Коваленко Л.И. Элементы векторного анализа
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Московский физико-технический институт Кафедра высшей математики
Методические указания
по математическому анализу для студентов второго курса
ЭЛЕМЕНТЫ
ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
Второе издание
Москва 2001
Составитель: Л.И.Коваленко
УДК 517
Методические указания по математическому анализу для студентов второго курса. Элементы векторного анализа. МФТИ, 2001.
Излагаются основные понятия векторного анализа, формулы Остроградского–Гаусса и Стокса, приемы набла-техники. Доказываются первая и вторая формулы Грина в пространстве. Все демонстрируется на задачах, решение которых приводится. Система координат предполагается декартовой прямоугольной, причем правой.
В настоящее издание добавлено несколько задач, требующих умения работать с терминами поля как в векторной, так и в координатной форме. Внесены другие изменения.
Автор выражает глубокую благодарность чл.-корр. РАН Л.Д. Кудрявцеву, проф. М.И. Шабунину, чл.-корр. РАО Г.Н. Яковлеву, чьи отличные лекционные курсы математического анализа послужили основой для написания данного учебного пособия.
Автор благодарит О.А.Пыркову и Д.А.Терешина за предложения и замечания, которые были учтены при подготовке этого издания.
ОГЛАВЛЕНИЕ
§ 1. |
Скалярные и векторные поля. Производная по напра- |
|
|
§ 2. |
влению и градиент скалярного поля . . . |
. . . . . . . |
4 |
Дивергенция и поток векторного поля. |
Формула |
|
|
§ 3. |
Остроградского–Гаусса в терминах поля |
. . . . . . . |
7 |
Соленоидальные векторные поля . . . . . |
. . . . . . . |
14 |
§4. Циркуляция векторного поля. Потенциальные век-
торные поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
§5. Ротор векторного поля. Формула Стокса в терминах поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Механический смысл ротора . . . . . . . . . . . . . . . 20
§6. Однократное применение оператора Гамильтона . . . 26
Правила работы с r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
Градиент одного вектора по другому . . . . . . . . . . |
29 |
§ 7. Повторное применение оператора Гамильтона . . . . |
32 |
Формулы Грина в R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
34 |
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
36 |
4Л.И. Коваленко. Элементы векторного анализа
§1. Скалярные и векторные поля. Производная по направлению и градиент скалярного поля
Определение 1. Говорят, что в области G задано скалярное (или векторное) поле, если каждой точке M G поставлено в соответствие некоторое число F (M) (или век-
тор a(M)).
Поле температуры внутри некоторого нагретого тела
— это скалярное поле. Поле гравитационное — векторное поле.
Если дано некоторое скалярное или векторное поле в области G R3, то, введя систему координат, можно представить скалярное поле в виде некоторой функции F (x, y, z), а векторное поле — в виде вектор-функции a = = (P (x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z)).
Пусть в области G R3 задано скалярное поле f(M). Проведем луч через точку M0 G в направлении век-
тора l, |l| = 1.
Определение 2. Производной скалярного поля f в точке M0 по направлению l называется предел
∂f |
|
f(M) |
f(M0) |
→ |
|
|
|
|
|
|
M M = tl, t > 0, (1) |
|
(M0) = lim |
− |
, |
||
∂l |
−−−−0 |
||||
t→+0 |
t |
|
|
|
если он существует.
Введя систему координат, представим заданное скалярное поле в виде функции f(x, y, z).
Величину, задаваемую формулой (1), называют произ-
водной функции f(x, y, z) по направлению l. Утверждение 1. Если функция f(x, y, z) в точке M0
дифференцируема, то она в этой точке имеет производную по любому направлению l и эта производная находится по формуле
|
|
|
§ 1. Скалярные и векторные поля |
5 |
||||
|
∂f |
(M0) = |
∂f |
(M0) cos α+ |
∂f |
(M0) cos β + |
∂f |
(M0) cos γ, (2) |
|
|
|
|
|
||||
|
∂l |
∂x |
∂y |
∂z |
где cos α, cos β, cos γ — направляющие косинусы вектора l.
