- •Раздел 1:Основы дифференциальной геометрии §1. Векторные функции скалярного аргумента. Предел, непрерывность, производная и интеграл Римана вектор-функции.
- •§2. Кривые в пространстве, длина дуги кривой.
- •§3. Естественный трехгранник линий. Кривизна кривой. Физический смысл кривизны.
- •§4. Формулы Френе. Кручение кривой. Физический смысл кручения.
- •§5. Вычисление кривизны и кручения
- •§6. Параметрические уравнения поверхности. Координатные линии. Касательные векторы гладкой поверхности.
- •§7. Касательная плоскость и нормаль к поверхности
- •§8. Первая квадратичная форма поверхности
- •§10. Поверхностный интеграл первого рода: определение, физический смысл, теорема о среднем.
- •§9. Площадь поверхности
- •§11.Поверхностный интеграл первого рода: теорема о существовании. §12. Поверхностные интегралы второго рода
- •§13.Вычисление поверхностных интегралов второго рода
- •§14. Формула Остроградского-Гаусса
- •§15. Криволинейный интеграл второго рода по пространственной кривой. Вычисление. Примеры. §16. Формула Стокса
- •§17. Теорема о независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования.
- •Раздел 2: Теория поля §18. Определение скалярного поля. Примеры. Поверхность уровня, производная по направлению, градиент.
- •§19. Определение векторного поля. Примеры. Векторные линии, векторные поверхности, векторные трубки.
- •§20. Поток векторного поля. Дивергенция. Формула Остроградского-Гаусса в векторной форме.
- •§21. Циркуляция и завихренность векторного поля. Ротор. Формула Стокса в векторной форме.
- •§22. Оператор Гамильтона
- •§23. Потенциальные поля.
- •§24. Соленоидальные поля
- •§25.Ортогональные криволинейные системы координат. Координатные линии и поверхности. Параметры Ламе.
- •§26 .Сферическая и цилиндрическая системы координат: координатные линии, параметры Ламе.
- •1) Цилиндрическая система координат.
- •2) Сферическая система координат.
- •§27.Вычисление градиента и дивергенции в криволинейных координатах
- •§28. Вычисление ротора и оператора Лапласа в криволинейных координатах.
- •§Доп. Дифференциальные операции второго порядка.
- •Раздел 3: Ряды Фурье §29.Ряд Фурье по ортонормированной системе функций, минимальное свойство частичной суммы ряда Фурье, неравенство Бесселя.
- •§30.Тригонометрические ряды Фурье. Ядро Дирихле.
- •§31. Основная лемма теории тригонометрический рядов Фурье.
- •§32. Теорема о представлении кусочно-дифференцируемой функции рядом Фурье
- •§33. Разложение непериодической функции в ряд Фурье на отрезке [-р;р] и [-l; l].
- •§34. Разложение четных и нечетных функций в ряд Фурье, разложение по косинусам и синусам. Примеры.
- •§35. Равномерная сходимость тригонометрического ряда Фурье.
- •§36. Замкнутость и полнота ортогональной системы функций
- •§37. Интеграл Фурье
- •§ 38. Преобразования Фурье
§22. Оператор Гамильтона
Рассмотрим
прямоугольную систему координат
,
и вместо векторов
,
,
будем использовать векторы
,
,
.
Введём оператор (обозначим его символом
“
”(набла)):
Он обладает как векторными, так и дифференциальными свойствами.
оператор (оператор Гамильтона) как дифференциальный оператор, действует на поля, которые стоят справа от него, и не действует на те, которые стоят слева:
.
Если векторное поле
можно представить в виде
,
то получим:
.
Далее для удобства векторные поля
будем представлять в виде
.
Тогда имеем:
,
,
.
Соответственно получаем:
,
,
,
.
Введём
обозначение
.
Тогда получаем:
,
.
.
§23. Потенциальные поля.
Векторное поле называется потенциальным, если существует скалярное поле ,
такое
что
.
Скалярное поле
называется потенциалом поля
.
Теорема 1: Для того, что бы векторное
поле
было потенциальным, необходимо и
достаточно, что бы
.
Доказательство.
а) необходимость.
Дано: Существует скалярное поле , такое что . Требуется доказать, что . Из условия теоремы имеем:
.
