散度与高斯公式
10-6第六节 高斯公式与散度
∂v ∂x
∂v ∂y
∂v ∂z
∂v ∂v ∂v = ∫∫ u cosα + cos β + cosγ dS ∂z ∂y ∂x Σ
移项即得所证公式. 移项即得所证公式
- 11 -
第六节
高斯公式与散度
二 通量与散度
1 通量
第 十 章 曲 线 积 分 与 曲 面 积 分
r 流速场, 速度为 v 流速场,穿过有向曲面 Σ 的流量 r r uu r r Φ = ∫∫ v ⋅ dS = ∫∫ v ⋅ ndS
r 电场, 电位移为 D 电场,穿过有向曲面 Σ 的电通量 r r uu r r Φ = ∫∫ D ⋅ dS = ∫∫ D ⋅ ndS Σ Σ r 磁场, 磁感应强度为 B 磁场,穿过有向曲面Σ 的磁通量 r r uu r r Φ = ∫∫ B ⋅ dS = ∫∫ B ⋅ ndS
r 为有向曲面指定侧的单位法向量。 其中 n 为有向曲面指定侧的单位法向量。
Σ
z
2 Σ 1
I=
Σ+Σ1
∫∫
− ∫∫
Baidu NhomakorabeaΣ1
用柱坐标
用极坐标
2
Σ1
− = ∫∫∫dxd ydz −(−1)
= ∫ dϕ 0 ρdρ ∫
0
Ω 2π
∫∫ (−x )dxd y
散度定理与高斯公式
散度定理与高斯公式
在研究电磁学、流体力学以及热传导等领域时,散度定理和高斯公
式是非常重要的数学工具。它们可以用于描述和解释物质和能量在空
间中的流动和分布规律。本文将深入探讨散度定理和高斯公式的概念、原理和应用,并通过实例展示其在实际问题中的作用。
一、散度定理
散度定理又称为高斯散度定理,它是微积分中的一个基本定理。简
单来说,散度定理描述了一个有向闭曲面上向量场的通量与该向量场
在该闭曲面所围成的体积之间的关系。下面我们来详细介绍一下散度
定理。
散度定理的数学表述如下:
对于向量场F,其连续可微函数,它的定义域为包围体V内的有界
区域D,其边界为闭曲面S。那么散度定理可以表示为:
∬S F·dS = ∭V div(F) dV
在这里,F·dS表示对于向量场F的通量积分,div(F)表示F的散度。从散度定理中可以看出,一个向量场的通量积分等于该向量场在体积
内的散度的体积分。
散度定理的应用非常广泛,包括但不限于以下几个方面:
1. 流体力学中的应用:通过散度定理可以计算一个流体的流出流量或流入流量,从而在实际应用中可以用于计算管道中的流体流速、流量、压力等参数。
2. 电磁学中的应用:散度定理可以描述电场与磁场的分布规律,并用于计算电场或磁场的总通量。
3. 热传导中的应用:散度定理可以用于描述热流在空间中的传导规律,并用于计算热量的传递率等参数。
二、高斯公式
高斯公式又称为高斯定理,它是微积分中的另一个基本定理。高斯公式是对于散度定理在三维空间中的一种特殊情况,即当闭曲面是一个球面时,散度定理被称为高斯公式。下面我们来详细介绍一下高斯公式。
微积分高斯公式与散度
3 :
取外侧。
(1)高斯公式表达了空间闭区域上的三重积分 与其边界曲面上的曲面积分之间的关系;
(2)使用高斯公式时的注意事项:
① P,Q, R分别是对什么变量求偏导数;
②是否满足高斯公式的条件;
③ 取的是闭曲面的外侧。
二、高斯公式的应用
例1、计算曲面积分
z
( x y)dxdy ( y zHale Waihona Puke Baiduxdydz
第六节 高斯公式与散度
一、高斯(Gauss)公式
定理:设空间闭区域 由分片光滑的曲面 围成,
函数 P( x, y, z),Q( x, y, z), R( x, y, z)在 上具有 一阶连续偏导数,则有公式:
P Q R
( )dV Pdydz Qdzdx Rdxdy.
