Рисунок 4.3
Приблизно вважатимемо кожний майданчик плоским, а вектор а постійним
і однаково
направленим в кожній точці майданчика. Тоді за одиницю часу через Si протікає
кількість рідини, що приблизно дорівнює Ki Hi
S
, де
S
-площа і-го майданчика, Hi-висота i-го
циліндра зі створюючою а(Mi). Але Hi є проекцією вектора а(Mi)) на нормаль п
: Hi = а(Mi) , де п
— одиничний вектор
нормалі до поверхні в точці Mj. Отже, загальна кількість рідини, що протікає
через всю поверхню S за одиницю часу, знайдемо, обчисливши суму
К.
Точне значення шуканої кількості рідини набудемо, взявши межу знайденої суми при необмеженому збільшенні числа елементарних майданчиків і наближенні до нуля їх розмірів (діаметрів di майданчиків):
K
Незалежно від фізичного тлумачення поля а(М) одержаний інтеграл називають потоком векторного поля.
Потоком вектора через поверхню S називається
поверхневий інтеграл 1-го роду по поверхні S від скалярного добутку вектора
на одиничний вектор
нормалі до поверхні
.
.
Обчислити потік вектора – це обчислити поверхневий інтеграл 1-го роду.
Властивості потоку
1) Потік вектора величина скалярна.
2) Потік змінює
знак на протилежний зі зміною орієнтації поверхні (тобто зі зміною орієнтації
нормалі до поверхні S):
,
де - сторона поверхні S, на якій вибрана нормаль
,
- сторона поверхні S, на якій нормаль
.
3) Властивість лінійності:
,
де і
- числа.
4) Властивість адитивності:
якщо поверхня S складається з декількох
гладких частин ,
, ...
, то потік векторного поля
вектора
через S дорівнює сумі потоків вектора
через поверхні
,
, ...
:
.
Нехай поверхня S замкнена і обмежує деяку область . Візьмемо зовнішню нормаль і
розглянемо потік зсередини поверхні S.
Коли векторне
поле представляє поле швидкостей рідини,
величина потоку дає різницю між кількістю рідини, що витікає з області
, і кількістю рідини, яка
впадає в цю область. Якщо К=0, то в область
втікає стільки ж рідині, скільки і
витікає. Так буде для будь-якої області, розташованої в потоці води.
Якщо К>0, то
витікає рідині більше, ніж втікає, тобто в області є джерела, що живлять потік
рідини.
Якщо К<0, то витікає рідині менше ніж втікає, тоді в області є стоки, де рідина видаляється з потоку.
Приклад 4.4Знайти потік векторного поля через трикутник, вирізаний з площини
Р координатними площинами, в тому напрямку нормалі до площини, який утворює з
віссю oz тупий кут. Рівняння площини
Р: 2x-y+5z-10=0
Рішення.
Знайдемо орт
нормалі до площини Р:
Оскільки за
умовою задачі кут між і віссю oz тупий, то
<0, тому вибираємо знак «-»
, тоді
.
Знайдемо :
Тоді,
оскільки , то
Рисунок 4.4
4.3.3 Формула Остроградського – Гауса
Якщо в деякій
області D простору координати вектора безперервні і мають
безперервні частинні похідні
,
,
, то потік вектора
через будь-яку замкнену
поверхню S, розташовану в області D, дорівнює потрійному інтегралу від
по області V, обмеженої поверхнею S, тобто
.
Обчислення потоку за формулою Остроградського – Гауса значно полегшує знаходження потоку, коли поверхня S замкнена.
Приклад 4.5 Знайти потік вектора через зовнішню сторону
поверхні, що розташована в першому октанті й складається з параболоїда
обертання z=x
+y
, циліндра x
+y
=1 та координатних площин якщо
(див. рис. 4.5)
Рисунок 4.5
Рішення. Оскільки P(x,y,z)=xz, Q(x,y,z)=xy, R(x,y,z)=y
z,
, то
К = (z + x
+ y
)dx, dy.dz.
Для обчислення потрійного інтеграла перейдемо до циліндричних координат: x=. Якобіан відображення
дорівнює
, тому
К=
4.3.4 Дивергенція та ротор векторного поля
Візьмемо деяку
точку Р векторного поля , оточимо її замкненою поверхнею S, яка повністю знаходиться в полі.
Обчислимо потік вектора
через поверхню S і розглянемо відношення цього потоку
до об'єму V області
, обмеженої поверхнею S
.
Знайдемо тепер межу відношення
за умови, що область
стягується в точку Р, тобто що об'єм
.
Дивергенцією
векторного поля в точці Р називається межа
відношення потоку вектора через поверхню, що оточує крапку Р, до об'єму,
обмеженого цією поверхнею, за умови, що вся поверхня стягується в точку Р.
.
Теорема. Дивергенція векторного поля в точці Р виражається формулою
, де частинні похідні
беруться в точці Р.
