Tài liệu Khóa luận tốt nghiệp Phép biến đổi Laplace: Khóa luận tốt nghiệp
“Phép biến đổi Laplace”
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
1 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Toán học là một ngành khoa học không những nó phục vụ cho chính nó,
mà nó đặc biệt trở thành một công cụ hữu ích cho việc phát triển các ngành
khoa học khác, trong đó có vật lý học. Tính chất cơ bản của vật lý học là tính
thực nghiệm. Nhưng muốn trình bày những định luật định lượng của vật lý
học một cách chính xác ta thường phải sử dụng phương pháp toán học.
Phương pháp toán học được sử dụng từ lâu trong vật lý. Nó là sự giao thoa
giữa toán học và vật lý học.
Những quy luật đơn giản của vật lý đã được cơ học cổ điển giải quyết
gần như trọn vẹn. Nhưng những quy luật vi mô, vĩ mô dưới tác dụng của
nhiều trường khác nhau thì nó lại hoàn toàn bất lực. Cùng với điều đó là sự
phát triển mạnh mẽ của toán học cả về bề rộng và bề sâu. Dẫn tới sự ra đời
của một ngành vật lý mới vật lý lý thuyết. ...
48 trang |
Chia sẻ: haohao | Lượt xem: 1434 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Khóa luận tốt nghiệp Phép biến đổi Laplace, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Khóa luận tốt nghiệp
“Phép biến đổi Laplace”
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
1 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Toán học là một ngành khoa học không những nó phục vụ cho chính nó,
mà nó đặc biệt trở thành một công cụ hữu ích cho việc phát triển các ngành
khoa học khác, trong đó có vật lý học. Tính chất cơ bản của vật lý học là tính
thực nghiệm. Nhưng muốn trình bày những định luật định lượng của vật lý
học một cách chính xác ta thường phải sử dụng phương pháp toán học.
Phương pháp toán học được sử dụng từ lâu trong vật lý. Nó là sự giao thoa
giữa toán học và vật lý học.
Những quy luật đơn giản của vật lý đã được cơ học cổ điển giải quyết
gần như trọn vẹn. Nhưng những quy luật vi mô, vĩ mô dưới tác dụng của
nhiều trường khác nhau thì nó lại hoàn toàn bất lực. Cùng với điều đó là sự
phát triển mạnh mẽ của toán học cả về bề rộng và bề sâu. Dẫn tới sự ra đời
của một ngành vật lý mới vật lý lý thuyết.
Người ta dùng phương pháp toán học để tìm ra những quy luật mới.
Những quy luật tổng quát hơn những quy luật đã biết, đoán trước được mối
quan hệ giữa những hiện tượng vật lý mà thực tế chưa quan sát được. Nó tìm
được những quy luật tổng quát nhất, phản ánh được bản chất vật lý của nhiều
hiện tượng xét một cách tổng quát nhất.
Những phương pháp toán học dùng trong vật lý học hiện đại thì rất
phong phú và đa dạng. Nó gồm một khối lượng kiến thức lớn thuộc các ngành
như: hàm thực, hàm phức, các phương trình vi phân, các phép tính tích
phân…Các kiến thức toán này nó không những cần thiết cho các bạn sinh
viên để tiếp thu, thực hành cũng như nghiên cứu đối với các môn học khác
trong khi học tại trường, mà còn là các công cụ toán hữu ích cho công tác của
họ sau khi ra trường.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
2 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Bước đầu khám phá và đi sâu vào các công cụ toán học cũng như ứng
dụng của nó trong vật lý. Đề tài: “Phép biến đổi Laplace” cũng là một trong
số những công cụ toán có nhiều ứng dụng quan trọng trong vật lý. Nó giúp
chúng ta giải quyết các bài toán vật lý một cách đơn giản hơn. Vì vậy khi
chọn đề tài này tôi muốn đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu các công cụ toán
dùng trong vật lý nói chung và vật lý lý thuyết nói riêng.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nâng cao kiến thức toán học và sử dụng chúng một cách linh hoạt trong
nghiên cứu vật lý.
- Tìm hiểu các phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ Descartes.
- Tìm hiểu các phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ cong, đặc biệt là hai hệ
tọa độ thường gặp trong vật lý đó là: hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Các phép biến đổi Laplace và ý nghĩa của chúng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Vật lý lý thuyết
- Phương pháp giải tích toán học
- Đọc tài liệu và tra cứu
5. Cấu trúc khóa luận
Đề tài nghiên cứu gồm:
- Chương 1: Phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ Descartes.
- Chương 2: Phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ cong.
- Chương 3: Bài tập
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
3 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
PHẦN 2: NỘI DUNG
Chương 1
PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE TRONG HỆ TỌA ĐỘ DESCARTES
1. GRADIEN CỦA TRƯỜNG VÔ HƯỚNG
1.1 Trường vô hướng và đạo hàm theo đường (cung)
Trường vô hướng là một phần của không gian mà mỗi điểm M của nó
ứng với một giá trị của một đại lượng vô hướng nào đó f (M). Cho một trường
vô hướng có nghĩa là cho một hàm vô hướng u = f (M) có giá trị phụ thuộc
vào từng điểm M của miền V. Trong tọa độ Descartes Oxyz ta có:
u = f (M) = f (x, y, z)
Ví dụ 1: Xét sự phân bố nhiệt độ trong một vật thể nào đó. Tại mỗi
điểm được cho tương ứng với một đại lượng vô hướng đó là nhiệt độ tại điểm
này.
Ta xét trường vô hướng u = f (x, y, z). Nếu hàm vô hướng u = f (M) của
trường không thay đổi theo thời gian, ta có trường dừng. Nếu f còn phụ thuộc
cả vào thời gian thì ta có trường không dừng hay trường thay đổi f (M, t). Để
biểu diễn hình học trường vô hướng ta dùng khái niệm mặt mức. Tập hợp tất
cả các điểm sao cho đại lượng u nhận cùng một giá trị C được gọi là mặt mức
tương ứng với số C. Ứng với mỗi giá trị của C ta có một mặt mức, cho C các
giá trị khác nhau ta có họ mặt mức.
Ví dụ như, đối với trường u = x +y + z mặt mức tương ứng với giá trị 1 là mặt
phẳng x + y + z = 1. Mặt mức đối với giá trị 2 là mặt phẳng x + y + z = 2. Đối
với trường vô hướng cầu nào đó, mặt mức là một mặt cầu với tâm tại gốc tọa
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
4 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
độ, ví dụ đối với trường 2 2 2
1y
x y z
mặt mức u = 4 là hình cầu
2 2 2
1 4
x y z
hay 2 2 2 1
4
x y z .
Giả sử cho đường cong L và trên đường cong này ta chọn một hướng
nào đó (ví dụ theo chiều mũi tên). Khi đó đường cong gọi là được định hướng
(H.1.1).
Giả sử M và 1M là 2 điểm trên đường cong, kí hiệu S là độ dài cung
1MM , S lấy dấu + nếu điểm 1M đứng sau điểm M và
lấy dấu - nếu điểm 1M đứng trước điểm M.
Tốc độ trung bình của hàm u = f (M) dọc theo
cung M 1M là tỷ số của số gia của hàm (khi dịch
chuyển từ M đến 1M ) và độ dài cung S , tức bằng:
1( ) ( )f M f M
S
Đạo hàm theo đường cong L tại điểm 1M là giới hạn của tỷ số:
1( ) ( )f M f M
S
khi điểm M dịch chuyển dọc theo đường cong L tiến đến
điểm 1M . Kí hiệu đạo hàm qua
f
L
, ta có:
f
L
=
1
1( ) ( )lim
M M
f M f M
S
(1.1)
Ta có thể dễ dàng chứng minh:
1M
f
L
=
1 1 1
cos cos cosM M M
f f f
x y z
(1.2)
trong đó là các góc tạo bởi vectơ tiếp tuyến với đường cong L tại các
đểm 1M và các trục toạ độ. Đạo hàm theo đường cong tại điểm 1M không phụ
thuộc vào hình dạng đường cong mà chỉ phụ thuộc vào hướng của tiếp tuyến
M1
M
L
H.1.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
5 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
với L tại điểm 1M nói cách khác,
nếu các đường cong 1L và 2L đi qua
1M có tại điểm này cùng một vectơ
tiếp tuyến, thì đạo hàm tại điểm
này theo đường cong 1L bằng đạo
hàm theo đường cong 2L (H. 1.2).
