از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
این مقاله شامل فهرستی از مراجع عمومی است ، اما فاقد استنادهای درون خطی متناظر کافی است . لطفا با معرفی نقل قول های دقیق تر به بهبود این مقاله کمک کنید. ( می 2009 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )
در محاسبات برداری ، یک میدان برداری پایستار ، یک میدان برداری است که گرادیان یک تابع است . [1] یک میدان برداری پایستار این ویژگی را دارد که انتگرال خط آن مستقل از مسیر باشد. انتخاب مسیر بین دو نقطه مقدار انتگرال خط را تغییر نمی دهد. مستقل مسیر انتگرال خط برابر با پایستار بودن میدان برداری زیر انتگرال خط است. یک میدان برداری پایستار نیز غیر پیچشی است. در سه بعدی، به این معنی است که دارای کرل صفر است . یک میدان برداری پیچشی الزاماً پایستار است به شرطی که دامنه به سادگی متصل باشد .
میدان های برداری پایستار به طور طبیعی در مکانیک ظاهر می شوند : آنها میدان های برداری هستند که نیروهای سیستم های فیزیکی را نشان می دهند که در آنها انرژی حفظ می شود . [2] برای یک سیستم پایستار، کار انجام شده در حرکت در امتداد یک مسیر در فضای پیکربندی تنها به نقاط انتهایی مسیر بستگی دارد، بنابراین می توان انرژی پتانسیل را مستقل از مسیر واقعی طی شده تعریف کرد.
در یک فضای دو و سه بعدی، ابهام در گرفتن انتگرال بین دو نقطه وجود دارد، زیرا بین دو نقطه مسیرهای بی نهایت زیادی وجود دارد - به غیر از خط مستقیم تشکیل شده بین دو نقطه، می توان یک مسیر منحنی را انتخاب کرد. طول بیشتر همانطور که در شکل نشان داده شده است. بنابراین به طور کلی مقدار انتگرال به مسیر طی شده بستگی دارد. با این حال، در مورد خاص یک میدان برداری پایستار، مقدار انتگرال مستقل از مسیر طی شده است، که می توان آن را به عنوان یک لغو در مقیاس بزرگ از همه عناصر در نظر گرفت.که در امتداد خط مستقیم بین دو نقطه جزء ندارند. برای تجسم این موضوع، دو نفر را در حال بالا رفتن از یک صخره تصور کنید. یکی تصمیم می گیرد تا صخره را با بالا رفتن عمودی از آن بالا برود و دومی تصمیم می گیرد در امتداد مسیری پرپیچ و خم قدم بزند که طول آن بیشتر از ارتفاع صخره است، اما فقط با زاویه کمی نسبت به افقی. اگرچه این دو کوهنورد مسیرهای مختلفی را برای رسیدن به بالای صخره طی کردهاند، اما در بالای آن، هر دو به یک اندازه انرژی پتانسیل گرانشی به دست آوردهاند. این به این دلیل است که یک میدان گرانشی پایستار است.
تصویری از دو مسیر ممکن برای انتگرال. در سبز ساده ترین مسیر ممکن است. آبی منحنی پیچیده تری را نشان می دهد
چاپ سنگی MC Escher Ascending and Descending یک میدان برداری غیر پایستار را نشان می دهد که به طور غیرممکن به نظر می رسد شیب ارتفاع متغیر از سطح زمین (پتانسیل گرانشی) در هنگام حرکت در امتداد راه پله باشد. میدان نیروی تجربه شده توسط فردی که روی پله حرکت می کند غیر پایستار است، زیرا می توان در حالی که بیش از یک فرود می رود یا برعکس، به نقطه شروع بازگشت و در نتیجه کار غیر صفر توسط گرانش انجام می شود. در یک راه پله واقعی، ارتفاع بالای سطح زمین یک میدان پتانسیل اسکالر است: برای بازگشت به همان مکان باید دقیقاً به همان اندازه که به سمت پایین می رود به سمت بالا رفت، در این صورت کار توسط گرانش به صفر می رسد. این حاکی از مستقل مسیر کار انجام شده در راه پله است. به طور معادل، میدان نیروی تجربه شده پایستار است (به بخش بعدی مراجعه کنید: مستقل مسیر و میدان برداری پایستار). وضعیت نشان داده شده در چاپ غیرممکن است.
