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散度跟梯度有什麼區别

生活 更新时间:2024-12-20 02:19:10

散度跟梯度有什麼區别(如何理解和區分旋度)1

散度和旋度是向量場的兩種度量,它們在很多應用中都非常重要。這兩者都很容易理解,隻需把向量場看成是液體或氣體的流動;也就是說,向量場中的每個向量都應該被解釋為一個速度向量

倒三角符号

假設有一個三個變量的函數——比如說,房間裡的溫度:T(x, y, z)。我們想把“導數”的概念推廣到像T這樣的函數,它依賴于三個變量而不是一個變量。

梯度具有向量的形式:

散度跟梯度有什麼區别(如何理解和區分旋度)2

括号中的項是向量微分算子,被稱為哈密頓算子或倒三角算子(nabla operator或 del operator):

散度跟梯度有什麼區别(如何理解和區分旋度)3

準确地說,哈密頓算子是一個作用于T的向量算子,而不是一個乘以T的向量。

可以看出,标量函數的梯度具有非常不同的物理意義。梯度具有以下一般屬性:

  • 它作用于一個标量函數并得到一個向量函數。
  • 梯度總是指向标量函數中變化最大的方向。
  • 梯度垂直于一個定值曲面。這個性質将被廣泛地用于确定向量場的方向。

哈密頓算子作用的方式有三種:

  1. 對于标量函數T:(梯度);∇T
  2. 對于向量函數v(x,y,z),通過點積:(散度)∇⋅v
  3. 對于向量函數v(x,y,z),通過叉乘:(旋度)∇×v

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  • 倒三角符号可能不顯示

散度

從哈密頓算子的定義出發,構建散度:

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向量函數v的散度本身是一個标量。向量函數v的散度本身是一個标量

“散度”的名字選擇得很好,因為∇(倒三角)⋅v是向量v從一個點散開(散度)的度量值。例如下圖1中的向量函數。(a)中函數的散度較大(箭頭指向外,是正散度);(b)中函數的散度為零;(c)中的函數的散度也是正的。

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  • 圖1

想象一下站在池塘邊。在水面撒上一些木屑;如果木屑散開了,你就是把它們丢在正散度的點;如果它聚集在一起,則你是把它們丢在負散度點。這個模型中的矢量函數v是水的速度,這是一個二維的例子。

例:假設圖1中的函數為

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計算散度,

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旋度

根據哈密頓算子的定義,我們構造旋度:

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注意,向量函數v的旋度,是一個向量。

“旋度”也是個好名字,因為∇(倒三角)× v是向量v圍繞一個點旋轉的度量。因此,圖1中的三個函數都具有零旋度,而圖2中的函數具有相當大的旋度,指向z方向(右手自然法則)。

散度跟梯度有什麼區别(如何理解和區分旋度)10

  • 圖2

再想象一下,站在池塘邊。你放個小紙船到池塘裡,如果紙船旋轉了,那麼你就是把它放在了一個非零旋度的點上。漩渦是一個旋度很大的區域。

例:假設函數如圖2所示

散度跟梯度有什麼區别(如何理解和區分旋度)11

計算旋度

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這些旋度指向 z方向。順便說一句,它們散度都是零。

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