散度与本页画面
平面向量场的散度是一个数量:,在F连续可微的地方有定义。它量的是每单位面积的净流出,也叫源密度。以p为圆心画一个半径r的小圆,把圆周上向外的法向分量加起来(通量Φ),再除以面积:
圆周上的刻度就是F·n:往外的实心,往里的空心,同一个圆上比例相同。光滑的场里,比值和散度差一个r²的倍数,所以r每减半,差距大约变为1/4;线性场里任何圆的比值都正好等于散度。形状不要紧:以p为中心的正方形给出同一个极限。墨水让这个意思看得见:随流的一小块流体,面积的相对增长率就是;有限大小的墨水、流过有限的时间,量到的是一个平均。
把一个区域切成小格,把各格的净流出加起来:每条内部的边,一格的流出正是隔壁一格的流入,加起来只剩边界。小格越切越细,这个和就成为散度定理(格林定理的通量形式):,条件是D为有界区域、边界分段光滑,F在D上连续可微。三维里同样的说法就是高斯公式,曲线换成曲面、面积换成体积。
值得注意的现象
- 散度和箭头朝哪边指无关。点源处处朝外,离开原点的地方散度却是0;任何包住原点的圆都净流出2π,因为源全在原点,而场在原点没有定义(在分布的意义下,那里的散度是2π乘一个δ)。场处处朝右,却在越流越快的地方有源、越流越慢的地方有汇。
- 流得快不等于散度大:鞍形流把墨水压扁,面积却不变。沿着圆周怎样转(F·T)是旋度的问题(E26)。
- 散度来自公式的符号求导,只有精确值是有理数时才写“=”。通量是数值积分,只写误差估计保证得了的位数。键入的场,页面会把通量和散度在区域上的积分比一比,对不上时说出来:区域里或附近可能有奇点。
操作
- 拖P,或拖边界和r的把手;P会吸到箭头的格点,r会吸到2的幂。r → 0把r减半六次,每一级收进“逼近记录”小窗;图形小了会打开放大镜。拨到方形后,r是正方形的半边长,下方的分格键选择每边分成几格。
- 随流形变播放当前圆形或方形随流走到t = ¼的过程,运行中再按可暂停;结束后保留结果,再按可重放。面积和增长率是对区域与时间的平均。对照图形固定当前图形的位置、大小和形状;移动探测器或切换形状时仍保留,换场时清除。再按一次即可收起。
- 演示模式进入全屏:空格按r → 0,←、→把r加倍或减半,H隐藏散度。分享复制一个链接,带着场、探测器和视图。