Toán Ma Trận và Tensor: Ứng dụng trong Cơ học, Đàn hồi và Hàng không - Aristotle D. Michal

Khám phá ma trận tenxơ giải tích: Công cụ toán học mạnh mẽ cho vật lý, kỹ thuật và khoa học dữ liệu. Tìm hiểu ứng dụng và công thức chính.

Trường đại học

California Institute Of Technology

Chuyên ngành

Applied Mathematics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

1947

141
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

Bibliographical Note

EDITOR'S PREFACE

PREFACE

CONTENTS

1. PART'I MATRIX CALCULUS AND ITS APPLICATIONS CHA.

1.1. ALGlilBBAIC PBELlMINARIES Introduction • . 1 Definitions and notations . 1 Elementary operations on matrices

1.2. ALGl!IBBAIC PRELIMINARIES (Continued) Inverse of a matrix and the solution of linear equations • • • • • •• 8 Multiplication of matrices by numbers, and matric polynomials. • •• 11 Characteristic equation of a matrix and the Cayley-Hamilton theorem.

1.3. DIFFERENTIAL AND INTl!lGRAL CALCULUS OF MATBICES Power series in matrices . • • • 15 Differentiation and integration depending on a numerical variable • 16

1.4. DIFFERENTIAL AND INTEIlBAL CALCULUS OF MATBICES (Continued) Systems of linear differential equations with constant coefficients 20 Systems of linear differential equations with variable coefficients.

1.5. MATRIX METHODS IN PROBLl!IMS OF SMALL OSCILLATIONS Differential equations pf motion 24 Illustrative example .

1.6. MATBIX METHODS IN PROBLEMS OF SMALL OsCILLATIONS (Continued) Calculation of frequencies and amplitudes .

1.7. MATRIX METHODS IN THE MATHEMATICAL THEORY OF AIBCllAI'T FLUTTER 32

1.8. MATRIX METHODS IN ELASTIC DEFORMATION THEORY 38

9. PART 11 TENSOR CALCULUS AND ITS APPLICATIONS

9.1. SPACIil LINE ELEMENT IN CURVILINEAB COORDINATES Introductory remarks . 42 Notation and summation coDvention • . 42 Euclidean metrio tensor • • .

9.2. Vl!ICI'OB FIELDS, TENSOR FIELDS, AND EUCLIDEAN GHlWITOFFilL SnmoLS The strain tensor . 48 Scalars, contravariant vectors, and covariant vectors 49 Tensor fields of rank two 50 Euclidean Christoffel symbols 53

9.3. TENsoR ANALYSIS Covariant difierentiation of vector fields 56 Tensor fields of rank r = p + q, contravariant of rank p and covariant of rank'p. • • • • 57 Properties of tensor fields • • .

9.4. LAPLACE EQUATION, WAVE EQUATION, AND POISSON EQUATION IN QuaY!;' LINlIlAR COORDINATES Some further concepts and remarks on the tensor caloulus 60 Laplace's equation •.' 62 Laplace's equation for veotor fields 65 Wave equation .

9.5. SOME ELEMENTARY ApPLICATIONS OF THE TENSOR CALCULUS TO HYDRO- DYNAMICS Navier-Stokes differential equations for the motion of a viscous'fluid • 69 Multiple-point tensor fields. • 71 A two-point correlation tensor field in turbulence • .

9.6. APPLICATIONS OF THE TENSOR CALCULUS TO ELASTICITY THJiIORY Finite deformation theory of elastic media • 75 Strain tensors in rectangular coordinates • • 77 Change in volume under elastic deformation 79

9.7. HOMOGENEOUS AND ISOTROPIC 8TaAJNs, STRAIN INV AJUANTS, AND VARJ- ATION OF STRAIN TENSOR Strain invariants . • 82 Homogeneous and isotropic strains . 83 A fundamental theorem on homogeneous strains 84 Variation of the strain tensor.

9.8. STRESS TENSOR, ELASTIC POTENTIAL, AND STRESS-8TaAJN RELATIONS Stress tensor . 91 StresHstrain relations for an isotropic medium .

