标量场函数的梯度
1.4标量场的梯度
el = ex cos α + e y cos β + ez cos γ
cos α , cos β , cos γ 是 el 的方向余弦： 的方向余弦：
dx dy dz cos α = , cos β = , cos γ = dl dl dl
3、方向导数的性质 方向导数是标量场在点P处沿方向 对距离的变化率。 方向导数是标量场在点 处沿方向 el 对距离的变化率。 标量场中，在给定点 处沿不同方向 的方向导数不相同。 标量场中，在给定点P处沿不同方向 el 的方向导数不相同。 二、梯度 1、梯度的定义 是一个矢量， 标量场 u (r ) 的梯度 gradu ：是一个矢量，其方向为标量场 变化率最大的方向、大小则等于其最大变化率， u (r ) 变化率最大的方向、大小则等于其最大变化率，即
§1.4 标量场的梯度
用一个标量函数来表示，在直角坐标系中表示为： 标量场: 标量场 u (r ) 用一个标量函数来表示，在直角坐标系中表示为： 一、等值面 1、等值面 标量场中量值相等的点构成的面，称为标量场的等值面。 标量场中量值相等的点构成的面，称为标量场的等值面。 例如，在温度场中，由温度相同的点构成等温面；在电位场中， 例如，在温度场中，由温度相同的点构成等温面；在电位场中， 由电位相同的点构成等位面。 由电位相同的点构成等位面。 2、等值面方程
3、梯度的性质 标量场的梯度是一个矢量场。 标量场的梯度是一个矢量场。
标量场在给定点处沿某方向的方向导数等于梯度在该方向上的投影。 标量场在给定点处沿某方向的方向导数等于梯度在该方向上的投影。
标量场中某点处的梯度，垂直于过该点的等值面， 标量场中某点处的梯度，垂直于过该点的等值面，且指向
u (r ) 增加的方向。 增加的方向。
2.2数量场的方向导数和梯度.
3）在球面坐标系中：
3、 梯度的性质
1） 标量场的梯度是矢量场，它在空间某点
的 方向表示该点场变化最大（增大）的 方向，其数值表示变化最大方向上场的空 间变化率。
2） 标量场在某个方向上的方向导数，是梯
度在该方向上的投影。
3）标量场的梯度垂直
于通过该点的等值 面（或切平面）
4、梯度运算的基本公式
5.
梯度的重要性质
0
证：
ˆ x x x ˆ y y y
标量场梯度的旋度恒等于零。
ˆ z z z
2 2 2 2 2 ˆ( ˆ( ˆ( x F F) y F F) z F F) yz zy zx xz xy yx
2.2 标量场的方向导数和梯度
一、方向导数 1、定义：在实际应用中不仅需要宏观上了解场在空间 的数值，还需要知道场在不同方向上场变化的情况。应 用方向性导数可以描述标量场在空间某个方向上变化的 情况。
方向性导数表示场沿 l 方向的空间变化率。
u u lim | l M l 0 l
l
3、梯度的运算
1）在直角坐标系中：
u u u u ex ey ez x y z u 1 u u u er e ez r r z u 1 u 1 u u er e e r r r sin
2）在柱面坐标系中：
=0
例题：
若 R r r ' ，R R
在处理相对坐标的函数的 梯度运算时，算子 与算 子 ' 可以互换，但改变 其前的正负号。
证明：
1 1 ( ) '( ) R R
ex ey ez 说明： x y z ' ex ey ez x ' y ' z '
圆柱坐标系的梯度散度旋度公式
圆柱坐标系的梯度散度旋度公式在数学和物理学中，圆柱坐标系是一种常用的坐标系，特别适用于具有圆柱对称性的问题。
在三维空间中，圆柱坐标系由径向、方位角和高度三个坐标轴组成。
在圆柱坐标系下，梯度、散度和旋度是描述矢量场性质的重要概念。
下面我们将探讨在圆柱坐标系下梯度、散度和旋度的计算公式。
圆柱坐标系下的梯度在圆柱坐标系下，一个标量函数$$ f(\\rho, \\phi, z) $$的梯度可以用下式表示：$$ \ abla f = \\frac{\\partial f}{\\partial \\rho} \\hat{\\rho} + \\frac{1}{\\rho} \\frac{\\partial f}{\\partial \\phi} \\hat{\\phi} + \\frac{\\partial f}{\\partial z}\\hat{z} $$其中$$ \\hat{\\rho} $$、$$ \\hat{\\phi} $$和$$ \\hat{z} $$分别是径向、方位角和高度方向的单位矢量。
