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场。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
,
则
推导如下:
三、散度
3.1 散度(divergence)的概念
设
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
设
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在
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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