یک میدان برداری ، جایی کهیک زیر مجموعه باز از، گفته می شود پایستار است اگر و فقط اگر وجود داشته باشدمیدان اسکالر ( به طور پیوسته مشتق پذیر ). [3] دربه طوری که
.
اینجا،نشان دهنده گرادیان است. از آنجا کهبه طور مداوم مشتق پذیر است،پیوسته است. وقتی معادله بالا برقرار است،پتانسیل اسکالر برای نامیده می شود.
قضیه اساسی حساب برداری بیان می کند که هر میدان برداری را می توان به صورت مجموع یک میدان برداری پایستار و یک میدان سلونوئیدی بیان کرد .
مقاله اصلی: قضیه گرادیان
انتگرال خطی از یک میدان برداریاگر تنها به دو نقطه پایانی مسیر انتگرال بستگی داشته باشد، بدون توجه به اینکه کدام مسیر بین آنها انتخاب شده است، گفته می شود که مستقل از مسیر است: [4]
برای هر جفت مسیر انتگرال وبین یک جفت مشخص از نقاط پایانی مسیر در.
مستقل مسیر نیز به صورت معادل بیان می شود
برای هر مسیر بسته به صورت تکه ای صافپجکه درجایی که دو نقطه پایانی بر هم منطبق هستند. دو عبارت از هر مسیر بسته ای معادل هستندپجمی توان با دو مسیر ساخته شد.از یک نقطه پایابه نقطه پایانی دیگر، واز جانب به ، بنابراین
جایی که-برعکس استو آخرین برابری به دلیل مسیر مستقل برقرار است.
ویژگی کلیدی یک میدان برداری پایستاراین است که انتگرال آن در طول یک مسیر فقط به نقاط انتهایی آن مسیر بستگی دارد، نه مسیر خاصی که طی شده است. به عبارت دیگر، اگر یک میدان برداری پایستار باشد، انتگرال خط آن مستقل از مسیر است. فرض کنید کهبرای برخیمیدان اسکالر ( به طور پیوسته مشتق پذیر ).[3] به پایان رسیدبه عنوان یک زیر مجموعه باز از(بنابراینیک میدان برداری پایستار است که پیوسته است) وپیک مسیر متمایز پذیر است (یعنی می توان آن را با یک تابع متمایز پارامتر کرد ) دربا یک نقطه اولیهآو یک نقطه پایانی. سپس قضیه گرادیان (که به آن قضیه اساسی حساب دیفرانسیل و انتگرال خط نیز گفته می شود ) بیان می کند که
این به عنوان یک نتیجه از تعریف یک انتگرال خط ، قانون زنجیره ، و دومین قضیه اساسی حساب دیفرانسیل و انتگرال صدق می کند .⋅د⋅ددر انتگرال خط یک دیفرانسیل دقیق برای یک سیستم مختصات متعامد است (مثلاً مختصات دکارتی ، استوانهای یا کروی ). از آنجایی که قضیه گرادیان برای یک مسیر متمایز قابل استفاده است، مستقل مسیر یک میدان برداری پایستار بر روی منحنی های تکه-دیفرانسیل نیز با اثبات هر جزء منحنی متمایز اثبات می شود. [5]
تا کنون ثابت شده است که یک میدان برداری پایستار استمستقل از مسیر انتگرال خط است. برعکس، اگر یک میدان برداری پیوسته(انتگرال خط) مستقل از مسیر است، پس یک میدان برداری پایستار است ، بنابراین عبارت دوشرطی زیر صادق است: [4]
برای یک میدان برداری پیوسته ، جایی کهیک زیر مجموعه باز از، پایستار است اگر و فقط در صورتی که خط آن در امتداد یک مسیر در داخل باشدمستقل از مسیر است، به این معنی که انتگرال خط فقط به هر دو نقطه پایانی مسیر بستگی دارد، صرف نظر از اینکه کدام مسیر بین آنها انتخاب شده است.
اثبات این گزاره معکوس به شرح زیر است.