1.2 Gradien của trường vô hướng
Ta xét trường vô hướng u = f(x, y, z) và tính đạo hàm của u theo hướng
vectơ
, trong đ ó
= ai
+b j
+ ck
. Người ta gọi đạo hàm theo hướng của vectơ
tại điểm M là đạo hàm theo cung L bất kỳ đi qua M và tiếp xúc với
. Đạo
hàm riêng u
x
là đạo hàm theo hướng vectơ i
, đạo hàm riêng u
y
là đạo hàm
theo hướng vectơ j
, đạo hàm riêng u
z
là đạo hàm theo hướng vectơ k
. Trước
hết hãy tìm các cosin theo hướng của vectơ
.
2 2 2
cos a
a b c
;
2 2 2
cos b
a b c
;
2 2 2
cos c
a b c
Do đó
2 2 2
u u ua b c
u x y z
a b c
(1.3)
Trong biểu thức trên tử số là tích vô hướng cuả vectơ
và vectơ có toạ
độ là ( u
x
, u
y
, u
z
). Gọi vectơ này là gradien của u và ký hiệu gradu:
Gradu = u
x
i
+ u
y
j
+ u
z
k
(1.4)
Do đó: u gradu
1L
2L
1M
H. 1.2
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
6 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Hay là: . cos( , )u gradu gradu
Vậy:
.cos( , )u gradu gradu
(1.5)
Ta thấy vế phải của (1.5) là hình chiếu của gradu lên hướng
. Từ đây ta
suy ra đạo hàm tại điểm M theo hướng gradu là lớn nhất. Như vậy gradu là
vectơ mà theo hướng của nó hàm u tăng với vận tốc lớn nhất.
Ví dụ 1: Cho trường vô hướng
3 2x yu
z
xuất phát từ M (1, 2, 1) theo
hướng nào hàm u tăng nhanh nhất.
Giải:
2 2 3 3 2
2
3 2u u u x y x y x ygradu i j k i j k
x y z z z z
gradu tại M
12 4Mgradu i j k
Đạo hàm theo hướng gradien, tức
2 2 2ax( 12 4 ( 4) 176 13.3m
u
Ví dụ 2: Tìm đạo hàm của hàm số 2 2u x y x tại điểm 0 (1,2)M theo
hướng vectơ 0 1M M
trong đó 1(3,0)M .
Giải:
Ta thấy 0 1 (2, -2)M M
2
; 22u x y
x
; 2u xy
y
Do đó:
0
(6, 4)Mgradu và
. 2u gradu
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
7 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Định lí: Giả sử gradien của hàm u = f (x, y, z)
tại điểm M khác không. Khi đó nó vuông góc với
đường cong bất kỳ đi qua điểm M và nằm trong mặt
mức u(x, y, z) = C, C là hằng số.
Chứng minh: Vẽ qua điểm M đường cong l
nằm trong mặt mức, bởi vì hàm u không thay đổi khi
nó chuyển động theo đường cong l, nên 0u
l
. Nhưng đạo hàm theo cung l
bằng đạo hàm theo hướng tiếp xúc vì thế 0u
.
Theo công thức: .cos( , )u gradu gradu
, do 0u
và gradu ≠ 0 nên
cos( , ) 0gradu
. Tức là góc giữa
và gradu bằng 090 .
Quỹ tích các tiếp tuyến tại điểm 0M với các đường cong nằm trong mặt
mức gọi là mặt tiếp xúc với mặt này tại điểm 0M . Nếu 0M có các toạ độ
0 0 0( , , )x y z thì:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
) . ) . ) .M x y z x y z x y z
u u ugradu i j k
x y z
Phương trình của mặt phẳng tiếp xúc với mặt mức là:
0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0
) .( ) ) .( ) ) .( ) 0x y z x y z x y z
u u ux x y y z z
x y z
(1.6)
Chú ý: Nếu cho mặt xác định bởi f (x, y, z) = 0, ta có thể xem nó là mặt
mức của hàm u = f (x, y, z) với C = 0. Do đó ta có thể viết mặt phẳng tiếp xúc
với mặt f (x, y, z) = 0 nhờ công thức (1.6).
Ví dụ 3: Hãy viết phương trình mặt phẳng tiếp xúc với mặt parabolic
2 2z x y tại điểm M (2, 1, 5).
Mặt đã cho có thể xét như một mặt mức của hàm 2 2u z x y .
Bởi vì:
gradu
l
M
H.1.3
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
8 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2 2 1gradu xi y j k
,
cho nên
0
4. 2.Mgradu i j k
.
Do đó phương trình của mặt phẳng tiếp xúc của mặt parabolic đã cho
tại M có dạng:
4( 2) 2( 1) 1( 5) 0x y z
hay
4 2 5 0x y z
1.3 Các tính chất của Gradien
Gradien có các tính chất rất quan trọng sau đây mà ta có thể sử dụng
trong chứng minh các công thức vật lý:
a/ grad(u+v) = gradu + gradv (1.7)
b/ grad(uv) = u.gradv + v. gradu (1.8)
c/ grad 2
u vgradu ugradv
v v
(v≠0) (1.9)
1.4 Ý nghĩa vật lý của gradien
Từ (1.3) ta thấy gradien của một đại lượng vô hướng cho ta một vectơ.
Cho nên trong vật lý người ta dùng phương
pháp trong đó tính một đại lượng vô hướng
(không đơn trị) một cách đơn giản hơn, nhưng
gradien của nó lại cho ta một đại lượng vật lý
thực dưới dạng vectơ, đơn trị, có thể đo được
trên thực nghiệm. Thí dụ, trong điện động lực học người ta tính thế vô hướng
φ (không đơn trị), nhưng E grad
là cường độ điện trường có thể đo được
trên thực nghiệm.
2. DIVE CỦA TRƯỜNG VECTƠ
2.1 Trường vectơ-đường vectơ
H.1.4
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
9 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2.1.1 Trường vectơ – đường vectơ
Trong vật lý ta luôn tiếp xúc với các trường vectơ như trường lực,
trường từ hay trường điện như E grad
được nêu ở trên. Để biểu diễn hình
học trường vectơ ta dùng các đường vectơ, là các đường trong không gian mà
tại mỗi điểm của nó vectơ A
nằm dọc theo tiếp tuyến của trường tại điểm này.
Nếu trường vectơ là trường lực hấp dẫn, thì các đường vectơ (gọi là các
đường lực) là các tia xuất phát từ gốc toạ độ. Trong trường gradien A grad
đường vectơ của trường là đường mà khi chuyển động dọc theo nó, đại lượng
u tăng với vận tốc lớn nhất.
Để tìm đường vectơ của trường
( , , ) ( , , ) ( , , )A P x y z i Q x y z j R x y z k
Ta tiến hành như sau:
Giả sử phương trình tham số của đường vectơ là
x=x(t) ; y=y(t) ; z=z(t)
Khi đó vectơ tiếp xúc tại điểm tuỳ ý của đường này có dạng
x y zi j k
t t t
Theo định nghĩa của trường vectơ, vectơ này đồng phương với vectơ
của trường tại điểm (x, y, z). Vì thế hình chiếu lên các trục toạ độ của các
vectơ này tỉ lệ với nhau.
( , , ) ( , , ) ( , , )
dx dy dz
dt dt dt
P x y z Q x y z R x y z
(2.1)
Gọi giá trị chung của các tỉ số trên là (x, y, z) ta có:
( , , , ) ( , , )dx x y z t P x y z
dt
;
( , , , ) ( , , )dy x y z t Q x y z
dt
; (2,2)
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
10 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
( , , , ) ( , , )dz x y z t R x y z
dt
.
Chú ý: vì hàm (x, y, z, t) được chọn tuỳ ý nên phương trình của
đường vectơ là không duy nhất.
