11. Βαθµίδα, Απόκλιση, Στροβιλισµός

Σχετικά έγγραφα
Μ8 Η µερική παράγωγος

10. Παραγώγιση διανυσµάτων

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

3. Η µερική παράγωγος

1. Κινηµατική. x dt (1.1) η ταχύτητα είναι. και η επιτάχυνση ax = lim = =. (1.2) Ο δεύτερος νόµος του Νεύτωνα παίρνει τη µορφή: (1.

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ευστάθιος. Στυλιάρης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟN ΑΘΗΝΩΝ,,

4. Σειρές Τέηλορ και Μακλώριν

ΕΜΒΟΛΙΜΗ ΠΑΡΑΔΟΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ. Μερικές βασικές έννοιες διανυσματικού λογισμού

Κ. Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Ολοκληρώµατα διανυσµατικών συναρτήσεων

Κ. Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής. 9. ιανύσµατα

k = j + x 3 j + i + + f 2

Κεφάλαιο M3. Διανύσµατα

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Επικαμπύλια και Επιφανειακά Ολοκληρώματα. Γ.1 Επικαμπύλιο Ολοκλήρωμα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ι ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

ΚΥΜΑΤΙΚΗ-ΟΠΤΙΚΗ 1. Σχήµα 1 Σχήµα 2

Συστήματα συντεταγμένων

ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΕΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ

Ηλεκτρομαγνητισμός. Χρήσιμες μαθηματικές έννοιες. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΙΑΝΥΣΜΑΤΟΣ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

d dx ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ

13 ΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

ΘΕΩΡΙΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΛΑΣΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

7. Ταλαντώσεις σε συστήµατα µε πολλούς βαθµούς ελευθερίας

( ) ( ) ( )z. HMY Φωτονική. Διάλεξη 08 Οι εξισώσεις του Maxwell. r = A r. B r. ˆ det = Βαθμωτά και διανυσματικά μεγέθη

( ) Κλίση και επιφάνειες στάθµης µιας συνάρτησης. x + y + z = κ ορίζει την επιφάνεια µιας σφαίρας κέντρου ( ) κ > τότε η

1)Βρείτε την εξίσωση για το επίπεδο που περιέχει το σηµείο (1,-1,3) και είναι παράλληλο προς το επίπεδο 3x+y+z=a όπου a ένας αριθµός.

Δ Ι Α Φ Ο Ρ Ι Κ Ο Ι Τ Ε Λ Ε Σ Τ Ε Σ

ΦΥΣΙΚΗ. Η Φυσική είναι πειραματική επιστήμη

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΟΥ ΛΟΓΙΣΜΟΥ

Κεφάλαιο 2. Διανύσματα και Συστήματα Συντεταγμένων

ΦΥΣΙΚΗ. Η Φυσική είναι πειραματική επιστήμη

Κ. Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Παράγωγος. x ορίζεται ως

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Καρτεσιανό Σύστηµα y. y A. x A

Λ. Α Π Ε Κ Η Σ Κ. Χ Ρ Ι Σ Τ Ο Ο Υ Λ Ι Η Σ

ΦΥΣΙΚΗ. Ενότητα 2: ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ. Αν. Καθηγητής Πουλάκης Νικόλαος ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

Τι είναι τα διανύσµατα

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό δυναμικό. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

Τι είναι βαθμωτό μέγεθος? Ένα μέγεθος που περιγράφεται μόνο με έναν αριθμό (π.χ. πίεση)

Κεφάλαιο M11. Στροφορµή

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ Ο ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS

1.1.3 t. t = t2 - t x2 - x1. x = x2 x

Εργαστήριο Ανώτερης Γεωδαισίας Μάθημα 7ου Εξαμήνου (Ακαδ. Έτος ) «Εισαγωγή στο Γήινο Πεδίο Βαρύτητας»

Διανύσματα 1. Διανύσματα Πρόσθεση Διανυσμάτων Φυσική ποσότητα που περιγράφεται μόνο από ένα αριθμό ονομάζεται βαθμωτή.

