上篇 -- 向量场的旋度与散度(二):常用恒等式及其证明
根据定义,梯度就是函数值增加最快的“速度”,包括方向和大小。很容易可以想到梯度就应该是函数在三个方向上偏导数的线性叠加。结合
在系列第一节,我们在直角坐标系里推到过向量场散度的表达式,当时我们的推导是直接考虑长方体的通量,进而推导出散度。这是仅限于直角坐标系的做法,更普遍的做法应该是取体积微元计算通量密度,只不过直角坐标系中长方体的微元比较好处理。
在柱坐标系中,我们很容易知道体积微元,接下来就需要求向量场在点附近的通量。由于取得每一个面的面积很小,所以可以将向量场在每个面上看成是均匀的,于是有三个方向上的通量
旋度的处理思路同样需要取微元,不同之处在于需要对三个方向分别处理。先考虑绕的旋度
求球坐标系的梯度和求柱坐标系的思路是类似的,我们只要注意到三个方向上不同的长度表达式就可以得到
不难得到体积微元,通量分别为
三个方向上的旋度分别为
柱坐标系和球坐标系同属于曲线坐标系,更重要的是它们还都是正交曲线坐标系(orthogonal curvilinear coordinate system)。
正交曲线坐标系是什么样的坐标系?让我们先考虑三维空间中一个普通的曲线坐标系,设分别是坐标系三个坐标。当我们固定的取值而让取遍定义域上所有取值时,可以得到一条曲线,这就是坐标曲线;当我们固定的取值而让取遍定义域上所有取值时,可以得到一条曲面,这就是坐标曲面。对于三个坐标中任意两个坐标我们都可以进行类似的操作,因此通过空间中有定义的任意一点,我们都可以构造出三条坐标曲线和三个坐标曲面。
过点,构造出三个坐标分别对应的坐标曲线。在过的的切线上,我们取沿坐标增大的方向的单位向量作为点处的坐标的单位向量。同样的方法可以得到和。如果对于任意的点都有两两正交,那么以为坐标的曲线坐标系就是一个正交曲线坐标系。不难发现无论是柱坐标系的单位向量,还是球坐标系的单位向量都满足两两正交,因此柱坐标系和球坐标系都是正交曲线坐标系。
要想得到正交曲线坐标系下的梯度、旋度和散度,就必须先得出坐标系中的长度元、面积元和体积元。面积元和体积元都可以通过长度元相乘求得,因此我们现在重点关注长度元。
考虑以为坐标的正交曲线坐标系,对应的坐标曲线为,那么三个方向的长度元就可以记为。我们不知道在正交曲线坐标中的表达式,但我们知道在直角坐标系里有