Ví dụ: Ta xét trường hấp dẫn sinh ra bởi chất
điểm đặt tại gốc toạ độ. Khi đó các đường vectơ
là các tia xuất phát từ gốc toạ độ, vì thế ống
vectơ trong trường này có dạng hình nón với
đỉnh ở gốc toạ độ (H.2.1).
2.1.2 Thông lượng của trường vectơ qua một mặt
2.1.2.1 Thông lượng
Ta xét một mặt trơn, hữu hạn S đặt trong một trường vectơ A
nào đó.
Ta chọn trên mặt này một hướng xác định mà ta gọi đó là hướng dương
hướng ngược lại của mặt là hướng âm. Ta nói rằng mặt như vậy là mặt định
hướng.
Ta kí hiệu vectơ pháp tuyến đơn vị tại điểm M của mặt S sao cho vectơ
này hướng từ âm sang dương là vectơ n
. Vị trí của vectơ n
phụ thuộc vào vị
trí điểm M trên mặt.
Xét hàm f (M) = (A
, n
) được xác định tại mọi điểm của mặt S.
Nếu A Pi Q j Rk
và các góc chỉ phương của vectơ n
tương ứng
bằng , , tức là: n cos cos cosi j k
thì f(M) cos cos cosP Q R
hàm này liên tục trên mặt S, do đó tồn tại tích phân của hàm f(M) trên mặt S.
Tích phân này gọi là thông lượng của trường vectơ qua S và được ký hiệu
bằng chữ :
S S
= ( , )dS= (Pcos Q cos R cos ) A n dS
(2.2)
Chú ý: Khi thay đổi hướng của mặt S ta thay đổi dấu của thông lượng.
O
z
x
y
H.2.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
11 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Nếu mặt S là mặt kín thì ta thường định hướng như sau: Hướng bên
ngoài của mặt là hướng dương, hướng bên trong là hướng âm.
2.1.2.2 Ý nghĩa vật lý của thông lượng
Trong trường hợp thuỷ động học, thông lượng qua mặt được định
hướng bằng khối lượng chất lỏng chảy qua mặt này trong một đơn vị thời gian.
Ta xét trường hợp mặt kín S. Nếu thông lượng qua S là mặt dương điều
này nghĩa là lượng chất lỏng chảy từ một phần của không gian được giới hạn
bởi mặt S lớn hơn lượng chất lỏng chảy vào nó. Ngược lại, nếu thông lượng
âm thì lượng chảy vào S lớn hơn lượng chất lỏng chảy ra từ S.
Ví dụ: Cho trường vectơ
( ) ( )A x y i y x j zk
Tính thông lượng của trường này qua bề mặt của hình cầu bán kính với
tâm tại gốc toạ độ.
Trong trường hợp này pháp tuyến tại điểm bất kỳ của mặt S hướng theo
bán kính vectơ tại điểm này. Vì thế vectơ pháp tuyến đơn vị
2 2 2
n R xi y j zk xi y j zk
R x y z
do 2 2 2 1x y z đối với mọi điểm nằm trên mặt đã cho. Như vậy:
2 2 2( , ) ( ) ( )A n x y x y x y zz x y z
Vì thế thông lượng bằng
2 2 2( , ) ( ) 4
S S S
A n dS x y z dS dS S
.
2.2 Dive của trường vectơ
2.2.1 Dive của trường vectơ
Dive (divergen) của trường vectơ A
tại điểm M là giới hạn của tỉ số
thông lượng qua mặt kín bao quanh M và thể tích của miền được giới hạn bởi
bề mặt này
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
12 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
( , )
lim S
V M
A n dS
divA
V
(2.3)
Những điểm của trường tại đó dive mang dấu dương được gọi là điểm
nguồn. Những điểm mà tại đó dive mang dấu âm được gọi là những điểm hút.
Giả sử trường vectơ
A Pi Q j Rk
trong đó P, Q, R là những hàm số có đạo hàm cấp1, 2 liên tục thì
( , ) ( cos cos cos )
lim limS S
V M V M
A n dS P Q R
divA
V V
(2.4)
trong đó , , là những góc chỉ phương của pháp tuyến ngoài.
Theo công thức Ostrogradski ta đưa tích phân mặt về tích phân 3 lớp:
( )
lim V
V M
P Q R dV
x y z
divA
V
(2.5)
Theo định lý giá trị trung bình, trong miền V, ta tìm được một điểm TBM sao
cho:
( ) ( ) .
TBM
V
P Q R P Q RdV V
x y z x y z
vì thế
( )
lim lim ( )
TB
V
MV M V M
P Q R dV
x y z P Q RdivA
V x y z
Khi V→ M thì TBM →M, vì thế
P Q RdivA
x y z
(2.6)
Từ công thức (2.4) và (2.5) ta có:
( , )
S V
A n ds divAdV
(2.7)
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
13 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Như vậy thông lượng của trường vectơ A qua bề mặt kín bằng tích
phân 3 lớp của divA
trên miền mà bề mặt này giới hạn. Chú ý rằng công thức
này chỉ được nghiệm đúng trong trường hợp khi divA
liên tục trong miền V.
Ví dụ: Tính thông lượng của trường vectơ
( ) ( )A x y i y x j zk
qua mặt cầu đơn vị với tâm tại gốc toạ độ.
Giải: ( ) ( ) 3x y y x zdivA
x y z
Vậy thông lượng
4( , ) 3 3 3. 4
3S V V
A n dS divAdV dV V
2.2.2 Trường hình ống
Nếu tại tất cả các điểm của miền G nào đó dive của trường A
bằng
không, thì ta nói rằng A
là trường hình ống của miền này.
Ví dụ: Cho trường hấp dẫn 3
mRF
R
trong miền G nào đó không chứa
gốc tọa độ. Hãy tính divF
.
Giải: 2 2 2 3/ 2 2 2 2 3/ 2 2 2 2 3/ 2( ) ( ) ( )
mx my mzF i j k
x y z x y z x y z
Bằng cách tính trực tiếp ta thấy rằng:
0divF
tại điểm bất kỳ khác gốc toạ độ. Vậy F
là trường hình ống trong miền G.
Bây giờ ta tính dive tại gốc toạ độ.
Ta thấy thông lượng qua mặt cầu bán kính a bằng -4π m , tỉ số thông
lượng và thể tích hình cầu chứa bên trong bề mặt này bằng
3
3
4 3
4
3
m m
aa
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
14 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Theo định nghĩa:
(0,0,0) 30
3( ) lim
a
mdivF
a
.
2.2.3 Ý nghĩa vật lý của dive
Phép tính dive có nhiều ứng dụng trong vật lý như tính thông lượng của
trường vectơ. Ngoài ra qua biến đổi của tích phân khi tính thông lượng người
ta còn dẫn đến phương trình Maxwell trong điện động lực học
Ddiv
trong đó D
là vectơ cảm ứng điện , còn ρ là mật độ của điện tích tự do.
3. ROTA CỦA TRƯỜNG VECTƠ
3.1 Lưu thông của trường vectơ theo chu tuyến
Ta xét trường vectơ:
A Pi Q j Rk
và chu tuyến l nằm trong trường này. Ta gọi tích phân đường
l
Pdx Qdy Rdz (3.1)
là lưu thông của trường vectơ A
theo chu tuyến.
Ta hiểu ngầm rằng lưu thông không chỉ phụ thuộc vào A
và l, mà còn
cả hướng của chu tuyến l. Khi thay đổi hướng của đường cong, lưu thông thay
đổi dấu.
Ví dụ 1: Nếu A
là trường lực thì lưu thông của trường theo chu tuyến l
bằng công khi dịch chuyển chất điểm trong trường lực dọc theo chu tuyến l.
Giả sử đường cong cho dưới dạng tham số:
x = (t), y = (t) , z = (t) với 0t t T
ta có:
0
' ' '( ) ( ) ( )
t
t
l
Pdx Qdy Rdz P t t t t Q t t t t R t t t t dt
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
15 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Như vậy để tính lưu thông của trường vectơ ta có thể áp dụng công thức
stockes
( ) os +( ) os ( ) os
l S
R Q P R Q PPdx Qdy Rdz c c c dS
y z z x x y
Trong trường hợp đặc biệt
( )
l S
Q PPdx Qdy dS
x y
(3.4)
3.2 Rota của trường
Trong không gian Oxyz cho bề mặt S nào đó. Ta xét trường vectơ
A Pi Q j Rk
trong đó P, Q, R và các đạo hàm riêng cấp 1 của nó liên tục tại điểm M thuộc
S và trong lân cận của điểm M. Trên bề mặt S, ta vẽ chu tuyến đóng l bao
quanh điểm M rồi chọn hướng xác định trên
chu tuyến này và tính Adl
.
