
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
 Hi  S
S , де
, де  S
S -площа і-го майданчика, Hi-висота  i-го
циліндра зі створюючою а(Mi). Але Hi є проекцією вектора а(Mi)) на нормаль  п
 -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
: 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
 — 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
 через поверхню S називається
поверхневий інтеграл 1-го роду по поверхні S від скалярного добутку вектора  на одиничний вектор
нормалі до поверхні
 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):
 до поверхні S):
 ,
,
де  - сторона поверхні S, на якій вибрана нормаль
 - сторона поверхні S, на якій вибрана нормаль  ,
,  - сторона поверхні S, на якій нормаль
 - сторона поверхні S, на якій нормаль  .
.
3) Властивість лінійності:
 ,
,
де  і
 і  - числа.
 - числа.
4) Властивість адитивності:
якщо поверхня S складається з декількох
гладких частин  ,
,  , ...
, ...  , то потік векторного поля
вектора
, то потік векторного поля
вектора  через S дорівнює сумі потоків вектора
 через S дорівнює сумі потоків вектора  через поверхні
 через поверхні  ,
,  , ...
, ...  :
:
 .
.
Нехай поверхня S замкнена і обмежує деяку область  . Візьмемо зовнішню нормаль і
розглянемо потік зсередини поверхні S.
. 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
 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
, 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.
 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.
 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
 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:
 до площини Р:

Оскільки за
умовою задачі кут між  і віссю oz тупий, то
 і віссю oz тупий, то  <0, тому вибираємо знак «-»
<0, тому вибираємо знак «-»
 , тоді
, тоді  .
.
Знайдемо  :
:


Тоді,
оскільки  , то
, то


Рисунок 4.4
4.3.3 Формула Остроградського – Гауса
Якщо в деякій
області D простору координати вектора  безперервні і мають
безперервні частинні похідні
 безперервні і мають
безперервні частинні похідні  ,
,  ,
,  , то потік вектора
, то потік вектора  через будь-яку замкнену
поверхню S, розташовану в області D, дорівнює потрійному інтегралу від
 через будь-яку замкнену
поверхню S, розташовану в області D, дорівнює потрійному інтегралу від  по області V, обмеженої поверхнею S, тобто
 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
 через  зовнішню сторону
поверхні, що розташована в першому октанті й складається з параболоїда
обертання z=x +y
+y , циліндра x
, циліндра x +y
+y =1 та координатних площин  якщо
=1 та координатних площин  якщо
 (див. рис. 4.5)
 (див. рис. 4.5)

Рисунок 4.5
Рішення. Оскільки  P(x,y,z)=xz,  Q(x,y,z)=x y,  R(x,y,z)=y
y,  R(x,y,z)=y z,
z,
 , то
, то 
К =  (z + x
(z + x + y
+ y )dx, dy.dz.
)dx, dy.dz.
Для обчислення потрійного інтеграла перейдемо до циліндричних координат: x= . Якобіан відображення
дорівнює
. Якобіан відображення
дорівнює  , тому
, 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
, 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
 через поверхню S і розглянемо відношення цього потоку
до об'єму V області  , обмеженої поверхнею S
, обмеженої поверхнею S
 .
.
Знайдемо тепер межу відношення
 за умови, що область
 за умови, що область  стягується в точку Р, тобто що об'єм
 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.
 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
 в точці Р виражається формулою  , де частинні похідні
беруться в точці Р.
, 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
. Згідно теореми про середнє
потрійний інтеграл дорівнює добутку об'єму V на значення підінтегральної функції в
деякій точці  області
 області  , тобто
, тобто
 .
.
Якщо область  стягується в точку Р, то точка
 стягується в точку Р, то точка  прямує до точки Р і тоді
 прямує до точки Р і тоді
 .
.
З визначення
дивергенції виходить, що якщо  , то в точці Р – джерело, а якщо
, то в точці Р – джерело, а якщо  , то в точці Р – стік.
, то в точці Р – стік.
Ротором векторного поля
 називається вектор
 називається вектор
 .
.
Для зручності
запам'ятовування  зручно записувати в символічній
формі:
 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
 називається потенціальним, якщо
існує така функція  , що у всіх точках, де поле задано,
виконується рівність:
, що у всіх точках, де поле задано,
виконується рівність:
 або
 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
, 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
, то воно потенціальне, якщо  , оскільки в цьому випадку
, 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
 вибирається довільно.
Частіше в якості  беруть (0;0;0), якщо це точка, в
якій полі вектора
 беруть (0;0;0), якщо це точка, в
якій полі вектора  задано.
 задано.
Приклад 4.6 Показати, що поле вектора  потенціальне і знайти його
потенціал.
 потенціальне і знайти його
потенціал.
Рішення.
Поле вектора  буде потенціальним, якщо
 буде потенціальним, якщо  =0.
=0.
Знайдемо  .
.

Оскільки  =0, те поле вектора
=0, те поле вектора  потенціальне. Знайдемо
потенціал
 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
 вздовж замкнутого контура L називається криволінійний інтеграл по
цьому контуру від скалярного добутку вектора  на вектор
 на вектор  дотичної до контура:
 дотичної до контура:
 ,
,
якщо  і
 і  , то
, 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
 уздовж кола x +y
+y =ax
=ax
Рішення.
Рівняння кола зведемо до параметричного вигляду з центром у точці ( ), тобто
), тобто 
x= ;
;


 .
.
Формула Стокса. Нехай координати вектора  безперервні і мають безперервні
частинні похідні, тоді циркуляцію вектора
 безперервні і мають безперервні
частинні похідні, тоді циркуляцію вектора  по замкненому контуру L зручно обчислити за формулою Стокса.
 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.
 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.
 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.
 - проекції поверхні S на площині YOZ, XOZ, XOY.
Окремим випадком
формули Стокса, коли поле вектора  пласке, буде формула Гріна.
 пласке, буде формула Гріна.
Якщо поле вектора
 плоске, то
 плоске, то 
 ,
,
 ,
,
оскільки  =0 і
=0 і  =0.
=0.
Тоді у формулі
Стокса  =0 і
=0 і  =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
 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:
 на скалярну функцію U(x;y;z) дає градієнт цій функції:
 .
.
2) Скалярний добуток
набла - вектора  на векторну функцію
 на векторну функцію  дає дивергенцію цієї
функції:
 дає дивергенцію цієї
функції:

3) Векторний добуток
набла – вектора  на векторну функцію
 на векторну функцію  дає ротор цієї функції:
 дає ротор цієї функції:

Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.