定义

  • 散度:设 为 维向量场。

  • 矩阵散度:设 为矩阵场,其散度为向量场

性质

  1. 线性性:设分量在相应点处可微; 为常数。 此性质对矩阵散度也成立。
  2. 乘积法则( 为标量场)
  3. 梯度的散度 = Laplacian
  4. 散度与 Jacobian:,其中 。
  5. 设:
    • 为自变量列向量。
    • 为常数列向量。
    • 为可微的标量函数,其梯度为 (是一个 的列向量)。
      则 关于 的导数(雅可比矩阵)为:

      这是一个大小为 的矩阵。
  6. 双线性乘积法则(Product Rule):对于矩阵函数 和向量函数 :

证明

散度的线性性

线性性

证:

Q.E.D.


散度的乘积法则

乘积法则( 为标量场)

证:由标量对向量乘积的分量求导法则 ,


散度的梯度的散度

梯度的散度 = Laplacian

证:梯度 ,故


散度与 Jacobian

散度与 Jacobian:,其中 。

证:由迹的定义,


A

设:

  • 为自变量列向量。
  • 为常数列向量。
  • 为可微的标量函数,其梯度为 (是一个 的列向量)。

则 关于 的导数(雅可比矩阵)为:

这是一个大小为 的矩阵。

证:

设 和向量函数 的具体分量分别为:

其中每个分量函数可以记为 (其中 )。

根据雅可比矩阵的定义,矩阵的第 个元素是由第 个输出分量对第 个输入分量 求偏导得到的:

代入 :

由于 是与 无关的常数,根据常数与函数的乘积求导法则,常数可以提出来:

我们将偏导数排布成矩阵的各行。对于固定的行 ,其整行对 的梯度转置为:

将每一行()组合起来,就得到了完整的 雅可比矩阵:

把常数列向量 和梯度行向量 提取公因式:

Q.E.D.


双线性乘积法则(Product Rule):对于矩阵函数 和向量函数 :

证:

对于可微映射 ,其沿方向 的方向导数定义为极限:

设复合映射为 ,将其代入方向导数的极限定义中:

第一步:引入交叉项拆分分子
在分子中同时加减交叉项 :

第二步:提取公因式并拆分为两项
应用矩阵乘法的分配律,分别提取左公因矩阵 与右公因向量 :

第三步:分别求各项极限 ()

  1. 矩阵函数的连续性:因为 可微,所以它在 处连续:

  1. 向量的方向导数极限:由定义可得:

  1. 矩阵的方向导数极限:由定义可得:

第四步:组合极限结果
将上述三项极限代回第二步的表达式中:

调整加法顺序,即证得双线性乘积法则: