2539
.pdfлюбому направлению равна нулю. Для этого необходимо, чтобы все частные производные первого порядка функции одновременно обращались в нуль. Находим частные производные и приравниваем их нулю
∂z |
= 3x2 −3y = 0, |
∂z |
= 3y2 −3x = 0. |
∂x |
|
∂y |
|
Решая эту систему уравнений получим две стационарные точки: (0,0) и (1,1).
2.7. Вывести формулы: а) grad (uv) = ugrad v +vgrad u;
б) grad |
u |
= |
vgradu −ugradv |
. |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
v |
2 |
|||||
|
v |
|
|
|
Решение. а) Пользуясь определением градиента будем иметь
grad (uv)= |
|
∂ |
(uv)iG+ |
|
∂ |
|
(uv) Gj + |
∂ |
(uv)kG = |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
∂x |
∂y |
∂z |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= u |
∂v |
G |
+v |
∂u |
G |
+u |
∂v |
G |
+v |
∂u |
G |
|
|
|
|
∂v G |
|
|
∂u |
G |
|||||||||||||||||||||||||||||
dx |
i |
|
|
dx |
i |
dy |
|
j |
dy |
j +u |
∂z |
k +v |
dz |
k = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
= u |
|
∂v |
|
G |
|
dv |
G |
+ |
dv |
G |
|
|
|
|
∂u |
G |
|
|
|
∂u |
G |
+ |
∂u G |
|
|
= |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
i + |
dy |
j |
dz |
k |
+v |
∂x |
|
i + |
dy |
j |
∂z |
k |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
= ugrad v +vgrad u. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
б) Аналогично |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
∂ |
|
u |
|
|
|
|
∂ u |
|
|
|
|
∂ u |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
grad |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
i |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
k = |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
∂x v |
|
|
|
|
|
∂y v |
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
∂u |
|
|
|
|
∂v |
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
|
|
∂v |
|
|
|
|
|
|
|
∂u |
|
|
|
∂v |
|
|
|
|
|||||||||||||
= |
v |
∂x |
|
−u |
∂x |
iG+ |
v |
|
∂y |
−u ∂z |
Gj + |
v |
∂z |
|
−u |
∂z |
kG = |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
v2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
v |
|
∂u G |
+ |
|
∂u G |
|
∂u |
G |
−u |
|
∂v |
|
G |
+ |
∂v |
G |
+ |
∂v |
G |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
∂x |
i |
|
∂y |
|
|
j + |
∂z |
k |
|
∂x |
|
i |
∂y |
j |
∂z |
k |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=vgrad u −ugrad v
v2 .
121
2.8. Доказать ортогональность поверхностей уровня полей: u = x2 + y2 − z2 и v = xz + yz .
Решение. Будем определять угол между поверхностями углом между нормалями к ним, которые совпадают с направлениями градиентов к поверхностям уровня
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
G |
|
∂az |
|
∂ay |
|
|
|
||
|
grad u = 2xi + |
2 yj −2zk , |
rot a = |
|
|
|
− |
|
|
, |
|
|||||||
|
∂y |
∂z |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
grad v = zi + zjG+(x + y)k . |
|
|
|
|
|
||||||||||
Из условия ортогональности двух векторов |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
(grad u,grad v)= 2xz + 2 yz −2z(x + y) = 0 , |
|
|
|
||||||||||||||
следует ортогональность поверхностей уровня. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
2.9. Вычислить grad u, |
если u = 1 , где r = |
|
x2 + y2 + z2 . |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. По определению градиента имеем |
|
|
|
|
||||||||||||||
grad u = |
xiG |
|
|
+ |
|
|
yjG |
+ |
|
|
zk |
|
|
= |
||||
|
|
|
3 |
|
|
3 |
|
|
|
|
3 |
|||||||
|
|
(x2 + y2 + z2 )2 |
|
(x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
(x2 + y2 + z2 )2 |
|||||||||||
= |
xiG+ yjG+ zkG |
= |
rG |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
r |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.3. Векторное поле. Дивергенция и вихрь векторного поля
1°. Векторным полем называется область (плоская или про-
странственная), каждая точка M которой характеризуется не- |
||
которой физической векторной величиной aG = aG(M )= aG(rG), |
||
где aG - |
векторная функция точки, rG = xi + yjG+ zk - радиус |
|
вектор точки М. |
В декартовой системе координат вектор aG |
|
G |
G |
G |
равен a |
= axi + ay |
j + az k , где ax = ax (x, y, z), ay = ay (x, y, z), |
az = az (x, y, z) - |
проекции вектора а на координатные оси. |
122
Отсюда следует, что поле векторной величины a может быть задано тремя скалярными функциями ax , ay , az , т. е. ее проек-
циями на оси координат.
