中计算散度的函数_梯度、散度、旋度

一、麦克斯韦基于四元数观点导出散度与旋度

已知的最早的关于散度和旋度的描述都来自麦克斯韦1873年的《A Treatise on Electricity and Magnetism》(电磁通论)一书。因此,为了探明散度和旋度的物理意义,有必要回到那本1873年的专著来看。

麦克斯韦的观点(四元数观点)

麦克斯韦很大程度上继承了哈密顿的四元数观点。四元数论认为,四维空间中的一点可以通过通过

来表达,而三维空间中的一点
则可以通过
、
、
来表示。于是,麦克斯韦将三维空间中一点的位矢设置为
,将该位矢对应的向量函数称为
.

b60765de0603cc4012ef6662c9fd2c74.png

随后,麦克斯韦对

应用
算子。

535a5ece0ec809453950fa360648badd.png

根据四元数的乘法规则,

fc92324690246cbaf2cd5d54487f3497.png

可以得到所乘结果的标量部和向量部分别是

c67415e6730e6c906b573dbef8dc83f8.png

麦克斯韦发现,算子的标量部和向量部分别可以和两个定理对应起来。这两个定理就是位于其书中铺垫部分的第21节的定理三

通量指向一个闭合曲面内部的面积分,可以表示成在曲面内部所求散度的体积分

以及第24节的定理四

沿一条闭合曲线计算的一个线积分,可以用以该曲线为边的一个曲面上的面积分表示出来。

其实这两个定理就是高数中的高斯公式(将闭合曲面积分换成体积分)和斯托克斯公式(将环路线积分换成曲面积分)。
也就是说,麦克斯韦的思路是:通过数学计算证明高斯公式和斯托克斯公式 → 通过四元数计算得到

算子的标量部和向量部 → 把前两者联系起来 → 给出物理解释。

麦克斯韦认为,标量部的结果可以这么解释。假设
点的向量函数
的值为
,在审视
的邻域上的
的值时,根据高斯公式,如果围绕着
点画一个闭合曲面,此时若
在这曲面上的面积分是指向内部的,则原算子的标量部为正。而
点附近矢量在总的看来将是指向
的。

麦克斯韦建议把算子的标量部称为 convergence(散度)。早期教材也有称为敛度的。

076954df2bd274c7d5023870a9cf0d8d.png

至于算子的向量部,麦克斯韦认为,可以假设从该向量的方向来看。同样地,审视

的邻域上的
的值时,根据斯托克斯公式,这个差的矢量总的来说呈逆时针方向,并呈切线状。

麦克斯韦建议把算子的向量部称为 curl 或 version(旋度)。

4500406d8b15e67330d2294a5d83d588.png

参考:知乎解答 和 四元数的运算规则

二、现代电动力学里的物理意义

  1. 矢量场
    的散度
设闭合曲面
围着体积
,当
时,
对
的
通量与
之比的极限称为
的散度,即

2. 矢量场

的旋度
设闭合曲线
围着面积
,当
时,
对
的环量与
之比的极限称为
的旋度沿着该面法线的分量,即

3. 标量场

的梯度
设沿线元
上,标量场
的数值改变
,
称为梯度沿着
方向上的分量,即

4. 由以上定义可得积分变换

,其中
为区域
的界面;

,其中
为
的边界线。

于是在直角坐标系中利用微分算子

可得,

,
,
。

参考:《电动力学》

三、数学上的总结

矢量微分算子

为

在

的基础上,若函数
和矢量
有连续的一阶偏导数,则可作如下定义:
  1. 梯度

函数

的梯度定义为

2. 散度

矢量

的散度定义为

3. 旋度

矢量

的旋度定义为

4. 拉普拉斯算子

表示为

它作用于函数

有

它作用于矢量

有

5. 常用运算

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

,即
的
梯度的旋度为零

(10)

,即
的
旋度的散度为零

(11)

参考:渔樵《数学物理方法》

四、 一些不同的解释

(1)通量是单位时间内通过的某个曲面的量;散度是通量强度。

环流量是单位时间内环绕的某个曲线的量;旋度是环流量强度。

(2)散度:单位体积的通量。旋度:单位面积的环量。梯度:单位长度的变量。

(3)散度是闭合曲面围成空间中的通量除以围成空间体积,然后令曲面无限小。

旋度是闭合曲线围成面积中的环流除以围成范围面积,然后令曲线无限小。(这个闭合曲线围成的面要选择环流最大的那个面,而旋度的方向就是这个最大面的法线方向)

(4)从物理的角度这样理解:

