散度,旋度,梯度_散度旋度梯度
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散度
散度(divergence)的概念:
在矢量场F中的任一点M处作一个包围该点的任意闭合曲面S,当S所限定的体积ΔV以任何方式趋近于0时,则比值∮F·dS/ΔV的极限称为矢量场F在点M处的散度,并记作div F
由散度的定义可知,div F表示在点M处的单位体积内散发出来的矢量F的通量,所以div F描述了通量源的密度。
div F=▽·F
气象学:
散度指流体运动时单位体积的改变率。简单地说,流体在运动中集中的区域为辐合,运动中发散的区域为辐散。用以表示的量称为散度,值为负时为辐合,此时有利于天气系统的的发展和增强,为正时表示辐散,有利于天气系统的消散。表示辐合、辐散的物理量为散度。
微积分学→多元微积分→多元函数积分:
设某量场由 A(x,y,z)= P(x,y,z)i + Q(x.y,z)j + R(x,y,z)k 给出,其中 P、Q、R 具有一阶连续偏导数,Σ 是场内一有向曲面,n 是 Σ 在点(x,y,z)处的单位法向量,则 ∫∫A·ndS 叫做向量场 A 通过曲面 Σ 向着指定侧的通量,而 δP/δx + δQ/δy + δR/δz 叫做向量场 A 的散度,记作 div A,即 div A = δP/δx + δQ/δy + δR/δz。
上述式子中的 δ 为偏微分(partial derivative)符号。
梯度
gradient
设体系中某处的物理参数(如温度、速度、浓度等)为w,在与其垂直距离的dy处该参数为w+dw,则称为该物理参数的梯度,也即该物理参数的变化率。如果参数为速度、浓度或温度,则分别称为速度梯度、浓度梯度或温度梯度。
在向量微积分中,标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的梯度指向标量场增长最快的方向,梯度的长度是这个最大的变化率。更严格的说,从欧氏空间Rn到R的函数的梯度是在Rn某一点最佳的线性近似。在这个意义上,梯度是雅戈比矩阵的一个特殊情况。
在单变量的实值函数的情况,梯度只是导数,或者,对于一个线性函数,也就是线的斜率。
梯度一词有时用于斜度,也就是一个曲面沿着给定方向的倾斜程度。可以通过取向量梯度和所研究的方向的点积来得到斜度。梯度的数值有时也被成为梯度。
在二元函数的情形,设函数z=f(x,y)在平面区域D内具有一阶连续偏导数,则对于每一点P(x,y)∈D,都可以定出一个向量
(δf/x)*i+(δf/y)*j
这向量称为函数z=f(x,y)在点P(x,y)的梯度,记作gradf(x,y)
类似的对三元函数也可以定义一个:(δf/x)*i+(δf/y)*j+(δf/z)*k 记为grad[f(x,y,z)]梯度的汉语词义,用法。
《现代汉语词典》附:新词新义
梯度 1.坡度。
2.单位时间或单位距离内某种现象(如温度、气压、密度、速度等)变化的程度。
3.依照一定次序分层次地:我国经济发展由东向西~推进。
4.依照一定次序分出的层次:考试命题要讲究题型有变化,难易有~。旋度
表示曲线、流体等旋转程度的量。
定义
设有向量场
A(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k
在坐标轴上的投影分别为
δR/δyδR/δx,δQ/δxδQ/δz)i+(δP/δzδP/δy)k
式中的 δ 为偏微分(partial derivative)符号。
行列式记号
旋度rot A的表达式可以用行列式记号形式表示:
若 A=Ax·i+Ay·j,则rotA=(dAy/dx)i-(dAx/dy)j
若A=Ax·i+Ay·j+Az·k
则rotA=(dAz/dy-dAy/dz)i+(dAx/dz-dAz/dx)j+(dAy/dx-dAx/dy)k
为一向量。
外积
把向量外积定义为:
大小:a × b = |a|·|b|·Sin.方向:右手定则:若坐标系是满足右手定则的,设z=x×y,z的模长=x*y*sin(x,y)则x,y,z构成右手系,伸开右手手掌,四个手指从x轴正方向方向转到y轴正方面,则大拇指方向即为z正轴方向。
分配律的几何证明方法很繁琐,大意是用作图的方法验证。有兴趣的话请自己参阅参考文献中的证明。
下面给出代数方法。我们假定已经知道了:
1)外积的反对称性:
a × b =(a×b + a×c))= 0
这说明矢量a×(b + c)(a×b + a×c)= 0
所以有 a×(b + c)= a×b + a×c.内积
内积(inner product),又称数量积(scalar product)、点积(dot product)他是一种矢量运算,但其结果为某一数值,并非向量。
设矢量A=[a1,a2,...an],B=[b1,b2...bn]
则矢量A和B的内积表示为:
A·B=a1×b1+a2×b2+……+an×bn
A·B = |A| × |B| × cosθ
|A|=(a1^2+a2^2+...+an^2)^(1/2);
|B|=(b1^2+b2^2+...+bn^2)^(1/2).其中,|A| 和 |B| 分别是向量A和B的模,是θ向量A和向量B的夹角(一般情况下,θ∈[0,π/2])。