Как найти направление ротора - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Циркуляция векторного поля. Ротор вектора. Теорема Стокса

Содержание:

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Пусть в некоторой области G задано непрерывное векторное поле а ) к и замкнутый ориентированный контур L. Определение 1. Циркуляцией вектора а по замкнутому контуру L называется криволинейный интеграл 2-го рода от оектора а по контуру L Здесь dr — вектор, длина которого равна дифференциалу дуги L, а направление совпадаете направлением касательной к L, оп- Рис. 31 ределяемымориентацией контура (рис. 31); символ f означает, что интеграл берется по зам1«угому контуру L. ь

Пример 1. вычислить циркуляцию векторного поля вдоль эллипса L: По определению циркуляции имеем Параметрические уравнения данного эллипса имеют вид: , и, значит, . Подставляя эти выражения в формулу (2), найдем Циркуляция векторного поля. Ротор вектора Теорема Стокса Ротор (вихрь) векторного поля Инвариантное определение ротора поля Физический смысл ротора поля Правила вычисления ротора 8.1.

Ротор (вихрь) векторного поля Рассмотрим поле вектора Р, Q, R которого непрерывны и имеют непрерывные частные производные первого порядка по всем своим аргументам. Огределенив 2. Ротором вектора »(М) называется вектор, обозначаемый символом rot а и определяемый равенством или, в символической, удобной для запоминания форме, Этот определитель раскрывают по элементам первой строки, при этом операции умножения элементов второй строки на элементы третьей строки понимаются как операции дифференцирования, например,

Определение 3. Если в некоторой области G имеем rot а = 0, то поле вектора а в области G называете я безвихревым. Пример 2. Найти ротор вектора 4 Согласно формуле (3) имеем Так как rot а — вектор, то мы можем рассматривать векторное поле — поле ротора вектора а. Предполагая, что координаты вектора а имеют непрерывные частные производные второго порядка, вычислим дивергенцию вектора rot а. Получим Таким образом, поле вектора rot а соленоида л ьно.

Теорема 7 (Стокса). Циркуляция вектора а вдоль ориентированного замкнутого контура L равна потоку ротора этого вектора через любую поверхность Е, натянутую на контур L, При этом предполагается, что координаты вектора а имеют непрерывные частные производные в некоторой области G пространства, содержащей поверхность Е, и что ориентация орта нормали п° к поверхности ЕС G согласована с ориентацией контура L так, что из конца нормши обход контура в заданном направлении виден совершающимся против часовой стрелки.

Учитывая, что , и пользуясь определением ротора (3), перепишем формулу (4) в следующем виде: Рассмотрим сначала случай, когда гладкая поверхность Е и ее контур L однозначно проектируются на область D плоскости хОу и ее границу — контур А соответственно (рис. 32). Ориентация контура L порождает определенную ориентацию контура А. Для определенности будем считать, что контур L ориентирован так, что поверхность Е остается слева, так что веетор нормали п к поверхности Е составдя етсосью Oz острый угол 7 (cos 7 >0).

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Пусть — уравнение поверхности Е и функция ф(х>у) непрерывна и имеет непрерывные частные производные gf и ^ в замкнутой области D.

Рассмотрим интеграл Линия L лежит на поверхности Е. Поэтому, пользуясь уравнением этой поверхности , мы можем заменить г под знаком интеграла на ^(ж, у). Координаты перемсннойточки кривой А равны координатам соответствующей точки на кривой L, а потому интегрирование по L можно заменить интегрированием по А, Применим к интегралу, стоящему справа, формулу Грина.

Имеем Перейдем теперь от интеграла по области D к интегралу по поверхности Е. Так как dS = cos 7 • da, то из формулы (8) получим, что Вектор нормали п° к поверхности Е определяется выражением к. Отсюда видно, что . Поэтому равенсгво (9) можно переписать так: Считая Е гладкой поверхностью, однозначно проектирующейся на все три координатные плоскости, аналогично убеждаемся в справедливости формул Циркуляция векторного поля.

Ротор вектора Теорема Стокса Ротор (вихрь) векторного поля Инвариантное определение ротора поля Физический смысл ротора поля Правила вычисления ротора Складывая равенства почленно, получим формулу Стокса (5), или, короче, Замечание 1. Мы показали, что поле вектора rote — соленоидальное, и потому поток вектора rota не зависит от вида поверхности Е, натянутой на контур L. Замечание 2. Формула (4) выведена в предположении, что поверхность £ однозначно проектируется на все три координатные плоскости. Бели это условие не выполнено, то разбиваем £ на частя так, чтобы каждая часть указанному условию удовлетворяла, а затем пользуемся аддитивностью интегралов.

Пример 3:

Вычислить циркуляцию вектора по линии 1) пользуясь определением; 2) по теореме Стокса. 4 1) Зададим линию L параметрически: Тогда 2) Найдем rota: Натянем на контур L кусок плосхости Тогда . Инвариантное определение ротора поля Из теоремы Стокса можно получить инвариантное определение ротора поля, не связанное с выбором системы координат. Теорема 8.

Проекция ротора а на любое направление не зависит от выбора системы координат и равна поверхностной плотности циркуляции вектора а по контуру площадки, перпендикулярной этому направлению, Здесь (Е) — плоская площадка, перпендикулярная вектору л; 5 — площадь этой площадки; L — контур площадки, ориентированный так, чтобы обход контура был виден из конца вектора п против хода часовой стрелки; (Е) М означает, что площадка (Е) стягивается к точке М, в которой рассматривается вектор rot а, причем вектор нормали п к этой площадке остается все время одним и тем же (рис. 33). 4

Применим сначала к циркуляции (a,dr) вектора а теорему Стокса, а затем к полученному двойному интегралу — теорему о среднем значении: откуда (скалярное произведение берется в некоторой средней точке Мф площадки (Е)). Пристягивании площадки (Е) кточке М средняяточка Л/ср тоже стремится кточ-ке М и, в силу предполагаемой непрерывности частных производных от координат вектора а (а значит, и непрерывности rot а), мы получаем Поскольку проекция вектора rot а на произвольное направление не зависитотвы-бора системы координат,то и сам вектор rota инвариантен относительно этого выбора.

Отсюда получаем следующее инвариантное определение ротора поля: ротор поля есть вектор, длина которого равна наибольшей поверхностной плотности циркуляции в данной точке, направленный перпендикулярно той площадке, на которой эта наибольшая плотность циркуляции достигается; при этом ориентация вектора rota согласуется с ориентацией контура, при которой циркуляция положительна, по правилу правого винта. 8.3.

Физический смысл ротора поля Пустьтвердое

тело вращается вокруг неподвижной оси I с угловой скоростью и. Не нарушая общности, можно считать, что ось I совпадает с осью Oz (рис. 34). Пусть М(г) — изучаемая точка тела, где Вектор угловой скорости в нашем случае равен из = wk, вычислим вектор v линейной скорости точки М, Отсюда Циркуляция векторного поля. Ротор вектора Теорема Стокса Ротор (вихрь) векторного поля Инвариантное определение ротора поля Физический смысл ротора поля.

Правила вычисления ротора

Итак, вихрь поля скоростей вращающегося твердого тела одинаков во всех точках поля, параллелен оси вращения и равен удвоенной угловой скорости вращения. 8.4. Правила вычисления ротора 1. Ротор постоянного вектора с равен нулевому вектору, 2. Ротор обладает свойством линейности постоянные числа. 3. Ротор произведения скалярной функции и<М) на векторную а(М) вычисляется по формуле

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Ротор векторного поля. Формула Стокса

Ротор поля. Формула Стокса

Ротором (или вихрем) векторного поля

называется вектор, обозначаемый и определяемый формулой

Формулу (71.13) можно записать с помощью символического определителя в виде, удобном для запоминания:

Отметим некоторые свойства ротора.

Если — постоянный вектор, то .
, где .
, т. e. ротор суммы двух векторов равен сумме роторов слагаемых.
Если — скалярная функция, а — векторная, то

Эти свойства легко проверить, используя формулу (71.13). Покажем, например, справедливость свойства 3:

Используя понятия ротора и циркуляции, векторного поля, запишем известную в математическом анализе (см. п. 58.4) формулу Стокса:

Левая часть формулы (71.14) представляет собой циркуляцию вектора по контуру , т. е. (см. (71.11)). Интеграл в правой части формулы (71.14) представляет собой поток вектора через поверхность , ограниченную контуром (см. (71.3)), т. е.

Следовательно, формулу Стокса можно записать в виде

Такое представление формулы Стокса называют ее векторной формой. В этой формуле положительное направление на контуре и выбор стороны у поверхности согласованы между собой так же, как в теореме Стокса.

Формула (71.15) показывает, что циркуляция вектора вдоль замкнутого контура равна потоку ротора этого вектора через поверхность , лежащую в поле вектора и ограниченную контуром (натянутую на контур) (см. рис. 278).

Используя формулу (71.14), можно дать другое определение ротора поля, эквивалентное первому и не зависящее от выбора координатной системы.