Векторными линиями (силовые линии, линии тока) векторного поля называют кривые, направления которых в каждой точке совпадают с направлением вектора в этой точке. Векторные линии находятся из системы дифференциальных уравнений
dx = dy = dz . |
(1) |
||
ax |
ay |
az |
|
Векторное поле, не зависящее от времени t, называется
стационарным, а зависящее от времени – нестационарным. |
||||||||||||||
2°. |
Дивергенцией |
векторного |
поля |
aG(M ) = axi + ay Gj + az kG |
||||||||||
называется скаляр |
|
|
|
|
∂ay |
|
|
|
|
|
||||
|
G |
|
∂ax |
|
∂az |
|
G |
|
||||||
|
div a |
= |
∂x |
+ |
|
|
+ ∂z |
≡ a . |
(2) |
|||||
|
|
∂y |
|
|||||||||||
Дивергенция может быть представлена в виде суммы сле- |
||||||||||||||
дующих скалярных произведений |
|
|
∂aG |
|
|
|||||||||
|
G |
G |
|
∂a |
|
|
G |
daG |
G |
|
|
|||
|
div a = i |
|
∂x |
+ |
|
j |
∂y +k ∂z . |
|
(3) |
|||||
Если вектор aG характеризует поле скоростей текущей жид- |
||||||||||||||
кости, то абсолютная величина |
|
div a(M0 ) определяет |
||||||||||||
мощность источника или стока. Так |
если |
div a(M0 ) > 0 , то |
||||||||||||
точка |
M0 называется источником, т.е. в любой бесконечно |
|||||||||||||
малой |
окрестности точки |
M0 |
жидкость |
возникает. |
Если |
|||||||||
div aG(M0 ) < 0 , то точка |
M0 |
|
называется |
стоком, т. |
е. в |
окрестности точки M0 жидкость исчезает.
Если в каждой точке поля div a = 0 , то векторное поле наG- зывается соленоидалъным, В этом случае поток вектора a через любую замкнутую поверхность равен нулю.
123
3°. Вихрем |
|
|
(или |
|
|
ротором) |
|
векторного |
|
|||||||||||||
aG(M )= axiG |
+ ay |
Gj + az k называется вектор |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
G |
|
∂az |
|
∂ay |
G |
|
|
∂ax |
|
|
∂az |
G |
|
∂ay |
|
∂ax |
G |
|
||||
rot a |
= |
|
− |
|
|
|
i |
+ |
|
|
− |
|
j |
+ |
|
− |
|
k |
= |
|||
∂y |
∂z |
∂z |
|
∂x |
∂y |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
kG |
∂x |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
iG |
|
Gj |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
∂ |
|
∂ |
|
|
∂ |
|
G |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
≡ ×a. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
∂x |
|
∂y |
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
ax |
|
ay |
|
az |
|
|
|
|
|
|
|
|
поля
(4)
Вихрь может быть представлен в виде суммы следующих
векторных произведений |
|
∂aG |
|
∂aG |
|
||||
G |
G |
∂aG |
G |
G |
(5) |
||||
rot a |
= i , |
|
+ j, |
∂y |
|
+ k , |
∂z |
. |
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
Векторное поле, во всех точках которого rot a = 0 , называ-
ется потенциальным (безвихревым). В этом случае существует |
||
потенциал |
U = f (rG) - скалярная функция, |
определяемый из |
уравнения |
dU = axdx + ay dy + az dz , причем |
grad U = aG . |
Если векторное поле является одновременно потенциальным и соленоидальным, то div(grad U) = 0 и оно называется гармоническим. Потенциальная функция U в этом случае
удовлетворяет уравнению Лапласа |
∂2U |
+ |
∂2U |
+ |
∂2U |
= 0 или |
||||||
|
|
|
|
|
|
dx2 |
|
dy2 |
|
dz2 |
|
|
U = 0 и называется |
гармонической. |
Здесь |
|
- |
оператор |
|||||||
Лапласа, равный = 2 |
= |
∂2 |
+ |
∂2 |
+ |
∂2 |
|
. |
|
|
|
|
∂x2 |
∂y2 |
∂z2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.1. Найти векторные линииG следующих полей:
а) aG = xiG− yjG; б) aG = ix + yj + kz .