圆柱坐标系下的散度对于一个矢量场$$ \\mathbf{F}(\\rho, \\phi, z) = F_\\rho \\hat{\\rho} + F_\\phi \\hat{\\phi} + F_z \\hat{z} $$，在圆柱坐标系下的散度计算公式为：$$ \ abla \\cdot \\mathbf{F} = \\frac{1}{\\rho} \\frac{\\partial}{\\partial\\rho}(\\rho F_\\rho) + \\frac{1}{\\rho} \\frac{\\partial F_\\phi}{\\partial \\phi} + \\frac{\\partial F_z}{\\partial z} $$圆柱坐标系下的旋度对于一个矢量场$$ \\mathbf{F}(\\rho, \\phi, z) $$，在圆柱坐标系下的旋度计算公式为：$$ \ abla \\times \\mathbf{F} = \\left( \\frac{1}{\\rho} \\frac{\\partialF_z}{\\partial \\phi} - \\frac{\\partial F_\\phi}{\\partial z} \\right) \\hat{\\rho} + \\left( \\frac{\\partial F_\\rho}{\\partial z} - \\frac{\\partial F_z}{\\partial \\rho} \\right) \\hat{\\phi} + \\frac{1}{\\rho} \\left( \\frac{\\partial}{\\partial\\rho}(\\rho F_\\phi) - \\frac{\\partial F_\\rho}{\\partial \\phi} \\right) \\hat{z} $$这三个公式是描述在圆柱坐标系下梯度、散度和旋度的基本公式，它们在解决圆柱对称性问题时具有重要的应用价值。
标量场梯度的定义与计算
弟为最大的方向导数。
思考：什么情况下，方向导数为零呢？
sd 为零，即等值面上任意线段上
的方向导数为零。
b・梯度定义
定义：标量场中某点梯度的大小为该
点最大的方向导数，其方向为该点所
在等值面的法线方向。
d。
数学表达式:
grad^
=
八a dn n
C.梯度的计算:
挪 d，dn d， 八
梯度
al
u —=---- cos
解：根据梯度计算公式
疽卵—ax +云 ^^y az ox 8y 8z
=6 xyz & + 3x2 z z(ay + 9 x2
yz 位
, grad I 尹=12% + 3 句 + 18ciz
在不同的坐标系中，梯度的计算公式:
在直角坐标系中: 在柱坐标系中:
海八 海八 海八
v^=—a +—a y +—a ox Sy
W牛r or
Hale Waihona Puke Sz也"淨z在球坐标系中:
w=迎晶+
SR R
海a+
sin先 a
+普 +寿 在任意正交曲线坐标系中：坐标变量（"i，"2,"3），拉梅系数（如h2,h3） ou2 a 2 h ou3 a 3 h h Ou
小结：
1.标量场的等值面
2.标量场梯度的定义grad^ =翌％ dn
3. 标量场梯度的计算w=普&
+ + h % a 2 h m a 3
学a
， d l d n d / d n
在直d 角坐= 标gr系ad中，：- d挪l =g皿斜+灯
第3讲 矢量分析(2)
P 穿出该六面体的净通量为
Fx Fy Fz S F dS x xyz y xyz z xyz
根据定义，则得到直角坐标系中的散度 表达式为
F lim
S
F dS V
V 0
Fx Fy Fz x y z
u • 0 —— u(M)沿l 方向无变化。 l
方向导数的概念
问题：在什么方向上变化率最大、其最大的变化率为多少？
3. 标量场的梯度
标量场的场函数为 ( x, y, z, t ) a.方向导数：
d 空间变化率，称为方向导数。 dl
P1
dn
P
P2
dl
d 为最大的方向导数。 dn
0
0 d
b.梯度 定义：标量场中某点梯度的大小为该点最大的方向导数， 其方向为该点所在等值面的法线方向。 d ˆ an 数学表达式： grad dn
计算
d d d n d cos d a a ˆn ˆl dn dl d n dl d n d grad d l
l1 l2 l3 l4
Fy1y Fz 2 z Fy 3 y Fz 4 z
Fy1 Fy M
Fy z
M
z 2
z
3
4 z M
C 2
Fz y Fz 2 Fz M y M 2 Fy z Fy 3 Fy M z M 2 F y Fz 4 Fz M z y M 2
Si
散度定理是闭合曲面积分
与体积分之间的一个变换关系。
散度体积分=闭合面通量
三. 矢量场的环流和旋度
1. 矢量场的环流与旋涡源
1.5标量场梯度的定义与计算
a.方向Байду номын сангаас数：
d 空间变化率，称为方向导数。
dl
d
dn
为最大的方向导数。
P1
P2
dn
dl
P
0 d 0
思考：什么情况下，方向导数为零呢？
d 为零，即等值面上任意线段上的方向导数为零。
b.梯度定义
定义：标量场中某点梯度的大小为该 点最大的方向导数，其方向为该点所 在等值面的法线方向。
au3 ˆ
小结：
1. 标量场的等值面
2.