Tỷ số lưu thông theo chu tuyến l và diện
tích của bề mặt S được giới hạn bởi chu
tuyến l trên được gọi là mật độ lưu thông trung
bình
l
Adl
(3.5)
ta gọi giới hạn : lim
l M
Adl
là mật độ lưu thông tại điểm M trên bề mặt S. Ta
có:
lim liml l
l M l M
Adl Pdx Qdy Rdz
z
O
x
y
n
S
Mo
σ l
M
H.3.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
16 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
0
( ) os +( ) os ( ) os
lim
R Q P R Q Pc c c d
y z z x x y
0
( ) os +( ) os ( ) os
lim
TBM
R Q P R Q Pc c c
y z z x x y
( ) os +( ) os ( ) os M
R Q P R Q Pc c c
y z z x x y
(3.6)
Vậy nếu A Pi Q j Rk
os cos osn c i j c k
thì mật độ lưu thông tại điểm M theo hướng n
bằng:
( ) os +( ) os ( ) osR Q P R Q Pc c c
y z z x x y
Biểu thức trên là tích vô hướng của vectơ n
và vectơ
( ) +( ) ( )R Q P R Q Pi j k
y z z x x y
Vectơ này chỉ phụ thuộc vào trường vectơ đã cho A
. Ta kí hiệu là rot A
Như vậy mật độ lưu thông của trường vectơ A
theo hướng n
bằng
rot A
. n
Rota của trường vectơ A
( ) +( ) ( )R Q P R Q Prot A i j k
y z z x x y
(3.7)
có giá trị hoàn toàn xác định (về độ lớn, về hướng) tại mỗi điểm của trường đã
cho do đó rota lập thành trường vectơ mới.
Biểu thức (3.7) cũng có thể viết dưới dạng định thức như sau:
i j k
rot A
x y z
P Q R
(3.8)
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
17 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Ví dụ 1: Tính rota của trường vectơ A
cho bởi công thức:
2 2 2 2 2 2( ) ( ) ( )A x y i y z j z x k
Giải: Theo công thức (3.8) ta nhận được
( 2 ) ( 2 ) ( 2 )rot A z i x j y k
nói riêng, tại điểm (0, 0, 1)
2rot A i
Ví dụ 2: Xét trường vận tốc tại các điểm của một vật thể rắn quay với
vận tốc góc không đổi 0 quanh trục Oz.
Giải: Ta đã biết trường này được cho bởi công thức:
0 0A yi x j
Do đó
0 0 0( ) 2rot A k k
3.3 Định lý stokes dưới dạng vectơ
n
l S
Adl rot AdS
(3.9)
trong đó nrot A
là hình chiếu của vectơ rot A
lên pháp tuyến của mặt S. Như
vậy lưu thông của trường vectơ theo chu tuyến đóng l bằng thông lượng của
rot A
của trường này trên bề mặt với biên là chu tuyến l.
3.4 Ý nghĩa vật lý của rota
Từ rota có nghĩa là xoáy cho nên nó mô tả nhiều hiện tượng điện từ
quan trọng như rota của thông lượng của trường từ H
thì sinh ra dòng điện
với mật độ j
rotH j
(3.10)
còn rota của thông lượng trường điện E
thì sinh ra sự biến thiên của vectơ
cảm ứng từ B
theo thời gian
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
18 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
BrotE
t
(3.11)
Các phương trình (3.10), (3.11) là các phương trình Maxwell
4. CÁC PHÉP TÍNH ĐỐI VỚI DIVE VÀ ROTA
4.1 Dive và rota của vectơ hằng số bằng không
Thật vậy, nếu A ai b j ck
trong đó a, b, c là hằng số thì
0a b cdivA
x y z
(4.1)
Tương tự
0rot A
(4.2)
4.2 Dive và rota có tính chất tuyến tính
Điều này có nghĩa là nếu C A B
trong đó A
, B
là các trường
vectơ; , là các hằng số thì
divC divA divB
rotC rot A rot B
Chứng minh: Giả sử
1 1 1A P i Q j R k
2 2 2B P i Q j R k
Khi đó:
1 2 1 2 1 2( ) ( ) ( )C P P i Q Q j R R k
và
1 2 1 2 1 2( ) ( ) ( )divC P P Q Q R Rx y z
1 1 1 2 2 2( ) ( )P Q R P Q R
x y z x y z
div A divB
4.3 Các phép tính đối với tích
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
19 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
a/ Giả sử u và v là hai trường vô hướng. Khi đó uv cũng là trường vô hướng ta
có:
graduv = ugradv+vgradu
b/ Giả sử u là trường vô hướng, A
là trường vectơ. Khi đó u A
là trường vectơ
và
( , )divu A gradu A udivA
( )rotu A gradu A urot A
Để chứng minh ta viết vectơ A
dưới dạng A P i Q j R k
c/ Giả sử A
, B
là các trường vectơ. Khi đó ( A
, B
) là trường vô hướng, còn
( A B
) là trường vectơ và ( ) ( ) ( )div A B Brot A ArotB
Kết luận: Chương 1 chúng ta đã nghiên cứu những khái niệm quan
trọng về trường và những đặc trưng cơ bản của trường vectơ và trường vô
hướng. Cùng với nó là các phép tính của trường như: phép tính gradien của
trường vô hướng, phép tính dive của trường vectơ và phép tính rota của
trường vectơ. Trong phạm vi chương 1 chúng ta chỉ tìm hiểu các phép tính
này trong hệ tọa độ Descartes vuông góc.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
20 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
CHƯƠNG 2
PHÉP BIẾN ĐỔI LAPLACE TRONG HỆ TOẠ ĐỘ CONG
1. HỆ TỌA ĐỘ CONG
1.1 Định nghĩa
Vị trí của một điểm M trong không gian được xác định bằng bán kính
vectơ r
. Trong hệ toạ độ Descartes vuông góc Oxyz: r xi y j zk
.
Trong nhiều bài toán để xác định vị trí của điểm M thay cho bộ ba số x,
y, z người ta dùng bộ ba số khác 1q , 2q , 3q phù hợp và thuận tiện hơn với bài
toán đang xét. Ngược lại, ta giả thiết một bộ ba số 1q , 2q , 3q ứng với một bán
kính vectơ r
, do đó ứng với một điểm M nào đó của không gian. Các đại
lượng 1q , 2q , 3q được gọi là toạ độ cong của điểm M.
Vì mỗi điểm M ứng với hệ toạ độ 1q , 2q , 3q do đó mỗi một toạ độ này là
một hàm của bán kính vectơ r
1 1
2 2
3 3
( ) ( , , )
( ) ( , , )
( ) ( , , )
q r q x y z
q r q x y z
q r q x y z
(1.1)
Ngược lại vì bán kính vectơ r
của mỗi điểm trong không gian được xác
định hoàn toàn khi cho ba số 1q , 2q , 3q . Nghĩa là 3 thành phần x, y, z của r
là
hàm số của 1q , 2q , 3q .
1 2 3
1 2 3
1 2 3
( , , )
( , , )
( , , )
x x q q q
y y q q q
z z q q q
(1.2)
Tập hợp tất cả các điểm
trong không gian sao cho trên tập
này 1q không đổi gọi là mặt tọa độ 1q .
Mặt q2
Mặt q1
Đường q2
Mặt q3
Đường q1
Đường q3
H.1.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
21 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Tương tự ta có mặt tọa độ 2q , 3q .
Tập hợp tất cả các điểm sao cho trên tập này chỉ có tọa độ 1q thay đổi (còn tọa
độ 2q , 3q không thay đổi) được gọi là các đường tọa độ. Hiển nhiên giao tuyến
của hai mặt 2q và 1q cho ta đường tọa độ 3q .
