1. В основе теории векторного поля лежат две интегральные формулы. Первая из них принадлежит русскому математику и механику Михаилу Васильевичу Остроградскому (1801-1861). Эта формула была открыта Остроградским в 1826 г. и опубликована в 1838 г. в связи с его исследованиями в области вариациоиного исчисления,

относящимися к проблеме максимумов и минимумов кратных интегралов. При этом получил он ее в гораздо более общем виде, чем тот, в котором она применяется в теории векторного поля.

Вторая интегральная формула теории поля была найдена английским гидромехаником Стоксом (1819-1903) в 1854 г.

2. Преобразование Остроградского.

Это преобразование решает задачу сведения интеграла любой кратности к интегралу меньшей кратности. Для целей теории поля мы разберем эту задачу лишь применительно к тройному интегралу.

Мы знаем, что для вычисления тройного интеграла следует сначала частным образом проинтегрировать подинтегральную функцию по одному из аргументов, а затем вычислить двойной интеграл от полученного результата.

Для сведения тройного интеграла, распространенного по произвольной области, к двойному интегралу нужно, чтобы первое интегрирование было выполнено в общем виде. для этого нужно, чтобы подинтегральная функция была частной производной от некоторой функции по одному из аргументов.

Итак, рассмотрим, например, интеграл

причем пока будем предполагать, что область интеграции (V) нормальная, т. е. пересекающая область вертикаль имеет с пей только один общий отрезок (рис. 162). Кроме того, будем предполагать, что непрерывна в области (V), включая ее границу.

По правилу вычисления тройного интеграла мы получим

Следовательно,

Пусть соответственно нижняя и верхняя части поверхности ограничивающей область интеграции (V). Нормаль к поверхности мы направим наружу но отношению к области Тогда, но определению поверхностного интеграла (гл. XIII, § 3), мы получим

В силу этого формула (15.1) для исходного тройного интеграла примет вид

Объединив поверхностные интегралы, мы получим формулу преобразования тройного интеграла в двойной, которую и называют преобразованием Остроградского:

«Колечко» на знаке поверхностного интеграла напоминает о замкнутости поверхности интеграции

Замечание 1. Если область не является нормальной, то мы разобьем эту область на нормальные области Для каждой из частичных нормальных областей выведенная формула справедлива:

Сложив эти равенства, мы получим

В получепной сумме взаимно уничтожатся поверхностные интегралы по всем тем частям поверхностей по которым соприкасаются друг с другом частичные области и останутся лишь поверхностные интегралы по тем частям которые располагаются на наружной границе Поэтому мы получим

Итак, формула преобразования Остроградского верна для произвольной области

Замечание 2. Аналогичные формулы мы получим, если под знаком тройного интеграла будет стоять частная производная по х или по у:

3. Формула Остроградского.

Рассмотрим поток поля И через замкнутую поверхность ограничивающую трехмерную область (рис. 163). По формуле (14.18) этот поток равен

Формула Остроградского – Гаусса

Пусть компоненты векторного поля непрерывны и имеют непрерывные частные производные в пространственно односвязной замкнутой области V и 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 произвольности P, Q, R состоит из трех частей, в каждую из которых входит одна из компонент векторного поля P, Q, R. В самом деле, можно взять P = 0, Q = 0 и доказывать отдельно часть формулы в которую входит только R. Остальные части формулы (при P = 0, R = 0, Q = 0, R = 0) доказываются аналогично. Будем доказывать часть формулы

2) Для доказательства выбранной части формулы представим пространственную область V в виде объединения конечного числа цилиндрических тел, не имеющих общих внутренних точек, с образующими, параллельными оси OZ. 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 тела V, проектирующегося в область D на плоскости OXY. Пусть «верхняя» граница цилиндрического тела – поверхность описывается уравнением , «нижняя» граница – поверхность описывается уравнением . Боковую поверхность цилиндрического тела, параллельную оси OZ, обозначим .

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

Заметим также, что на «верхней» поверхности , а на «нижней поверхности . Поэтому при переходе от поверхностного интеграла по к двойному интегралу по области D и обратно надо менять знак, а при переходе от поверхностного интеграла по к двойному интегралу по области D и 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 M в пространственной области V. Выберем ее окрестность V M – шар радиуса r с центром в точке M. Обозначим - ее границу – сферу радиуса r. По теореме о среднем для тройного интеграла

(по формуле Остроградского – Гаусса).

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

Это и есть инвариантное 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 точке M.

Если >0, то точка M – источник векторного поля, если <0, то точка M – 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 точка M(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. Точка M – источник, так как .

И поэтому если вы зашли с поисковика, то, пожалуйста, начните с первой части, где мы подробно разобрали и решили важную задачу. А именно нашли поток векторного поля через замкнутую поверхность в направлении её внешней нормали:

В ходе длинного-длинного решения нами был получен ответ , что в рамках условной гидродинамической модели означает следующее: сколько жидкости в единицу времени поступило в пирамиду – столько из неё и вытекло.

