数量场

定义

若对于空间区域 GG 内任一点 MM,都有一确定数量 f(M)f(M) 与之对应,则称这个空间区域 GG 内确定了一个数量场

方向导数

定义

u=f(P)u = f(P) 是定义在 Ω\Omega 上的一数量场,P0ΩP_0 \in \Omega,以 P0P_0 为始点作一射线,若方向与向量 l\vec{l} 一致,在此射线上任取一点 PP0P \neq P_0,若极限

limPP0f(P)f(P0)P0P\lim\limits_{P\to P_0}\frac{f(P) - f(P_0)}{\left\vert\overline{P_0P} \right\vert}

存在,称此极限值为数量场 u=f(P)u = f(P) 在点 P0P_0 处沿 l\vec{l} 方向的方向导数,记为 ulP0\frac{\partial u}{\partial \vec{l}}\big|_{P_0}

计算

若数量场 u=f(x,y,z)u = f(x,y,z)P0P_0 处可微,则其沿任何方向 l=(cosα,cosβ,cosγ)\vec{l} = (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma) 的方向导数都存在,且

ulP0=fxcosα+fycosβ+fzcosγ=gradul\frac{\partial u}{\partial\vec{l}}\big|{P_0} = f'_x\cos\alpha + f'_y\cos\beta + f'_z\cos\gamma = \operatorname{grad}u \cdot \vec{l}

梯度

定义

u=f(P)u = f(P)Ω\Omega 上一数量场,P0P_0Ω\Omega 上任一点,若 u=f(P)u = f(P)P0P_0 点处沿任何方向方向导数都存在,称以 P0P_0 点处方向导数最大的方向为方向,以这个最大方向导数的模为模的向量为 u=f(P)u = f(P)P0P_0 点的梯度,记为 graduP0\operatorname{grad}u\big|_{P_0}

计算

uu 可微,则

gradu=(ux,uy,uz)\operatorname{grad}u = \left(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial z}\right)

向量场

定义

若对于空间区域 Ω\Omega 内任一点 MM,都有一确定向量 A(M)\vec{A}(M) 与之对应,则称这个空间区域 GG 内确定了一个向量场

平均散发量

A\vec{A} 为一向量场,Ω\Omega 为一空间区域,SSΩ\Omega 的边界闭曲面,方向为外法方向,称 SPdydz+Qdzdx+Rdxdy\oiint\limits_S Pdydz + Qdzdx + RdxdyA\vec{A}SS 上的总散发量(通量),而 1ΩSPdydz+Qdzdx+Rdxdy\frac{1}{\Omega} \oiint\limits_S Pdydz + Qdzdx + RdxdyA\vec{A}SS平均散发量

散度

定义

A\vec{A} 为一向量场,MM 是空间上一点,做一个含 MM 点的空间区域 ΔΩ\Delta\OmegaΔS\Delta SΔΩ\Delta\Omega 的边界闭曲面,若 limΔΩM1ΔΩΔSPdydz+Qdzdx+Rdxdy\lim\limits_{\Delta\Omega \to M}\frac{1}{\Delta\Omega}\oiint\limits_{\Delta S} Pdydz + Qdzdx + RdxdyΔS\Delta S 为外法方向)存在,称此极限值为向量场 A\vec{A}MM 点的散度,记为 divA(M)=A\operatorname{div}\vec{A}(M) = \nabla\cdot A

divA(M)>0\operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) > 0 时,MM 点为 A\overrightarrow{A}正源

divA(M)<0\operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) < 0 时,MM 点为 A\overrightarrow{A}负源

divA(M)=0\operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) = 0 时,MM 点非 A\overrightarrow{A} 的源

计算

divA(M0)=(Px+Qy+Rz)M0=A(M0)\begin{split} \operatorname{div} \overrightarrow{A}(M_0)& = \left(\frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}\right)\Bigg|_{M_0} \\ & = \nabla\cdot \overrightarrow{A}(M_0) \end{split}

环流面密度

定义

A\vec{A} 为一向量场,MM 为空间一点,以 MM 为始点做一向量 n={cosα,cosβ,cosγ}\vec{n} = \{\cos \alpha, \cos\beta, \cos\gamma\},过 MM 点做空间一开曲面 ΔS\Delta S,要求此曲面在 MM 点的法相为 n\vec{n},设 ΔS\Delta S 的边界曲线为 ΔC\Delta CΔS\Delta SΔC\Delta C 的方向感满足右手螺旋。若 limΔSM1ΔSΔCPdx+Qdy+Rdz\lim\limits_{\Delta S \to M} \frac{1}{\Delta S} \oint\limits_{\Delta C} Pdx + Qdy + Rdz 存在,则称此极限值为 A\vec{A}MM 点处沿方向 n\vec{n}环流面密度

计算

PPQQRR 具有连续偏导,则

limΔSM1ΔSΔCP ⁣dx+Q ⁣dy+R ⁣dz=cosαcosβcosγxyzPQRM=rotAn\lim\limits_{\Delta S \to M}\frac{1}{\Delta S} \oint\limits_{\Delta C} P\mathop{}\!\mathrm{d}x + Q\mathop{}\!\mathrm{d}y + R\mathop{}\!\mathrm{d}z = \begin{vmatrix} \cos\alpha & \cos\beta & \cos\gamma \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}_M = \operatorname{rot} \vec{A} \cdot \vec{n}

旋度

定义

A\vec{A} 为一像向量场,MM 为场内一点,MM 点处存在这样一个向量 H\vec{H},此向量的方向是 MM 点环流面密度最大的方向,它的模是环流面密度最大的值,称 H\vec{H} 为像向量场 A\vec{A}MM 点处的旋度,记为 rotA(M)=H\operatorname{rot}\vec{A}(M) = \vec{H}

计算

rotA(M)=ijkxyzPQRM\operatorname{rot}\vec{A}(M) = \begin{vmatrix} i & j & k \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}_M