散度就是点电荷的电量密度,可以通过对电量密度的体积分求电通量,反之亦然;

旋度就是导线的电流密度,可以通过对电流密度面积分求围绕导线一圈的磁场强度的闭合环路积分,反之亦然。同时旋度方向可理解为导线的电流方向。

(5)看了回答,感觉都没有回答到物理问题的核心。

不管是经典力学还是量子力学梯度对应的是空间动量,旋度对应的是空间角动量。
所有矢量都可以化为梯度场和旋度场。此即霍姆赫兹定理。梯度场的旋度为零,对应动量守恒。旋度场的散度为零,对应角动量守恒。

(6)流体力学

Divergence(散度)和Curl(旋度)的主要作用目前看来好像就是方便积分,其中Divergence Theorem和Stokes Theorem可以转化散度和旋度的复杂的积分到简单一点的形式。(其实也不是每一个转了之后都变得更好的)
物理上的理解也许采用流体力学的版本较好,一个点的散度测量水流流进和流出这个点的速率,一个点的旋度测量这个点水流旋转的快慢。

参考:知乎解答

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。
如若转载,请注明出处:http://www.tpcf.cn/news/529759.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

必须重启计算机才能关闭用户账户控制,Win10系统怎么彻底关闭用户帐户控制?...

大多是win10系统用户都知道,微软所推出的用户帐户控制能够限制一些病毒程序启动,从而较好的保护我们的电脑安全,以达到降低win10系统中毒的风险。可是每当我们运行一个程序的时候系统总会出现提示,感觉很烦,那么怎么永…

三菱plcfx5u指令手册_从西门子200的PLC程序来看三菱FX5U的PLC程序

小型PLC系统中西门子200系列和三菱的FX系列是应用的比较多的,作为工控行业的工程师是很有必要明白他们之间的一些不同点的,特别是从程序上来说,因此来写一篇文章,简单的聊聊他们在编程上的一下不同!西门子PLC和三菱PLC…

计算机应用领域变化,计算机应用领域与发展阶段.ppt

计算机发展简史;计算机是一种以电子器件为基础的,不需人的直接干顶,能够对各种数字化信息进行算术和逻辑运算的快速工具。“电脑”;计算机应用领域; 第一台电子计算机1946年 美国 ENIAC;计算机发展阶段;;在 ENIAC 里头,一共有17468只电子管&a…

cron 每10分钟执行一次_早餐儿子最爱它,简单卷一卷,10分钟做一大盘,三天两头吃一次...

早餐儿子最爱它,卷一卷特简单,10分钟做一大盘,三天两头吃一次。俗话说得好“早餐要吃好,午餐要吃饱,晚餐要吃少。”可见,早餐的重要性,一般早餐在一日三餐中占30%的热量,碳水化合物、…

计算机刚过国家线能调剂到哪些学校,2020考研:刚过国家线好不好调剂?这4个调剂策略!考生要知道...

原标题:2020考研:刚过国家线好不好调剂?这4个调剂策略!考生要知道近日,2020年全国硕士研究生基本分数线已经公布。对于340万左右的考研人来说,心中的那块石头终于有了着落,不管考得好或者不好&a…

生命银行怎么样_减脂就像是从“脂肪银行”中提款,想要成功,你要做到这两点...

本期内容,我们来深刻的聊一聊减脂,减肥。食物为什么会让你长胖?怎样快速的瘦下来?1 食物能量的储存人是铁,饭是钢,一天不吃饿得慌!食物是维持人体正常运转的唯一能量来源,被我们吃进…

计算机综合应用能力试题,计算机综合应用能力实训

计算机综合应用能力实训计算机综合应用能力实训单选题:1、应用倒角命令“chamfer”进行倒角操作时:A、不能对多段线对象进行倒角B、可以对样条曲线对象进行倒角C、不能对文字对象进行倒角D、不能对三维实体对象进行倒角2、不是环形阵列定义阵列对象数目和…

二次开发_企业ERP系统二次开发问题的探讨分析

新朋友点上方蓝字“ERP之家”快速关注导读:根据笔者多年在企业中实施及推进ERP,概的实战经验,阐述了ERP系统二次开发的必然性和二次发开的成因及存在的风险,提出如何合理地规避二次开发所带来的风险,值得为实施ERP系统…

计算机网络通信中常用的检错码,4月全国高等教育自学考试计算机网络与通信试题及答案解析...

