多變數微積分 · 散度

散度

向量場在一點的散度,是該點周圍微小區域每單位面積的淨流出量,div F = ∂P/∂x + ∂Q/∂y。把圓縮向該點,觀察通量 ÷ 面積如何趨近固定值。

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本頁中的散度

平面向量場 F=(P,Q)\mathbf F = (P, Q) 的散度是純量 div⁡F=∇⋅F=∂P/∂x+∂Q/∂y\operatorname{div}\mathbf F = \nabla\cdot\mathbf F = \partial P/\partial x + \partial Q/\partial y,在 F 連續可微分的地方定義。它衡量每單位面積的淨流出量,也稱源密度。在以 p 為中心、半徑 r 的小圓上,沿圓周加總朝外法向分量 F⋅n\mathbf F\cdot\mathbf n(通量 Φ),再除以面積:

作為極限的散度
div⁡F(p)=lim⁡r→01πr2∮F⋅n ds\operatorname{div}\mathbf F(p) = \lim_{r\to 0}\frac{1}{\pi r^2}\oint \mathbf F\cdot\mathbf n\,ds

圓周上的刻度是 F·n:向外實心,向內空心,每個圓使用同一比例。對光滑場,比值與散度相差 r² 的某個倍數,所以每次 r 減半,差距約縮為四分之一;線性場則在每個圓上都恰等於散度。形狀不影響極限:p 周圍的正方形也給出相同極限。墨滴使意義變得可見 — 隨流動移動的小塊流體,面積的相對成長率是 div F;有限大小的區域在有限時間內追蹤,量到的則是平均值。

將區域切成小格並加總流出量:每條內部邊上,一格的流出就是鄰格的流入,因此最後只剩外邊界。讓小格縮小,總和便成為散度定理(格林定理的通量形式):∮∂DF⋅n ds=∬Ddiv⁡F dA\oint_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf n\,ds = \iint_D \operatorname{div}\mathbf F\,dA,適用於邊界分段光滑的有界區域,且 F 在區域中連續可微分。在三維中,相同敘述就是使用曲面與體積的高斯定理。

02

值得觀察的地方

  • 散度不取決於箭頭朝哪裡。點源 (x,y)/(x2+y2)(x, y)/(x^2 + y^2) 處處朝外,卻在原點之外的散度都為 0;每個包圍原點的圓流出 2π,因為整個源集中在原點,而場在原點未定義(以廣義函數來說,此處散度是 2π 倍的 δ 函數)。場 (x2,0)(x^2, 0) 處處朝右,卻在加速處有源、減速處有匯。
  • 流得快不等於有散度:鞍形場 (x,−y)(x, -y) 壓扁墨滴,卻保持面積。沿圓周如何轉動,也就是 F·T,是旋度要回答的問題(E26)。
  • 散度由公式的符號微分求得,只有精確值為有理數時才寫「=」。通量以數值積分計算,只顯示誤差估計所能支持的位數。對自訂場,本頁比較通量與 ∬ div F dA,並提示不一致:區域內或附近可能有奇異點。
03

操作方式

  • 拖曳 P,或邊界及 r 把手;P 會吸附到箭頭格點,r 會吸附到 2 的次方。r → 0將 r 減半六次,並把每一級收集到可選擇開啟的逼近記錄視窗;形狀夠小時會開啟放大鏡。選擇正方形,r 便代表半邊長,再用網格選擇分格數。
  • 形變追蹤目前的圓或正方形直到 t = ¼。播放中按下可暫停,完成後按下可重播;最終形狀會留在畫面上。面積與成長率是區域和時間上的平均。移動偵測區或改變其形狀時,參考形狀仍保留原位置、大小與形狀。更換向量場會清除它;再按一次該鍵也可移除。
  • 簡報模式開啟全螢幕畫面:空白鍵執行 r → 0,← 與 → 將 r 加倍或減半,H 隱藏散度。分享複製包含向量場、偵測區與視圖的連結。
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