工程數學基礎概念

2021-09-27 09:39:07 字數 2559 閱讀 2672

本文內容包括向量,標量,點乘,叉乘,梯度,散度,旋度,複數的三種表現形式(笛卡爾,指數,極座標),三種座標系(笛卡爾,圓柱,球)及其對應的線路,面積,體積積分,拉普拉斯運算元,散度定理,旋度定理

不包含方向資訊

包含方向資訊

點乘,輸入兩個向量,得到乙個標量,可以理解為乙個向量在另乙個向量上的投影

叉乘,輸入兩個向量,得到乙個向量,可以理解為求出同時垂直於兩個向量的向量,方向由叉乘的順序決定(右手定則)

導數梯度,輸入模型的標量,得到向量,函式沿該向量變化率最大

散度,輸入模型的向量,得到標量,表示發散的強度(通源量密度)

旋度,輸入模型的向量,得到向量,表示旋轉方向(右手定則,四指為旋轉方向,拇指為旋度方向)和繞著這個旋轉軸旋轉的環量與旋轉路徑圍成的面元的面積之比

name

realtionship

gradf

∇fdivf

∇ · f

curlf

∇ × f

a = a + jb (a > 0, b > 0)

a = ae^jθ

a = a∠θ

θ是線與x軸正方向的夾角

先對模型求梯度,得到乙個向量,再對該向量求散度

#散度定理和旋度定理

此處以計算做功為例:f(r

)f(r)

f(r)

為在r處的力的函式,r為路線的函式

做功是∫f(

r)⋅d

r∫f(r)·dr

∫f(r)⋅

dr,可以用乙個引數t代替力和路徑裡的x,y,z,然後計算∫f(

r(t)

)⋅r(

t)dt

∫f(r(t))·r(t)dt

∫f(r(t

))⋅r

(t)d

t在起點和終點不變的情況下,路徑的變換可能會導致積分結果不同

這是線積分的一種特殊情況,下方的四條描述可以互相證明,滿足任何乙個描述即代表滿足其它三條描述

①f (r

)⋅dr

=f1d

x+f2

dy+f

3dzf(r)·dr=f_1dx+f_2dy+f_3dz

f(r)⋅d

r=f1

​dx+

f2​d

y+f3

​dz在區域d內與路徑無關

②某個f的梯度gradf等於f

③對區域d內的曲線c的路線積分等於0

④(如果d是單連通的)curlf = 0

單連通代表d的平面沒有漏洞

路徑無關的積分滿足∫f®·dr = ∫gradf·dr = f(b) - f(a)

f的梯度為f,b是積分終點,a是積分起點

1.確定幾個輸入,即積分的起點a和終點b,積分的公式f(x,y,z),沒有z則視為 0dz

2.求積分公式的旋度 ∇×f,如果結果為0,則證明此積分路徑無關(也證明了可以找到梯度為f的公式f)

3.求f,方法是依次尋找x,y,z對各自偏導的積分

4.已知f對x的偏導是a,則可以通過a對x積分得到:∫a dx+g(y,z),g是乙個未知方程

5.已知f對y的偏導是b,對∫a dx求對y的偏導,結果和b對比,得出g=原式+h(z),h(z)是乙個未知方程

6.已知f對z的偏導是c,對f求對z的偏導,得出h(z)和最終的f (f會帶有乙個常數c)

7.最後,求f(b)-f(a)得出結果

su***ce integral 可以被拆解為四步

找到面的引數方程r(u,v)

通過n =r

u×rv

n=r_u\times r_v

n=ru​×

rv​找到面的法向量n,注意這裡的n求出來方向不一定是正的,需要代入某個點來觀察它的方向

∬fn dudv

代入fn

還有一種是∬sg

(r)d

a=∬r

g(r(

u,v)

)∣n(

u,v)

∣dud

v\iint_s g(r)da=\iint_rg(r(u,v))|n(u,v)|dudv

∬s​g(r

)da=

∬r​g

(r(u

,v))

∣n(u

,v)∣

dudv

和上面不同的只是得出n

nn之後的操作

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