散度(Divergence)和旋度(Curl)
散度的讨论应从向量和向量场说起。向量是数学中研究多维计算的基本概念。比如,速度可以分解为相互独立的分量,则速度就是一个多维的向量。假如空间中的每一个位置都有一个向量属性的话,这个空间就叫做向量场。比如,游泳池里的水的速度就是一个向量场。
散度就是作用在向量场上的算子。它把向量场映射到标量场。其中某点的标量代表该点的向量是“流入”的,还是“流出”的。
比如在游泳池中考虑一个封闭的正方体区域,在该区域的六个表面中,要么有液体流出,要么有液体流入。设流出为正,流入为负,把六个面的流量相加,如果为正,则代表该区域有正的散度。反之则是负的散度。这就是散度界定中“通量”的概念。
现在如果取一个任意的封闭曲面,则它的通量为曲面表面的向量场在曲面法向量上的分量的积分。假如该封闭曲面的体积无限小,则极限是曲面内某一点,这个极限通量就是散度。从这个角度说,上文的“流入”(散度小于零)表示了通量的湮灭,而“流出”(散度大于零)表示了该区域有新的通量产生。
就如之前的流体文中提到的,由于水流不会凭空产生或消失,即不可压缩流体的总散度必为零。在流体力学中,散度指流体运动时单位体积的改变率。
散度的数学表示法
在笛卡尔坐标系Oxyz中,若向量场为(P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z))
则对以上三个分量分别对x, y, z求偏导数,然后把三个结果相加。
一般来说,使用div或者向下的三角形加一点来表示散度。
假如某处散度为零,则称该处divergence free。
散度的概念来源于物理学中的静电学。十九世纪末,英国物理学家海维赛德(Heaviside)提出既然静电场中的电荷是电场力的原因,那么吧电荷看作一个体积微小的一点,那么该点的电场力“聚集度”就等于这个微小体积散发出的所有电场力的总和。他又把这种“聚集度”称为“散度”。并且他给出了散度计算的公式。从以上可以看出,散度所考虑的对象是某一个点及其接近的很小的空间。
但是,光用散度无法完全描述电场的属性。1873年,英国物理学家麦克斯韦在一篇论文中使用了哈密顿的四元素方法。
旋度(Curl)
还记得以前提到过的四元素吗?
http://blog.csdn.net/wangxiaojun911/article/details/4644243
对四元素q = i * A + j * B + k * C + D求偏导数。定义微分算子(d/dx)i + (d/dy)j + (d/dz)k, 则对原四元素其中前三项的微分很特别。它的微分结果分为两部分,第一部分是A, B, C分别对x, y, z的偏导,若把(A,B,C)看作向量,其结果正是负的散度。(注意i*i=-1, j*j=-1, k*k=-1)
第二部分则是被称为“旋度”的部分。为(dC/dy-dB/dz)i+(dA/dz-dC/dx)j+(dB/dx-dA/dy)k。麦克斯韦之所以使用了旋度这个名字,是他认为这个量表示了向量场转动倾向的属性。
与散度在一个小位元上是标量不同,旋度运算的结果仍然是一个向量,表示了某个局部微元上的旋转倾向。举例来说,把北极圈看作一个极小的局部对象讨论,一个沿着纬度方向的向量场会造成旋度而散度为零;沿着经度方向的向量场会造成散度而旋度为零。
旋度的数学表示法
假如坐标系和向量场如最开始定义(P,Q,R),令p()为求偏导数,散度的定义为:
(p(R)/p(y)-p(Q)/p(z),
p(P)/p(z)-p(R)/p(x)
p(Q)/p(x)-p(P)/p(y))
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