多變數微積分筆記12 平面向量場

2021-08-18 12:42:31 字數 2046 閱讀 8463

當研究物理系統中溫度、壓力、密度等在一定空間內的分布狀態時,數學上只需用乙個代數量來描繪,這些代數量(即標量函式)所定出的場就稱為標量場。最常用的標量場有溫度場,電勢場,密度場,濃度場等等。

向量場 vector field(向量場)是由乙個向量對應另乙個向量的函式。向量場廣泛應用於物理學,尤其是電磁場。

建立座標系(x,y,z)。空間中每一點(x0,y0,z0)都可以用由原點指向該點的向量表示。因此,如果空間在所有點對應乙個唯一的向量(a,b,c),那麼時空中存在向量場f: (x0,y0,z0)→(a,b,c)

在二維平面上的每個點都對應乙個向量,可以如下表示:

其中ij是單位向量,m和n是關於x和y的函式,也就是平面向量場中的所有向量都取決於x和y。

場的概念其實很常見,比如風向場,每一點的風都可以用乙個向量表示:

颱風的風向場:

在物理學中常見的還有水流場和引力場。在流體中,每一點都有速度和力量;在地球上,所有物體都受到重力的約束,共同組成重力場;宇宙中,行星之間相互吸引或排斥,形成引力場。

這個場向量有點特殊,它並不取決於x和y,也就是說所有點處的向量都相等,每個點處都存在向量<2, 1>:

大概就是這樣了,畫出草圖即可。向量是表示大小和方向的量,並未規定起點的位置。

對於這個向量場來說,只存在i方向的分量,不存在j方向的分量,如果用四邊形法做向量,這個四邊形的高將壓縮為0:

如上圖所以,這將得到乙個水平的向量。所以這個向量場是水平的,它不存在j方向上的分量,並且長度取決於x,如果x = 0,就是零向量。

這裡x和y可以是任意資料,而且未限定二者的關係。當y = 0時就是示例2中草圖;如果x = y = 1,會有如下向量場:

對於f= xi+ yj來說,這太過於雜亂無章,所以對於任意x和y,僅畫出從原點出發的向量,這樣f= xi+ yj這個向量場將是從原點呈放射狀,大小等於向量終點與原點的距離:

這可以看作是從乙個點噴出的氣流。

當x = 1,y = 2時,向量<1,2>和 是垂直的:

對於其它點也一樣,⊥。這可以用點積計算,兩個向量的點積為0,則兩個向量垂直:

把上圖的向量移動一下:

f= -yi+ xj實際上是乙個逆時針勻速轉動的向量場,每個向量都與圓相切:

出處:

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