• 矢量场的旋度和散度


    散度

    散度是一个标量,用于体现矢量场各点发散的强弱程度。对于矢量场 F { \textbf{F}} F

    d i v F = lim ⁡ Δ V → 0 ∮ S F ⋅ d S Δ V = ∇   ⋅   F {\color{DarkRed} div \textbf{F} = \displaystyle \lim_{ \Delta V \to 0}\tfrac{\oint_{S} \textbf{F}\cdot d\textbf{S}}{\Delta V} = \nabla \, \cdot \, \textbf{F}} divF=ΔV0limΔVSFdS=F

    d i v F { div \textbf{F}} divF描述通量源的密度。

    散度定理(高斯定理):

    ∫ V ∇   ⋅   F d V = ∮ S F   ⋅   d S {\color{Red} \int_{V}\nabla\,\cdot \,\textbf{F}dV = \oint_{S}\textbf{F}\,\cdot \,d\textbf{S}} VFdV=SFdS

    旋度

    散度是一个矢量,用于体现矢量场各点附近环流的强弱程度。对于矢量场 F { \textbf{F}} F

    r o t F = lim ⁡ Δ S → 0 1 Δ S ∮ S F ⋅ d l ∣ m a x = ∇   ×   F {\color{DarkRed} rot \textbf {F} = \displaystyle \lim_{ \Delta S \to 0}\tfrac{1}{\Delta S}\oint_{S} \textbf{F}\cdot d\textbf{l}\mathrel{|_{max}} = \nabla \, \times \, \textbf{F}} rotF=ΔS0limΔS1SFdlmax=×F

    r o t F { rot \textbf{F}} rotF描述旋涡源的密度。

    斯托克斯定理:

    ∫ S ∇   ×   F d S = ∮ C F   ×   d l {\color{Red}\int_{S}\nabla\,\times \,\textbf{F}d\textbf{S} = \oint_{C}\textbf{F}\,\times \,d\textbf{l}} S×FdS=CF×dl


    ∇ \nabla Nabla算子

    含义:三维直角坐标系中,

    ∇ f = ( ∂ f ∂ x , ∂ f ∂ y , ∂ f ∂ z ) = i ∂ f ∂ x + j ∂ f ∂ y + k ∂ f ∂ z \nabla f=\left(\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z}\right)=\mathbf{i}\frac{\partial f}{\partial x}+\mathbf j\frac{\partial f}{\partial y}+\mathbf k\frac{\partial f}{\partial z} f=(xf,yf,zf)=ixf+jyf+kzf

    其中, i , j , k \mathbf i, \mathbf j ,\mathbf k ijk 依次是 x 、 y 、 z 方向的单位矢量。

    各种意义:

    1. 作用于标量场 u u u 得到梯度 grad   u = ∇ u \textbf{grad}\, u=\nabla u gradu=u;
    2. 与矢量函数点乘得散度: d i v F = ∇   ⋅   F div\textbf{F} = \nabla \, \cdot \, \textbf{F} divF=F;
    3. 与矢量函数叉乘得旋度: r o t F = ∇   ×   F rot\textbf{F} = \nabla \, \times \, \textbf{F} rotF=×F;

    感性理解为什么求散度用点乘,求旋度用叉乘(看3b1b的www):

    点乘可以衡量两个向量的共线程度,此处即是衡量位移向量和场向量的共线程度(如图对于正通量源点蓝绿色是场向量,红色是位移向量);

    在这里插入图片描述
    叉乘可以衡量两个向量的垂直程度,此处即是衡量位移向量和场向量的垂直程度;
    在这里插入图片描述


    重要定理

    格林定理:描述两个标量场之间满足的关系,如果其中已知其中一个场的分布,可以用格林定理求解另一个场的分布。
    在这里插入图片描述

    亥姆霍兹定理:
    在任何有限区域V内,任一矢量场由它的散度、旋度和边界条件惟一地确定。

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