数学符号表
本文规定了 EDU Wiki 中数学符号的推荐写法,并给出了一些应用范例.
本文参考了 GB/T 3102.11-1993、ISO 80000-2:2019 和《具体数学》的符号表修订,故基本与国内通行教材的符号体系惯用符号体系兼容.
符号的 LaTeX 写法请参考 本文章的源代码
数理逻辑¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n1.1 | p \land q | p 和 q 的合取 | p 与 q. |
| n1.2 | p \lor q | p 和 q 的析取 | p 或 q; 此处的 "或" 是包含的,即若 p,q 中有一个为真陈述,则 p \lor q 为真. |
| n1.3 | \lnot p | p 的否定 | 非 p. |
| n1.4 | p \implies q | p 蕴含 q; 若 p 为真,则 q 为真 | q \impliedby p 和 p \implies q 同义. |
| n1.5 | p \iff q | p 等价于 q | (p \implies q) \land (q \implies p) 和 p \iff q 同义. |
| n1.6 | (\forall~x \in A)~~p(x) | 对 A 中所有的 x, 命题 p(x) 均为真 | 如果从上下文中可以得知考虑的是哪个集合 A, 可以使用记号 (\forall~x)~~p(x). \forall 称为全称量词. x \in A 的含义见 n2.1. |
| n1.7 | (\exists~x \in A)~~p(x) | 存在一个属于 A 的 x 使得 p(x) 为真 | 如果从上下文中可以得知考虑的是哪个集合 A, 可以使用记号 (\exists~x)~~p(x). \exists 称为存在量词. x \in A 的含义见 n2.1. (\exists!~x)~~p(x)(唯一量词)用来表示恰有一个 x 使得 p(x) 为真. \exists! 也可以写作 \exists^1. |
集合论¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n2.1 | x \in A | x 属于 A,x 是集合 A 中的元素 | A \ni x 和 x \in A 同义. |
| n2.2 | y \notin A | y 不属于 A,y 不是集合 A 中的元素 | |
| n2.3 | \{x_1, x_2, \dots, x_n\} | 含元素 x_1, x_2, \dots, x_n 的集合 | 也可写作 \{x_i ~\vert~ i \in I\}, 其中 I 表示指标集. |
| n2.4 | \{x \in A ~\vert~ p(x)\} | A 中使命题 p(x) 为真的所有元素组成的集合 | 例如 \{x \in \textbf{R} ~\vert~ x \geq 5\}; 如果从上下文中可以得知考虑的是哪个集合 A,可以使用符号 \{x ~\vert~ p(x)\}(如在只考虑实数集时可使用 \{x ~\vert~ x \geq 5\}) \vert 也可以使用冒号替代,如 \{x \in A : p(x)\}. |
| n2.5 | \operatorname{card} A; \vert A\vert; \# A | A 中的元素个数,A 的基数 | |
| n2.6 | \varnothing | 空集 | 不应使用 \emptyset. |
| n2.7 | B \subseteq A | B 包含于 A 中,B 是 A 的子集 | B 的每个元素都属于 A. \subset 也可用于该含义,但请参阅 n2.8 的说明. A \supseteq B 和 B \subseteq A 同义. |
| n2.8 | B \subset A | B 真包含于 A 中,B 是 A 的真子集 | B 的每个元素都属于 A, 且 A 中至少有一个元素不属于 B. 若 \subset 的含义取 n2.7, 则 n2.8 对应的符号应使用 \subsetneq. A \supset B 与 B \subset A 同义. |
| n2.9 | A \cup B | A 和 B 的并集 | A \cup B := \{x ~\vert~ x \in A \lor x \in B\}; := 的定义参见 n4.3 |
| n2.10 | A \cap B | A 和 B 的交集 | A \cap B := \{x ~\vert~ x \in A \land x \in B\}; := 的定义参见 n4.3 |
| n2.11 | \displaystyle \bigcup\limits_{i=1}^n A_i | 集合 A_1, A_2, \dots, A_n 的并集 | \displaystyle \bigcup\limits_{i=1}^n A_i=A_1\cup A_2\cup \dots \cup A_n; 也可使用 \displaystyle \bigcup\nolimits_{i=1}^n,\displaystyle \bigcup\limits_{i\in I},\displaystyle \bigcup\nolimits_{i\in I}, 其中 I 表示指标集; 进一步,令 P(i) 为某个与 i 相关的命题,可使用 \displaystyle \bigcup_{P(i)} A_i 表示所有使 P(i) 为真的 i 对应的 A_i 之并集 |
