向量微积分与积分定理

散度

站在流动的流体内部某一点,问一个简单的问题:从我周围一小块区域流出来的东西,是不是比流进去的多?如果流体在这里被产生(一个水龙头,一个源),答案是肯定的;如果它在这里被排走(一个汇),答案是负的;如果流进来的也都流出去,答案就是零。散度就是在向量场每一点回答这个问题的那个数——场向外散开的局部速率。

对向量场 F = (P, Q, R),散度是标量场 div F = nabla dot F = partial P / partial x + partial Q / partial y + partial R / partial z。它是 del 算子与 F 的点积,输出是一个标量(每点一个数),而不是向量。诚实的定义是一个极限:某点的 div F 等于绕该点一个极小闭曲面的向外通量,除以它所围的体积,再让该体积缩到零。所以散度就是单位体积通量——场的源密度。处处 div F = 0 的场称为无源场或不可压缩场:它没有源也没有汇。

散度是电磁学与流体力学结构骨架的一半。在麦克斯韦方程组中,div E = rho/epsilon_0 说电荷是电场的源,div B = 0 说不存在磁单极子。在流体流动中,div v = 0 就是不可压缩性的表述。随后散度定理把这个逐点的源密度提升为穿过整个闭曲面的总通量,这正是为什么散度与通量是同一思想的两面。

对向外的径向场 F = (x, y, z),处处 div F = 1 + 1 + 1 = 3——场均匀地散开,仿佛每一点都是一个小源。对旋转场 F = (-y, x, 0),div F = 0:纯粹的旋转既不创造也不毁灭任何东西。

散开给出正散度;纯旋转给出零——散度看到的是源,不是旋转。

向量场的散度是标量;不要把它与旋度(一个向量)或梯度(作用在标量上产生向量)混淆。一个常见的失误是以为场线弯曲的场必有非零散度——场线的弯曲关乎旋度,而散度纯粹关乎场线的密度是变大还是变小。

又称
divnabla dot F散度算子