1.2 Các ví dụ
Hai hệ tọa độ cong hay dùng nhất là hệ tọa độ trụ và hệ tọa độ cầu.
a/ Hệ tọa độ trụ
Vị trí của 1 điểm được xác định bởi 1q , 2q , 3q z (H.1.2)
Ta có mối liên hệ giữa hệ tọa độ trụ và hệ tọa độ đề các vuông góc:
Khoảng biến thiên 0;0 2 ; z
Các mặt tọa độ:
onstc là mặt trụ có trục tọa độ Oz.
onstc là nửa mặt phẳng giới hạn bởi trục Oz.
onstz c là mặt phẳng song song với mặt Oxy.
Các đường tọa độ:
Đường z là đường thẳng song song với trục Oz, đường là đường tròn có
tâm nằm trên trục Oz trong mặt phẳng vuông góc với trục Oz, đường là nửa
đường thẳng xuất phát từ trục Oz và song song với mặt phẳng Oxy.
b/ Hệ tọa độ cầu
Vị trí của một điểm được xác định bởi bộ ba số 1q r , 2q , 3q z . Hệ thức
liên hệ giữa hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ đề các vuông góc:
sin cos
sin os
os
x r
y r c
z rc
Khoảng biến thiên: 0;0 ;0 2r
Các mặt tọa độ:
cos
sin
x
y
z z
z
O
x
y
M
z
ρ
φ
H.1.2
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
22 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
onstr c là mặt cầu tâm O.
onstc là nửa mặt nón có đỉnh là O, trục là Oz.
onstc là nửa mặt phẳng giới hạn bởi Oz.
Các đường tọa độ:
Đường r là nửa đường thẳng xuất phát từ gốc O.
Đường là kinh tuyến trên mặt cầu.
Đường là đường tròn vĩ tuyến trên mặt cầu.
1.3 Hệ tọa độ cong trực giao
Hệ tọa độ cong mà các đường tọa độ vuông góc với nhau theo từng đôi
một tại mỗi điểm được gọi là hệ tọa độ cong trực giao. Trong các ví dụ trên,
hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu đều là các hệ tọa độ cong trực giao.
Trong không gian cho điểm M nào đó,
gọi i
(i=1, 2, 3) là các vectơ đơn vị tiếp
xúc tại điểm này với các đường tọa độ iq
và hướng theo chiều tăng của các đường tọa độ iq .
Ta nhận thấy rằng trong hệ tọa độ Descartes hướng của các véc
tơ i
không phụ thuộc vào vị trí của M, còn trong hệ tọa độ cong, ba véctơ đơn
vị trực giao 1 2 3, ,e e e
phụ thuộc vào các vị trí của M.
Gọi vectơ đơn vị có phương pháp tuyến với mặt tọa độ i iq C và hướng
theo chiều tăng của iq là ie
. Trong hệ tọa độ cong trực giao thì ii
(H.1.4)
1.4 Hệ số Lame
Xét các đường tọa độ, trên các đường này ta đưa vào các vectơ đơn vị
i
(i=1, 2, 3)
1e
có phương tiếp tuyến với các đường tọa độ và có chiều theo
chiều tăng của các tọa độ iq lấy số gia của bán kính vectơ 1r
có đầu mút ở
điểm 1M , có tọa độ 1 1 2 3( , , )q q q q .
Lập tỉ số
x
z
O
y
φ
z
M
θ
r
H.1.3
i
i
iq
H.1.4
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
23 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
1 1 2 3 1 2 3
1 1
( , , ) ( , , )r q q q q r q q qr
q q
Lấy giới hạn của tỉ số trên khi 1M tiến đến M, ta có
vectơ
1
r
q
tiến đến vectơ cùng phương, cùng chiều với
vectơ đơn vị 1
tại M. Đó là vectơ đạo hàm
1
r
q
, do đó
11
1
r h
q
.
Đại lượng này xác định vận tốc biến thiên của bán kính vectơ dọc theo
đường tọa độ 1q . Hệ số 1h chỉ độ lớn của vectơ
1
r
q
Ta có:
1 1 1 1
r x y zi j k
q q q q
do đó
2 2 2 21
1 1 1
( ) ( ) ( )x y zh
q q q
Tương tự, ta có: 2 2 3 3
2 3
;r rh h
q q
trong đó:
2 2 2 2( ) ( ) ( )i
i i i
x y zh
q q q
(1.3)
được gọi là hệ số lame của hệ tọa độ cong đang xét.
Hệ số lame trong hệ tọa độ đề các
2 2 2 2( ) ( ) ( ) 1 1x x
x y zh h
x x x
.
Tương tự 1y zh h
Hệ số lame trong hệ tọa độ cầu
M
M1
1
1r
r
H.1.5
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
24 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
sin ; 1;rh r h h r
Hệ số lame trong hệ tọa độ trụ
; 1; 1zh h h
1.5 Điều kiện cần và đủ để hệ tọa độ cong trực giao
Từ định nghĩa hệ tọa độ cong trực giao, ta có: ij
1
( , )
0i j
khi i j
e e
khi i j
Hơn nữa ta có:
( , ) ,i j i j
i j
r r h h e e
q q
từ đó suy ra:
( , ) 0
i j
r r
q q
với i j (1.4)
hay:
( , ) 0
i j i j i j i j
r r x x y y z z
q q q q q q q q
với i j (1.5)
Bây giờ ta xét các vectơ grad qi
i i ii
q q qgradq i j k
x y z
Ta thấy gradqi có phương vuông góc với mặt tọa độ qi = Ci và theo
chiều tăng của qi, nên gradqi cùng phương và cùng chiều với vectơ đơn vị
pháp tuyến ie
, ta có thể viết ii igradq gradq e
22 2
2 i i i
i
q q qgradq
x y z
Bây giờ ta xét mối quan hệ giữa hệ số Lame hi và grad qi.
Từ công thức vi phân toàn phần của bán kính vectơ
1 2 3
1 2 3
r r rd r d q d q dq
q q q
Nhân vô hướng hai vế với igradq , ta có:
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
25 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
1 2 3
1 2 3
i i i i
r r rd rgradq gradq dq gradq dq gradq dq a
q q q
Mặt khác ta lại có:
i i ii i
q q qdq dx dy dz d rgradq b
x y z
So sánh hai đẳng thức (a) và (b) ta có:
1
0i kik
khi i kr gradq
q khi i k
Xét tích vô hướng
1i ii i i i i i i
i
r gradq h e gradq e h gradq e e
q
Trong một hệ tọa độ cong trực giao i ie e
nên ta có mối quan hệ sau:
22 2
1
:
1
i
i
i
i i i
h
gradq
hay
h
q q q
x y z
(1.5)
Hơn nữa trong hệ tọa độ cong trực giao ,i je e
= 0 với i j .
Suy ra
, 0i jgradq gradq với i j (1.6)
hay
0j j ji i iq q qq q q
x x y y z z
với i j (1.7
Công thức (1.4) và (1.7) là điều kiện cần và đủ để một hệ tọa độ cong
trực giao
Ví dụ: Hãy kiểm tra xem hệ tọa độ cong sau có trực giao hay không
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
26 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2 2
1
2 2
1
1
ln
1 2
2
yarctg
x
q x y z
q x y z
q
Giải:
Ta sử dụng công thức (1.7) dễ thấy
2
3 3 31 1 1
2 22 2 2 2
2 2
1
2 2 0
1 1
y
q q qq q q x yx x
y yx x y y z z x y x y
x x
do đó cặp q1 và q3 trực giao với nhau.
Xét cặp tọa độ q1, q2
1 2 1 2 1 2 2 2 2 2
2 2 2 0q q q q q q x yx y
x x y y z z x y x y
do đó cặp tọa độ q1, q2 trực giao với nhau.
Tương tự, ta xét cặp tọa độ q1, q3 ta thấy
2
3 3 32 2 2
2 2 2 2 2 2
2 2
1
0
1 1
y
q q qq q q xy xyx xx y
y yx x y y z z x y x y
x x
Vậy hệ tọa độ cong xét trên là trực giao.