x y z
其中 表示 的边界曲面的外侧。
3
其中 为柱面 x 2 y 2 1及
平面 z 0 z 3,所围成的空
间闭区域 的整个边界曲面
o1
y
1
的外侧。
x
例2、计算曲面积分
( x 2 cos y 2 cos z 2 cos )dS
z
其中 为锥面 x2 y2 z2介于平
h
面 z 0,z h (h 0)之间的部分的下侧,
及其近旁有流体在涌出。
div F (M ) 0
散度定理表达式
散度定理表达式
散度定理是高斯定理在物理中的实际应用,它经常应用于矢量分析中。矢量场的散度在体积τ上的体积分等于矢量场在限定该体积的闭合曲面s上的面积分。(附:散度定理是矢量场中体积分与面积分之间的一个变换关系在电磁场理论中非常有用)
表达式(为下图所示)
散度定理公式是∫∫((əQ/əx)-(əP/əy))dxdy。散度定理又称为高斯散度定理、高斯公式,是指在向量分析中,一个把向量场通过曲面的流动(即通量)与曲面内部的向量场的表现联系起来的定理。
散度定理经常应用于矢量分析中。矢量场的散度在体积τ上的体积分等于矢量场在限定该体积的闭合曲面s上的面积分。在物理和工程中,散度定理通常运用在三维空间中。然而,它可以推广到任意维数。在一维,它等价于微积分基本定理;在二维,它等价于格林公式。
高斯公式通量和散度ppt课件
zx 0, z y 0. cos 0, cos 0, cos 0.
( x2 cos y2 cos z2 cos )dS z2dS
1
1
h2dxdy h4.
Dxy
故所求积分为
( x2 cos y2 cos z2 cos )dS
1 2
h4
h4
1 2
h4 .
三、物理意义----通量与散度
2. 散度的定义:
设有向量场 A( x, y, z),在场内作包围点 M 的闭曲 面, 包围的区域为V ,记体积为V .若当V 收缩 成点 M 时,极限
A d S
lim VM V
存在,
则称此极限值为 A在点M 处的散度, 记为div A.
散度在直角坐标系下的形式
(
P x
Q y
R z
)dv
vndS
1. P, Q, R是对什么变量求偏导数; 2.是否满足高斯公式的条件; 3.Σ是取闭曲面的外侧.
例 2 利用高斯公式计算曲面积分
( x2 cos y2 cos z2 cos )ds,
其中Σ为锥面 x2 y2 z2介于平面 z 0及
z h (h 0) 之间的部分的
z
下侧, cos , cos , cos 是
这里是 的整个边界曲面的外侧,cos , cos , cos 是上点( x, y, z)处的法向量的方向余弦.
奥斯特洛格拉德斯基公式
奥斯特洛格拉德斯基公式
奥斯特洛格拉德斯基公式(Ostrogradsky’s formula),又称高斯公式(Gauss’s theorem)或散度定理(divergence theorem),是数学中的一个重要定理,用于计算矢量场的散度。
奥斯特洛格拉德斯基公式是由乌克兰数学家米哈伊尔·奥斯特洛格拉德斯基(Mikhail Vasilyevich Ostrogradsky)在19世纪初发现并证明的。这个公式在数学物理、流体力学、电磁学等领域中具有广泛的应用。
散度是矢量场的一个重要概念,用于描述矢量场在某一点的流出或流入程度。在三维空间中,给定一个矢量场
F(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)),其中P、Q、R是关于x、y、z的连续函数。我们定义矢量场F的散度为div(F)=∂P/∂x+∂Q/∂y+∂R/∂z。
奥斯特洛格拉德斯基公式给出了一个计算矢量场散度的重要方法。具体来说,该公式表明,对于一个空间闭合曲面S,其边界为曲线C,如果矢量场F(x,y,z)在曲面S上连续可微,并且C是一个简单、光滑的曲线,那么曲线C的正向与曲面S的法向量n的夹角为θ,我们有以下公式:
∬S F·dS = ∭V div(F)dV
其中,∬S F·dS表示矢量场F在曲面S上的通量,即矢量场F通过曲面S的流出或流入的总量;∭V div(F)dV表示矢量场F 的散度在空间闭合曲面S所围成的体积V内的总和。
这个公式的意义在于,它将计算矢量场散度的问题转化为计算矢量场在曲面上的通量的问题。通量的计算相对容易,因为我们可以通过对曲面进行参数化,将曲面上的积分转化为参数空间上的积分。
