§4 Важнейшие формулы и теоремы векторного анализа

Для получения практически важных соотношений, используемых в векторном анализе, оказывается полезным следующее интегральное представление для оператора Гамильтона:

= limS0 1 V SndS

(4.1)

Смысл этой записи состоит в том, что три основные дифференциальные операции grad, div и rot могут быть представлены в таком виде:

gradϕ ϕ = limS0 1 V SnϕdS, (4.2a) diva (a) + limS0 1 V S(na)dS, (4.2b) rota [a] = limS0 1 V S[na]dS. (4.2c)

Здесь V  — бесконечно малый объем, содержащий точку г, в которой вычисляются gradϕ, diva и rota; S — замкнутая поверхность, окружающая V ; dS — ее элемент; n — единичный вектор внешней нормали к S; limS0 означает, что поверхность S стягивается к точке r.

Формулы (4.2) проясняют смысл обозначений (a) и [a]. В связи с представлением оператор Гамильтона у часто называется оператором объемного дифференцирования.

Задача 12. Убедиться в справедливости представления (4.2), взяв в качестве объема V шар с центром в точке r.

Задача 13. Пользуясь (), вычислить divr, rotr, grad(ar), rot[ar], gradϕ(r), divA(r), rotA(r), где a — постоянный вектор, r r.

В дальнейшем, если специально не оговорено, мы будем пользоваться декартовыми координатами, в которых оператор у выглядит особенно просто:

= i=13a i i

(4.3)

Если объект действия оператора зафиксирован, то в соответствии с () с ним можно обращаться, как с обычным вектором. В то же время [см. *] он является оператором дифференцирования. В частности, в соответствии с правилом d(AB) = (dA)B + AdB имеем

(AB) = (∇A)B + AB

или, помечая объект действия оператора жирной точкой () внизу, условимся писать

(AB) = AB + AB .

Вычислим, к примеру, div[ab]:

div[ab] ([ab]) = ([a b]) + ([ab ]).

С каждым слагаемым, помеченным точкой (), можно работать уже по правилам векторной алгебры, т. е. 

([a b]) = (b[a ]) (brota),

([ab ]) = (a[b ]) (arotb).

В результате находим

div[ab] = (brota) (arotb). (4.4a)

Аналогично можно доказать и многие другие полезные тождества:

div(ϕa) = ϕdiva + (aϕ), (4.4b) rot(ϕa) = ϕrota + (ϕa), (4.4c) rot[ab] = adivb bdiva + (b)a (a)b, (4.4d) grad(ab) = [arotb] + [brota] + (b)a + (a)b, (4.4e)

где в последних двух тождествах использовано обозначение (a) ai i для оператора дифференцирования вдоль вектора a.

Из представления (4.2) вытекают также и некоторые полезные интегральные теоремы. Для их получения выберем некоторый объем V , окруженный поверхностью S, и разобьем его на достаточно большое число N ячеек. Пусть i-я ячейка имеет объем ΔV i, окруженный поверхностью ΔSi. Тогда, по теореме Лагранжа,3 внутри ΔV i,- найдутся такие точки ri(1), ri(2), ri3, что будут справедливы соотношения:

ΔV iϕ(ri(1)) = ΔSinϕdS,

ΔV i diva(ri(2)) = ΔSi(na)dS,

ΔV i rota(ri(3)) = ΔSi(na)dS.

Произведем теперь суммирование по всем ячейкам и положим N . Тогда в пределе левые части перейдут в интегралы по объему V , а правые части — в интегралы по внешней поверхности S, поскольку интегрирование по внутренним поверхностям ΔSi производится дважды, с противоположными значениями нормали n. В результате получим следующие интегральные соотношения являющиеся различными вариантами общей теоремы Остроградского:

V ϕdV = SnϕdS, (4.5a) V divadV = S(na)dS, (4.5b) V rotadV = S[na]dS. (4.5c)

Наиболее часто используемое соотношение (4.5b) известно как теорема Гаусса-Остроградского.

Теорему Остроградского можно применять и к компонентам тензоров. Подставим, например, в (4.5a) вместо ϕ компоненту тензора Tik. Тогда

V jTik dV = SnjTikdS.

Свертка по i и j дает

V divT̂dV = S(n T̂)dS,

(4.6)
где divT — вектор с компонентами iTik.

Если в (4.5a) положить ϕ = uv, то получается широко используемая формула интегрирования по частям:

V uv dV = Sunv dS V v udV .

