散度定理,又稱為高斯散度定理、高斯公式、高斯-奧斯特羅格拉德斯基公式或高-奧公式,是指在向量分析中,一個把向量場通過曲面的流動(即通量)與曲面內部的向量場的表現聯系起來的定理。它經常應用於矢量分析中。矢量場的散度在體積D上的體積分等於矢量場在限定該體積的閉合曲面s上的面積分。
散度定理
散度定理是三維空間中的格林公式,大概是這樣說的:如果S是一個封閉曲面,D是被曲面封閉的空間,n是指向D外側的單位法向量,F = Pi + Qj + Rk是空間向量場,它在D上處處可微,則曲面S的通量等於散度在D上的體積積分:
如果結合梯度,散度定理還有另一種寫法:
在介紹空間向量場中的通量時,看過這個示例:以a為半徑的球面內,求向量場F = <0,0,z>的通量。
當時是用了球坐標系進行轉換,最終得到結果是4πa3/3,現在可以使用散度定理直接計算:
綜合示例
示例1
如下圖所示,求半徑為r的半球,最在場F = yj中的半球球面的通量。
因為散度定理要求曲面閉合,所以這里不能直接使用散度定理。如果設球面是S1,半球在xz軸的切面是S2,由於S1和S2形成了閉合的曲面,所以:
示例2
如下圖所示,圓柱體軸心是z軸,底面中心點是原點,半徑是R,高是h,求柱體在F = <x4y, -2x3y2, z2>中的通量。
閉合曲面,直接套公式:
使用柱坐標轉換:
示例3
正方體在向量場F = <x,y,z>/ρ3中,ρ = (x2 + y2 + z2)1/2
a) 如果向量場中正方體中處處有定義,證明封閉曲面的通量是0;
b) 如果正方體的幾個頂點是(±2, ±2, ±2),能否根據a的結論認為正方體表面的通量是0?
a)
根據散度定理,如果閉合曲面在向量場中處處可微,則流過閉合曲面的通量等於散度在閉合曲面的體積積分:
b)
答案是No,因為在0點處不可微,所以不能直接使用散度定理。
作者:我是8位的