Для этого применим формулу Стокса (71.15) для достаточно малой плоской площадки с контуром , содержащей точку .

По теореме о среднем для поверхностного интеграла (п. 57.1, свойство 7) имеем:

где — некоторая (средняя) точка площадки (см. рис. 279).

Тогда формулу (71.15) можно записать в виде

Пусть контур стягивается в точку . Тогда , a . Перейдя к пределу, получаем:

Ротором вектора в точке называется вектор, проекция которого на каждое направление равна пределу отношения циркуляции вектора по контуру плоской площадки , перпендикулярной этому направлению, к площади этой площадки.

Как видно из определения, ротор вектора есть векторная величина, образующая собственное векторное поле.

Дадим физическое истолкование понятия ротора векторного поля. Найдем ротор ноля линейных скоростей твердого тела, вращающегося вокруг оси с постоянной угловой скоростью (пример 69.2) , т. е. ротор вектора .

По определению ротора

Ротор этого поля направлен параллельно оси вращения, его модуль равен удвоенной угловой скорости вращения.

С точностью до числового множителя ротор поля скоростей представляет собой угловую скорость вращения твердого тела. С этим связано само название «ротор» (лат. «вращатель»).

Замечание. Из определения (71.13) ротора вытекает, что направление ротора — это направление, вокруг которого циркуляция имеет наибольшее значение (плотность) по сравнению с циркуляцией вокруг любого направления, не совпадающего с нормалью к площадке .

Так что связь между ротором и циркуляцией аналогична связи между градиентом и производной по направлению (см. п. 70.3).

На этой странице размещён полный курс лекций с примерами решения по всем разделам высшей математики:

Другие темы по высшей математике возможно вам они будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

Элементы теории поля и векторного анализа (стр. 2 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8

, где — потенциал заряда.

Пример 1.2. Найти , где –φ(r) – произвольная дифференцируемая функция от r, где, как и в предыдущем примере, r длина радиус-вектора r.

Аналогично, , . В итоге получаем:

Последнее соотношение можно использовать для получения напряженности поля для сферически-симметричных потенциалов, то есть для потенциалов, поверхности уровня которых представляют собой сферы.

1.3 Оператор C

Определение Оператором называется правило, по которому одной функции ставится в соответствие другая функция.

Предположим, мы имеем две функции f и φ.Соотношение f = Tφ, где T — оператор, устанавливает соответствие между ними, Например, если , то T — оператор дифференцирования, если , то T — интегральный оператор и т. д..

Заметим, соотношение (1.3) не зависит от того, какое скалярное поле мы дифференцируем. Эту формулу можно записать компактно, если ввести дифференциальный векторный оператор C (читается «набла»).

(1.9)

В многих случаях с оператором ∇ можно обращаться как с обычным вектором. ∇ = . Следует только помнить, что операторная алгебра несколько отличается от векторной. Оператор действует на функцию, написанную справа от оператора. Например, ∇ f и f∇ — зто разные выражения:: ∇ f = grad f — вектор, — векторный оператор, образно говоря, «жаждущий» подействовать на функцию, которая появится справа от него.

Примечание Вообще говоря, не любые три оператора образуют векторный оператор. (Также как не любые три числа образуют вектор.) Компоненты векторных операторов, как и компоненты обычных векторов, при преобразовании системы координат должны преобразовываться определенным образом. Можно провести и более простые рассуждения, показывающие, что ∇ — векторный оператор. В предыдущем разделе мы показали, что grad f = ∇ f — вектор, направленный по нормали к поверхности уровня. Поскольку, формально соотношение (1.6) выглядит как действие оператора на скалярную функцию и в результате получается вектор, то поэтому ∇ — векторный оператор.

Пример 1.3. Вычислить вектор в точке (1,2,0).

Последовательно проводим действия:

1. Находим частные производные от функции

; ; .

2. Каждую из полученных производных умножаем на соответствующий единичный вектор, полученные векторы складываем и результат умножаем на функцию :

3. Вычисляем полученный вектор в точке (1,2,0):

1.4 Действия с оператором ∇. Дивергенция вектора. Ротор вектора.

Рассмотрим векторное поле A(x, y,z) = Из двух векторов ∇ и A по обычным правилам векторной алгебры можно образовать скалярное произведение:

(1.10)

Эта скалярная величина называется дивергенцией вектора A и обозначается как divA:

(1.11)

Из векторов ∇ и A можно образовать и векторное произведение. Используя обычные правила векторной алгебры, получим:

(1.12)

Эта векторная величина называется ротором вектора A и обозначается как rotA:

(1.13)

Примечание Определения (1.1) и (1.13) даны в прямоугольной системе координат. К независящим от выбора системы координат определениям дивергенции и ротора функции, а также к их смыслу мы вернемся позже.

В различных применениях векторного анализа часто возникает необходимость в вычислении div(Af) и rot(Af), где A — векторное поле, f-скалярное. Получим соответствующие формулы, используя (1.8), (1.10) и (1.12):

(1.14)

(1.15)

Пример 1.4. Вычислить divr, где r = – радиус вектор:

Пример 1.5. Вычислить rotr, где, по-прежнему, r = – радиус вектор:

Пример 1.6. Вычислить div(rφ(r)),где r = – радиус вектор, r — его длина, φ(r) – произвольная дифференцируемая функция от r.

Используя формулу (1.14) и решения примеров 1.2 и 1.4, получаем

Пример 1.7. Вычислить rot(rφ(r)),где r, r и φ(r) определены в примере 1.6.

Используя формулу (1.15) и решения примеров 1.2 и 1.5, получаем:

1.5 Некоторые формулы векторного анализа

До сих пор мы рассматривали действие оператора ∇ на скалярные и векторные поля и их произведения. Сейчас мы получим некоторые часто встречающиеся в приложениях соотношения, в которых оператор ∇ встречается дважды.

1.5.1 Вычисление rot gradf

Пустьf(x, y,z) – некоторое скалярное поле. Тогда, используя формулы (1.3) и (1.10) получим:

(1.16)

Этот же результат можно получить проще, используя, оператор ∇.

rot gradf = [∇,(∇f] = [∇,∇]f = 0, так как векторное произведение вектора самого на себя равно нулю.

1.5.2 Вычисление div rot A

Используя соотношения (1.8) –(1.11) и правила для вычисления смешанного произведения векторов, получаем:

, (1.17)

так как в определителе две одинаковых строки.

1.5.2 Вычисление div gradf. Оператор Лапласа.

Используя соотношения (1.6) –(1.9) и правила для вычисления скалярного произведения векторов, получаем:

(1.18)

Оператор широко используется в приложениях и называется оператором Лапласа или лапласианом и обозначается символом Δ:

(1.19)

Оператор Лапласа может действовать и на векторное поле A(x, y,z). По определению:

ΔA = i ΔAx+ j ΔAy+ k ΔAz (1.20)

1.5.3 Вычисление rot rotA.

Для вычисления используем известную формулу для двойного векторного произведения:

где A, B, C– три произвольных вектора.

rot rotA = [∇,[∇A]] = ∇(∇,A)-( ∇,∇)A = grad divA — ΔA (1.21)

Разумеется, эту же формулу мы получим, используя (1.12) и расписывая выражение rot rotA по компонентам.

Последняя строка в этом выражении, сумма слагаемых в которой равна нулю, добавлена для удобства вычислений. Группируя слагаемые со знаком “+”и со знаком “-“ и принимая во внимание равенство смешанных производных, получим:

что и требовалось показать.

Примечание Последние вычисления показывают преимущества использования оператора ∇ при рассмотрении различных векторных соотношений, содержащих дифференцирование.

источники:

http://lfirmal.com/rotor-vektornogo-polya/

http://pandia.ru/text/80/484/8647-2.php

Источник

Понятие ротора
и его вычисление. С
понятием циркуляции тесно связано
понятие ротора или вихря. Циркуляция
характеризует вращательную способность
или завихрённость поля вдоль некоторого
контура, а локальной характеристикой
поля является ротор.

Рис.38

Рис.8

ассмотрим сначала плоское векторное
полеи какой-либо контур,
окружающий выбранную точку(рис. 8). Площадь, ограниченная контуром,
равнаs.
Тогда отношение
есть средняя плотность циркуляции
векторана площадкеs.
Плотность циркуляции в точке
характеризуется пределом, когда_,

т.е.

(5)

Если этот предел
существует, то он даёт величину
завихрённости поля в точке
.

Если векторное поле
– пространственное, то можно говорить
о завихрённости в каком-либо направлении.
Проведём через точкуплоскость,
перпендикулярную выбранному направлению,
и рассмотрим в ней какой-либо контур,
охватывающий точку(рис.8). Тогда предел (5) даёт завихрённость
поля в направлении.

Определение 3.
Ротором
векторного поля
в точкеназывается вектор, проекция которого
на направлениеравна пределу отношения циркуляции
векторного поля по плоскому контуру,
перпендикулярному этому направлению,
к величине площади,
охваченной контуром,
когдастягивается в точку.