9.9. TENifoR CALCULUS IN RlmMANNJAN SPACliIS AND TBJD FuNDAMENTALS OF CLASSICAL MECHANICS Multidimensional Euclidean spaces . • 96 Curved surfaces as examples of RiElmannian spaces 98 The Riemann-Chrlstoffel ourvature ~r • • • • 99 Geodesics. 100 Equations of motion of a dynamical system with n degrees of freedom.

9.10. ,ApPLICA!l'IONB OF THE TENSOB CALCULUS TO BOUNDARy-LAYER TBlDOBY "Incompressible and compressible fluids. 103 Boundary-layer equations for the steady motion of a homogeneous in- compressible fluid • 104

NOTES ON PART I • • • • III

NOTJIlS ON PART IT. • • 114

RuEBENCES FOB PART I • 124

RmFERENCES FOR PART IT 125

INDEX

Tóm tắt

I. Ma Trận và Tensor Tổng Quan Ứng Dụng Trong Cơ Học

Ma trận và tensor là những công cụ toán học mạnh mẽ, đóng vai trò then chốt trong việc mô tả và giải quyết các bài toán phức tạp trong cơ học, đàn hồi, và hàng không. Ma trận, với cấu trúc bảng biểu rõ ràng, cho phép biểu diễn các hệ phương trình tuyến tính, các phép biến đổi tọa độ, và các tính chất vật lý một cách hiệu quả. Tensor, mở rộng khái niệm ma trận, cung cấp một phương pháp biểu diễn các đại lượng vật lý không phụ thuộc vào hệ tọa độ, đảm bảo tính khách quan và tổng quát của các mô hình toán học. Sự kết hợp giữa ma trận và tensor cho phép các kỹ sư và nhà khoa học giải quyết các vấn đề từ dao động nhỏ, biến dạng đàn hồi đến khí động lực học và điều khiển bay. Theo Michal (1947), ma trận và tensor không chỉ là công cụ toán học mà còn là ngôn ngữ để mô tả thế giới vật lý một cách chính xác và hiệu quả. Ứng dụng của chúng trải dài từ thiết kế kết cấu chịu lực đến mô phỏng dòng chảy rối.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Vai Trò Của Toán Ma Trận

Lịch sử của toán ma trận bắt nguồn từ thế kỷ 19, nhưng ứng dụng rộng rãi của nó trong kỹ thuật chỉ thực sự bùng nổ sau Thế chiến II. Các nhà khoa học đã nhận ra tiềm năng to lớn của ma trận trong việc giải quyết các bài toán liên quan đến cơ học và đàn hồi. Michal (1947) nhấn mạnh rằng sự ra đời của các phương pháp tính toán dựa trên ma trận đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ứng dụng toán học trong kỹ thuật, cho phép các kỹ sư giải quyết các bài toán phức tạp mà trước đây là không thể. Ma trận giúp đơn giản hóa việc tính toán và phân tích các hệ phương trình, từ đó cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các mô hình.

1.2. Khái Niệm Cơ Bản Về Tensor và Tính Chất Bất Biến

Tensor là một khái niệm tổng quát hơn ma trận, cho phép biểu diễn các đại lượng vật lý một cách độc lập với hệ tọa độ. Điều này đặc biệt quan trọng trong cơ học môi trường liên tục, nơi mà các tính chất vật lý như ứng suất và biến dạng cần được mô tả một cách khách quan. Tính chất bất biến của tensor đảm bảo rằng các phương trình vật lý vẫn đúng ngay cả khi hệ tọa độ thay đổi. Tensor cho phép xây dựng các mô hình toán học chính xác và tổng quát hơn, từ đó cải thiện khả năng dự đoán và kiểm soát các hệ thống vật lý phức tạp. Sự hiểu biết sâu sắc về tensor là chìa khóa để giải quyết các bài toán khó trong cơ học và đàn hồi.

II. Thách Thức Mô Hình Hóa Vật Liệu và Hiện Tượng Phi Tuyến

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc áp dụng toán ma trận và tensor là mô hình hóa chính xác các tính chất vật liệu và các hiện tượng phi tuyến. Vật liệu thực tế thường có hành vi phức tạp, không tuân theo các định luật tuyến tính đơn giản. Các hiện tượng như dẻo, phá hủy và dòng chảy nhớt đòi hỏi các mô hình toán học phức tạp hơn, thường liên quan đến các phương trình vi phân phi tuyến. Việc giải các phương trình này đòi hỏi các phương pháp tính toán số tiên tiến và sự hiểu biết sâu sắc về các tính chất vật liệu. Thách thức này đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà toán học, vật lý và kỹ sư để phát triển các mô hình chính xác và hiệu quả.