标量场梯度的定义
grad
d
dn
aˆ n
3.
标量场梯度的计算
h1u1
aˆu1
h2u2
aˆu 2
h3u3
aˆu3
r
aˆr
r
aˆ
z
aˆz
在球坐标系中：
R
aˆ R
R
aˆ
R sin
aˆ
在任意正交曲线坐标系中：坐标变量 (u1,u2,u3) ，拉梅系数 (h1,h2, h3)
h1u1
aˆu1
h2u2
aˆu 2
h3u3
数学表达式：
grad
d
dn
aˆ n
P1
P2
dn dl
P
0 d 0
c.梯度的计算：
梯度
d d
dl dn
dn dl
1.3标量函数的梯度
en
gradu gradu
记忆！！
（三）哈密顿（Hamilton）算子
➢ 引入一个算子
ex x ey y ez z 称为哈密顿算子。 读作“del（德尔）”或
“nabla（那勃拉）”
直角坐标下的具体实例
u
(ex
x
ey
y
ez
)u z
u x
ex
u y
ey
u z
ez
gradu u
(四) 梯度运算基本公式
函数u(x,y,z) 沿其中哪 个方向的 变化率最 大?
G
u x
ex
u y
ey
u z
ez
u l
G el
G
cos G, el
u G l max
u(x,y,z)沿G方向变化率最大 矢量G的模也正好就是该最大变化率。
(二)梯度的性质 ➢ 一个标量函数（标量场）的梯度是一个矢量函数。
在给定点，梯度的方向就是函数变化率最大的方 向，它的模恰好等于函数在该点的最大变化率的 数值。又因函数沿梯度方向的方向导数
22
cos
1
1
12 22 22 3
cos 2 cos 23
3
u (u , u , u )(cos, cos , cos )
l x y z = 1 1 0 2 1 2 1 23 3 23 2
三、梯度(Gradient)
（一）梯度的定义：大小？方向？
el
l l
cos ex cos ey cos ez
1.3 标量函数的梯度
一、标量场？的等值面
➢ 在直角坐标系中，某一物理标量函数u可表示为
u ux, y, z
u u r, r = (x, y,z)
梯度、散度、旋度表达式推导
r r a • dr ∫
所以
lim
s →0
L
S
i r ∂ = ∇× a = ∂x ax
i r ∂ = ∇×a = ∂x ax
j ∂ ∂y ay
j ∂ ∂y ay
k ∂ ∂z az
k ∂ ∂z az
即
rotn a = lim
s →0
r r a • dr ∫
L
S
4. 曲线坐标系
a. 曲线坐标的引进，柱坐标系球坐标系 曲线坐标的引进， 空间中任一点 M 在直角坐标系中是由 （x, y, z） 三个数唯一决定的。此时矢经 r 的表达式是：
H 1 , H 2 , H 3 称为拉梅系数
4. 曲线坐标系
b .拉梅系数以及弧元素在曲线坐标坐标系中的表达式 拉梅系数以及弧元素在曲线坐标坐标系中的表达式
∂r 考虑到 ∂qi 的大小和方向后，可得下式：
r r r dr = H 1dq1e1 + H 2 dq2 e2 + H 3 dq3e3
这就是弧元素矢量在曲线坐标系中的表达式，它们 在坐标轴上的投影分别是：
L
S
i r ∂ = ∇×a = ∂x ax
j ∂ ∂y ay
k ∂ ∂z az
证明如下： 因为： L
r r ∫ a • dr =
∫ (a dx + a dy + a dz)
x y z L
3．旋度 ．
b. 旋度 2) 表示形式 再由线积分转化为面积分可得： 上式=
∫ [(
L
∂a y ∂ax ∂a ∂a ∂az ∂a y − ) nx + ( x − z ) n y + ( − )n y ]dS ∂y ∂z ∂z ∂x ∂x ∂y