FEMM 5

Градиент и производная по направлению

Дать геометрическое и аналитическое определение градиента. Связать производную по направлению с градиентом. Доказать, что градиент ортогонален поверхности уровня. Интерпретировать E=−∇φ\vec E=-\nabla \varphi и q=−λ∇T\vec q=-\lambda\nabla T

Поля, координаты и градиент. Аналитический эталон. Показан срез z = 0,5 и проекция градиента на x–y. Производная найдена для единичного направления (1;1;0)/√2. Координаты условные; пространственные размеры в миллиметрах не задаются.
Поля, координаты и градиент1 — точка P = (1; 1; 0,5); стрелка — проекция ∇fАналитический эталон. Показан срез z = 0,5 и проекция градиента на x–y. Производная найдена для единичного направления (1;1;0)/√2. Координаты условные; пространственные размеры в миллиметрах не задаются.Открыть SVG целикомРезультат отдельно
Предварительные понятия

Зачем нужен градиент

Скалярное поле — потенциал φ(r)\varphi(\vec r), температура T(r)T(\vec r), давление — задаёт в каждой точке одно число. Инженера почти всегда интересует не само число, а то, как быстро и в какую сторону оно меняется: напряжённость электрического поля есть мера изменения потенциала, плотность теплового потока определяется перепадом температуры. Этот «вектор изменения» и есть градиент.

Прежде чем давать определение, посмотрим на поле как на рельеф. Если f(x,y)f(x,y) — высота холма над точкой (x,y)(x,y), то линии уровня — это горизонтали на топографической карте. Там, где горизонтали густые, склон крутой. Направление самого крутого подъёма всегда перпендикулярно горизонтали: идя вдоль горизонтали, высоту не меняешь вовсе. Градиент — это вектор, направленный вверх по самому крутому склону, длина которого равна крутизне.

Производная по направлению

Пусть f(r)f(\vec r) — дифференцируемое скалярное поле, l\vec l — единичный вектор (∣l∣=1|\vec l|=1). Сдвинемся из точки r\vec r на малое расстояние ss в направлении l\vec l.

Производная по направлению

∂f∂l=lim⁡s→0f(r+sl)−f(r)s.\frac{\partial f}{\partial \vec l}=\lim_{s\to 0}\frac{f(\vec r+s\vec l)-f(\vec r)}{s}. Это скорость изменения поля на единицу длины пути в направлении l\vec l. Единица: [единица ff]/м.

В декартовых координатах l=lxex+lyey+lzez\vec l=l_x\vec e_x+l_y\vec e_y+l_z\vec e_z, и по правилу дифференцирования сложной функции ∂f∂l=∂f∂xlx+∂f∂yly+∂f∂zlz.\frac{\partial f}{\partial \vec l}=\frac{\partial f}{\partial x}l_x+\frac{\partial f}{\partial y}l_y+\frac{\partial f}{\partial z}l_z . Правая часть — скалярное произведение вектора l\vec l и вектора с компонентами (∂f/∂x, ∂f/∂y, ∂f/∂z)(\partial f/\partial x,\ \partial f/\partial y,\ \partial f/\partial z). Этот вектор и называют градиентом.

Градиент

∇f=∇f=∂f∂xex+∂f∂yey+∂f∂zez,∂f∂l=∇f⋅l.\nabla f=\nabla f=\frac{\partial f}{\partial x}\vec e_x+\frac{\partial f}{\partial y}\vec e_y+\frac{\partial f}{\partial z}\vec e_z, \qquad \frac{\partial f}{\partial \vec l}=\nabla f\cdot\vec l . Символ ∇\nabla («набла») — векторный дифференциальный оператор ∇=ex ∂x+ey ∂y+ez ∂z\nabla=\vec e_x\,\partial_x+\vec e_y\,\partial_y+\vec e_z\,\partial_z. Записи ∇f\nabla f и ∇f\nabla f полностью равнозначны; в курсе используется первая, в англоязычной литературе чаще вторая.

Так как ∇f⋅l=∣∇f∣ ∣l∣cos⁡θ=∣∇f∣cos⁡θ\nabla f\cdot\vec l=|\nabla f|\,|\vec l|\cos\theta=|\nabla f|\cos\theta, где θ\theta — угол между l\vec l и градиентом, получаем два следствия.

