第一章矢量分析重点和难点关于矢量的定义、运算规则等内容可让读者自学。

应着重讲解梯度、散度、旋度的物理概念和数学表示，以及格林定理和亥姆霍兹定理。

至于正交曲面坐标系一节可以略去。

考虑到高年级同学已学过物理学，讲解梯度、散度和旋度时，应结合电学中的电位、积分形式的高斯定律以及积分形式的安培环路定律等内容，阐述梯度、散度和旋度的物理概念。

详细的数学推演可以从简，仅给出直角坐标系中的表达式即可。

讲解无散场和无旋场时，也应以电学中介绍的静电场和恒定磁场的基本特性为例。

至于格林定理，证明可免，仅给出公式即可，但应介绍格林定理的用途。

前已指出，该教材的特色之一是以亥姆霍兹定理为依据逐一介绍电磁场，因此该定理应着重介绍。

但是由于证明过程较繁，还要涉及? 函数，如果学时有限可以略去。

由于亥姆霍兹定理严格地定量描述了自由空间中矢量场与其散度和旋度之间的关系，因此应该着重说明散度和旋度是产生矢量场的源，而且也是惟一的两个源。

所以，散度和旋度是研究矢量场的首要问题。

此外，还应强调自由空间可以存在无散场或无旋场，但是不可能存在既无散又无旋的矢量场。

这种既无散又无旋的矢量场只能存在于局部的无源区中。

重要公式 直角坐标系中的矢量表示：z z y y x x A A A e e e A ++= 矢量的标积：代数定义：z z y y x x B A B A B A ++=⋅B A几何定义：θcos ||||B A B A =⋅矢量的矢积：代数定义：zyxz y xz y xB B B A A A e e e B A =⨯几何定义：θsin ||B ||A e B A z =⨯标量场的梯度：zy x z y ∂∂+∂∂+∂∂=∇ΦΦΦΦe e e x矢量场的散度：zA y A x A z y x ∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇A 高斯定理：⎰⎰⋅=⋅∇SVV d d S A A矢量场的旋度：zy xz y A A A z y x ∂∂∂∂∂∂=⨯∇e e e A x ； 斯托克斯定理：⎰⎰⋅=⋅⨯∇lSd d )(l A S A无散场：0)(=⨯∇⋅∇A ； 无旋场：0)(=∇⨯∇Φ格林定理：第一和第二标量格林定理：⎰⎰⋅∇=∇+∇⋅∇SVV 2d )(d )(S ΦψΦψΦψ()⎰⎰⋅∇-∇=∇-∇SVV 22d d )(S ψΦΦψψΦΦψ第一和第二矢量格林定理：()⎰⎰⋅⨯∇⨯=⨯∇⨯∇⋅-⨯∇⋅⨯∇SVV d d ])()[(S Q P Q P Q P⎰⎰⋅⨯∇⨯-⨯∇⨯=⨯∇⨯∇⋅-⨯∇⨯∇⋅SVV d ][ d ]()([S P Q Q P Q P P Q亥姆霍兹定理： )()()(r A r r F ⨯∇+-∇=Φ，式中⎰'''-'⋅∇'=V V d )(41)(r r r F r πΦ V V ''-'⨯∇'=⎰'d )(41)(r r r F r A π三种坐标系中矢量表示式之间的转换关系：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡z y x z r A A A A A A 100cos sin 0sin cos φφφφφ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡z y x r A A A A A A 0cos sin sin sin cos cos cos cos sin sin cos sin φφθφθφθθφθφθφθ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡z r r A A A A A A φφθθθθθ 010sin 0cos cos 0sin题 解第一章 题 解1-1 已知三个矢量分别为z y e e e A x 32-+=；z y e e e B x 23++=；z e e C x -=2。

试求①|| |,| |,|C B A ；②单位矢量c b a e e e , ,；③B A ⋅；④B A ⨯；⑤C B A ⨯⨯)(及B C A ⨯⨯)(；⑥BC A ⋅⨯)(及C B A ⋅⨯)(。

解 ① ()14321222222=-++=++=z y x A A A A14213222222=++=++=z y x B B B B ()5102222222=-++=++=z y x C C C C② ()z y e e e A A A e x a 3214114-+===()z y e e e B B B e x b 2314114++===()z e e C C C e x c -===2515 ③ 1623-=-+=++=⋅z z y y x x B A B A B A B A④ z y zy zyxz y xz y B B B A A A e e e e e e e e e B A x x x5117213321--=-==⨯ ⑤ ()z y z y e e e e e e C B A x x 223111025117+-=---=⨯⨯因z y zy zyxz y xC C C A A A e e e e e e e e e C A x x x x x45212321---=--==⨯ 则()z y z y e e e e e e B C A x x 1386213452+--=---=⨯⨯⑥ ()()()152131532=⨯+⨯-+⨯-=⋅⨯B C A()()()1915027=-⨯-++⨯=⋅⨯C B A 。