Пусть функция f(x, y, z) дифференцируема в области G.
Определение 3. Вектор ∂f∂x , ∂f∂y , ∂f∂z называется
градиентом скалярного поля f, или градиентом функции f(x, y, z), и обозначается grad f.
Операцию перехода от скалярного поля f к grad f обозначают, следуя Гамильтону, символом r (читается «на-
бла») и называют оператором «набла», или оператором
Гамильтона. Таким образом, по определению |
|
||
|
|
rf = grad f. |
(3) |
Формулу (2) можно переписать в следующем виде, учи- |
|||
тывая, что |l| = 1: |
|
||
|
∂f |
|
|
|
|
(M0) = (l, rf) = |rf| cos ϕ, |
(4) |
|
∂l |
где ϕ — угол, образованный l и grad f в точке M0. Отсюда следует, что если | grad f(M0)| 6= 0, то в точке M0 производная функции f по направлению достигает наибольшего значения только по направлению grad f (cos ϕ = 1), при этом
∂f
max ∂l (M0) = |rf(M0)|.
Итак, в каждой точке, в которой | grad f| не равен нулю, направление grad f — это направление наибольшего роста f (оно единственно), а длина его равна скорости возрастания f по этому направлению.
Если | grad f| = 0 в данной точке, то в этой точке производные функции f по всем направлениям равны нулю.
Таким образом, установлено, что градиент скалярного поля зависит лишь от самого поля, но не от выбора системы координат.
Пусть |rf(M0)| 6= 0. Пусть f(x, y, z) = C — поверх-
6Л.И. Коваленко. Элементы векторного анализа
ность уровня в точке M0. Уравнение касательной плоскости в точке M0 к этой поверхности имеет вид
∂f |
(M0)(x−x0) + |
∂f |
(M0)(y −y0) + |
∂f |
(M0)(z −z0) = 0. (5) |
∂x |
∂y |
∂z |
Из этого равенства следует, что если | grad f| в точке не равен нулю, то grad f направлен по нормали к поверхности уровня, проходящей через эту точку.
Все изложенное переносится на случай плоского скалярного поля. Соответственно в формуле (2) будет два слагаемых, в уравнении (5) — тоже. Это — уравнение касательной к линии уровня в точке M0.
2 |
2 |
2 |
|
|||
Задача 1. Для функции Φ = |
x |
+ |
y |
+ |
z |
найти произ- |
2 |
2 |
2 |
||||
|
a |
|
b |
|
c |
водную по направлению внутренней нормали к цилиндрической поверхности x2 + z2 = a2 + c2 в точке M0(a, b, c).
Р е ш е н и е. Пусть f(x, y, z) = x2 + z2. Данная в условии поверхность — это поверхность уровня для f, проходящая через точку M0. Имеем
rf(M0) = (2a, 0, 2c).
Функция f в точке M0 растет быстрее всего по направлению grad f, значит, по направлению нормали к заданной поверхности. Исходя из вида функции f, заключаем, что это — направление внешней нормали. Следовательно, единичный вектор внутренней нормали в точке M0 будет
l = |
|
−2a |
|
, 0, |
|
|
|
−2c |
|
|
= |
|
−a |
, 0, |
|
|
|
−c |
. |
|||||||||||||
|
|
√4a2 + 4c2 |
|
√4a2 + 4c2 |
|
√a2 + c2 |
|
√a2 + c2 |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Имеем rΦ = |
|
2x |
|
, |
2y |
, |
|
2z |
|
. По формуле (4) получаем |
|||||||||||||||||||||
a2 |
b2 |
c2 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
∂Φ |
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
2a |
|
|
|
c |
|
|
|
2c |
|
4 |
|
|
|||||||||
|
|
(M0) = − |
√ |
|
|
· |
|
|
− |
√ |
|
· |
|
= − |
√ |
|
. |
|||||||||||||||
|
∂l |
|
|
a2 |
c2 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
a2 + c2 |
|
a2 + c2 |
a2 + c2 |
О т в е т. − √ 4 . a2 + c2
Задача 2. Пусть a — постоянный вектор, |a| 6= 0, r —
§ 2. Дивергенция и поток. Формула Остроградского–Гаусса 7
радиус-вектор произвольной точки M R3, проведенный из фиксированной точки O. Найти grad |[r, a]|3.
