Microsoft Word - 8_向量微分_2010_0607.doc

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1 Chpe 8 Veco Dieeil Clculus- 梯度 散度 旋度 基本觀念 Scl( 純量 : 由大小加上適當的單位即可描述的量稱之 如 : 長度 溫度 電壓 等 Veco( 向量 : 由大小及方向再加上單位來描述的量稱之 如 : 力 力矩 速度 電場 等 用粗體字表示 圖示 : 帶箭頭之線段 (See Fig.47 i eboo p.4. 長度 (legh o mgiude: 又稱為範數 (Nom * 長度 = 之向量稱為單位向量 向量的運算相等 : 大小及方向相同 i.e. 各分量相等 向量的分量 : i hee Q:( 起始點 終點 P:( 大小 : ( ( ( E. 起始點 P:(4 終點 Q:(6 求 =? (See Fig.5 i eboo p (Sol. 大小 5 Posiio Veco( 位置向量 : 由原點 ( 至空間中任一點 A:( 所形成的向量稱之 記為 = A:(

2 Theoem: 已知一固定的 Cesi Coodie Ssem( 笛卡兒座標系統 則每一向量均可 由其分量的有序數對來唯一決定 相反地 每一有序數對 ( 必對應於一向量 = * 其中 ( 對應於零向量 (Zeo eco 其長度 = 且無方向 向量加法 純量乘法 定義 : 向量加法兩向量 = 及 b =b b b 則 + b = b b b * 圖示法 :. 三角形法 Fig.5 i eboo p.44.. 平行四邊形法 Fig.54 i eboo p.44. * 向量加法的基本性質 : ( + b = b + ( 交換性 Commuii (b (u + + = u + ( + ( 結合性 Associii (c + = + (d + ( = De. 純量乘法向量 = 與純量 c 的乘積定義為 c = c c * 純量乘積的基本性質 : ( c( + b = c + cb (b (c + = c + (c c( = (c (d = (e = ( ( = c

3 及 b 5 4 E. 已知 則 4 b ( b 5 4 b * 單位向量 (ui eco: i i 分別代表在 方向上且大小為 之向量 稱為單位向量 * 向量 = [ ] 亦可表成 = i + + 此處 i = [ ] = [ ] = [ ] E. 在例題二中 = 4 i + b = i 5 + (/ 向量空間 (Veco Spce 已知向量 ( ( (m 的線性組合為一向量 可表成 c ( + c ( + c ( + + c m (m ---- ( 其中 c c c m 為任意純量 若且唯若 c = c = = c m = 時 ( 式變成 c ( + c ( + c ( + + c m (m = ---- ( 則稱 ( ( (m 互為線性獨立 ; 反之 則稱為線性相依 * m 稱之為維度 (dimesio 內積 ( 點積 De.: 兩向量 b 的內積 (ie poduc 或點積 (do poduc 定義為.b = b cos 若 b

4 .b = 若 = 或 b = 其中 * 以分量表示 : = [ ]b = [b b b ] 則.b = b + b + b Theoem:( 正交性 已知 及 b 均為非零向量 則.b = b * 以內積來表示長度與角度 : cos b b b b b E. 已知 = [ ]b = [ ] 試問兩向量的 ie poduc 長度及其間的夾角 <Sol>.b = = = 5 b = b b = 4 b cos cos (.95(d b 內積的一般性質. Liei: ( + b.c =.c + b.c 分配性. Smme:.b = b. 具交換性. Posiie deiieess:. 其中若且唯若 = 時. = 4. Sch iequli:.b b 5. Tigle iequli: + b + b [84 年成大航太所 ][85 年中央機械所 ] 6. Pllelogm equli: + b + b = ( + b * 性質 4~6 在 Hilbe Spce 扮演著重要角色 為量子力學的基礎 H.W. 試求向量 A = [ ] 與 B = [ ] 間之夾角 [8 年高考 ] <As> = cos 5 H.W. 假設 b c 為相互垂直之單位向量 試證 : + b + c = 4

