Производная по направлению скалярного поля

Пусть Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - скалярное поле, заданное в области Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - единичный фиксированный вектор. М – фиксированная точка, Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - произвольная, отличная от М, точка из G, такая, что вектор Производная по направлению скалярного поля - student2.ru коллинеарен Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Пусть Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - величина направленного отрезка Производная по направлению скалярного поля - student2.ru (равная Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru и равная - Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ).

Определение 2.Число Производная по направлению скалярного поля - student2.ru называется производной скалярного поля в направлении Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке М и обозначается символом Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Производная скалярного поля в направлении Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке М равна скорости изменения поля в этой точке в данном направлении. Если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , то при перемещении из точки М в направлении Производная по направлению скалярного поля - student2.ru значение поля (функция Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ) возрастает, если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - убывает.

Пусть поле Производная по направлению скалярного поля - student2.ru задано в декартовой системе координат и Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - единичный вектор данного направления. Тогда производная скалярного поля в направлении Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке M вычисляется по формуле: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru + Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ,где α,β,γ – углы, образуемые вектором Производная по направлению скалярного поля - student2.ru с соответствующими осями координат и Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , то Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ,

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Для плоского поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru производная по направлению вычисляется по формуле: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru + Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru + Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Пример 3.Установить характер изменения поля, заданного функцией Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении от А к точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Решение. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Значения производных в точке А: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru + Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Ответ: Т.к. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru поле убывает в направлении Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Пример 4.Найти производную функции Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении, составляющем угол Производная по направлению скалярного поля - student2.ru с положительным направлением оси ОХ.

Решение. Для плоского поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru + Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Значения производных в точке M: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Ответ: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Контрольное задание 2.

Найти производную функции:

1) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении вектора Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , составляющем угол Производная по направлению скалярного поля - student2.ru с положительным направлением оси ОХ;

2) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении вектора Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , где Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ;

3) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении вектора Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ;

Градиент скалярного поля.

Определение 3.Градиентом скалярного поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru называется вектор-функция Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , (1)

координатами которой являются соответствующие частные производные данной функции.

Если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - единичный вектор данного направления, то из формулы (1) следует, что производная по направлению Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - это скалярное произведение векторов Производная по направлению скалярного поля - student2.ru и Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ,т.е Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Но Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru = Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Тогда Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , т. к. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Здесь Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - угол между вектором градиента в данной точке и вектором Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Отсюда следуют основные свойства градиента функции:

1. Вектор Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в данной точке указывает направление наибольшего роста поля (функции Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ) в этой точке. При этом Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - наибольшее значение производной по направлению в точке M. (Таким образом, вектор Производная по направлению скалярного поля - student2.ru не зависит от выбора системы координат, а его модуль и направление в каждой точке определяются функцией Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ).

2. Градиент скалярного поля в точке М ортогонален к поверхности (линии) уровня поля, проходящей через точку М.

3. Если Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - поле постоянно, то его градиент равен 0.

4. Справедливы формулы:

а) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ; б) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

в) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ; г) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

д) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , где U и V – скалярные поля.

е) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Пример 5. Найти градиент электростатического поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , где е - заряд, Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - расстояние от данной точки до заряда.

Решение. Данному полю принадлежат все точки пространства за исключением начала координат, где U обращается в бесконечность.

По определению: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Вычислим частные производные:

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Ответ: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Пример 6.Найти наибольшую скорость возрастания функции Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Решение. Направление наибольшего возрастания поля указывает вектор градиента этого поля. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Вычислим значения частных производных в точке M: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Наибольшая скорость возрастания Производная по направлению скалярного поля - student2.ru равна наибольшему значению производной по направлению точке M Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Ответ: Наибольшая скорость возрастания функции Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Контрольное задание 3.

1)Найти градиент скалярного поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

2) Найти наибольшую скорость возрастания поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

3) Найти производную функции Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точке Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в направлении, перпендикулярном к линии уровня, проходящей через данную точку.

4) В каких точках градиент скалярного поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru :

а) параллелен оси OZ; б) перпендикулярен оси OZ; в) равен 0?

