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分析学

向量分析

向量场的微分与积分:散度、旋度,以及将它们联系起来的积分定理。

直观旋转又扩散的场:散度与旋度的直觉

设想空间中每一点水流的速度:这正是一个向量场 F(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z),附着在每一点上的箭头告诉你那里流动的方向与速度。关于 F\mathbf{F} 的两个简单问题几乎主导了电磁学与流体力学的一切:流动是像水从源头涌出那样从一点向外扩散,还是像漩涡那样绕某条轴旋转?第一种倾向由散度 ∇⋅F\nabla \cdot \mathbf{F} 度量,它是一个标量,表示流动在每一点净产生(为正)或净消失(为负)的速率;第二种倾向由旋度 ∇×F\nabla \times \mathbf{F} 度量,它是一个沿局部旋转轴方向的向量,其长度即为旋转速率。

鞍形标量势曲面的交互式三维图,用于说明散度和旋度均为零的梯度向量场。
一个鞍形势函数 φ(x,y)=x2−y2\varphi(x,y) = x^2 - y^2:其梯度场 F=∇φ=(2x,−2y)\mathbf{F} = \nabla \varphi = (2x, -2y) 处处散度为 00、旋度也为 00,这是一种特殊的「调和」情形——流动既不扩散也不旋转,只沿鞍面的坡度改变方向。

大学严格定义:散度、旋度与边界积分定理

定义: 向量场的散度

对于 R3\mathbb{R}^3 上可微的向量场 F=(F1,F2,F3)\mathbf{F} = (F_1, F_2, F_3),散度 ∇⋅F\nabla \cdot \mathbf{F} 是度量每一点处单位体积净流出通量的标量函数:直观地说,div⁡F(p)>0\operatorname{div}\mathbf{F}(p) > 0 表示 pp 附近的一个无穷小球是流动的净源,而 div⁡F(p)<0\operatorname{div}\mathbf{F}(p) < 0 表示它是净汇。

∇⋅F=∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial F_1}{\partial x} + \frac{\partial F_2}{\partial y} + \frac{\partial F_3}{\partial z}

旋度 ∇×F\nabla \times \mathbf{F} 度量的则是旋转:如果你在流场中某点插入一个微小的桨轮,并把它的轴方向对准 ∇×F(p)\nabla \times \mathbf{F}(p),桨轮转动得最快,角速度正比于 ∣∇×F(p)∣|\nabla \times \mathbf{F}(p)|。处处满足 ∇×F=0\nabla \times \mathbf{F} = \mathbf{0} 的场称为无旋场(若定义在单连通区域上,也称为保守场),它恰好就是作为某个标量势 φ\varphi 的梯度 F=∇φ\mathbf{F} = \nabla \varphi 出现的那些场。

∇×F=(∂F3∂y−∂F2∂z, ∂F1∂z−∂F3∂x, ∂F2∂x−∂F1∂y)\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial F_3}{\partial y} - \frac{\partial F_2}{\partial z},\ \frac{\partial F_1}{\partial z} - \frac{\partial F_3}{\partial x},\ \frac{\partial F_2}{\partial x} - \frac{\partial F_1}{\partial y} \right)
向量分析的三个边界积分定理
定理区域及其边界积分恒等式
格林定理平面区域 DD,边界曲线 ∂D\partial D∮∂D(P dx+Q dy)=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\oint_{\partial D} (P\,dx + Q\,dy) = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA
斯托克斯定理空间中的曲面 SS,边界曲线 ∂S\partial S∮∂SF⋅dr=∬S(∇×F)⋅dS\oint_{\partial S} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla \times \mathbf{F}) \cdot d\mathbf{S}
散度定理(高斯定理)空间中的立体区域 VV,边界曲面 ∂V\partial V∬∂VF⋅dS=∭V(∇⋅F) dV\iint_{\partial V} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint_V (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV

大学核心定理:格林定理与散度定理

定理: 格林定理

设 D⊂R2D \subset \mathbb{R}^2 是一个区域,其边界曲线 ∂D\partial D 取正向且分段光滑,P(x,y)P(x,y) 与 Q(x,y)Q(x,y) 在包含 DD 的开区域上具有连续偏导数。则 ∮∂D(P dx+Q dy)=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\oint_{\partial D} (P\,dx + Q\,dy) = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA。

为什么成立?

