19MAT111 Multivariable Optimization for 2nd semester ECE, EEE -Dr. Sarada Jayan 4/26/2020 Sarada Jayan 1 Vector Differentiation (Review) • • • • • • Scalar functions, Vector functions Applications of partial derivatives Vector plots Parametric representation of curves, C:เดคr(t) Velocity and Acceleration of moving particles Vector Differentiation – – – – – – 4/26/2020 Gradient of a scalar function, ∇๐ (vector) Divergence of a vector function, ∇ โ ๐ฃาง (scalar) Curl of a vector function, ∇ × ๐ฃาง (vector) Laplacian of a scalar function ∇2 ๐ (scalar) Applications of grad, div and curl Solenoidal/Incompressible fields, Irrotational/ Conservative fields Sarada Jayan 2 Scalar Potential • If a vector field ๐ฃาง is irrotational i.e. if curl ๐ฃาง = 0, there will always exist a scalar function f such that : ๐ฃาง = ๐๐๐๐ ๐ = ∇๐ = ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฅ + ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฆ + ๐๐ เท ๐ ๐๐ง This function f is called the scalar potential of ๐ฃ.าง Examples: เท 1. If ๐ฃาง = 2๐ฅ ๐ฦธ + 2y๐ฦธ + 2๐ง๐, then the scalar potential is ๐ = ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 + ๐ง 2 + ๐ เท 2. If ๐ฃาง = ๐ฆ๐ง๐ฦธ + xz๐ฦธ + ๐ฅ๐ฆ๐, then the scalar potential is ๐ = ๐ฅ๐ฆ๐ง + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 3 How to find the scalar Potential … Problems 1. Find the scalar potential for the following vector functions, if it exists. a. ๐ฃาง = 3๐ฅ 2 ๐ฦธ + 3๐ฆ 2 ๐ฦธ + 3๐ง 2 ๐เท Solution: curl ๐ฃาง = ๐ฦธ ๐ฦธ ๐เท ๐ ๐๐ฅ 3๐ฅ 2 ๐ ๐๐ฆ 3๐ฆ 2 ๐ ๐๐ง 3๐ง 2 i.e., ๐ฃาง = ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฅ + ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฆ ⇒ ๐๐ ๐๐ฅ = 3๐ฅ 2 ; + ๐๐ ๐เท ๐๐ง = [0,0,0] ⇒ ๐ฃาง is irrotational and has a potential, f. = 3๐ฅ 2 ๐ฦธ + 3๐ฆ 2 ๐ฦธ + 3๐ง 2 ๐เท ๐๐ ๐๐ฆ = 3๐ฆ 2 ; ๐๐ ๐๐ง = 3๐ง 2 ; ๐๐ ๐๐ฅ ๐๐ ๐๐ฆ = 3๐ฅ 2 ⇒ ๐ = ๐ฅ 3 + ๐1 ๐ฆ, ๐ง ----- (1) [Integration w.r.t. x] ๐๐ ๐๐ง = 3๐ง 2 ⇒ ๐ = ๐ง 3 + ๐3 ๐ฅ, ๐ฆ ----- (3) [Integration w.r.t. z] = 3๐ฆ 2 ⇒ ๐ = ๐ฆ 3 + ๐2 ๐ฅ, ๐ง ----- (2) [Integration w.r.t. y] From (1), (2) and (3), we can get ๐ = ๐๐ + ๐๐ + ๐๐ + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 4 How to find the scalar Potential… Problems 1. Find the scalar potential for the following vector functions, if it exists. b. ๐ฃาง = 6๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ๐ฦธ + 2๐ฅ 3 ๐ง 2 ๐ฦธ + 4๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง ๐เท Solution: curl ๐ฃาง = ๐ฦธ ๐ฦธ ๐เท ๐ ๐๐ฅ 6๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ๐ ๐๐ฆ 2๐ฅ 3 ๐ง 2 ๐ ๐๐ง 4๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง = [4๐ฅ 3 ๐ง − 4๐ฅ 3 ๐ง, −12๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง + 12๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง, 6๐ฅ 2 ๐ง 2 − 6๐ฅ 2 ๐ง 2 ] = [0,0,0] ⇒ ๐ฃาง is irrotational and has a potential, f. i.e., ๐ฃาง = ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฅ + ๐๐ ๐ฦธ ๐๐ฆ ⇒ ๐๐ ๐๐ฅ = 6๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ; + ๐๐ เท ๐ ๐๐ง = 6๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ๐ฦธ + 2๐ฅ 3 ๐ง 2 ๐ฦธ + 4๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง ๐เท ๐๐ ๐๐ฆ = 2๐ฅ 3 ๐ง 2 ; ๐๐ ๐๐ง = 4๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง; ๐๐ ๐๐ฅ ๐๐ ๐๐ฆ = 6๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ⇒ ๐ = 2๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง 2 + ๐1 ๐ฆ, ๐ง ----- (1) [Integration w.r.t. x] ๐๐ ๐๐ง = 4๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง⇒ ๐ = 2๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง 2 + ๐3 ๐ฅ, ๐ฆ ----- (3) [Integration w.r.t. z] = 2๐ฅ 3 ๐ง 2 ⇒ ๐ = 2๐ฅ 3 ๐ฆ๐ง 2 + ๐2 ๐ฅ, ๐ง ----- (2) [Integration w.r.t. y] From (1), (2) and (3), we can get ๐ = ๐๐๐ ๐๐๐ + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 5 How to find the scalar Potential…Problems 1. Find the scalar potential for the following vector functions, if it exists. c. ๐ฃาง = ๐ฅ๐ฆ๐ฦธ + 2๐ฅ๐ฆ๐ฦธ + 3๐ฆ๐ง ๐เท Solution: curl ๐ฃาง = ๐ฦธ ๐ฦธ ๐เท ๐ ๐๐ฅ ๐ ๐๐ฆ ๐ ๐๐ง = [3๐ง, 0, 2๐ฆ − ๐ฅ] ≠ [0,0,0] ๐ฅ๐ฆ 2๐ฅ๐ฆ 3๐ฆ๐ง ⇒ ๐ฃาง is not irrotational and so does not have a potential. 4/26/2020 Sarada Jayan 6 How to find the scalar Potential…Problems 2. Find the scalar potential for the following irrotational function: ๐ฃาง = ๐ฆ sin ๐ง − sin ๐ฅ ๐ฦธ + ๐ฅ sin ๐ง + 2๐ฆ๐ง ๐ฦธ + ๐ฅ๐ฆ cos ๐ง + ๐ฆ 2 ๐เท Solution: ๐๐ ๐๐ ๐๐ ๐ฃาง = ๐ฦธ + ๐ฦธ + ๐เท ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง = ๐ฆ sin ๐ง − sin ๐ฅ ๐ฦธ + ๐ฅ sin ๐ง + 2๐ฆ๐ง ๐ฦธ + ๐ฅ๐ฆ cos ๐ง + ๐ฆ 2 ๐เท ๐๐ ๐๐ฅ ⇒ ๐๐ ๐๐ฅ ๐๐ ๐๐ฆ ๐๐ ๐๐ง = ๐ฆ sin ๐ง − sin ๐ฅ; ๐๐ ๐๐ฆ = ๐ฆ sin ๐ง − sin ๐ฅ; ๐๐ ๐๐ง = ๐ฅ๐ฆ cos ๐ง + ๐ฆ 2 ; = ๐ฆ sin ๐ง − sin ๐ฅ ⇒ ๐ = ๐ฅ๐ฆ sin ๐ง + cos ๐ฅ + ๐1 ๐ฆ, ๐ง ----- (1) [Integration w.r.t. x] = ๐ฅ sin ๐ง + 2๐ฆ๐ง ⇒ ๐ = ๐ฅ๐ฆ sin ๐ง + ๐ฆ 2 ๐ง + ๐2 ๐ฅ, ๐ง ----- (2) [Integration w.r.t. y] = ๐ฅ๐ฆ cos ๐ง + ๐ฆ 2 ⇒ ๐ = ๐ฅ๐ฆ sin ๐ง + ๐ฆ 2 ๐ง + ๐3 ๐ฅ, ๐ฆ ----- (3) [Integration w.r.t. z] From (1), (2) and (3), we can get ๐ = ๐๐ ๐๐๐ ๐ + ๐๐๐ ๐ + ๐๐ ๐ + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 7 How to find the scalar Potential…Problems 3. Find the scalar potential f for the following irrotational function ๐ฃาง given that ๐ 1,1,1 = 14 and ๐ฃาง = ๐ฆ 2 − 2๐ฅ๐ฆ๐ง 3 ๐ฦธ + 3 + 2๐ฅ๐ฆ − ๐ฅ 2 ๐ง 