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[0315]格林公式的推导

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格林公式的推导

推导格林公式之前,首先要深入理解高斯-散度定律:

⎰⎰⎰div F dv =⎰⎰v ΓFds (1)

其实就是一句话, 矢量的散度的体积积分=矢量的面积积分。简单来说可以这样理解:对比等式左右两端,左端的被积函数求了散度(就是微分运算)比右端低了一阶,因此左端的积分变量上就要比右端高一阶(由面元变为体元)。

详细说明如下:

注意F =i P +j Q +k R 为矢量,散度算子div =i

左端是两个矢量的标量积的体积积分。

而等式右端,面积微元ds =n ds =i cos α+j cos β+k cos γds 也是矢量,因此等式右端实际上是两个矢量的标量积的面积积分。

这样将上式(1)展开,可以得到高斯-散度定理另一种形式:

⎛∂P ∂Q ∂R ⎫++ (2) ⎪dv =⎰⎰Γ(P cos α+Q cos β+R cos γ)ds ⎰⎰⎰v ∂x ∂y ∂z ⎝⎭

注意,上述推导中矢量的处理(矢量都已加粗并上标箭头),不要混淆了。

明白了以上几点,再推导格林公式就很容易了: 令P =u

左端: ∂∂∂+j +k 也是矢量,因此等式∂x ∂y ∂z () ∂v ∂v ∂v , Q =u , R =u 代入(2)式: ∂x ∂y ∂z

⎛∂P ∂Q ∂R ⎫⎛∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v ⎫++dv =u ∆vdv +++⎪ ⎪dv ⎰⎰⎰v ⎰⎰⎰⎰⎰⎰v v ⎝∂x ∂y ∂z ⎭⎝∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ⎭

右端:

⎰⎰(P cos α+Q cos β+R cos γ)ds Γ最后一步逆用了方向导数的定义,方向恰为外法线方向: =⎡⎛∂v ⎫⎤∂v ∂v u cos α+cos β+cos γ ⎪⎥ds ⎰⎰Γ⎢∂x ∂y ∂z ⎭⎦⎣⎝

∂v =⎰⎰u ds Γ∂n n =i cos α+j cos β+k cos γ

稍微整理,即得格林第一公式:

⎛∂u ∂v ∂u ∂v ∂u ∂v ⎫∂u v ∆udv =v ds -++⎪dv ⎰⎰⎰v ⎰⎰Γ∂n ⎰⎰⎰v ⎝∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ⎭

(3)


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