Геометрический смысл градиента

  1. Производная по направлению максимальна при θ=0\theta=0, то есть когда l\vec l совпадает с направлением градиента, и равна ∣∇f∣|\nabla f|. Градиент направлен в сторону наискорейшего роста поля, а его модуль равен наибольшей скорости роста.
  2. При θ=π/2\theta=\pi/2 производная равна нулю: в направлениях, перпендикулярных градиенту, поле в первом порядке не меняется.
  3. При θ=π\theta=\pi поле убывает быстрее всего: ∂f/∂l=−∣∇f∣\partial f/\partial\vec l=-|\nabla f|.

Определение через наискорейший рост не ссылается на систему координат. Поэтому градиент — настоящий вектор, не зависящий от выбора осей, хотя его компоненты в разных системах разные.

Градиент и поверхности уровня

Поверхностью уровня (эквипотенциальной, изотермической) называют множество точек, где f(r)=Cf(\vec r)=C. Если на ней нет особых точек (∇f≠0\nabla f\ne 0), она является регулярной поверхностью.

Градиент ортогонален поверхности уровня

Пусть кривая r(t)\vec r(t) целиком лежит на поверхности уровня f=Cf=C. Тогда f(r(t))=Cf(\vec r(t))=C при всех tt, и, дифференцируя по tt, ddtf(r(t))=∇f⋅drdt=0.\frac{\dd}{\dd t}f(\vec r(t))=\nabla f\cdot\frac{\dd \vec r}{\dd t}=0 . Вектор dr/dt\dd\vec r/\dd t — касательный к кривой, а значит, и к поверхности. Так как кривая произвольна, градиент ортогонален любому касательному вектору поверхности уровня, то есть направлен по нормали к ней: n=±∇f∣∇f∣.\un=\pm\frac{\nabla f}{|\nabla f|}.

Это даёт практический способ находить нормаль к поверхности, заданной уравнением F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0: n∥∇F\un\parallel\nabla F. Например, для поверхности z=f(x,y)z=f(x,y) положим F=f(x,y)−zF=f(x,y)-z, тогда ∇F=(∂f/∂x, ∂f/∂y, −1)\nabla F=(\partial f/\partial x,\ \partial f/\partial y,\ -1) — именно так в лаборатории ниже построена касательная плоскость к рельефу.

Лаборатория

В режиме «поверхность» значение f(x,y)f(x,y) отложено по вертикали. Переместите пробник (ползунки или щелчок по поверхности), поверните вектор l\vec l и сравните производную по направлению с модулем градиента. Кривая сечения вдоль l\vec l и её касательная показывают, что производная по направлению — это просто наклон рельефа в выбранную сторону. В режиме «объёмное поле» поверхности уровня строятся численно методом марширующих кубов по аналитически заданному полю; красная поверхность проходит через пробник, зелёный диск — касательная плоскость, перпендикулярная градиенту.

Вопросы, на которые лаборатория даёт наглядный ответ:

Градиент в цилиндрических координатах

В криволинейных координатах формула для градиента должна учитывать, что при изменении угловой координаты α\alpha на dα\dd\alpha точка смещается на расстояние r dαr\,\dd\alpha, а не dα\dd\alpha. Поэтому ∇f=∂f∂rer+1r∂f∂αeα+∂f∂zez.\nabla f=\frac{\partial f}{\partial r}\vec e_r+\frac{1}{r}\frac{\partial f}{\partial \alpha}\vec e_\alpha+\frac{\partial f}{\partial z}\vec e_z . Множитель 1/r1/r восстанавливает размерность: все три слагаемых имеют единицу [ff]/м. Для осесимметричного поля (∂/∂α=0\partial/\partial\alpha=0) остаются только радиальная и осевая составляющие — этим мы постоянно будем пользоваться в осесимметричных моделях.

Градиент в физике полей

Поле Связь с градиентом Смысл
Электростатическое E=−∇φ\uE=-\nabla \varphi Поле направлено в сторону убывания потенциала, от «плюса» к «минусу»
Тепловое q=−λ ∇T\uq=-\lambda\,\nabla T Тепло течёт от горячего к холодному (закон Фурье); λ\lambda — теплопроводность
Стационарный ток J=−σ ∇φ\uJ=-\sigma\,\nabla \varphi Локальный закон Ома; σ\sigma — удельная проводимость
Магнитостатика без токов H=−∇φм\uH=-\nabla \varphi_{\mathrm м} Скалярный магнитный потенциал применим только там, где ∇×H=0\nabla\times \uH=0

Знак «минус» во всех строках — следствие того, что потоки и силы направлены вниз по потенциалу или температуре, тогда как градиент указывает вверх.