(4.7)
Отметим, что здесь u и v v можно считать произвольными тензорами.

Задача 14. Получить е помощью (4.5a), (4.5c) следующие теоремы Стокса;

S[nϕ]dS = Gτϕdl, (4.8a) S(nrota)dS = S(τa)dl, (4.8b)

где S — поверхность, натянутая на замкнутый контур C; τ — единичный вектор, касательный к контуру и направленный по правому винту относительно n (т. е.  поверхность S является правоориентированной относительно контура С). Вывести (4.8b) из (4.5b).

Указание: выбрать в качестве объема V бесконечно малый цилиндр.

Задача 15. Вывести из теорем Стокса следующие полезные тождества:

rotgradϕ 0, (4.9) divrota 0. (4.10)

Вектор e, удовлетворяющий условию rote = 0, называется потенциальным или безвихревым. Как следует из (), в этом случае e = ϕ, где ϕ — произвольный скаляр (скалярный потенциал). Вектор b, удовлетворяющий условию divb = 0, называется соленоидальным. В этом случае b = rota, где a — произвольный вектор (векторный потенциал).

Задача 16. Убедиться, что для уравнений

ϕ = e(x), rota = b(x), divd = f(x), где e(x), b(x) и f(x) суть заданные функции, наиболее общими, решениями являются соответственно: ϕ = 01r e(λx)dλ + const, a = 21λ[b(λx)r]dλ + ψ(x), d = r 01λ2f(λx)dλ + rotc(x)

при произвольных ϕ(x) и c(x). Найти условия на векторы e(x) и b(x), при которых эти решения существуют.

Изучим теперь важнейший для приложений оператор Лапласа Δ (). Его особенность состоит в том, что он является инвариантным (скалярным) оператором как в применении к скалярной, так и к векторной функции. В применении к скаляру ϕ(x) он определяется так:

Δϕ divgradϕ.

(4.11)

Используя определения div и grad в произвольных координатах, имеем

Δϕ = g12 i(g12 iϕ).

С другой стороны, kϕ = gkiiϕ, откуда

iϕ = k=13g ik1 kϕ = gik kϕ,

где gik — контравариантные компоненты метрического тензора, определяемые условием gik gkj = δji. Итак,

Δϕ = g1∕. 2 i(g1∕. 2gik kϕ).

(4.12)

Задача 17. Записать Δϕ в декартовых, цилиндрических и сферических координатах.

В применении к вектору a оператор Δ определяется следующим образом:

Δa graddiva rotrota.

(4.13)

Задача 18. Показать, что в декартовых координатах ( Δa)i = Δai divgradai, т. е. (4.13) согласуется с (4.11). Найти физические компоненты вектора Δa в цилиндрических и сферических координатах.

Задача 19. Используя разложение скалярной функции ϕ в ряд Тейлора

ϕ(r + ξ) = n=0 1 n!(ξ)nϕ(r),

доказать справедливость следующего представления для Δϕ:

Δϕ(r) = lima010 a2Δaϕ(r),

(4.14)
где Δaϕ — среднее уклонение функции ϕ в объеме шара радиуса a с центром в точке r, т. е. 
Δaϕ(r) 3 4πa3 V a[ϕ(r + ξ) ϕ(r)]dV ξ.

В приложениях часто приходится иметь дело с гармоническими функциями. Функция ϕ называется гармонической в области V , если внутри нее она удовлетворяет уравнению Лапласа Δϕ = 0. Важным свойством гармонической в области V функции является то, что она принимает свои наименьшее и наибольшее значения на границе области V (принцип максимума).

Задача 20. Доказать принцип максимума, пользуясь представлением () для Δϕ.

В заключение обратим внимание на важное свойство сферических средних, часто используемое при решении уравнений, содержащих оператор Лапласа. Сферическим средним некоторой функции ϕ(r) называется величина

ϕ(r)a = 1 4π ξ=1ϕ(r + aξ)dSξ,

(4.15)
представляющая собой среднее значение функции ϕ(r) на сфере радиуса a с центром в точке r.

Задача 21. Показать, что

Δϕa = 1 a 2 a2(aϕa)

(4.16)

Замечая, что ϕ(r) = lima0ϕ(r)a, выводим из () еще одно интересное представление для оператора Лапласа:

Δϕ(r) = lima01 a 2 a2[aϕ(r)a].

(4.17)