2.1. Các Phương Pháp Mô Hình Hóa Vật Liệu Tiên Tiến

Để vượt qua thách thức mô hình hóa vật liệu, các nhà khoa học đã phát triển nhiều phương pháp tiên tiến, bao gồm lý thuyết dẻo, lý thuyết phá hủy và các mô hình nhớt đàn hồi. Các phương pháp này sử dụng các khái niệm toán học phức tạp như tensor ứng suất, tensor biến dạng và các hàm thế để mô tả hành vi của vật liệu dưới tác dụng của lực. Việc áp dụng các phương pháp này đòi hỏi các kỹ thuật tính toán số tiên tiến như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp thể tích hữu hạn (FVM).

2.2. Vấn Đề Phi Tuyến Tính và Các Phương Pháp Giải Số

Các hiện tượng phi tuyến tính đặt ra một thách thức lớn cho việc giải các phương trình vi phân. Các phương pháp giải tích thường không áp dụng được, và các phương pháp giải số trở thành công cụ chính. Các phương pháp như phương pháp Newton-Raphson và các phương pháp lặp khác được sử dụng để tìm nghiệm của các phương trình phi tuyến. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể gặp khó khăn trong việc hội tụ hoặc có thể cho ra các nghiệm không chính xác. Việc lựa chọn phương pháp giải số phù hợp và kiểm tra tính chính xác của nghiệm là rất quan trọng.

III. Giải Pháp Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn và Tính Toán Song Song

Để giải quyết các bài toán cơ học và đàn hồi phức tạp, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã trở thành một công cụ không thể thiếu. FEM cho phép chia một vật thể thành nhiều phần tử nhỏ hơn, và sau đó giải các phương trình vi phân trên từng phần tử. Kết quả từ các phần tử được kết hợp lại để tạo ra một giải pháp tổng thể cho toàn bộ vật thể. Việc sử dụng FEM kết hợp với tính toán song song cho phép giải quyết các bài toán lớn và phức tạp trong thời gian ngắn hơn. Theo Michal (1947), FEM là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của toán ma trận và tensor trong kỹ thuật.

3.1. Tổng Quan Về Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật số để tìm ra các giải pháp gần đúng cho các phương trình vi phân riêng phần cũng như các bài toán tích phân. Giải pháp tiếp cận dựa trên việc hoặc loại bỏ hoàn toàn phương trình vi phân (bài toán tĩnh tại), hoặc diễn tả lại phương trình vi phân riêng phần thành một phép xấp xỉ một hệ các phương trình vi phân thường, sau đó được giải bằng những kỹ thuật chuẩn tắc, chẳng hạn như phương pháp Euler, Runge-Kutta…

3.2. Lợi Ích Của Tính Toán Song Song Trong FEM

Tính toán song song cho phép chia một bài toán FEM lớn thành nhiều phần nhỏ hơn, và sau đó giải các phần này đồng thời trên nhiều bộ xử lý. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian tính toán, đặc biệt là đối với các bài toán có số lượng phần tử lớn. Tính toán song song cũng cho phép giải quyết các bài toán phức tạp hơn mà trước đây là không thể giải quyết được do giới hạn về tài nguyên tính toán.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Phân Tích Kết Cấu Máy Bay và Tàu Vũ Trụ

Toán ma trận và tensor đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích kết cấu của máy bay và tàu vũ trụ. Các kỹ sư sử dụng FEM để mô phỏng ứng suất và biến dạng trong các bộ phận của máy bay và tàu vũ trụ dưới tác dụng của các lực khác nhau, bao gồm trọng lực, áp suất khí động lực và lực quán tính. Kết quả phân tích giúp các kỹ sư thiết kế các kết cấu an toàn và hiệu quả hơn. Michal (1947) đã đề cập đến ứng dụng của toán ma trận trong việc phân tích dao động của cánh máy bay, một vấn đề quan trọng trong thiết kế máy bay.