Решение. а) Векторное поле плоское, следовательно, векторная линия находится из уравнения
124
|
|
|
|
dx = dy |
или dx = − dy . |
|
|
|
|||
|
|
|
|
ax |
ay |
x |
y |
|
|
|
|
Интегрируя, будем иметь ln x = −ln y +ln C; x = |
C |
, xy = C - |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
семейство гипербол. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
б) Составим систему уравнений |
|
|
|
|
|||||||
|
dx |
= |
dy |
= |
dz |
или xdx = ydy, |
xdx = xdz. |
|
|
||
1/ x |
|
|
|
|
|||||||
1/ y |
1/ z |
|
|
|
|
|
|
||||
Интегрируя, |
получим: |
|
x2 − y2 = C , x2 − z2 = C |
2 |
. |
Таким |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
образом, векторные линии представляют линии пересечения гиперболических цилиндров двух семейств.
3.2. Найти дивергенцию векторного поля: |
||||||||
G |
= x |
2 |
G |
+ xy |
2 |
G |
2 |
k в точке M (−1, 2,1); |
а) a |
|
yi |
|
j |
+ yz |
б) rG = yz (4xiG− yjG− zk ).
Решение. а) Проекции вектора a на оси координат равны:
ax = x2 y, ay = xy2 , az |
= yz2 . |
По |
определению дивергенции (2) |
||||||||||||
имеем |
|
|
G |
|
+2xy +2 yz . |
Отсюда дивергенция вектора в |
|||||||||
div a = 2xy |
|||||||||||||||
точке |
div aG(M ) = −4 −4 +4 = −4 < 0 , т. |
е. точка М является |
|||||||||||||
стоком. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
б) По определению дивергенции имеем |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
G |
|
∂rx |
|
∂ry |
∂rz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
div r |
= |
∂x |
+ |
|
+ ∂z |
= 4 yz −2 yz −2 yz = 0 , |
|
|
|||
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
||||||||
т.е. в поле вектора |
r |
нет ни источников, ни стоков. |
Данное |
||||||||||||
векторное поле будет соленоидальным. |
|
|
|
||||||||||||
3.3.Найти div |
aG,b , если aG = xi + yjG+ zk , bG = yiG+ zjG+ xkG. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. Найдем сначала векторное произведение |
|
||||||||||||||
|
G |
G |
|
|
iG Gj |
kG |
|
|
|
2 G |
2 G |
2 |
2 |
||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
= |
x y z |
= (yx − z )i +(yz − x ) j +(xz − y |
)k . |
||||||||||
a,b |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
y |
z |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
125
Отсюда по формуле (2) имеем div |
G |
|
|
|
= y + z |
+ x . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
a,b |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.4. Доказать, что: a) div ( fa)= f |
|
div aG+ aG grad f ; |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
б) div |
G |
G |
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
G |
G |
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
a,b |
|
= b |
rot a |
−a rot b . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. а) По определению дивергенции, учитывая, что f |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
скалярная функция, имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
G |
|
|
|
∂( fax ) |
|
|
|
∂(fay ) |
|
|
∂( faz ) |
|
|
|
∂ax |
|
|
∂ay |
|
∂az |
|
||||||||||||||||||||||
div ( f a)= |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
= f |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
+ |
||||||||
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
∂x |
|
dy |
|
|
∂z |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
∂f |
|
|
|
|
∂f |
|
|
|
|
∂f |
|
|
|
|
|
G |
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
+ax ∂x + ay ∂y |
+ az ∂z = |
f div a |
+ a grad |
f . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
б) Воспользуемся формулой (3), тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
G |
|
G |
|
|
|
G |
|
∂ |
|
G |
G |
|
|
G |
|
∂ |
G |
G |
|
|
G |
|
|
∂ |
|
G |
G |
|
|
|
||||||||||||
|
div |
a,b |
|
= i |
|
|
|
|
a,b |
|
+ j |
|
|
|
a,b |
|
+ k |
|
|
|
|
|
a,b |
|
= |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