| n2.12 | \displaystyle \bigcap\limits_{i=1}^n A_i | 集合 A_1, A_2, \dots, A_n 的交集 | \displaystyle \bigcap\limits_{i=1}^n A_i=A_1\cap A_2\cap \dots \cap A_n; 也可使用 \displaystyle \bigcap\nolimits_{i=1}^n,\displaystyle \bigcap\limits_{i\in I},\displaystyle \bigcap\nolimits_{i\in I}, 其中 I 表示指标集; 进一步,令 P(i) 为某个与 i 相关的命题,可使用 \displaystyle \bigcap_{P(i)} A_i 表示所有使 P(i) 为真的 i 对应的 A_i 之交集 |
| n2.13 | A \setminus B | A 和 B 的差集 | A \setminus B = \{x ~\vert~ x \in A \land x \notin B\}; 不应使用 A - B; 当 B 是 A 的子集时也可使用 \complement_A B, 如果从上下文中可以得知考虑的是哪个集合 A,则 A 可以省略. 不引起歧义的情况下也可使用 \overline{B} 表示集合 B 的补集. |
| n2.14 | (a, b) | 有序数对 a,b; 有序偶 a,b | (a, b) = (c, d) 当且仅当 a = c 且 b = d. |
| n2.15 | (a_1, a_2, \dots, a_n) | 有序 n 元组 | 参见 n2.14. |
| n2.16 | A \times B | 集合 A 和 B 的笛卡尔积 | A \times B = \{(x, y) ~\vert~ x \in A \land y \in B\}. |
| n2.17 | \displaystyle \prod\limits_{i=1}^{n} A_i | 集合 A_1, A_2, \dots, A_n 的笛卡尔积 | \displaystyle \prod\limits_{i=1}^{n} A_i=\{(x_1, x_2, \dots, x_n) ~\vert~ x_1 \in A_1, x_2 \in A_2, \dots, x_n \in A_n\}; A \times A \times \dots \times A 记为 A^n, 其中 n 是乘积中的因子数; 该符号的另一种用法参见 n6.8 |
| n2.18 | \mathrm{id}_A | A\times A 的对角集 | \mathrm{id}_A=\{(x, x)~\vert~x\in A\}; 如果从上下文中可以得知考虑的是哪个集合 A, 则 A 可以省略. |
| n2.19 | \mathbf{1}_A | 指示函数 | \mathbf{1}_A(a)=[a\in A],[\cdot] 的定义参见 n6.24. |
| n2.20 | \mathcal{P}(A); 2^A | 幂集 | \mathcal{P}(A)=\{S:S\subseteq A\} |
标准数集和区间¶
关系¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n4.1 | a = b | a 等于 b | \equiv 用于强调某等式是恒等式 该符号的另一个含义参见 n4.18. |
| n4.2 | a \ne b | a 不等于 b | |
| n4.3 | a := b | a 定义为 b | 参见 n2.9,n2.10 |
| n4.4 | a \approx b | a 约等于 b | 不排除相等. |
| n4.5 | a \simeq b | a 渐近等于 b | 例如: 当 x\to a 时,\dfrac{1}{\sin(x-a)} \simeq \dfrac{1}{x-a}; x \to a 的含义参见 n4.15. |
| n4.6 | a \propto b | a 与 b 成正比 | 也可使用 a \sim b. \sim 也用于表示等价关系. |
| n4.7 | M \cong N | M 与 N 全等 | 当 M 和 N 是点集(几何图形)时. 该符号也用于表示代数结构的同构. |
| n4.8 | a < b | a 小于 b | |
| n4.9 | b > a | b 大于 a | |
| n4.10 | a \leq b | a 小于等于 b | |
| n4.11 | b \geq a | b 大于等于 a | |
| n4.12 | a \ll b | a 远小于 b | |
| n4.13 | b \gg a | b 远大于 a | |
| n4.14 | \infty | 无穷大 | 该符号 不 是数字. 也可以使用 +\infty,-\infty. |
| n4.15 | x \to a | x 趋近于 a | 一般出现在极限表达式中. a 也可以为 \infty,+\infty,-\infty. |
| n4.16 | m \mid n | m 整除 n | 对整数 m,n: (\exists~k \in \mathbf{Z})~~m\cdot k = n. |
| n4.17 | m \perp n | m 与 n 互质 | 对整数 m,n: (\nexists~k \in \mathbf{Z}_{>1})~~(k \mid m) \land (k \mid n); 该符号的另一种用法参见 n5.2 |
| n4.18 | n \equiv k \pmod m | n 模 m 与 k 同余 | 对整数 n,k,m: m \mid (n - k); 不要与 n4.1 中提到的相混淆. |