. (6)

Заметим, что данное
определение не зависит от выбора системы
координат, т.е. оно
инвариантно.

Получим формулу
вычисления
в декартовой
системе координат.

Теорема5.
Пусть в каждой точке
задано непрерывно дифференцируемое
поле.
Тогда в точкесуществует
,вычисляемый по
формуле:

. (7)

Вычислим сначала проекцию
вектора
на осьOz.
Пусть
– контур, лежащий в плоскостиОху,
ограничивающей область G.
Воспользуемся формулой Грина (рис. 9)

Применим к двойному
интегралу теорему о среднем:

Рис.9

и подставим
последнее в (6):

Аналогично
вычисляем проекции
на орты
и.<

Вектор
символически записывается следующим
образом:

где
– оператор Гамильтона.

Легко доказать
следующие свойства
:

Пример 3.
Найти ротор поля скорости

твердого тела, вращающегося вокруг
неподвижной точки с мгновенной угловой
скоростью
.

Решение.
Найдём сначала линейную скорость
.
Из курса физики известно, что
.

Тогда

;

Таким образом,
,
характеризуя «вращательную компоненту»
поля скоростей, равен удвоенной скорости
вращения.

Пример 4.
Найти
.

Решение.

Следовательно,
вектор
параллелен вектору.

С помощью
можно
обобщить формулу Грина на пространственный
случай. Таким обобщением является
формула Стокса, которая связывает
циркуляцию векторного поля с потоком
ротора через поверхность, натянутую на
этот контур. При этом говорят, что
поверхность можно натянуть на контур,
если существует кусочно-гладкая
ориентированная поверхность,
лежащая в области_V
и имеющая
своей границей.

Трехмерную область
_V
будем называть поверхностно-односвязанной,
если на любой контур
можно натянуть поверхность,
целиком лежащую в_V.
Примеры поверхностно неодносвязной
области – шар, через который проходит
цилиндрический туннель.

Рис.40

Рис.10

усть– ориентированная поверхность, натянутая
на контуррис.10. Нормаль к поверхностивыберем таким образом, чтобы направление
векторасоответствовало положительному обходу
контура.
Направление обхода контурабудем считать положительным, если при
обходе по контуруобластьостается все время слева. Если смотреть
с конца вектора,
то обход контура осуществляется против
часовой стрелки. В этом случае говорят,
что направление обходаи ориентациясогласованы.

Теорема 6.(Стокс)
Пусть _V
—
поверхностно-односвязаная область,
—
кусочно-гладкий контур в V
и
—
кусочно-гладкая поверхность, натянутая
на
и лежащая в
V.
Пусть в области V
задано векторное поле
,
непрерывное и дифференцируемое в во
всех точках области итакже непрерывен в
V.
Тогда циркуляция поля

по контуру
равна потоку ротора

через
,
т.е. справедлива формула Стокса

, (8)

причём направление
обхода
и ориентациясогласованы.

Разобьём поверхность
наn
частей
,
ограниченных контурами,.
Рассмотримi-й
элемент
поверхности.
Возьмём произвольную точку

и проведём через неё нормаль

и касательную плоскость

к
.
Обозначим через
проекцию контура,– площадь поверхности,
а через– площадь проекциина
.
Из определения ротора следует равенство

При достаточно
мелком разбиении это равенство будет
справедливо для контура
поверхности,
т.е.

Суммируя последнее
равенство по всем
,
получим

. (9)

Рис.11

ри объединении двух соседних участков
поверхностейи
,
в соответствии с правилом согласования
направления обхода контура и нормали,
их общая часть границы обходиться в
противоположных направлениях (рис. 11).

Суммируя контурные
интегралы по всем i,
получаем интеграл по общему контуру,
т.е.
.
Тогда (9) принимает вид

Сумма в правой
части является интегральной для
поверхностного интеграла
.
Переходя здесь к пределу при,
получим формулу Стокса (8).<

Замечание.
Из формулы Стокса следует, что если
и– две поверхности, натянутые на контур,
то потоки полячерез них равны.

Теорема 7.
(необходимое и достаточное условие
потенциальности векторного поля) Для
того, чтобы непрерывно дифференцируемое
векторное поле
было потенциальным в поверхностно-односвязанной
области V
необходимо и достаточно, чтобы оно было
безвихревым, т.е.
.

Необходимость.
Пусть поле
потенциально, тогда существует его
потенциал,
т.е..
Получаем

Достаточность.
Пусть поле
безвихревое поле, т.е.для любой точки.
Так как областьV
поверхностно-односвязная, то по теореме
Стокса для произвольного контура
существует интеграл,
который не зависит от пути интегрирования,
т.е. кривой, соединяющей точкии.
Если точказафиксирована, то интеграл является
функцией.
Обозначим её

Покажем, что
.
Так как интеграл не зависит от формы
пути интегрирования, то

,
т.к.
.

В
качестве пути интегрирования взят
отрезок, параллельный оси Ох,
согласно определению производной,
теоремы о среднем, а также в силу
непрерывности
,
получаем

Аналогично
показывается, что
и,
следовательно.<

Пример 5.
Показать, что поле
потенциально и найти его потенциал.

Решение.

Так как
,
то полепотенциально. Найдем потенциалполя.

Фиксируем точку
,
рассмотрим произвольную точку.
Тогда.

Рис.12

инию интегрирования (в силу
независимости такого интеграла от форму
пути) выберем в виде ломанной(рис.12), где отрезокпараллелен осиОх,
отрезок
– осиОу, а
отрезок
– осиОz.
Вдоль
имеем,,
а следовательно,.
Вдольпостояннои,
откуда,
а вдольобе переменныеи– постоянны, а это значит, что.
Тогда

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Конев В.В. Скалярные и векторные поля

Вычисление ротора в прямоугольной системе координат

Проекция ротора векторного поля A в точке

на направление нормали к поверхности, натянутой на контур ΔL, определяется формулой

где – циркуляция вектора A вдоль контура ΔL; ΔS – площадь области, ограниченной этим контуром.

Теорема. В прямоугольной системе координат ротор вектора A можно представить в виде

где A_x, A_y и A_z – координаты вектора A .

Доказательство. Выберем в качестве контура интегрирования ΔL границу бесконечно малого прямоугольника, расположенного в плоскости, параллельной координатной плоскости x0y (как это показано на рисунке 1).

Рис. 1. Контур интегрирования ΔL представляет собой прямоугольник, центром которого является точка .

Площадь ΔS такого прямоугольника равна Δx · Δy, а направление его нормали совпадает с положительным направлением оси z.

Рис. 2. Контур интегрирования.

Следовательно, отношение циркуляции    к площади ΔS при стягивании контура в точку дает z-компоненту ротора.


Представим циркуляцию векторного поля A в виде суммы интегралов:

Учитывая малость сторон прямоугольника, функции A_x и A_y можно заменить их средними значениями на соответствующих отрезках. Заметим, однако, что значение проекции A_x на отрезке DC отличается от соответствующего значения на отрезке AB на величину .

Тогда

Аналогично, разность значений A_y на отрезках BC и AD составляет . Следовательно,

Таким образом,

Принимая во внимание предельное соотношение

приходим к формуле

Выражения для других координат ротора могут быть получены с помощью циклической замены переменных :

Представление ротора в терминах оператора набла.

Рассмотрим векторное произведение оператора и векторной функции :

Преобразуем это выражение, применяя теорему о разложении определителя по элементам строки. (Напомним, что операторы дифференцирования должны всегда располагаться слева от функций, на которые они действуют.)

Полученный результат совпадает с выражением для ротора векторного поля A. Следовательно,

Источник

Скалярное поле
- Производная по направлению
- Градиент скалярного поля и его свойства
Векторное поле
- Поток поля
- Дивергенция поля. Формула Остроградского-Гаусса
- Циркуляция поля
- Ротор поля. Формула Стокса
- Оператор Гамильтона
- Векторные дифференциальные операции второго порядка
- Некоторые свойства основных классов векторных полей
  - Соленоидальное поле
  - Потенциальное поле
  - Гармоническое поле

Теория поля — крупный раздел физики, механики, математики, в котором изучаются скалярные, векторные, тензорные поля.

К рассмотрению скалярных и векторных полей приводят многие задачи физики, электротехники, математики, механики и других технических дисциплин. Изучение одних физических полей способствует изучению и других. Так, например, силы всемирного тяготения, магнитные, электрические силы — все они изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния от своего источника; диффузия в растворах происходит по законам, общим с распространением тепла в различных средах; вид силовых магнитных линий напоминает картину обтекания препятствий жидкостью и т. д.

Математическим ядром теории поля являются такие понятия, как градиент, поток, потенциал, дивергенция, ротор, циркуляция и другие. Эти понятия важны и в усвоении основных идей математического анализа функций многих переменных.

Полем называется область V пространства, в каждой точке которой определено значение некоторой величины. Если каждой точке М этой области соответствует определенное число U = U(M), говорят, что в области определено (задано) скалярное поле (или функция точки). Иначе говоря, скалярное поле — это скалярная функция U(М) вместе с ее областью определения. Если же каждой точке М области пространства соответствует некоторый вектор , то говорят, что задано векторное поле (или векторная функция точки).