5 內積的應用 E. 力做的功 內積 W = F.d = F d cos d 位移 F d E. 在一特定方向上力的分量如圖示 物體重 5(lb 試問拉力為何才能使物體平衡不動? <Sol> 物重 W = [ 5] C 代表物體作用在斜坡上的力 故知 W = C + F F W cos 5cos65 拉力的方向 : u 5 5 lb F 拉力 u 5 F * 投影分量 : 向量 在向量 b 方向上的投影分量 p: b bcos p = cos b b C W p b E.4 See Teboo p. 4 E.5 已知直線 L : 試求通過點 P( 而與 L 垂直之直線 L 方程式 <sol> 直線方程式通式 : L : c c 不通過原點 其中 通過原點與 L 平行的直線 L : L P ( L 故 稱之為 L 的法線向量 [oml eco] 已知 L : 5

6 b b 由於 L L 故其法線向量亦互相垂直 亦即 b b 可取 [ ] = [ ] 又 L 通過 P : ( 點 即 c c c 5 L : 交點位於 H.W. 試求通過點 (5 4 且與 7 5垂直之直線方程式 [79 年交大電子所 ] 5 <As> 4 7 E. 6 試求垂直於平面 之單位向量 [77 年台大環研所類題 ] <Sol> 平面方程式 : c ( c 其中 方向上的單位向量為 ( 式同除以 可得 c p ( p 在 方向上的投影 ( 平面上任一點所形成 之位置向量 對 的投影量均相同 p ( p 平面至原點的距離 ** ( 式又稱為平面的 Hesses oml om 已知本例之 4 4 c 7 6 單位法線向量 : 6 6

7 此平面至原點的距離 7 d 6 H.W. 求兩平面 與 c 7 成正交時之 c 值 =? [8 年成大化工所 ] <As> c 9 H.W. 求兩平面 與 之夾角 =? [8 年成大工設所 ] <As> 或 4 4 向量積 [ 叉積 ] 定義 : b b b b 則 與 b 的叉積定義為 b i b b b b si u = b b u 為 方向上之單位向量 * b 及 的指向滿足右手定則 代表 與 b 所形成平行四邊形的面積 = b = b b = < Sol > = E. 已知 = E. 已知 = < Sol > b = 4 b = i 4 試求 = b =? 試求 b =? = i + 4 = 4 7

8 E. 基底的向量積 i = = i i = i = = i i = 向量積的一般性質 b. l b = l = l b. b c= b + c bc = c + bc 其中 l 為純量. b = b 向量積無交換性 4. b c b c 向量積無結合性 向量積的典型應用 E.4 力矩 m = F Q d A F E.5 Mome o oce 試求圖示施力 P 對輪子中心點的力矩 cos si < Sol > P = = =.5.5 P = lb m = p = i = i = 99 5 E.6 旋轉的速度 d d = si = 在 P 點處的速度 可表成 = 此處 為剛體的旋轉角速度 P H.W. 若 AB 為兩任意向量 試証 A A B B A B [8 年台大工工所 ] 8

9 純量三重積 已知三向量為 = b =b b b 及 c =c c c 並定義為 則其純量三重積設為 ( b c ( b c = (b c = b c 代表 bc 所圍成平行六面體的體積 ** 性質. ( b c = ( b c 其中 為常數..(b c = b.(c = c.( b b c b c b c h c b E.7 如圖示之四面體 其體積為何?[ 8 年交大機械類題 ] [66 年台大電研類題 ] 已知 = b = c = <Sol> bc= 6 6 = 66 故知平行六面體的體積 V = (bc = 66 c b 四面體體積 = V = 6 E. <sol> 利用叉積 試證明三角形的正弦定理 D.K. ChegPob. - 如圖示之三角形 可知 A + B + C = --- ( 上式兩邊同時與 A 做叉積運算 即 A ABC A A B A C A B A C C CA BC A B AB C A ABsi AB CAsi CA --- ( 同理 若 ( 兩邊與 B 做叉積 即 9

