数量场
定义
若对于空间区域 G G G 内任一点 M M M ,都有一确定数量 f ( M ) f(M) f ( M ) 与之对应,则称这个空间区域 G G G 内确定了一个数量场
方向导数
定义
设 u = f ( P ) u = f(P) u = f ( P ) 是定义在 Ω \Omega Ω 上的一数量场,P 0 ∈ Ω P_0 \in \Omega P 0 ∈ Ω ,以 P 0 P_0 P 0 为始点作一射线,若方向与向量 l ⃗ \vec{l} l 一致,在此射线上任取一点 P ≠ P 0 P \neq P_0 P = P 0 ,若极限
lim P → P 0 f ( P ) − f ( P 0 ) ∣ P 0 P ‾ ∣ \lim\limits_{P\to P_0}\frac{f(P) - f(P_0)}{\left\vert\overline{P_0P} \right\vert}
P → P 0 lim P 0 P f ( P ) − f ( P 0 )
存在,称此极限值为数量场 u = f ( P ) u = f(P) u = f ( P ) 在点 P 0 P_0 P 0 处沿 l ⃗ \vec{l} l 方向的方向导数,记为 ∂ u ∂ l ⃗ ∣ P 0 \frac{\partial u}{\partial \vec{l}}\big|_{P_0} ∂ l ∂ u P 0
计算
若数量场 u = f ( x , y , z ) u = f(x,y,z) u = f ( x , y , z ) 在 P 0 P_0 P 0 处可微,则其沿任何方向 l ⃗ = ( cos α , cos β , cos γ ) \vec{l} = (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma) l = ( cos α , cos β , cos γ ) 的方向导数都存在,且
∂ u ∂ l ⃗ ∣ P 0 = f x ′ cos α + f y ′ cos β + f z ′ cos γ = grad u ⋅ l ⃗ \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}
∂ l ∂ u P 0 = f x ′ cos α + f y ′ cos β + f z ′ cos γ = grad u ⋅ l
梯度
定义
设 u = f ( P ) u = f(P) u = f ( P ) 是 Ω \Omega Ω 上一数量场,P 0 P_0 P 0 为 Ω \Omega Ω 上任一点,若 u = f ( P ) u = f(P) u = f ( P ) 在 P 0 P_0 P 0 点处沿任何方向方向导数都存在,称以 P 0 P_0 P 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) u = f ( P ) 在 P 0 P_0 P 0 点的梯度 ,记为 grad u ∣ P 0 \operatorname{grad}u\big|_{P_0} grad u P 0
计算
若 u u u 可微,则
grad u = ( ∂ u ∂ x , ∂ u ∂ y , ∂ u ∂ z ) \operatorname{grad}u = \left(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial z}\right)
grad u = ( ∂ x ∂ u , ∂ y ∂ u , ∂ z ∂ u )
向量场
定义
若对于空间区域 Ω \Omega Ω 内任一点 M M M ,都有一确定向量 A ⃗ ( M ) \vec{A}(M) A ( M ) 与之对应,则称这个空间区域 G G G 内确定了一个向量场 。
平均散发量
设 A ⃗ \vec{A} A 为一向量场,Ω \Omega Ω 为一空间区域,S S S 是 Ω \Omega Ω 的边界闭曲面,方向为外法方向,称 ∯ S P d y d z + Q d z d x + R d x d y \oiint\limits_S Pdydz + Qdzdx + Rdxdy S ∬ P d y d z + Q d z d x + R d x d y 为 A ⃗ \vec{A} A 在 S S S 上的总散发量(通量) ,而 1 Ω ∯ S P d y d z + Q d z d x + R d x d y \frac{1}{\Omega} \oiint\limits_S Pdydz + Qdzdx + Rdxdy Ω 1 S ∬ P d y d z + Q d z d x + R d x d y 为 A ⃗ \vec{A} A 在 S S S 的平均散发量 。
散度
定义