Р е ш е н и е. Введем декартову прямоугольную правую
a
систему координат 0, i, j, k, k = |a|. Тогда имеем a = (0, 0, |a|), r = xi + yj + zk,
i j k
[r, a] = x y z = |a|(yi − xj),
|
|
|
0 |
|
a |
|[r, a]| = |a|(x2 + y02)1/2, |
| |
||[r, a]|3 = |a|3(x2 + y2)3/2. |
Далее находим (см. определение 3)
grad |[r, a]|3 = 3|a|3(x2 + y2)1/2(xi + yj) = 3|a|2|[r, a]|(r − zk).
А так как z = (r, k) = r, |
a |
, то получим |
|
|
||
|a| |
|a| |
= |
||||
grad |[r, a]|3 = 3|a|2 |[r, a]| r − |
r, |a| |
|||||
|
|
|
|
a |
a |
|
= 3 |[r, a]| (r (a, a) − a (a, r)) .
Используя формулу для двойного векторного произведения [A, [B, C]] = B (A, C) − C (A, B), окончательно получаем grad |[r, a]|3 = 3 |[r, a]| [a, [r, a]] .
От в е т. 3 |[r, a]| [a, [r, a]].
§2. Дивергенция и поток векторного поля. Формула Остроградского–Гаусса
втерминах поля
Определение 4. Пусть в области G R3 задано векторное поле a = (P, Q, R) с непрерывно дифференцируемыми компонентами.
Дивергенцией векторного поля a называется скалярная функция
8Л.И. Коваленко. Элементы векторного анализа
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
div a = |
∂P |
|
|
+ |
∂Q |
+ |
|
∂R |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
Задача |
3. а) |
|
Вычислить |
div(grad f(r)), |
|
|
где r |
= |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
|
|
x2 + y2 + z2 |
, f(r) — дважды непрерывно дифферен- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
цируемая функция |
. |
|
б |
) |
В каком случае |
div grad f(r) = 0? |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
Р е ш е н и е. а) Вычислим grad f(r) = (P, Q, R). Имеем |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
∂f(r) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
P = |
|
|
|
|
|
= f0(r) · |
|
|
|
grad f = f0(r) · |
|
|
|
, |
(6) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
∂x |
|
|
r |
r |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
где r — радиус-вектор точки (x, y, z). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Для вычисления div grad f найдем вначале |
∂P |
. Имеем |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
∂x |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∂P |
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
f00 |
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
+ x2 |
|
|
|
− |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
r |
|
r2 |
r3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Заменяя в полученном выражении x последовательно на |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y, потом на z, получаем аналогичные формулы для |
∂Q |
, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
||
|
∂R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂P |
|
|
|
|
|
|
|
|
∂Q |
|
|
|
|
∂R |
|
|
|
|
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
div grad f(r) = |
|
+ |
|
+ |
= f00 |
+ 2 |
. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
∂z |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
б) Решаем дифференциальное уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
|
|
|
|
dr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C0 |
|||||||||||||
f00 |
+2 |
|
= 0, f0 = u, u0 |
+2 |
|
|
|
= 0, |
|
|
|
= −2 |
|
, f |
0 = u = |
|
. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
r |
r |
|
u |
r |
r2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
f = |
C1 |
|
+ C2, Ci |
= const, i = 0, 1, 2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
div grad |
C |
|
|
|
|
= 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
+ C2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
О т в е т. |
а) f |
00 + 2 |
f0 |
; б) f = |
C1 |
|
+ C2, Ci — любые |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
r |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
постоянные, i = 1, 2. |
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
Определение 5. Пусть в области G R3 |
задано век- |
торное поле a = (P, Q, R) с непрерывными компонентами. Пусть S — ориентированная кусочно-гладкая поверхность, лежащая в области G, ν — единичный вектор нормали к поверхности, задающей ее ориентацию. Интеграл
§ 2. Дивергенция и поток. Формула Остроградского–Гаусса 9
ZZ
(a, ν) ds
S
называется потоком векторного поля a через поверхность S и обозначается
ZZ
a ds.