Однако так бывает далеко не всегда, и на практике поток часто получается положительным или отрицательным. Задумаемся над содержательным смыслом этих результатов и для бОльшей наглядности рассмотрим не пирамиду, а кусок реки, ограниченный внешне-ориентированной поверхностью и поле скоростей этой реки в области .

Предположим, что поток через замкнутую поверхность оказался положителен: . Что это означает? Это означает, что за единицу времени из области жидкости вытекло БОЛЬШЕ, чем туда поступило. Следовательно, в области где-то есть источник(и) поля. Это может быть, например, приток реки, который увеличивает её скорость, или просто кто-то вылил ведро воды.

Отрицательное значение потока через замкнутую поверхность говорит нам о том, что за единицу времени область «поглотила» жидкость (зашло больше, чем вышло). И причина тому – сток(и) поля в данной области. Например, подземная пещера или насос, выкачивающий воду.

И, наконец, при нулевом потоке возможны две ситуации: либо в области нет источников и стоков , либо они компенсируют друг друга.

К слову, взаимная компенсация чаще всего имеет место и в первых двух случаях. Так, например, если , то это ещё не значит, что стоков нет. Возможно, источники оказались мощнее, и по итогу за единицу времени через поверхность выплеснулось 5 единиц жидкости.

И поэтому появляется интерес выяснить, есть ли у векторного поля источники / стоки, и если есть – то где. И в этом нам поможет акваланг хитрая наука под названием математический анализ.

Рассмотрим некоторую точку области и её бесконечно малую замкнутую окрестность (например, сферу или куб) . Поток векторного поля через поверхность этой окрестности во внешнем направлении называется дивергенцией поля в данной точке , и обозначается через . И вот тут-то уж никуда не деться от разоблачения:

– если , то у векторного поля есть источник в данной точке (её бесконечно малой окрестности) ;

– если , то сток ;

– и если , то в точке нет источников и стоков.

Далее. Как найти эту самую дивергенцию? Если в каждой точке области определено векторное поле и его компоненты дифференцируемы в этих точках, то скалярная функция дивергенции имеет следующий вид:

или, как записывают короче:

Таким образом, в области векторному полю ставится в соответствие скалярное поле его дивергенции.

И здесь сразу можно выделить особый случай. Поле, дивергенция которого равна нулю ВО ВСЕХточках области, называется бездивергентным или соленоидальным . Это означает, что у него нет источников и стоков. В качестве примера часто приводят трубу-«бублик» с циркулирующей водой, которая никуда не исчезает, и новой воды там не появляется. Но ещё более показательный пример – это магнитное поле с его замкнутыми силовыми линиями , у которых нет начала и конца.

Хорошо. Функция позволяет нам вычислить дивергенцию в отдельно взятых точках, и возникает вопрос: а можно ли подсчитать суммарную дивергенцию по всему телу?

…вы когда-нибудь думали, что будете так рады тройным интегралам? =)

Вернёмся к эпичному Примеру 1 , где у нас получился нулевой поток через пирамиду, и вычислим дивергенцию векторного поля . Очевидно, что само поле и производные его компонент определены не только в пирамиде , но и вообще во всём пространстве:

Составим скалярную функцию дивергенции, или как чаще говорят – найдём дивергенцию:

Полученная функция каждой точке пространства ставит в соответствие ноль, значит векторное поле всюду соленоидально . По формуле Гаусса-Остроградского, поток векторного поля через внешнюю сторону пирамиды равен:

Примечание : т.к. поле бездивергентно во всём пространстве, то поток равен нулю и через любую замкнутую поверхность

Огорчаться, однако, не стОит, поскольку если уж от вас потребовали вычислить поток первым способом, то никуда не деться =) А требуют, между прочим, частенько.

И здесь ещё нужно подчеркнуть следующее: если вы вычислили поток через замкнутую поверхность, и у вас получился ноль, то это ещё не значит , что в области нет источников и стоков. Они могут и существовать, но компенсировать друг друга. И первый способ решения не даёт нам ответ на этот вопрос.

Поэтому решаем второй пример вторым способом:)

Пример 2

Проверить, будет ли векторное поле соленоидальным, и найти его поток через замкнутую поверхность по формуле Гаусса-Остроградского

Результаты должны совпасть. Обращаю внимание, что проверка поля на соленоидальность является неотъемлемой частью задания, и на этот вопрос нужно дать аргументированный письменной ответ. Примерный образец решения в конце урока, и что приятно – задачу можно оформить в минималистичном стиле, без лишних обозначений и даже без записи самой формулы.