3 ๐ฦธ + 8๐ง 3 − 3๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ๐เท Solution: ๐๐ ๐๐ ๐๐ ๐ฃาง = ๐ฦธ + ๐ฦธ + ๐เท ๐๐ฅ ๐๐ฆ ๐๐ง = ๐ฆ 2 − 2๐ฅ๐ฆ๐ง 3 ๐ฦธ + 3 + 2๐ฅ๐ฆ − ๐ฅ 2 ๐ง 3 ๐ฦธ + 8๐ง 3 − 3๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ๐เท ๐๐ ๐๐ฅ ⇒ = ๐ฆ 2 − 2๐ฅ๐ฆ๐ง 3 ; ๐๐ ๐๐ฆ = 3 + 2๐ฅ − ๐ฅ 2 ๐ง 3 ; ๐๐ ๐๐ง = 8๐ง 3 − 3๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ; ๐๐ ๐๐ฅ ๐๐ ๐๐ฆ = ๐ฆ 2 − 2๐ฅ๐ฆ๐ง 3 ⇒ ๐ = ๐ฅ๐ฆ 2 − ๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 3 + ๐1 ๐ฆ, ๐ง ----- (1) ๐๐ ๐๐ง = 8๐ง 3 − 3๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 2 ⇒ ๐ = 2๐ง 4 − ๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 3 + ๐3 ๐ฅ, ๐ฆ ----- (3) [Integration w.r.t. x] = 3 + 2๐ฅ๐ฆ − ๐ฅ 2 ๐ง 3 ⇒ ๐ = 3๐ฆ + ๐ฅ๐ฆ 2 − ๐ฅ 2 ๐ฆ๐ง 3 + ๐2 ๐ฅ, ๐ง ---- (2)[Integration w.r.t. y] [Integration w.r.t. z] From (1), (2) and (3), we can get ๐ = ๐๐๐ − ๐๐ ๐๐๐ + ๐๐ + ๐๐๐ + ๐ ๐ 1,1,1 = 14 ⇒ 14=5+c ⇒ c=9 ⇒ ๐ = ๐๐๐ − ๐๐ ๐๐๐ + ๐๐ + ๐๐๐ + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 8 Exercise 4. Find the scalar potential for the following irrotational functions: a. ๐ฃาง = ๐ฆ๐ง + 2๐ฅ ๐ฦธ + ๐ฅ๐ง − ๐ง ๐ฦธ + ๐ฅ๐ฆ − ๐ฆ ๐เท b. ๐ฃาง = ๐ฅ ๐ฦธ ๐ฅ 2 +๐ฆ 2 + ๐ฆ ๐ฦธ ๐ฅ 2 +๐ฆ 2 1 c. ๐ฃาง = 3๐ ๐ฅ ๐ฦธ + 6 cos ๐ฆ ๐ฦธ + ๐เท ๐ง ๐ฆ ๐ง ๐ฅ ๐ง d. ๐ฃาง = ๐ฦธ + ๐ฦธ + −๐ฅ๐ฆ เท ๐ ๐ง2 5. Check if the scalar potential exists and if it exists find it. a. ๐ฃาง = ๐ฆ๐ ๐ฅ ๐ฦธ + ๐ ๐ฅ ๐ฦธ + ๐เท b. ๐ฃาง = ๐ฅ๐ฆ๐ฦธ + 2๐ฅ๐ฆ๐ฦธ c. ๐ฃาง = 2๐ฅ๐ง๐ฦธ + ๐ฦธ + (๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 ) ๐เท d. ๐ฃาง = 2๐ฅ๐ฦธ − 2y๐ฦธ + (3๐ง 2 − 2๐ง) ๐เท 4/26/2020 Sarada Jayan 9 Exercise 4. Find the scalar potential for the following irrotational functions: a. ๐ฃาง = ๐ฆ๐ง + 2๐ฅ ๐ฦธ + ๐ฅ๐ง − ๐ง ๐ฦธ + ๐ฅ๐ฆ − ๐ฆ ๐เท Solution: ๐ = ๐ฅ๐ฆ๐ง + ๐ฅ 2 − ๐ฆ๐ง + ๐ ๐ฅ ๐ฆ b. ๐ฃาง = ๐ฅ 2+๐ฆ2 ๐ฦธ + ๐ฅ 2+๐ฆ2 ๐ฦธ 1 Solution: ๐ = 2 ln ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 + ๐ 1 c. ๐ฃาง = 3๐ ๐ฅ ๐ฦธ + 6 cos ๐ฆ ๐ฦธ + ๐ง ๐เท Solution: ๐ = 3๐ ๐ฅ + 6 sin ๐ฆ + ln ๐ง + ๐ ๐ฆ ๐ฅ −๐ฅ๐ฆ d. ๐ฃาง = ๐ง ๐ฦธ + ๐ง ๐ฦธ + ๐ง 2 ๐เท Solution: ๐ = ๐ฅ๐ฆ ๐ง +๐ 5. Check if the scalar potential exists and if it exists find it. a. ๐ฃาง = ๐ฆ๐ ๐ฅ ๐ฦธ + ๐ ๐ฅ ๐ฦธ + ๐เท Solution: Curl ๐ฃาง =0 and potential is ๐ = ๐ฆ๐ ๐ฅ + ๐ง + ๐ b. ๐ฃาง = ๐ฅ๐ฆ๐ฦธ + 2๐ฅ๐ฆ๐ฦธ Solution: Curl ๐ฃาง ≠0 and so potential does not exists c. ๐ฃาง = 2๐ฅ๐ง๐ฦธ + ๐ฦธ + (๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 ) ๐เท Solution: Curl ๐ฃาง ≠ 0 and so potential does not exists d. ๐ฃาง = 2๐ฅ ๐ฦธ − 2y๐ฦธ + (3๐ง 2 − 2๐ง) ๐เท Solution: Curl ๐ฃาง = 0 and potential is ๐ = ๐ฅ 2 −๐ฆ 2 +๐ง 3 − ๐ง 2 + ๐ 4/26/2020 Sarada Jayan 10