- •§1. Скалярные и векторные поля.
- •§2. Поверхности и линии уровня.
- •§3. Производная по направлению скалярного поля.
- •Контрольное задание 2.
- •§4. Градиент скалярного поля.
- •Контрольное задание 3.
- •§5. Векторные линии поля.
- •Контрольное задание 4.
- •§6. Линейный интеграл векторного поля.
- •Формула Грина.
- •Контрольное задание 5.
- •§7. Потенциальное векторное поле.
- •Примеры потенциальных полей.
- •Контрольное задание 6.
- •§8. Поток векторного поля.
- •Контрольное задание 7.
- •§9. Дивергенция векторного поля. Соленоидальное векторное поле.
- •Формула Остроградского – Гаусса.
- •Контрольное задание 8.
- •§10. Ротор (вихрь) векторного поля. Формула Стокса.
- •Контрольное задание 9.
- •§11. Операторы Гамильтона и Лапласа.
- •Дифференциальные операции второго порядка.
- •Запись дифференциальных операций второго порядка в операторной форме.
- •Контрольное задание 10.
- •Ответы к контрольным заданиям.
- •Список литературы.
- •Оглавление.
- •Скалярные и векторные поля. 4
Контрольное задание 9.
1. Вычислить
криволинейный интеграл
,
где L
– линия пересечения верхней полусферы
с цилиндром
.
L
пробегает
против хода часовой стрелки, если
смотреть из точки (0,0,3R).
2. Найти циркуляцию
векторного поля
вдоль замкнутого контура L,
составленного
из части винтовой линии
и
отрезка прямой, соединяющей точки
B(a,0,2π)
и A(a,0,0).
Движение происходит от точки B
к A
и далее к B.
3. Для векторного
поля
вычислить
,
циркуляцию поля
вдоль окружности
и выяснить, является ли поле
потенциальным в области
;
в области
?
4. Найти циркуляцию
поля
вдоль контура треугольника OABO
c
координатами вершин O(0,0,0),
A(1,1,2),
B(0,1,2).
Ответ
проверить с помощью формулы Стокса.
Найти максимальное значение циркуляции
по данному контуру.
§11. Операторы Гамильтона и Лапласа.
Определение 13.
Оператором
Гамильтона называют символический
вектор
(набла):
или
.
С помощью оператора Гамильтона можно кратко записывать операции над скалярными и векторными полями, доказывать некоторые утверждения векторного анализа. Данный оператор имеет и самостоятельное значение.
Операции первого порядка:
Умножая вектор на скалярную функцию , получим
:
Скалярное произведение вектора на вектор-функцию даёт :
.Векторное произведение вектора на вектор-функцию даёт :
Применять оператор нужно, соблюдая следующие правила:
Линейность оператора . Пусть
- вещественные или комплексные числа,
- скалярные или векторные функции. Тогда
Действие оператора на произведение функций.
.
(Символ «↓» указывает на объект действия оператора).
Докажем, например,
что
.
.
При доказательстве
воспользовались свойством смешанного
произведения векторов
.
Дифференциальные операции второго порядка.
Пусть в области G
заданы
скалярное поле
и векторное поле
,
такие, что функции
имеют в области G
непрерывные
частные производные второго порядка.
Тогда
и
- дифференцируемые векторные поля,
- дифференцируемое скалярное поле. В
этих случаях к полям
и
применимы
операции вычисления дивергенции и
ротора, а к полю
- операция вычисления градиента. Таким
образом, получим пять повторных операций:
,
,
,
,
.
Определение 14.
Операция
называется
оператором
Лапласа и
обозначается символом
(лапласиан):
.
Оператор Лапласа можно записать с
помощью оператора набла
:
.
При этом
.
Тогда
Определение 15.
Уравнение
в частных производных
или
называют уравнением Лапласа.
Дважды дифференцируемую
функцию
,
удовлетворяющую этому уравнению,
называют гармонической
в области G.
Для плоской области уравнение Лапласа
примет вид:
.
Примеры гармонических
функций:
,
,
.
Запись дифференциальных операций второго порядка в операторной форме.
- потенциальное
поле
является безвихревым полем.
- векторное поле
роторов соленоидально.
=
,где
- вектор-функция, полученная в результате
применения оператора Лапласа функциям
.
Определение 16.
Векторное
поле
называется гармоническим в области G,
если в этой области оно одновременно
является потенциальным и соленоидальным,
т.е. для любой точки гармонического поля
выполняются условия
и
.
Для односвязных областей из первого
условия следует, что
,
а из второго, что
,
т. е. функция φ,
потенциал поля – решение уравнения
Лапласа и гармоническая функция.
Пример 27.
Проверить гармоничность функции
.
функция
- гармоническая. Тогда поле
- гармоническое и
,
.
Пример 28.
Доказать
формулу
.
Доказательство.
При этом
.
Тогда
,
ч. т. д.
Пример 29. Найти
.
Решение.
С помощью оператора
имеем:
.