Поле точечного заряда

Потенциал точечного заряда qq в вакууме: φ=q4πε0r\varphi=\dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r}. Поле зависит только от rr, поэтому в сферических (или цилиндрических на плоскости z=0z=0) координатах E=−∇φ=−∂φ∂rer=q4πε0r2er.\uE=-\nabla \varphi=-\frac{\partial\varphi}{\partial r}\vec e_r=\frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2}\vec e_r . При q=1q=1 нКл и r=10r=10 см: ∣E∣=10−94π⋅8,854⋅10−12⋅0,01≈899|\uE|=\dfrac{10^{-9}}{4\pi\cdot 8{,}854\cdot10^{-12}\cdot 0{,}01}\approx 899 В/м. Поверхности уровня — сферы, градиент радиален, что и демонстрирует объёмный режим лаборатории для поля 1/r1/r.

Разность потенциалов как интеграл градиента

Из dφ=∇φ⋅dl\dd\varphi=\nabla \varphi\cdot\dd\vec l следует, что приращение потенциала между точками AA и BB равно φB−φA=∫AB∇φ⋅dl=−∫ABE⋅dl,\varphi_B-\varphi_A=\int_A^B\nabla \varphi\cdot\dl=-\int_A^B\uE\cdot\dl , и не зависит от пути — это признак потенциального поля. Напряжение UAB=φA−φB=∫ABE⋅dlU_{AB}=\varphi_A-\varphi_B=\int_A^B\uE\cdot\dl.

Распространённые заблуждения

  • «Градиент — это производная». Градиент — вектор; производная по направлению — скаляр, равный его проекции на направление. Число «градиент температуры 50 К/м» без указания направления неполно.
  • «Градиент лежит на поверхности». В режиме рельефа градиент f(x,y)f(x,y) лежит в горизонтальной плоскости xyxy и указывает, куда по карте идти. Нормаль к самому рельефу — это градиент другой функции, F=f−zF=f-z.
  • «E=−∇φE=-\nabla \varphi значит, что E направлено по градиенту». Напротив: E\uE направлено против градиента потенциала — в сторону его убывания.
  • Забытый множитель 1/r1/r в цилиндрических координатах даёт величину неверной размерности.

Вопросы и упражнения

  1. Для f=x2+12y2+2z2f=x^2+\tfrac12 y^2+2z^2 найдите градиент в точке (1, 1, 0,5)(1,\,1,\,0{,}5), производную по направлению l=(1,1,0)/2\vec l=(1,1,0)/\sqrt2 и угол между l\vec l и градиентом. Сверьте с лабораторией.
  2. Докажите, что ∇(fg)=f∇g+g∇f\nabla (fg)=f\nabla g+g\nabla f и ∇ F(f)=F′(f)∇f\nabla \,F(f)=F'(f)\nabla f.
  3. Температурное поле в стенке T(x)=T1+(T2−T1)x/dT(x)=T_1+(T_2-T_1)x/d. Чему равен градиент? Куда направлен тепловой поток при T2>T1T_2>T_1? Какова его плотность при λ=0,8\lambda=0{,}8 Вт/(м·К), d=0,2d=0{,}2 м, T2−T1=20T_2-T_1=20 К?
  4. Поле φ=ln⁡r\varphi=\ln r в цилиндрических координатах (потенциал заряженной нити с точностью до множителя). Найдите ∇φ\nabla \varphi и покажите, что его модуль убывает как 1/r1/r, а не 1/r21/r^2. Почему?
  5. В лаборатории выберите «седло». Найдите точку, где градиент равен нулю. Сколько направлений с нулевой производной существует в соседней точке? Почему это не противоречит утверждению о единственности направления наискорейшего роста?

Ответы к пунктам 1 и 3

1. ∇f=(2x, y, 4z)=(2, 1, 2)\nabla f=(2x,\,y,\,4z)=(2,\,1,\,2), ∣∇f∣=3|\nabla f|=3. ∂f/∂l=(2+1)/2≈2,121\partial f/\partial\vec l=(2+1)/\sqrt2\approx 2{,}121. cos⁡θ=2,121/3=0,707\cos\theta=2{,}121/3=0{,}707, θ=45°\theta=45°.

3. ∇T=T2−T1dex=100\nabla T=\dfrac{T_2-T_1}{d}\vec e_x=100 К/м. Тепловой поток q=−λ∇T=−80 ex\uq=-\lambda\nabla T=-80\ \vec e_x Вт/м²: тепло идёт в сторону убывания температуры, то есть против оси xx.

Итоги

Далее — дивергенция: как измерить, сколько поля «рождается» в точке.

Применение в FEMM 5