1-2 已知0=z 平面内的位置矢量A 与X 轴的夹角为?，位置矢量B 与X 轴的夹角为?，试证βαβαβαsin sin cos cos )cos(+=-证明 由于两矢量位于0=z 平面内，因此均为二维矢量，它们可以分别表示为ααsin cos A A y e e A x += ββsin cos B B y e e B x +=已知()βα-=⋅cos B A B A ，求得()BA B A B A βαβαβαsin sin cos cos cos +=-即βαβαβαsin sin cos cos )cos(+=-1-3 已知空间三角形的顶点坐标为)2 ,1 ,0(1-P ，)3 ,1 ,4(2-P 及)5 ,2 ,6(3P 。

试问：①该三角形是否是直角三角形；②该三角形的面积是多少？解 由题意知，三角形三个顶点的位置矢量分别为z y e e P 21-=； z y x e e e P 342-+=；z y x e e e P 5263++=那么，由顶点P 1指向P 2的边矢量为z e e P P x -=-412同理，由顶点P 2指向P 3的边矢量由顶点P 3指向P 1的边矢量分别为z y e e e P P x 8223++=-z y e e e P P x 7631---=-因两个边矢量0)()(2312=-⋅-P P P P ，意味该两个边矢量相互垂直，所以该三角形是直角三角形。

因17142212=+=-P P 6981222223=++=-P P ，所以三角形的面积为11735.0212312=--=P P P P S1-4 已知矢量x y y e e A x +=，两点P 1及P 2的坐标位置分别为)1 ,1 ,2(1-P 及)1 ,2 ,8(2-P 。

若取P 1及P 2之间的抛物线22y x =或直线21P P 为积分路径，试求线积分⎰⋅12d p p l A 。

解 ①积分路线为抛物线。

已知抛物线方程为22y x =, y y x d 4d =，则()()142d 6d 2d 4d d d 12322212121212-===+=+=⋅⎰⎰⎰⎰y y y y y y y y x x y P P P P P P P P l A ②积分路线为直线。

因1P ,2P 两点位于1-=z 平面内，过1P ,2P 两点的直线方程为()228121---=-x y ，即46+=x y ，y x d 6d =，则()()14412d 46d 6d 1221212-=-=-+=⋅⎰⎰yy y y y y P P P P l A 。

1-5 设标量32yz xy +=Φ，矢量z y e e e A x -+=22，试求标量函数?在点)1 ,1 ,2(-处沿矢量A 的方向上的方向导数。

解 已知梯度2223)2(yz z xy y zy x z y x z y xe e e e e e +++=∂∂+∂∂+∂∂=∇ΦΦΦΦ 那么，在点)1 ,1 ,2(-处 的梯度为 z y x e e e 33--=∇Φ因此，标量函数?在点)1 ,1 ,2(-处沿矢量A 的方向上的方向导数为 ()()13622233-=+-=-+⋅--=⋅∇z y x z y x e e e e e e A Φ1-6 试证式（1-5-11），式（1-5-12）及式（1-5-13）。

证明 式（1-5-11）为()ΦψψΦΦψ∇+∇=∇，该式左边为()()()()ΦψΦψΦψΦψzy x z y ∂∂+∂∂+∂∂=∇e e e x⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=z z y y x xz y ψΦΦψψΦΦψψΦΦψe e e x ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+∂∂=z y x z y x z y z y ψψψΦΦΦΦψe e e e e e x x ΦψψΦ∇+∇= 即，()ΦψψΦΦψ∇+∇=∇。

根据上述复合函数求导法则同样可证式（1-5-12）和式（1-5-13）。

1-7 已知标量函数z e y x -⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=3sin 2sin ππΦ，试求该标量函数? 在点P (1,2,3)处的最大变化率及其方向。

解 标量函数在某点的最大变化率即是函数在该点的梯度值。

已知标量函数的梯度为zy x z y ∂∂+∂∂+∂∂=∇ΦΦΦΦe e e x那么z y z e y x e y x --⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=∇3cos2sin33sin 2cos 2ππππππΦe e xz z e y x -⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-3sin2sinππe 将点P (1,2,3) 的坐标代入，得()33236----=∇e e zyP e e πΦ。

那么，在P 点的最大变化率为 2762362333+=--=∇---ππΦe e ezyPe e P 点最大变化率方向的方向余弦为0cos =α；27cos 2+-=ππβ； 2727cos 2+-=πγ1-8 若标量函数为z y x xy z y x 62332222--++++=Φ试求在)1 ,2 ,1(-P 点处的梯度。