10 B BC si A B C B BC ABsi 若 ( 式兩邊與 C 做叉積運算 則可得出 AB ---( CAsi CA BC si BC (4 由 (~(4 式可知 ABsi AB BC si BC CAsi CA 上式同除 ABC 再取倒數便可得出 A B C 此即正弦定理 si si si BC CA AB 其他型式的多重積 - ( A B ( C D ( A C( B D ( A D( BC - ( A B ( C D C[( A B D] D[( A B C] - Α( BC B( CA C( AB E. 令空間中三點所形成的位置向量分別用 AB 及 C 代表 ( 試證 : 由原點至這三點所形成的平面之最短距離為 d A [ ( A B ( A C ] ( A B ( A C (b 試證 : 向量 ( A B ( B C ( C A 垂直於 ( 所述之平面 (c 如果 ( ( 4 及 ( 5 形成一平面 試求 ( 所述之 d 值 Sdiu Pob.-5 <sol> 參考右圖所示之圖形 可知 P P P P P A B A C 這三點所組成之平面的單位法線向量為 P P P P P P P P A d B P C P ( A B ( A C ( A B ( A C

11 由原點至平面 P P P 的最短距離即是由此平面至原點的垂直距離 亦即 OP 投影 至 方向的分量 故知 d OP cos A B C A ( A B ( A C d 得證 ( A B ( A C b 在 ( 部分中 已知平面的法線向量為 N (A B (A C A A A C B A B C A B B C C A 故知向量 A B B C C A 必垂直於平面 P P P c 就本例而言 A B ( A C ( 5 A [ ( A B ( A C ] d ( A B ( A C ( [ ( ( 5 ] ( ( # O A θ P d H.W. 若 ABCD 為四個非零向量 試證下列廣義 Lgge Idei: ( A B ( C D ( A C( B D ( B C( A D 成立 [8 電機高考 ] [74 年台大材料所 ] Theoem 三向量的線性獨立性若且唯若任意三向量的純量三重積不為零時 此三向量便為線性獨立 4 向量與純量函數及場 導數 向量函數 : 一函數 其值為向量者稱之 V V P P P P

12 * 一向量函數在空間中可界定出一向量場 * 符號 : V P V ( 純量函數 : 一函數之值為純量者稱之 E. 空間中任意點 P 至一固定點 P 的距離 P P P 則 P P為一純量場 以笛卡兒座標系統而言 E. 向量場 ( 速度場 旋轉物件 B 的任意點速度向量構成一向量場 即所謂的速度場 (eloci ield 以笛卡 兒座標系統而言 P i 若 則 i i P E. 向量場 (Field o oce 令質量 M 的粒子固定於 P 點 質量 m 之粒子 B 則位於空間中任意點 P 處 依牛頓地心引力定律 (Neo s l o gi 可知由 P 指向 P 的吸引力 P 其大小會正比於 / 此處 為 P 與 P 間之距離 即 C P 其中 C GMm G cm /gm-sec P : P : 則由畢氏定理可知 故知 P 在空間中定義了一向量場 若 i = 其中 為 P 方向上的單位向量 P P C C i C C P:( P :( P

13 向量微積分. 收斂 (Coegece : 一無限的向量序列 = 若存在一向量 使得 lim 則稱向量序列 為收斂 則為此序列的極限向量 (limi eco 可寫成 lim * 向量函數的收斂 : lim ( L lim ( L. 連續 (Coiui: 一向量函數 ( 若於 附近有定義且 lim ( ( 則稱 ( 在 處為連續 ( ( ( ( i ( ( ( * 若且唯若三分量均在 處連續 則稱 ( 在 處連續. 向量函數的導數一向量函數 ( 若下列極限存在 即 ( ( ( lim 則稱 ( 在 點為可微 (dieeible * '( 稱為 ( 的導數 ( ( ( ( * 以分量表示時 * 基本性質 : ( c c c 是常數 ( u u ( u u u ( + '( (

14 4 ( u u u 5 ( u ( u ( u ( u E. 4 固定長度之向量函數的導數 ( c c 故知固定長度之向量函數的導數 '( 必為零或與 ( 垂直 4. 向量函數的偏導數 已知向量函數 ( ( ( ( i ( ( ( 各分量均為對 個變數 的可微分函數 則 對 l 的偏導數可定義為 同理 l l m l i l m l i l l m l m l E. 5 令 ( cosi si 則 si i cos 5 曲線 切線 弧長 C 曲線的參數表示法 : 空間中任一曲線 C 均可用一向量函數表示成如下 此處 參數 ( ( ( ( i ( ( ( ( * 對任一點 均有一位置向量 ( 與之對應 * 當 增加時 曲線上 ( 上移動方向即為 C 的 指向 (Oieio * 空間曲線 C 的其他表示法 : = ( = g( 當做參數 ( = ( 代表 C 在 - ple 上的投影 = g( 代表 C 在 - ple 上的投影 F( = G( = 兩曲面之交線 4