S
Имеем
ZZ ZZ ZZ
ads = (a, ν) ds = (P cos α+Q cos β +R cos γ) ds, (8)
S S S
где cos α, cos β, cos γ — направляющие косинусы нормали ν к поверхности S, задающей ее ориентацию.
Напомним, что система координат правая.
Пусть S — гладкая поверхность, имеющая явное пред-
ставление z = f(x, y), (x, y) D, D — область на плоско-
сти переменных x, y. |
Тогда поверхность S имеет векторное |
||||||
представление r = r(x, y) = (x, y, f(x, y)), (x, y) |
|
. |
|||||
D |
|||||||
Отметим, что угол между вектором |
|||||||
|
[rx, ry] |
1 |
|
|
|
||
n = |
|
= |
|
|
(−fx, −fy, 1) |
||
|[rx, ry]| |
q |
|
|||||
1 + fx2 + fy2 |
и вектором k = (0, 0, 1) острый.
Если вектор ν (см. (8)) совпадает с вектором n, то вычисление интеграла
ZZ
R cos γ ds
S
в силу того, что |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
+ fy2 |
q |
|
|
||
|
1 + fx2 |
|
|
|||
cos γ = |
|
|
, ds = 1 + f2 |
+ f2 dx dy, |
||
|
q |
|
|
x |
y |
|
|
|
|
|
|
|
сводится к вычислению такого двойного интеграла по области D:
10 |
|
Л.И. |
Коваленко. Элементы векторного анализа |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
ZZ |
R cos γ ds =ZZ R(x, y, f(x, y)) dx dy. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
S |
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично получаются формулы для вычисления ин- |
|||||||||||||||
тегралов |
S P cos α ds и |
S Q cos β ds (см. (8)) в случае яв- |
||||||||||||||
ного |
представления поверхности |
S |
в виде |
x = ϕ(y, z) — |
для |
|||||||||||
|
RR |
|
|
RR |
|
|
|
|
|
|||||||
первого интеграла и в виде y = ψ(x, z) — для второго. |
|
|
||||||||||||||
z |
Задача 4. Вычислить поток векторного поля |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
a = (z2 − x, 1, y5) |
|
|
|
|
|||||
3 |
|
~ν |
|
y |
через |
ориентированную внутренней |
||||||||||
|
S1 |
нормалью поверхность S: |
y2 |
= |
|
2x, |
||||||||||
S |
|
|
|
|
отсеченную плоскостями: x = 2, z = |
|||||||||||
S2 |
|
|
|
= 0, z = 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Р е ш е н и е. |
|
Согласно |
фор- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
0 |
|
2 |
x |
муле (8): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рис. 1 |
|
ZZ a ds =ZZ |
|
(z2 |
− x) cos α+ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
S |
|
S |
|
+ cos β + y5 cos γ |
|
ds, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
где cos α, cos β, cos γ — направляющие косинусы |
внутрен |
|||||||||||||||
|
|
- |
||||||||||||||
ней нормали к S. Имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
ZZ cos β ds =ZZ cos β ds +ZZ cos β ds, |
|
|
|
(9) |
|||||||||
|
|
|
S |
|
|
S1 |
|
|
|
S2 |
|
|
|
|
|
где (см. рис. 1) S1, S2 — части поверхности S, расположенные соответственно при y>0 и y60, S = S1 S2; cos β > 0
zна S2 и отличается лишь знаком
3от cos β в симметричных относи-
тельно плоскости (x, z) точках на
Dповерхности S1. Поэтому из (9)
|
|
|
|
|
|
следует, что |
- |
2 |
0 |
2 |
y |
||
|
|
Рис. 2 |
|
|
|
ZZ cos β ds = 0. |
S