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  • 多变量微积分笔记12——平面向量场

      当研究物理系统中温度、压力、密度等在一定空间内的分布状态时,数学上只需用一个代数量来描绘,这些代数量(即标量函数)所定出的场就称为标量场。最常用的标量场有温度场,电势场,密度场,浓度场等等。

      向量场 vector field(矢量场)是由一个向量对应另一个向量的函数。向量场广泛应用于物理学,尤其是电磁场。

      建立坐标系(x,y,z)。空间中每一点(x0,y0,z0)都可以用由原点指向该点的向量表示。因此,如果空间在所有点对应一个唯一的向量(a,b,c),那么时空中存在向量场F: (x0,y0,z0)→(a,b,c)

    平面向量场

      在二维平面上的每个点都对应一个向量,可以如下表示:

      其中ij是单位向量,M和N是关于x和y的函数,也就是平面向量场中的所有向量都取决于x和y。

      场的概念其实很常见,比如风向场,每一点的风都可以用一个向量表示:

      台风的风向场:

      在物理学中常见的还有水流场和引力场。在流体中,每一点都有速度和力量;在地球上,所有物体都受到重力的约束,共同组成重力场;宇宙中,行星之间相互吸引或排斥,形成引力场。

    向量场绘图

    示例1:F = 2i + j

      这个场向量有点特殊,它并不取决于x和y,也就是说所有点处的向量都相等,每个点处都存在向量<2, 1>:

     

      大概就是这样了,画出草图即可。向量是表示大小和方向的量,并未规定起点的位置。

    示例2:F = xi

      对于这个向量场来说,只存在i方向的分量,不存在j方向的分量,如果用四边形法做向量,这个四边形的高将压缩为0:

     

      如上图所以,这将得到一个水平的向量。所以这个向量场是水平的,它不存在j方向上的分量,并且长度取决于x,如果x = 0,就是零向量。

    示例3:F = xi + yj

      这里x和y可以是任意数据,而且未限定二者的关系。当y = 0时就是示例2中草图;如果x = y = 1,会有如下向量场:

      对于F = xi + yj来说,这太过于杂乱无章,所以对于任意x和y,仅画出从原点出发的向量,这样F = xi + yj这个向量场将是从原点呈放射状,大小等于向量终点与原点的距离:

      这可以看作是从一个点喷出的气流。

    示例4:F = -yi + xj

      当x = 1,y = 2时,向量<1,2>和 <-2,1>是垂直的:

      对于其它点也一样,<-y,x>⊥<x,y>。这可以用点积计算,两个向量的点积为0,则两个向量垂直:

     

      把上图的向量移动一下:

     

      F = -yi + xj实际上是一个逆时针匀速转动的向量场,每个向量都与圆相切:


       作者:我是8位的

       出处:http://www.cnblogs.com/bigmonkey

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