24,5K подписчиков

Дивергенция, эллипс и Грин

4,5K прочитали

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей... при чем здесь площадь эллипса?

Оглавление рубрики "Мой учебник"

Что такое дивергенция? Рассмотрим двумерное векторное поле (вектор в каждой точке плоскости) и будем понимать его как скорость некоторой несжимаемой жидкости: в каждой точке она своя, и по величине, и по направлению. Можно считать, что течение по глубине однородное, а глубина слоя постоянная: вот и получится двумерная задача.

Вроде такого.
Вроде такого.

Выделим область, пусть квадратную, и посчитаем поток жидкости. Надо умножить скорость (м/с) через кусок границы на длину куска (м) и на глубину (м), то есть на площадь сечения (кв.м), получив объем в секунду (куб.м/с). При этом считаем вытекающий объем положительным, а втекающий — отрицательным. Просуммируем по всем кускам, и получим мгновенный вытекающий из области поток. Поделим его на объем (на площадь и сократим глубину) области.

Если вектор вдоль стенки постоянный, то кусков четыре. Если нет, то возьмем квадратик поменьше, чтоб был почти постоянным.
Если вектор вдоль стенки постоянный, то кусков четыре. Если нет, то возьмем квадратик поменьше, чтоб был почти постоянным.

Теперь будем уменьшать область, стягивая ее к точке. В пределе получим некоторую величину, которая и называется дивергенцией.

Поскольку жидкость несжимаемая, то вытекающая жидкость должна откуда-то браться, то есть в точке есть источник. Это может быть именно источник, например, родник на дне озера; может быть уход жидкости в глубину, и тогда получается дивергентное течение на поверхности; может быть жидкость сжимаема, и тогда источником служит снижение плотности: так выводится уравнение неразрывности: производная плотности выражается через дивергенцию скорости (и плотность).

В декартовых координатах для дивергенции есть простая формула. Если векторное поле u записано как (u(x,y), v(x,y)), то

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-3

Она легко получается из рисунка: справа скорость u>0, вытекает, а слева u>0 — втекает. Взяв разность, получим втекание в направлении оси x. Разность выражается через производную по этой переменной. Аналогично со второй переменной (v в направлении y).

Формулы Грина. Теперь возьмем большую область, разобьем ее на маленькие и заметим, что для соседних областей вытекание через стенку для одной равно втеканию для другой. Поэтому поток через границу большой области равен сумме потоков, а в пределе получается интеграл от дивергенции.

Тут видно, что поток через внутренние границы сокращается. Сереньким показаны фиктивные границы, которыми мы приближаем область: в пределе они исчезнут, если разбиение очень мелкое.
Тут видно, что поток через внутренние границы сокращается. Сереньким показаны фиктивные границы, которыми мы приближаем область: в пределе они исчезнут, если разбиение очень мелкое.

Поток через границу можно записать так: надо взять ту часть скорости, которая поперек кусочка границы, и все сложить. Кусочек границы — это (dx,dy). Перпендикулярный к нему — (dy,-dx). Умножим вектор скорости u=(u,v) скалярно на него: получим проекцию скорости. В итоге имеем формулу Грина:

Двойной интеграл по области, контурный по ее границе. Можно понимать их как сумму по всем точкам, области слева или границы справа.
Двойной интеграл по области, контурный по ее границе. Можно понимать их как сумму по всем точкам, области слева или границы справа.

Ее можно переписать, формально поменяв обозначения:

Просто заменили x на y, а y на -x. Знак справа, кстати, зависит от направления обхода границы, так что может быть легко исправлен.
Просто заменили x на y, а y на -x. Знак справа, кстати, зависит от направления обхода границы, так что может быть легко исправлен.

В первой форме она является двумерным аналогом формулы Ньютона-Лейбница: интеграл от производной сводится к самой функции на границах отрезка; а здесь интеграл от дифференциальной величины — дивергенции — сводится к интегралу по границе от самой функции.

Во второй форме она выражает циркуляцию (справа), то есть, работу по переносу вдоль течения, и ротор поля (под интегралом слева), связывая завихренность в точке с движением по кругу.

А теперь внезапно применим эту формулу к далекой от векторных полей и механики сплошных сред задачке: посчитать площадь эллипса.

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-7

Возьмем эллипс с уравнением

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-8

Его площадь — это двойной интеграл по нему от единицы: разобъем на части, и сумма всей фигуры есть сумма частей, очевидно:

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-9

Введем поле u=(0.5x, 0.5y) и подставим его в левую часть первой формулы Грина:

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-10

Слева стоит площадь фигуры, в нашем случае — эллипса. Справа интеграл по эллипсу, который легко считается, если эллипс записать параметрически:

В математике порой (и за это мы ее любим) одни и те же инструменты работают в совершенно неожиданных областях. Вот казалось бы: дивергенция, характеристика векторных полей...-11

В итоге площадь эллипса равна πab.

Видите, как просто? Поверьте, что "в лоб" эту площадь посчитать намного труднее. Вот так инструмент совершенно из другой области может быть изящно и эффективно применен.

Заметили, что мы применили инвариантность? Эллипсов разных пруд пруди, но мы они делятся на равные: с одинаковыми парами полуосей. Мы сделали расчет в подходящих координатах, и он получился общим: справедливым в любых координатах! Правда, не во всех очевидны значения полуосей...

Путеводитель по каналу