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工程数学

格林 斯托克斯 高斯定理

内部散度之和等于边界通量,内部旋度之和等于边界环量,高斯与斯托克斯把内部和边界相连

散度量一个点净流出多少,旋度量一个点转多少。有时要看的不是一个点,而是整片区域。把区域里的小散度全部加起来,这个和就等于从边界流出去的总量。把里面的旋度全部加起来,这个和就等于沿边界转的环量。前一个约定是高斯定理,后一个约定是斯托克斯定理。里面发生的事的总和,只测边界一条线就能知道。这是把宽的面积分换成短的环路积分的计算捷径。每张图里的圆盘是区域,圆周上的箭头是沿边界做的测量。

用一个圆来看高斯定理。背景是散度的色图,金色是往外漏的地方,蓝色是被吸进去的地方。圆周上立着向外的箭头,金色是流出,蓝色是流入。用半径滑块把圆放大或缩小,两个数字一起跟着走。内部是圆内散度全部相加的值,边界是穿过圆周流出去的总通量。半径怎么变,两者都几乎相等。这就是高斯定理。

现在把图拿开,只留下两个数并排。左边是 ∫∫ ∇·F dA,把圆内的散度一个不漏加起来的面积分。右边是 ∮ F·n ds,在圆周上按向外方向把漏出的通量转一圈收集起来的环路积分。移动半径滑块,两个值手拉手一起走,几乎相等,中间的吻合标记确认这一点。一边必须把圆内全部扫过,另一边只要边界一条线。定理成为捷径的理由就在这里。

这一次是斯托克斯定理,场也换了。原点附近有一个逆时针转的旋涡,背景是旋度的色图。金色是逆时针转的地方,中心最强,圆上立着沿圆周转的切向箭头。移动半径滑块,内部是圆内旋度全部相加的值,边界是沿圆周转的环量。把圆放大,两个值一起变大,并指向同一个数。里面的和与边界的积分相等,两个数字把它显示出来。

再把图拿开,只看两个数。左边是 ∫∫ ∇×F dA,把圆内的旋度一个不漏加起来的面积分。右边是 ∮ F·dr,沿圆周把场拖着转的环量转一圈收集起来的环路积分。移动半径滑块,两个值一起变大,几乎相等,中间的吻合标记加以确认。如果说高斯定理把区域的散度换成了边界的通量,斯托克斯定理就把面上的旋度换成了边界的环量。把里面转的量全部加起来,就等于边界转的量。

最后把两个定理叠在同一个圆上。有一组按钮。按下高斯,圆周上出现向外的法向箭头,标签变成流出的通量等于里面的散度之和。按下斯托克斯,同一条圆周换成切向箭头,标签变成环量等于里面的旋度之和。一个控件把 ∇· 和 ∇× 对调,也把法向和切向对调。形状是一对,两者都是说里面加起来的微分等于在边界上测得的积分。差别只在于里面放哪一种微分,以及箭头在边界上怎样立着。这一句话撑起向量分析。

实际应用两个定理是把内部和边界连起来的同一种形状。高斯定理,也就是散度定理 ∮ F·n ds = ∫∫ ∇·F dA,说的是从边界流出的总通量等于区域里散度的和。斯托克斯定理,在平面上也称格林定理,∮ F·dr = ∫∫ ∇×F dA,说的是沿边界转的环量等于区域里旋度的和。两者都是里面加起来的微分等于在边界上测得的积分,所以宽的面积分变成短的环路积分。在工程中,穿过闭合面的热、质量和电的通量,电路的电动势,以及作用在机翼上的升力环量,都用这两行来算。从标量场和向量场出发,经过梯度、散度和旋度,内部和边界就闭合成一个等式。
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