Доведення. За формулою
Остроградського-Гауса . Згідно теореми про середнє
потрійний інтеграл дорівнює добутку об'єму V на значення підінтегральної функції в
деякій точці
області
, тобто
.
Якщо область стягується в точку Р, то точка
прямує до точки Р і тоді
.
З визначення
дивергенції виходить, що якщо , то в точці Р – джерело, а якщо
, то в точці Р – стік.
Ротором векторного поля
називається вектор
.
Для зручності
запам'ятовування зручно записувати в символічній
формі:
.
Цей визначник
розкривається за елементами першого рядка, при цьому операції множення
елементів другого рядка на елементи третього рядка розуміються як операції
диференціювання, наприклад .
Приклад 4.5 Знайти ротор векторного поля
.
Рішення.
.
4.3.5 Потенціальне поле
Векторне
поле називається потенціальним, якщо
існує така функція
, що у всіх точках, де поле задано,
виконується рівність:
або
,
,
.
Функція U називається потенціалом векторного поля .
Для того, щоб
векторне поле, задане в однозв'язній області V вектором , було потенціальним,
необхідно і достатньо, щоб в кожній точці області, де задано поле, виконувалася
умова
.
Інакше кажучи, поле потенціальне, якщо виконуються рівності
.
Якщо векторне
поле плоске, тобто , то воно потенціальне, якщо
, оскільки в цьому випадку
.
Якщо поле потенціальне, то криволінійні інтеграли, обчислювані вздовж кривих, що знаходяться в області, де задано це поле, не залежать від шляху інтеграції, а залежать тільки від початку і кінця руху по кривій. Це відбувається, оскільки умова потенціальності поля співпадає з умовою незалежності криволінійного інтеграла від шляху інтеграції.
Потенціал знаходимо за формулою
.
Потенціал поля
визначається неоднозначно, з точністю до постійного доданку, оскільки точка вибирається довільно.
Частіше в якості
беруть (0;0;0), якщо це точка, в
якій полі вектора
задано.
Приклад 4.6 Показати, що поле вектора потенціальне і знайти його
потенціал.
Рішення.
Поле вектора буде потенціальним, якщо
=0.
Знайдемо .
Оскільки =0, те поле вектора
потенціальне. Знайдемо
потенціал
.
4.3.6 Циркуляція векторного поля
Циркуляцією вектора вздовж замкнутого контура L називається криволінійний інтеграл по
цьому контуру від скалярного добутку вектора
на вектор
дотичної до контура:
,
якщо і
, то
Додатним напрямом обходу замкненої кривої L вважають напрям, при якому область, обмежена цією кривою, залишатиметься зліва.
В силовому полі вищенаведена формула задає роботу при переміщенні матеріальної точки вздовж лінії L.
Приклад 4.7 Знайти циркуляцію векторного
поля уздовж кола x
+y
=ax
Рішення.
Рівняння кола зведемо до параметричного вигляду з центром у точці (), тобто
x=;
.
Формула Стокса. Нехай координати вектора безперервні і мають безперервні
частинні похідні, тоді циркуляцію вектора
по замкненому контуру L зручно обчислити за формулою Стокса.
Теорема. Циркуляція вектора вздовж замкненого контура L дорівнює потоку ротора цього вектора
через будь-яку поверхню S, натягнуту на контур L.
.
Передбачається,
що орієнтація нормалі до поверхні S злагоджена з орієнтацією контура L так, щоб з кінця нормалі
обхід контура у вибраному напрямі був видний таким, що скоюється проти
годинникової стрілки.
З теореми виходить формула Стокса:
,
де - проекції поверхні S на площині YOZ, XOZ, XOY.
Окремим випадком
формули Стокса, коли поле вектора пласке, буде формула Гріна.
Якщо поле вектора
плоске, то
,
,
оскільки =0 і
=0.
Тоді у формулі
Стокса =0 і
=0 і
.
Приклад 4.8
Знайти циркуляцію вектора а =(5x+4y; 10x+3y) вздовж контура прямокутника, обмеженого лініями: x=0; y=0;x=2;y=3.
Рішення
Обчислимо інтеграл
Ц=
.
4.4 Оператор Гамільтона
Багато операцій векторного аналізу можуть бутизаписані в скороченій і зручній для розрахунків формі за допомогою символічного оператора Гамільтона «набла».
.
В цьому операторі
сполучені диференціальні і векторні властивості. Формальне множення на функцію U(x;y;z) розуміють як частинне
диференціювання
.
Правила дії з оператором «набла» такі:
1) Добуток набла – вектора на скалярну функцію U(x;y;z) дає градієнт цій функції:
.
2) Скалярний добуток
набла - вектора на векторну функцію
дає дивергенцію цієї
функції:
3) Векторний добуток
набла – вектора на векторну функцію
дає ротор цієї функції:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.