Примерами скалярных полей могут быть поля температуры (воздуха, тела, …), атмосферного давления, плотности (массы, воздуха, …), электрического потенциала и т.д. Примерами векторных полей являются поле силы тяжести, поле скоростей частиц текущей жидкости (ветра), магнитное поле, поле плотности электрического тока и т. д.

Если функция не зависит от времени, то скалярное (векторное) поле называется стационарным (или установившимся); поле, которое меняется с течением времени (меняется, например, скалярное поле температуры при охлаждении тела), называется нестационарным (или неустановившимся).

Далее будем рассматривать только стационарные поля.

Если V — область трехмерного пространства, то скалярное поле U можно рассматривать как функцию трех переменных х, у, z (координат точки М):

(Наряду с обозначениями используют запись — радиус-вектор точки М.)

Если скалярная функция U (М) зависит только от двух переменных, например х и у, то соответствующее скалярное поле U(х; у) называют плоским.

Аналогично: вектор , определяющий векторное поле, можно рассматривать как векторную функцию трех скалярных аргументов

Вектор можно представить (разложив его по ортам координатных осей) в виде

где P(x;y;z), Q(x;y;z ), R(x;y;z) — проекции вектора на оси координат. Если в выбранной системе координат Oxyz одна из проекций вектора равна нулю, а две другие зависят только от двух переменных, то векторное поле называется плоским. Например,

Векторное поле называется однородным, если — постоянный вектор, т. е. Р, R и Q — постоянные величины. Таким полем является поле тяжести. Здесь Р = О, Q — О, R = — mg, g — ускорение силы тяжести, m — масса точки.

В дальнейшем будем предполагать, что скалярные функции (U(x;y;z) — определяющая скалярное поле, P(x;y;z), Q(x;y;z) и R(x; у; z) — задающие векторное поле) непрерывны вместе со своими частными производными.

Пример:

Функция определяет скалярное поле в точках пространства, ограниченного сферой с центром в начале координат и радиусом R = 1; скалярное поле определено во всем пространстве, за исключением точек оси Oz (на ней ).

Пример:

Найти поле линейной скорости материальной точки М, вращающейся против часовой стрелки с угловой скоростью вокруг оси Oz (см. п. 7.4).

Решение:

Угловую скорость представим в виде вектора , лежащего на оси Oz, направленного вверх. Имеем:

Построим радиус-вектор точки М (см. рис. 267).

Численное значение линейной скорости (модуль), как известно из курса физики, равно , где р — расстояние вращающейся точки M(x;y,z) от оси вращения (оси Oz).Но — угол между вектором r и осью Oz). Следовательно,

Вектор скорости направлен в сторону вращения, совпадает с направлением векторного произведения векторы образуют правую тройку). Следовательно, т. е.

или

Поле линейных скоростей тела, вращающегося вокруг неподвижной оси, есть плоское векторное поле.

Скалярное поле

Поверхности и линии уровня:

Рассмотрим скалярное поле, задаваемое функцией U = U(x,y,z). Для наглядного представления скалярного поля используют поверхности и линии уровня.

Поверхностью уровня скалярного поля называется геометрическое место точек, в которых функция U(М) принимает постоянное значение, т. е.

Давая в уравнении (70.1) величине с различные значения, получим различные поверхности уровня, которые в совокупности как бы расслаивают поле. Через каждую точку поля проходит только одна поверхность уровня. Ее уравнение можно найти путем подстановки координат точки в уравнение (70.1).

Для скалярного поля, образованного функцией

поверхностями уровня является множество концентрических сфер с центрами в начале координат: В частности, при с = 1 получим , т. е. сфера стягивается в точку.

Для равномерно раскаленной нити поверхности уровня температурного поля (изотермические поверхности) представляют собой круговые цилиндры, общей осью которых служит нить.

В случае плоского поля U — U(х; у) равенство U(x; у) = с представляет собой уравнение линии уровня поля, т. е. линия уровня —это линия на плоскости Оху, в точках которой функция U (х; у) сохраняет постоянное значение.

В метеорологии, например, сети изобар и изотерм (линии одинаковых средних давлений и одинаковых средних температур) являются линиями уровня и представляют собой функции координат точек местности.

Линии уровня применяются в математике при исследовании поверхностей методом сечений (см. п. 12.9).

Производная по направлению

Для характеристики скорости изменения поля U =U(М) в заданном направлении введем понятие «производной по направлению».

Возьмем в пространстве, где задано поле U = U(x;y;z), некоторую точку М и найдем скорость изменения функции U при движении точки М в произвольном направлении . Пусть вектор имеет начало в точке М и направляющие косинусы

Приращение функции U, возникающее при переходе от точки М к некоторой точке в направлении вектора определяется как

или

(см. рис. 268).

Тогда

Производной от функции U = U(M) в точке М по направлению называется предел

Производная по направлению и характеризует скорость изменения функции (поля) в точке М по этому направлению. Если > 0, то функция U возрастает в направлении , если < 0, то функция U в направлении убывает. Кроме того, величина представляет
собой мгновенную скорость изменения функции U в направлении в точке М: чем больше , тем быстрее изменяется функция U. В этом состоит физический смысл производной по направлению.

Выведем формулу для вычисления производной по направлению, считая, что функция U(x;y;z) дифференцируема в точке М. Тогда ее полное приращение в этой точке М можно записать так:

где — бесконечно малые функции при (см. п. 44.3). Поскольку

то

Переходя к пределу при получим формулу для вычисления производной по направлению:

В случае плоского поля U = U(x;y) имеем:

Формула (70.2) принимает вид:

Замечание:

Понятие производной по направлению является обобщением понятия частных производных Их можно рассматривать как производные от функции и по направлению координатных осей Ох, Оу и Oz. Так, если направление совпадает с положительным направлением оси Ох, то, положив в формуле (70.2) получим

Пример:

Найти производную функции в точке М(0; 1; 2) в направлении от этой точки к точке
Решение:

Находим вектор и его направляющие косинусы:

Находим частные производные функции и вычисляем их значения в точке М:

Следовательно, по формуле (70.2) имеем:

Поскольку jj^- < 0, то за данная функция в данном направлении убывает.

Градиент скалярного поля и его свойства

В каком направлении производная имеет наибольшее значение? Это направление указывает вектор, называемый градиентом скалярного поля.

Можно заметить, что правая часть равенства (70.2) представляет собой скалярное произведение единичного вектора

и некоторого вектора

Вектор, координатами которого являются значения частных производных функции U(x,y,z) в точке M(x;y,z), называют градиентом функции и обозначают gradU, т. е.

или

Отметим, что grad U есть векторная величина. Говорят: скалярное поле U порождает векторное поле градиента U. Теперь равенство (70.2) можно записать в виде

или

где угол между вектором grad U и направлением (см. рис. 269).

Из формулы (70.3) сразу следует, что производная по направлению достигает наибольшего значения, когда Таким образом, направление градиента совпадает с направлением А, вдоль которого функция (поле) меняется быстрее всего, т. е. градиент функции указывает направление наибыстрейшего возрастания функции. Наибольшая скорость изменения функции U в точке М равна

В этом состоит физический смысл градиента. На указанном свойстве градиента основано его широкое применение в математике и других дисциплинах.

Приведем важные свойства градиента функции.

1.Градиент направлен по нормали к поверхности уровня, проходящей через данную точку.

Действительно, по любому направлению вдоль поверхности уровня Но тогда из (70.3) следует, что

Доказываются эти свойства на основании определения градиента. Докажем, например, последнее свойство. Имеем:

Замечание. Приведенные свойства градиента функции остаются справедливыми и для плоского поля.

Пример:

Найти наибольшую скорость возрастания функции

Решение:

Имеем:

Наибольшая скорость возрастания функции равна

Отметим, что функция U будет убывать с наибольшей скоростью , если точка А движется в направлении (антиградиентное направление).

Векторное поле

Векторные линии поля:

Рассмотрим векторное поле, задаваемое вектором . Изучение поля удобно начинать с понятия векторных линий; они являются простейшими геометрическими характеристиками поля.

Векторной линией поля называется линия, касательная к которой в каждой ее точке М имеет направление соответствующего ей вектора .

Это понятие для конкретных полей имеет ясный физический смысл. Например, в поле скоростей текущей жидкости векторными линиями будут линии, по которым движутся частицы жидкости (линии тока); для магнитного поля векторными (силовыми) линиями будут линии, выходящие из северного полюса и оканчивающиеся в южном.

Совокупность всех векторных линий поля, проходящих через некоторую замкнутую кривую, называется векторной трубкой.

Изучение векторного поля обычно начинают с изучения расположения его векторных линий. Векторные линии поля

описываются системой дифференциальных уравнений вида

Действительно, пусть PQ — векторная линия поля, — ее радиус-вектор. Тогда вектор направлен по касательной к линии PQ в точке М (см. рис. 270). В силу коллинеарности векторов следует пропорциональность их проекций, т. е. равенства (71.2).