4.1. Mô Phỏng Ứng Suất và Biến Dạng Trong Kết Cấu

FEM cho phép mô phỏng ứng suất và biến dạng trong các kết cấu phức tạp như cánh máy bay, thân máy bay và các bộ phận của tàu vũ trụ. Các kỹ sư có thể sử dụng kết quả mô phỏng để xác định các vùng tập trung ứng suất và thiết kế các biện pháp gia cường để ngăn ngừa phá hủy. Mô phỏng cũng cho phép tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các bộ phận để giảm trọng lượng và tăng hiệu suất.

4.2. Phân Tích Dao Động và Ổn Định Của Cánh Máy Bay

Dao động của cánh máy bay có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng như rung lắc và mất ổn định. Toán ma trận và tensor được sử dụng để phân tích các chế độ dao động của cánh máy bay và xác định các thông số thiết kế quan trọng để ngăn ngừa dao động. Các phương pháp như phân tích eigen và phân tích đáp ứng tần số được sử dụng để đánh giá tính ổn định của cánh máy bay.

V. Đàn Hồi Vật Liệu Nghiên Cứu Tính Chất và Ứng Dụng Tensor

Đàn hồi là một tính chất quan trọng của vật liệu, cho phép vật liệu trở lại hình dạng ban đầu sau khi chịu tác dụng của lực. Tensor được sử dụng để mô tả các tính chất đàn hồi của vật liệu một cách chính xác và khách quan. Tensor đàn hồi liên hệ giữa ứng suất và biến dạng, và cho phép dự đoán hành vi của vật liệu dưới tác dụng của lực. Các ứng dụng của tensor đàn hồi bao gồm thiết kế kết cấu chịu lực, mô phỏng biến dạng và nghiên cứu các tính chất vật liệu.

5.1. Tensor Đàn Hồi Định Nghĩa và Ý Nghĩa Vật Lý

Tensor đàn hồi là một tensor bậc 4, liên hệ giữa tensor ứng suất và tensor biến dạng. Các thành phần của tensor đàn hồi đại diện cho các hằng số vật liệu, chẳng hạn như modulus Young, modulus cắt và hệ số Poisson. Tensor đàn hồi cho phép mô tả các tính chất đàn hồi của vật liệu một cách đầy đủ và khách quan.

5.2. Ứng Dụng Tensor Đàn Hồi Trong Thiết Kế Kết Cấu

Tensor đàn hồi được sử dụng để tính toán ứng suất và biến dạng trong các kết cấu chịu lực. Các kỹ sư sử dụng tensor đàn hồi để thiết kế các kết cấu an toàn và hiệu quả hơn. Ví dụ, tensor đàn hồi được sử dụng để tính toán ứng suất trong dầm, cột và các bộ phận khác của tòa nhà và cầu.

VI. Tương Lai Phát Triển Các Mô Hình Tính Toán Đa Tỷ Lệ

Tương lai của ứng dụng toán ma trận và tensor nằm ở việc phát triển các mô hình tính toán đa tỷ lệ, cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý trên nhiều quy mô khác nhau, từ quy mô nguyên tử đến quy mô vĩ mô. Các mô hình này sẽ giúp các nhà khoa học và kỹ sư hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý phức tạp và thiết kế các vật liệu và kết cấu tiên tiến hơn. Các mô hình đa tỷ lệ đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp tính toán khác nhau, bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp động lực học phân tử và các phương pháp thống kê.

6.1. Mô Hình Đa Tỷ Lệ Khái Niệm và Ưu Điểm

Mô hình đa tỷ lệ là một phương pháp tính toán cho phép mô phỏng các hiện tượng vật lý trên nhiều quy mô khác nhau. Các mô hình này kết hợp các phương pháp tính toán khác nhau để mô tả các quá trình vật lý trên các quy mô khác nhau. Ưu điểm của mô hình đa tỷ lệ là cho phép hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý phức tạp và thiết kế các vật liệu và kết cấu tiên tiến hơn.