初等几何学¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n5.1 | \parallel | 平行 | |
| n5.2 | \perp | 垂直 | 该符号的另一种用法参见 n4.17 |
| n5.3 | \angle | (平面)角 | |
| n5.4 | \overline{\mathrm{AB}} | 线段 \mathrm{AB} | |
| n5.5 | \overrightarrow{\mathrm{AB}} | 有向线段 \mathrm{AB} | |
| n5.6 | d(\mathrm{A}, \mathrm{B}) | 点 \mathrm{A} 和 \mathrm{B} 之间的距离 | 即 \overline{\mathrm{AB}} 的长度. |
运算符¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n6.1 | a + b | a 加 b | |
| n6.2 | a - b | a 减 b | |
| n6.3 | a \pm b | a 加或减 b | |
| n6.4 | a \mp b | a 减或加 b | -(a \pm b) = -a \mp b. |
| n6.5 | a \cdot b; a \times b; ab | a 乘 b | 若出现小数点,则应只使用 \times; 部分用例参见 n2.16,n2.17,n14.11,n14.12 |
| n6.6 | \dfrac{a}{b}; a/b; a:b | a 除以 b | \dfrac{a}{b}=a\cdot b^{-1}; 可用 : 表示同一量纲的数值的比率. 不应使用 ÷. |
| n6.7 | \displaystyle \sum\limits_{i=1}^n a_i | a_1 + a_2 + \dots + a_n | 也可使用 \displaystyle \sum\nolimits_{i=1}^n a_i,\displaystyle \sum\limits_i a_i,\displaystyle \sum\nolimits_i a_i,\displaystyle \sum a_i; 令 P(i) 为某个与 i 相关的命题,可使用 \displaystyle \sum_{P(i)} a_i 表示所有使 P(i) 为真的 i 对应的 a_i 之和. |
| n6.8 | \displaystyle \prod\limits_{i=1}^n a_i | a_1 \cdot a_2 \cdot \dots \cdot a_n | 也可使用 \displaystyle \prod\nolimits_{i=1}^n a_i,\displaystyle \prod\limits_i a_i,\displaystyle \prod\nolimits_i a_i,\displaystyle \prod a_i; 令 P(i) 为某个与 i 相关的命题,可使用 \displaystyle \prod_{P(i)} a_i 表示所有使 P(i) 为真的 i 对应的 a_i 之积; 该符号的另一种用法参见 n2.17 |
| n6.9 | a^p | a 的 p 次幂 | |
| n6.10 | a^{1/2}; \sqrt{a} | a 的 1/2 次方,a 的平方根 | 应避免使用 \sqrt{}a. |
| n6.11 | a^{1/n}; \sqrt[n]{a} | a 的 1/n 次幂,a 的 n 次根 | 应避免使用 \sqrt[n]{}a. |
| n6.12 | \bar{x}; \bar{x}_a | x 的算数均值 | 其他均值有: 调和均值 \bar{x}_h; 几何均值 \bar{x}_g; 二次均值/均方根 \bar{x}_q 或 \bar{x}_{rms}. \bar{x} 也用于表示复数 x 的共轭,参见 n11.6. |
| n6.13 | \operatorname{sgn} a | a 的符号函数 | 对实数 a: \operatorname{sgn} a=1\quad (a>0); \operatorname{sgn} a=-1\quad (a<0); \operatorname{sgn} 0=0; 参见 n11.7. |
| n6.14 | \inf M | M 的下确界 | 小于等于非空集合 M 中元素的最大上界. |
| n6.15 | \sup M | M 的上确界 | 大于等于非空集合 M 中元素的最小下界. |
| n6.16 | \lvert a\rvert | a 的绝对值 | 也可使用 \operatorname{abs} a. |
| n6.17 | \lfloor a\rfloor | 向下取整 小于等于实数 a 的最大整数 | 例如: \lfloor 2.4\rfloor = 2; \lfloor -2.4\rfloor = -3. |
| n6.18 | \lceil a\rceil | 向上取整 大于等于实数 a 的最小整数 | 例如: \lceil 2.4\rceil = 3; \lceil -2.4\rceil = -2. |
| n6.19 | \min(a, b); \min\{a, b\} | a 和 b 的最小值 | 可推广到有限集中. 要表示无限集中的最小值建议使用 \inf, 参见 n6.14 |
| n6.20 | \max(a, b); \max\{a, b\} | a 和 b 的最大值 | 可推广到有限集中. 要表示无限集中的最大值建议使用 \sup, 参见 n6.15 |