15 曲線種類的實例 b E. 直線 L : ( b b b b * 若 b 為 ui eco 則其分量便為 L 的方向餘弦 (diecio cosie 此時 可衡量由 A 點至 L 上各點的距離 L E. 在 -ple 上 通過點 A: ( 且斜率為 之直線為 L : ( E. 橢圓 圓 橢圓 : ( cos bsi cosi bsi -ple 內 中心 = 原點 ( cos ( bsi b * 若 b = 則 ( 代表一圓 * Ple Cue: 位於空間內某一平面內的曲線稱之 * Tised Cue: 非 Ple Cue 稱之 E. 圓螺線參考下頁圖示 圓螺線的參數式表示法如下 : C: ( cos si c cosi si c c * c > 時 右旋向上 ; * c < 時 左旋向下 * 簡單曲線 : 一曲線無多重點時稱之 * Muliple poi: 曲線相交或碰觸之點稱之 * 曲線任兩點之間的部分稱為弧 (c C 曲線的切線已知一曲線 C: ( 其上兩點 P 及 Q 分別對應於 與 則下列向量 5

16 具有 L 的方向 ( ( 當 時 則上述向量變成導數 即 ( lim ( ( 則 '( 代表 C 曲線在 P 點的切線向量 u 切線 P Q L ( ( + 單位切線向量 : u * u 與 ' 均指向 增加的方向 * 切線方程式 : q( = + ' P ' C T q E. 4 橢圓的切線 試求橢圓 在 P : 點處的切線 4 <Sol> 橢圓 C : ( cosi si ( si i cos 且 P 點對應於 故知 4 ( / 4 q ( ( i ( 曲線的長度. 曲線 C 的長度 l 可由 段弦的 長度和來逼近 l. 曲線 C: ( b 區間 b 可分割成 段 即 l (= (= b = 且 < < < 即各弦的端點為 ( ( ( 當 時 Δ m = m m. 各弦的長度可用畢式定理求算之 :l l l 4. C 的長度 l: l 6

17 b l= ' ' d C 稱為 Reciible d ' = d 曲線的弧長曲線的長度 L 為一正值常數 但弧長函數則為 的函數 即上限 b 改為 故弧長公式 s( 定義為 s( d ~ ' ' d ' d ~ 線性元素 ds: 上式微分 平方後 可得 ds d d d d d ' d d d ( d d d 又知 d d d d d i d d ds d d d * ds 稱為 C 的線性元素 d d 弧長 s 當作參數時的曲線表示法. 單位切線向量 : u( s ' ( s. C: ( s ( s i ( s ( s E. 5 圓螺線 s( d s ' d d s ' d d d d d s d d s ' ' d ' ' 已知圓螺線 C: ( cos si c cos i si c 導數 : ' ( si cos c ' ' c 弧長 : s c d ~ si i cos c c s c 用弧長表示之 Heli 參數式 : s s s cs * ( s ( cos i si c c c c 7

18 * 令 c = 可得 s 故知半徑為 之圓的弧長參數式為 s s s s s ( cos si cos i si (A (A 式之圓為逆時針方向 * 若令 s s * 則 s * s * s * s * s ( cos si cos i si * ds ds * 此圓會變成順時針指向! H.W. 求曲線長 : ( ( cos (b cos i si [7 年淡江土研所 ][79 年清大核所 ] <As> ( 8(b H.W. 曲線 C: cos i si ( 求曲線方程式 ( 曲線長? [8 年台大電研所 ][84 年成大電研所 ] <As> ( ( cos ( si / ( l H.W. 心臟線 ( ( cos ( 求周長?( 所佔面積? [84 年中山材料所 ] <As> ( l 6 ( A 6 6 力學中的曲線 速度及加速度 質點運動軌跡. C: ( 為時間. 速度向量 : ' d d d s ' ' s 弧長 d ds d 質點 P 的速度. 加速度向量 : ( '( ( 8