6.2. Các Thách Thức Trong Xây Dựng Mô Hình Đa Tỷ Lệ

Việc xây dựng các mô hình đa tỷ lệ đặt ra nhiều thách thức, bao gồm việc kết hợp các phương pháp tính toán khác nhau, đảm bảo tính chính xác của các mô phỏng và quản lý lượng dữ liệu lớn. Các nhà khoa học và kỹ sư cần phải phát triển các phương pháp mới để vượt qua các thách thức này.

28/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MATRIX AND TENSOR CALCULUS With Applications to Mechanics, Elasticity and Aeronautics ARISTOTLE D. MICHAL DOVER PUBLICATIONS, INC. Mineola, New York www.com Bibliographical Note This Dover edition, first published in 2008, is an unabridged republication of the work originally published in 1947 by John Wiley and Sons, Inc., New York, as part of the GALCIT (Graduate Aeronautical Laboratories, California Institute of Technology) Aeronautical Series. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Michal, Aristotle D., 1899- Matrix and tensor calculus: with applications to mechanics, elasticity, and aeronautics I Aristotle D.

Originally published: New York: J. Wiley, [1941] Includes index. ISBN-13: 978-0-486-46246-2 ISBN-IO: 0-486-46246-3 I. Calculus of tensors.63-dc22 2008000472 Manufactured in the United States of America Dover Publications, Inc., 31 East 2nd Street, Mineola, N.com ", To my wiJe Luddye Kennerly Michal www.com EDITOR'S PREFACE The editors believe that the reader who has finished the study of this book will see the full justification for including it in a series of volumes dealing with aeronautical" subjects.

" However, the editor's preface usUally is addressed to the reader who starts with the reading of the volume, and therefore a few words on our reasons for including Professor Michal's book on matrices and tensors in the GALCIT series seem to be appropriate. Since the beginnings of the modem age of the aeronautical sciences a close cooperation has existed between applied mathematics and aeronautics. Engineers at large have always appreciated the help of applied mathematics in furnishing them practical methods for numerical and graphical solutions of algebraic and differential equations. How- ever, aeronautical and also electrical engineers are faced with problems reaching much further into several domains of modem mathematics.

As a matter of fact, these branches of engineering science have often exerted an inspiring influence on the development of novel methods in applied mathematics. One branch of applied mathematics which fits especially the needs of the scientific aeronautical engineer is the matrix and tensor calculus. The matrix operations represent a powerful method for the solution of problems dealing with mechanical systems" with a certain number of degrees of freedom. The tensor calculus gives admirable insight into complex problems of the mechanics of continuous media, the mechanics of fluids, and elastic and plastic media.

Professor Michal's course on the subject given in the frame of the war-training program on engineering science and management has found a surprisingly favorable response among engineers of the aero- nautical industry in the Southern Californian region. The editors be- lieve that the engineers throughout the country will welcome a book which skillfully unites exact and clear presentation of mathematical statements with fitness for immediate practical applications. THEODORE VON KAmIdN CLARK B.com PREFACE This volume is based on a series of lectures on matrix calculus and tensor calculus, and their applications, given under the sponsorship of the Engineering, Science, and Management War Training (ESMWT) program, from August 1942 to March 1943. The group taking the course included a considerable number of outstanding research en- gineers and directors of engineering research and development.

I am very grateful to these men who welcomed me and by their interest in my lectures encouraged me. The purpose of this book is to give the reader a working knowledge of the fundamentals of matrix calculus and tensor calculus, which he may apply to his own field. Mathematicians, physicists, meteorologists, and electrical en~eers, as well as mechaiucal and aeronautical e~­ gineers, will discover principles applicable to their respective fields. The last group, for instance, will find material on vibrations, aircraft flutter, elasticity, hydrodynamics, and fluid mechanics.

The book is divided into two independent parts,_ the first dealing with the matrix calculus and its applications, the second with the tensor calculus and its applications. The minimum of mathematical concepts is presented in the introduction to each part, the more ad- vanced mathematical ideas being developed as they are needed in connection with the applications in the later chapters. The two-part division of the book is primarily due to the fact that matrix and tensor calculus are essentially two distinct mathematical studies. The matrix calculus is a purely analytic and algebraic sub- ject, whereas the tensor calculus is geometric, being connected with transformations of coordinates and other geometric concepts.