高数下第11讲:Gauss公式、Stokes公式、数项级数
n 1
n
n1 n 2n
n1
16.判别下列级数的敛散性:
1
(1) sh ; n1 n
(2)
1;
n1 l n1( n)
(3)
n1
t
a
n 2
n1
;
(4)
n1
1
1 a
n
(a为常数);
17.判别下列级数的敛散性:
n n 1
(1)
;
n1 n
3n n
(2)
n1
nn
;
(3)
n1
1 n 0
xd 1 x
其中n 为曲面的外法线向量
8.设f (x)连续可导, P Q R f [(x2 y2 )z],有向曲面t是圆柱体x2 y2 t2,
0
z
1的表面,方向朝外.It
t
Pdydz
Qdzdx
Rdxdy.求极限 lim t 0
It t4
2 Stokes 公式
设L是空间分段光滑有向闭曲线,是以L为边界的分片光滑的有向曲面,P,Q, R在
包含曲面在内的某空间区域具有一阶连续偏导数,则:
L
Pdx
Qdy
Rdz
( R y
Q )dydz z
(
P z
R x
)dzdx
( Q x
P y
高等数学§10.5 散度与高斯公式
z
其中Σ为锥面
x2 y2 z2介于平面
z 0及z h(h 0)
之间的部分,
cos,cos,cos
是Σ在( x, y, z)处
y o
x
的外法向量的方向余弦.
例 3 . 计 算 I ( x 2 c y o 2 c s z o 2 c ) d s o , S s
其 中 是 锥 面 x 2 y 2 z 2 ( 0 z h ) , c , c o , c o s o ss
[ u ( x v v u x ) d d y ( u z v y v u y ) d d x ( u z v z v u z ) d d x
又 (u x v v u x )x u x x v u x 2 v 2 x v u x v x 2 u 2ux2v2 vx2u2
Dyz
Dyz
y2d zd xy2d zd xy2d zdx
右
左
(z2x2)dz dx(z2x2)dz d0,x
Dxz
Dxz
z2 d x d y(x 2 y2 )dx d 0 2 d y 0 h 3 d 2 h 4 .
D xy
故I h4. 2
解 曲面不是封闭曲面, 为利用
z
高斯公式
P Q R
( x y z ) d v P d d Q z y d d R x z d dy x
高数 高斯公式 通量与散度
z
其中为锥面 x 2 y 2 z 2 介于z = 0及
1 h h
o x
z = h 之间部分的下侧.
解 作辅助面
y
2 2 2 1: z h, ( x, y ) D x y : x y h , 取上侧
记 , 1所围区域为, 则
在 1 上 , 0 2
根据高斯公式, 流量也可表为
③
16
如果Σ 是高斯公式(1)中闭区域的边界曲面的外侧, 那么高斯公式的右端可解释为单位时间内离开闭区 域Ω 的流体的总质量。由于我们假定流体是不可压 缩的,且流动是稳定的,因此在流体离开Ω 的同时, Ω 内部必须有产生流体的“源头”产生出同样多的 流体来进行补充。所以高斯公式左端可解释为分布 在Ω 内的源头在单位时间内所产生的流体的总质量。 设Ω 的体积为V,式(1)两端同除以V,有 1 P Q R 1 dv vndS V x y z V 上式左端表示Ω 内的源头在单位时间单位体积内 所产生的流体质量的平均值。
Dx y
h d xd y
z
2
利用重心公式, 注意 x y 0
4 2 z d x d ydz h
1 h h
o x
y
2 z z d z h
2
0
高斯公式散度
I 用柱坐标
用极坐标 1 1
1 1
o
d
x
d
ydz
(1)
( Dxy
x
2
)
d
x
d
y
x
1y
2
d
0
1
dr
0
2 cos2 d 0
13
12
15
三、物理意义----通量与散度
1. 通量
设 有向量场
A( x, y, z) P( x, y, z)i Q( x, y, z) j R( x, y, z)k
11
例 3: 计算曲面积分
( x2 cos y2 cos z2 cos )ds,其中Σ 为
z
锥面 x2 y2 z2介于平面
z 0及z h(h 0)
h
之间的部分的下侧,
cos,cos,cos 是Σ 在( x, y, z)处
的法向量的方向余弦.