19 E. 向心加速度 (Ceipel Acceleio 與離心力 (Ceiugl oce 某粒子 P 在圓 C 上的運動 可表示成 : Rcos i Rsi 速度向量 : Rωsi ωirωcosω 速率 : Rω 角速度 = R = 加速度向量 : Rω cosωirω si ω ω 加速度大小 : R * 向心加速度 m 向心力 m 離心力 切線加速度與法線加速度 d d d s d s u s 其中 u s d / d s C 的單位切線向量 d d s d d d d ds s d d u d du ds d s us ds d d d s us u u(s 為 C 的單位切線向量 ds du ds 法線加速度 = N ds d d s u s 切線加速度 = T d N T 此處 T 就是 在 方向上的投影 故可表成 T 其中 u 方向上的單位向量 * 若且唯若法線加速度等於零 則 便等 d s / d 的時間變化率 亦即 u s d s / d d s d 9

20 E. 切線與法線加速度 -Coiolis Acceleio 有一小物體 B 在一圓碟上往其邊緣移動 其位置向量為 b 此圓碟又以固定角速 = 逆時鐘旋轉 故 b 為一會隨圓碟旋轉的單位向量 試求此物體 B 的加速度 =? <sol> 由於旋轉 故 b 可表成 b cos i si --- ( B 的速度為 b b b --- ( 故知 b 為 B 相對於 Dis 的速度 b 為由旋轉所造成的額外速度 B 的加速度 : bb b b --- ( 由 ( 式可知 b b ( 式中 : b Coiolis Acceleio = 由 Dis 旋轉與 B 在 Dis 上運動交互作用所造成的加速度 ** See: pp 的物理解釋 (i eboo ** 在固定的 -Ple 上 B 會形成一種 Spilig Moio ' i b 切線加速度 : bb bb T b b b b b b 其中 b b bb b b 法線加速度 : N T ' b b

21 E. 兩種旋轉的重疊 Coiolis Acceleio 拋射體 B 沿旋轉地球之子午線 M 均勻運動可表示成 : Rcos b Rsi ( 其中 cosω i si ω ω b ( ω 地球旋轉的角速度 i 及 為正 - 及 - 方向上的單位向量 B 的速度 : Rcos b Rsi b Rcos ( B 的加速度 : Rcos b Rsi b Rcos b Rsi (4 其中 Rcos b 地球旋轉造成的向心加速度 Rsi b Coiolis Acceleio co γ Rcos b B 在子午線 M 上運動所引起的向心加速度 * 在北極處 co 為 M. 在赤道處 co = * Re.: pp 的說明 (i eboo 7 曲線的曲率與扭率 (Tosio 撓率 曲率曲線 C 的曲率 (Cuue (s 定義為 s s ( s u 此處 d / ds ( s / 其中 u s d ds * 曲率 單位切線向量對 s 之變化率的長度 衡量 C 與切線的偏移量 曲線的三面體 (Tihedo Fig.94 i eboo.. 單位切線向量 (ui ge eco u (. 單位主法線向量 (ui picipl oml eco p u u ( u. 單位副法線向量 (ui bioml eco b u p (4

22 曲線的撓 ( 扭 率 曲線 C 的撓率 τ (s 定義為 τ s p s b s (5 * 撓率可衡量曲線 C 對密接平面偏移的情況 * 對平面曲線而言 b = τ = * b p (6 E. 圓柱螺線與圓 s s s 圓柱螺線 C: s cos i si c K c K K K 試求曲率 與扭率 τ [7 年成大機研所 ] [79 年中央環研所 ] <Sol> s s c u s s si i cos K K K K K s s s cos i si K K K K s K c p b b s s s cos c K s K s K i si c K s u s p s si i cos s c K s c cos i si K K c s p s b s K c 故知 Cicul Heli 的曲率與撓率均為 Cos * c = 時 可得半徑為 之一圓 此時 s K s K s K K