از مسیرهای انتگرال خطی برای اثبات عبارت زیر استفاده می شود: اگر انتگرال خط یک میدان برداری مستقل از مسیر باشد، آنگاه میدان برداری یک میدان برداری پایستار است.
یک میدان برداری پیوسته است که انتگرال خطی آن مستقل از مسیر است. سپس، بیایید یک تابع بسازیمکه تعریف میشود
در یک مسیر دلخواه بین یک نقطه شروع انتخاب شدهو یک نکته دلخواه. از آنجایی که مستقل از مسیر است، فقط به آن بستگی داردوصرف نظر از اینکه کدام مسیر بین این نقاط انتخاب شده است.
بیایید مسیر نشان داده شده در سمت چپ شکل سمت راست را انتخاب کنیم که در آن از یک سیستم مختصات دکارتی 2 بعدی استفاده شده است. بخش دوم این مسیر به موازات آن استمحور بنابراین هیچ تغییری در امتداد وجود نداردمحور. انتگرال خط در طول این مسیر است
با مستقل مسیر، مشتق جزئی آن نسبت به(برایداشتن مشتقات جزئی،باید پیوسته باشد.) است
از آنجا که ومستقل از یکدیگر هستند. بیان کنیممانندجایی کهوبردار واحد در امتداد هستندومحورها به ترتیب، پس از آن،
که در آن آخرین برابری از دومین قضیه اساسی حساب دیفرانسیل و انتگرال است .
یک رویکرد مشابه برای مسیر انتگرال خط نشان داده شده در سمت راست شکل سمت راست به نتیجه می رسدبنابراین
برای سیستم مختصات دکارتی دو بعدی ثابت شده است . این روش اثبات را می توان به سادگی به یک سیستم مختصات متعامد با ابعاد بالاتر (به عنوان مثال، یک سیستم مختصات کروی 3 بعدی ) گسترش داد تا گزاره معکوس ثابت شود. دلیل دیگری در اینجا به عنوان عکس قضیه گرادیان یافت می شود.
میدان برداری فوقتعریف شده در، با حذف تمام مختصات رویمحور (بنابراین نه یک فضای ساده متصل)، دارای پیچش صفر استو بنابراین غیر پیچشی است. اما پایستار نیست و مستقل مسیر ندارد.
اجازه دهید(فضای سه بعدی)، و اجازه دهید:یک باشدمیدان برداری ( به طور پیوسته مشتق پذیر )، با یک زیر مجموعه بازاز. سپسغیر پیچشی نامیده می شود اگر و تنها در صورتی که حلقه آن باشد0همه جا در، یعنی اگر
.
به همین دلیل، گاهی اوقات به چنین میدانهای برداری به عنوان میدانهای برداری بدون کرل یا میدانهای برداری بدون پیچش گفته می شود . به آنها میدان های برداری طولی نیز می گویند .
این یک اتحاد از حساب برداری است که برای هرسی2میدان اسکالر ( به طور پیوسته تا مشتق دوم مشتق پذیر است ).بر، ما داریم
بنابراین، هرمیدان برداری پایستار درهمچنین یک میدان برداری غیر پیچشی در است. این نتیجه را می توان به راحتی با بیان اثبات کرددر یک سیستم مختصات دکارتی با قضیه شوارتز (همچنین قضیه Clairaut در مورد تساوی جزئی های مختلط نیز نامیده می شود).
به شرطی کهیک فضای باز متصل ساده است (به طور کلی، یک فضای باز تک تکه بدون سوراخ در داخل آن)، برعکس این نیز صادق است: هر میدان برداری پیچشی در یک فضای باز متصل به سادگیهست یکمیدان برداری پایستار در.
عبارت فوق به طور کلی درست نیست اگربه سادگی متصل نیست اجازه دهیدبودنبا حذف تمام مختصات رویمحور (بنابراین نه یک فضای متصل به سادگی)، به عنوان مثال،. حالا یک میدان برداری تعریف کنیدبرتوسط
سپسدر همه جا پیچش صفر است(در همه جا) یعنیغیر پیچشی است با این حال، گردش ازاطراف دایره واحد در-فضا است2; در مختصات قطبی ،، بنابراین انتگرال روی دایره واحد است
از این رو،ویژگی مسیر مستقل که در بالا مورد بحث قرار گرفت را ندارد، بنابراین پایستار نیست حتی اگراز آنجا کهجایی کهتعریف شده است یک فضای باز متصل به سادگی نیست.