右边把局部的「环量密度」∂Q∂x−∂P∂y\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}(二维旋度)在 DD 的每一点上求和;相邻微小格子内部的环量沿公共边相互抵消,只剩下沿外边界 ∂D\partial D 的环量。

证明

首先对矩形 R=[a,b]×[c,d]R = [a,b]\times[c,d]、D=RD = R 的情形证明。由富比尼定理,∬R∂Q∂x dA=∫cd(Q(b,y)−Q(a,y))dy\iint_R \frac{\partial Q}{\partial x}\,dA = \int_c^d \left(Q(b,y) - Q(a,y)\right) dy,且 ∬R∂P∂y dA=∫ab(P(x,d)−P(x,c))dx\iint_R \frac{\partial P}{\partial y}\,dA = \int_a^b \left(P(x,d) - P(x,c)\right) dx。

这两式恰好分别是 Q dyQ\,dy 沿 RR 右边与左边的线积分以及 P dxP\,dx 沿上边与下边的线积分,所以 ∬R(∂Q∂x−∂P∂y)dA=∮∂R(P dx+Q dy)\iint_R \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA = \oint_{\partial R} (P\,dx + Q\,dy),与矩形情形下的定理相符。

对于一般区域 DD,用覆盖 DD 的细密小矩形网格来逼近它。对每个小块应用矩形情形的结果,再对所有小块求和。任意两个相邻小块共享的内部边,会被这两块各自的边界分别沿相反方向经过一次,因此沿该公共边的两项线积分贡献恰好完全抵消。

抵消之后剩下的正是沿外边界 ∂D\partial D 的线积分,而小矩形上二重积分之和随着网格加密收敛到 ∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dA\iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) dA,从而证明了 DD 上的等式。

设 V⊂R3V \subset \mathbb{R}^3 是一个立体区域,其边界曲面 ∂V\partial V 取外法向且分段光滑,F\mathbf{F} 在包含 VV 的开区域上具有连续偏导数。则 ∬∂VF⋅dS=∭V(∇⋅F) dV\iint_{\partial V} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint_V (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV。

为什么成立?

与格林定理类似,散度的体积积分把 VV 内每个微小盒子上局部的「单位体积净流出量」累加起来;相邻盒子共享面上的流出相互抵消,只剩下穿过外边界 ∂V\partial V 的通量。

证明

首先对长方体 B=[a1,b1]×[a2,b2]×[a3,b3]B = [a_1,b_1]\times[a_2,b_2]\times[a_3,b_3]、V=BV = B 的情形证明,其中 F=(F1,F2,F3)\mathbf{F} = (F_1, F_2, F_3)。由富比尼定理,∭B∂F1∂x dV=∬(F1(b1,y,z)−F1(a1,y,z))dy dz\iiint_B \frac{\partial F_1}{\partial x}\,dV = \iint \left(F_1(b_1,y,z) - F_1(a_1,y,z)\right) dy\,dz,对 yy、zz 方向的导数项也有类似等式。

每个右边恰好是 F\mathbf{F} 相应分量穿过 BB 一对相对面的外向通量,每个面上外法向沿坐标轴正方向或负方向。把三个坐标方向的贡献相加,得到 ∭B(∇⋅F) dV=∬∂BF⋅dS\iiint_B (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV = \iint_{\partial B} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S}。

对于一般的立体区域 VV,用填满 VV 的细密小长方体网格来逼近它。对每个小盒应用长方体情形的结果,再对所有小盒求和。任意两个相邻小盒共享的内部面,两侧的外法向方向恰好相反,因此穿过该公共面的相应通量贡献完全抵消。

抵消之后剩下的通量恰好穿过外边界曲面 ∂V\partial V,而小盒上体积积分之和随着网格加密收敛到 ∭V(∇⋅F) dV\iiint_V (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV,从而确立了 VV 上的等式。

大学实际应用与典型例题

散度、旋度以及边界积分定理是经典场论的数学骨架:电磁学的麦克斯韦方程组完全用 ∇⋅E\nabla \cdot \mathbf{E}、∇⋅B\nabla \cdot \mathbf{B}、∇×E\nabla \times \mathbf{E}、∇×B\nabla \times \mathbf{B} 表述;流体力学用散度定理导出质量守恒的连续性方程,并把不可压缩流动等同于 ∇⋅F=0\nabla \cdot \mathbf{F} = 0;而航空航天工程则利用斯托克斯定理,把机翼周围气流的环量(升力)与边界层内的涡量 ∇×F\nabla \times \mathbf{F} 联系起来。

例题: 在球面上验证径向场的散度定理

设 F(x,y,z)=(x,y,z)\mathbf{F}(x,y,z) = (x,y,z),设 SS 是半径为 aa、外法向的球面 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2=a^2,包围球体 VV。通过直接计算两边,验证散度定理 ∬SF⋅dS=∭V(∇⋅F) dV\iint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint_V (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV。