23 / 曲率為半徑的倒數 τ = H.W. 同上例 若 c 重做一次 [86 年中央土木所 ] <As> u si i cos c p cos i si b csi i c cos τ c Fee Fomul u p 與 b 為線性獨立的向量 若導數 u p 與 b 存在 則存在一組 Fee Fomul 如下 :. u = p. p = u + τ b. b = τ p du d s dp d s db d s = u p b E. 試證上列 Fee Fomul <p..> 參考 Teboo. ( s ( s ( s H.W.. 試證 : 扭率 [8 年中山機械所 ][87 年中山機械所 ] ( s H.W.. 已知空間某一曲線 C: ( = = 試求( 曲率 ( 扭率 τ =? [79 年中央應數所力學組 ] <As> ( ( τ = ( ( H.W.. 求曲線 C: ( = i + 在點 P(4 6 8 處的單位切線向量及單位主法線向 量 [84 年成大水利所 ] [84 年成大海洋所 ] <As> ( u( = [4 i + ] ( p( = [45 i ] 5 H.W.4. 已知曲線 C: ( 試證曲率 :

24 4 / ( ( ( [8 年台大化工所 ] 8 多變數微積分的複習 鏈鎖律 [Chi Rule] 令 = ( 在 空間的 Domi D 內為連續且具有連續的一階偏導數 令 = (u = (u = (u 為 u-ple 之 Domi B 內的連續函數且均具有連續的一階偏導數 其中 B 內每一點 (u 均可在 D 中找到一相對應點 [(u (u (u ] 則稱函數 = [(u (u (u ] 在 B 中有定義 且在 B 中具有對 u 及 的一階偏導數 即 u u u u 特例 :. 若 = ( 及 = (u = (u 則 u u u. 若 = ( 且 = ( = ( = ( 則. 若 = ( 且 = ( = ( 則 4. 若 = ( 且 = ( 則 d d E. 若 = 且 = cos θ = si θ 則 cos si cos si cos ( si (

25 均值定理 令 ( 為 -spce 內 Domi D 中的連續函數 且具有連續的一階偏導數 令 P ( 及 P ( h h 為 D 內兩點 且使得連接此二點的 : 直線段 P : h P 完全落在 D 之中 則 ( h h h ( h l 即偏導數之值可在該線段一適當點估算 特例 : 雙變數函數 h h 單變數函數 h d h d h 9 純量場的梯度 方向導數 梯度 (Gdie: 已知純量函數為 gd = i 其梯度為 gd 記號 [ 讀作 bl o del] 為一微分運算子 定義為 i ( 或 定義為 E. 若 gd i 6 * gd 為一向量 具有大小與方向 與所選用的座標系統無關 方向導數 [Dieciol Deiie] 純量場 在任意點 P 處 於向量 b 所指定的方向之變化亦稱為 在 P 點處於 b 方向上的方向導數 記為 D b 或 d / ds 定義如下 D lim s s ( Q s ( P b s = P 與 Q 點之間距離 其中 Q 為在射線 C 上於 b 方向的可變動點 5

26 6. 射線 C: i s s s s b b P s s 此處 P 為 P 點的位置向量. 應用 Chi Rule 可知 ds d D b 撇號代表對 s 的微分 又知 b i gd b b b d D ds H.W. 設 為定點 P 至任一點 Q 之距離 ( 試問 之等值面 (Leel suce 為何? ( PQ 之單位向量 =? 具有何種意義? [8 年台大農機所 ] <As>( c ( pq u ** 若方向改成任意長度的向量 則 在 方向上的方向導數為 d s d D gd E. Gdie Dieciol Deiie 試求 於 P:( 點處在向量 i 方向上的方向導數 <Sol> i 6 4 gd i gd p i i D H.W. 已知位置向量 i 試求 ( ( 及 (

