Главная > Курс высшей математики, Т.2
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

120. Скалярное поле и его градиент.

Если некоторая физическая величина имеет определенное значение в каждой точке пространства или части пространства, то таким путем определяется поле этой величины. Если данная величина есть скаляр (температура, давление, электростатический потенциал), то и поле ее называется скалярным. Если же данная величина есть вектор (скорость, сила), то поле, ею определяемое, называется векторным [112].

Начнем с исследования скалярного поля. Для задания такого поля достаточно определить функцию точки

Так, например, нагретое тело дает скалярное поле температуры. В каждой точке М тела температура имеет определенное значение, которое может меняться от точки к точке.

Возьмем определенную точку и проведем через нее прямую, причем придадим этой прямой определенное направление (рис. 88). Рассмотрим значение функции U (М) в самой точке близкой к ней точке на взятой прямой . Предел отношения

если он существует, называется производной от функции по направлению и обозначается так:

Эта производная характеризует быстроту изменения функции в точке М в направлении Отметим, что число может быть как положительным, так и отрицательным. Если направление от совпадает с направлением то это число положительно. При замене направления противоположным число меняет знак, и производная по направлению лишь знаком отличается от производной по направлению . Будем считать, что в каждой точке М некоторой области функция имеет производную по любому направлению и что производная по любому фиксированному направлению есть непрерывная функция точки М в Дальнейшие рассуждения будут относиться к упомянутой области.

Рис. 88.

Как мы видим, функция имеет в каждой точке бесчисленное множество производных, но нетрудно показать, что производная по любому направлению выражается через производные по трем взаимно перпендикулярным направлениям по формуле

Заметим прежде всего, что при составлении производной (26) мы могли бы проводить через точку М не прямую, а какую-нибудь направленную кривую Вместо формулы (26) нам надо было бы рассматривать предел

Этот предел есть очевидно не что иное, как производная от функции по длине дуги s взятой кривой , и, пользуясь правилом дифференцирования сложных функций, мы можем написать

Но, как известно суть направляющие косинусы касательной к линии (L) в точке М, и в случае, когда (L) есть прямая, мы и получаем как раз формулу (27). Кроме того, формула (28)

показывает, что производная по кривой совпадает с производной по направлению , касательному к кривой в точке М.

Рис. 89.

Введем теперь в рассмотрение поверхности уровня нашего скалярного поля. Эти поверхности характеризуются тем условием, что во точках такой поверхности функция сохраняет одно и то же постоянное значение С. Придавая этой постоянной различные численные значения, получим семейство поверхностей уровня Будем считать, что через каждую точку М некоторой области о проходит гладкая поверхность уровня. Для случая нагретого тела поверхности уровня суть поверхности равной температуры. Пусть (S) есть поверхность уровня, проходящая через точку М (рис. 89).

Введем в этой точке три взаимно перпендикулярных направления: направление нормальное к поверхности , к два направления лежащих в касательной плоскости. Направления являются касательными к некоторым кривым лежащим на поверхности уровня. Вдоль этих кривых функция сохраняет постоянное значение, а потому

Возьмем теперь любое направление . Применяя формулу (27) к трем взаимно перпендикулярным направлениям и принимая во внимание (29), будем иметь

Вели мы отложим на направлении вектор, равный учетом знака , то, согласно (30), проекция этого вектора на любое направление дает производную

Построенный по вышеуказанному правилу вектор называется градиентом функции U (М), т. е. градиентом скалярного поля называется векторное ноле, построенное по следующему правилу: в каждой точке вектор направлен по нормали к соответствующей поверхности уровня, а по алгебраической величине равен производной от функции по направлению упомянутой нормали. Градиент скалярного обозначается символом grad U (М), и формула (30) может быть записана в виде

где есть проекция вектора на направление .

Нетрудно видеть, что выбор направления нормали к поверх пости уровня (S) не влияет на направление Этот вектор всегда направлен в ту сторону нормали к (S), куда функция возрастает.

Отнесем пространство к декартовой системе координат XYZ Вместо можем писать и величины проекций вектора на указанные оси равны частным производным функции по

Упомянутое выше определение градиента с помощью поверхностей уровня может оказаться неприменимым, например, в таких точках, где поверхность уровня вырождается в точку или линию, а также если эта поверхность не имеет определенной касательной плоскости. Рассмотрим три функции:

В точке (0,0,0) поверхность уровня вырождается в точку, — в линию (ось OZ), а уравнение есть совокупность двух плоскостей, проходящих через ось OZ, и в точках этой оси указанная поверхность уровня не имеет определенной касательной плоскости. Для всех трех функций частные производные первого порядка равны нулю в точке (0, 0, 0), и в этих точках градиент указанных функций надо считать равным нулю (нулевой вектор).

Примеры. I. Поле тяготения, которое мы рассматривали в (90), приводит к скалярному полю потенциала тяготения

где есть плотность материи, занимающей объем и — расстояние точки М до переменной точки интегрирования. Мы имели следующие выражения для слагающих силы тяготении:

где — составляющие вектора силы F. Отсюда непосредственно в следует, что вообще т. е. векторное поле силы тяготения есть градиент потенциала Работа силы тяготения выражается формулой

т. e. работа эта выражается разностью потенциала в точках А и В.

Последним свойством обладает, очевидно, всякое консервативное силовое поле, т. е. такое поле, для которого Часто потенциалом называют не самую функцию

Если различные точки тела имеют различную температуру в поле будет происходить движение тепла от более нагретых частей к менее

нее нагретым. Возьмем какую-нибудь поверхность и на ней малый элемент около точки М. В теории теплопроводности принимается, что количество тепла , проходящего через элемент за время пропорционально и нормальной производной температуры т. е.

где k — коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом внутренней теплопроводности, а направление нормали к

Построим вектор — и , который называется вектором потока тепла; знак мы ставим в силу того, что тепло течет от более высоких температур к более низким, а вектор направлен по нормали к поверхности уровня в сторону возрастания функции . В силу формулы (32) можно сказать, что количество тепла проходящее за время через элемент будет

Отметим, что мы рассматриваем изотропное тело. Если оно однородно, то k — постоянная. При неоднородности тела k — функция точки.

1
Оглавление
email@scask.ru