| n6.21 | n \bmod m | n 模 m 的余数 | 对正整数 n,m: (\exists~q\in\mathbf{N}, r\in[0, m))~~n=qm+r; 其中 r=n \bmod m. |
| n6.22 | \gcd(a, b); \gcd\{a, b\} | 整数 a 和 b 的最大公因数 | 可推广到有限集中.不引起歧义的情况下可写为 (a, b). |
| n6.23 | \operatorname{lcm}(a, b); \operatorname{lcm}\{a, b\} | 整数 a 和 b 的最小公倍数 | 可推广到有限集中.不引起歧义的情况下可写为 [a, b]; (a, b)[a, b]=\lvert ab\rvert. |
| n6.24 | [P] | Iverson 括号 | 若命题 P 为真,则 [P]=1,否则 [P]=0. |
| n6.25 | a\uparrow b; a\uparrow^{n} b | Knuth 箭头 | 对非负整数 a,b,n: a\uparrow^{n} b=a~\underbrace{\uparrow\dots\uparrow}_{n \text{ times}}~b; a\uparrow^{0} b=ab; a\uparrow^{1} b=a\uparrow b=a^b; a\uparrow^{n} 0=1\quad(n>0); a\uparrow^{n}b=a\uparrow^{n-1}(a\uparrow^{n}(b-1)). |
| n6.26 | [x^n]f(x) | 多项式/形式幂级数/形式 Laurent 级数 f(x) 中 x^n 项的系数 | 若 \displaystyle f(x)=\sum_{i} a_ix^i,则 [x^n]f(x)=a_n; 可推广到多元情况,如若 \displaystyle f(x,y)=\sum_{i,j}a_{i,j}x^iy^j,则 [x^ny^m]f(x,y)=a_{n,m}. |
组合数学¶
本节中的 n 和 k 是自然数,a 是复数,且 k\leq n.
函数¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n8.1 | f | 函数 | |
| n8.2 | f(x),f(x_1, \dots, x_n) | 函数 f 在 x 处的值 函数 f 在 (x_1, \dots, x_n) 处的值 | |
| n8.3 | \operatorname{dom} f | f 的定义域 | 也可使用 \mathrm{D}(f). |
| n8.4 | \operatorname{ran} f | f 的值域 | 也可使用 \mathrm{R}(f). |
| n8.5 | f:A\to B | f 是 A 到 B 的映射 | \operatorname{dom} f=A 且 (\forall~x \in\operatorname{dom} f)~~ f(x) \in B. |
| n8.6 | x\mapsto T(x), x\in A | 将所有 x\in A 映射到 T(x) 的函数 | T(x) 仅用于定义,用来表示某个参数为 x\in A 的某个函数值.若这个函数为 f, 则对所有 x\in A 均有 f(x)=T(x). 因此 T(x) 通常用来定义函数 f. 例如: x\mapsto 3x^2y, x\in[0, 2]; 这是由 3x^2y 定义的一个关于 x 的二次函数.若未引入函数符号,则用 3x^2y 表示该函数 |
| n8.7 | f^{-1} | f 的反函数 | 函数 f 的反函数 f^{-1} 有定义当且仅当 f 是单射. 若 f 是单射,则 \operatorname{dom}\left(f^{-1}\right) = \operatorname{ran} f,\operatorname{ran}\left(f^{-1}\right) = \operatorname{dom} f, 且 (\forall~x\in\operatorname{dom} f)~~f^{-1}(f(x)) = x. 不要与函数的倒数 f(x)^{-1} 混淆. |
| n8.8 | g\circ f | f 和 g 的复合函数 | (g\circ f)(x)=g(f(x)). |
| n8.9 | f:x\mapsto y | f(x)=y,f 将 x 映射到 y | |
| n8.10 | f\vert_a^b; f(\dots, u, \dots)\vert_{u=a}^{u=b} | f(b)-f(a); f(\dots, b, \dots)-f(\dots, a, \dots) | 主要用于定积分的计算中. |
| n8.11 | \displaystyle \lim\limits_{x\to a}f(x); \lim\nolimits_{x\to a}f(x) | 当 x 趋近于 a 时 f(x) 的极限 | \lim\nolimits_{x\to a}f(x)=b 可以写成 f(x)\to b\quad (x \to a). 右极限和左极限的符号分别为 \lim\nolimits_{x\to a+}f(x) 和 \lim\nolimits_{x\to a-}f(x). |
| n8.12 | f(x) = O(g(x)) | \lvert f(x)/g(x)\rvert 在上下文隐含的限制中有上界,f(x) 的阶不高于 g(x) | 当 f/g 与 g/f 均有界时称 f 与 g 是同阶的. 使用符号 "=" 是出于历史原因,其在此处不表示等价,因为不满足传递性. 例如: \sin x=O(x)\quad (x\to 0). |