G |
|
|
∂aG |
|
G |
+ |
|
|
a, |
∂bG |
|
|
G |
|
|
|
∂aG |
|
G |
+ |
|
a, |
|
∂bG |
|
+ |
|
|
||||||||||||||||
|
= i |
|
|
|
|
|
|
,b |
|
|
|
|
|
|
+ |
j |
|
|
|
|
,b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
G |
|
|
∂aG |
|
G |
|
+ |
|
|
a, |
∂bG |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
+k |
|
|
|
|
|
|
,b |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Учитывая свойства смешанного произведения |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
G |
∂aG |
G |
|
|
|
G |
G |
|
∂aG |
|
|
|
G |
∂b |
G |
|
|
G |
|
|
G |
∂bG |
|
|
|
|
и т.д., |
||||||||||||||||||
i |
|
,b = b i , |
|
|
|
; |
|
|
|
i |
|
|
∂x |
,b |
= −a |
i , |
∂x |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
получим |
|
|
G |
|
G G ∂aG G ∂aG G |
|||||||||||
|
|
G |
|
|||||||||||||
div |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
j, |
|
|
+ k , |
||||
a,b |
= b i , |
∂x |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
||
G |
|
G |
, |
∂bG |
G |
∂bG G |
, |
∂bG |
|
|
||||||
−a |
|
i |
|
|
+ |
j, |
|
|
+ k |
|
|
. |
||||
|
|
|
|
∂x |
∂y ∂z |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
Отсюда по формуле (5) |
= bG rot aG−aG rot bG , |
|||||||||||||||
|
|
|
div |
aG,b |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что и требовалось доказать.
∂aG − ∂z
126
|
3.5. Найти ротор векторных полей а) aG = yzi + xzjG+ xykG; |
||||||||||||||||||||||||||
|
G |
= x |
2 |
|
G |
|
|
2 G |
|
|
2 |
k . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
б) a |
|
yzi + xy |
zj + xyz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Решение. |
а) |
|
Здесь |
|
ax |
|
= yz, ay |
= xz, az |
= xy. |
|
Пользуясь |
|||||||||||||||
формулой (4) будем иметь |
|
|
|
Gj( y − y) + k (z − z) = 0 . |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
rot aG |
= i (x − x)+ |
|
||||||||||||||||||||
|
б) Здесь |
ax |
= x2 yz, ay |
= xy2 z, az |
= xyz2 . |
|
По |
|
формуле (4) |
||||||||||||||||||
будем иметь |
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
G |
|
|
G |
(xz |
2 |
− xy |
2 |
|
|
2 |
y − yz |
2 |
)+ k (y |
2 |
z − x |
2 |
z)= |
||||||||
|
rot a |
= i |
|
|
)+ j (x |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
= x (z2 − y2 )iG+ y (x2 − z2 )Gj + z (y2 − x2 )kG. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
3.6. Найти: |
|
|
a) |
|
rot |
(aG b )aG , |
|
|
если |
|
aG = xi + yjG+ zkG, |
|||||||||||||||
bG = iG+ Gj + kG; |
б) rot |
(rG b )aG, если rG = xi + yjG+ zk , |
|
b = iG+ Gj + kG, |
|||||||||||||||||||||||
G |
G |
G |
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
= −i + j |
−k . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Решение. а) Найдем сначала скалярное произведение век- |
||||||||||||||||||||||||||
|
G |
G |
= x + y |
+ z. Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
торов a |
b |
|
G |
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
G |
|||||||||||||
|
|
G |
|
G |
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
(a |
b )a = x (x + y + z)i |
+ y(x + y + z) j + z(x + y + z)k. |
|||||||||||||||||||||||
|
Отсюда по формуле (4) получим |
|
|
G |
|
|
|
|
G |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
G |
|
G |
G |
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
rot (a |
b )a |
= (z − y)i |
+(x − z) j + |
(y − x)k . |
|
||||||||||||||||||
|
б) Скалярное произведение равно |
rG b = x + y + z . Отсюда |
|||||||||||||||||||||||||
|
(rG b )aG = −(x + y + z)iG+(x + y + z) |
Gj −(x + y + z)kG. |
|||||||||||||||||||||||||
|
Таким образом, окончательно получим |
G |
|
G |
|
G |
|||||||||||||||||||||
|
|
G |
G |
|
G |
|
|
|
|
G |
|
|
|
+ |
G |
|
|
|
|
+ |
|||||||
|
rot (r b )a = (−1−1)i +(−1 |
1) j +(+1+1)k |
= −2i |
|
2k . |
||||||||||||||||||||||
|
3.7. Является ли функция |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
U = a x2 |
+a y2 + a z2 |