《4月全国高等教育自学考试计算机网络与通信试题及答案解析》由会员分享,可在线阅读,更多相关《4月全国高等教育自学考试计算机网络与通信试题及答案解析(4页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。1、精品自学考试资料推荐全国 2018 年 4 月高等教育自学考试计…

西门子逻辑运算指令_西门子S7-200 SMART逻辑运算指令应用实例

本篇我们通过一个实例来讲解一下西门子S7-200 SMART逻辑运算指令在程序中的使用。要求将VW2和VW4中的数据进行逻辑与后,送到VW6。首先我们双击电脑桌面上的STEP7-Micro/WIN SMART图标,打开编程软件,从指令树的位逻辑中选择一个常开触点拖放到…

计算机教案画圆形和方形,画方形和圆形的教案

教学目标1. 通过对长方体、正方体、圆柱底面的观察,及摸一摸、画一画等体验活动,直观认识长方形、正方形和圆,知道这些常见图形的名称,能识别这些图形,初步了解这些图形在日常生活中的应用。2. 在现实有趣的学习情境中…

计算机仿真随机数生成,伪随机数生成器研究

摘要:本文主要考虑了基于计算复杂性定义的伪随机数生成器.介绍了单向函数与伪随机数生成器之间的关系以及几种常见的基于离散对数问题,DDH问题的伪随机数生成器.在分析了它们的安全性和效率的同时也提出了改进方法. 针对基于离散对数问题的IRG生成器,本文指出它在每…

强行终止python_中国的真实离婚率:一点也不高,反而低的惊人 | 用python计算离婚率...

3600字。现在的网络上,似乎普遍有一种共识,那就是中国的离婚率高的吓人。 各种耸人听闻的标题,比如什么“北上广深等一线城市离婚率高达40%”、“天津的离婚率高达70%”……搞得人心惶惶。有网友对此提出质疑,说,我怎么…

小学计算机课评课用语,信息技术评课心得

本轮全员性听课小学组共有4位教师上课,分别是王强执教的《键盘的认识》;付小俊执教的《小海龟画小旗》;章力执教的《excel公式的认识》;武曲执教的《画画我的四叶草》。1、第一节课,《键盘的认识》,因为小学…

单片机拼字程序怎么做_餐饮怎么用微信小程序?餐饮行业怎么做小程序

随着移动互联网的发展,互联网餐饮这种新型餐饮模式已经发展到了很成熟的地步。很多餐厅都会觉得,自己的活动很有吸引力,但是推广力度不够,不能迅速营造人气,提升收益。对于餐饮人来说,微信是主要的传播渠道…

计算机基础ABCDEF,计算机应用基础_在线作业ABCDEF.docx

--WORD格式---可编辑----ABCDEF1 / 49A1.多媒体计算机的声卡可以处理的主要信息类型是______。动画音频视频音频与视频本题分值:5.0用户得分:5.0用户解答:音频知识点:2."32 位微机 "是指它所用的CPU是 ______。只能处理…

python基本符合_python 3-3(2019-11-06 ) Python基础 (三)

-- coding: utf-8 --Time : 2019/11/6 9:06Author : Nix ChenFile : demo9_20191106.pySoftware: PyCharm列表列表是Python中内置有序可变序列,所有元素放在[],每个元素使用逗号可开创建列表list1 [鲁班, 安琪拉, 狄仁杰, [科比, 乔丹, 詹姆斯], 111, 99.9]# 列表的访问# 列表…

事业单位综合应用能力计算机,最新事业单位统考-综合应用能力C类梳理精华.pdf...

精品好文档,推荐学习交流精品好文档,推荐学习交流综合应用能力C类综合应用能力C类目录目录2第一章 概述 2第一章 概述2一、试卷结构 2一、试卷结构2二、题型分布与具体分值 2二、题型分布与具体分值3.第二章 科技文献阅读题 3.第二章 科技文献阅读题…

elementui中同时上传多个文件_element ui 上传文件,批量一次上传多个文件,为什么是发送了多次请求,我想一次请求,然后发送多个文件怎么实现呢?...

想要的效果是 用户一次选择的文件一个接口上传完毕,但是element ui 里面是上传了多次一次一个文件的形式上传的为4参数的接口调用了 多次执行的上传,我想上传一次 多个文件的 怎么实现呢?因为element ui 里面的列表和我们的需求不一致 我重写…

测试金士顿固态硬盘软件,金士顿固态硬盘优化工具(Kingston Toolbox)

金士顿固态硬盘优化工具KingstonToolbox是金士顿官方出品的SSD优化工具,通过软件能够对金士顿的固态硬盘进行优化设置,同时软件还支持对硬盘进行固件升级,有需要的可以下载使用。金士顿固态硬盘优化工具(Kingston Toolbox)是金士顿官方出品的…