- •Функции многих переменных
- •2. Найти . Переходя к сферическим координатам в окрестности точки , положим
- •Геометрический смысл частных производных функции двух переменных.
- •Касательная плоскость к поверхности, заданной в явном виде.
- •Якобиан.
- •2. Сосчитаем якобиан перехода от сферических координат к декартовым координатам. Напомним формулы:
- •Кратные интегралы
- •Замена переменных в двойном интеграле.
- •Вычисление тройного интеграла.
- •Криволинейные интегралы
- •Поверхностные интегралы
- •Поверхностный интеграл первого рода.
- •Связь интеграла по замкнутой поверхности с тройным интегралом по телу, ограниченному этой поверхностью. Формула Гаусса-Остроградского.
- •Элементы теории поля
- •Характеристики скалярного поля.
- •Характеристики векторного поля.
- •Оператор Гамильтона (набла-оператор).
- •Разложение произвольного векторного поля.
Оператор Гамильтона (набла-оператор).
Для упрощения
записи характеристик скалярных и
векторных полей был введен символический
векторный оператор, имеющий вид
.
Символическое «умножение» этого
оператора на какую-то величину означает,
что каждая из компонент
оператора
применяется к этой величине.
Например, если – скалярная величина, то
.
Для векторных
величин возможно как скалярное, так и
векторное умножение. Проследим, что
дадут такие произведения с
оператором
в случае векторного поля
.
Скалярное
произведение:
.
Векторное
произведение:
.
Отдельный интерес представляет определенный для скалярных полей оператор
.
Такой оператор
называется оператором Лапласа. Функции,
удовлетворяющие уравнению Лапласа
называются гармоническими
в
функциями.
Специальные векторные поля.
Потенциальным
полем
называется поле вектора
,
,
если существует скалярная функция
такая, что
или
.
При этом функция
называется потенциалом вектора
.
Необходимым и достаточным условием того, что поле вектора потенциально, является выполнение равенства
.
Итак, потенциальное векторное поле – это безвихревое, бесциркуляционное поле, так как циркуляция вдоль любого замкнутого контура согласно формуле Стокса равна нулю:
.
Пример потенциального поля – поле ньютоновского притяжения.
Соленоидальным
полем
называется поле вектора
,
,
если существует вектор-функция
,
,
такая, что
или
,
,
.
В этом случае вектор-функцию
называют векторным потенциалом вектора
.
Необходимым и достаточным условием того, что поле вектора соленоидально, является выполнение равенства
.
Необходимое и
достаточное условие соленоидальности
векторного поля на основе формулы
Гаусса-Остроградского обеспечивает
равенство нулю потока вектора поля
через любую замкнутую и ограничивающую
некоторое тело поверхность:
Рассмотрим в «векторную трубку». Так называют поверхность, состоящую из векторных линий, в сечении которой поперечником получается замкнутая кривая.
Возьмем замкнутую поверхность, состоящую из векторной трубки и двух поперечников. В соответствии со сказанным выше поток вектора поля через такую замкнутую поверхность равен нулю. Поток через боковую поверхность – векторную трубку – также равен нулю, так как по определению векторных линий направление вектора поля совпадает с направлением векторных линий, и значит, ортогонален к нормали к боковой поверхности. Таким образом, сумма потоков через поперечники внутрь (или вне) замкнутой поверхности равна нулю. Следовательно, в соленоидальном поле поток вектора поля через поперечные сечения векторной трубки сохраняет постоянную величину. Эта величина называется интенсивностью векторной трубки.
Разложение произвольного векторного поля.
Пусть , , – произвольное векторное поле. Покажем, что вектор может быть представлен как сумма двух векторов, один из которых представляет потенциальное, а другой – соленоидальное векторное поле.
Пусть вектор
.
Какой должна быть эта функция
,
чтобы вектор
был соленоидальным?
Поскольку
,
получим
,
то есть
.
Таким образом, чтобы разложить исходный
вектор
на сумму потенциального и соленоидального
векторов, необходимо сначала решить
уравнение Пуассона
.
Такое уравнение всегда имеет решение
(и даже бесчисленное множество решений).
Определив
,
мы получим потенциальный вектор
.
Теперь по построению вектор
соленоидальный. Следовательно, требуемое
разложение
построено.