o
y
高斯(Gauss)公式 、通量 散度
一、高 斯 公 式
推广
Green 公式
Gauss 公式
二、简单的应用 三、物理意义----通量与散度
1
一、高斯公式
定理1 设空间闭区域 由分片光滑的闭曲面Σ 围成,
高斯公式、通量与散度
分析流体的流动特性。
电磁学
02
在电磁学中,散度用于描述电场和磁场的变化规律,进而分析
电磁波的传播特性。
热力学
03
在热力学中,散度用于描述温度场的变化规律,进而分析热量
的传递和分布。
PART 05
高斯公式、通量与散度的 关系
REPORTING
WENKU DESIGN
高斯公式与通量的关系
高斯公式
在三维空间中,如果一个矢量场在任意封闭曲面上的通量都等于 零,则该矢量场在封闭曲面内的散度也为零。
几何解释
高斯公式可以从几何上理解为,一个封 闭曲面内的体积等于其边界曲面的面积 乘以平均高度。例如,一个球体内部的 体积等于其表面积乘以球的半径。
实例
以一个半径为 (R) 的球为例,其内部 体积 (V) 和表面积 (S) 分别为 (V = frac{4}{3}pi R^{3}) 和 (S = 4pi R^{2}),则高斯公式为
通量
通量是描述物理量(如力、电流等) 通过某一封闭曲面的量。在数学和物 理中,通量是一个非常重要的概念, 它涉及到许多物理现象和过程的建模 。
散度
散度是描述向量场中某点处流入或流 出的向量场强度的量。在数学和物理 中,散度是一个非常重要的概念,它 涉及到许多物理现象和过程的建模。
未来研究方向与展望
高斯公式的应用
高斯公式在许多领域都有广泛的应用,如流体动力学、电磁学、量子力学等。未来可以进一步探索高斯公式在这些领 域中的应用,并尝试将其应用于解决实际问题。
散度与高斯公式
则 uA {uP , uQ, uR} ,
div(uA)
(uP )
(uQ )
( uR )
x
y
z
u P P u u Q Q u u R R u x x y y z z
u( P Q R ) ( u P u Q u R) x y z x y z
解: P y( x z) , Q x2 , R y2 xz , a
P Q R y x , x y z
答案: a4
4
5 2
4 o
1
a
3
ay
6
x
例
2
计算 I
2(
x 2
x2 )dy dz 8xydz dx 4x( x z)dx dy
2.Σ 是分片光滑闭曲面,取外侧。
思考题:计算积分 I y ln rdy dz x ln rdz dx zdx dy ,
其中 是椭球面
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1 的外侧, r
x2 y2 z2 。
7
三、散度
1、定义 设有连续向量场 F ( M ) (M 3R,)点 M ,
divu ( xy2 ) ( yez ) ( x ln(1 z2 ))
10.6 高斯(Gauss)公式与散度
穿过曲面 指定一侧的通量定义为:
F ( x , y , z ) n dS
0
2 散度
定义2 设
F ( x , y , z ) 是空间中一向量场,则
F ( x , y , z ) 在点 M 0 ( x 0 , y 0 , z 0 ) 的散度定义为:
V 0
F ( x , y , z ) n dS
z n1
1
解 记 1 : z 1, x 2 y 2 1, 取上侧, 则
n
y
1
1
o
xy dydz x ydzdx z ( x y ) dxdy
2 2 2 2
[ y x ( x y )] dV 0
2 2 2 2
x
所以
xy dydz x ydzdx z ( x y ) dxdy
2
x
例4 求
xdydz z dxdy , 其中 是圆柱面 x
2
2
y 1
2
(上节例3) 在两平面z 0 , z 2 之间的部分的外侧。
解 记 1 : z 0 , x 2 y 2 1, 取下侧,
z
n2
2 : z 2 , x y 1, 取上侧,
高数之高斯公式通量与散度
高数之高斯公式通量与散度
