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Esercizi sui Campi Vettoriali
Concetti Chiave
Un campo vettoriale è una funzione che associa a ogni punto dello spazio un vettore. I campi vettoriali sono utilizzati per descrivere fenomeni fisici come il campo elettrico, il campo magnetico e il campo di velocità di un fluido.
Definizione
Un campo vettoriale \mathbf{F}F in uno spazio tridimensionale può essere rappresentato come:
\mathbf{F}(x, y, z) = (F_x(x, y, z), F_y(x, y, z), F_z(x, y, z))
F(x,y,z)=(Fx​(x,y,z),Fy​(x,y,z),Fz​(x,y,z))
dove F_x, F_y, F_zFx​,Fy​,Fz​ sono le componenti del campo vettoriale.
Tipi di Campi Vettoriali
-
Campi Vettoriali Conservativi: Un campo è conservativo se il lavoro fatto lungo un percorso chiuso è zero. Un campo conservativo può essere espresso come il gradiente di una funzione scalare \phiϕ:
\mathbf{F} = -\nabla \phi
F=−∇ϕ
-
Campi Vettoriali Irrotazionali: Un campo è irrotazionale se il suo rotore è zero:
\nabla \times \mathbf{F} = 0
∇×F=0
-
Campi Vettoriali Divergenti: La divergenza di un campo vettoriale misura la tendenza del campo a "divergere" da un punto. È definita come:
\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial F_x}{\partial x} + \frac{\partial F_y}{\partial y} + \frac{\partial F_z}{\partial z}
∇⋅F=∂x∂Fx​​+∂y∂Fy​​+∂z∂Fz​​
Esercizi
Esercizio 1: Calcolo della Divergenza
Calcola la divergenza del campo vettoriale \mathbf{F} = (2x, 3y^2, z^3)F=(2x,3y2,z3).
Soluzione:
Utilizziamo la formula per la divergenza:
\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial F_x}{\partial x} + \frac{\partial F_y}{\partial y} + \frac{\partial F_z}{\partial z}
∇⋅F=∂x∂Fx​​+∂y∂Fy​​+∂z∂Fz​​
Calcoliamo ciascun termine:
- \frac{\partial F_x}{\partial x} = \frac{\partial (2x)}{\partial x} = 2∂x∂Fx​​=∂x∂(2x)​=2
- \frac{\partial F_y}{\partial y} = \frac{\partial (3y^2)}{\partial y} = 6y∂y∂Fy​​=∂y∂(3y2)​=6y
- \frac{\partial F_z}{\partial z} = \frac{\partial (z^3)}{\partial z} = 3z^2∂z∂Fz​​=∂z∂(z3)​=3z2
Quindi, la divergenza è:
\nabla \cdot \mathbf{F} = 2 + 6y + 3z^2
∇⋅F=2+6y+3z2
Esercizio 2: Verifica se un Campo è Conservativo
Verifica se il campo vettoriale \mathbf{F} = (y^2, 2xy, 0)F=(y2,2xy,0) è conservativo.
Soluzione:
Per verificare se un campo è conservativo, calcoliamo il rotore:
\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z}, \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x}, \frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} \right)
∇×F=(∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​,∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​,∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​)
Calcoliamo ciascun componente:
-
Primo componente:
\frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} = 0 - 0 = 0
∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​=0−0=0
-
Secondo componente:
\frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} = 0 - 0 = 0
∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​=0−0=0
-
Terzo componente:
\frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} = 2y - 2y = 0
∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​=2y−2y=0
Poiché il rotore è zero:
\nabla \times \mathbf{F} = (0, 0, 0)
∇×F=(0,0,0)
Il campo vettoriale \mathbf{F} = (y^2, 2xy, 0)F=(y2,2xy,0) è quindi conservativo.
Esercizio 3: Calcolo del Rotore
Calcola il rotore del campo vettoriale \mathbf{F} = (z, x, y)F=(z,x,y).
Soluzione:
Utilizziamo la formula per il rotore:
\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z}, \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x}, \frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} \right)
∇×F=(∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​,∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​,∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​)
Calcoliamo ciascun componente:
-
Primo componente:
\frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} = \frac{\partial z}{\partial y} - \frac{\partial x}{\partial z} = 0 - 0 = 0
∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​=∂y∂z​−∂z∂x​=0−0=0
-
Secondo componente:
\frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial z} - \frac{\partial y}{\partial x} = 1 - 0 = 1
∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​=∂z∂z​−∂x∂y​=1−0=1
-
Terzo componente:
\frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} = \frac{\partial x}{\partial x} - \frac{\partial z}{\partial y} = 1 - 0 = 1
∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​=∂x∂x​−∂y∂z​=1−0=1
Quindi, il rotore del campo vettoriale è:
\nabla \times \mathbf{F} = (0, 1, 1)
∇×F=(0,1,1)
English version
Vector Field Exercises
Key Concepts
A vector field is a function that associates a vector to each point in space. Vector fields are used to describe physical phenomena such as the electric field, the magnetic field, and the velocity field of a fluid.