27 ? <As> ( ( ( [8 年中央地球物理所 ] Gdie Chceies Mimum Icese 令 P 為具有連續一階偏導數的純量函數 則 gd 存在 且其長度與方向和所選取的 空間座標無關 若在 P 點處 的梯度為非零向量 則其具有 在 P 處最大增量的方向 <p..> See p.45 i Teboo. 梯度 曲面法線向量 曲面 S: C cos 曲線 C: i C ( C 的切線向量 : i 又由 ( 式可知 : gd gd 因此 gd 代表曲面 S 的法線向量 E. 圓錐面 : 4 在點 P:( 處的單位法線向量 =? <Sol> 圓錐面 : 4 [8 年中山電機所 ] gd 8i 8 [88 年中山機械所 ] 7

28 gd P 8i 4 因此 P 點處的單位法線向量為 gd gd 5 i 5 T 分布於下列的圓錐體內 : u cosi usi u H.W. 溫度分布場 dt P 處沿向外法線方向 的方向導數? d 試求在點 7 <As> i 5 5 [88 年成大土木所 ] 可用純量場梯度代表的向量場 若一向量場 P滿足 P gd P 則 P 稱為 P的位勢函數 (poeil ucio 而向量場 P 為保守場 (Coseie ucio E. 萬有引力場 Lplce s Equio 由牛頓的萬有引力定律知 兩粒子間的吸引力為 c c i : p 此處 為兩粒子 [ 位於 P 與 P : ] 之間的距離 8

29 9 同理 由此可知 p 為下列純量函數之梯度 : c c p * c 亦滿足 Lplce s Equio 亦即 <p..> * Lplci Opeo: 故知 Lplce Equio 亦可寫成 : * 庫倫定律 : 兩電荷體 Q Q 之吸引力為 F K 其中 4 Q Q K 為介電常數 H.W. 求通過 P 點且與曲面 垂直之向量 [ 中興應數所 ] <As> i 6 i 6

30 向量場的散度 散度令 i 為一可微分之向量函數 則 的散度 (diegece 定義為 di ( 散度又可記為 di i i ( E. 已知 di V i V Th. Iice o he diegece di 的值只依空間之點而定 ( 當然也依 而變 而與所選擇的座標無關 所以 若針對新的座標 及相對應新的 函數分量 的散度值亦可由下式求算 : di ( (i.e. ( 及 ( 式之值相同 若 為可二次微分的純量函數 則 i gd (4 gd di (5 gd di (6 [ ] E. Giiol Foce c c p 又 di p

31 E. Diegece 的物理意義 可壓縮流體的流動. 假設流體區 R 內無 Souce 或 Si 此處 Fluid 泛指液體 當然亦包含 Gses 及 Vpo. 狹義而言 : Liquid 之壓縮率 (Compessibili 很小 通常可忽略 Gs 及 Vpo 之 Compessibili 很大 i.e. 其密度 ρ [g/m ] 會隨空間座標 而變. 假設 Fluid 為可壓縮 考慮一小方盒 W 其三邊 分別與對應座標軸平行 故知 V ( 令 i 為流體流動的速度向量 流量定義為 u u u u i u u u ( 此處 u 均為對座標 ( 連續可微分的 eco ucio 現在 欲求算單位時間流出 W 的總流體量 W 左面 : W 右面 : 與 與 -ple 平行 對通過 面的流量無貢獻 故知在 內由此面進入的流體量為 u ( 處 流出此面的流體量為 u 此值與上式之差為 u u V (4 其中 u u u 同理 另外兩對平面對應的式子為 u u V (5 u u 其中 u

32 u u V (6 其中 u u u 因此 W 內總耗損量為 u u u V (7 總耗損量亦可表成 V (8 令 (7 = (8 式 則可得出 u u u V V lim u u u di u di di 此即可壓縮壓流體的連續方程式 (Coiui Equio * 若 Fluid 為 sed se: di ( * 若 又為常數 [i.e. 不可壓縮 ] 則 ( 式變成 di ( 流入 流出. 此式稱為 Codiio o icompessibili H.W. 試證 :( ( 此處為空間任一點之位置向量的大小 [8 年中央地球所 ] H.W. 若 為位置向量 且 試求 (? [79 年中央應數所 ] <As> ( (

