本文最后更新于 2024年9月29日 下午
B 站链接:西工大-马啸-姜礼尚《数学物理方程讲义》
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基础知识回顾
场论
梯度
定义
设 u 是数量函数,则梯度
grad u=∇u=(∂x∂u,∂y∂u,∂z∂u)
其中,定义算子:
∇=(∂x∂,∂y∂,∂z∂)
性质
- 若 u,v 是数量函数, 则
∇(u+v)∇(u⋅v)∇(u2)=∇u+∇v=u∇v+v∇u=2u(∇u).
- 若 r=(x,y,z),ϕ=ϕ(x,y,z), 则
dϕ=ϕxdx+ϕydy+ϕzdz=(ϕx,ϕy,ϕz)⋅(dx,dy,dz)=dr⋅∇ϕ.
- 若 f=f(u),u=u(x,y,z), 则
∇f=(∂x∂f,∂y∂f,∂z∂f)=(∂u∂f⋅∂x∂u,∂u∂f⋅∂y∂u,∂u∂f⋅∂z∂u)=∂u∂f()=f′(u)∇u.
散度
定义
A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)) 为空间区域 V 上的向量函数, 对于 V 上任意点 (x,y,z), 定义散度为:
div f=∇⋅f=∂x∂fx+∂y∂fy+∂z∂fz
设 n=(cosα,cosβ,cosγ) 为曲面的单位法向量, 则 dS=ndS 称为面积元素向量,则
Gauss 公式可以写成如下形式:
∭V∇⋅AdV=∬SA⋅dS
性质
- 若 u,v 是向量函数, 则:
∇⋅(u+v)=∇⋅u+∇⋅v
- 若 ϕ 是数量函数, F 是向量函数, 则
∇⋅(ϕF)=ϕ∇⋅F+F⋅∇ϕ
- 若 ϕ=ϕ(x,y,z) 是一数量函数, 则
∇⋅∇ϕ=∂x2∂2ϕ+∂y2∂2ϕ+∂z2∂2ϕ=Δϕ
旋度
定义
A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)) 为空间区域 V 上的向量函数, 对于 V 上任意点 (x,y,z), 定义旋度为:
rotA=(∂y∂R−∂z∂Q,∂z∂P−∂x∂R,∂x∂Q−∂y∂P)=i∂x∂Pj∂y∂Qk∂z∂R=∇×A
Green 公式
有 P(x,y),Q(x,y)∈C1(Ω)∩C2(Ω), 则:
Ω∬∂x∂P∂y∂Qdxdy=∂Ω∫Pdx+Qdy
或者由 dx=−cos(n,y)dS,dy=cos(n,x)dS,有:
Ω∬(∂x∂Q+∂y∂P)dxdy=∂Ω∫Qcos(n,x)+Pcos(n,y)dS
设 P,Q,R∈C1(V),S=∂V,则:
V∭(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dxdydz=∬Pdydz+∬Qdxdz+∬Rdxdy
Gauss 公式
Gauss 公式可写为如下向量形式:
V∭divAdV=∂V∬A⋅dS=∂V∬A⋅ndS
其中,n=(cos(n,x),cos(n,y),cos(n,z))
Gauss 公式常用变体
1. 取 A=∇u
V∭ΔudV=∂V∬∇u⋅dS=∂V∬∇u⋅dndS=S∬∂n∂udS
2. 格林第一公式
- 取 A=u∇v:
V∭uΔvdV=∂V∬u∂n∂vdS−V∭∇u⋅∇vdV
- 同理,取 A=u∇v 可得,
V∭vΔudV=∂V∬v∂n∂udS−V∭∇u⋅∇vdV
3. 格林第二公式
将格林第一公式的上下两式相减即得:
V∭vΔu−uΔvdV=∂V∬v∂n∂u−u∂n∂vdS
Stokes 公式
旋度定理
设 S 是分片光滑的有向曲面,S 的边界为有向闭曲线 Γ,即 Γ=∂S,且 dS 的正向与 S 的正向一致。设函数 P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z) 都是定义在 曲面 S 连同其边界 Γ 上且都具有一阶连续偏导数的函数,则有:
S∬(∂y∂R−∂z∂Q)dydz+(∂z∂P−∂x∂R)dzdx+(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy=Γ∮Pdx+Qdy+Rdz
可以形式化地写成:
S∬cosα∂x∂Pcosβ∂y∂Qcosγ∂z∂RdS=S∬i∂x∂Pj∂y∂Qk∂z∂RdS=Γ∮Pdx+Qdy+Rdz
用微分算符可写成:
S∬∇×F⋅dS=∂S∮F⋅dr