多元微积分 · 散度

散度

向量场在一点的散度,是围住这一点的微小区域每单位面积的净流出:div F = ∂P/∂x + ∂Q/∂y。把圆缩向这一点,看净流出÷面积怎样稳定下来。

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散度与本页画面

平面向量场F=(P,Q)\mathbf F = (P, Q)的散度是一个数量: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F⋅n\mathbf F\cdot\mathbf n加起来(通量Φ),再除以面积:

散度作为极限
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

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div⁡F\operatorname{div}\mathbf F;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):∮∂DF⋅n ds=∬Ddiv⁡F dA\oint_{\partial D}\mathbf F\cdot\mathbf n\,ds = \iint_D \operatorname{div}\mathbf F\,dA,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。

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值得注意的现象

  • 散度和箭头朝哪边指无关。点源(x,y)/(x2+y2)(x, y)/(x^2 + y^2)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(x2,0)(x^2, 0)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(x,−y)(x, -y)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。
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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。
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相关概念

延伸阅读:维基百科:散度;OpenStax:Calculus Volume 3, 6.5 Divergence and Curl(英文);维基百科:散度定理。