If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Теорема на Стокс

Тази теорема е аналог на теоремата на Грийн за три измерения, като дава връзката между повърхностния интеграл от ротацията на едно векторно поле и криволинейния интеграл по контура на повърхнината.

Тази статия цели да разкрие физическия смисъл

Примери за използването на теоремата на Стокс можеш да видиш в следната статия. В настоящата статия целта ни е да разкрием смисъла на теоремата и нейната логика.

Основни идеи

  • Теоремата на Стокс е версия на теоремата на Грийн в три измерения.
  • Тя дава връзката между повърхностния интеграл от ротацията на едно векторно поле и криволинейния интеграл на същото векторно поле по контура на повърхнината:
SS е повърхнина в три измерения ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣(rotFn^)dΣПовърхностен интеграл отротацията на векторното поле= ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣CFdrКриволинеен интеграл пограницата на повърхнината\displaystyle \overbrace{ \underbrace{ \iint_\redE{S} }_{\text{$\redE{S}$ е повърхнина в три измерения}} \!\!\!\!\!\!\!\!\! \big( \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}} \cdot \greenE{\hat{\textbf{n}}} \big) d\Sigma }^{\substack{ \text{Повърхностен интеграл от} \\ \text{ротацията на векторното поле} }} = \!\!\!\!\!\!\!\!\! \underbrace{ \int_{\redE{C}} \blueE{\textbf{F}} \cdot d\textbf{r} }_{\substack{ \text{Криволинеен интеграл по} \\ \text{границата на повърхнината} }}

Тълкуване на криволинейния интеграл в три измерения

start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, left parenthesis, x, ;, y, ;, z, right parenthesis е тримерно векторно поле.
Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия
Можем да си представим това векторно поле като съставено от векторите на скоростта на някакъв газ, който се движи в пространството.
start color #bc2612, C, end color #bc2612 е някакъв затворен контур вътре в това векторно поле.
Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия
Как можем да интерпретираме криволинейния интеграл от start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 по контура start color #bc2612, C, end color #bc2612?
\oint, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text
Този интеграл има смисъл само когато отчитаме ориентацията на контура. Диференциалният вектор d, start bold text, r, end bold text представлява малка стъпка по протежение на контура, но в каква посока е тази стъпка? Когато измеренията са три, не можем да кажем просто "по часовниковата стрелка" или "обратно на часовниковата стрелка", защото зависи в коя точка на пространството се намираме, когато разглеждаме кривата. По-долу ще видим как ориентацията се определя математически, но засега е по-лесно просто да приемем някаква ориентация:
Представи си, че си птица, която лети в пространството по протежение на контура start color #bc2612, C, end color #bc2612, а вятърът духа в съответствие с векторното поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99. (В анимацията ти си птица с форма на сфера :)).
Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия
Представи си всяка стъпка (мах на крилете?) от твоето движение по протежение на start color #bc2612, C, end color #bc2612 като един малък вектор d, start bold text, r, end bold text. Да разгледаме скаларното произведение на d, start bold text, r, end bold text и на вектора на скоростта на вятъра от векторното поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, където се намираш. Скаларното произведение ще е положително, когато вятърът ти помага, и отрицателно, когато духа срещу теб.
Сега да разгледаме криволинейния интеграл, който ни интересува:
\oint, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text
Можеш да си го представиш като сума на това доколко вятърът ти помага или ти пречи по време на полета. Той измерва тенденцията на флуидния поток да циркулира около контура start color #bc2612, C, end color #bc2612. Ако е положителен, значи вятърът помага и можем да кажем, че той циркулира около start color #bc2612, C, end color #bc2612 в посоката на твоята ориентация. Ако е отрицателен, можем да кажем, че вятърът по-скоро циркулира в обратната посока.

