Формула Остроградского – Гаусса.

Пусть компоненты векторного поля непрерывны и имеют непрерывные частные производные в пространственно односвязной замкнутой областиVи на ее кусочно гладкой границе .

Тогда справедлива формула Остроградского – Гаусса

.

Заметим, что левая часть формулы представляет собой поток векторного поля через поверхность .

Доказательство. 1) Формула Остроградского – Гаусса, в силу произвольностиP,Q,Rсостоит из трех частей, в каждую из которых входит одна из компонент векторного поляP,Q,R. В самом деле, можно взятьP= 0,Q= 0 и доказывать отдельно часть формулы в которую входит толькоR. Остальные части формулы (приP= 0,R= 0,Q= 0, R = 0) доказываются аналогично. Будем доказывать часть формулы

2) Для доказательства выбранной части формулы представим пространственную область Vв виде объединения конечного числа цилиндрических тел, не имеющих общих внутренних точек, с образующими, параллельными осиOZ. Доказательство можно проводить для цилиндрического тела. В самом деле, тройной интеграл в правой части равен сумме тройных интегралов по цилиндрическим телам (свойство аддитивности). Поверхностный интеграл в левой части также равен сумме поверхностных интегралов по полным поверхностям цилиндрических тел, причем при суммировании интегралы по общим границам соседних цилиндрических тел будут сокращаться из-за противоположного направления внешних нормалей на общих границах.

Итак, будем доказывать соотношение для цилиндрического телаV, проектирующегося в областьDна плоскостиOXY. Пусть «верхняя» граница цилиндрического тела – поверхностьописывается уравнением , «нижняя» граница – поверхностьописывается уравнением . Боковую поверхность цилиндрического тела, параллельную осиOZ, обозначим.

Сразу заметим, что поток векторного поля через боковую поверхность равен нулю. Действительно, , так как нормаль на боковой поверхности ортогональна осиOZи.

Заметим также, что на «верхней» поверхности , а на «нижней поверхности. Поэтому при переходе от поверхностного интеграла пок двойному интегралу по областиDи обратно надо менять знак, а при переходе от поверхностного интеграла пок двойному интегралу по областиDи обратно менять знак не надо .

D	- = = + = Таким образом, соотношение доказано.

Замечание.Формулу Остроградского – Гаусса можно записать в «полевом» виде

- поток векторного поля через замкнутую поверхность равен объемному интегралу от дивергенции поля по области, ограниченной поверхностью .

Дивергенция векторного поля (расходимость) есть .

Дивергенция – это характеристика векторного поля, инвариантная относительно системы координат. Покажем это.

Инвариантное определение дивергенции.

Рассмотрим произвольную точку Mв пространственной областиV. Выберем ее окрестностьV_M – шар радиусаrс центром в точкеM. Обозначим- ее границу – сферу радиусаr. По теореме о среднем для тройного интеграла

(по формуле Остроградского – Гаусса).

Стягиваем окрестность к точке M, получаем дивергенцию векторного поля в точкеM.

. Это и естьинвариантное определение дивергенции.

Поэтому дивергенция векторного поля в точке M имеет смысл объемной плотности потока векторного поля через окрестность этой точки и характеризует мощность источника (если >0) или стока (если<0) векторного поля в точкеM.

Если >0, то точкаM– источник векторного поля, если<0, то точкаM– сток векторного поля. Если в некоторой области дивергенция равна нулю, то в этой области нет ни источников, ни стоков, поток векторного поля через границу такой области равен нулю – «сколько поля втекает в область, столько и вытекает из нее».

Пример.Определить расположение источников и стоков векторного поля. Выяснить, является ли точкаM(1,2,3) источником или стоком.

. Все точки, для которых 2xy+xz>0 – источники, все точки, для которых 2xy+xz<0 – стоки. На поверхности 2xy+xz= 0 нет ни источников, ни стоков. ТочкаM– источник, так как.