2. GRADIEN CỦA TRƯỜNG VÔ HƯỚNG TRONG HỆ TỌA ĐỘ
CONG
Trong không gian cho hệ tọa độ q1, q2, q3 và trường vô hướng
u = f (q1, q2, q3) (2.1)
Hãy tính gradien của trường này tại điểm bất kỳ M (q1, q2, q3). Trước
hết, xét hình chiếu gradien của hàm f lên hướng nào đó bằng đạo hàm của
hàm f theo hướng này
1
1
e
fhc gradf
e
(2.2)
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
27 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Mặt khác đạo hàm theo hướng 1e
bằng đạo hàm theo cung l của đường tọa độ
q1 (H.2.1).
Nhưng đạo hàm theo cung
theo định nghĩa bằng:
1
1
1
( ) ( )lim
M M
f M f Mf
l s
Từ đây:
1
1
1 1 2 3 1 2 3
0
1
1 1 2 3 1 2 3 1
0
1 1
1 1
, , ( , , )
lim
, , ( , , )
lim
1
q
q
f q q q q f q q qf
l S
f q q q q f q q q q
q S
f
q h
(2.3)
Tương tự:
2
2 2
1
e
fhc gradf
q h
(2.4)
3
3 3
1
e
fhc gradf
q h
(2.5)
Nếu trường hợp cho trong hệ tọa độ Descartes u = f(x, y, z) thì
f f fgradu i j k
x y z
(2,6)
Nếu cho trong hệ tọa độ trụ , ,f z thì
1 z
f f fgradu e e e
z
(2.7)
Nếu được cho trong hệ tọa độ cầu thì
1
1
e
f fhc gradf
le
1 2 3, ,M q q q
1 1 2 3, ,M q q q q
Đường q1
H.2.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
28 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
1 1
sinr
f f fgradu e e e
r r r
(2.8)
Cuối cùng muốn tính đạo hàm của trường vô hướng u = (q1, q2, q3) tại
điểm M theo hướng véctơ nào đó 1 1 2 2 3 3a a e a e a e
ta chỉ cần lấy hình chiếu
của gradien lên véctơ a
31 2
1 1 2 2 3 3
2 2 2
1 2 3
,
aa au u u
gradu a h q h q h qu
a a a a a
(2.9)
3. DIVE TRONG HỆ TỌA ĐỘ CONG
Xét trường véctơ
1 1 2 3 1 2 1 2 3 2 3 1 2 3 3, , , , , ,A A q q q e A q q q e A q q q e
theo định nghĩa dive của trường A
tại điểm M bằng
,
lim s
V M
A n dS
divA
V
(3.1)
trong đó M V và X là miền được giới hạn bởi bề mặt S.
Xét một hình hộp chữ nhật cong có đỉnh tại M đang xét, các mặt bên
trùng với các mặt tọa độ, các mặt đối diện với các mặt tọa độ đi qua điểm N.
Trong hệ tọa độ cong trực giao
V= h1h2h3dq1dq2dq3 mặt MM2N1M3 có diện
tích h2 h3dq2 dq3. Thành phần của véctơ A
trên pháp tuyến của mặt này là -A1, do đó
thông lượng tương ứng của A
đi qua mặt này
là -A1h2h3dq2dq3.
Xét mặt M1N3NN2 trên mặt này q1 có giá
trị q1+dq1do đó thông lượng qua mặt này là:
[A1h2h3+
1 2 3
1
1
A h h
dq
q
] dq2dq3
M3
N1
N3
N2
M2
M1
M
q1
q2
q3
N
H.3.1
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
29 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Do đó thông lượng qua hai mặt MM2N1N3 và M1N3NN2 bằng:
1 2 3 1 2 3
1
A h h
dq dq dq
q
Tương tự thông lượng qua hai mặt MM1N2M3 và M2N3NN1bằng:
2 1 3 2 1 3
2
A h h
dq dq dq
q
Tương tự thông lượng qua hai mặt NN1M3N2 và MM1N3 M2 bằng:
3 1 2 3 1 2
3
A h h
dq dq dq
q
Cộng cả 3 biểu thức trên ta được thông lượng toàn phần qua mặt
S: ( , )
S
A n ds
Chia cho thể tích hình hộp và qua giới hạn ta được:
1 2 3 2 1 3 3 1 2
1 2 3 1 2 3
1 A h h A h h A h hdivA
h h h q q q
(3.2)
Nói riêng, nếu trường được cho trong hệ tọa độ Descartes:
, , , , , ,x y zA A x y z i A x y z j A x y z k
thì: yx zAA AdivA
x y z
(3.3)
Nếu trường được cho trong hệ tọa độ trụ
( , , ) ( , , ) ( , , )s zA A z e A z e A z e
ta nhận được: 1 ( )zA A AdivA
z
(3.4)
(vì h =1; h ; h =1)
Nếu trường được cho trong hệ tọa độ cầu
, , , , , ,r rA A r e A r e A r e
(vì rh =1; h r ; h = rsin )
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
30 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2
2
sin1 sin
sin
r AAA rdivA r r
r r
(3.5)
Ví dụ 1: Tính div của một trường lực hấp dẫn khối lượng m đặt tại gốc
tọa độ.
Trong hệ tọa độ Descartes trường này có dạng:
3
mrF
r
hay 2 2 2 3/ 2
( )
( )
m xi y j zkF
x y z
ta có thể tính div của trường này nhờ công thức (3.3) nhưng quá trình tính toán
rất phức tạp. Bây giờ ta biểu diễn trường vectơ này trong hệ tọa độ cầu. Để ý
rằng re
hướng dọc theo hướng bán kính r, vì thế
3 3; ;r r
mr mrr re r r F e
r r
2 r
mF e
r
Theo công thức (3.5) ta nhận được
2
2 2
2 2
( )( )1 1sin sin 0
sin sin
r
mr
F r rdivF
r r r r
(3.5’)
Ví dụ 2: Tính div của trường vận tốc A của vật thể rắn quay với vận tốc
không đổi 0 quanh một trục cố định.
Ta xét trường véctơ trong hệ tọa độ trụ và nhận trục Oz làm trục quay. Ta
thấy rằng vận tốc quay của một vật thể tại điểm bất kỳ hướng theo véctơ e
và
độ lớn bằng 0 r, do đó: 0A re
Sử dụng công thức (3.5’) ta được:
00 ( )1 0rdivA div re r
4. ROTA TRONG TỌA ĐỘ CONG
Xét trường véctơ
1 1 2 3 1 2 1 2 3 2 3 1 2 3 3( , , ) ( , , ) ( , , )A A q q q e A q q q e A q q q e
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
31 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Để tìm Rota của trường này ta tính hình chiếu của rota theo một hướng
nào đó bằng mật độ lưu thông trung bình của trường A
theo hướng này. Mật
độ lưu thông trung bình theo hướng e1 bằng tỷ số lưu thông theo một chu
tuyến bất kỳ bao quanh M và diện tích S được giới hạn bởi chu tuyến này,
đồng thời miền S phải được phân bố trên bề mặt mà pháp tuyến của nó tại
điểm này hướng dọc theo véctơ 1e
. Ta định nghĩa:
1
lime s M
Adl
rot A
S
(4.1)
Để thuận tiện ta chọn một tọa độ q1= const đi qua M và miền S là miền
MM2N1M được giới hạn bởi các đường tọa độ (H.3.1).
Diện tích của yếu tố vi phân mặt được giới hạn bởi chu tuyến đó là:
dS = h2h3dq2dq3.