33 向量場的旋度 旋度 i 令 Cul i 為可微分向量函數 則向量函數 的旋度 (Cul 定義成 * Cul 又可記為 o i E. 令 i 則 i i i E. 剛體的旋轉 = 為 P 點的位置向量 且 = ω 因此 W V = = ω i + ω cul = i = ω P i.e. cul = ω 即旋轉剛體之速度場的旋度具有旋轉軸的方向 而其大小則為旋轉角速度的兩倍 對任何可連續二次微分的純量函數 而言 cul (gd = o ( = 換言之 若一向量函數恰為一純量函數之梯度 則此向量函數的旋度必為零 * 旋度 描述場的旋轉 * 描述某一運動的梯度場則必為 Ioiol ( 非旋轉的 對任何可連續二次微分的向量函數而言 di (cul = o ( = Theoem: cul 的長度及方向與所選用的座標系統無關 ---- 不變性!!

34 E. ( 試證 : ( 若 d ( d( ( 4 其中 d d 其中 為常數 試求 A? A <sol> ( 利用向量恆等式 : A ( A ( A ( ( ( (A 其中 ( ( ( 而 d ( ( d d ( ( (B d d ( ( ( d d ( d ( d ( ( d d d d ( d ( d ( d d d d ( d( 4 (C d d [ ( ] ( ( [ ( ] d ( ( d (D [ ( ] (E 將 (C 及 (E 式之結果代入 (A 式 可得 d ( d ( [ ( ] 得證 d d 依題意 知 A ( 4

35 5 其中 ( 故利用上題之結果 知 5 ( d d 4 ( d d d d d d A ( 4 ( E. 已知純量函數 e V si( si( 試求 : V 在點 P( 上最大增加率的大小及方向 V 在 P 點朝向原點方向上的增加率 [8 年成大電機所 ][D.K. Cheg Pob. -] <sol> 觀念 : 欲求純量函數的最大增加率 即是要求出該函數的梯度 所以 最大增加率 P V ( ( 6 cos( si( cos( si( si( cos( si( si( si( si( si( si( e e e e e e e 觀念 : 欲求其他方向的增加率 即是要求該方向的方向導數 故需先求出該方向的單位向量 再用 P 點處的梯度投影之即 O P(

36 6 可 由 P 點至原點 (O 點 之單位向量為 ( 4 ( ( ( ( ( ( PO PO PO P 點朝原點方向的增加率為 4 ( 4 6 e e V PO P ** 沿 dl 方向的方向導數即為此方向的增加率 : cos d dv d d d dv d dv V d dv E. 已知某一向量場為 ( ( F 試求 ( F ( F ( 純量場 以使 F <Sol> 已知 F ( ( 利用向量恆等式之性質 可知 ( F θ dl

37 θ siθ φ F siθ θ φ ** 本題亦可利用向量恆等式性質來處理 : F 依題意要求 : F ( ( ( C( ( ( ( ( C( ( ( ( ( C( ( 比較上列三式 可知 C C C C 即可 所以 所求之純量場為 ( ( ( C H.W. 已知 A = <As> i 5 + 試求 ( A =? [66 年台大土木所 ] H.W. 已知 A= i + ( W= ( i 試求 ( V 及 ( W =? [8 年清大電機所 ] <As> ( (+ i ( ( 4 i 4 ( + H.W. 已知位置向量 其大小 ( 試求證下列各式 : ( ( ( [8 年大同電機所 ] ( ( [8 年大同電機所 ] (4 ( 7

38 (5 ( (6 [ 清大電研所 ] (7 (8 ( ( 其中 為常數 (9 ( ( ( ( A A 其中 A 為一常數向量. [8 年中央光電所 ] ( ( ( ( ( 8

39 綜合練習 E. 淨電場 E 是電位 之梯度的負值 ; 即 E 若在 P ( 處的電位 為 Ve si 4 b V cos 時 試求在 P 點處的電場 E =? V ( As: e 4 b V (cos si E. 已知 ( 求在點 ( 之? As: 9 6 E. 若 ( l (b 求? As:( (b E. 試將下列各純量函數的梯度 [ 最大方向導數 ] 表成向量函數 : ; b g 4; c F ; d G 5 si 6 cos 5 e h cos si si <As> b d 5si cos 5cos 6si 6 cos E. 試求下列各向量函數的旋度 [cul] ( F 4 5 (b H

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