| n8.13 | f(x) = o(g(x)) | 在上下文隐含的限制中有 f(x)/g(x)\to 0,f(x) 的阶高于 g(x) | 使用符号 "=" 是出于历史原因,其在此处不表示等价,因为不满足传递性. 例如: \cos x=1+o(x)\quad (x\to 0). |
| n8.14 | \Delta f | f 的有限增量 | 上下文隐含的两函数值的差分.例如: \Delta x=x_2-x_1; \Delta f(x)=f(x_2)-f(x_1). |
| n8.15 | \dfrac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}; f' | f 对 x 的导(函)数 | 仅用于一元函数. 可以显式指明自变量,如 \dfrac{\mathrm{d}f(x)}{\mathrm{d}x},f'(x). |
| n8.16 | \left(\dfrac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}\right)_{x=a}; f'(a) | f 在 a 处的导(函)数值 | 参见 n8.15 |
| n8.17 | \dfrac{\mathrm{d}^n f}{\mathrm{d}x^n}; f^{(n)} | f 对 x 的 n 阶导(函)数 | 仅用于一元函数. 可以显式指明自变量,如 \dfrac{\mathrm{d}^n f(x)}{\mathrm{d}x^n},f^{(n)}(x). 可用 f'' 和 f''' 分别表示 f^{(2)} 和 f^{(3)}. |
| n8.18 | \dfrac{\partial f}{\partial x}; f_x | f 对 x 的偏导数 | 仅用于多元函数. 可以显式指明自变量,如 \dfrac{\partial f(x, y, \dots)}{\partial x},f_x(x, y, \dots). 可以扩展到高阶,如 f_{xx}=\dfrac{\partial^2 f}{\partial x^2}=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\partial f}{\partial x}\right); f_{xy}=\dfrac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}=\dfrac{\partial}{\partial y}\left(\dfrac{\partial f}{\partial x}\right). |
| n8.19 | \dfrac{\partial(f_1, \dots, f_m)}{\partial(x_1, \dots, x_n)} | Jacobi 矩阵 | 参见1 |
| n8.20 | \mathrm{d}f | f 的全微分 | \mathrm{d}f(x, y, \dots)=\dfrac{\partial f}{\partial x}\mathrm{d}x+\dfrac{\partial f}{\partial y}\mathrm{d}y+\dots. |
| n8.21 | \delta f | f 的(无穷小)变分 | |
| n8.22 | \displaystyle \int f(x)\mathrm{d}x | f 的不定积分 | |
| n8.23 | \displaystyle \int\limits_a^b f(x)\mathrm{d}x | f 从 a 到 b 的定积分 | 也可使用 \displaystyle \int\nolimits_a^b f(x)\mathrm{d}x; 定积分还可以定义在更一般的域上.如 \displaystyle\int\limits_C,\displaystyle\int\limits_S,\displaystyle\int\limits_V,\displaystyle\oint, 分别表示在曲线 C, 曲面 S, 三维区域 V, 和闭曲线或曲面上的定积分. 多重积分可写成 \displaystyle\iint,\displaystyle\iiint 等. |
| n8.24 | f*g | 函数 f 和 g 的卷积 | \displaystyle (f*g)(x)=\int\limits_{-\infty}^{\infty}f(y)g(x-y)\mathrm{d}y. |
指数和对数函数¶
x 可以是复数.
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n9.1 | \mathrm{e} | 自然对数的底 | \displaystyle \mathrm{e}=\lim\limits_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n=2.718~281~8\dots; 不要写成 e. |
| n9.2 | a^x | x 的指数函数(以 a 为底) | 参见 n6.9. |
| n9.3 | \mathrm{e}^x; \exp x | x 的指数函数(以 \mathrm{e} 为底) | |
| n9.4 | \log_a x | x 的以 a 为底的对数 | 当底数不需要指定的时候可以使用 \log x. 不应用 \log x 替换 \ln x,\lg x,\operatorname{lb} x 中的任意一个. |