7.1. Το ορισµένο ολοκλήρωµα

Νόμος Ampere- Διανυσματικό Δυναμικό

1. Δυναμική Ενέργεια και Διατηρητικές Δυνάμεις

ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΗ ΤΩΝ ΡΕΥΣΤΩΝ

ΙΙ ιαφορικός Λογισµός πολλών µεταβλητών. ιαφόριση συναρτήσεων πολλών µεταβλητών

Στροβιλισµός πεδίου δυνάµεων

Φυσική για Μηχανικούς

Μαθηματικά για μηχανικούς ΙΙ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Κεφάλαιο 2: Διανυσματικός λογισμός συστήματα αναφοράς

ETY-202 ΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ETY-202 ΎΛΗ & ΦΩΣ 02. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΕΡΓΑΛΕΙΑ. Στέλιος Τζωρτζάκης 1/11/2013

Μαθηματικά για μηχανικούς ΙΙ ΛΥΣΕΙΣ/ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

3. ιατήρηση της ενέργειας

ΦΥΕ 10, Γ. ΚΟΡ ΟΥΛΗΣ, ιανύσµατα 1/6. = + tβ r. zk και εξισώνουµε τις συνιστώσες των διανυσµάτων x(t) = 1+ 2t, y(t) = 1+ 3t, z(t) = 4 + t

Συνάρτηση f, λέγεται η διαδικασία µε βάση την. Παρατηρήσεις - Σχόλια f

ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΙΑΝΥΣΜΑΤΟΣ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Τρισδιάστατες κινήσεις

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

ΤΕΤΥ Εφαρμοσμένα Μαθηματικά 1. Τελεστές και πίνακες. 1. Τελεστές και πίνακες Γενικά. Τι είναι συνάρτηση? Απεικόνιση ενός αριθμού σε έναν άλλο.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚEΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ ΠΟΛΛΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ- ΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΑ ΠΕ ΙΑ. 1. Όριο Συνέχεια Παράγωγος διανυσµατικών συναρτήσεων.

Σ 1 γράφεται ως. διάνυσµα στο Σ 2 γράφεται ως. Σ 2 y Σ 1

( () () ()) () () ()

x 2 = x x 2 2. x 2 = u 2 + x 2 3 Χρησιµοποιώντας το συµβολισµό του ανάστροφου, αυτό γράφεται x 2 = x T x. = x T x.

Κεφάλαιο 23 Ηλεκτρικό Δυναµικό. Copyright 2009 Pearson Education, Inc.

ιάνυσµα ονοµάζεται το µαθηµατικό µέγεθος που περιγράφεται από µιατριάδαστοιχείων: το

( ) Κλίση και επιφάνειες στάθµης µιας συνάρτησης. x + y + z = κ ορίζει την επιφάνεια µιας σφαίρας κέντρου ( ) κ > τότε η

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ 2004 ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

ΤΡΑΠΕΖΑ ΘΕΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΘΕΤΙΚΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΗΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ

Ορισµός: Μερική παράγωγος ως προς x (αντ. ως προς y) στο σηµείο x,y είναι η παράγωγος της f ως προς x στο x (αντ. ως προς y στο y ( + ) ( )

(x(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,y(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2,z(x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2) =0 x y z. div A =0

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΤΟΜΟΣ Ι ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1

ΙΑΝΥΣΜΑΤΑ. Σ Λ + α = α

Διανύσµατα στο επίπεδο

1.1 ΟΡΙΣΜΟΙ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ

3. ΤΑΝΥΣΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΕ ΚΑΜΠΥΛΟΓΡΑΜΜΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ 59

Κεφάλαιο 1. Κβαντική Μηχανική ΙΙ - Περιλήψεις, Α. Λαχανάς

B ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ. Ημερομηνία: Τετάρτη 12 Απριλίου 2017 Διάρκεια Εξέτασης: 3 ώρες ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ

9o Γεν. Λύκειο Περιστερίου ( 3.1) ΚΥΚΛΟΣ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : KΩΝΙΚΕΣ ΤΟΜΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΚΑΤ/ΝΣΗΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ

1.2 Συντεταγμένες στο Επίπεδο

Τράπεζα Θεμάτων Διαβαθμισμένης Δυσκολίας-Μαθηματικά Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Β Λ Υ Κ Ε Ι Ο Υ

16. Να γίνει µετατροπή µονάδων και να συµπληρωθούν τα κενά των προτάσεων: α. οι τρεις ώρες είναι... λεπτά β. τα 400cm είναι...

1 p p a y. , όπου H 1,2. u l, όπου l r p και u τυχαίο μοναδιαίο διάνυσμα. Δείξτε ότι μπορούν να γραφούν σε διανυσματική μορφή ως εξής.