Ну а теперь я расскажу вам, а точнее напомню универсальный метод нахождения нормальных векторов поверхности :

Пример 3

Дано векторное поле и замкнутая поверхность . Вычислить поток векторного поля через данную поверхность в направлении внешней нормали:

а) непосредственно;
б) по формуле Гаусса-Остроградского.

Распространённая формулировка, позволяющая ещё раз осознать всю ценность формулы =)

Решение : чертёж здесь прост:

но вот решение – «труба» =)

а) Найдём поток векторного поля через полную поверхность цилиндра в направлении внешней нормали напрямую. В силу аддитивности поверхностного интеграла:

– боковая поверхность цилиндра ;
– его нижнее основание (единичный круг в плоскости );
– и верхнее основание (единичный круг в плоскости ).

1) Цилиндрическая поверхность параллельна оси и возникает вопрос, как найти её векторы нормали? Очень просто. Вектор нормали к поверхности в точке задаётся следующим образом:

В данном случае:

Таким образом, мы получаем целую функцию нормальных векторов для различных точек цилиндра:

Но нам нужны единичные векторы. Они разыскиваются стандартно:

Контроль:

Да, убедимся, что они «смотрят» вовне. Для этого можно взять несколько конкретных точек поверхности (проще всего в плоскости ) и посмотреть, какие векторы будут получаться. Так, например, для точки получаем:
– всё ОК. Собственно, этот вектор в качестве примера и изображён на чертеже. Самостоятельно проверьте какие-нибудь другие точки, и удостоверьтесь, что получаются векторы нужного направления.

и сведём решение к поверхностному интегралу 1-го рода:

В данном случае плоскость не годится для проецирования. Почему? Потому что цилиндрическая поверхность спроецируется в окружность нулевой площади и получится ноль. Но из боковой же поверхности торчат векторы поля, и через неё запросто может идти поток!

Поэтому в нашем распоряжении остаются две координатные плоскости, я выберу для проецирования более наглядную фронтальную плоскость . И тут возникает другая трудность – цилиндрическую поверхность , а значит, и полученный интеграл 1-го рода придётся разделить на 2 части:
, где:

– ближний к нам кусок цилиндра, а – дальний его кусок.

Проведём вычисления для первого интеграла:

Используем соответствующую формулу:
, где:

По формуле:

Проекция на плоскость очевидна:

Выберем следующий порядок обхода области:

При вычислении второго интеграла получится точно такой же результат:

Таким образом:

Это я привел длинное общее решение (на всякий случай), но на самом деле тут есть короткий и изящный путь – в сумму интегралов можно сразу подставить и :

и, согласно, геометрическому смыслу этих интегралов , данная сумма равна площади боковой поверхности цилиндра:

Знание – сила =)

2) Вычислим поток векторного поля через ориентированный единичный круг .

С нормалью и скалярным произведением всё просто:

а с поверхностным интегралом – ещё проще:
, поскольку

3) Третий интеграл начинается похоже:

Используем формулу , в данном случае:

Проекция (поверхности на плоскость ) представляет собой круг площади , и согласно геометрическому смыслу интеграла :

И, наконец, поток через всю поверхность:

Ответ :

Что, кстати, означает этот результат? Положительный поток через внешнюю поверхность означает, что внутри цилиндра есть источники поля. Иначе, откуда бы там взяться единицам жидкости, которые вытекли наружу? (за единицу времени)

б) Решим задачу по формуле Гаусса- Остроградского:

И, прежде всего, тут нужно убедиться, что компоненты и их производные определены во всех точках тела. В противном случае формулу применять нельзя! Должен предупредить, что это не пустая формальность – на практике встречаются поля с корнями и логарифмами, и вот там могут быть проблемы.

Составим функцию дивергенции:
, которую очень полезно проанализировать:

При увеличении «зет» от 0 до 2 дивергенция строго положительна и нарастает. Это означает то, что, во-первых, внутри цилиндра находятся исключительно источники поля. И, во-вторых, эти источники усиливаются, т.е. текущая снизу вверх жидкость начинает разгоняться. Поэтому сразу можно сказать, что поток через внешнюю поверхность будет положительным. В чём мы сейчас ещё раз убедимся аналитически:

Поскольку проекция тела на плоскость представляет собой круг единичного радиуса (чертить уж не буду), то удобно перейти к цилиндрической системе координат :

Таким образом, с помощью «ро», «тета» и «фи» можно однозначно определить любую точку пространства.

Где используется сферическая система координат? Ну, конечно же, в астрономии. Но своё скромное применения она нашла и при

формулы, относящиеся к различным разделам математики и носящие имя К. Гаусса.

1) Квадратурные Г. ф. - формулы вида

в которых узлы x k и коэффициенты A k не зависят от функции f (x) и выбраны так, что формула точна (т. е. R n = 0) для произвольного многочлена степени 2n - 1 . В отличие от квадратурных формул Ньютона - Котеса, узлы в квадратурных Г. ф., вообще говоря, не являются равноотстоящими. Если р (х) ≥ 0 и

то для любого натурального n имеется единственная квадратурная Г. ф. Эти формулы имеют большое практическое значение, т.к. в ряде случаев они дают значительно большую точность, чем квадратурные формулы с тем же числом равноотстоящих узлов. Сам Гаусс исследовал (1816) случай р (х) ≡ 1 .

2) Г. ф., выражающая полную кривизну (См. Полная кривизна) К поверхности через коэффициенты её линейного элемента; в координатах, для которых ds 2 = λ(du 2 + dv 2) , Г. ф. имеет вид

Эта формула была опубликована в 1827 и показывает, что полная кривизна не меняется при изгибании поверхности. Она составляет содержание одного из основных предложений созданной Гауссом внутренней геометрии (См. Внутренняя геометрия) поверхности.

3) Г. ф. для сумм Гаусса:

Эта формула была использована Гауссом (1801) в одном из доказательств закона взаимности квадратичных вычетов (См. Квадратичный вычет)

где р и q - нечётные простые числа, а

4) Г. ф. для суммы гипергеометрического ряда (См. Гипергеометрический ряд). Если Re (c - b - a) > 0 , то

- употребительное название нормального распределения. Название связано с той ролью, к-рую это распределение играет в ошибок теории К. Гаусса...
Математическая энциклопедия
- метод последовательного исключения неизвестных для нахождения решений системы линейных уравнений, впервые описанный К. Гауссом...
Математическая энциклопедия
- линейное функциональное преобразование функции, к-рое определяется интегралом: Если для действительных значений оператор является самосопряженным положительно определенным оператором...
Математическая энциклопедия
- признак сходимости числовых рядов с положительными членами. Если отношение представило в виде где и - постоянные числа, - ограниченная последовательность, то ряд сходится при и расходится при...
Математическая энциклопедия
- наименьшего принуждения принцип,- один из основных, наиболее общих дифференциальных вариационных принципов классической механики, установленный К. Гауссом и выражающий экстремальное свойство действительного...
Математическая энциклопедия
- топологической группыС- представление всюду плотного подмножества в виде где Н - абелева подгруппа группы - нильпотентные подгруппы группы G, нормализуемые Н. Если G - группа невырожденных вещественных матриц m-го...
Математическая энциклопедия
- вариационный принцип механики, устанавливающий одно из общих свойств движения мех. системы с любыми идеальными связями...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- группа ист. источников эпохи раннего средневековья в Зап. Европе, отражающих гл. обр. социально-экономич. отношения этого периода...
Советская историческая энциклопедия
- Гаусса закон распределения вероятностей, - то же, что нормальное распределение...
Большой энциклопедический политехнический словарь
- страна на Ю от Сахары, в пределах британской Нигерии, между 8° и 14° с. ш., 3° и 15° в. д. Площадь около 400000 кв. км. Сев. часть, прилегающая к Сахаре, носит характер пустынной равнины, с жарким климатом...
- - Так назывались в средние века образцы официальных актов, сложившиеся в государственной и юридической практике и мало-помалу кристаллизовавшиеся в виде определенных обязательных шаблонов. В древних германских...
Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона
- одна из фундаментальных астрономических постоянных...
- принцип наименьшего принуждения, один из вариационных принципов механики, согласно которому для механической системы с идеальными связями из всех кинематически возможных, т. e. допускаемых связями,...
Большая Советская энциклопедия
- закон распределения вероятностей; то же, что Нормальное распределение...
Большая Советская энциклопедия
- то же, что нормальное распределение...
Большой энциклопедический словарь

"Гаусса формулы" в книгах

4. Формулы

Из книги Сaмое самo автора Лосев Алексей Федорович

4. Формулы С категорией эманации заканчивается диалектика первого символа символа бытия, или бытийного символа. Остается теперь только резюмировать ее в максимально сжатых и не содержащих ничего лишнего тезисах.I.1. a) Бытие есть бытие.Если бытие есть только бытие и больше

Глава 5 ЗАКОНА ГАУССА ПРИМЕНЕНИЯ

Из книги 5a. Электричество и магнетизм автора Фейнман Ричард Филлипс

Приложение Пасхальные таблицы и таблицы дат первых весенних астрономических полнолуний, вычисленных по формулам Гаусса (Г.В. Носовский)

Из книги Пасха [Календарно-астрономическое расследование хронологии. Гильдебранд и Кресцентий. Готская война] автора Носовский Глеб Владимирович

Приложение Пасхальные таблицы и таблицы дат первых весенних астрономических полнолуний, вычисленных по формулам Гаусса (Г.В. Носовский) Звездочкой (*) в последнем столбце отмечены годы, когда определенная пасхалией календарная православная Пасха праздновалась бы раньше