| n9.5 | \ln x | x 的自然对数 | \ln x = \log_{\mathrm{e}} x; 参见 n9.4. |
| n9.6 | \lg x | x 的常用对数 | \lg x = \log_{10} x; 参见 n9.4. |
| n9.7 | \operatorname{lb} x | x 的以 2 为底的对数 | \operatorname{lb} x = \log_2 x; 参见 n9.4. |
三角函数和双曲函数¶
复数¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n11.1 | \mathrm{i} | 虚数单位 | \mathrm{i}^2 = -1; 不可使用 i 或 i |
| n11.2 | \operatorname{Re} z | z 的实部 | 参见 n11.3. |
| n11.3 | \operatorname{Im} z | z 的虚部 | 若 z = x + \mathrm{i} y\quad (x, y\in\mathbf{R}), 则 x = \operatorname{Re} z,y = \operatorname{Im} z. |
| n11.4 | \lvert z\rvert | z 的模 | \lvert z\rvert=\sqrt{(\operatorname{Re} z)^2+(\operatorname{Im} z)^2}. |
| n11.5 | \arg z | z 的辐角 | 若 z = r \mathrm{e}^{\mathrm{i}\varphi}, 其中 r = \lvert z\rvert 且 -\pi < \varphi \leq \pi, 则 \varphi = \arg z. \operatorname{Re} z = r \cos \varphi,\operatorname{Im} z = r \sin \varphi. |
| n11.6 | \bar{z}; z^* | z 的复共轭 | \bar{z}=\operatorname{Re}z-\mathrm{i}\operatorname{Im}z. |
| n11.7 | \operatorname{sgn} z | z 的单位模函数 | \operatorname{sgn} z =z / \lvert z\rvert = \exp(\mathrm{i} \arg z)\quad (z \ne 0); \operatorname{sgn} 0 = 0; 参见 n6.13. |
矩阵¶
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n12.1 | A; 参见2 | m\times n 型矩阵 A | a_{ij} = (A)_{ij}; 也可使用 A = (a_{ij}). 其中 m 为行数,n 为列数 m=n 时称为方阵 可用方括号替代圆括号. |
| n12.2 | A + B | 矩阵 A 和 B 的和 | (A + B)_{ij} = (A)_{ij} + (B)_{ij}; 矩阵 A 和 B 的行数和列数必须分别相同. |
| n12.3 | x A | 标量 x 和矩阵 A 的乘积 | (x A)_{ij} = x (A)_{ij}. |
| n12.4 | AB | 矩阵 A 和 B 的乘积 | \displaystyle(AB)_{ik} = \sum\limits_{j}(A)_{ij}(B)_{jk}; 矩阵 A 的列数必须等于矩阵 B 的行数. |
| n12.5 | I; E | 单位矩阵 | (I)_{ik} = \delta_{ik}; \delta_{ik} 的定义参见 n14.9. |
| n12.6 | A^{-1} | 方阵 A 的逆 | AA^{-1} = A^{-1}A = I\quad (\det A \ne 0). \det A 的定义参见 n12.10. |
| n12.7 | A^{\mathrm{T}}; A' | A 的转置矩阵 | (A^{\mathrm{T}})_{ik} = (A)_{ki}. |
| n12.8 | \overline{A}; A^* | A 的复共轭矩阵 | \left(\overline{A}\right)_{ik}=\overline{(A)_{ik}}. |
| n12.9 | A^{\mathrm{H}}; A^{\dagger} | A 的 Hermite 共轭矩阵 | A^{\mathrm{H}} = \left(\overline{A}\right)^{\mathrm{T}}. |
| n12.10 | \det A; 参见3 | 方阵 A 的行列式 | 也可使用 \lvert A\rvert. |
| n12.11 | \operatorname{rank}A | 矩阵 A 的秩 | |
| n12.12 | \operatorname{tr}A | 方阵 A 的迹 | \displaystyle\operatorname{tr}A=\sum\limits_{i}(A)_{ii}. |
| n12.13 | \lVert A\rVert | 矩阵 A 的范数 | 满足三角不等式:若 A + B = C, 则 \lVert A\rVert+\lVert B\rVert \geq \lVert C\rVert. |
坐标系¶
本节考虑三维空间中的一些坐标系.点 \mathrm{O} 为坐标系的 原点.任意点 \mathrm{P} 均由从原点 \mathrm{O} 到点 \mathrm{P} 的 位置向量 确定.
