西安电子科技大学：《电磁场与电磁波》课程电子教案（PPT课件讲稿）第1章 矢量分析与场论（主讲：黄丘林）

第1章矢量分析与场论 黄丘林 电子工程学院 西安电子科技大学

第1章 矢量分析与场论 黄丘林 电子工程学院 西安电子科技大学 1

本章提纲 o1矢性函数 o2矢性函数的导数与微分 o3矢性函数的积分 o4场的基本知识 o5哈密尔顿算子 06正交曲线坐标系

本章提纲  1 矢性函数  2 矢性函数的导数与微分  3 矢性函数的积分  4 场的基本知识  5 哈密尔顿算子  6 正交曲线坐标系 2

1矢性函数 o矢性函数 设是一数性变量,A为变矢,如果对于某一区间内 G[a,b的每一个数值t,都以一个确定的矢量A() 与之对应,则称A为数性变量t矢性函数。 记为:A=A(t)。而G为其定义域 ●矢性函数A(1)在直角坐标系中的三个分量(或投影) 都是变量t的函数,分别为A1(),A,(t),A(t)。则矢 性函数也可用其分量表示为: A=A()x+A,(1)j+A() 其中,,2为x,y,z轴正向的单位矢量

1 矢性函数 矢性函数  设t是一数性变量， 为变矢，如果对于某一区间内 G[a，b] 的每一个数值t，都以一个确定的矢量 与之对应，则称 为数性变量t的矢性函数。 记为： 。而G为其定义域。  矢性函数 在直角坐标系中的三个分量（或投影） 都是变量t的函数，分别为 ， ， 。则矢 性函数也可用其分量表示为：  其中 ， ， 为x，y，z轴正向的单位矢量。 A  A(t)  A  A A(t)   = A(t)  A (t) x A (t) y A (t) z A A t x A t y A t z x y z = ( ) ˆ + ( ) ˆ + ( )ˆ  x ˆ y ˆ z ˆ 3

1矢性函数 o矢端曲线 认为所有的A(t)的起点都在坐标原点,这样,当校变 化时,A(t)的终点M就描绘出一条曲线l,该曲线称 为矢性函数4(t)的矢端曲线或图形。 At A=4()或A=A()+A,(1)+A()称为曲线的 矢量方程

1 矢性函数 矢端曲线  认为所有的 的起点都在坐标原点，这样，当t变 化时， 的终点M就描绘出一条曲线l，该曲线称 为矢性函数 的矢端曲线或图形。  或 称为曲线l的 矢量方程。 A(t)  A(t)  A(t)  A A(t)   = A A t x A t y A t z x y z = ( ) ˆ + ( ) ˆ + ( )ˆ  4

1矢性函数 AO)的端点M是l上的一个动点,其三个坐标x,y, z随变化规律分别为: x=A(1) y=A,( 这就是曲线l的参数方程

1 矢性函数  的端点M是l上的一个动点，其三个坐标x，y， z随t的变化规律分别为： 这就是曲线 l 的参数方程。 A(t)  x A (t) = x y A (t) = y z A (t) = z 5

2矢性函数的导数与微分 o矢性函数的导数 设A()是t的矢性函数,当数性变量t在其定义域内 从变到t+△(△≠0)时,对应的矢量从4(1)变化 到A(t+△),则称△4=A(t+△)-A(1)为()对应 于Δt的增量。 AA(t+△)-A(O) 在M→>0时的极限存在, △4 则称A(t)在点t可导,并 称此极限为4(1)在点t处 (t+△t) 的导数

2 矢性函数的导数与微分 矢性函数的导数  设 是t的矢性函数，当数性变量t在其定义域内 从t变到 时，对应的矢量从 变化 到 ，则称 为 对应 于 的增量。 在 时的极限存在， 则称 在点t可导，并 称此极限为 在点t处 的导数。 A(t)  t + t (t  0) A(t)  A(t + t)  A A(t t) A(t)     = +  − A(t)  t t A t t A t t A  +  − =   ( ) ( )    t → 0 A(t)  A(t)  6

2矢性函数的导数与微分 设矢性函数A)的三个分量A(),A,(0),A(0)在t处 均可导,则有: △4 = lim -=lim -xx+lim dtM→0△t△>0△t △t→>0 4t y+lim ly △>0△t 这样就把一个矢性函数导数的计算转化为三个标量函 数的导数的计算

2 矢性函数的导数与微分  设矢性函数 的三个分量 ， ， 在t处 均可导，则有： 这样就把一个矢性函数导数的计算转化为三个标量函 数的导数的计算。 A(t)  A (t) x A (t) y A (t) z z t A y t A x t A t A dt dA z t y t x t t lim lim ˆ lim ˆ lim ˆ 0 0 0 0   +   +   =   =  →  →  →  →  z dt dA y dt dA x dt dAx y z = ˆ + ˆ + ˆ 7

2矢性函数的导数与微分 例设二矢性函数可(y)=cosx+ sin o y,e()=-sinp+cosj 证明:e(y)=2(y),1(y)=-e(φ),且(如)⊥e() 证:d()=(coso)x+(in) e1( sin pp xtcos op y e(o=(sin o)x+(cos o)y -cos pp x-sin pp y e(小) e(o).e(o)=cos(sin g)+sin cos=0 e(小)⊥e()

2 矢性函数的导数与微分 例 设二矢性函数 ， 证明： , ,且 证： e x y ( ) cos sin    = + ˆ ˆ 1 e x y ( ) sin cos    = − + ˆ ˆ 1 e e ( ) ( )   = 1 e e ( ) ( )   = − 1 e e ( ) ( )   ⊥ e x y    ( ) (cos ) (sin )    = + ˆ ˆ = −sin x ˆ + cos y ˆ 1 = e ( )  1 e x y    ( ) ( sin ) (cos )    = − + ˆ ˆ = −cos x ˆ − sin y ˆ = −e( )  1 e e ( ) ( ) cos ( sin ) sin cos 0        = − + = 1 ∴ e e ( ) ( )   ⊥ 8

2矢性函数的导数与微分 当A>0时,A4指向与△A一致,指向t值增大的 万; 当Δt0 △t<0

2 矢性函数的导数与微分  当 时， 指向与 一致，指向t值增大的一 方；  当 时，其指向与 相反，但因此时 指向t 减小的一方，故它仍指向t增大的一方。 t  0 t A    A   t  0 A  A    9

2矢性函数的导数与微分 当Mt→>0时,由于割线MN绕点M转动,其极限位 置为M处(即t点)的切线,因为在MN上,故 当△→>0时的极限位置也在M处的切线上,即 △ =im dt△0△t 是点M处(即处)的切线上指向增大一方的矢量。 即:导数是矢端曲线在处的切向矢量,其指向对应t增 大的一方 10

2 矢性函数的导数与微分  当 时，由于割线MN绕点M转动，其极限位 置为M处（即t点）的切线，因为 在MN上，故 当 时的极限位置也在M处的切线上，即 是点M处（即t处）的切线上指向t增大一方的矢量。 即：导数是矢端曲线在t处的切向矢量，其指向对应t增 大的一方。 t → 0 t A    t →0 t A dt dA t   =  →   0 lim 10