Пример:

Найти векторные линии поля линейных скоростей тела, вращающегося с постоянной угловой скоростью вокруг оси Oz.

Решение:

Это поле определено вектором (см. пример 69.2). Согласно (71.2), имеем:

Интегрируя, получим: т. е. векторные линии данного поля представляют собой окружности с центрами на оси Oz, лежащие в плоскостях, перпендикулярных к этой оси.

Поток поля

Пусть векторное поле образовано вектором (71.1). Для наглядности будем считать вектором скорости некоторого потока жидкости, движущейся стационарно. Представим, что некоторая поверхность S находится в этом потоке и пропускает жидкость. Подсчитаем, какое количество жидкости протекает через поверхность S.

Выберем определенную сторону поверхности S. Пусть — единичный вектор нормали к рассматриваемой стороне поверхности S. Разобьем поверхность на элементарные площадки Выберем в каждой площадке точку (см. рис. 271) и вычислим значения вектора скорости в каждой точке: ..

Будем приближенно считать каждую площадку плоской, а вектор постоянным по модулю и одинаково направленным в каждой точке площадки. Тогда за единицу времени через протекает количество жидкости, приближенно равное — площадь i-й площадки,— высота i-гo цилиндра с образующей . Но Я, является проекцией вектора на нормаль — единичный вектор нормали к поверхности в точке . Следовательно, общее количество жидкости, протекающее через всю поверхность S за единицу времени, найдем, вычислив сумму

Точное значение искомого количества жидкости получим, взяв предел найденной суммы при неограниченном увеличении числа элементарных площадок и стремлении к нулю их размеров (диаметров площадок):

Независимо от физического смысла поля полученный интеграл называют потоком векторного поля.

Потоком вектора через поверхность S называется интеграл по поверхности от скалярного произведения вектора поля на единичный вектор нормали к поверхности, т. е.

Рассмотрим различные формы записи потока вектора. Так как

(см. (6.2)), то

где — проекция вектора а на направление нормали — дифференциал (элемент) площади поверхности.

Иногда формулу (71.3) записывают в виде

где вектор направлен по нормали к поверхности, причем

Так как

— проекции вектора на соответствующие координатные оси, то поток (71.3) вектора , можно записать в виде

Используя взаимосвязь поверхностных интегралов I и II рода (см. формулу (58.8)), поток вектора можно записать как

Отметим, что поток К вектора а есть скалярная величина. Величина К равна объему жидкости, которая протекает через поверхность S за единицу времени. В этом состоит физический смысл потока (независимо от физического смысла поля).

Особый интерес представляет случай, когда поверхность замкнута и ограничивает некоторый объем V. Тогда поток вектора записывается в виде

В этом случае за направление вектора п обычно берут направление внешней нормали и говорят о потоке изнутри поверхности S (см. рис. 272).

Если векторное поле есть поле скоростей текущей жидкости, то величина потока К через замкнутую поверхность дает разность между количеством жидкости, вытекающей из области V (объема V) и втекающей в нее за единицу времени (в точках поверхности S, где векторные линии выходят из объема V, внешняя нормаль образует с вектором острый угол и в точках, где векторные линии входят в объем, ).

При этом если К > 0, то из области V вытекает больше жидкости, чем в нее втекает. Это означает, что внутри области имеются дополнительные источники.

Если К < 0, то внутри области V имеются стоки, поглощающие избыток жидкости.

Можно сказать, что источники — точки, откуда векторные линии начинаются, а стоки — точки, где векторные линии кончаются. Так, в электростатическом поле источником является положительный заряд, стоком — отрицательный заряд магнита (см. рис. 273).

Если К = 0, то из области V вытекает столько же жидкости, сколько в нее втекает в единицу времени; внутри области либо нет ни источников, ни стоков, либо они таковы, что их действие взаимно компенсируется.

Пример:

Найти поток вектора через верхнюю сторону треугольника, полученного при пересечении плоскости Зх + 6у — 2z — 6 =0 с координатными плоскостями (см. рис. 274).

Решение:

Поток найдем методом проектирования на три координатные плоскости. Для этого воспользуемся формулой (71.5). В нашем случае Р = z, Q = —х, R = у. Имеем:

Расчленим этот поверхностный интеграл на три слагаемых, затем сведем их вычисление к вычислению двойных интегралов. Нормаль к верхней стороне треугольника образует с осью Ох тупой угол, с осью Оу — тупой, а с осью Oz — острый угол. (Единичный вектор данной плоскости есть на верхней стороне поэтому надо выбрать знак «минус»; получим:

Итак, Находим

В результате имеем:

Пример:

Найти поток радиус-вектора через внешнюю сторону поверхности прямого конуса, вершина которого совпадает с точкой O(0; 0;0), если известны радиус основания R и высота конуса H (см. рис. 275).

Решение:

Очевидно, что

т. к.

Дивергенция поля. Формула Остроградского-Гаусса

Важной характеристикой векторного поля (71.1) является так называемая дивергенция, характеризующая распределение и интенсивность источников и стоков поля.

Дивергенцией (или расходимостью) векторного поля

в точке М называется скаляр вида и обозначается символом , т. е.

Отметим некоторые свойства дивергенции.

Если — постоянный вектор, то
где с = const.
т. е. дивергенция суммы двух векторных функций равна сумме дивергенции слагаемых.
Если U — скалярная функция, — вектор, то

Эти свойства легко проверить, используя формулу (71.6). Докажем, например, справедливость свойства 4.

Так как то

Используя понятия потока и дивергенции векторного поля, запишем известную в анализе (см. (58.9)) формулу Остроградского-Гаусса

в так называемой векторной форме.

Рассматривал область V, ограниченную замкнутой поверхностью S, в векторном поле (71.1), можно утверждать, что левая часть формулы (71.7) есть поток вектора через поверхность S; подынтегральная функция правой части формулы есть дивергенция вектора . Следовательно, формулу (71.7) можно записать в виде

(в котором она чаще всего и встречается).

Формула Остроградского-Гаусса означает, что поток векторного поля через замкнутую поверхность S (в направлении внешней нормали, т. е. изнутри) равен тройному интегралу от дивергенции этого поля по объему V, ограниченному данной поверхностью.

Используя формулу (71.8), можно дать другое определение дивергенции векторного поля в точке М (не связанное с выбором координатных осей).

По теореме о среднем для тройного интеграла (см. п. 54.1) имеем:

где — некоторая (средняя) точка области V. Тогда формулу (71.8) можно переписать в виде Отсюда

Пусть поверхность S стягивается в точку. Тогда , и мы получаем выражение для в точке М:

Дивергенцией векторного поля в точке М называется предел отношения потока поля через (замкнутую) поверхность S, окружающую точку М, к объему тела, ограниченного этой поверхностью, при условии, что вся поверхность стягивается в точку

Определение (71.9) дивергенции эквивалентно (можно показать) определению (71.6).

Как видно из определения, дивергенция векторного поля в точке является скалярной величиной. Она образует скалярное поле в данном векторном поле.

Исходя из физического смысла потока (обычно условно считают, что есть поле скоростей фиктивного стационарного потока несжимаемой жидкости), можно сказать, что: при точка М представляет собой источник, откуда жидкость вытекает, при точка М есть сток, поглощающий жидкость. Как следует из равенства (71.9), величина характеризует мощность (интенсивность, плотность) источника или стока в точке М. В этом состоит физический смысл дивергенции.

Понятно, что если в объеме V, ограниченном замкнутой поверхностью S, нет ни источников, ни стоков, то

Векторное поле, в каждой точке которого дивергенция поля равна нулю, т. е. называется соленоидалъным (или трубчатым).

Пример:

Найти дивергенцию поля линейных скоростей жидкости, вращающейся как твердое тело вокруг неподвижной оси с постоянной угловой скоростью .

Решение:

Примем ось вращения жидкости за ось Oz. Тогда, как показано ранее (см. пример 69.2), Имеем:

Поле — соленоидальное.

Циркуляция поля

Пусть векторное поле образовано вектором (71.1). Возьмем в этом поле некоторую замкнутую кривую L и выберем на ней определенное направление.

Пусть — радиус-вектор точки М на контуре L. Известно, что вектор направлен по касательной к кривой в направлении ее обхода (см. рис. 276) и — дифференциал дуги кривой

Криволинейный интеграл по замкнутому контуру L от скалярного произведения вектора на вектор , касательный к контуру L, называется циркуляцией вектора а вдоль L, т. е.

Рассмотрим различные формы записи циркуляции. Так как

где — проекция вектора на касательную , проведенную в направлении обхода кривой L, то равенство (71.10) можно записать в виде

или

Циркуляция С, записанная в виде (71.12) имеет простой физический смысл: если кривая L расположена в силовом поле, то циркуляция — это работа силы поля при перемещении материальной точки вдоль L (п.56.5).