+ 2a xy + 2a xz + 2a yz |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
12 |
|
|
13 |
|
|
|
23 |
|
||
гармонической? |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Решение. Функция U является гармонической, если она |
||||||||||||||||||||||||||
удовлетворяет уравнению |
|
Лапласа |
|
U = 0 . Находя вторые |
127
частные |
производные |
|
|
∂2U |
|
= 2a , ∂2U |
= 2a , ∂2U = 2a , |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x2 |
|
|
|
|
1 ∂y2 |
|
|
2 |
|
∂z2 |
3 |
|||||||
получим U = 2(a1 + a2 + a3 ). То есть данная функция будет |
|
|||||||||||||||||||||||||||
гармонической, если выполняется условие a1 +a2 +a3 = 0 . |
|
|||||||||||||||||||||||||||
3.8. Доказать, |
что |
векторное |
поле |
|
|
вектора |
||||||||||||||||||||||
aG = |
xi + yjG+ zkG |
|
|
является гармоническим. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
(x2 + y2 + z2 ) |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Решение. Векторное поле называется гармоническим, если |
||||||||||||||||||||||||||||
оно |
является |
одновременно |
|
соленоидальным |
div aG = 0 |
и |
||||||||||||||||||||||
потенциальным rot a = 0 . Действительно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 ) |
|
− x2 3(x2 + y2 |
+ z2 ) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
G |
= |
2 |
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
div a |
|
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
|
|
+ |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
+ (x2 + y2 + z2 ) |
3 |
−3y2 (x2 + y2 + z2 ) |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
2 |
2 |
+ |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
+ (x2 + y2 + z2 ) |
|
+3z2 (x2 + y2 + z2 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
2 |
2 |
= |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
= |
3x2 +3y2 +3z2 −3(x2 + y2 + z2 ) |
= 0. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||
|
|
|
3yz (x2 + y2 + z2 ) |
|
|
|
3yz (x2 + y2 + z2 ) |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
G |
|
2 |
2 |
|
|||||||||||||||||||||||
|
rot a |
= i |
− |
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
||||||||||||||||
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
(x2 + y2 + z |
2 )3 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
128
|
G 3xz (x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
|
|
|
3xz (x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ j − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
(x2 + y2 |
+ z2 )3 |
|
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
G 3yx (x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
3yx (x2 + y2 + z2 )2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+k − |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
= 0. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
(x2 + y2 |
+ z2 )3 |
|
|
|
|
(x2 + y2 + z2 )3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3.9. Доказать, что: a) |
rot ( f aG)=[grad f , aG |
]+ f rot aG; |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
G |
G |
|
|
|
G |
|
|
|
G |
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
daG |
|
db |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
б) rot |
|
|
|
|
|
= a div b −b div a + |
G |
− |
|
G . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
a,b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
db |
|
da |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Решение. а) По формуле (5) имеем |
|
∂( f aG) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
G |
|
∂ |
( f aG) G |
|
|
∂( f aG) |
|
G |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
rot ( |
f a)= |
i , |
|
|
|
|
|
|
+ j, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
k , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
G |
, |
|
G ∂f |
+ |
|
f |
∂aG |
|
|
G |
|
|
G |
∂f |
|
+ f |
∂aG |
|
+ |
G |
|
G |
∂f |
+ |
