第02讲矢量分析和场论.docVIP

  1. 1、本文档共60页,可阅读全部内容。
  2. 2、有哪些信誉好的足球投注网站(book118)网站文档一经付费(服务费),不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
  3. 3、本站所有内容均由合作方或网友上传,本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺!文档内容仅供研究参考,付费前请自行鉴别。如您付费,意味着您自己接受本站规则且自行承担风险,本站不退款、不进行额外附加服务;查看《如何避免下载的几个坑》。如果您已付费下载过本站文档,您可以点击 这里二次下载
  4. 4、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“版权申诉”(推荐),也可以打举报电话:400-050-0827(电话支持时间:9:00-18:30)。
  5. 5、该文档为VIP文档,如果想要下载,成为VIP会员后,下载免费。
  6. 6、成为VIP后,下载本文档将扣除1次下载权益。下载后,不支持退款、换文档。如有疑问请联系我们
  7. 7、成为VIP后,您将拥有八大权益,权益包括:VIP文档下载权益、阅读免打扰、文档格式转换、高级专利检索、专属身份标志、高级客服、多端互通、版权登记。
  8. 8、VIP文档为合作方或网友上传,每下载1次, 网站将根据用户上传文档的质量评分、类型等,对文档贡献者给予高额补贴、流量扶持。如果你也想贡献VIP文档。上传文档
查看更多
第02讲矢量分析和场论

第02讲 本节内容 方向导数 梯度 散度 旋度 正交坐标系 第一章 矢量分析与场论(2) 1,数量场的方向导数 1.1方向导数 由上节可知,数量场的分布情况,可以借助于等值面或等值线来了解,但这只能大致地了解数量场中物理量u的整体分布情况。而要详细地研究数量场,还必须对它作局部性的了解,即要考察物理量u在场中各点处的邻域内沿每一方向的变化情况。为此,引入方向导数的概念。 设是数量场中的一点,从出发沿某一方向引一条射线,在上的邻近取一动点M,,若当时(即): 的极限存在,则称此极限为函数在点处沿方向的方向导数。记为,即: 可见,方向导数是函数在点处沿方向对距离的变化率。当时,表示在处u沿l方向是增加的,反之就是减小的。 在直角坐标系中,方向导数有以下定理所述的计算公式: [定理] 若函数在点处可微,,,为方向的方向余弦。则u在处沿方向的方向导数必存在,且: 证:M坐标为 ∵ u在点可微,故: 是比高阶的无穷小。两边除以得 两边取时的极限得 例 求数量场在点处沿方向的方向导数。 解:方向的方向余弦为: ,, ,, ,, ∴ 2,梯度 2.1.概念 方向导数为在给定点处沿某方向变化率。但从场中一点出发无穷多方向,通常不必要更不可能研究所有方向的变化率。人们往往只关心沿何方向变化率最大,此变化率为多少?下从方向导数的计算公式出发来讨论此问题。 ∵ 、、为方向的方向余弦 ∴ 方向的单位矢量可表示为: 若把,,看成是某矢量的三分量。即: 则: 在给定点处为一常矢量。由上式,在方向上的投影恰等于函数u在该方向上的方向导数。 显然,当与的方向一致时,即时,方向导数取得最大值,或说沿方向的方向导数最大,此最大值为: 这样即找到了一个矢量,其方向为变化率最大,且其模即为最大变化率,该矢量称函数在给定点处的梯度。 在数量场中的一点M处,其方向为函数在M点处变化率最大的方向,其模恰好等于此最大变化率的矢量,称为在M点处的梯度,记为: 需指出,梯度的定义与坐标系无关,它由数量场的分布所决定,在不同的坐标系中只是表达形式不同。前面已得出其在直系中的表达式: 从此公式可以看出,梯度在形式上可以视为矢量微分算子与函数u的乘积,算子称为哈密尔顿算子。所以梯度又常表示为。 2.2.梯度的性质 1°梯度与方向导数的关系:在某点M处沿任一方向的方向导数等于该点处的梯度在此方向上的投影。 2°梯度与等值面的关系:场中每一点M处的梯度,垂直于过该点的等值面,且指向增大一方。 这是因为点M处的三个分量,,恰为过M点的等值面的法线方向数,即梯度在其法线方向上,故垂直于此等值面。 又因为u沿方向的方向导数即沿方向是增加的,或者说指向增大一方。 等值面和方向导数均与梯度存在一种比较理想的关系,这使得梯度成为研究数量场的一个极为重要的矢量。 例 试证明点的矢径的模的梯度。 证: ,, ∴ 例 求在处沿方向的。 解法1:直接由公式(略) 解法2:作为梯度在上投影 ,, 在处,,, ∴ M处 2.3.梯度的运算法则 1° (c为常数) 2° (c为常数) 3° 4° 5° 6° 例 已知位于原点处的点电荷q在其周围空间任一点处产生的电位为(),且知电场强度,求。 解:由法则6°: 3 矢量场的通量与散度 3.1、 通量 为区分曲面的两侧,常规定其一侧为曲面的正侧,另一面为其负侧。这种取定了正侧的曲面称为有向曲面。对于封闭曲面,习惯上总是取其外侧为正侧。在研究实际问题时,常规定有向曲面的法向矢量恒指向研究问题时所取的一侧。 下面通过例子导出通量定义。设s为流速场中一有向曲面,考虑单位时间流体向正侧穿过s的流量Q。(指向s正侧) 在s上取ds,。因ds甚小,可认为和在ds上均不变,分别与M处和相同。流体穿过ds的流量为: 其中为M处单位法向矢量 则单位时间内沿正向穿过s的总通量为: 数学上把这种形式的曲面积分称为通量。 设为一矢量场,沿其中有向曲面s正(负)侧的曲面积分: 称为矢量场向s正(负)侧穿过曲面s的通量。 如磁感应强度为的磁场中,穿过曲面s的磁通量为: 若某一矢量场是由两个以上的矢量场迭加而成,则总场穿过某曲面的通量等于每个矢量场穿过该曲面的通量之和。 即若 则: 在直角坐标系中,若可表示为: 而 其中,,是的方向余弦 ∴ 例 场,s:圆锥面与平面z=H所围封闭面,求从s内穿出的。 解: 上任一点 若s为上半球面,(),则 总流量

文档评论(0)

jdy261842 + 关注
实名认证
文档贡献者

分享好文档!

1亿VIP精品文档

相关文档