高斯公式,也称为高斯定理或高斯‐斯托克斯定理,是矢量分析中的一个重要定理,用于计算矢量场的通量与散度之间的关系。它是高等数学课程中的一个重要知识点,也是理解物理学、电磁学等领域中的许多现象的基础。
首先,让我们先来了解一下通量和散度的概念。通量可以理解为矢量场通过一些封闭曲面的流量,即场的一些属性通过单位面积的流量。通量的计算可以用于解释许多自然现象,比如液体或气体的流动、电场的分布等等。散度则是矢量场在其中一点上的变化率,表示场在该点的流入流出程度。散度可以用于描述场的源和汇。
高斯公式则是描述通量和散度之间关系的数学公式,它的数学表达如下:
∬S F·dS = ∭V(nabla·F)dV
其中,∬S表示对曲面S的积分,F表示矢量场,dS表示曲面S上的面积元素,∭V表示对体积V的积分,nabla·F表示矢量场F的散度。
从公式中可以看出,高斯公式表示了一个重要的等式:其中一矢量场通过其中一封闭曲面的通量等于该场在该曲面所包围的体积中的散度的积分。也就是说,一个矢量场通过一个封闭曲面的总流量与该场在该曲面所包围的体积中的散度的总和是相等的。
这个公式的物理意义非常重要。比如,在电磁学中,我们可以将电场看作矢量场,通过高斯公式可以得到一个非常重要的结论:电场通过一个封闭曲面的总通量等于该曲面所包围的电荷的总电荷量的1/ε0倍,其中
ε0为真空中的电介质常数。这就是著名的高斯定律,它是电磁学的基础之一
高斯公式也可以应用于流体力学中,用于计算液体或气体通过其中一曲面的流量。在这种情况下,矢量场就是流速场,而散度就是流速场的变化率,可以描述液体或气体在其中一点上的流入流出程度。
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使用Guass公式时注意:
(1)公式的条件是:封闭、外侧、偏导数连续,
三者缺一不可。若积分曲面不封闭,则添加辅助曲面
使之封闭;当封闭曲面取内侧时,Gauss公式中的
符号应为负号;应用公式前首先要检验
P, Q, R, P , Q , R 的连续条件。
x y z
(2) P x,Q y, R z
V
3
2
(8 y 1)xdy dz 2(1 y )dz dx x4 yzdx dy
*
2 (1 32 )dzdx 32,
*
*
故I 2 (32) 34.
例 3 计算曲面积分
( x2 cos y2 cos z2 cos )ds,其中Σ为
z
锥面 x2 y2 z2介于平面
z 0及z h(h 0)
(1取下侧, 2取上侧, 3取外侧)
R( x, y, z)dx dy R[x, y, z1( x, y)]dxdy,
1
Dxy
R( x, y, z)dx dy R[ x, y, z2( x, y)]dxdy,
2
Dxy
R( x, y, z)dx dy 0.
3
于是 R( x, y, z)dx dy
P y z, Q 0, R 0,
x
y
z
原式 ( y z)dxdydz (z)dxdydz
03zdz dxdy 9
D(z)
2
9 . 2
例 2 计算曲面积分
I (8 y 1)xdy dz 2(1 y2 )dz dx 4 yzdx dy
其中 是由曲线z y 1 (1 y 3)绕 y 轴旋转一周
D
CuvdxuvdyC ydx ydy(01)dxdy. D
错解:由题意得
F(
x,
y){
y,
1}
,
G(
x,
y){0,
1}
,
F ( x, y)G( x, y)1 ,故 F Gdxdydxdy 。
D
D
§10.5 高斯公式
10.5.1 高斯(Gauss)公式 一、高斯定理
设空间闭区域 由分片光滑的闭曲面Σ围成,
1 3
xdy
dz
ydx
dz
zdx
dy
dv
例 1 计算曲面积分
( x y)dx dy ( y z)xdy dz
其中Σ为柱面 x2 y2 1及平面 z 0, z 3所围成的空间闭区域的
整个边界曲面的外侧.
z
3
o1
y
1
解 P ( y z)x, Q 0, R x y, x
o
C (OA) AO
AO
C( AO)OA
0
adx
a
C
D A (a,0) x
Green公式
m
d0
m
2
(
a 2
)2
m 8
a
2
.
