亥い姆霍兹分解ぶんかい

在ざい物理ぶつり学がく和わ数学すうがく中なか的てき向こう量りょう分析ぶんせき中なか，亥い姆霍兹定理ていり， 或ある称しょう向こう量りょう分析ぶんせき基本きほん定理ていり， 指出さしで对于任意にんい足あし够光ひかり滑すべり、快速かいそく衰おとろえ减的三さん维向むかい量りょう场可か分解ぶんかい为一个无旋向むこう量りょう场和わ一いち个螺にし线向量りょう场的てき和わ，这个过程被ひ称しょう作さく亥い姆霍兹分解ぶんかい。此定理ていり以物理學りがく家か赫爾曼·馮·亥い姆霍茲為ため名めい。

这意味いみ着任ちゃくにん何なん矢や量りょう场 F，都と可か以视为两个势场（純量じゅんりょう勢ぜい φふぁい 和わ向こう量りょう勢ぜい A）之の和わ。

定理ていり內容

假定かてい F 為ため定義ていぎ在ざい有界ゆうかい區域くいき V ⊆ R³ 裡うら的てき二次連續可微向量場，且 S 為ため V 的てき包圍ほうい面めん，則のり F 可か被ひ分解ぶんかい成なり無な旋度及無散ち度たび兩部りょうぶ份：

$\mathbf {F} =-{\boldsymbol {\nabla }}\Phi +{\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {A}$，

其中

$\Phi \left(\mathbf {r} \right)={\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\cdot {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'$

$\mathbf {A} \left(\mathbf {r} \right)={\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\times {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'$

如果 V = R³，且 F 在ざい無窮むきゅう遠とお處しょ消失しょうしつ的てき比ひ $1/r$ 快かい，則のり純量じゅんりょう勢ぜい及向量りょう勢ぜい的てき第だい二に項こう為ため零れい，也就是ぜ說せつ

$\Phi \left(\mathbf {r} \right)={\frac {1}{4\pi }}\int _{\text{all space}}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'$

$\mathbf {A} \left(\mathbf {r} \right)={\frac {1}{4\pi }}\int _{\text{all space}}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'$

推導

假定かてい我わが們有一いち個こ向むこう量りょう函數かんすう$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)$，且其旋度${\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {F}$及散度ど${\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {F}$已やめ知ち。利用りよう狄拉克かつδでるた函数かんすう可か將しょう函數かんすう改あらため寫うつし成なり

$\delta \left(\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right)=-{\frac {1}{4\pi }}\nabla ^{2}{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}$，

$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)=\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\delta \left(\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right)\mathrm {d} V'=\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\left(-{\frac {1}{4\pi }}\nabla ^{2}{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\right)\mathrm {d} V'=-{\frac {1}{4\pi }}\nabla ^{2}\int _{V}{\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'$。

利用りよう以下いか等式とうしき

$\nabla ^{2}\mathbf {a} ={\boldsymbol {\nabla }}\left({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {a} \right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {a} \right)$，

可か得とく

$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)=-{\frac {1}{4\pi }}\left[{\boldsymbol {\nabla }}\left({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \int _{V}{\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left({\boldsymbol {\nabla }}\times \int _{V}{\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)\right]$

$=-{\frac {1}{4\pi }}\left[{\boldsymbol {\nabla }}\left(\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\cdot {\boldsymbol {\nabla }}{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)+{\boldsymbol {\nabla }}\times \left(\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\times {\boldsymbol {\nabla }}{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)\right]$。

注意ちゅうい到いた${\boldsymbol {\nabla }}{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}=-{\boldsymbol {\nabla }}'{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}$，我わが們可將はた上うえ式しき改あらため寫うつし成なり

$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)=-{\frac {1}{4\pi }}\left[-{\boldsymbol {\nabla }}\left(\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\cdot {\boldsymbol {\nabla }}'{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left(\int _{V}\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)\times {\boldsymbol {\nabla }}'{\frac {1}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)\right]$。

利用りよう以下いか二に等式とうしき，

$\mathbf {a} \cdot {\boldsymbol {\nabla }}\psi =-\psi \left({\boldsymbol {\nabla }}\cdot \mathbf {a} \right)+{\boldsymbol {\nabla }}\cdot \left(\psi \mathbf {a} \right)$

$\mathbf {a} \times {\boldsymbol {\nabla }}\psi =\psi \left({\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {a} \right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left(\psi \mathbf {a} \right)$。

可か得とく

$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)=-{\frac {1}{4\pi }}\left[-{\boldsymbol {\nabla }}\left(-\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'+\int _{V}{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left(\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-\int _{V}{\boldsymbol {\nabla }}'\times {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'\right)\right]$。

利用りよう散ち度たび定理ていり，方程式ほうていしき可か改あらため寫うつし成なり

$\mathbf {F} \left(\mathbf {r} \right)=-{\frac {1}{4\pi }}\left[-{\boldsymbol {\nabla }}\left(-\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'+\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\cdot {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'\right)-{\boldsymbol {\nabla }}\times \left(\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\times {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'\right)\right]$