Καµπύλες στον R. σ τελικό σηµείο της σ. Το σ. σ =. Η σ λέγεται διαφορίσιµη ( αντιστοίχως

Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών - Μηχανική των Ρευστών Ι Ακαδ. Έτος Άσκηση 2, Καθηγητής Σ. Τσαγγάρης ΑΣΚΗΣΗ 2

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΟ ΤΗ ΙΑΝΥΣΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Γραµµική Αλγεβρα. Ενότητα 4 : Ορθογωνιότητα. Ευστράτιος Γαλλόπουλος Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

II.6 ΙΣΟΣΤΑΘΜΙΚΕΣ. 1. Γραφήματα-Επιφάνειες: z= 2. Γραμμική προσέγγιση-εφαπτόμενο επίπεδο. 3. Ισοσταθμικές: f(x, y) = c

Experiments are the only means of knowledge. Anyother is poetry and imagination. M.Plank 2 ΟΙ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΤΟΥ MAXWELL

( () () ()) () () ()

(a) = lim. f y (a, b) = lim. (b) = lim. f y (x, y) = lim. g g(a + h) g(a) h g(b + h) g(b)

ιανυσµατικά πεδία Όπως έχουµε ήδη αναφέρει ένα διανυσµατικό πεδίο είναι µια συνάρτηση

1 O ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΠΑΤΡΑΣ 2015 ΠΡΟΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΨΩΜΑΘΙΑΝΟΣ ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ

14 ΚΑΜΠΥΛΟΓΡΑΜΜΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ

Transcript:

56 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Βαθµίδα, Απόκλιση, Στροβιλισµός Βαθµίδα Έστω µια συνεχής βαθµωτή συνάρτηση,, Αν σε ένα σηµείο διατηρήσουµε σταθερά τα και και κινηθούµε κατά απόσταση d στην κατεύθυνση, η µεταβολή στο θα είναι, σύµφωνα µε τον ορισµό των µερικών παραγώγων, περίπου ίση µε d Η προσέγγιση γίνεται τόσο πιο καλή όσο µικρότερο είναι το d Ο συντελεστής µπορεί να θεωρηθεί ως ο ρυθµός µεταβολής τη ς ανά µονάδα µετατόπισης στην κατεύθυνση Αν τώρα η µετατόπιση συνεπάγεται µεταβολές στα, και, δηλαδή είναι ίση µε d s d d d, και αυτή έχει ως συνέπεια να µεταβληθεί η κατά d σε d, τότε, για µικρή µετατόπιση, η ολική µεταβολή στο θα είναι η επαλληλία των επιµέρους µεταβολών για τις ανεξάρτητες µετατοπίσεις d, d, d Έτσι, d d d d Αυτό είναι το ολικό διαφορικό του Η d µπορεί να εκφραστεί συναρτήσει της διανυσµατικής µετατόπισης d s, αν αναγνωρίσουµε ότι το d ισούται µε το εσωτερικό γινόµενο: d d d d Ονοµάζουµε το µέγεθος και τη συµβολίζουµε µε βαθµίδα ή κλίση της βαθµωτής συνάρτησης, gad d Είναι η γενίκευση, σε τρεις διαστάσεις, της έννοιας της κλίσης ή του ρυθµού µεταβολής d µιας συνάρτησης µιας µεταβλητής Κατ αναλογίαν προς τον τελεστή παραγώγισης ως προς, θα το βρούµε χρήσιµο να ορίσουµε τον αντίστοιχο τριδιάστατο τελεστή, gad Ο τελεστής αυτός δρα πάνω σε µια βαθµωτή συνάρτηση που θα τοποθετηθεί στα δεξιά του, δίνοντας τη βαθµίδα της συνάρτησης: gad Το σύµβολο ονοµάζεται ανάδελτα Έτσι, το µέγεθος gad 5 χρησιµοποιείται στον υπολογισµό του ρυθµού µεταβολής της συνάρτησης σε ένα σηµείο, σε οποιαδήποτε κατεύθυνση Αν η µετατόπιση είναι d s d d d, η µεταβολή της θα είναι d gad d d d 6 d d εδοµένου ότι η µετατόπιση έχει µήκος d d d, το µέγεθος

Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 57 d gad d d d 7 εκφράζει το ρυθµό µεταβολής της συνάρτησης σε ένα σηµείο, στην κατεύθυνση του µοναδιαίου διανύσµατος s Έτσι, d gad s s 8 Λόγω των ιδιοτήτων του, το µέγεθος αυτό ονοµάζεται παράγωγος κατά κατεύθυνση Σε µια κατεύθυνση που σχηµατίζει γωνία θ µε το διάνυσµα, ο ρυθµός µεταβολής του ανά µονάδα µετατόπισης είναι d cosθ 9 θ Ο µέγιστος ρυθµός αύξησης του παρατηρείται στην κατεύθυνση της βαθµίδας θ o d και είναι ίσος µε Επίσης, για θ 9 είναι, πράγµα που σηµαίνει ότι το o 9 διάνυσµα είναι κάθετο στις γραµµές ή επιφάνειες σταθερού ισοσταθµικές επιφάνειες - πχ ισοδυναµικές επιφάνειες αν είναι το δυναµικό Συνοίζοντας: Η βαθµίδα µιας βαθµωτής συνάρτησης είναι ένα διάνυσµα το οποίο, σε κάθε σηµείο: Είναι κάθετο στις επιφάνειες σταθερού Έχει κατεύθυνση αυτήν προς την οποίαν ο ρυθµός αύξησης του είναι µέγιστος Έχει µέτρο που είναι ίσο µε τον µέγιστο ρυθµό µεταβολής του στο συγκεκριµένο σηµείο Έχει προβολή σε κάποια κατεύθυνση, της οποίας το µέτρο ισούται µε τον ρυθµό µεταβολής του στην κατεύθυνση αυτή Παράδειγµα Να βρεθεί η βαθµίδα της συνάρτησης,, Από τον ορισµό gad, έχουµε o Παράδειγµα Να βρεθεί η βαθµίδα της συνάρτησης, όπου Από τον ορισµό Όµως η συνάρτηση Επίσης, επειδή είναι συνάρτηση του, έχουµε µόνο Έτσι, d d κοκ Έτσι, έχουµε:, και

Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 58 Εποµένως, Γενικά, όταν υπάρχει σφαιρική συµµετρία, δηλαδή έχουµε µια συνάρτηση του µόνο, είναι d d Για παράδειγµα, Έτσι, από το ηλεκτροστατικό δυναµικό V, µέσω της σχέσης, V βρίσκουµε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου: Χρησιµοποιώντας τον τελεστή ανάδελτα µπορούµε να ορίσουµε δύο µεγέθη τα οποία είναι πολύ χρήσιµα στην ανάπτυξη της θεωρίας του διανυσµατικού πεδίου: την απόκλιση και τον στροβιλισµό Απόκλιση Η απόκλιση µιας διανυσµατικής συνάρτησης ορίζεται ως div όπου τα εσωτερικά γινόµενα υπολογίζονται συµβολικά, διατηρώντας τη σχετική θέση των τελεστών παραγώγισης και των συνιστωσών του, δηλαδή Να σηµειωθεί ότι η απόκλιση είναι ένα βαθµωτό µέγεθος Στροβιλισµός Ο στροβιλισµός µιας διανυσµατικής συνάρτησης ορίζεται ως ot cul όπου, και πάλι, τα εξωτερικά γινόµενα υπολογίζονται συµβολικά, διατηρώντας τη σχετική θέση των τελεστών παραγώγισης και των συνιστωσών του, δηλαδή Να σηµειωθεί ότι ο στροβιλισµός είναι ένα διανυσµατικό µέγεθος

Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 59 Λαπλασιανή Ένας άλλος χρήσιµος τελεστής είναι ο Λαπλασιανός τελεστής, gad div Είναι: Έτσι, η ποσότητα 5 ονοµάζεται Λαπλασιανή του Είναι ένα βαθµωτό µέγεθος Η Λαπλασιανή ενός διανύσµατος ορίζεται µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο και είναι ένα διανυσµατικό µέγεθος Παράδειγµα Να υπολογιστεί η απόκλιση της διανυσµατικής συνάρτησης [ ] div Παράδειγµα Να υπολογιστεί ο στροβιλισµός της βαθµίδας που βρέθηκε στο Παράδειγµα Στο Παράδειγµα βρέθηκε ότι: Έτσι, Το αποτέλεσµα 6 ισχύει γενικά για κάθε βαθµωτή συνάρτηση, όπως µπορείτε εύκολα να αποδείξετε Προβλήµατα είξτε ότι: είξτε ότι γενικά: και

6 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Βιβλιογραφία C Kittel, W D Knight, M A Rudeman, A C Helmhol και B J Moe, Μηχανική Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα, 998 Κεφ 5 Ι S Sokolniko και R M Redhee, Μαθηµατικά για Φυσικούς και Μηχανικούς Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις ΕΜΠ, Αθήνα, Κεφ 6 M R Spiegel, Ανώτερα Μαθηµατικά Εκδόσεις ΕΣΠΙ, Αθήνα, 98 Κεφ 7 M R Spiegel, Theo and Poblems o Vecto Analsis Schaum Publishing Co 959 κε