D
5.设 u( x, y) ,v( x, y) 在区域 D:x2 y2 1 上有
一阶连续偏导数, F ( x, y){v( x, y),u( x, y)} ,
G(
x
,
y){
u
u,
v
v
}
,又已知在圆周x
2
y
2
1
x y x y
上, u(x, y) 1 ,v( x, y) y ,求F Gdxdy 。
D
解:
F Gdxdy
v(
u x
u ) u( y
v x
v y
)dxdy
D
D
u v u v
[(v
x
u x
)(v
y
u y
)]dxdy [ x (uv)
y
(uv)]dxdy
D
{R[ x, y, z2( x, y)] R[ x, y, z1( x, y)]}dxdy,
Dxy
R z
dv
R(
x,
y
,
z)dx
dy.
同理
P x
dv
P(
x,
y,
z
)dy
dz,
Q y
dv
Q(
x,
y
,
z
)dz
dx,
(Biblioteka Baidu
P x
Q y
R z
)dv
Pdy
dz
Qdz
dx
Rdx
dy
高斯公式
表达了空间闭区域上的三重积分与其边 界曲面上的曲面积分之间的关系.
o1 x
*
y
3
(8 y 1 4 y 4 y)dv dv
3
2
2
3
dxdz
dy d d dy
1 z2 x2
0
0
12
Dxz
2 2 (2 3 )d 2, 0
或:dv 13dy dxdz
D( y)
y 1 z2 x2
13 ( y 1)dy 2,
z
2
o1
*
y
x 0
所成的曲面,它的法向量与 y 轴正向的夹角恒大于 .
z
2
2
解 z
y 1绕y轴旋转面方程为
o
1
x 0
x
y 1 z2 x2
*
y
3
欲求 I (8 y 1)xdy dz 2(1 y2 )dz dx 4 yzdx dy
z
且有 I
* *
*
(P x
Q y
R)dv z
2
h
之间的部分的下侧,
cos,cos,cos
是Σ在( x, y, z)处
o
y
的外法向量的方向余弦. x
解 曲面不是封闭曲面, 为利用
z
高斯公式
补充 1 : z h ( x2 y2 h2 ) 1 h
1取上侧, 1构成封闭曲面, 1围成空间区域 . 在上使用高斯公式 ,
o Dxy
y
x
( x2 cos y2 cos z2 cos )dS
1 : z z1( x, y)
2 : z z2( x, y)
o
3
x
2
3
1
Dxy
y
根据三重积分的计算法
R z
dy
Dxy
{
z2( x, y) z1( x, y)
R z
dz}dxdy
{R[ x, y, z2( x, y)] R[ x, y, z1( x, y)]}dxdy.
Dxy
根据曲面积分的计算法
C( AO)OA 才是正向封闭曲线。
P e x sinymy ,Qe x cos ym , o
P e x cos ym , Q e x cos y ,
y
x
C
D A (a,0) x
y
Q P e x cos ye x cos ymm 。 x y
(e xsinymy)dx(e xcos ym)dy
C(OA)
Σ取外侧,函数 P( x, y, z)、Q( x, y, z)、 R( x, y, z)在
上具有一阶连续偏导数, 则有公式
A
nds
Pdy
dz
Qdz
dx
Rdx
dy
(P x
Q y
R )dv z
R z
dv
R(
x
,
y,
z
)dx
dy.
证明 设闭区域 在面xoy z 上的投影区域为Dxy .
由1 ,2 和3 三部分组成,
习题二(P218)
1(4)应用格林公式计算曲线积分:
(e x sinymy )dx(e x cos ym)dy ,其中C(OA) 为
C (OA)
由点 O(0,0) 至 A(a,0) 的上半圆周 x2 y2 ax ( y0, a0) 。
解:添加线段AO ,则 C(OA) AO y
为封闭曲线,但不是正向曲线,