$=-{\boldsymbol {\nabla }}\left[{\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\cdot {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'\right]+{\boldsymbol {\nabla }}\times \left[{\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\times {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'\right]$。

定義ていぎ

$\Phi \left(\mathbf {r} \right)\equiv {\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\cdot \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\cdot {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'$

$\mathbf {A} \left(\mathbf {r} \right)\equiv {\frac {1}{4\pi }}\int _{V}{\frac {{\boldsymbol {\nabla }}'\times \mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} V'-{\frac {1}{4\pi }}\oint _{S}\mathbf {\hat {n}} '\times {\frac {\mathbf {F} \left(\mathbf {r} '\right)}{\left|\mathbf {r} -\mathbf {r} '\right|}}\mathrm {d} S'$

所以ゆえん

$\mathbf {F} =-{\boldsymbol {\nabla }}\Phi +{\boldsymbol {\nabla }}\times \mathbf {A}$

利用りよう傅でん利とし葉は轉換てんかん做推導しるべ

（疑似ぎじ有ゆう错误） 將しょうF改あらため寫うつし成なり傅でん利とし葉は轉換てんかん的形まとがた式しき：

${\vec {\mathbf {F} }}({\vec {r}})=\iiint {\vec {\mathbf {G} }}({\vec {\omega }})e^{\displaystyle i\,{\vec {\omega }}\cdot {\vec {r}}}d{\vec {\omega }}$

純量じゅんりょう場じょう的てき傅でん利とし葉は轉換てんかん是ぜ一いち個こ純量じゅんりょう場じょう，向こう量りょう場じょう的てき傅でん利とし葉は轉換てんかん是ぜ一個維度相同的向量場。 現在げんざい考慮こうりょ以下いか純量じゅんりょう場じょう及向量りょう場じょう：

${\begin{array}{lll}G_{\Phi }({\vec {\omega }})=i\,{\frac {\displaystyle {\vec {\mathbf {G} }}({\vec {\omega }})\cdot {\vec {\omega }}}{||{\vec {\omega }}||^{2}}}&\quad \quad &{\vec {\mathbf {G} }}_{\mathbf {A} }({\vec {\omega }})=i\,{\vec {\omega }}\times \left({\vec {\mathbf {G} }}({\vec {\omega }})+iG_{\Phi }({\vec {\omega }})\,{\vec {\omega }}\right)\\&&\\\Phi ({\vec {r}})=\displaystyle \iiint G_{\Phi }({\vec {\omega }})e^{\displaystyle i\,{\vec {\omega }}\cdot {\vec {r}}}d{\vec {\omega }}&&{\vec {\mathbf {A} }}({\vec {r}})=\displaystyle \iiint {\vec {\mathbf {G} }}_{\mathbf {A} }({\vec {\omega }})e^{\displaystyle i\,{\vec {\omega }}\cdot {\vec {r}}}d{\vec {\omega }}\end{array}}$

所以ゆえん

${\vec {\mathbf {G} }}({\vec {\omega }})=-i\,{\vec {\omega }}\,G_{\Phi }({\vec {\omega }})+i\,{\vec {\omega }}\times {\vec {\mathbf {G} }}_{\mathbf {A} }({\vec {\omega }})$

${\begin{array}{lll}{\vec {\mathbf {F} }}({\vec {r}})&=&\displaystyle -\iiint i\,{\vec {\omega }}\,G_{\Phi }({\vec {\omega }})\,e^{\displaystyle i\,{\vec {\omega }}\cdot {\vec {r}}}d{\vec {\omega }}+\iiint i\,{\vec {\omega }}\times {\vec {\mathbf {G} }}_{\mathbf {A} }({\vec {\omega }})e^{\displaystyle i\,{\vec {\omega }}\cdot {\vec {r}}}d{\vec {\omega }}\\&=&-{\boldsymbol {\nabla }}\Phi ({\vec {r}})+{\boldsymbol {\nabla }}\times {\vec {\mathbf {A} }}({\vec {r}})\end{array}}$

参考さんこう文献ぶんけん

一般いっぱん参考さんこう文献ぶんけん

• George B. Arfken and Hans J. Weber, Mathematical Methods for Physicists, 4th edition, Academic Press: San Diego (1995) pp. 92–93
• George B. Arfken and Hans J. Weber, Mathematical Methods for Physicists International Edition, 6th edition, Academic Press: San Diego (2005) pp. 95–101

弱じゃく形式けいしき的てき参考さんこう文献ぶんけん

• C. Amrouche, C. Bernardi, M. Dauge, and V. Girault. "Vector potentials in three dimensional non-smooth domains." Mathematical Methods in the Applied Sciences, 21, 823–864, 1998.
• R. Dautray and J.-L. Lions. Spectral Theory and Applications, volume 3 of Mathematical Analysis and Numerical Methods for Science and Technology. Springer-Verlag, 1990.
• V. Girault and P.A. Raviart. Finite Element Methods for Navier–Stokes Equations: Theory and Algorithms. Springer Series in Computational Mathematics. Springer-Verlag, 1986.

外部がいぶ链接

• Helmholtz theorem （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）（MathWorld）