Tuesday, December 18, 2012

斯托克斯公式 S与L 都是有向的,故 是有向长度微元


              

                             

 

以下仅在三维空间中讨论。

一、微分的外积运算

微分的外积定义:对三维空间中自变量的微分 ,其外积运算用 表示,如 的外积记为 ,它们满足以下运算法则:

1 ,( 是实数);

2)外积运算对加法有分配律,如

3)反交换律,即任何两个微分的外积交换次序后变号,如

4)任意一个微分与自身的外积等于0,如

5)结合律,

在几何上可以理解为有向长度微元。

在几何上可以理解为有向面积微元, 在几何上可以理解为有向体积微元。因此,它们与 的区别在于前者是有向度量,即值有正负之分,而后者是无向的,永远是正的。

把微分的外积运算与向量的外积运算 相比较,上述运算法则(1~4)是完全类似的。而 在几何上是以 为边的平行四边形的面积,对应于


二、外微分式及其外微分式的外积运算

都是三维空间的函数,则分别称(1~4)式为零阶、一阶、二阶和三阶外微分式

                                                         1

                                                     2

                                        3

                                                         4

  阶外微分式与 阶外微分式的外积是 阶外微分式,当 时,外积为0

 两个一阶外微分式的外积




        

        

一阶外微分式与二阶外微分式的外积

         

       

         

         

        

其余显然成立。

 

三、多变量积分中的积分微元代换公式

利用外积运算,可以推导多变量积分变量代换公式中,微元的代换公式。

1)二重积分中极坐标变换下的面积微元

在极坐标变换 下,有公式

        

其中,面积微元有关系式     

自然它不是通过 普通乘积得到的,但它可以用 外积运算得到:


  

  

                   

 2)二重积分一般变量代换中的面积微元

在变换 下,有公式

          

其中,面积微元有关系式:

   

同样,它符合 外微分运算。事实上,





        

3)三重积分变量代换中的体积微元

     完全类似二重积分情形,(略)。

4)第二型曲面积分计算公式

设曲面方程为     

则有公式

 

 

 

其中符号 的方向而定。注意到这里 都是有向的,而等式右边的 是无向的,利用二重积分变量代换中已证得的面积微元关系,有


取绝对值后,立即得到上述公式。

5)第一型曲面积分中的面积微元

设曲面 的方程为 ,则有

               

其中

因为


分别是 在三坐标面上的投影,则


      

特别,若曲面方程为     ,则





 

四、各阶外微分式的外微分运算

在三维空间中,对于系数是可微函数的各阶外微分式(1~4),定义其外微分


    


 

1  对基本外微分式的外微分,规定

         

在这个规定下,外微分算子 的作用类似与普通微分算子,即对每一项进行运算,在每一项中又分别对每个因子进行运算,其余因子不动。所不同的是外微分算子在运算后进行外积运算,而普通微分算子在运算后进行普通乘积。例如

 

                   

2  零阶外微分式的外微分就是普通的微分。

性质: 阶外微分式的外微分是 阶外微分式,三阶外微分式的外微分等于0,且它们与场论中的三度(梯度,旋度,散度)有如下联系:

   1

   ­2

                         

3

1)显然成立。

2

 



     


3



 

五、牛顿-莱布尼兹公式,斯托克斯公式,格林公式,高斯公式的统一描述

(1)      牛顿-莱布尼兹公式

                     

其中 上的一个原函数。

若记 ,则 ,则牛顿-莱布尼兹公式可写为

                     

(2)      斯托克斯公式


           

其中 是以分段光滑曲线 为边界的光滑曲面, 的方向遵从右手法则。

在这个公式中,由于 都是有向的,故 是有向长度微元, 是有向面积微元,若记 ,则


故斯托克斯公式可写为

 

格林公式作为斯托克斯公式的特殊情形,自然也具有上述形式。

(3)      高斯公式

        

       

其中空间闭区域 以分片光滑曲面 为边界,曲面 取外侧。

在这个公式中,由于 是有向的,故 也可看作有向的。若记


                 

故高斯公式可写为

 

综合上述,可以将上述各公式统一为


其中, 维区域,而 的边界(因而是 维的), 阶外微分(因而 阶外微分)。

 

六、庞加莱(Poincare)引理及其逆

性质1 (庞加莱(Poincare)引理) 是三维空间中任意外微分式,其系数有二阶连续偏导数,则

 

因为

1 是零阶外微分式



2 是一阶外微分式


       

3 是二阶外微分式,则 是三阶外微分式,从而

4 是三阶外微分式,则,故

性质2 (庞加莱引理之逆) 是三维空间中的 阶外微分式,其系数有一阶连续偏导数,且 ,则存在一个 阶外微分式,使得

1)设 是一阶外微分式


      

因为    是无旋场 是梯度场

存在零阶外微分式 ,使得

于是 

2)设 是二阶外微分式 ,且


        

因为   是无源场 是管量场

存在矢量 ,使得

,则 是一阶外微分式,且    


3)设 是三阶外微分式 ,且


  从证明过程可见,庞加莱引理中 是零阶外微分式时,等价于场论中的 ;而 是一阶外微分式时,等价于场论中的

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