關於梯度、旋度和散度的直觀理解


轉載的,這很現實很直接,建議吃飯的時候別看。。。。

 

散度為零,說明是無源場;散度不為零時,則說明是有源場(有正源或負源)

若你的場是一個流速場,則該場的散度是該流體在某一點單位時間流出單位體積的凈流量. 如果在某點,某場的散度不為零,表示該場在該點有源,例如若電場在某點散度不為零,表示該點有電荷,若流速場不為零,表是在該點有流體源源不絕地產生或消失(若散度為負).

一個場在某處,沿着一無窮小的平面邊界做環積分,平面法向量即由旋度向量給定,旋度向量的長度則是單位面積的環積分值.基本上旋度要衡量的是一向量場在某點是否有轉彎.

 

梯度: 運算的對像是純量,運算出來的結果會是向量在一個純量場中,梯度的計算結果會是"在每個位置都算出一個向量,而這個向量的方向會是在任何一點上從其周圍(極接近的周圍,學過微積分該知道甚么叫極限吧?),純量值最小處指向周圍純量值最大處.

而這個向量的大小會是上面所說的那個最小與最大的差距程度"

舉例子來講會比較簡單,如果現在的純量場用一座山來表示,

純量值越大的地方越高,反之則越低.經過梯度這個運操作數的運算以后,

會在這座山的每一個點上都算出一個向量,這個向量會指向每個點最陡的

那個方向,而向量的大小則代表了這個最陡的方向到底有多陡.

 

散度: 運算的對像是向量,運算出來的結果會是純量

散度的作用對像是向量場,

如果現在我們考慮任何一個點(或者說這個點的周圍極小的一塊區域),

在這個點上,向量場的發散程度,

如果是正的,代表這些向量場是往外散出的.

如果是負的,代表這些向量場是往內集中的.

一樣,舉例子:

因為散度的作用對像是向量場,所以就不能用上面所講的山來想象,

這次要想象一個大廣場里擠了很多人,如果每個人都在到處走動,

是不是可以把每個人的行動都看成是一個向量,

假如現在某人放了一個屁,周圍的人(可能包含他自己)都想要趕快閃遠一點,

就會發現,在這塊區域的人都往這小塊區域以外的方向移動.

對啦..這就是散度(你也可以想說是閃遠一點的閃度....冷....),

大家如果散得越快,散得人越多,這個散度算出來就就越大.

 

旋度: 運算的對像是向量,運算出來的結果會是向量

旋度的作用對象也是向量場,這次直接用上面的例子來講:

如果現在散開的眾人都是直直的往那個屁的反方向散開,

這時候你看到這些人的動線是不是就是一個標准的幅射狀??

不過事實上,每個人在聞到屁的時候是不會確切的知道

屁到底是來自哪個方向的.

而可能會走錯方向,試過之后才發現不對勁,越找越臭.

這時候你看到眾人的走向不見得就是一個幅射狀(大家都徑向移動),

而可能有一些切向移動的成份在(以屁發點為中心來看)

旋度對應的就是這些切向移動的情況,相對來講,

散度對應的其實就是徑向移動的情況.

而一個屁,雖然可能會像上述的造成一些切向的移動,

但理論上來講,並不會使散開的眾人較趨向於順時鍾轉,或逆時鍾轉.

在這種情況,順時鍾轉的情況可以看作與逆時鍾轉的情況抵消,

因此,在這情況下,旋度仍然是零.

也就是說,一個屁能造成散度,而不會造成旋度....

而甚么時候是有旋度的呢??

如果這時候音樂一放,

大家開始圍着中間的營火手拉手跳起土風舞(當然是要繞着營火轉的那種啦)

這時候就會有旋度沒有散度啦.(剛剛一直放屁的那位跑出去找廁所的除外)

 

以上這三個,有一點一定要記得的.

不論是梯度,散度,旋度,都是一種local的量(純量,向量),

所考慮的都是任何一點(其周圍極接近,極小的小范圍)的情況.

以上舉的例子因為要容易了解,所以都是針對二度空間向量為例,

而且都是很大的東西,但廣場是一個點,營火晚會也是一個點,

納須彌於芥子,這就請自行想象吧.


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