散度定理

散度定理

散度定理,又稱為高斯散度定理、高斯公式、高斯-奧斯特羅格拉德斯基公式或高-奧公式,是指在向量分析中,一個把向量場通過曲面的流動(即通量)與曲面內部的向量場的表現聯繫起來的定理。它經常套用於矢量分析中。矢量場的散度在體積τ上的體積分等於矢量場在限定該體積的閉合曲面s上的面積分。

概念

散度定理是指在向量分析中,一個把向量場通過曲面的流動(即通量)與曲面內部的向量場的表現聯繫起來的定理。更加精確地說,散度定理說明向量場穿過曲面的通量,等於散度在曲面圍起來的體積上的積分。直觀地,所有源點的和減去所有匯點的和,就是流出這區域的淨流量。

高斯公式在工程數學中是一個很重要的結果,特別是靜電學和流體力學。

在物理和工程中,散度定理通常運用在三維空間中。然而,它可以推廣到任意維數。在一維,它等價於微積分基本定理;在二維,它等價于格林公式。

這個定理是更一般的斯托克斯公式的特殊情形。

定理

設空間閉區域Ω是由分片光滑的閉曲面Σ所圍起來的三維區域,函式 P( x, y, z)、 Q( x, y, z)、 R( x, y, z)在Ω上具有一階連續偏導數,則有

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這裡Σ是Ω的邊界(boundary),cos α、cos β、cos γ是Σ在點( x, y, z)處的單位法向量的方向餘弦。

散度定理 散度定理
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這兩個公式都叫做 高斯公式,不過這兩公式僅僅是表達方式不同,其實是相同的定理,這可以用變數變換得到兩公式的右邊都等於 ,其中 是曲面 的向外單位法向量 。

表示方法

用散度表示

高斯公式用散度表示為:

散度定理 散度定理
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其中Σ是空間閉區域Ω的邊界曲面,而 是曲面Σ上的朝外的單位法向量。

用向量表示

散度定理 散度定理
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令 V代表有一間單閉曲面 S為邊界的體積, 是定義在 V中和 S上連續可微的向量場。如果 是外法向向量面元,則

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推論

•對於標量函式g和向量場F的積,套用高斯公式可得:

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•對於兩個向量場{\displaystyle \mathbf {F} \times \mathbf {G} }的向量積,套用高斯公式可得:

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•對於標量函式f和非零常向量的積,套用高斯公式可得:

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•對於向量場F和非零常向量的向量積,套用高斯公式可得:

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例子

散度定理 散度定理
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假設我們想要計算 其中S是一個單位球面,定義為 F是向量場:

直接計算這個積分是相當困難的,但我們可以用高斯公式來把它簡化:

散度定理 散度定理
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其中W是單位球:

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由於函式y和z是奇函式,我們有:

因此:

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因為單位球W的體積是4 π3.

圖1.例題中向量場 圖1.例題中向量場

說明:例子所對應的向量場。注意,向量可能指向球面的內側或者外側。

二階張量的散度定理

二階張量的高斯公式實際上是上面的高斯公式的推論。為了使內容完整,首先簡要地介紹三維歐幾里得空間上的 二階張量(詳見並矢張量或張量積)以及相關的概念和記號 。在這裡,向量和向量場用 黑斜體字母表示,張量用 正黑體字母表示。

散度定理 散度定理

1)兩個向量 ab並排放在一起所形成的量 ab被稱為向量 ab並矢並矢張量。注意,一般來說.

2)ab=0的充分必要條件是 a=0b=0

3)二階張量就是 有限個並矢的線性組合。

4)ab分別線性地依賴於 ab

5)二階張量 T和向量 a的縮並 T*a以及 a*T對, Ta都是線性的。

6)特別是,當 T=uv時,

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所以,一般來說,。

定理:

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V是三維歐幾里得空間中的一個有限區域,S是它的邊界曲面, 是S的外法線方向上的單位向量, T是定義在 V的某個開鄰域上 的連續的二階張量場, 是 T的轉置,則

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