Отметим, что вдоль замкнутых векторных линий циркуляция отлична от нуля, потому что в каждой точке векторной линии скалярное произведение сохраняет знак: положительный, если направление вектора совпадает с направлением обхода векторной линии; отрицательный — в противном случае.

Пример:

Найти циркуляцию вектора поля линейных скоростей вращающегося тела (см. пример 69.2) вдоль замкнутой кривой L, лежащей в плоскости , перпендикулярной оси вращения.

Решение:

Будем считать, что направление нормали к плоскости совпадает с направлением оси Oz. Согласно формуле (71.12), имеем:

где S — площадь поверхности, ограниченной кривой L (см. 56.17).

Заметим, что если нормаль к поверхности S образует угол с осью Oz, то циркуляция будет равна с изменением угла величина С изменяется.

Пример:

Вычислить циркуляцию векторного поля

вдоль периметра треугольника с вершинами A(1;0;0), В(0;1;0), С(0;0;1) (см. рис. 277).

Решение:

Согласно формуле (71.12), имеем:

На отрезке AB: x + у = 1, z = 0, следовательно,

На отрезке ВС: у + z = 1, х = 0, следовательно,

На отрезке СА: х + z = 1, у = 0, следовательно,

Следовательно,

Ротор поля. Формула Стокса

Ротором (или вихрем) векторного поля

называется вектор, обозначаемый и определяемый формулой

Формулу (71.13) можно записать с помощью символического определителя в виде, удобном для запоминания:

Отметим некоторые свойства ротора.

Если — постоянный вектор, то
т. е. ротор суммы двух векторов равен сумме роторов слагаемых.
Если U — скалярная функция, а — векторная, то

Эти свойства легко проверить, используя формулу (71.13). Покажем, например, справедливость свойства 3:

Левая часть формулы (71.14) представляет собой циркуляцию вектора по контуру L, т. е. (см. (71.11)). Интеграл в правой части формулы (71.14) представляет собой поток вектора через поверхность S, ограниченную контуром L (см. (71.3)), т. е.

Следовательно, формулу Стокса можно записать в виде

Такое представление формулы Стокса называют ее векторной формой. В этой формуле положительное направление на контуре L и выбор стороны у поверхности S согласованы между собой так же, как в теореме Стокса.

Формула (71.15) показывает, что циркуляция вектора вдоль замкнутого контура L равна потоку ротора этого вектора через поверхность S, лежащую в поле вектора а и ограниченную контуром L (натянутую на контур) (см. рис. 278).

Для этого применим формулу Стокса (71.15) для достаточно малой плоской площадки S с контуром L, содержащей точку М.

По теореме о среднем для поверхностного интеграла (п. 57.1, свойство 7) имеем:

где — некоторая (средняя) точка площадки S (см. рис. 279).

Тогда формулу (71.15) можно записать в виде

Отсюда:

Пусть контур L стягивается в точку М. Тогда Перейдя к пределу, получаем:

Ротором вектора в точке М называется вектор, проекция которого на каждое направление равна пределу отношения циркуляции вектора а по контуру L плоской площадки S, перпендикулярной этому направлению, к площади этой площадки.

Как видно из определения, ротор вектора есть векторная величина, образующая собственное векторное поле.

Дадим физическое истолкование понятия ротора векторного поля. Найдем ротор поля линейных скоростей твердого тела, вращающегося вокруг оси Oz с постоянной угловой скоростью (пример 69.2) , т. е. ротор вектора

По определению ротора

Ротор этого поля направлен параллельно оси вращения, его модуль равен удвоенной угловой скорости вращения.

Замечание:

Из определения (71.13) ротора вытекает, что направление ротора — это направление, вокруг которого циркуляция имеет наибольшее значение (плотность) по сравнению с циркуляцией вокруг любого направления, не совпадающего с нормалью к площадке S.

Оператор Гамильтона

Векторные дифференциальные операции первого порядка:

Основными дифференциальными операциями (действиями) над скалярным полем U и векторным полем являются gradU, Действия взятия градиента, дивергенции и ротора называются векторными операциями первого порядка (в них участвуют только первые производные).

Эти операции удобно записывать с помощью так называемого оператора Гамильтона

Этот символический вектор называют также оператором (читается «набла»); он приобретает определенный смысл лишь в комбинации со скалярными или векторными функциями. Символическое «умножение» вектора на скаляр U или вектор производится по обычным правилам векторной алгебры, а «умножение» символов на величины понимают как взятие соответствующей частной производной от этих величин.

Применяя оператор Гамильтона, получим дифференциальные операции первого порядка:

Оператор Гамильтона применяется для записи и других операций и для вывода различных формул в теории поля. При действиях с ним надо пользоваться правилами векторной алгебры и правилами дифференцирования.

В частности, производная по направлению (70.2) может быть записана в виде

где

Векторные дифференциальные операции второго порядка

После применения оператора Гамильтона к скалярному или векторному полю получается новое поле, к которому можно снова применить этот оператор. В результате получаются дифференциальные операции второго порядка. Нетрудно убедиться, что имеется лишь пять дифференциальных операций второго порядка:

(Понятно, что операция например, не имеет смысла: — скаляр, говорить о дивергенции скаляра, т. е. о бессмысленно.)

Запишем явные выражения для дифференциальных операций второго порядка, используя оператор Гамильтона. Заметим при этом, что оператор действует только на множитель, расположенный непосредственно за оператором.

Правая часть этого равенства называется оператором Лапласа скалярной функции U и обозначается . Таким образом,

Дифференциальное уравнение Лапласа играет важную роль в различных разделах математической физики. Решениями уравнения Лапласа являются так называемые гармонические функции.

Замечание. К равенству (72.1) можно прийти, введя в рассмотрение скалярный оператор дельта:

(который тоже называют оператором Лапласа).

2. так как векторное произведение двух одинаковых векторов равно нулю (нуль-вектор). Это означает, что поле градиента есть поле безвихревое.

4. так как смешанное произведение трех векторов, из которых два одинаковые, равно нулю. Это означает, что поле вихря — соленоидальное.

так как двойное векторное произведение обладает свойством

Здесь — векторная величина, полученная в результате применения оператора Лапласа к вектору .

Некоторые свойства основных классов векторных полей

Соленоидальное поле

Напомним, что векторное поле называется соленоидальным, если во всех точках его дивергенция поля равна нулю, т. е.

Примерами соленоидальных полей являются: поле линейных скоростей вращающегося твердого тела (см. пример 71.4); магнитное поле, создаваемое прямолинейным проводником, вдоль которого течет электрический ток, и другие.

Приведем некоторые свойства соленоидального поля.

В соленоидальном поле поток вектора через любую замкнутую поверхность равен нулю. Это свойство непосредственно вытекает из формулы (71.8). Таким образом, соленоидальное поле не имеет источников и стоков.
Соленоидальное поле является полем ротора некоторого векторного поля, т. е. если , то существует такое поле , что . Вектор называется векторным потенциалом поля .

Любое из свойств 1-2 можно было бы взять в качестве определения соленоидального поля.

Доказывать свойство 2 не будем. Отметим лишь, что обратное утверждение — поле ротора векторного поля есть соленоидальное — нами доказано (выше мы показали, что ).

3. В соленоидальном поле поток вектора через поперечное сечение векторной трубки сохраняет постоянное значение (называемое интенсивностью трубки).

Рассмотрим векторную трубку между двумя ее произвольными сечениями боковую поверхность трубки обозначим через S (см. рис. 280). Поток вектора через замкнутую поверхность, состоящую из равен нулю. Следовательно,

где n — внешняя нормаль.

Так как на боковой поверхности векторной трубки нормаль п перпендикулярна к векторам поля, то и, следовательно,

Переменив направление нормали на площадке , т.е. взяв внутреннюю нормаль получим:

В поле скоростей текущей жидкости полученный результат означает, что количество жидкости, втекающей в трубку за единицу времени, равно количеству жидкости, вытекающей из нее.

Потенциальное поле

Векторное поле называется потенциальным (или безвихревым, или градиентным), если во всех точках поля ротор равен нулю, т. е. Примером потенциального поля является электрическое поле напряженности точечного заряда (и другие).

Приведем основные свойства потенциального поля.

Свойство 1. Циркуляция потенциального поля по любому замкнутому контуру в этом поле равна нулю.

Это непосредственно вытекает из формулы (71.14). Следовательно,

В частности, для силового потенциального поля это означает, что работа силы по любому замкнутому контуру равна нулю; в поле скоростей текущей жидкости равенство С = 0 означает, что в потоке нет замкнутых струек, т. е. нет водоворотов.

Свойство 2. В потенциальном поле криволинейный интеграл вдоль любой кривой L с началом в точке и концом в точке зависит только от положения точек и не зависит от формы кривой.

Это свойство вытекает из свойства 1. Действительно, взяв в поле две точки соединим их двумя кривыми так, чтобы контур лежал внутри поля (см. рис. 281). Тогда, в силу свойства 1, имеем

Учитывая свойства криволинейного интеграла, получаем:

т. e.

