梯度(grad)▽f

设二元函数  在平面区域D上具有一阶连续偏导数,则对于每一个点P(x,y)都可定出一个向量 ,该函数就称为函数  在点P(x,y)的梯度,记作gradf(x,y)或  ,

即有:

gradf(x,y)=  =

其中,

称为(二维的)向量微分算子或Nabla算子,  。

散度(div)▽·f

散度(divergence)可用于表征空间各点矢量场发散的强弱程度,物理上,散度的意义是场的有源性。当div F>0 ,表示该点有散发通量的正源(发散源);当div F<0 表示该点有吸收通量的负源(洞或汇);当div F=0,表示该点无源。

物理意义:div F描述了通量源的密度

对于一个矢量场  而言,散度有两种不同的定义方式。

第一种定义方式和坐标系无关:

第二种定义方式则是在直角坐标系下进行的:

可以证明,在极限存在的情况下,两种定义是等价的。因此也常直接用

由散度的定义可知,

 表示在某点处的单位体积内散发出来的矢量  的通量,所以  描述了通量源的密度

举例来说,假设将太空中各个点的热辐射强度向量看做一个向量场,那么某个热辐射源(比如太阳)周边的热辐射强度向量都指向外,说明太阳是不断产生新的热辐射的源头,其散度大于零。

二维平面:

散度可以表示流体运动时单位体积的改变率。简单地说,流体在运动中集中的区域为辐合,运动中发散的区域为辐散。散度值为负时为辐合,此时有利于气旋等对流天气系统的的发展和增强,为正时表示辐散,有利于反气旋等天气系统的发展。

往往,气象学中 应用最多的 是风速  的“水平散度”。水平散度的表达式是:

流体力学

散度等于零的矢量场称为无源场或管形场。流体力学中,密度散度为零的流体称为不可压缩流体,也就是说每个微小时间间隔中流入一个微小体元的流体总量都等于在此时间间隔内流出此体元的流体总量。

不可压缩:

▽·ρV  = 0

对于可压缩的流体,有下述方程成立:

即密度的变化率等于动量的散度。

旋度(curl) 

流量沿某一个闭合路径的积分。

记作:

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