Files
University-notes/2 курс/1 семестр/Вышмат/Билеты/2 раздел/42.md

3.6 KiB
Raw Blame History

Формула Остроградского-Гаусса

Формулировка теоремы Остроградского-Гаусса

Пусть V — область в трёхмерном пространстве, ограниченная замкнутой поверхностью S, и пусть \mathbf{F}(x, y, z) = P(x, y, z)\mathbf{i} + Q(x, y, z)\mathbf{j} + R(x, y, z)\mathbf{k} — непрерывно дифференцируемое векторное поле, определённое на V и S. Тогда:

\iiint_{V}(\nabla\cdot\mathbf{F})\,dV=\oiint_{S}\mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,dS,

где \nabla\cdot\mathbf{F} — дивергенция векторного поля \mathbf{F}, а \mathbf{n} — единичный вектор внешней нормали к поверхности S.

Доказательство теоремы Остроградского-Гаусса

Доказательство теоремы Остроградского-Гаусса основано на применении теоремы Стокса и свойств дивергенции векторного поля. Мы не будем приводить полное доказательство, но отметим, что оно включает использование теоремы о потоке векторного поля через замкнутую поверхность и теоремы о циркуляции векторного поля.

Применение теоремы Остроградского-Гаусса

Теорема Остроградского-Гаусса имеет множество приложений в физике и математике. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1: Вычисление потока векторного поля

Рассмотрим векторное поле \mathbf{F}(x, y, z) = x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k} и область V, ограниченную сферой радиуса R, центрированной в начале координат. Поверхность S — это сфера радиуса R.

Сначала вычислим дивергенцию векторного поля:

\nabla\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}=1+1+1=3.

Теперь применим теорему Остроградского-Гаусса:

\iiint_{V}(\nabla\cdot\mathbf{F})\,dV=\iiint_{V}3\,dV=3\iiint_{V}\,dV=3\cdot\frac{4}{3}\pi R^3=4\pi R^3.

Таким образом, поток векторного поля через поверхность S равен 4\pi R^3.

Пример 2: Вычисление объема области

Рассмотрим векторное поле \mathbf{F}(x, y, z) = x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k} и область V, ограниченную кубом с вершинами (0,0,0), (1,0,0), (1,1,0), (0,1,0), (0,0,1), (1,0,1), (1,1,1), (0,1,1). Поверхность S — это грани куба.

Сначала вычислим дивергенцию векторного поля:

\nabla\cdot\mathbf{F}=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}=1+1+1=3.

Теперь применим теорему Остроградского-Гаусса:

\iiint_{V}(\nabla\cdot\mathbf{F})\,dV=\iiint_{V}3\,dV=3\iiint_{V}\,dV=3\cdot1=3.

Таким образом, объем области V равен 1.