向量场的散度和旋度_偏微分方程预备知识-梯度,散度,旋度

2023-05-16

本章内容:

介绍梯度,散度,旋度的含义

讲梯度,散度,旋度之前我们先说点其他的

一、场

我们首先选定一个区域进行分析,这个区域可以是一个空间,也可以是一个实际存在的物体。比如上图我们选了一个圆柱,那么在这区域中任意一点,我们都可以用一个物理量去描述它的某一状态,比如我可以用温度描述这一点的温度状态,那么同样,其他所有点也都有一个温度与之对应。

回到我们本来的目的,对整个区域进行分析,那这个区域是由很多点构成的,描述区域所有点的某一状态我们就称之为。比如说区域中每一点温度的状态,那么我们就可以说这个区域的温度场是什么。所以说,场其实不是一种空间的概念,而是整体的物理量表示,不同场就是不同物理量表示,而空间(区域)是固定的。

场可以分为三种:数量场,比如温度场,密度场;向量场,比如重力场,速度场;张量场:应力场,变形速率场。

速度场,表示该区域速度分布。箭头代表方向,长度代表大小

由于我们常常是用函数来表现出一点的状态,这个函数可以是标量,也可以是向量,比如

那么我们其实可以把场看作是定义在某空间的函数

接下来我们介绍梯度

二、梯度(gradient)

2.1 梯度的概念

2.2 梯度的物理意义

它的物理意义是表示空间中某一点的陡峭程度,包含方向和大小,是该点处方向导数的最大值,它是一个向量。

(转)如何理解方向导数和梯度​www.matongxue.com

那么表示一个空间(区域)中所有点的陡峭程度的场就是梯度场。

2.3 梯度算子

引入一个梯度算子符号:

这个符号叫做nabla

显然

是一个数量场,所以梯度算子是从数量场→向量场。

2.4 梯度的性质

(1)首先梯度是线性算子。若

是数量函数,则

(2)若

,则

的全微分等于这两个向量的内积,过程如下:

(3)若

,

推导如下:

三、散度

3.1 散度(divergence)的概念

为空间区域V上的向量函数,对V上每一点
,定义数量函数

称其为A在

处的散度,记作

可以写成这个形式:梯度算子与向量的内积

3.2散度的物理意义

空间中某一点的发散程度,只有大小,没有方向

比如空间中有一点温度热源,那么它向外发散热,该空间就构成了一个向量场,该空间的任意一点都有向量经过,那么描述经过该点的向量多少就是散度,这个空间所有向量的发散程度构成了散度场,散度场大于0,表示是整体向外发散的,比如正电荷,小于0,表示是整体向内集中的,比如负电荷。等于0表示进来的和出去的是等同的,比如管道中的一部分。

散度是向量场→数量场

3.3 散度的计算

由Gauss公式可以写成如下向量形式:

在V中任取一点

,对上式左边应用中值定理

因此,可以用如下极限定义一点

的散度

分子的物理意义是:流速为A的不可压缩流体,经过封闭曲面S的流量。分子代表体积。那么我们从另一个方向思考:其实散度就是流量密度。

若散度大于0说明有流体流出该点,称该点为源。相反,则表明流体在该点处被吸收,等于0则称

为无源场

3.4 散度的基本性质

(1)若u,v是向量函数,则

(2)若

是数量函数,
F是向量函数,则

(3)若

是一数量函数,则

四、旋度

4.1 旋度的概念

为空间区域V上的向量函数,对
上每一点
,定义向量函数

称为向量函数A

处的旋度,记作

也可以写出:

4.2 旋度的物理意义

在向量场中,通过某点邻域内的环流向量,可以计算出该点的旋度,包括方向(根据右手定则)和大小

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