A care- ful reading of the first chapter in each part of the book will, clarify the meaning of the word "tensor," which is occasionally misused in modem scientific and engineering literature. I wish to acknowledge with gratitude the kind cooperation of the Douglas Aircraft Company in making available some of its work in connection with the last part of Chapter 7 on aircraft flutter. It is a pleasure to thank several of my students, especially Dr. Lipp and Messrs.

Putt and Paul Lieber of the Douglas Aircraft Company, for making available the material worked out by Mr. Lieber and his research group. I am also very glad to thank the members of my seminar on applied mathematics at the California Institute for their helpful suggestions. I wish to make special mention of Dr.com viii PREFACE Lin, who not only took an active part in the seminar but who also kindly consented.

to have his unpublished researches on some dramatic applications of the tensor calculus to boundary-layer theory in aer. This furnishes an application of the Riemannian tensor calculus described in Chapter 17. I should like also to thank Dr. Chien for his timely help.

I gratefully acknowledge the suggestions of my colleague Prc;Ifessor Clark B. Millikan concerning ways of making the book more useful to aeronautical engineers. Above all, I am indebted to my distinguished colleague and friend, Professor Theodore von K8.n, director of the Guggenheim Graduate School of Aeronautics at the California Institute, for honoring me by an invitation to put my lecture notes in book form for publicat,ion in the GALCIT series. I ~ve also the delightful privilege of expressing my indebtedness to Dr.

Karman for his inspiring conversations and wise counsel on applied mathematics in general and this volume in particular, and for encouraging me to make contacts with the aircraft industry on an advanced mathematical level. I regret that, in order not to delay unduly the publication of this boQk, I am unable to include some of my more recent unpublished researches on the applications of the tensor calculus of curved infinite dimensional spaces to the vibrations of elastic beams and other elastic media. MiCHAL CALIFORNIA INsTITUTE OF TECHNOLOGY OcroBI!lB, 1946 www.com CONTENTS PART'I MATRIX CALCULUS AND ITS APPLICATIONS CHA. ALGlilBBAIC PBELlMINARIES Introduction •.

1 Definitions and notations. 1 Elementary operations on matrices 2. ALGl!IBBAIC PRELIMINARIES (Continued) Inverse of a matrix and the solution of linear equations • • • • • •• 8 Multiplication of matrices by numbers, and matric polynomials. • •• 11 Characteristic equation of a matrix and the Cayley-Hamilton theorem.

DIFFERENTIAL AND INTl!lGRAL CALCULUS OF MATBICES Power series in matrices. • • • 15 Differentiation and integration depending on a numerical variable • 16 4. DIFFERENTIAL AND INTEIlBAL CALCULUS OF MATBICES (Continued) Systems of linear differential equations with constant coefficients 20 Systems of linear differential equations with variable coefficients. MATRIX METHODS IN PROBLl!IMS OF SMALL OSCILLATIONS Differential equations pf motion 24 Illustrative example.

MATBIX METHODS IN PROBLEMS OF SMALL OsCILLATIONS (Continued) Calculation of frequencies and amplitudes. MATRIX METHODS IN THE MATHEMATICAL THEORY OF AIBCllAI'T FLUTTER 32 8. MATRIX METHODS IN ELASTIC DEFORMATION THEORY 38 I PART 11 TENSOR CALCULUS AND ITS APPLICATIONS 9. SPACIil LINE ELEMENT IN CURVILINEAB COORDINATES Introductory remarks.

42 Notation and summation coDvention •. 42 Euclidean metrio tensor • •. Vl!ICI'OB FIELDS, TENSOR FIELDS, AND EUCLIDEAN GHlWITOFFilL SnmoLS The strain tensor. 48 Scalars, contravariant vectors, and covariant vectors 49 Tensor fields of rank two 50 Euclidean Christoffel symbols 53 ix www.com x CONTENTS CBAPTIlB PAGlIl 11.