Раздробяване на парчета на повърхнината

Ако си прочел/а статията за теоремата на Грийн, това ще ти се стори много познато.
Да разгледаме произволна повърхнина start color #bc2612, S, end color #bc2612 в пространството, чиято граница е start color #bc2612, C, end color #bc2612, като си представи, че start color #bc2612, C, end color #bc2612 е една метална примка, която е потопена в сапунен разтвор и start color #bc2612, S, end color #bc2612 е сапунената мембрана, която ще се превърне в сапунен мехур.
Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия
Да срежем повърхнината на две части и ги означим като start color #0d923f, C, start subscript, 1, end subscript, end color #0d923f и start color #a75a05, C, start subscript, 2, end subscript, end color #a75a05. Ако и двете запазят първоначалната ориентация на start color #bc2612, C, end color #bc2612, криволинейните интеграли (върху същото векторно поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99) по всеки от тези по-малки контури се компенсират в частта, където е направено срязването:
Частите от контурите start color #0d923f, C, start subscript, 1, end subscript, end color #0d923f и start color #a75a05, C, start subscript, 2, end subscript, end color #a75a05, които остават, образуват заедно първоначалната граница start color #bc2612, C, end color #bc2612. Следователно сумата на криволинейните интеграли върху по-малките части е равна на криволинейния интеграл по целия контур start color #bc2612, C, end color #bc2612:
start underbrace, \oint, start subscript, start color #0d923f, C, start subscript, 1, end subscript, end color #0d923f, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text, plus, \oint, start subscript, start color #a75a05, C, start subscript, 2, end subscript, end color #a75a05, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text, end underbrace, start subscript, start text, у, н, и, щ, о, ж, а, в, а, т, space, с, е, space, п, о, space, п, р, о, т, е, ж, е, н, и, е, space, н, а, space, с, е, ч, е, н, и, е, т, о, space, н, а, space, start color #bc2612, S, end color #bc2612, end text, end subscript, equals, \oint, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text
По-общо погледнато, си представи, че срязваме повърхнината start color #bc2612, S, end color #bc2612 на голям брой малки парченца, като означаваме техните граници с start color #bc2612, C, start subscript, 1, end subscript, end color #bc2612, comma, dots, comma, start color #bc2612, C, start subscript, n, end subscript, end color #bc2612, и ги ориентираме по същия начин като start color #bc2612, C, end color #bc2612. Понеже в три измерения чертежа ще стане твърде претрупан, ще използвам изображението, което видяхме в статията за теоремата на Грийн, което е в две измерения, но по същество логиката е същата.
Криволинейните интеграли по протежение на тези малки затворени контури в частите, където са срязванията на start color #bc2612, C, end color #bc2612 се унищожават, и остава само нещо, което е равно на криволинейния интеграл по целия контур start color #bc2612, C, end color #bc2612.
start underbrace, sum, start subscript, k, equals, 1, end subscript, start superscript, n, end superscript, \oint, start subscript, start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text, end underbrace, start subscript, start text, К, о, м, п, е, н, с, и, р, а, т, space, с, е, space, п, о, space, п, р, о, т, е, ж, е, н, и, е, space, н, а, space, с, р, я, з, в, а, н, е, т, о, space, н, а, space, start color #bc2612, S, end color #bc2612, end text, end subscript, equals, \oint, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text

Ротацията за всяко парче

Причината да раздробим повърхнината start color #bc2612, S, end color #bc2612 по този начин е, че криволинейният интеграл около един много малък контур може да се апроксимира чрез ротацията. По-конкретно, нека да разгледаме под лупа едно от тези парченца. Ако то е достатъчно малко, можем да си представим, че то е плоско по същество.
  • Означаваме контура на това парченце като `, `, start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612, ".
  • Избираме някаква точка start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 върху повърхнината вътре в това парченце.
  • start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923fе единичният нормален вектор към повърхнината в точка start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05. Може би ще попиташ: "Каква е неговата посока?" Свий пръстите на дясната си ръка по посока на контура start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612. Изправи палеца си и посоката, в която сочи той, е посоката на вектор start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f.
  • Нека start color #bc2612, d, \Sigma, end color #bc2612 да представлява площта на това малко парченце (по аналогия с използването на една безкрайно малка площ при повърхностния интеграл).
Тогава криволинейният интеграл от start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 по контура start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612 може да се апроксимира по следния начин:
Ако чувстваш известна несигурност относно това какво представлява ротацията или как един вектор може да представя ротацията, можеш да прегледаш отново тази статия за ротацията.
Ето как обосноваваме логически тази апроксимация: start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 е вектор, който показва как флуидът, който се движи във векторното поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, се завърта около точката start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05. Например, ако си представиш малка топка за тенис, която се движи в пространството, като центърът ѝ е в точката start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05, векторът start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 показва как се върти топката под въздействие на вятъра, който духа наоколо. Това означава, че векторът е насочен по протежение на оста на въртене, а големината му е пропорционална на скоростта на въртене.
Скаларното произведение на този вектор на ротацията и вектор start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, който е единичният нормален вектор към повърхнината, това използва компонента на вектора на ротацията, който е перпендикулярен на повърхнината. Това описва скоростта на ротация на флуида в самата повърхнина. От друга страна, ротацията на флуида в това малко парченце се описва също така с криволинеен интеграл по границата на това малко парченце: \oint, start subscript, start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text.
Този интеграл е равен на много малко число (тъй като start color #bc2612, C, start subscript, k, end subscript, end color #bc2612 е много къса част от контура), но start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05 дава число, което не зависи от размера на парченцето, което съдържа точката start color #a75a05, left parenthesis, x, start subscript, k, end subscript, ;, y, start subscript, k, end subscript, ;, z, start subscript, k, end subscript, right parenthesis, end color #a75a05. Ето защо на практика ние мащабираме, т.е. смаляваме съответния компонент на ротацията, като коефициентът на мащабиране е площта на малкото парченце.
(За да вникнеш задълбочено в тази апроксимация, виж формалната дефиниция на ротацията в три измерения.)

