梯度,散度与旋度是几何中重要的计算对象,形式上定义 n 维空间上的 Nabla 算子为
∇:=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛∂x1∂∂x2∂⋮∂xn∂⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞
# 梯度
给定在开集 U⊂Rn 上光滑的标量场 f,定义其 梯度 (Gradient)「勾配」 为
grad:=∇f=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛∂x1∂f∂x2∂f⋮∂xn∂f⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞
梯度算子作用在标量场上,得到一个向量场
命题 梯度算子的计算性质
令 f,g 为 U 上的光滑标量场,a,b∈R,则
- 线性:grad(af+bg)=agradf+bgradg
- 乘积法则:grad(fg)=fgradg+ggradf
证明
(1)
偏微分的线性性质给出
grad(af+bg)=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛∂x1∂(af+bg)⋮∂xn∂(af+bg)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛a∂x1∂f+b∂x1∂g⋮a∂xn∂f+b∂xn∂g⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞=agradf+bgradg
(2)
同样,继承于偏微分的乘积法则
grad(fg)=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛∂x1∂(fg)⋮∂xn∂(fg)⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛f∂x1∂g+g∂x1∂f⋮f∂xn∂g+g∂xn∂f⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞=fgradg+ggradf
□
几何意义上,梯度场 gradf 的方向是标量场 f 增长最快的方向,且其模长表示在该方向上增长的速率
若对于一个向量场 F,存在一个标量场 f 使得 F=gradf,则称 F 为 保守场 (Conservative Field)「保存場」,此时 f 称为 F 的 势函数 (Potential Function)「ポテンシャル関数」
# 散度
定义
令 F=(F1,F2,⋯,Fn) 为定义在开集 U⊂Rn 上的光滑向量场,则称
divF:=∇⋅F=i=1∑n∂xi∂Fi
为 F 的 散度 (Divergence)「発散」
# 旋度
旋度的定义本身比较复杂,但是好在实际应用中往往只需要处理二维空间中的旋度
严格意义上,输入一个向量场,输出一个同维度的向量场的旋度算子仅存在于三维空间
给定 R3 上的向量场 F=(F1,F2,F3),定义其 旋度 (Curl)「回転」 为
curlF:=∇×F=⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎛∂x2∂F3−∂x3∂F2∂x3∂F1−∂x1∂F3∂x1∂F2−∂x2∂F1⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎞
然而这样类似的形式在二维向量场上也被广泛使用,所以从方便的角度考虑,定义 R2 上的向量场 F=(F1,F2) 的 “旋度” 为
rotF:=∂x1∂F2−∂x2∂F1
命题 旋度算子的计算性质
令 f 为 R2 上的光滑标量场
令 F=(F1,F2),G=(G1,G2) 为 R2 上的光滑向量场
a,b∈R,则
- 线性:rot(aF+bG)=arotF+brotG
- 乘积法则:rot(fF)=frotF+gradf×F
- 梯度场无旋:rot(gradf)=0
证明
(1)
偏微分算子的线性性质给出
rot(aF+bG)=∂x1∂(aF2+bG2)−∂x2∂(aF1+bG1)=a(∂x1∂F2−∂x2∂F1)+b(∂x1∂G2−∂x2∂G1)=arotF+brotG
(2)
利用偏微分的乘积法则
rot(fF)=∂x1∂(fF2)−∂x2∂(fF1)=f∂x1∂F2+∂x1∂fF2−(f∂x2∂F1+∂x2∂fF1)=f(∂x1∂F2−∂x2∂F1)+(∂x1∂fF2−∂x2∂fF1)=frotF+gradf×F
(3)
由于 f 是光滑的,所以偏导顺序不影响结果
rot(gradf)=∂x1∂(∂x2∂f)−∂x2∂(∂x1∂f)=∂x1∂x2∂2f−∂x2∂x1∂2f=0
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