘ฃ = โˆซ โˆซ cos ๐›ท ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ๐‘‘๐›ท๐‘‘ฮธ ( 2 )|
= โˆ’ โˆซ โˆซ cos 2 ๐›ท ๐‘ ๐‘–๐‘›ฮธ๐‘‘๐›ท๐‘‘ฮธ = โˆ’๐œ‹
๐‘Ÿ ๐‘Ÿ=1
2
โŸ ๐›ท=0
ฮธ=0 ๐›ท=0
ฮธ=0
=2๐œ‹
4. (P2.24 In Chengโ€™s Book) Assume the vector function ๐ด = 3๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฅ 3 ๐‘ฆ 2 โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ
a) Find โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ around the triangular contour given in figure.
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— over the triangular area.
b) Evaluate โˆซ(โˆ‡ × ๐ด). ๐‘‘๐‘ 
c) Can ๐ด be expressed as the gradiant of a scalar? Explain.
a) โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = (โˆซ๐ฟ + โˆซ๐ฟ + โˆซ๐ฟ ) ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™
1
2
3
On ๐ฟ1 (๐‘ฅ = ๐‘ฆ), โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = ๐‘‘๐‘ฅ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + ๐‘‘๐‘ฆ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ
2
โˆซ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = โˆซ 2๐‘ฅ 5 ๐‘‘๐‘ฅ = 21
๐ฟ1
1
On ๐ฟ2 (๐‘ฅ = 2), โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = ๐‘‘๐‘ฆ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ
3
Asst. Prof. Mehmet Çayören
1
1
โƒ—โƒ—โƒ— = โˆซ(โˆ’8๐‘ฆ 2 )๐‘‘๐‘ฆ = โˆ’
โˆซ ๐ด. ๐‘‘๐‘™
๐ฟ2
2
8๐‘ฆ 3
8 64 56
| =โˆ’ +
=
3 2
3 3
3
On ๐ฟ3 (๐‘ฆ = 1), โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = ๐‘‘๐‘ฅ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ
1
โƒ—โƒ—โƒ— = โˆซ(3๐‘ฅ 2 )๐‘‘๐‘ฅ = ๐‘ฅ 3 |12 = 1 โˆ’ 8 = โˆ’7
โˆซ ๐ด. ๐‘‘๐‘™
๐ฟ3
2
โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = 21 +
b) (โˆ‡ × ๐ด) = |
๐‘’๐‘ฅ
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง
๐œ•
๐œ•๐‘ฅ
2 2
๐œ•
๐œ•๐‘ฆ
3 2
๐œ•
|
๐œ•๐‘ง
3๐‘ฅ ๐‘ฆ
โˆ’๐‘ฅ ๐‘ฆ
56
98
โˆ’7=
3
3
= โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ (โ€ฆ ) + โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ (โ€ฆ ) + โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง (
๐œ•
๐œ•
(โˆ’๐‘ฅ 3 ๐‘ฆ 2 ) โˆ’ (3๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 ))
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
0
๐‘’๐‘ง (โˆ’3๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 โˆ’ 9๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 ) = โˆ’12๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง
(โˆ‡ × ๐ด) = โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = โˆ’๐‘‘๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฆ๐‘’
๐‘‘๐‘ 
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
๐‘ฆ=2 ๐‘ฅ=2
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = โˆซ
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). ๐‘‘๐‘ 
๐‘†
๐‘ฆ=2
๐‘ฅ=2
๐‘ฆ=2
๐‘ฅ3
โˆซ 12๐‘ฅ ๐‘ฆ ๐‘‘๐‘ฅ๐‘‘๐‘ฆ = 12 โˆซ ๐‘ฆ ( )|
๐‘‘๐‘ฆ = 4 โˆซ (8 โˆ’ ๐‘ฆ 3 ) ๐‘ฆ 2 ๐‘‘๐‘ฆ
3 ๐‘ฅ=๐‘ฆ
2 2
2
๐‘ฆ=1 ๐‘ฅ=๐‘ฆ
๐‘ฆ=1
๐‘ฆ=1
๐‘ฆ=2
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = 4 (
๐‘†
8๐‘ฆ 3 ๐‘ฆ 6
128 256 2 32
98
โˆ’ )|
=โˆ’
+
+ โˆ’
=
3
6 ๐‘ฆ=1
3
3
3 3
3
c) Since โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = โˆซ(โˆ‡ × ๐ด). โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  โ‰  0, ๐ด cannot be expressed as gradient of a scalar.