Следовательно, поле градиента не вихревое.
б) достаточность.
Дано: . Требуется доказать, что существует скалярное поле , такое что .
Из теоремы о независимости криволинейного
интеграла от пути интегрирования (*)
следует, что если
,
где
(выполнено условие
из (*)), то существует функция
такая, что
(выражение является полным дифференциалом
– условие (3) теоремы (*)). Следовательно:
.
Тогда
получаем, что
,
,
.
Следовательно:
,
что и требовалось доказать.
§24. Соленоидальные поля
В
екторное
поле
называется соленоидальным, если
,
то есть в поле нет ни источников, ни
стоков.
Если векторное поле - соленоидальное, то оно сохраняет интенсивность векторной трубки. Гидромеханический смысл этого утверждения: через любое ортогональное сечение векторной трубки за единицу времени протекает одинаковое количество несжимаемой жидкости.
Возьмём поверхность
.
Тогда поток векторного поля
через поверхность
равен:
.
Из
условия, что
и так как на поверхности
следует, что
,
то есть протекает равное количество
жидкости через площадки
и
.
Теорема 2: Для того, чтобы векторное
поле
было соленоидальным, необходимо и
достаточно, чтобы существовало векторное
поле
,
такое что
(без доказательства).
Векторное поле
,
такое что
называется векторным потенциалом
векторного поля
.
Всякое векторное поле можно разложить
на два компонента (
),
так что
и
.
§25.Ортогональные криволинейные системы координат. Координатные линии и поверхности. Параметры Ламе.
Будем говорить, что в трёхмерном
пространстве задана некоторая система
координат, если между точками пространства
и упорядоченными тройками чисел (
)
(где эти числа изменяются в определенных
пределах) установлено взаимно однозначное
соответствие. Предположим, что в этом
пространстве задана прямоугольная
система координат
и известна связь между координатами
,
,
и
,
,
,
то есть:
,
где
.
Если мы зафиксируем координаты и , и будем менять координату в допустимых для неё пределах, то мы получим координатную линию . Её радиус вектор имеет следующий вид:
,
где , , - орты прямоугольной системы координат. Точно так же определяются координатные линии и .
Через каждую точку трехмерного пространства проходит три координатные линии. Если в каждой точке некоторой системы координат координатные линии взаимно перпендикулярны, то такая система называется ортогональной. Далее будем рассматривать только ортогональные системы координат.
Если зафиксировать координату
,
а позволить изменяться
и
,
то получим координатную поверхность
,
заполненную координатными линиями
и
.
Такую координатную поверхность обозначим
либо (
,
).
Аналогично можно определить координатные
поверхности
,
.
У
становим
связь между изменением координат и
длинной отрезка. Для малых отрезков:
либо
.
Возьмём
некоторую координатную линию
.
Тогда изменение координаты
выразим через изменение координаты
:
.
Если
приращение
- малое, то
равно линейной части приращения. Тогда:
.
Получим, что дифференциал дуги координатной линии будет иметь вид:
.
(1)
Обозначим
.
Этот коэффициент называется коэффициентом
Ламе (Ламэ, Ляме).
П
одставляя
в (1) коэффициент Ламе, получим:
, (2)
Из этой
формулы следует, что
имеет смысл коэффициента пропорциональности
между малым изменением координаты и
длины дуги координатной линии.
Обозначим бесконечно малый прямоугольник
на координатной поверхности (
),
вырезанный координатными линиями (см.
рис. 24). Его площадь обозначим
.
Тогда, используя формулу (2), получаем:
.
.
А
налогично
можно получить формулу для двух
произвольных координатных линий, то
есть в общем случае:
,
где
.
Рассмотрим бесконечно малый параллелепипед,
вырезанный координатными плоскостями.
Подобно рассуждениям в рассмотренном
выше случае, объём
этого параллелепипеда равен:
.
(3)
Обозначим радиус-вектор одной из вершин параллелепипеда:
.
Пусть векторы
,
,
- касательные к координатным линиям
,
,
соответственно. Тогда
- сторона параллелепипеда (см. рис. 25), и
из (3) получаем:
.
В данном выражении в скобках стоит смешанное произведение трёх векторов. Тогда:
.
(4)
Из выражений (3) и (4) получаем выражение для коэффициентов Ламе:
.