| 编号 | 坐标 | 位置向量和微分 | 坐标名 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| n13.1 | x,y,z | \boldsymbol{r} = x \boldsymbol{e}_x + y \boldsymbol{e}_y + z \boldsymbol{e}_z; \mathrm{d}\boldsymbol{r} = \mathrm{d}x~\boldsymbol{e}_x + \mathrm{d}y~\boldsymbol{e}_y + \mathrm{d}z~\boldsymbol{e}_z | 笛卡尔坐标 | 基向量 \boldsymbol{e}_x,\boldsymbol{e}_y,\boldsymbol{e}_z 构成右手正交系,见 图 1 和 图 4. 基向量也可用 \boldsymbol{e}_1,\boldsymbol{e}_2,\boldsymbol{e}_3 或 \boldsymbol{i},\boldsymbol{j},\boldsymbol{k} 表示,坐标也可用 x_1,x_2,x_3 或 i,j,k 表示. |
| n13.2 | \rho,\varphi,z | \boldsymbol{r} = \rho~\boldsymbol{e}_{\rho} + z~\boldsymbol{e}_z; \mathrm{d}\boldsymbol{r} = \mathrm{d}\rho~\boldsymbol{e}_{\rho} +\rho~\mathrm{d}\varphi~\boldsymbol{e}_{\varphi} + \mathrm{d}z~\boldsymbol{e}_z | 柱坐标 | \boldsymbol{e}_{\rho}(\varphi),\boldsymbol{e}_{\varphi}(\varphi),\boldsymbol{e}_z 组成右手正交系,见 图 2. 若 z = 0, 则 \rho 和 \varphi 是平面上的极坐标. |
| n13.3 | r,\vartheta,\varphi | \boldsymbol{r} = r \boldsymbol{e}_r; \mathrm{d}\boldsymbol{r} = \mathrm{d}r~\boldsymbol{e}_r + r~\mathrm{d}\vartheta~\boldsymbol{e}_{\vartheta} + r~\sin\vartheta~\mathrm{\mathrm{d}}\varphi~\boldsymbol{e}_{\varphi} | 球坐标 | \boldsymbol{e}_r(\vartheta, \varphi),\boldsymbol{e}_{\vartheta}(\vartheta, \varphi),\boldsymbol{e}_{\varphi}(\varphi) 组成右手正交系,见 图 3. |
如果不使用 右手坐标系,而使用 左手坐标系,则应在之前明确强调,以免符号误用.
标量和向量¶
本节中,基向量用 \boldsymbol{e}_1,\boldsymbol{e}_2,\boldsymbol{e}_3 表示.本节中的许多概念都可以推广到 n 维空间.
标量和向量本身与坐标系的选择无关,而向量的每个标量分量与坐标系的选择有关.
对于基向量 \boldsymbol{e}_1,\boldsymbol{e}_2,\boldsymbol{e}_3, 每个向量 \boldsymbol{a} 都可以表示为 \boldsymbol{a}=a_1\boldsymbol{e}_1+a_2\boldsymbol{e}_2+a_3\boldsymbol{e}_3, 其中 a_1,a_2 和 a_3 是唯一确定的标量值,将其称为向量相对于该组基向量的 "坐标",a_1\boldsymbol{e}_1,a_2\boldsymbol{e}_2 和 a_3\boldsymbol{e}_3 称为向量相对于该组基向量的分向量.
在本节中,只考虑普通空间的笛卡尔(正交)坐标.笛卡尔坐标用 x,y,z 或 a_1,a_2,a_3 或 x_1,x_2,x_3 表示.
本节所有下标 i,j,k 的范围均为 1 到 3.
| 编号 | 符号,表达式 | 意义,等同表述 | 备注与示例 |
|---|---|---|---|
| n14.1 | \boldsymbol{a}; \vec{a} | 向量 \boldsymbol{a} | |
| n14.2 | \boldsymbol{a} + \boldsymbol{b} | 向量 \boldsymbol{a} 和 \boldsymbol{b} 的和 | (\boldsymbol{a} + \boldsymbol{b})_i = a_i + b_i. |
| n14.3 | x\boldsymbol{a} | 标量 x 与向量 \boldsymbol{a} 的乘积 | (x\boldsymbol{a})_i = xa_i. |
| n14.4 | \lvert \boldsymbol{a}\rvert | 向量 \boldsymbol{a} 的大小,向量 \boldsymbol{a} 的范数 | \lvert \boldsymbol{a}\rvert=\sqrt{a_x^2+a_y^2+a_z^2}; 也可使用 \lVert a\rVert. |
| n14.5 | \boldsymbol{0}; \vec{0} | 零向量 | 零向量的大小为 0. |
| n14.6 | \boldsymbol{e_a} | \boldsymbol{a} 方向的单位向量 | \boldsymbol{e_a} = \boldsymbol{a}/\lvert\boldsymbol{a}\rvert\quad (\boldsymbol{a}\ne \boldsymbol{0}). |
| n14.7 | \boldsymbol{e}_x,\boldsymbol{e}_y,\boldsymbol{e}_z; \boldsymbol{e}_1,\boldsymbol{e}_2,\boldsymbol{e}_3 | 笛卡尔坐标轴方向的单位向量 | 也可使用 \boldsymbol{i},\boldsymbol{j},\boldsymbol{k}. |
| n14.8 | a_x,a_y,a_z; a_i | 向量 \boldsymbol{a} 的笛卡尔分量 | \boldsymbol{a} = a_x \boldsymbol{e}_x + a_y \boldsymbol{e}_y + a_z \boldsymbol{e}_z; 如果上下文确定了基向量,则向量可以写为 \boldsymbol{a} = (a_x, a_y, a_z). a_x = \boldsymbol{a}\cdot \boldsymbol{e}_x,a_y = \boldsymbol{a}\cdot \boldsymbol{e}_y,a_z = \boldsymbol{a}\cdot \boldsymbol{e}_z; \boldsymbol{r} = x\boldsymbol{e}_x + y\boldsymbol{e}_y + z\boldsymbol{e}_z 是坐标为 x,y,z 的位置向量. |