๐›ท
2
5. (P2.25 In Chengโ€™s Book) Given the vector function ๐ด = ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ) โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐›ท , verify Stokesโ€™s theorem
over the hemispherical surface and its circular contour that are shown in figure.
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™
๐‘†
๐ถ
Integral on surface;
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = ๐‘Ÿ 2 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘‘๐œƒ๐‘‘๐›ท๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐‘Ÿ
4
Asst. Prof. Mehmet Çayören
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐‘Ÿ
1 |๐œ•
×
๐ด
=
(โˆ‡
)
๐‘Ÿ 2 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ |๐œ•๐‘Ÿ
๐‘Ÿ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐œƒ
๐œ•
๐œ•๐œƒ
0
(โˆ‡ × ๐ด) =
1
0
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐›ท
๐œ•
|
๐œ•๐›ท
|
๐›ท
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( )
2
๐œ•
๐›ท
๐œ•
๐›ท
โƒ—โƒ—โƒ— ( (๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ))) โˆ’ ๐‘Ÿ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐œƒ ( (๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( )))]
๐œ•๐œƒ
2
๐œ•๐‘Ÿ
2
[๐‘’
๐‘Ÿ 2 ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ ๐‘Ÿ
๐›ท
๐›ท
๐‘๐‘œ๐‘ ๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( 2 )
๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( 2 )
) โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘Ÿ โˆ’ (
) โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐œƒ
(โˆ‡ × ๐ด) = (
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ
๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ
2๐œ‹ ๐œ‹/2
๐›ท
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘  = โˆซ โˆซ ๐‘๐‘œ๐‘ ๐œƒ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ) ๐‘Ÿ๐‘‘๐œƒ๐‘‘๐›ท
2
๐‘†
๐›ท=0 ๐œƒ=0
Using ๐‘Ÿ = ๐‘,
2๐œ‹
2๐œ‹
๐›ท=0
๐›ท=0
๐›ท
๐›ท
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = ๐‘ โˆซ ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ) ๐‘‘๐›ท ((๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ)|๐œ‹/2 ) = ๐‘ โˆซ ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ) ๐‘‘๐›ท
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). ๐‘‘๐‘ 
๐œƒ=0
2
2
๐‘†
2๐œ‹
๐›ท
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ— = โˆ’2๐‘ (๐‘๐‘œ๐‘  ( ))|
โˆซ (โˆ‡ × ๐ด). ๐‘‘๐‘ 
= โˆ’2๐‘(โˆ’1 โˆ’ 1) = 4๐‘
2
๐‘†
๐›ท=0
Integral on contour;
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = ๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘‘๐›ท๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐›ท
2๐œ‹
๐›ท
โˆฎ ๐ด. โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘‘๐‘™ = โˆซ ๐‘ ๐‘–๐‘› ( ) ๐‘Ÿ๐‘ ๐‘–๐‘›๐œƒ๐‘‘๐›ท
2
๐ถ
Using ๐‘Ÿ = ๐‘ and ๐œƒ =
๐›ท=0
๐œ‹
2
2๐œ‹
๐›ท
โƒ—โƒ—โƒ— == โˆ’2๐‘ (๐‘๐‘œ๐‘  ( ))|
โˆฎ ๐ด. ๐‘‘๐‘™
= โˆ’2๐‘(โˆ’1 โˆ’ 1) = 4๐‘
2
๐›ท=0
๐ถ
6. a) If a scalar field is defined as ๐‘“ = ๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 ๐‘ง 2 , show that the Laplacian โˆ†๐‘“ is equal to โˆ‡. (โˆ‡๐‘“)
๐œ•2๐‘“ ๐œ•2๐‘“ ๐œ•2๐‘“
โˆ†๐‘“ = โˆ‡2 ๐‘“ = 2 + 2 + 2 = 2๐‘ฆ 2 ๐‘ง 2 + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ง 2 + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง
๐œ•๐‘“
๐œ•๐‘“
๐œ•๐‘“
โˆ‡. (โˆ‡๐‘“) = โˆ‡. ( โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ +
๐‘’๐‘ฆ +
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’ ) = โˆ‡. (2๐‘ฅ๐‘ฆ 2 ๐‘ง 2 โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ๐‘ง 2 โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 ๐‘ง๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง )
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง ๐‘ง
โˆ‡. (โˆ‡๐‘“) =
๐œ•
๐œ•
๐œ•
(2๐‘ฅ๐‘ฆ 2 ๐‘ง 2 ) +
(2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ๐‘ง 2 ) + (2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2 ๐‘ง) = 2๐‘ฆ 2 ๐‘ง 2 + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ง 2 + 2๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ 2
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง
5
Asst. Prof. Mehmet Çayören
b) If a vector field is defined as,
๐ด = ๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + ๐‘ฅ๐‘ฆ 2 ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + ๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง 2 โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง
show that
โˆ†๐ด = โˆ‡(โˆ‡. ๐ด) โˆ’ โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด
โˆ†๐ด = โˆ‡2 ๐ด = (
โˆ†๐ด = โˆ‡2 ๐ด = โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ
๐œ•2
๐œ•2
๐œ•2
+
+
๐‘’๐‘ฅ + ๐ด๐‘ฆ โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ + ๐ด๐‘ง โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง )
) (๐ด๐‘ฅ โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐œ•๐‘ฅ 2 ๐œ•๐‘ฆ 2 ๐œ•๐‘ง 2
๐œ•2 2
๐œ•2
๐œ•2
2
(๐‘ฅ
(๐‘ฅ๐‘ฆ
(๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง 2 )
๐‘ฆ๐‘ง)
+
๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘ง)
+
๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘ฆ
๐‘ง
๐œ•๐‘ฅ 2
๐œ•๐‘ฆ 2
๐œ•๐‘ง 2
โˆ†๐ด = โˆ‡2 ๐ด = 2๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 2๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 2๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
โˆ‡(โˆ‡. ๐ด) = โˆ‡ (
๐œ•๐ด๐‘ฅ ๐œ•๐ด๐‘ฆ ๐œ•๐ด๐‘ง
+
+
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
) = โˆ‡(2๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง + 2๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง + 2๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง) = 6๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 6๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 6๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ
๐œ•
โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = โˆ‡ × ||
๐œ•๐‘ฅ
๐ด๐‘ฅ
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ
๐œ•
๐œ•๐‘ฆ
๐ด๐‘ฆ
๐‘’๐‘ฅ
โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
๐œ•
๐œ•|
= โˆ‡ × ||
|
๐œ•๐‘ฅ
๐œ•๐‘ง
๐ด๐‘ง
๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ๐‘ง
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ
โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง
๐œ•
๐œ• |
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง |
๐‘ฅ๐‘ฆ 2 ๐‘ง ๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘ง 2
โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = โˆ‡ × [๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ (๐‘ฅ๐‘ง 2 โˆ’ ๐‘ฅ๐‘ฆ 2 ) โˆ’ โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ (๐‘ฆ๐‘ง 2 โˆ’ ๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ) + โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง (๐‘ฆ 2 ๐‘ง โˆ’ ๐‘ฅ 2 ๐‘ง)]
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ
๐œ•
โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = ||
๐œ•๐‘ฅ
๐‘ฅ๐‘ง 2 โˆ’ ๐‘ฅ๐‘ฆ 2
๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ
๐‘’๐‘ง
โƒ—โƒ—โƒ—
๐œ•
๐œ•
||
๐œ•๐‘ฆ
๐œ•๐‘ง
โˆ’๐‘ฆ๐‘ง 2 + ๐‘ฅ 2 ๐‘ฆ ๐‘ฆ 2 ๐‘ง โˆ’ ๐‘ฅ 2 ๐‘ง
โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฅ (2๐‘ฆ๐‘ง + 2๐‘ฆ๐‘ง) โˆ’ โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ฆ (โˆ’2๐‘ฅ๐‘ง โˆ’ 2๐‘ฅ๐‘ง) + โƒ—โƒ—โƒ—
๐‘’๐‘ง (2๐‘ฅ๐‘ฆ + 2๐‘ฅ๐‘ฆ)
โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = 4๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 4๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 4๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
โˆ‡(โˆ‡. ๐ด) โˆ’ โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = (6๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 6๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 6๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง ) โˆ’ (4๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 4๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 4๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’
โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง )
โˆ‡(โˆ‡. ๐ด) โˆ’ โˆ‡ × โˆ‡ × ๐ด = 2๐‘ฆ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฅ + 2๐‘ฅ๐‘ง๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ฆ + 2๐‘ฅ๐‘ฆ๐‘’โƒ—โƒ—โƒ—๐‘ง
6