Trên cung MM2 ta có:
2
2 2 2 2 2
MM
Adl A dS A h dq
Trên cung M3N1 giá trị của tọa độ thứ ba là q3+dq3. Do đó:
3 1
2 2
2 2 3 2
3
( )( )
M N
A hAdl A h dq dq
q
Tương tự ta có:
3
3 3 3
MM
Adl A h dq
2 1
3 3
3 3 2 3
2
( )( )
M N
A hAdl A h dq dq
q
Vậy:
2 1 3 2 2 1 1 1 3
3 3 2 2
2 3
2 3
( ) ( )( )
MM N M MM M N M N MM
A h A hAdl Adl Adl Adl Adl dq dq
q q
Chia biểu thức này cho dS và qua giới hạn ta được:
3 3 2 21
2 3 2 3
( ) ( )1 ( )A h A hrot A
h h q q
(4.2)
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
32 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Bằng cách tương tự ta nhận được:
3 31 12
1 3 3 1
( )( )1 ( )A hA hrot A
h h q q
(4.3)
và 2 2 1 13
2 1 1 2
( ) ( )1 ( )A h A hrot A
h h q q
(4.4)
Nói riêng trong hệ tọa độ Descartes
x y zA i+A j+A kA
( ) ( ) ( )y yx xz zA AA AA Arot A i j k
y z z x x y
(4.5)
Trong hệ tọa độ trụ, đối với trường
z zA e +A e +A eA
rota được tính theo công thức:
( ) ( )1 1( ) ( ) ( )z z z
A A A AA Arot A e e e
z z
(4.6)
Trong hệ tọa độ cầu:
rrA e A e A eA
2
( sin ) ( sin )( ) ( )( ) ( )1 1 1( ) ( ) ( )
sin sin
r r
r
A r A rA r A rA Arot A e e e
r r r r r
(4.7)
Ví dụ 1: Tính rota của trường lực hấp dẫn
2 r
mF e
r
Các thành phần của véctơ F
là:
2r
mF
r
; 0; 0F F
Sử dụng công thức (4.7) ta thấy 0rotF
.
Ví dụ 2: Tính rota của trường vận tốc A
của trường vật thể rắn quay với
vận tốc góc không đổi quanh một trục cố định.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
33 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
0A e
.
Các thành phần của véctơ A
là:
00 , ,zA .
Sử dụng công thức (4.6) ta được:
2
0
0
( )1 2 2z zRot A e e
.
Từ đây ta nhận thấy rằng divA
và rot A
là bất biến đối với cách chọn hệ trục
tọa độ.
5. TOÁN TỬ VI PHÂN CẤP HAI
5.1 Toán tử “Nabla”
Ký hiệu là toán tử “Nabla” hay toán tử Hamilton trong hệ tọa độ
Descartes vuông góc, nó có dạng:
i j k
x y z
Dùng ký hiệu toán tử “Nabla” ta có:
, ,grad divA A rot A A
Nếu tác dụng toán tử lên chúng một lần nữa ta được toán tử vi phân
cấp hai ta có lược đồ sau:
div grad
grad
rot grad
div A grad div A A
A
div rot A
rot A
rot rot A
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
34 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Ta dễ dàng suy ra các hệ thức sau:
a 0rotgrad (5.1)
Thật vậy , vì tích hữu hướng của hai véctơ cộng
tuyến bằng không.
b/ divrot A
=0 (5.2)
Vì véc tơ
vuông góc với , và tích vô hướng của hai véctơ
vuông góc với nhau bằng không.
Đặt B rot A
, ta có 0divB
nghĩa là B
là trường hình ống.
c/ ) ( )rotrot A A graddivA A
(5.3)
d/ divgrad (5.4)
5.2 Toán tử “Laplace”
Trong vật lý toán người ta gọi toán tử cấp hai divgradu là toán tử
“Laplace” ký hiệu bởi toán tử Δ. Từ hệ thức (5.4) ta có:
a/ Trong hệ tọa độ Descartes, xét hàm , ,u u x y z ta có:
( ) ( ) ( )
u u ugradu i j k
x y z
u u udiv gradu
x x y y z z
Tức là:
2 2 2
2 2 2
u u uu
x y z
(5.5)
b/ Trong hệ tọa độ trụ, xét hàm , ,u u z trong hệ tọa độ này:
1 z
u u ugradu e e e
z
Tính div của trường này ta nhận được toán tử Laplace
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
35 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2 2
2 2
1 1u u uu
z
(5.6)
c/ Trong hệ tọa độ cầu ( , , )u u
2
2
2 2
1 1sin sin
sin sin
u u uu r
r r r
d/ Cuối cùng trong hệ trực giao tùy ý, đối với hàm 1 2 3( , , )u u q q q
2 3 1 3 1 2
1 2 3 1 3 1 2 2 2 3 3 3
1 h h h h h hu u uu
h h h q h q q h q q h q
Ví dụ: Cho
2 2 2
1u
x y z
. Tính u
Để đơn giản việc tính toán ta sử dụng tọa độ cầu.
1u
r
khi đó 2
1u
r r
nên 0u
Kết luận: Chúng ta cũng đi nghiên cứu về các phép tính gradien, dive,
rota nhưng xét trong hệ tọa độ cong, và đặc biệt là hai hệ tọa độ cong thường
gặp: hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu. Ngoài ra chúng ta còn đi nghiên cứu về các
toán tử vi phân cấp 2: Toán tử Nabla, toán tử Laplace. Mỗi phép tính trên
đều có ứng dụng quan trọng trong vật lý.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
36 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Chương 3
BÀI TẬP
Bài1: Tính div I R
trong đó onst; R j+zkI c xi y
Giải
x y z y z z x x y
i j k
I R I I I zI yI i xI zI j yI xI k
x y z
0y z z x x ydiv I R zI yI xI zI yI xIx y z
Vậy 0div I R
Bài 2: Tính div I RM
trong đó , onstI M c
, R xi+y j+zk
Giải
Ta có: R xi+y j+zk
x y zM i+M j+M kM
x y zI i+I j+I kI
z y x z y x
x y z
i j k
RM x y z yM zM i zM xM j xM yM k
M M M
2
x y z
z y x z y x
y y y x z x z z z z z y x y x x
x x z z y z y y
i j k
I RM I I I
yM zM zM xM xM yM
xI M yI M zI M xI M i yI M zI M xI M yI M j
zI M xI M yI M zI M k
div I RM I M
Bài 3:
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
37 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
a/ Tính rot u R R
b/ Tính ; onst; R y j+zkrot I R I c xi
Giải
a/ Tính rot u R R
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( ))
( ) ( ) (
u R R xu R i yu R j zu R k
i j k
rot u R R
x y z
xu R yu R zu R
i zu R yu R j xu R zu R k yu R xu R
y z z x x y
u R R u R R ui z y j x
R y R z
2 2 2 2
) ( ) ( ) ( )
Mà R
2 . 2
R R u R R u R R u R Rz k y x
R z R x R z R x
x y z
R R xR x
x x R
Tương tự ta có: ;R y R z
y R z R
Suy ra:
0
0
0
R R y zz y z y
y z R R
R R z xx z x z
z x R R
R R x yy x y x
x y R R
Vậy { ( ) }=0rot u R R
b/ Tính rot IR
x y z
i j k
RI I I I
x y z
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
38 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
( ) ( ) ( )y z z x x yi I z yI j I x zI k I y xI
IR
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) 2
y z z x x y
x y z x y z x y
z x y z
x x y y z z
i j k
rot
x y z
I z yI I x zI I y xI
i I y xI I x zI j I z yI I y xI
y z z x
k I x zI I z yI
x y
i I I j I I k I I I
Bài 4: Tính grad ar
với onsta c
Giải
x y za a i a j a k
r xi y j zk
, ,x y ya a a là các hằng số
x y zgrad ar i j k a x a y a zx y z
Vì
, , 0
, , 0
, , 0
x x x
y y y
z z z
a a a
x y z
a a a
x y z
a a a
x y z
nên x y zgrad ar a i a j a k a
Bài 5: Tính 3
PRgrad
R
trong đó P
là véctơ không đổi, R
là bán kính véctơ
33 2 2 2 2
3 3 33 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2
|
( )
( ) ( ) ( )
x y z
x y z x y z x y z
PR xP yP zP
R x y z
xP yP zP xP yP zP xP yP zPPRgrad i j k
R x y zx y z x y z x y z
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
39 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Ta có:
'3 3' 2 2 2 2 2 22 2
32 2 2 2
3 5 3 52 2 2 2 2 22 2
( ) ( )
( )
33 ,
( ) ( )
x y z
x y z x y zx x
x y zx x
xP yP zP
xP yP zP x y z xP yP zP x y z
x x y z
xP yP zPP P xx R P
R Rx y z x y z
Tương tự ta có:
3 3 52 2 2 2
3 3 52 2 2 2
3 ,
( )
3 ,
( )
x y z y
x y z z
xP yP zP P y R P
y R Rx y z
xP yP zP P z R P
z R Rx y z
Vậy
3 3 5
3 5
31
3
x y z
PRPRgrad P i P y P z xi y j zk
R R R
PR RP
R R
Bài 6: Dùng tọa độ Đề các. Tính
/a grad r /b div r a r r
Giải
a/
r r r r r rr r rgrad r i j k i j k
x y z r x r y r z
'
r rgradr r
r r
b/ dive r r r r r r r r r r r r
' '. 3 3
rr
r r r r r
r
c/ a r r r a r r a r r agrad r r a r
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
40 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
' 'r r r
r a r r a r ar
r r
x y z x y zr a r r a a a xi y j zk r a i a j a k a rx y z
' r
a r r r ar a r
r
Bài 7: Chứng minh rằng
a/ AB rotC B A C A B C
b/ A B Arot B A B AdivB
c/ A B AdivB ArotB Brot A A B
Giải
a/ AB rotC B A C A B C
Ta có:
B A C A B C C B A C A B C B A A B C AB
AB C AB C AB rotC
b/ A B Arot B A B AdivB
Arot B A B B A B A B A A B A B
A B ArotB A B
Mà:
A B A B A B A B A B A B
ArotB A B AdivB
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
41 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
c/ A B AdivB ArotB Brot A A B
Ta có:
A B A B A B A B A B A B A B
Mà:
Brot A B A B A A B A B A B A B B A
A B Brot A B A
Arot B A B A B
A B B A Brot A B A A B ArotB A B
A B B A Brot A B A A
( ) .B A rotB A B
AdivB ArotB Brot A A B
Bài 8: Cho trường vô hướng
u=ax2 + by2 –dxy trong đó a>0, b>0, d>0
1/ Tìm độ lớn của gradien của trường vô hướng u tại điểm M (2, 1).