Свойство 3. Потенциальное поле является полем градиента некоторой скалярной функции U(x; y; z), т. е. если , то существует функция U (х; у; z) такая, что

Из равенства вытекает, что т. е. выражение Pdx + Qdy + Rdz является полным дифференциалом некоторой функции U = U(x;y;z) (следствие 56.1). Эту функцию называют потенциалом векторного поля

Отсюда: Следовательно,

т. е. вектор поля является градиентом скалярного поля.

Замечание. Из равенства rot grad U = 0 следует обратное утверждение — поле градиента скалярной функции U = U(x;y; z) является потенциальным.

Из равенства следует, что потенциальное поле определяется заданием одной скалярной функции U = U(x; у; z) — его потенциала. Потенциал векторного поля может быть найден по формуле

где — координаты фиксированной точки, (x;y;z) — координаты произвольной точки. Потенциал определяется с точностью до произвольного постоянного слагаемого (из-за того, что grad (U + а) = grad U ).

Произвольное же векторное поле требует задания трех скалярных функций (P(x;y;z), Q(x;y;z), R(x;y,z) — проекции вектора поля на оси координат).

Замечание. Определение потенциального поля может быть дано иначе — векторное поле называется потенциальным, если оно является градиентом некоторого скалярного поля, т. е. . (Иногда пишут ; знак «минус» пишут для удобства, обычно векторные линии направлены в сторону убывания U: поток жидкости направлен туда, где давление меньше; теплота перемещается от более нагретого места к менее нагретому и т. д.)

Пример:

Установить потенциальность поля

и найти его потенциал.

Решение:

Имеем:

Следовательно, поле вектора потенциальное.

Найдем потенциал U по формуле (73.1), выбирая в качестве фиксированной точки начало координат, т. е. Так как

то

Гармоническое поле

Векторное поле называется гармоническим (или лапласовым), если оно одновременно является потенциальным и соленоидальным, т. е. если

Примером гармонического поля является поле линейных скоростей стационарного безвихревого потока жидкости при отсутствии в нем источников и стоков.

Так как поле потенциально, то его можно записать в виде — потенциал поля.

Но так как поле одновременно и соленоидальное, то

или, что то же самое,

т. е. потенциальная функция U гармонического поля а является решением дифференциального уравнения Лапласа. Такая функция называется, как уже упоминали, гармонической.

Решение заданий и задач по предметам:

Математика
Высшая математика
Математический анализ
Линейная алгебра

Дополнительные лекции по высшей математике:

Тождественные преобразования алгебраических выражений
Функции и графики
Преобразования графиков функций
Квадратная функция и её графики
Алгебраические неравенства
Неравенства
Неравенства с переменными
Прогрессии в математике
Арифметическая прогрессия
Геометрическая прогрессия
Показатели в математике
Логарифмы в математике
Исследование уравнений
Уравнения высших степеней
Уравнения высших степеней с одним неизвестным
Комплексные числа
Непрерывная дробь (цепная дробь)
Алгебраические уравнения
Неопределенные уравнения
Соединения
Бином Ньютона
Число е
Непрерывные дроби
Функция
Исследование функций
Предел
Интеграл
Двойной интеграл
Тройной интеграл
Интегрирование
Неопределённый интеграл
Определенный интеграл
Криволинейные интегралы
Поверхностные интегралы
Несобственные интегралы
Кратные интегралы
Интегралы, зависящие от параметра
Квадратный трехчлен
Производная
Применение производной к исследованию функций
Приложения производной
Дифференциал функции
Дифференцирование в математике
Формулы и правила дифференцирования
Дифференциальное исчисление
Дифференциальные уравнения
Дифференциальные уравнения первого порядка
Дифференциальные уравнения высших порядков
Дифференциальные уравнения в частных производных
Тригонометрические функции
Тригонометрические уравнения и неравенства
Показательная функция
Показательные уравнения
Обобщенная степень
Взаимно обратные функции
Логарифмическая функция
Уравнения и неравенства
Положительные и отрицательные числа
Алгебраические выражения
Иррациональные алгебраические выражения
Преобразование алгебраических выражений
Преобразование дробных алгебраических выражений
Разложение многочленов на множители
Многочлены от одного переменного
Алгебраические дроби
Пропорции
Уравнения
Системы уравнений
Системы уравнений высших степеней
Системы алгебраических уравнений
Системы линейных уравнений
Системы дифференциальных уравнений
Арифметический квадратный корень
Квадратные и кубические корни
Извлечение квадратного корня
Рациональные числа
Иррациональные числа
Арифметический корень
Квадратные уравнения
Иррациональные уравнения
Последовательность
Ряды сходящиеся и расходящиеся
Тригонометрические функции произвольного угла
Тригонометрические формулы
Обратные тригонометрические функции
Теорема Безу
Математическая индукция
Показатель степени
Показательные функции и логарифмы
Множество
Множество действительных чисел
Числовые множества
Преобразование рациональных выражений
Преобразование иррациональных выражений
Геометрия
Действительные числа
Степени и корни
Степень с рациональным показателем
Тригонометрические функции угла
Тригонометрические функции числового аргумента
Тригонометрические выражения и их преобразования
Преобразование тригонометрических выражений
Комбинаторика
Вычислительная математика
Прямая линия на плоскости и ее уравнения
Прямая и плоскость
Линии и уравнения
Прямая линия
Уравнения прямой и плоскости в пространстве
Кривые второго порядка
Кривые и поверхности второго порядка
Числовые ряды
Степенные ряды
Ряды Фурье
Преобразование Фурье
Функциональные ряды
Функции многих переменных
Метод координат
Гармонический анализ
Вещественные числа
Предел последовательности
Аналитическая геометрия
Аналитическая геометрия на плоскости
Аналитическая геометрия в пространстве
Функции одной переменной
Высшая алгебра
Векторная алгебра
Векторный анализ
Векторы
Скалярное произведение векторов
Векторное произведение векторов
Смешанное произведение векторов
Операции над векторами
Непрерывность функций
Предел и непрерывность функций нескольких переменных
Предел и непрерывность функции одной переменной
Производные и дифференциалы функции одной переменной
Частные производные и дифференцируемость функций нескольких переменных
Дифференциальное исчисление функции одной переменной
Матрицы
Линейные и евклидовы пространства
Линейные отображения
Дифференциальные теоремы о среднем
Теория устойчивости дифференциальных уравнений
Функции комплексного переменного
Преобразование Лапласа
Операционное исчисление
Системы координат
Рациональная функция
Интегральное исчисление
Интегральное исчисление функций одной переменной
Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
Отношение в математике
Математическая логика
Графы в математике
Линейные пространства
Первообразная и неопределенный интеграл
Линейная функция
Выпуклые множества точек
Система координат

Источник

Ро́тор, или вихрь — векторный дифференциальный оператор над векторным полем. Показывает, насколько и в каком направлении закручено поле в каждой точке. Ротор поля F обозначается символом rot F (в русскоязычной литературе) или curl F (в англоязычной литературе), а также где — векторный дифференциальный оператор набла.

Математическое определение

Ротор векторного поля — вектор, проекция которого на каждое направление равна пределу отношения циркуляции векторного поля по контуру L плоской площадки ΔS, перпендикулярной к этому направлению, к величине этой площадки, когда размеры площадки стремятся к нулю, а сама площадка стягивается в точку:

${displaystyle operatorname {rot} _{mathbf {n} }mathbf {a} =lim _{Delta Sto 0}{frac {oint limits _{L}mathbf {acdot ,dr} }{Delta S}}}$

Нормаль к площадке направлена так, чтобы при вычислении циркуляции обход по контуру L совершался против часовой стрелки.

В трёхмерной декартовой системе координат вычисляется следующим образом:

${displaystyle operatorname {rot} ;(F_{x}mathbf {i} +F_{y}mathbf {j} +F_{z}mathbf {k} )=left({frac {partial F_{z}}{partial y}}-{frac {partial F_{y}}{partial z}}right)mathbf {i} +left({frac {partial F_{x}}{partial z}}-{frac {partial F_{z}}{partial x}}right)mathbf {j} +left({frac {partial F_{y}}{partial x}}-{frac {partial F_{x}}{partial y}}right)mathbf {k} .}$

Для удобства запоминания можно условно представлять ротор как векторное произведение:

${displaystyle operatorname {rot} ;mathbf {F} =mathbf {nabla } times mathbf {F} ={begin{pmatrix}{frac {partial }{partial x}}\\{frac {partial }{partial y}}\\{frac {partial }{partial z}}end{pmatrix}}times mathbf {F} ,}$

или как определитель следующей матрицы:

${displaystyle {begin{pmatrix}mathbf {i} &mathbf {j} &mathbf {k} \\{frac {partial }{partial x}}&{frac {partial }{partial y}}&{frac {partial }{partial z}}\\F_{x}&F_{y}&F_{z}end{pmatrix}},}$

где i, j и k — единичные орты для осей x, y и z соответственно.

Векторное поле, ротор которого равен нулю в любой точке, называется потенциальным (безвихревым).

