有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解

声明:由于笔者只是一名大一并且非数学系的本科生,以下内容基于自己的理解与参考了几位博主的blog通俗易懂的讲解梯度,散度,旋度(有图很好理解)!!!(算是对这个博客的通俗理解吧)所以想深度了解的请转向别处,如内容有错误之处,欢迎指正。

在笔者学习教材过程中,发现几个式子,书中未能给出解释,经查阅资料并整理后,写下这篇笔记与大家分享。
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第1张图片

在了解梯度、散度、旋度之前,先引入哈密顿算子的概念。
哈密顿算子:符号为:▽ 。哈密顿算子本身并无意义,就是一个算子,同时又被看作是一个向量。在运算时,具有向量和微分的双重身份。
二维坐标系下,
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第2张图片
三维坐标系下,
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第3张图片
接下来就开始理解梯度、散度、旋度:
设有一个方程为u(x,y,z)的曲面,在F的向量场中。
梯度:
在这里插入图片描述
散度:哈密顿算子与向量场F的点乘,两个向量点乘,因此散度为标量。
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第4张图片
通量为:
这里原博主做了一个极为恰当的比喻(雨和窗的比喻):我们把曲面看成窗,F的方向看成雨下落的方向,通量看成雨通过窗户进入房间的量。倘若雨的方向与窗面平行,则没有雨进入,通量为0;倘若雨的方向与窗面垂直,则全部落入。因此我们可以得到通量的表达式如下:
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第5张图片

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这里的A即为上面我们一直提到的F,n为曲面相应的法向量。

旋度:哈密顿算子与向量场的叉乘,两个向量叉乘,因此是向量。
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环流量
这里原博主也做了一个比较好理解的比喻(水中船的受力问题),环流量为单位时间内一艘船在水场中受到旋转的力。通过力矩的计算,我们都知道垂直方向的力不会导致物体的旋转,因此只有与曲面切向量平行方向的力产生作用。
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这样我们就能理解课本中一系列公式是如何得到了。但是我们并不能简单的将哈密顿算子看作传统意义上的向量(走了很多弯路)。下面做一个拓展:
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第9张图片
有关对梯度、散度、旋度的纯数学理解_第10张图片
由于教材未涉及到哈密顿算子,所以笔者又查了相关资料得到了哈密顿算子的运算法则:
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对于证明第二个式子,我们需要用到下面的定理,但是这个定理从何推得,笔者也不是很了解,欢迎在评论区指导。
在这里插入图片描述
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