Лекция 7
Формула
Гаусса-Остроградского
Формула Гаусса-Остроградского является одной из наиболее важных формул в векторном анализе. Она связывает поток векторного поля через замкнутую поверхность с напряженностью векторного поля внутри замкнутой поверхности. Для векотрного поля :
,
причем поверхностный интеграл потока векторного поля берется по поверхности через внешнюю сторону (вектор нормали к поверхности направлен «наружу»). Правую часть формулы можно переписать в виде:
, где – дивергенция векторного поля , – оператор Гамильтона (набла).
Формула Гаусса-Остроградского справедлива, если выполняются два условия. Во-первых, поверхность S должна быть кусочно-гладкой, т.е. такой, что в любой ее точке можно провести касательную плоскость (поверхность задается дифференцируемыми функциями) и двусторонней (направление нормали при движении вдоль поверхности сохраняется. Во-вторых, векторное поле должно быть таким, что функции и их частные производные по x, y и z непрерывны в области V.
Другие
варианты формулы Гаусса-Остроградского.
Запишем выражение для вектора нормали: , где – углы,
γ β α x y z |
которые
вектор нормали составляет с осями координат. . |
Кроме того, имеет место следующая формула:
Доказательство формулы (1 вариант):
Представим векторное поле в виде суммы векторных полей: , где , найдем потоки этих векторных полей по отдельности, а затем сложим их.
Рассмотрим сначала случай поля . Замкнутая поверхность является цилиндроидом, ограниченным
сверху и снизу поверхностями, заданными в явном виде: (снизу) и
y D S3 z=z2(x,y) S1 z=z1(x,y) x S2 z |
(сверху). Поверхность S состоит
из нижней S1,
боковой S2
и верхней S3
поверхностей. Рассмотрим поверхностный интеграл по S1. D – проекция S1 на плоскость xy. Координаты вектора нормали: . |
||||||||||||||
|
Так как вектор нормали направлен вниз (координата по z отрицательна), то в формуле для нужно выбрать знак «+». .
D
Дифференциал
поверхности равен: Отсюда Интеграл по боковой поверхности S2. Вектор нормали , так как нормаль параллельна плоскости xy. . Какая бы ни была боковая поверхность, интеграл по ней равен
нулю:
Интеграл
по поверхности S3Рассматривается
аналогично интегралу по поверхности S1 с той разницей, что вектор нормали направлен в
противоположную сторону – вверх:. Скалярное произведение на вектор
нормали: , дифференциал поверхности:
Сложим интегралы по поверхностям S1, S2 и S3:
Рассмотрим тройной интеграл по объему V:
Таким образом, для векторного поля формула Гаусса-Остроградского доказана.
Аналогично доказывается формула, если взять поле , и в качестве замкнутой поверхности взять цилиндроид, ось которого направлена вдоль оси y.
(доказывается аналогично)
Аналогично и для поля :
Если взять поле , то – формула Гаусса-Остроградского в общем виде верна.
При доказательстве мы использовали замкнутую поверхность, которая может быть представлена как цилиндроид с осью, направленной вдоль осей x, y или z. Такой поверхностью является прямоугольный параллелепипед. Если рассмотреть произвольную поверхность, то справедливость формулы не очевидна.
Разобьем произвольную
поверхность на две – S1
и S2.
Проинтегрируем векторное поле по каждой поверхности и сложим. Получатся интегралы по S1, S2 и два интеграла по сечению. Интегралы по сечению отличаются только знаком (так как векторы нормалей направлены в разные стороны), они уничтожаются при сложении. Поэтому поверхность можно разбивать на части, интегрировать по ним, результаты складывать.
Произведем сечение замкнутой поверхности большим числом перпендикулярных плоскостей. Формула Гаусса-Остроградского будет верна всюду, кроме границ поверхности, на границах становится справедливой при устремлении диаметра разбиения к нулю. Отсюда следует, что формула Гаусса-Остроградского справедлива для любой кусочно-гладкой поверхности.
Пример.
В качестве поля
возьмем радиус-вектор: , S – сфера
радиуса R с центром
в начале координат.
Для нахождения потока вектора воспользуемся формулой Гаусса-Остроградского:
Формула Ньютона-Лейбница представляет интеграл по отрезку по значениям первообразной на границах отрезка. Формула Гаусса-Остроградского представляет собой, по существу, то же самое (вместо отрезка – объем, вместо границ отрезка – замкнутая поверхность). Эту формулу, как и формулу Грина, можно считать обобщением формулы Ньютона-Лейбница.