3次元デカルト座標での定義式。
∇=(∂/∂x∂/∂y∂/∂z)
gradϕ=∇ϕ=(∂ϕ/∂x∂ϕ/∂y∂ϕ/∂z)
div𝐅=∇⋅𝐅=∂Fx/∂x+∂Fy/∂y+∂Fz/∂z
curl𝐅=rot𝐅=∇×𝐅=(∂Fz/∂y−∂Fy/∂z∂Fx/∂z−∂Fz/∂x∂Fy/∂x−∂Fx/∂y)
Δ=∇2=∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2
Δϕ=∇2ϕ=∇⋅(∇ϕ)=div(gradϕ)
div(a𝐅+b𝐆)=adiv(𝐅)+bdiv(𝐆)
div(ϕ𝐅)=grad(ϕ)⋅𝐅+ϕdiv(𝐅)
∇⋅(ϕ𝐅)=(∇ϕ)⋅𝐅+ϕ(∇⋅𝐅)
div(𝐅×𝐆)=curl(𝐅)⋅𝐆−𝐅⋅curl(𝐆)
div(curl𝐅)=div(∇×𝐅)=curl(∇)⋅𝐅−∇⋅curl(𝐅)
ここで [curl(∇)]x=∂2∂z∂y−∂2∂y∂z=0 (演算対象の関数が連続でなめらかな場合) であるので
div(curl𝐅)=−∇⋅curl(𝐅)=−div(curl𝐅)
結局 div(curl𝐅)=0
curl(curl(𝐅))=−Δ𝐅+grad(div𝐅)
x成分をとって証明する。
[curl(curl(𝐅))]x=[∇×(∇×𝐅)]x=∂∂y[∇×𝐅]z−∂∂z[∇×𝐅]y =∂∂y(∂Fy∂x−∂Fx∂y)−∂∂z(∂Fx∂z−∂Fz∂x) =−(∂2∂x2+∂2∂y2+∂2∂z2)Fx+∂∂x(∂Fx∂x+∂Fy∂y+∂Fz∂z) =−ΔFx+∂∂xdiv𝐅=[−Δ𝐅+grad(div𝐅)]x