第一章向量分析與場論基礎

2022-10-10 09:33:07 字數 1594 閱讀 7159

內容提要

1) 正交曲線座標系:

設有三組互相正交的曲面族由下列方程定義:

在正交曲線座標中的線元、面元、體元分別為

式中、、代表迴圈量1、2、3,,,稱拉梅係數。

三種座標系中座標單位向量間的關係:

柱座標與直角座標

球座標與柱座標

球座標與直角座標

2) 向量及其運算:

直角座標中算符的定義:

乙個標量函式的梯度為:

梯度給出了一點上函式隨距離變化的最大速率,它指向增大的方向。

乙個向量穿過乙個曲面的通量為

對乙個閉合曲面而言,向外為正。

直角座標系中的散度

表示在這一點上每單位體積向外發散的的通量。

散度定理:

其中是由所包圍的體積。

斯托克斯定理:

其中是由所包圍的面積。

直角座標系中的旋度

拉普拉辛是梯度的散度

在直角座標系中:

乙個向量的拉普拉辛定義為:

其它座標也可寫成:

柱座標系中

球座標系中

3) 亥姆霍茲定理:

向量場可表示為乙個無旋場分量和乙個無散場分量之和其中

因此乙個向量場要從散度和旋度兩個方面去研究4) 函式

定義性質 a)偶函式:

b)取樣性:

有機會用到的表示式:

1-1. 證明:

=18+6-24

=0說明相互垂直

1-2. 空白

1-3. 證明:

說明相互垂直

1-4. 解:

當座標變數沿座標軸由增至時,相應的線元向量為:==

其中弧長

其中 令則

1-5. 解:

(1) 據運算元的微分性質,並按乘積的微分法則,有其中、暫時視為常矢,再根據二重向量積公式

將上式右端項的常矢輪換到的前面,使變矢都留在的後面則

除去下標c即可

(2) 利用(1)式的結果即可。

(3) 據運算元的微分性質,並按乘積的微分法則,有再運算元的向量性,並據公式

將常矢輪換到的前面

代入得:

1-6.

(1) 證:

(2) 證:

右邊第一項的分量同理則

(3)1-7.

證: 所以

據公式所以(梯度的旋度等於零)

同理1-8. 解:

1-9. 證: 用常向量點乘式子兩邊得

上式左邊:

利用向量恒等式:

因為為任意常向量,則

設為任意常向量,令,代入stokes定理

上式左邊

上面用到:

右邊則得:

因為是任意的,所以

1-10. 證:

據向量場的散度定理

令,和為空間區域中兩個任意的標量函式

則上式左邊

所以1-11. 函式在m點的散度從它的定義推出如圖,考慮的兩個端麵

左端麵位於,右端麵位於

取曲面外法向為正,兩個端面對

向外的通量的淨貢獻是

同理其餘兩對面分別是

即上式除以

並取極限

則向量的散度是其中

向量分析與場論講義

向量分析是向量代數和微機分運算的結合和推廣,主要研究矢性函式的極限 連續 導數 微分 積分等。而場論則是借助於向量分析這個工具,研究數量場和向量場的有關概念和性質。通過這一部分的學習,可使讀者掌握向量分析和場論這兩個數學工具,並初步接觸到運算元的概念及其簡單用法,為以後學習有關專業課程和解決實際問題...

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