دوباره بگویید، در یک منطقه باز متصل به سادگی، یک میدان برداری غیر پیچشیدارای ویژگی مسیر-مستقل (بنابراینبه عنوان پایستار). این را می توان مستقیماً با استفاده از قضیه استوکس ثابت کرد .
برای هر سطح صاف جهت دارکه مرز یک مسیر بسته ساده است. بنابراین، نتیجه گیری می شود که در یک منطقه باز متصل ساده، هر میدان برداری که دارای ویژگی مسیر-مستقل است (بنابراین یک میدان برداری پایستار است.) نیز باید پیچشی باشد و بالعکس.
به طور انتزاعی تر، در حضور یک یک ریمانی ، میدان های برداری با دیفرانسیل مطابقت دارند.-تشکیل می دهد . میدانهای بردار پایستار دقیقاً مطابقت دارند -شکل ها ، یعنی به صورت هایی که مشتق بیرونی هستند یک تابع (میدان اسکالر)بر. میدانهای بردار پیچشی مربوط به بسته است -فرم ها ، یعنی به تشکیل می دهد به طوری که. مانند، هر شکل دقیقی بسته است، بنابراین هر میدان برداری پایستار غیر پیچشی است. برعکس، همه بسته است-فرم ها دقیق هستند اگربه سادگی متصل است .
نوشتار اصلی: گرداب
گرداب یک میدان برداری را می توان به صورت زیر تعریف کرد:
گردابی میدان بی پیچشی در همه جا صفر است. [6] قضیه گردش کلوین بیان می کند که سیالی که در یک جریان نامرغوب غیر پیچشی است ، غیر پیچشی باقی می ماند. این نتیجه را می توان از معادله انتقال گردابی که با گرفتن حلقه معادلات ناویر-استوکس به دست می آید، به دست آورد .
برای یک میدان دو بعدی، گردابه به عنوان معیاری از چرخش محلی عناصر سیال عمل می کند. توجه داشته باشید که گردابه چیزی در مورد رفتار جهانی یک سیال دلالت نمی کند. ممکن است سیالی که در یک خط مستقیم حرکت می کند گردابی داشته باشد و سیالی که در دایره حرکت می کند غیر پیچشی باشد.
نمونه هایی از زمینه های بالقوه و گرادیان در فیزیک:
اگر میدان برداری مربوط به یک نیرو باشدپایستار است، پس گفته می شود نیرو یک نیروی پایستار است .
برجسته ترین نمونه های نیروهای پایستار نیروی گرانشی و نیروی الکتریکی مرتبط با میدان الکترواستاتیک است. طبق قانون گرانش نیوتن ، یک نیروی گرانشی بر روی یک توده عمل می کندبه دلیل یک تودهواقع در فاصلهاز جانب، از معادله تبعیت می کند
جایی کهثابت گرانشی است ویک بردار واحد که ازبه سمت است . نیروی گرانش پایستار است زیرا، جایی کهΦ
انرژی پتانسیل گرانشی است . به عبارت دیگر میدان گرانش مرتبط با نیروی گرانشگرادیان پتانسیل گرانشی استΦمرتبط با انرژی پتانسیل گرانشی. می توان نشان داد که هر میدان برداری از فرمپایستار است، مشروط بر اینکه انتگرال پذیر است.
برای نیروهای پایستار ، مستقل مسیر را می توان به این معنا تفسیر کرد که کار انجام شده در حرکت از یک نقطه انجام شده استبه یک نقطهمستقل از مسیر متحرک انتخاب شده است (فقط به نقاط بستگی داردو) و این کاردر اطراف یک حلقه بسته ساده انجام می شوداست0:
انرژی کل ذره ای که تحت تأثیر نیروهای پایستار حرکت می کند، حفظ می شود، به این معنا که از دست دادن انرژی پتانسیل به مقدار برابر انرژی جنبشی تبدیل می شود یا برعکس.
https://en.wikipedia.org/wiki/Conservative_vector_field
ریاضیات...برچسب : نویسنده : 9math1342d بازدید : 30