设 A ⃗ \vec{A} A 为一向量场,M M M 是空间上一点,做一个含 M M M 点的空间区域 Δ Ω \Delta\Omega ΔΩ ,Δ S \Delta S Δ S 是 Δ Ω \Delta\Omega ΔΩ 的边界闭曲面,若 lim Δ Ω → M 1 Δ Ω ∯ Δ S P d y d z + Q d z d x + R d x d y \lim\limits_{\Delta\Omega \to M}\frac{1}{\Delta\Omega}\oiint\limits_{\Delta S} Pdydz + Qdzdx + Rdxdy ΔΩ → M lim ΔΩ 1 Δ S ∬ P d y d z + Q d z d x + R d x d y (Δ S \Delta S Δ S 为外法方向)存在,称此极限值为向量场 A ⃗ \vec{A} A 在 M M M 点的散度 ,记为 div A ⃗ ( M ) = ∇ ⋅ A \operatorname{div}\vec{A}(M) = \nabla\cdot A div A ( M ) = ∇ ⋅ A 。
当 div A → ( M ) > 0 \operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) > 0 div A ( M ) > 0 时,M M M 点为 A → \overrightarrow{A} A 的正源
当 div A → ( M ) < 0 \operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) < 0 div A ( M ) < 0 时,M M M 点为 A → \overrightarrow{A} A 的负源
当 div A → ( M ) = 0 \operatorname{div}\overrightarrow{A}(M) = 0 div A ( M ) = 0 时,M M M 点非 A → \overrightarrow{A} A 的源
计算
div A → ( M 0 ) = ( ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y + ∂ R ∂ z ) ∣ M 0 = ∇ ⋅ A → ( M 0 ) \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}
div A ( M 0 ) = ( ∂ x ∂ P + ∂ y ∂ Q + ∂ z ∂ R ) M 0 = ∇ ⋅ A ( M 0 )
环流面密度
定义
设 A ⃗ \vec{A} A 为一向量场,M M M 为空间一点,以 M M M 为始点做一向量 n ⃗ = { cos α , cos β , cos γ } \vec{n} = \{\cos \alpha, \cos\beta, \cos\gamma\} n = { cos α , cos β , cos γ } ,过 M M M 点做空间一开曲面 Δ S \Delta S Δ S ,要求此曲面在 M M M 点的法相为 n ⃗ \vec{n} n ,设 Δ S \Delta S Δ S 的边界曲线为 Δ C \Delta C Δ C ,Δ S \Delta S Δ S 与 Δ C \Delta C Δ C 的方向感满足右手螺旋。若 lim Δ S → M 1 Δ S ∮ Δ C P d x + Q d y + R d z \lim\limits_{\Delta S \to M} \frac{1}{\Delta S} \oint\limits_{\Delta C} Pdx + Qdy + Rdz Δ S → M lim Δ S 1 Δ C ∮ P d x + Q d y + R d z 存在,则称此极限值为 A ⃗ \vec{A} A 在 M M M 点处沿方向 n ⃗ \vec{n} n 的环流面密度 。
计算
若 P P P ,Q Q Q ,R R R 具有连续偏导,则
lim Δ S → M 1 Δ S ∮ Δ C P d x + Q d y + R d z = ∣ cos α cos β cos γ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z P Q R ∣ M = rot A ⃗ ⋅ n ⃗ \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}
Δ S → M lim Δ S 1 Δ C ∮ P d x + Q d y + R d z = cos α ∂ x ∂ P cos β ∂ y ∂ Q cos γ ∂ z ∂ R M = rot A ⋅ n
旋度
定义
设 A ⃗ \vec{A} A 为一像向量场,M M M 为场内一点,M M M 点处存在这样一个向量 H ⃗ \vec{H} H ,此向量的方向是 M M M 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} H 为像向量场 A ⃗ \vec{A} A 在 M M M 点处的旋度 ,记为 rot A ⃗ ( M ) = H ⃗ \operatorname{rot}\vec{A}(M) = \vec{H} rot A ( M ) = H
计算
rot A ⃗ ( M ) = ∣ i j k ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z P Q R ∣ M \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
rot A ( M ) = i ∂ x ∂ P j ∂ y ∂ Q k ∂ z ∂ R M