TENsoR ANALYSIS Covariant difierentiation of vector fields 56 Tensor fields of rank r = p + q, contravariant of rank p and covariant of rank'p. • • • • 57 Properties of tensor fields • •. LAPLACE EQUATION, WAVE EQUATION, AND POISSON EQUATION IN QuaY!;' LINlIlAR COORDINATES Some further concepts and remarks on the tensor caloulus 60 Laplace's equation •.' 62 Laplace's equation for veotor fields 65 Wave equation. SOME ELEMENTARY ApPLICATIONS OF THE TENSOR CALCULUS TO HYDRO- DYNAMICS Navier-Stokes differential equations for the motion of a viscous'fluid • 69 Multiple-point tensor fields.

• 71 A two-point correlation tensor field in turbulence •. APPLICATIONS OF THE TENSOR CALCULUS TO ELASTICITY THJiIORY Finite deformation theory of elastic media • 75 Strain tensors in rectangular coordinates • • 77 Change in volume under elastic deformation 79 15. HOMOGENEOUS AND ISOTROPIC 8TaAJNs, STRAIN INV AJUANTS, AND VARJ- ATION OF STRAIN TENSOR Strain invariants. • 82 Homogeneous and isotropic strains.

83 A fundamental theorem on homogeneous strains 84 Variation of the strain tensor. STRESS TENSOR, ELASTIC POTENTIAL, AND STRESS-8TaAJN RELATIONS Stress tensor. 91 StresHtrain relations for an isotropic medium. TENifoR CALCULUS IN RlmMANNJAN SPACliIS AND TBJD FuNDAMENTALS OF CLASSICAL MECHANICS Multidimensional Euclidean spaces.

• 96 Curved surfaces as examples of RiElmannian spaces 98 The Riemann-Chrlstoffel ourvature ~r • • • • 99 Geodesics. 100 Equations of motion of a dynamical system with n degrees of freedom.com CONTENTS xi CBAPTmB PAGE 18. ,ApPLICA!l'IONB OF THE TENSOB CALCULUS TO BOUNDARy-LAYER TBlDOBY "Incompressible and compressible fluids. 103 Boundary-layer equations for the steady motion of a homogeneous in- compressible fluid • 104 NOTES ON PART I • • • • III NOTJIlS ON PART IT.

• • 114 RuEBENCES FOB PART I • 124 RmFERENCES FOR PART IT 125 INDEX. MATRIX CALCULUS AND ITS APPLICATIONS CHAPTER 1 ALGEBRAIC PRELIMINARIES Introduction. Although matrices have been investigated by mathematicians for al- most a century, their thoroughgoing application to physics, It engineer- ing, and other subj~ts2 - such as cryptography, psychology, and educational and other statistical measurements - has taken place o~y since 1925. In particular, the use of matrices in aeronautical engi- neering in connection with small oscillations, aircraft flutter, and elastic deformations did not receive much attention before 1935.

It is inter- esting to note that the only book on matrices with systematic chaptem on the differential and integral calculus of matrices was written by three ~ronautical engineers. Definitions and Notations. A table of mn numbers, called elements, arranged in a rectangular array of m rows and n columns is called a matrix 3 with m rOW8 n am columna. If a} is the element in the ith row and 3th column, then the matrix can be written down in the following pictorial form with the conventional double bar on each side.

, a:' In the expression oj the index i is called a 8Uper8Cl'ipt and the index 3 a 8Ubscript. It is to be emphasized that the superscript i in oJ is not the ith power of a variable 0,. If the number m of rows is equal to the number n of columns, then t Superior numbers refer to the notes at the end of the book. t Frazer, Duncan, and Collar, ElementaT'/l Matrice& and 80fM ApplicCJtioM to Dynamic8 and Diilertmti4l EguatioM, Cambridge University Press, 1938.com 2 ALGEBRAIC PRELIMINARIES the matrix is called a square matrix.t The number of rows, or equiva- lently the number of columns, will be called the order of the square matrix.

Besides square matrices, two other general'types of matrices occur frequently. One is the row matrix II al, as, "', ax II ; the other is the column matrix am It is to be observed that the superscript 1 in the elements of the row matrix was omitted. Similarly the subscript 1 in the elements of the column matrix was also omitted. All this is done in the interest of brevity; the index notation is unnecessary when the index, whether a subscript or superscript, cannot have' at least two values.

It is often very convenient to have a more compact notation for matrices than the one just given.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