多变量微积分笔记23——散度定理

  散度定理,又称为高斯散度定理、高斯公式、高斯-奥斯特罗格拉德斯基公式或高-奥公式,是指在向量分析中,一个把向量场通过曲面的流动(即通量)与曲面内部的向量场的表现联系起来的定理。它经常应用于矢量分析中。矢量场的散度在体积D上的体积分等于矢量场在限定该体积的闭合曲面s上的面积分。

散度定理

  散度定理是三维空间中的格林公式,大概是这样说的:如果S是一个封闭曲面,D是被曲面封闭的空间,n是指向D外侧的单位法向量,F = Pi + Qj + Rk是空间向量场,它在D上处处可微,则曲面S的通量等于散度在D上的体积积分:

  如果结合梯度,散度定理还有另一种写法:

 

  在介绍空间向量场中的通量时,看过这个示例:以a为半径的球面内,求向量场F = <0,0,z>的通量。

  当时是用了球坐标系进行转换,最终得到结果是4πa3/3,现在可以使用散度定理直接计算:

 

综合示例

示例1

  如下图所示,求半径为r的半球,最在场F = yj中的半球球面的通量。

  因为散度定理要求曲面闭合,所以这里不能直接使用散度定理。如果设球面是S1,半球在xz轴的切面是S2,由于S1和S2形成了闭合的曲面,所以:

示例2

  如下图所示,圆柱体轴心是z轴,底面中心点是原点,半径是R,高是h,求柱体在F = <x4y, -2x3y2, z2>中的通量。

  闭合曲面,直接套公式:

  

  使用柱坐标转换:

 

示例3

  正方体在向量场F = <x,y,z>/ρ3中,ρ = (x2 + y2 + z2)1/2

  a)       如果向量场中正方体中处处有定义,证明封闭曲面的通量是0;

  b)       如果正方体的几个顶点是(±2, ±2, ±2),能否根据a的结论认为正方体表面的通量是0?

 

  a)

  根据散度定理,如果闭合曲面在向量场中处处可微,则流过闭合曲面的通量等于散度在闭合曲面的体积积分:

  b)

  答案是No,因为在0点处不可微,所以不能直接使用散度定理。


作者:我是8位的

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