Vector analysis

1 Triple product

1.1 Scalar triple product

𝒂⋅(𝒃×𝒄)=𝒃⋅(𝒄×𝒂)=𝒄⋅(𝒂×𝒃)

1.1.1 Proof

𝒂⋅(𝒃×𝒄) =(axayaz)⋅(by⁢cz−bz⁢cybz⁢cx−bx⁢czbx⁢cy−by⁢cx)
=ax⁢(by⁢cz−bz⁢cy)+ay⁢(bz⁢cx−bx⁢cz)+az⁢(bx⁢cy−by⁢cx)
=ax⁢by⁢cz+bx⁢cy⁢az+cx⁢ay⁢bz−(cx⁢by⁢az+bx⁢ay⁢cz+ax⁢cy⁢bz)
=det⁡((𝒂𝒃𝒄))=det⁡((𝒃𝒄𝒂))=det⁡((𝒄𝒂𝒃))

1.2 Vector triple product

𝒂×(𝒃×𝒄)=(𝒂⋅𝒄)⁢𝒃−(𝒂⋅𝒃)⁢𝒄

1.2.1 Proof

𝒂×(𝒃×𝒄) =(axayaz)×((bxbybz)×(cxcycz))
=(axayaz)×(by⁢cz−bz⁢cybz⁢cx−bx⁢czbx⁢cy−by⁢cx)
=(ay⁢(bx⁢cy−by⁢cx)−az⁢(bz⁢cx−bx⁢cz)az⁢(by⁢cz−bz⁢cy)−ax⁢(bx⁢cy−by⁢cx)ax⁢(bz⁢cx−bx⁢cz)−ay⁢(by⁢cz−bz⁢cy))
=((ay⁢cy+az⁢cz)⁢bx−(ay⁢by+az⁢bz)⁢cx+ax⁢bx⁢cx−ax⁢bx⁢cx(az⁢cz+ax⁢cx)⁢by−(az⁢bz+ax⁢bx)⁢cy+ay⁢by⁢cy−ay⁢by⁢cy(ax⁢cx+ay⁢cy)⁢bz−(ax⁢bx+ay⁢by)⁢cz+az⁢bz⁢cz−az⁢bz⁢cz)
=((ax⁢cx+ay⁢cy+az⁢cz)⁢bx−(ax⁢bx+ay⁢by+az⁢bz)⁢cx(ax⁢cx+ay⁢cy+az⁢cz)⁢by−(ax⁢bx+ay⁢by+az⁢bz)⁢cy(ax⁢cx+ay⁢cy+az⁢cz)⁢bz−(ax⁢bx+ay⁢by+az⁢bz)⁢cz)
=(𝒂⋅𝒄)⁢𝒃−(𝒂⋅𝒃)⁢𝒄

2 Differential operators

2.1 Nabla

∇=(∂∂x,∂∂y,∂∂z)

2.2 Gradient

𝒓=(x,y,z)
ϕ:ℝ3→ℝ
grad⁢(ϕ⁢(𝒓))=∇ϕ⁢(𝒓)=(∂ϕ∂x,∂ϕ∂y,∂ϕ∂z)

2.3 Divergence

𝒗:ℝ3→ℝ3
𝒗⁢(𝒓)=(vx⁢(𝒓),vy⁢(𝒓),vz⁢(𝒓))
div⁢(𝒗⁢(𝒓))=∇⋅𝒗⁢(𝒓)=∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z

2.4 Curl

curl⁢(𝒗⁢(𝒓))=∇×𝒗⁢(𝒓)=(∂vz∂y−∂vy∂z∂vx∂z−∂vz∂x∂vy∂x−∂vx∂y)

2.5 Laplacian

Δ=∇2=∇⋅⁡∇=∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2
∇2𝒗 =(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)⁢(vx,vy,vz)
=((∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)⁢vx(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)⁢vy(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)⁢vz)
=(∇2vx,∇2vy,∇2vz)

2.6 Properties of divergence and curl

div⁢(ϕ⁢𝒗) =ϕ⁢div⁢𝒗+𝒗⋅∇ϕ (1)
div⁢(𝒗×𝒘) =𝒘⋅curl⁢𝒗−𝒗⋅curl⁢𝒘 (2)
curl⁢(ϕ⁢𝒗) =ϕ⁢curl⁢𝒗−𝒗×∇ϕ (3)
div⁢(∇ϕ) =∇2ϕ (4)
div⁢(curl⁢(𝒗)) =0 (5)
curl⁢(∇ϕ) =𝟎 (6)
curl⁢(curl⁢(𝒗)) =∇div⁢𝒗−∇2𝒗 (7)