2/ Xét xem tại những điểm nào gradu = 0 và tại những điểm nào nó vuông góc
với trục Oy.
Giải
1/ Ta có
/
2 2
2 2
4 2 2
4 2 2
M
M
u ugradu i j ax dy i by dx j
x y
gradu a d i b d j
gradu a d b d
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
42 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
2/
a. Xét hệ 2 0
2 0
ax dy
dx by
Gradu = 0 tại điểm (0, 0) nếu d2 ≠ 4ab và gradu=0 trên đường ay x
b
nếu
d2=4ab
b. Gradu vuông góc với trục Oy tại các điểm trên đường 2by-dx=0
2
dxy
b
Bài 9: Cho u=x2 +y2 + z2 tính divgradu trong tọa độ cầu.
Giải
Trong hệ tọa độ cầu:
2
2
2 2
2 2 2 2
2
2
1 1sin sin
sin sin
0 ; 2
1 sin 2 . 6
sin
u u udivgradu u r
r r r
u x y z r
u u u r
r
u r r
r r
Bài10: Cho hệ tọa độ cong
2 2
1 2 32 ; ;4 2
y x yq q q z
x
Khảo sát sự trực giao của hệ tọa độ cong này.
Giải
Xét cặp tọa độ q1, q2
1 2 1 2 1 2 3 2
2 1 0
2
q q q q q q y x y
x x y y z z x x
Vậy q1vuông góc với q2.
Xét cặp tọa độ q1, q3
3 3 31 1 1 3 2
2 1.0 .0 0.1 0q q qq q q y
x x y y z z x x
Vậy các tọa độ q1, q3 vuông góc với nhau.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
43 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
Xét cặp tọa độ q2,q3
3 3 32 2 2 0q q qq q q
x x y y z z
Vậy tọa độ cong trực giao nhau.
Bài 11: Chứng minh các hệ thức sau đây:
a/. grad grad grad
b/. div A div A Agrad
c/. rot A rot A A grad
d/. div A B Brot A Arot B
e/. rot A B AdivB BdivA B A A B
f/. grad A B A rotB B rot A B A A B
Giải
a/. grad grad grad
grad
grad grad
b/. div A div A Agrad
div A A A A
A A Agrad div A
c/. rot A rot A A grad
.
rot A A A A
A A rot A A grad
d/. div A B Brot A Arot B
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
44 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
div A B A B A B B A B A
B A A B Brot A Arot B
e/. rot A B AdivB BdivA B A A B
rot AB AB A B A B A B B A A B B A
B A Bdiv A AdivB A B
f/. grad A B A rotB B rot A B A A B
grad AB A B A B
Ta có
ArotB A B A B A B
Nên
A B Arot B A B
A B Brot A B A
grad AB ArotB Brot A A B B A
Bài 12: Tính 3
1 R Rgrad div div
R R R
1 2
3
1
1 1 1
3 1 2
Rgrad gradR R gradR
R R
R Rdu R R R
R R R R R
R R R
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
45 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
3 3 3 3 3 3
3 4
3 3
3 5
1 1 1
1 3 3
3 3 0
R R Rdiv R R R
R R R R R R
R RgradR RR gradR
R R
RR
R R
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
46 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
PHẦN 3: KẾT LUẬN
Đối chiếu với mục đích nghiên cứu, đề tài: “Phép biến đổi Laplace” đã cơ
bản hoàn thành những nhiệm vụ đề ra.
1. Nghiên cứu về phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ Đề các.
2. Nghiên cứu về các phép biến đổi Laplace trong hệ tọa độ cong. Đặc biệt
là hai hệ tọa độ cong thường gặp là hệ tọa độ trụ và hệ tọa độ cầu.
3. Đặc biệt từ việc nghiên cứu các phép biến đổi Laplace, đề tài đã đưa ra
một số ứng dụng của nó trong vật lý như: điện động lực học, cơ học lượng tử,
điện từ trường…
Mặt khác khi tìm hiểu các phép biến đổi Laplace ta còn nhận thấy điều
quan trọng rằng, nó không chỉ mang tính chất toán học mà nó còn có một ý
nghĩa vật lý sâu sắc, nó thực sự là một công cụ phục vụ đắc lực cho việc
nghiên cứu vật lý.
Tuy nhiên việc nghiên cứu đề tài này mới chỉ mang tính chất toán học. Đề
tài này sẽ được mở rộng cho các phép biến đổi khác và ứng dụng trong vật lý
hiện đại.
Qua thời gian thực hiện đề tài nghiêm túc, khẩn trương tôi đã bước đầu
hiểu và làm quen với công tác nghiên cứu khoa học…Mặc dù đã rất cố gắng
nhưng chắc rằng không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Tôi chân thành
cảm ơn các bạn đọc về mọi ý kiến đóng góp để cuốn luận văn ngày càng hoàn
thiện hơn.
Trong thời gian thực hiện đề tài tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến các thầy cô trong khoa Vật Lý và đặc biệt là cô giáo T.S Phạm Thị Minh
Hạnh đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này.
Khóa luận tốt nghiệp Nguyễn Thị Liên – K31b – Vật Lý
47 GVHD: T.S Phạm Thị Minh Hạnh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đỗ Đình Thanh (2002), Phương pháp toán lý, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà
Nội.
2. Nguyễn Văn Hùng, Lê Văn Trực (2004), Phương pháp toán cho Vật lý,
Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội.
3. Nguyễn Hữu Mình (1998), Cơ học lý thuyết, Nxb Đại học Quốc gia, Hà
Nội.
4. Nguyễn Hữu Mình, Đỗ Khắc Hưởng, Nguyễn Khắc Nhạp, Đỗ Đình Thanh,
Lê Trọng Tường (1983), Bài tập vật lý lý thuyết, Nxb Giaó dục, Hà Nội.
5. Nguyễn Phúc Thuần (1998), Điện động lực học, Nxb Đại học Quốc gia, Hà
Nội.
6. Đào Văn Phúc (1976), Điện động lực học, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
7. Nguyễn Khắc Nhạp, Nguyễn Hữu Mình (1978), Giáo trình cơ học lý thuyết,
Nxb Đại học Sư phạm, Hà Nội.
8. Nguyễn Trọng Chuyên, Nguyễn Văn Đạo, Ngô Văn Thảo, Nguyễn Thế
Tiến (1976), Cơ học lý thuyết, Nxb ĐH và THCN, Hà Nội.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Khóa luận tốt nghiệp Phép biến đổi Laplace.pdf