10.1 知识点复习

10.1.1 向量场的旋度和散度、Gauss公式、Stokes公式

重要概念回顾

(1)

散度:空间C1向量场F=(X,Y,Z)T的散度定义为(1)divF=∂X∂x+∂Y∂y+∂Z∂z=tr∂(X,Y,Z)∂(x,y,z)=∇⋅F

(2)

旋度:空间C1向量场F=(X,Y,Z)T的旋度定义为(2)curlF=(∂Z∂y−∂Y∂z,∂X∂z−∂Z∂x,∂Y∂x−∂X∂y)T=∇×F

(3)

楔积与外微分的运算法则:设α为p阶微分形式、β,γ为q阶微分形式,则

  • dxi∧dxi=0,dxi∧dxj=−dxj∧dxi。
  • d(β+γ)=dβ+dγ。
  • d(α∧β)=dα∧β+(−1)pα∧dβ。
  • d(dα)=0。

重要定理回顾

(1)

Gauss公式的物理表述:设Ω⊆R3为空间闭区域,其边界∂Ω分片C1且法向为曲面外向,F:Ω→R3为C1向量场,则有(3)∫∂Ω⟨F,n⟩dS=∫ΩdivFdV=∫Ω∇⋅FdV

(2)

Stokes公式的物理表述:设Σ⊆R3为可定向曲面,其边界∂Σ为分段C1曲线且前向为曲面法向1,F:Σ→R3为C1向量场,则有(4)∫∂ΣF⋅dx=∫Σ⟨curlF,n⟩dσ=∫Σ(∇×F)⋅ndσ

(3)

Gauss公式和Stokes公式的数学表述:∮∂Ωω=∫Ωdω,其中ω为一阶或二阶微分形式,称为广义Stokes公式。

(4)

Gauss公式的展开形式:(5)∮∂Ω(Xdy∧dz+Ydz∧dx+Zdx∧dy)=∫Ω(∂X∂x+∂Y∂y+∂Z∂z)dxdydz

(5)

Stokes公式的展开形式:(6)∮∂Σ(Xdx+Ydy+Zdz)=∫Σ[(∂Z∂y−∂Y∂z)dy∧dz+(∂X∂z−∂Z∂x)dz∧dx+(∂Y∂x−∂X∂y)dx∧dy]

应用

(1)

散度的物理定义:divF(P0):=limε→0+1|B(P0,ε)|∮∂B(P0,ε)+⟨F,n⟩dS。

(2)

旋度的物理定义:curlF(P0)⋅n:=limε→0+1|D(P0,n,ε)|∮∂D(P0,n,ε)+F⋅dx,其中D(P0,n,ε)表示以P0为圆心,n为法向量,半径为ε的圆盘。

注 广义Stokes公式涵盖了Newton-Leibniz公式、Green公式、Gauss公式、Stokes公式等,它联系了彼此相关的两个不同维数的几何对象上的积分:当几何对象升高一维时,被积分的微分形式就通过外微分(求导)运算提高一阶,几何对象的维数与被积分的微分形式的阶数一致。其中,Newton-Leibniz公式(7)∫abf(x)dx=∫abdF(x)=∫∂[a,b]F(x)=F(b)⋅1+F(a)⋅(−1) 这里−1,1分别是区间[a,b]在左右两个端点(边界)处的单位外法向量(沿着数轴)。

一方面,我们可以利用这些公式对积分“降维”;另一方面,我们使用这些公式,把曲线曲面上的积分变成高维欧氏空间上的积分。此外,这些公式还把不同的物理量联系在一起,如反映了区域内的向量场的散度、旋度(微观性质)和边界上的通量、环量(宏观性质)的联系。

10.1.2 曲线、曲面积分小结

王兆臻学长总结了曲线、曲面积分的所有重要知识点,大家可以参考2。

10.1.3 *曲面坐标系(2)

设r为正交曲面坐标系中的一点,xi方向的单位向量为ei,则(8)hi=‖∂r∂xi‖,ei=1hi∂r∂xi 设u:R3→R,则∇u可表示为(9)∇u=∑i1hi∂u∂xiei

散度的物理定义和计算方式如图10.1.1所示。由图可知,通过微元长方体中与u垂直的两个表面的通量为(10)Φu=∂(Fuhvhw)∂ududvdw 其余表面同理。由Gauss公式可得(11)Φu+Φv+Φw=(∇⋅F)huhvhwdudvdw=∂(Fuhvhw)∂ududvdw+∂(Fvhuhw)∂vdudvdw+∂(Fwhuhv)∂wdudvdw 因此(12)∇⋅F=1huhvhw[∂(Fuhvhw)∂u+∂(huFvhw)∂v+∂(huhvFw)∂w] 取F=∇φ,可得Laplace算子在正交曲面坐标系中的展开为(13)Δφ=1huhvhw[∂∂u(hvhwhu∂φ∂u)+∂∂v(hwhuhv∂φ∂v)+∂∂w(huhvhw∂φ∂w)]

PIC

图 10.1.1: 散度的物理定义和计算方式

旋度的物理定义和计算方式如图10.1.2所示。由图可知,通过与w垂直的微元长方形边界的前向环量为(14)Γw=[∂(Fvhv)∂u−∂(Fuhu)∂v]dudv 由Stokes公式可得(15)Γw=(∇×F)⋅ewhuhvdudv⟹(∇×F)w=1huhv[∂(Fvhv)∂u−∂(Fuhu)∂v] 其余方向同理。因此(16)∇×F=1huhvhwdet(hueuhvevhwew∂∂u∂∂v∂∂wFuhuFvhvFwhw)

PIC

图 10.1.2: 旋度的物理定义和计算方式

10.1.4 *向量分析

设φ,ψ:R3→R,f,g:R3→R3,∇算符满足以下运算公式:

以上公式都可以用直角分量展开直接证明,但只要我们正确地考虑到∇算符(包括∇ ⋅、∇ ×)的特性,就可以把上述公式简单地“写”出来,例如:

10.1.5 *Helmholtz分解

定理 10.1.1 (Helmholtz分解)设Ω⊆R3为有界开区域,向量场F∈C(Ω―)且F∈C2(Ω),则F可以分解为无旋场与无源场之和,即(30)F=−∇φ+∇×A 其中(31)φ(r)=14π∫Ω∇′⋅F(r′)∥r−r′∥dV′−14π∮∂Ωn⋅F(r′)∥r−r′∥dS′A(r)=14π∫Ω∇′×F(r′)∥r−r′∥dV′−14π∮∂Ωn×F(r′)∥r−r′∥dS′

证明 证明参考Wiki百科3。 ◻

注 对于线性向量场F(x)=Ax,trA=0⟺divF=0,A=AT⟺curlF=0。