2.6.1 Proof of (1)

div⁢(ϕ⁢𝒗) =∇⋅⁡(ϕ⁢vx,ϕ⁢vy,ϕ⁢vz)
=∂ϕ⁢vx∂x+∂ϕ⁢vy∂y+∂ϕ⁢vz∂z
=(∂ϕ∂x⁢vx+ϕ⁢∂vx∂x)+(∂ϕ∂y⁢vy+ϕ⁢∂vy∂y)+(∂ϕ∂z⁢vz+ϕ⁢∂vz∂z)
=ϕ⁢(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)+(∂ϕ∂x⁢vx+∂ϕ∂y⁢vy+∂ϕ∂z⁢vz)
=ϕ⁢div⁢𝒗+𝒗⋅∇ϕ

2.6.2 Proof of (2)

div⁢(𝒗×𝒘) =∇⋅⁡(𝒗×𝒘)
=∇⋅⁡(vy⁢wz−vz⁢wyvz⁢wx−vx⁢wzvx⁢wy−vy⁢wx)
=∂vy⁢wz−vz⁢wy∂x+∂vz⁢wx−vx⁢wz∂y+∂vx⁢wy−vy⁢wx∂z
=(∂vy⁢wz∂x−∂vz⁢wy∂x)+(∂vz⁢wx∂y−∂vx⁢wz∂y)+(∂vx⁢wy∂z−∂vy⁢wx∂z)
=(∂vy⁢wz∂x+∂vz⁢wx∂y+∂vx⁢wy∂z)−(∂vz⁢wy∂x+∂vx⁢wz∂y+∂vy⁢wx∂z)
=(∂vy∂x⁢wz+vy⁢∂wz∂x+∂vz∂y⁢wx+vz⁢∂wx∂y+∂vx∂z⁢wy+vx⁢∂wy∂z)
−(∂vz∂x⁢wy+vz⁢∂wy∂x+∂vx∂y⁢wz+vx⁢∂wz∂y+∂vy∂z⁢wx+vy⁢∂wx∂z)
={(∂vz∂y−∂vy∂z)⁢wx+(∂vx∂z−∂vz∂x)⁢wy+(∂vy∂x−∂vx∂y)⁢wz}
−{(∂wz∂y−∂wy∂z)⁢vx+(∂wx∂z−∂wz∂x)⁢vy+(∂wy∂x−∂wx∂y)⁢vz}
=𝒘⋅curl⁢𝒗−𝒗⋅curl⁢𝒘

2.6.3 Proof of (3)

curl⁢(ϕ⁢𝒗) =∇×⁡(ϕ⁢vx,ϕ⁢vy,ϕ⁢vz)
=(∂ϕ⁢vz∂y−∂ϕ⁢vy∂z∂ϕ⁢vx∂z−∂ϕ⁢vz∂x∂ϕ⁢vy∂x−∂ϕ⁢vx∂y)
=((∂ϕ∂y⁢vz+ϕ⁢∂vz∂y)−(∂ϕ∂z⁢vy+ϕ⁢∂vy∂z)(∂ϕ∂z⁢vx+ϕ⁢∂vx∂z)−(∂ϕ∂x⁢vz+ϕ⁢∂vz∂x)(∂ϕ∂x⁢vy+ϕ⁢∂vy∂x)−(∂ϕ∂y⁢vx+ϕ⁢∂vx∂y))
=ϕ⁢(∂vz∂y−∂vy∂z∂vx∂z−∂vz∂x∂vy∂x−∂vx∂y)−(∂ϕ∂z⁢vy−∂ϕ∂y⁢vz∂ϕ∂x⁢vz−∂ϕ∂z⁢vx∂ϕ∂y⁢vx−∂ϕ∂x⁢vy)
=ϕ⁢curl⁢𝒗−𝒗×∇ϕ