Повърхностен интеграл от ротацията

Като комбинираме идеите от последните две точки, получаваме:
CFdrИнтеграл по контурана цялата повърхнинаk=1nCkFdrСума от интегралите по контурите на парченцатаk=1nrotF(xk;yk;zk)n^  dΣРотационна апроксимация върху всяко парченце\begin{aligned} &\underbrace{ \oint_{\redE{C}} \blueE{\textbf{F}} \cdot d\textbf{r} }_{\substack{ \text{Интеграл по контура}\\ \text{на цялата повърхнина} }} \\\\ &\qquad\qquad \downarrow \\\\ &\underbrace{ \sum_{k = 1}^n \oint_{\redE{C_k}} \blueE{\textbf{F}} \cdot d\textbf{r} }_{\text{Сума от интегралите по контурите на парченцата}} \\\\ &\qquad\qquad \downarrow \\\\ &\underbrace{ \sum_{k = 1}^n \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}} \goldE{(x_k; y_k; z_k)} \cdot \greenE{\hat{\textbf{n}}} \;\redE{d\Sigma} }_{\text{Ротационна апроксимация върху всяко парченце}} \end{aligned}
Колкото на по-дребни парченца раздробяваме, последната сума клони към стойността на повърхностния интеграл от left parenthesis, start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, right parenthesis върху повърхнината start color #bc2612, S, end color #bc2612. (Ако това е непознато за теб, прегледай статията за повърхностни интеграли).
k=1nrotF(xk;yk;zk)n^  dΣКогато раздробяваме S на все по-малки парченцаSrotFn^  dΣ\begin{aligned} &\sum_{k = 1}^n \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}} \goldE{(x_k; y_k; z_k)} \cdot \greenE{\hat{\textbf{n}}} \;\redE{d\Sigma} \\\\ &\qquad\qquad \downarrow \small{\gray{\text{Когато раздробяваме $\redE{S}$ на все по-малки парченца}}} \\\\ &\iint_{\redE{S}} \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}}\cdot\greenE{\hat{\textbf{n}}} \; \redE{d\Sigma} \end{aligned}
Като обобщим всичко дотук, получаваме следното удивително равенство, познато като теорема на Стокс:
CFdr=SrotFn^  dΣ\begin{aligned} \oint_{\redE{C}} \blueE{\textbf{F}} \cdot d\textbf{r} = \iint_{\redE{S}} \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}}\cdot\greenE{\hat{\textbf{n}}} \; \redE{d\Sigma} \end{aligned}