| n14.9 | \delta_{ik} | Kronecker delta 符号 | \delta_{ik}=[i=k],其中 [\cdot] 的定义参见 n6.24,即: \delta_{ik}=1\quad (i=k); \delta_{ik}=0\quad (i\ne k). |
| n14.10 | \varepsilon_{ijk} | Levi-Civita 符号 | \varepsilon_{123} = \varepsilon_{231} = \varepsilon_{312} = 1; \varepsilon_{132} = \varepsilon_{321} = \varepsilon_{213} = -1; 其余的 \varepsilon_{ijk} 均为 0. |
| n14.11 | \boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b} | 向量 \boldsymbol{a} 和 \boldsymbol{b} 的标量积/内积 | \displaystyle\boldsymbol{a}\cdot\boldsymbol{b}=\sum\limits_i a_ib_i. |
| n14.12 | \boldsymbol{a}\times\boldsymbol{b} | 向量 \boldsymbol{a} 和 \boldsymbol{b} 的向量积/外积 | 右手笛卡尔坐标系中,\displaystyle (\boldsymbol{a}\times\boldsymbol{b})_i = \sum\limits_j\sum\limits_k\varepsilon_{ijk}a_jb_k; \varepsilon_{ijk} 的定义参见 n14.10. |
| n14.13 | \mathbf{\nabla} | nabla 算子 | \displaystyle \mathbf{\nabla} = \boldsymbol{e}_x\frac{\partial}{\partial x}+\boldsymbol{e}_y\frac{\partial}{\partial y}+\boldsymbol{e}_z\frac{\partial}{\partial z}=\sum\limits_i\boldsymbol{e}_i\frac{\partial}{\partial x_i}. |
| n14.14 | \mathbf{\nabla}\varphi; \operatorname{\mathbf{grad}}\varphi | \varphi 的梯度 | \displaystyle \mathbf{\nabla}\varphi=\sum\limits_i\boldsymbol{e}_i\frac{\partial\varphi}{\partial x_i}; \operatorname{\mathbf{grad}} 应使用 \operatorname{\mathbf{grad}}. |
| n14.15 | \mathbf{\nabla}\cdot\boldsymbol{a}; \operatorname{\mathbf{div}}\boldsymbol{a} | \boldsymbol{a} 的散度 | \displaystyle \mathbf{\nabla}\cdot\boldsymbol{a}=\sum\limits_i\frac{\partial a_i}{\partial x_i}; \operatorname{\mathbf{div}} 应使用 \operatorname{\mathbf{div}}. |
| n14.16 | \mathbf{\nabla}\times\boldsymbol{a}; \operatorname{\mathbf{rot}}\boldsymbol{a} | \boldsymbol{a} 的旋度 | \displaystyle (\mathbf{\nabla}\times\boldsymbol{a})_i=\sum\limits_j\sum\limits_k\varepsilon_{ijk}\frac{\partial a_k}{\partial x_j}; \operatorname{\mathbf{rot}} 应使用 \operatorname{\mathbf{rot}}.不应使用 \operatorname{\mathbf{curl}}. \varepsilon_{ijk} 的定义参见 n14.10. |
| n14.17 | \mathbf{\nabla}^2; \Delta | Laplace 算子 | \mathbf{\nabla}^2=\dfrac{\partial^2}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial y^2}+\dfrac{\partial^2}{\partial z^2}. |
特殊函数¶
本节中的 z,w 是复数,k,n 是自然数,且 k\leq n.
-
\dfrac{\partial(f_1, \dots, f_m)}{\partial(x_1, \dots, x_n)}=\begin{pmatrix}\dfrac{\partial f_1}{\partial x_1}&\cdots&\dfrac{\partial f_1}{\partial x_n}\\\vdots&\ddots&\vdots\\\dfrac{\partial f_m}{\partial x_1}&\cdots&\dfrac{\partial f_m}{\partial x_n}\end{pmatrix}; 矩阵的定义参见 n12.1 ↩
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\begin{pmatrix}a_{11}&\cdots&a_{1n}\\\vdots&\ddots&\vdots\\a_{m1}&\cdots&a_{mn}\end{pmatrix} ↩
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\begin{vmatrix}a_{11}&\cdots&a_{1n}\\\vdots& &\vdots\\a_{n1}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix} ↩