5) Найдите угол между градиентами скалярного поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в точках Производная по направлению скалярного поля - student2.ru и Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Векторные линии поля.

Определение 4.Векторными линиями векторного поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru называются такие линии, у которых касательная в каждой точке направлена вдоль заданного в этой точке вектора поля.

В физике это понятие для конкретных полей имеет физический смысл, например, векторные линии поля тяготения, электрического и магнитного полей - это силовые линии, а поля скоростей – линии тока, т.е. линии, по которым движутся частицы поля.

Пусть векторная линия, проходящая через точку Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , описывается уравнениями Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , где t – параметр. Из условия коллинеарности касательного вектора Производная по направлению скалярного поля - student2.ru и вектора поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в произвольной точке дифференциальное уравнение этой линии имеет вид: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , (2)

где λ – некоторое число.

Уравнение (2) - это дифференциальное уравнение векторных линий в векторной форме.

В пространстве Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в декартовой системе координат: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Тогда векторное уравнение (2) эквивалентно системе дифференциальных уравнений:

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , (3)

Система (3) – это симметричная форма системы дифференциальных уравнений. Для её решения применяются интегрируемые комбинации, с привлечением свойств равных дробей. Для плоского поля система имеет вид

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . (4)

Определение 5.Поверхность, состоящая из векторных линий, проведённых через каждую точку некоторой замкнутой линии l, называется векторной трубкой.

В следующих примерах для данных векторных полей найдём уравнения векторных линий и построим их.

Пример 7.Векторное поле Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Решение. Поле, у которого Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , определено на всей плоскости XOY,следовательно, через каждую точку плоскости проходит хотя бы одна векторная линия. Составим дифференциальное уравнение векторных линий: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru (см. (4)). Это уравнение с разделяющимися переменными. Решим его: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , или Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - уравнения векторных линий. При С=0 это точка О(0,0), при С>0 – концентрические окружности.

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Для определения направления движения по векторной линии материальной точки, попавшей в векторное поле, рассмотрим проекцию вектора Производная по направлению скалярного поля - student2.ru на ось OX. Это Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Там, где Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , Производная по направлению скалярного поля - student2.ru составляет с осью OX острый угол, где Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - тупой. Учитывая, что вектор поля направлен по касательной к векторной линии, и векторные линии непрерывны, достаточно выяснить, что в первой четверти движение поля происходит по часовой стрелке (см.Рисунок 4).

Ответ: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - уравнения векторных линий.

Пример 8.Векторное поле Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Решение. Поле, у которого Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , определено на всей плоскости XOY Составим дифференциальное уравнение векторных линий: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Решим его: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Рассмотрим случай Производная по направлению скалярного поля - student2.ru . Тогда Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , т.е. ось OY тоже является векторной линией. Определим направление движения поля. Т.к. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru то вектор Производная по направлению скалярного поля - student2.ru в любой точке составляет острый угол с осью OY (см.Рисунок 5).

Ответ: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - уравнения векторных линий.

Пример 9. Найти векторные линии поля Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Решение. Дифференциальные уравнения векторных линий: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru (см. (3)). Из уравнения Производная по направлению скалярного поля - student2.ru следует Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - первый интеграл системы. Получили семейство плоскостей, проходящих через ось OY. Вторую интегрируемую комбинацию составим следующим образом.

Умножим числители и знаменатели системы соответственно на Производная по направлению скалярного поля - student2.ru : Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Складывая, по свойству равных дробей получим: Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Производная по направлению скалярного поля - student2.ru Производная по направлению скалярного поля - student2.ru , или Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - ещё один первый интеграл системы. Производная по направлению скалярного поля - student2.ru - семейство сфер радиуса Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Ответ: векторные линии задаются системой (пересечением пар поверхностей): Производная по направлению скалярного поля - student2.ru

Контрольное задание 4.

Найти векторные линии поля:

1) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ; 2) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ; 3) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru ; 4) Производная по направлению скалярного поля - student2.ru .

Наши рекомендации