矢量代数第二节数量场的方向导数和梯度.ppt

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又由于函数u(M)给梯度方向的方向导数 这说明函数u(M)沿梯度方 向是增大的, 也就是梯度指向函数u(M)增大的一方. 梯度的这两个性质, 表明梯度矢量和方向导数以及数量场的等值面之间, 存在着一种比较理想的关系, 这就使梯度成为研究数量场时的一个极为重要的概念, 从而在科学技术问题中, 也就有着广泛的应用. 如果我们把数量场中每一点的梯度与场中之点一一对应起来, 就得到一个矢量场, 称为由此数量场产生的梯度场. 例3 设 为点M(x,y,z)的矢径r的模, 试证 证 于是 例4 求数量场u=xy2+yz3在点M(2,-1,1)处的梯度及在矢量l=2i+2j-k方向的方向导数. 解 例5 求常数a,b,c之值, 使函数u=axy2+byz+cz2x3在点M(1,2,-1)处沿平行于Oz轴方向上的方向导数取得最大值32. 解 grad u=(ay2+3cz2x2)i+(2axy+bz)j +(by+2czx3)k grad u|M=(4a+3c)i+(4a-b)j+(2b-2c)k, 令4a+3c=0, 4a-b=0, 2b-2c=?32 由此解得 a=3, b=12, c=-4, 或 a=-3, b=-12, c=4. 例6 求曲面2xz2-3xy-4x=7在其上点M(1,-1,2)处的切平面方程. 解 所给曲面, 可视为数量场u=2xz2-3xy-4x当u取数值7时的一张等值面. 因此, 在其上点M处函数u的梯度, 就是曲面在点M处的法矢量 grad u|M=(2z2-3y-4)i-3xj+4xzk|M =7i-3j+8k. 于是所求切平面方程为 7(x-1)-3(y+1)+8(z-2)=0 或 7x-3y+8z=26. (3)梯度运算的基本公式: 1) grad c=0 (c为常数), 2) grad(cu)=cgrad u(c为常数), 3) grad(u?v)=grad u ? grad v, 4) grad(uv)=u grad v + v grad u, 5) 6) grad f(u)=f (u)grad u, 7) 例7 设有一温度场u(M), 由于场中各点的温度不尽相同, 因此就有热的流动, 由温度较高的点流向温度较低的点. 根据热传导理论中的傅里叶(Fourier)定律:在场中之任一点处, 沿任一方向的热流强度(即在该点处于单位时间内流过与该 方向垂直的单位面积的热量)与该方向上的温度变化率成正比, 即知在场中之任一点处, 沿l方向的热流强度为 其中比例系数k0, 称为内导热系数, 其前面的负号, 表示热流的方向与温度增大的方向相反. 由于 等于梯度矢量grad u在l方向的投 影, 故知 就等于矢量-kgrad u在l方向 的投影. 若记 q=-kgrad u, 则有 由此可见, 当l的方向与q的方向一致时, cos(q,l)=1. 此时热流强度 取得最大值 |q|. 这说明在场中之任一点处, 矢量q的方向表达了热流强度最大的方向, 其模也正好表示最大热流强度的数值. 因此称q为热流矢量, 它是传热学中的一个重要概念. 例8 设有位于坐标原点的点电荷q, 由电学知道, 在其周围空间的任一点M(x,y,z)处所产生的电位为 其中e为介电常数, r=xi+yj+zk, r=|r|. 试求电位v的梯度. 解 根据梯度运算的基本公式(6), 得 从例3知 , 所以 由于电场强度 故有 E=-grad v. 此式说明: 电场中的电场强度等于电位的负梯度. 从而可知, 电场强度垂直于等位面, 且指向电位v减小的一方. 作业: 从40页开始 习题3 第1,2,3,7题 每周交一次作业,作业尽量写在纸上,且写明姓名和学号 习题参考解答 习题3 1. 求数量场u=x2z3+2y2z在点M(2,0,-1)处沿l=2xi-xy2j+3z4k方向的方向导数. 解 求u的梯度及在点M处的值: grad u=2xz3i+4yzj+(3x2z2+2y2)k grad u|M=-4i+12k l|M=4i+3k 则所求方向导数为 2. 求数量场u=3x2z-xy+z2在点M(1,-1,1)处沿曲线x=t, y=-t2, z=t3朝t增大一方的方向导数. 解 grad u=(6xz-y)i-xj+(3x2+2z)k grad u|

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