多元微积分 · 旋度

旋度

平面向量场的旋度∂Q/∂x − ∂P/∂y,是放进流里的理想小桨轮转动角速度的两倍。把桨轮放进笔直的流里,它会转;让它绕着涡旋漂一圈,它却一点也不转。

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旋度与本页画面

平面向量场F=(P,Q)\mathbf F = (P, Q)的旋度是下面这个数,也叫标量旋度;它是三维旋度∇×F\nabla\times\mathbf F的第三个分量。它是环量密度:绕一点的小回路按逆时针方向的环量,除以回路围住的面积,回路缩向这一点时的极限。两种说法都要求F在这一点附近连续可微。

旋度:偏导数与极限
curl⁡F=∂Q∂x−∂P∂y=lim⁡r→01πr2∮F⋅T ds\operatorname{curl}\mathbf F = \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = \lim_{r\to 0}\frac{1}{\pi r^2}\oint \mathbf F\cdot\mathbf T\,ds

黄色刻度是流沿外圈的分量F·T;它沿外圈的积分Γ是外圈的环量,Γ/(2πr²)是外圈的平均角速度。r → 0时它趋于旋度的一半;旋度是一次函数时,任何r都正好相等。桨轮本身是光滑流里的理想小桨轮:它的角速度ω=12curl⁡F(P)\omega = \tfrac12\operatorname{curl}\mathbf F(P),等于过P、此刻互相垂直的两条小线段转速的平均——横的转速是∂Q/∂x,竖的是−∂P/∂y(十字)。单看一条,转速不一定是ω:剪切流(y, 0)里竖的转速是−1,横的不转。

按漂流,桨轮随流漂走。它经过的每一点都让它以那里旋度的一半转动,所以一路的累计转角是沿路径的积分θ=∫12curl⁡F dt\theta = \int \tfrac12\operatorname{curl}\mathbf F\,dt;每隔半个时间单位留一个印记,记下当时的朝向。涡旋(−y, x)/(x² + y²)里,除了场没有定义的原点,旋度处处为0,绕原点漂一圈的桨轮回来时θ = 0:流绕着原点拐弯,会让它逆时针转;内侧的水比外侧快,会让它顺时针转,两者正好抵消。

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值得注意的现象

  • 格林定理(环量形式):沿区域D的边界按逆时针方向的环量∮∂DF⋅T ds\oint_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf T\,ds,等于∬Dcurl⁡F dA\iint_D \operatorname{curl}\mathbf F\,dA,条件是F在包含D的一个开集上连续可微。回路里,沿两格共用内部边的环量对这两格各算一次、方向相反,所以各格的环量加起来只剩外边的环量,而每一格的环量约等于旋度×面积。回路的读数把每格中心的旋度乘格的面积加起来:这是中点和,旋度是一次函数时正好相等,否则格子越小越接近Γ。
  • 流线笔直的流可以有旋度(剪切流、水道),绕圈的流可以没有(涡旋)。绕涡旋中心的回路环量是2π,可回路里其余各处旋度都是0:场在中心没有定义,格林定理在这里不适用(曲线积分一页的“螺旋楼梯”)。刻度只画沿外圈的分量;穿过外圈的分量属于散度。三维里旋度是一个向量,格林定理变成斯托克斯公式。
  • 旋度用符号求导算出,“=”表示精确值。预设场的环量用闭式,键入的场用带误差估计的数值积分;漂流时,除了“三次”,预设场都用闭式,其余用数值积分。印记是每隔半个时间单位取的样:两个印记之间正好转了整圈的桨轮,在印记里看起来没转,θ却把每一圈都算进去。背景粒子只表示流往哪里走,它们的疏密不代表任何量。
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操作

  • 拖桨轮的中心P(会吸到箭头网格的格点)或它的外圈(会吸到½、1、2……),也可以键入:P在−100到100之间,r在0.001到100之间。拖别处平移画面,用视角按钮缩放。选择桨轮或方形回路来观察;回路的半边长为r,可以调整分格。漂流仅用于桨轮:开始、暂停或继续同一轮实验。桨轮移出画面后仍继续运动。暂停后改变中心位置,会设置新的出发点;再次按漂流才开始运动。回到出发点恢复出发位置和朝向,清空本轮时间、累计转角和轨迹。P和Q可以用+ − × ÷ ^和sin, exp, ln, sqrt\texttt{sin, exp, ln, sqrt}等函数键入。
  • 演示模式打开全屏,适合投影:空格让桨轮漂流或暂停,←、→把外圈放大一倍或缩小一半,H隐藏桨轮怎样转。分享复制一个链接,打开后还原场、桨轮和视图。
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相关概念