解答

先计算右边:∇⋅F=∂x∂x+∂y∂y+∂z∂z=1+1+1=3\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial x}{\partial x} + \frac{\partial y}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial z} = 1+1+1 = 3,是常数。于是 ∭V(∇⋅F) dV=3⋅vol⁡(V)=3⋅43πa3=4πa3\iiint_V (\nabla \cdot \mathbf{F})\,dV = 3 \cdot \operatorname{vol}(V) = 3 \cdot \frac{4}{3}\pi a^3 = 4\pi a^3。

现在直接计算左边。在球面 SS 上,位置向量本身沿径向向外,且在 SS 上长度为 aa,故外单位法向为 n=1a(x,y,z)\mathbf{n} = \frac{1}{a}(x,y,z)。于是 F⋅n=1a(x2+y2+z2)=a2a=a\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = \frac{1}{a}(x^2+y^2+z^2) = \frac{a^2}{a} = a。

由于 F⋅n=a\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = a 在 SS 上是常数,通量积分就等于该常数乘以曲面面积:∬SF⋅dS=a⋅area⁡(S)=a⋅4πa2=4πa3\iint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = a \cdot \operatorname{area}(S) = a \cdot 4\pi a^2 = 4\pi a^3,与体积积分的结果完全一致。

例题: 利用格林定理计算面积

设 CC 是按逆时针方向绕行的单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1。用 P=−yP=-y、Q=xQ=x 的格林定理,验证单位圆盘 DD 的面积公式 area⁡(D)=12∮C(x dy−y dx)\operatorname{area}(D) = \frac{1}{2}\oint_C (x\,dy - y\,dx)。

解答

取 P=−yP=-y、Q=xQ=x,由格林定理得 ∮C(−y dx+x dy)=∬D(∂x∂x−∂(−y)∂y)dA=∬D(1−(−1)) dA=2∬DdA=2area⁡(D)\oint_C (-y\,dx + x\,dy) = \iint_D \left(\frac{\partial x}{\partial x} - \frac{\partial(-y)}{\partial y}\right) dA = \iint_D (1 - (-1))\,dA = 2\iint_D dA = 2\operatorname{area}(D)。

将 CC 参数化为 x=cos⁡θx=\cos\theta、y=sin⁡θy=\sin\theta(θ∈[0,2π]\theta \in [0, 2\pi]),从而 dx=−sin⁡θ dθdx = -\sin\theta\,d\theta、dy=cos⁡θ dθdy = \cos\theta\,d\theta,直接计算线积分:∮C(−y dx+x dy)=∫02π(sin⁡2θ+cos⁡2θ)dθ=∫02π1 dθ=2π\oint_C (-y\,dx + x\,dy) = \int_0^{2\pi} \left(\sin^2\theta + \cos^2\theta\right) d\theta = \int_0^{2\pi} 1\,d\theta = 2\pi。

由于单位圆盘满足 area⁡(D)=π\operatorname{area}(D) = \pi,二重积分一侧给出 2area⁡(D)=2π2\operatorname{area}(D) = 2\pi,恰好与直接计算得到的线积分 2π2\pi 相符,从而验证了格林定理与面积公式 area⁡(D)=12∮C(x dy−y dx)\operatorname{area}(D) = \frac{1}{2}\oint_C (x\,dy - y\,dx)。

计算 F(x,y,z)=(x2,y2,z2)\mathbf{F}(x,y,z) = (x^2, y^2, z^2) 在点 (1,1,1)(1,1,1) 处的散度 ∇⋅F\nabla \cdot \mathbf{F}。

计算旋转场 F(x,y,z)=(y,−x,0)\mathbf{F}(x,y,z) = (y,-x,0) 的旋度 ∇×F\nabla \times \mathbf{F}。

在流体速度场 F\mathbf{F} 满足 ∇⋅F>0\nabla \cdot \mathbf{F} > 0 的点上,物理上发生了什么?

哪个定理把开曲面 SS 上 ∇×F\nabla \times \mathbf{F} 的曲面积分与其边界曲线 ∂S\partial S 上的线积分联系起来?

参考文献

  1. Jerrold E. Marsden, Anthony J. Tromba (2012). Vector Calculus
  2. H. M. Schey (2005). Div, Grad, Curl, and All That: An Informal Text on Vector Calculus
  3. Tom M. Apostol (1969). Calculus, Vol. 2: Multi-Variable Calculus and Linear Algebra with Applications