Definition
A vector field \mathbf{F}F in a three-dimensional space can be represented as:
\mathbf{F}(x, y, z) = (F_x(x, y, z), F_y(x, y, z), F_z(x, y, z))
F(x,y,z)=(Fx​(x,y,z),Fy​(x,y,z),Fz​(x,y,z))
where F_x, F_y, F_zFx​,Fy​,Fz​ are the components of the vector field.
Types of Vector Fields
-
Conservative Vector Fields: A field is conservative if the work done along a closed path is zero. A conservative field can be expressed as the gradient of a scalar function \phiϕ:
\mathbf{F} = -\nabla \phi
F=−∇ϕ
-
Irrotational Vector Fields: A field is irrotational if its curl is zero:
\nabla \times \mathbf{F} = 0
∇×F=0
-
Divergent Vector Fields:
The divergence of a vector field measures the tendency of the field to "diverge" from a point. It is defined as: \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial F_x}{\partial x} + \frac{\partial F_y}{\partial y} + \frac{\partial F_z}{\partial z}∇⋅F=∂x∂Fx​​+∂y∂Fy​​+∂z∂Fz​​
Exercises
Exercise 1:
Calculation of Divergence Calculate the divergence of the vector field \mathbf{F} = (2x, 3y^2, z^3)F=(2x,3y2,z3).
Solution:
We use the divergence formula: \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial F_x}{\partial x} + \frac{\partial F_y}{\partial y} + \frac{\partial F_z}{\partial z}∇⋅F=∂x∂Fx​​+∂y∂Fy​​+∂z∂Fz​​
We calculate each term:
- \frac{\partial F_x}{\partial x} = \frac{\partial (2x) }{\partial x} = 2∂x∂Fx​​=∂x∂(2x)​=2
- \frac{\partial F_y}{\partial y} = \frac{\partial (3y^2)}{\partial y} = 6y∂y∂Fy​​=∂y∂(3y2)​=6y
- \frac{\partial F_z}{\partial z} = \frac{\partial (z^3)}{\partial z} = 3z^2∂z∂Fz​​=∂z∂(z3)​=3z2
So, the divergence is:
\nabla \cdot \mathbf{F} = 2 + 6y + 3z^2
∇⋅F=2+6y+3z2
Exercise 2: Check if a Field is Conservative
Check if the vector field \mathbf{F} = (y^2, 2xy, 0)F=(y2,2xy,0) is conservative.
Solution:
To check whether a field is conservative, we calculate the rotor:
\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z}, \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x}, \frac{\partial F_y}{\partial x } - \frac{\partial F_x}{\partial y} \right)∇×F=(∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​,∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​,∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​)
Let's calculate each component:
- First component: \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} = 0 - 0 = 0∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​=0−0=0
- Second component:
\frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} = 0 - 0 = 0∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​=0−0=0
- Third component:
\frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} = 2y - 2y = 0∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​=2y−2y=0
Since the rotor is zero: \nabla \times \mathbf{F} = (0, 0, 0)∇×F=(0,0,0) The vector field \mathbf{F} = (y^2, 2xy, 0)F=(y2,2xy,0) is therefore conservative.
Exercise 3: Calculating the Rotor Calculate the rotor of the vector field \mathbf{F} = (z, x, y)F=(z,x,y).
Solution:
We use the formula for the rotor:
\nabla \times \mathbf{F} = \left( \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z}, \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x}, \frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} \right)
∇×F=(∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​,∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​,∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​)
Let's calculate each component:
- First component:
\frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} = \frac{\partial z}{\partial y} - \frac{\partial x}{\partial z} = 0 - 0 = 0∂y∂Fz​​−∂z∂Fy​​=∂y∂z​−∂z∂x​=0−0=0
- Second component:
\frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial z} - \frac{\partial y}{\partial x} = 1 - 0 = 1∂z∂Fx​​−∂x∂Fz​​=∂z∂z​−∂x∂y​=1−0=1
- Third component:
\frac{\partial F_y}{ \partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} = \frac{\partial x}{\partial x} - \frac{\partial z}{\partial y} = 1 - 0 = 1∂x∂Fy​​−∂y∂Fx​​=∂x∂x​−∂y∂z​=1−0=1
So, the rotor of the vector field is: \nabla \times \mathbf{F} = (0, 1, 1)∇×F=(0,1,1)
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