诚然,第一次看到这个定理时似乎有点令人生畏,但它背后的直觉其实很简单,它与微积分基本定理类似。我们知道,一个向量场在某一点的散度是衡量该向量场在该点 的发散程度。
- 具有正发散性的矢量场的图示
因此,上述定理左边的三重积分,将向量场分散在整个体积V上的所有趋势(散度)加起来,也就是曲面S所包围的体积V。
上述曲面积分中的点积在右手边只 "用 "了矢量场的法向分量,即相对于封闭曲面的法向分量。在此基础上,右手边的表面积分计算出S表面上矢量场的总向外通量。
上述两个量,即边界处的外向通量和体积内所有点的发散量之和,之所以相等,其直觉和我们理解微积分基本定理的直觉一样。当上述所有散度加起来时,由于相反的散度,在体积的中间会有很多抵消,向量场中唯一“幸存”的部分是不能被抵消的部分,即沿表面边界的法线部分,这是向外通量的另一个说法。
在理解这些定理时,应该牢记以下的一般概念:
一个导数(可以是标准导数,也可以是散度或旋度)在一个区域上的积分等于该区域边界处的函数值。
我们将用这个思想来直观地理解斯托克斯定理。
斯托克斯定理斯托克斯定理说,一个三维表面上的矢量场的总旋度等于该表面边界上的场的环流。我们这样写:
让我们用一些更简单的词来描述斯托克斯定理。就像高斯定理关注的是一个矢量场的散度,斯托克斯定理关注的是一个矢量场的旋度。
矢量场的旋度是衡量矢量场围绕有关点的卷曲程度。