- •Федеральное агентство морского и речного транспорта рф
- •1. Элементы векторного анализа
- •1.1. Действия над векторами
- •1.2. Линейные преобразования векторов
- •1.3. Поля и операции векторного анализа
- •1.4. Интегральные формулы векторного анализа
- •1.5. Дельта-функция Дирака
- •2. Системы координат
- •2.1. Градиент длины направленного отрезка
- •2.2. Операции векторного анализа в криволинейных координатах
- •3. Метод комплексных амплитуд
- •3.1. Описание гармонических колебаний
- •3.2. Средние значения
- •3.3. Разложение Фурье для комплексных амплитуд
- •4. Общие сведения о волновых процессах
- •4.1. Введение
- •4.2. Гармонические волны
- •4.3. Виды волн
- •4.4. Простейшие решения волновых уравнений
- •5. Математический аппарат анализа продольно-однородных структур
- •5.1. Задачи для продольно-однородных структур
- •5.2. Краевые задачи для двумерного уравнения Гельмгольца
- •6. Решения уравнений в цилиндрических координатах
- •6.1. Цилиндрические функции
- •6.2. Задачи в цилиндрических координатах
- •7. Математический аппарат излучения радиоволн
- •7.1. Интегрирование неоднородного уравнения Гельмгольца
- •7.2. Условие излучения
- •8. Литература
1. Элементы векторного анализа
1.1. Действия над векторами
Разложение вектора А на составляющие в декартовой системе координат:
(1.1) |
Сложение векторов сводится к сложению их компонент:
(1.2) |
Скалярное произведение векторов А и В равно произведению их модулей на косинус угла между векторами:
(1.3) |
Здесь α - угол между направлениями векторов.
Результат скалярного умножения есть скаляр.
Скалярное произведение (А, В) может равняться нулю и при не равных нулю А и В, если cos α = 0. Такие векторы называются ортогональными, так как они направлены под прямым углом.
Векторное произведение векторов А и В вычисляется по следующей формуле:
(1.4) |
Здесь ν0 - орт, направленный по нормали к плоскости, образуемой векторами А и В. Направление орта выбирается так, чтобы, из его начала минимальный угол соответствовал движению от А к В по часовой стрелке. В формуле (1.4) этот угол обозначен α.
Результат векторного умножения двух векторов есть вектор.
Если раскрыть определитель, получим, например, что [А, B]х = AyBz - AzBy и т. д. Изменение порядка сомножителей приводит к изменению знака векторного произведения: [В, А] = -[А, В].
Для трех векторов А, В, Е определено следующее произведение:
Оно называется векторно-скалярным, или смешанным: один из векторов составляет скалярное произведение с векторным произведением двух оставшихся. Очевидно, что справедливо следующее соотношение:
|
(1.5) |
При составлении смешанного произведения должен быть сохранен циклический порядок следования векторов: А, В, Е, А, В, Е...
Двойное векторное произведение трех векторов А, В, Е раскрывается по следующей формуле:
(1.6) |
Здесь скалярные произведения обозначены посредством круглых скобок. Они участвуют в умножении как числа.
1.2. Линейные преобразования векторов
Под умножением вектора А на скаляр m понимается получение такого вектора В, модуль которого увеличивается в m раз, а направление не меняется:
(1.7) |
Это равенство равносильно трем скалярным:
(1.7а) |
Вектора A и В коллинеарны. Если m - положительное число, то векторы А и В направлены одинаково, а при отрицательном m - противоположно.
В общем случае под однородным линейным преобразованием векторов понимают сопоставление вектору А такого вектора В, компоненты которого определяются по формулам:
(1.8) | |
Здесь mхх, mху, ..., mzy, mzz - некоторые числа.
Однородность - это свойство, в силу которого В = 0, если А = 0. Векторы А и В, компоненты которых связаны соотношениями (1.8), уже не коллинеарны. Следовательно, записанное преобразование определяет не только изменение абсолютного значения вектора, но и его поворот.
|
(1.9) |
С точки зрения линейной алгебры таблица чисел (1.9) образует матрицу. Равенства (1.8) определяют операцию умножения матрицы ||m|| на вектор-столбец (Ах, Ау, Аz). Эта операция приводит к получению нового вектора-столбца (Вх, Ву, Bz). В частном случае, задаваемом формулой (1.7), отличны от нуля только диагональные компоненты матрицы ||m||, причем mxx = myy = mzz = m.
Введем единичную матрицу следующего вида:
|
(1.10) |
Это позволяет определить матрицу ||m|| в варианте (1.7а) как mI. С учетом сделанных преобразований систему равенств (1.8) можно записать в сокращенной форме:
|
(1.11) |