2.6.4 Proof of (4)

div⁢(∇ϕ) =∇⋅⁡(∂ϕ∂x,∂ϕ∂y,∂ϕ∂z)
=∂2ϕ∂x2+∂2ϕ∂y2+∂2ϕ∂z2=∇2ϕ

2.6.5 Proof of (5)

div⁢(curl⁢(𝒗)) =∇⋅⁡(∂vz∂y−∂vy∂z∂vx∂z−∂vz∂x∂vy∂x−∂vx∂y)
=∂∂x⁢(∂vz∂y−∂vy∂z)+∂∂y⁢(∂vx∂z−∂vz∂x)+∂∂z⁢(∂vy∂x−∂vx∂y)
=∂2vz∂x⁢∂y−∂2vy∂x⁢∂z+∂2vx∂y⁢∂z−∂2vz∂y⁢∂x+∂2vy∂z⁢∂x−∂2vx∂z⁢∂y
=(∂2vx∂y⁢∂z−∂2vx∂z⁢∂y)+(∂2vy∂z⁢∂x−∂2vy∂x⁢∂z)+(∂2vz∂x⁢∂y−∂2vz∂y⁢∂x)=0

(assuming 𝒗 is at least of class C2)

2.6.6 Proof of (6)

curl⁢(∇ϕ) =∇×⁡(∂ϕ∂x,∂ϕ∂y,∂ϕ∂z)
=(∂2ϕ∂y⁢∂z−∂2ϕ∂z⁢∂y∂2ϕ∂z⁢∂x−∂2ϕ∂x⁢∂z∂2ϕ∂x⁢∂y−∂2ϕ∂y⁢∂x)=𝟎

(assuming ϕ is at least of class C2)

2.6.7 Proof of (7)

curl⁢(curl⁢(𝒗)) =∇×⁡(∂vz∂y−∂vy∂z∂vx∂z−∂vz∂x∂vy∂x−∂vx∂y)
=(∂∂y⁢(∂vy∂x−∂vx∂y)−∂∂z⁢(∂vx∂z−∂vz∂x)∂∂z⁢(∂vz∂y−∂vy∂z)−∂∂x⁢(∂vy∂x−∂vx∂y)∂∂x⁢(∂vx∂z−∂vz∂x)−∂∂y⁢(∂vz∂y−∂vy∂z))
=(∂2vy∂y⁢∂x−∂2vx∂y2−∂2vx∂z2+∂2vz∂z⁢∂x∂2vz∂z⁢∂y−∂2vy∂z2−∂2vy∂x2+∂2vx∂x⁢∂y∂2vx∂x⁢∂z−∂2vz∂x2−∂2vz∂y2+∂2vy∂y⁢∂z)
=(∂2vx∂x2+∂2vy∂y⁢∂x+∂2vz∂z⁢∂x−∂2vx∂x2−∂2vx∂y2−∂2vx∂z2∂2vx∂x⁢∂y+∂2vy∂y2+∂2vz∂z⁢∂y−∂2vy∂x2−∂2vy∂y2−∂2vy∂z2∂2vx∂x⁢∂z+∂2vy∂y⁢∂z+∂2vz∂z2−∂2vz∂x2−∂2vz∂y2−∂2vz∂z2)
=(∂∂x⁢(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)∂∂y⁢(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z)∂∂z⁢(∂vx∂x+∂vy∂y+∂vz∂z))−(∇2vx,∇2vy,∇2vz)
=∇div⁢𝒗−∇2𝒗

(assuming 𝒗 is at least of class C2)

3 Integral theorems

3.1 Gradient theorem

C:𝒓𝟎→𝒓𝟏
∫C∇ϕ⁢(𝒓)⋅𝑑𝒓=ϕ⁢(𝒓𝟏)−ϕ⁢(𝒓𝟎)

3.1.1 Proof

if 𝒓 is a function of t; 𝒓⁢(t), where 𝒓⁢(t0)=𝒓𝟎,𝒓⁢(t1)=𝒓𝟏,
by the multivariate chain rule,

dd⁢t⁢ϕ⁢(𝒓⁢(t))=∇ϕ⁢(𝒓⁢(t))⋅d⁢𝒓d⁢t⁢(t)
∫C∇ϕ⁢(𝒓)⋅𝑑𝒓 =∫t0t1∇ϕ⁢(𝒓⁢(t))⋅d⁢𝒓d⁢t⁢(t)⁢𝑑t
=∫t0t1dd⁢t⁢ϕ⁢(𝒓⁢(t))⁢𝑑t
=ϕ⁢(𝒓⁢(t1))−ϕ⁢(𝒓⁢(t0))
=ϕ⁢(𝒓𝟏)−ϕ⁢(𝒓𝟎)

3.2 Divergence theorem

d⁢𝑺=𝒏^⁢d⁢S
∮S𝑭⋅𝑑𝑺=∫V(∇⋅𝑭)⁢𝑑V

3.3 Curl theorem

∮C𝑭⋅𝑑𝒓=∫S(∇×𝑭)⋅𝑑𝑺