高斯公式(Gauss's law),又稱為高斯通量理論(Gauss' flux theorem)、散度定理(Divergence Theorem)、高斯散度定理(Gauss's Divergence Theorem)[1]、高斯-奧斯特羅格拉德斯基公式或高-奧公式,是指在向量分析中,一個把向量場通過閉合曲面的流動(即通量)與曲面內部的向量場的表現聯繫起來的定理。該定理與斯托克斯定理(Stokes' Theorem)是向量中兩大重要定理[2]。
更加精確地說,高斯公式說明向量場穿過曲面的通量,等於散度在曲面圍起來的體積上的積分。直觀地,所有源點的和減去所有匯點的和,就是流出這區域的淨流量。
高斯公式在工程數學中是一個很重要的結果,特別是靜電學和流體力學。
在物理和工程中,散度定理通常運用在三維空間中。然而,它可以推廣到任意維數。在一維,它等價於分部積分法。
定理
設空間閉區域Ω是由分片光滑的閉曲面Σ所圍起來的三維區域,函數 在 上具有一階連續偏導數,則有[3]
-
或
-
這裡 是 的邊界(boundary), 是 在點 處的單位法向量的方向餘弦。
這兩個公式都叫做高斯公式,不過這兩公式僅僅是表達方式不同,其實是相同的定理,這可以用變數變換得到兩公式的右邊都等於 ,其中 是曲面 的向外單位法向量。
這個定理是更一般的斯托克斯公式的特殊情形。
用散度表示
用向量表示
推論
-
- 對於兩個向量場 的向量積,應用高斯公式可得:
-
- 對於標量函數f和非零常向量的積,應用高斯公式可得:
-
- 對於向量場F和非零常向量的向量積,應用高斯公式可得:
-
例子
假設我們想要計算
-
其中S是一個單位球面,定義為
-
F是向量場
-
直接計算這個積分是相當困難的,但我們可以用高斯公式來把它簡化:
-
其中W是單位球:
-
由於函數y和z是奇函數,我們有:
-
因此:
-
因為單位球W的體積是4π/3.
二階張量的高斯公式
二階張量的高斯公式實際上是上面的高斯公式的推論。為了使內容完整,首先簡要地介紹三維歐幾里得空間上的二階張量(詳見並矢張量或張量積)以及相關的概念和記號。在這裡,向量和向量場用黑斜體字母表示,張量用正黑體字母表示。
- 兩個向量 和 並排放在一起所形成的量 被稱為向量 和 的並矢或並矢張量。要注意,一般來說, 。
- 的充分必要條件是 或 。
- 二階張量就是有限個並矢的線性組合。
- 分別線性地依賴於 和 。
- 二階張量 和向量 的縮併 以及 對 和 都是線性的。
- 特別是,當 時,
-
所以,一般說來, 。
下面舉一個例子:用二階張量及其與向量的縮併來重新寫 和 。
-
我們還用到二階張量 的轉置 (又可以記為 ),定義如下:
- 仍然是一個二階張量,並且線性地依賴於 。
- 。
定理:設 是三維歐幾里得空間中的一個有限區域, 是它的邊界曲面, 是 的外法線方向上的單位向量, 是定義在 的某個開鄰域上的 連續的二階張量場, 是 的轉置,則
-
證明:下面以第二個式子為例進行證明。令第二個式子的左邊為 ,則
-
接下來利用向量場的高斯公式,可得
-
於是
-
至此證畢。
參閱
參考文獻