Градиент поля и его свойства
Вектор является важной характеристикой скалярного поля. Введем условный оператор (оператор Гамильтона или вектор “набла”). С его помощью удобно записать градиент скалярного поля
.
Отметим ряд свойств градиента.
1). Скалярное поле в точке быстрее всего возрастает в направлении вектора со скоростью, равной .
2). Скалярное поле в точке быстрее всего убывает в направлении, противоположном вектору , со скоростью, равной .
3). Вектор направлен по нормали к поверхности уровня поля , проходящей через точку .
4). Дифференциальные свойства:
Проверим эти свойства.
1. Из формулы и определения скалярного произведения следует, что
,
где ─ угол между векторами и . Так как длина единичного вектора равна единице, то
.
Поэтому принимает наибольшее значение, равное , когда =1, то есть угол между векторами и равен нулю и .
2. Производная будет принимать наименьшее значение, когда , т.е. угол =и .
3. Поверхность уровня поля имеет уравнение . Нормальный вектор этой поверхности совпадает с . Значит, вектор направлен по нормали к поверхности уровня поля , проведенной в точке .
4.1.
аналогично проверяются свойства 4.2), 4.3), 4.4);
для проверки свойства 4.5) учтем, что аналогично, и поэтому
.
Из первого и третьего свойств следует инвариантное определение градиента, т.е. определение, не зависящее от системы координат:
Градиент скалярного поля в точке есть вектор, который
а) по величине равен наибольшей скорости возрастания поля в точке ,
б) направлен по нормали к поверхности уровня поля , проходящей через точку , в сторону наибольшего возрастания поля.
Пример 1. Найти наибольшую скорость возрастания поля в точке .
Решение. Найдем градиент поля:
.
Наибольшая скорость возрастания поля в точке равна
Пример 2. Доказать оптическое свойство эллипса: лучи, выходящие из одного фокуса эллипса, после отражения от эллипса проходят через другой фокус эллипса.
Решение. Пусть фокусы эллипса; . Рассмотрим
скалярное поле . По определению эллипса точка принадлежит эллипсу тогда и только тогда, когда , т.е. эллипс есть линия уровня скалярного поля ; поэтому направлен по нормали к эллипсу в точке . Кроме того, этот вектор направлен по диагонали параллелограмма, построенного на векторах . Длины этих векторов равны единице, поэтому параллелограмм является ромбом и его диагональ является биссектрисой угла ромба, т.е. . Тогда , как углы дополнительные до прямого. Так как то т.е. луч, выходящий из фокуса эллипса, после отражения от эллипса пройдет через другой фокус .