Физическая интерпретация

По теореме Коши-Гельмгольца распределение скоростей сплошной среды вблизи точки О задаётся уравнением

${displaystyle mathbf {v} (mathbf {r} )=mathbf {v} _{O}+mathbf {omega } times mathbf {r} +nabla varphi +o(mathbf {r} ),}$

где — вектор углового вращения элемента среды в точке О, а — квадратичная форма от координат — потенциал деформации элемента среды.

Таким образом, движение сплошной среды вблизи точки О складывается из поступательного движения (вектор ${displaystyle mathbf {v} _{O}}$ ), вращательного движения (вектор ) и потенциального движения — деформации (вектор ).
Применяя к формуле Коши—Гельмгольца операцию ротора, получим, что в точке О справедливо равенство и, следовательно, можно заключить, что когда речь идет о векторном поле, являющемся полем скоростей некоторой среды, ротор этого векторного поля в заданной точке равен удвоенному вектору углового вращения элемента среды с центром в этой точке.

Например, если в качестве векторного поля взять поле скоростей ветра на Земле, то для циклона, вращающегося по часовой стрелке, ротор будет направлен вниз, а для циклона, вращающегося против часовой стрелки — вверх. В тех местах, где ветры дуют прямолинейно и с одинаковой скоростью, ротор будет равен нулю (у неоднородного прямолинейного течения ротор ненулевой).

Основные свойства

Следующие свойства могут быть получены из обычных правил дифференцирования.

Линейность:

{displaystyle operatorname {rot} ;(amathbf {F} +bmathbf {G} )=a;operatorname {rot} ~mathbf {F} +b;operatorname {rot} ~mathbf {G} }

для любых векторных полей F и G и для всех действительных чисел a и b.

Если — скалярное поле, а F — векторное, тогда:

{displaystyle operatorname {rot} ~varphi mathbf {F} =operatorname {grad} ~varphi ~times mathbf {F} +varphi ;operatorname {rot} ~mathbf {F} ,}

или

{displaystyle nabla times (varphi mathbf {F} )=(nabla varphi )times mathbf {F} +varphi ;(nabla times mathbf {F} ).}

Дивергенция ротора равна нулю:

{displaystyle operatorname {div} ~operatorname {rot} ~mathbf {F} =0}

или

{displaystyle nabla cdot (nabla times mathbf {F} )=0.}

При этом верно и обратное: если поле F бездивергентно, оно есть поле вихря некоторого поля G:

{displaystyle operatorname {div} ~mathbf {F} =0Rightarrow mathbf {F} =operatorname {rot} ~mathbf {G} .}

Если поле F потенциально, его ротор равен нулю (поле F — безвихревое):

{displaystyle mathbf {F} =operatorname {grad} ~varphi Rightarrow operatorname {rot} ~mathbf {F} =0}

Верно и обратное: если поле безвихревое, то оно потенциально:

{displaystyle operatorname {rot} ~mathbf {F} =0Rightarrow mathbf {F} =operatorname {grad} ~varphi }

для некоторого скалярного поля

Теорема Стокса: циркуляция вектора по замкнутому контуру, являющемуся границей некоторой поверхности, равна потоку ротора этого вектора через эту поверхность:

${displaystyle oint limits _{partial S}mathbf {F} cdot ,mathbf {dl} =int limits _{S}(operatorname {rot} ~mathbf {F} )cdot ,mathbf {dS} }$

Ротор в ортогональных криволинейных координатах

${displaystyle operatorname {rot} ;mathbf {A} =operatorname {rot} ;(mathbf {q_{1}} A_{1}+mathbf {q_{2}} A_{2}+mathbf {q_{3}} A_{3})={frac {1}{H_{2}H_{3}}}left[{frac {partial }{partial q_{2}}}(A_{3}H_{3})-{frac {partial }{partial q_{3}}}(A_{2}H_{2})right]mathbf {q_{1}} +}$

${displaystyle +{frac {1}{H_{3}H_{1}}}left[{frac {partial }{partial q_{3}}}(A_{1}H_{1})-{frac {partial }{partial q_{1}}}(A_{3}H_{3})right]mathbf {q_{2}} +{frac {1}{H_{1}H_{2}}}left[{frac {partial }{partial q_{1}}}(A_{2}H_{2})-{frac {partial }{partial q_{2}}}(A_{1}H_{1})right]mathbf {q_{3}} ,}$

где H_i — коэффициенты Ламе.

Примеры

Простое векторное поле

Файл:Uniform curl.svg

Рассмотрим векторное поле, линейно зависящее от координат x и y:

{displaystyle {vec {F}}(x,y)=y{boldsymbol {hat {x}}}-x{boldsymbol {hat {y}}}}

Очевидно, что поле закручено. Если мы поместим колесо с лопастями в любой области поля, мы увидим, что оно начнет вращаться по направлению часовой стрелки. Используя правило правой руки, можно ожидать ввинчивание поля в страницу. Для правой системы координат направление в страницу будет означать отрицательное направление по оси z.

Вычислим ротор:

${displaystyle {vec {nabla }}times {vec {F}}=0{boldsymbol {hat {x}}}+0{boldsymbol {hat {y}}}+[{frac {partial }{partial x}}(-x)-{frac {partial }{partial y}}y]{boldsymbol {hat {z}}}=-2{boldsymbol {hat {z}}}}$

Как и предположили, направление совпало с отрицательным направлением оси z. В данном случае ротор является константой, так как он независим от координаты. Количество вращения в приведенном выше векторном поле одно и то же в любой точке (x,y). График ротора F не слишком интересен:

Более сложный пример

Теперь рассмотрим несколько более сложное векторное поле:

${displaystyle F(x,y)=-x^{2}{boldsymbol {hat {y}}}}$

Его график:

Мы можем не увидеть никакого вращения, но, посмотрев повнимательнее направо, мы видим большее поле в, например, точке x=4, чем в точке x=3. Если бы мы установили маленькое колесо с лопастями там, больший поток на правой стороне заставил бы колесо вращаться по часовой стрелке, что соответствует ввинчиванию в направлении —z. Если бы мы расположили колесо в левой части поля, больший поток на его левой стороне заставил бы колесо вращаться против часовой стрелке, что соответствует ввинчиванию в направлении +z. Проверим нашу догадку с помощью вычисления:

${displaystyle {vec {nabla }}times {vec {F}}=0{boldsymbol {hat {x}}}+0{boldsymbol {hat {y}}}+{frac {partial }{partial x}}(-x^{2}){boldsymbol {hat {z}}}=-2x{boldsymbol {hat {z}}}}$

Действительно, ввинчивание происходит в направлении +z для отрицательных x и —z для положительных x, как и ожидалось. Так как этот ротор не одинаков в каждой точке, его график выглядит немного интереснее:

Можно заметить, что график этого ротора не зависит от y или z (как и должно быть) и направлен по —z для положительных x и в направлении +z для отрицательных x.

Три общих примера

Рассмотрим пример ∇ × [ v × F ]. Используя прямоугольную систему координат, можно показать, что

{displaystyle mathbf {nabla times } left(mathbf {vtimes F} right)=left[left(mathbf {nabla cdot F} right)+mathbf {Fcdot nabla } right]mathbf {v} -left[left(mathbf {nabla cdot v} right)+mathbf {vcdot nabla } right]mathbf {F} .}

Если v и ∇ поменять местами:

${displaystyle mathbf {v times } left(mathbf {nabla times F} right)=nabla _{F}left(mathbf {vcdot F} right)-left(mathbf {vcdot nabla } right)mathbf {F} ,}$

что является фейнмановской записью с нижним индексом ∇_F, что значит, что градиент с индексом F относится только к F.

Другой пример ∇ × [ ∇ × F ]. Используя прямоугольную систему координат, можно показать, что:

${displaystyle nabla times left(mathbf {nabla times F} right)=mathbf {nabla } (mathbf {nabla cdot F} )-nabla ^{2}mathbf {F} ,}$

что можно считать частным случаем первого примера с подстановкой v → ∇.

Поясняющие примеры

В смерче ветры вращаются вокруг центра, и векторное поле скоростей ветра имело бы ненулевой ротор в центре и, возможно, везде. (см. Вихревое движение).
В векторном поле, описывающем линейные скорости движения каждой точки вращающегося диска ротор был бы постоянным во всех частях диска.
Если бы скорости автомобилей на трассе описывались векторным полем, и разные полосы имели разные ограничения по скорости движения, ротор на границе между полосами был бы ненулевым.
Закон электромагнитной индукции Фарадея, одно из уравнений Максвелла, может быть выражен очень просто через понятие ротора. Он говорит, что ротор электрического поля равен скорости изменения магнитного поля, взятой с обратным знаком, а ротор напряжённости магнитного поля равен сумме плотностей тока обычного и тока смещения.

^[1]

Примечания

↑ Математический словарь высшей школы. В.Т.Воднев, А.Ф.Наумович, Н.Ф.Наумович

См. также

Векторный анализ
Оператор набла
Теорема Грина
Формулы векторного анализа

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Ротор (математика). Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

Источник