Определяне на ориентацията

Ориентацията на повърхнините се определя от посоката на техните единични нормални вектори. Например често ще срещаш повърхнини, ориентирани чрез насочени навън единични нормални вектори (макар че не за всички повърхнини е указано дали единичните нормални вектори са насочени навън, или навътре).
Ориентацията на кривите се определя от избраната посока на техните допирателни вектори.
За да можем да използваме теоремата на Стокс, ориентацията на повърхнината и нейния контур трябва "да са в съответствие". В противен случай равенството трябва да се мащабира с коефициент minus, 1. Съществуват няколко начина да опишем това съответствие, като всички те описват едно и също нещо:
  • Когато гледаш към повърхнината по такъв начин, че всички единични нормални вектори сочат към теб, тогава контурът е с посока, обратна на часовниковата стрелка.
  • Ориентацията на кривата трябва да е в унисон с правилото на дясната ръка. Това означава, че когато насочиш палеца на дясната си ръка по посока на единичен нормален вектор в близост до ръба на повърхнината, посоката, в която сочат свитите ти пръсти, е посоката, в която контурът съответства на ориентацията на повърхнината.
  • Когато се движиш по граничния контур и тялото ти е обърнато в посоката на единичния нормален вектор, трябва да се движиш по такъв начин, че повърхнината да бъде винаги вляво от теб.

Сапунени балончета

Ето едно много интересно твърдение, свързано с теоремата на Стокс: Самата повърхнина няма значение, има значение нейната граница.
Представи си, например, един затворен контур в пространството и всички възможни повърхнини, на които той може да бъде граница; всички различни сапунени балончета, които могат се получат от този един единствен контур:
Видео плейър на видеоклиповете в Кан Академия
За произволно векторно поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, left parenthesis, x, ;, y, ;, z, right parenthesis повърхностният интеграл \iint, start subscript, start color #bc2612, S, end color #bc2612, end subscript, start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f, start color #bc2612, d, \Sigma, end color #bc2612 ще бъде един и същ за всички тези повърхнини. Не е ли удивително! Тези повърхностни интеграли сумират напълно различни стойности в най-различни точки в пространството, а винаги са еднакви, защото имат обща граница.
Това показва колко специални са ротационните векторни полета, понеже при повечето векторни полета повърхностните интеграли изцяло зависят от конкретната повърхнина. Ако си учил/а за потенциални векторни полета, това е аналогично на независимостта от контура и начинът, по който това показва колко специални са градиентните векторни полета.

Какво се случва, когато няма граница?

Ако имаш затворена повърхнина, например нещо като сфера или тор, тогава не съществува граница. Това означава, че "криволинейният интеграл по границата" е нула и теоремата на Стокс изглежда по следния начин:
SrotFn^  dΣ=0\begin{aligned} \iint_{\redE{S}} \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}}\cdot\greenE{\hat{\textbf{n}}} \; \redE{d\Sigma} = 0 \end{aligned}
Ако отново си представиш, че раздробяваме повърхнината, за да получим криволинейни интеграли върху голям брой малки парченца, това означава, че всички тези интеграли се компенсират и накрая не остава нищо.

Обобщение

  • Теоремата на Стокс е версия на теоремата на Грийн в три измерения.
SS е тримерна повърхнина ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣(rotFn^)dΣПовърхностен интеграл отротационно векторно поле= ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣ ⁣CFdrКриволинеен интеграл пограницата на повърхнина\displaystyle \overbrace{ \underbrace{ \iint_\redE{S} }_{\text{$\redE{S}$ е тримерна повърхнина}} \!\!\!\!\!\!\!\!\! \big( \text{rot}\,\blueE{\textbf{F}} \cdot \greenE{\hat{\textbf{n}}} \big) d\Sigma }^{\substack{ \text{Повърхностен интеграл от} \\ \text{ротационно векторно поле} }} = \!\!\!\!\!\!\!\!\! \underbrace{ \int_{\redE{C}} \blueE{\textbf{F}} \cdot d\textbf{r} }_{\substack{ \text{Криволинеен интеграл по} \\ \text{границата на повърхнина} }}
  • Криволинейният интеграл integral, start subscript, start color #bc2612, C, end color #bc2612, end subscript, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99, dot, d, start bold text, r, end bold text ни казва в каква степен флуидът, който се движи във векторното поле start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 се завърта около границата start color #bc2612, C, end color #bc2612 на повърхнината start color #bc2612, S, end color #bc2612.
  • Повърхностният интеграл отляво може да се разглежда като събиране на всички ротации на малките парченца от повърхнината start color #bc2612, S, end color #bc2612. Векторът start text, r, o, t, end text, start color #0c7f99, start bold text, F, end bold text, end color #0c7f99 описва ротацията на флуида във всяка точка, а неговото скаларно произведение с единичния нормален вектор към повърхнината start color #0d923f, start bold text, n, end bold text, with, hat, on top, end color #0d923f дава компонента на ротацията на флуида, който се намира върху самата повърхнина.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.