向量微積分與積分定理

旋度

把一隻極小的槳輪丟進流動的流體裡觀察它。如果流動在一側比另一側快,槳輪就會轉。旋度就是在向量場每一點度量這種局部旋轉的向量——場繞該點環流的傾向。它的方向是小輪轉動所繞的軸(按右手定則),它的大小是旋轉角速度的兩倍。

對 F = (P, Q, R),旋度是向量場 curl F = nabla cross F,作為 del 與 F 的叉積來計算:它的分量是 (partial R/partial y - partial Q/partial z, partial P/partial z - partial R/partial x, partial Q/partial x - partial P/partial y)。與散度不同,旋度產生的是向量,不是純量。它誠實的定義同樣是一個極限:curl F 沿某方向 n 的分量,等於 F 繞一個垂直於 n 的極小迴路的環量,除以迴路面積,再讓迴路縮到一點。所以旋度就是單位面積環量。處處 curl F = 0 的場稱為無旋場;在單連通區域上,這樣的場恰好就是某個梯度,也就是保守場。

旋度是電磁學骨架的另一半。法拉第定律 curl E = -partial B/partial t 說變化的磁場使電場環流;帶馬克士威修正項的安培定律 curl B = mu_0 J + mu_0 epsilon_0 partial E/partial t 說電流與變化的電場使磁場環流。在流體力學中 curl v 是渦量,即流動的局部旋轉。隨後斯托克斯定理把逐點的旋度提升為繞整個閉迴路的總環量,把旋度與環量配成一對,正如散度定理把散度與通量配成一對。

對旋轉場 F = (-y, x, 0),curl F = (0, 0, 2):繞 z 軸的恆定旋轉,與槳輪圖景相符。對徑向場 F = (x, y, z),curl F = 0——它散開卻從不旋轉。

旋轉給出沿旋轉軸的旋度;純散開給出零旋度——旋度看到的是旋轉,不是源。

旋度為零本身並不保證一個場是梯度:這個場還必須生活在單連通區域上(沒有洞)。經典反例是渦旋 F = (-y, x)/(x^2 + y^2),它在有定義的每一點旋度都為 0,卻不是保守場,因為它的定義域(平面去掉原點)有一個洞,繞這個洞它的環量非零。

又稱
rotationrotnabla cross F旋度算子