f |
∂aG |
|
= |
|||||||||||||||||||||||||||||||
= i |
a |
∂x |
|
∂x |
+ |
j, |
a |
|
∂y |
∂y |
|
k , |
a |
∂z |
∂z |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
G ∂f |
|
+ |
G ∂f |
|
G |
|
∂f |
|
|
G |
|
|
+ |
|
|
f |
|
G |
∂aG |
+ |
G |
∂aG |
+ |
G |
∂aG |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
= i |
|
∂x |
j |
∂y |
+ k |
|
∂z |
|
, a |
|
|
|
|
|
i , |
|
|
j, |
∂y |
|
k , |
|
|
= |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
=[grad f , aG]+ f |
rot aG. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
б) Векторное произведение есть вектор, т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
G |
|
|
|
iG |
|
|
|
|
|
|
|
Gj |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ax |
|
|
|
|
ay |
|
|
az |
= (aybz −azby )i + |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a,b |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bx |
|
|
|
|
|
by |
|
|
|
bz |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+(azbx − |
axbz ) Gj +(axby −aybx )kG. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Проекция ротора этого вектора на ось Ox равна |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
∂ |
(axby −aybx )− |
|
∂ |
(azbx −axbz )= by |
∂a |
|
+ ax |
∂by |
−ay |
∂b |
|
− |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
x |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
∂y |
|
∂z |
|
|
|
|
∂y |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
∂ay |
|
|
|
|
|
|
∂b |
|
|
|
|
|
∂a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂b |
|
|
∂a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
−b |
|
|
|
|
|
|
|
−a |
|
|
|
x |
−b |
|
|
|
z |
|
+a |
|
|
|
|
z +b |
|
|
|
x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
x ∂y |
|
|
|
|
z ∂z |
|
|
|
x ∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
x ∂z |
z ∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
129
Проекция на ось Ox правой части доказываемого равенства равна
a |
|
∂b |
|
∂by |
|
∂b |
|
−b |
∂a |
|
∂ay |
|
|
∂a |
|
|
|
+b |
∂a |
x +b |
|
∂a |
|
|
||||||
x |
x + |
|
|
+ |
z |
|
|
|
x + |
|
|
+ |
|
z |
|
|
y |
|
|
x |
+ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
∂x |
∂y |
|
∂z |
x |
|
|
∂y |
|
|
∂z |
|
x |
∂x |
|
∂y |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
∂a |
|
|
∂b |
|
|
∂b |
|
|
∂b |
|
|
|
|
∂by |
|
|
∂b |
|
∂ay |
|
|
|
||||||
+b |
|
x −a |
|
x −a |
|
x −a |
|
x |
= a |
|
|
|
|
+ a |
|
z −b |
|
|
|
− |
|
|||||||||
|
|
|
|
x ∂y |
|
|
|
|
∂y |
|
||||||||||||||||||||
|
z ∂z |
|
x ∂x |
|
y ∂y |
|
z ∂z |
|
|
|
|
|
|
|
x ∂z |
x |
|
|
|
|
||||||||||
−b |
∂az +b |
∂ax +b |
|
∂ax |
−a |
|
∂bx |
−a |
|
∂bx . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
x ∂z |
y ∂y |
z ∂z |
|
y ∂y |
|
|
z ∂z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Легко проверить, что обе эти проекции равны. Аналогично проверяется равенство проекций на оси Oy, Oz, что и доказывает данное выражение.
2.4. Дифференциальные операции 2-го порядка
4.1. Используя векторный смысл оператора Гамильтона ,
доказать дифференциальные операции 2-го порядка:
а) grad div aG = ( , aG),
б) div grad U = ( , )U = 2U = U , в) div rot aG = ( ,[ , aG])≡ 0 ,
г) rot grad U =[ , ]U ≡ 0 , |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
д) rot rot aG = |
,[ , aG] |
, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е) div ( aG)= (div aG). |
|
|
|
|
|
G |
|
|
|||||||
Решение. |
|
|
|
|
|
|
G |
∂ |
G |
∂ |
∂ |
|
|||
а) |
Используя оператор = i |
|
+ j |
|
+ k |
|
и |
||||||||
∂x |
|
∂y |
∂z |
||||||||||||
градиент grad f = f |
, будем иметь |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
∂ax |
|
∂ay |
|
∂az |
|
G |
G |
|
|
|
|
|
||
grad |
|
+ |
|
|
+ |
|
|
= grad ( , a)= ( , a). |
|
|
|
|
|||
∂x |
|
∂y |
∂z |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
б) Действительно, используя ( , )= 2 = |
, получим |
|
|
130