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thejinchao.github.io/blog/2025/02/SPH001.html
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<title>SPH算法简介(一): 数学基础 | 我的博客和笔记</title><meta name="description" content="理性派,数学,物理,程序">
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href="/blog/2025/02/Fibonacci.html" aria-label="斐波那契数列和1/89"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->斐波那契数列和1/89<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><!--]--></ul></li><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item vp-sidebar-heading collapsible">开源项目 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><a class="auto-link external-link vp-sidebar-item" href="https://github.com/thejinchao/turbolink" aria-label="TurboLink" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->TurboLink<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><!--]--></ul></li><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item vp-sidebar-heading collapsible">学习笔记 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item collapsible">数学相关 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><a class="route-link auto-link 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arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item collapsible">数学基础 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/math/math_01.html" aria-label="矢量"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->矢量<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/math/math_02.html" aria-label="矩阵"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->矩阵<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/math/math_03.html" aria-label="立体角"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->立体角<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/math/transform_01.html" 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href="/note/graphics/illumination_model/luminosity/luminosity.html" aria-label="光度学"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->光度学<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/illumination_model/BRDF/BRDF.html" aria-label="双向反射分布函数(BRDF)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->双向反射分布函数(BRDF)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/illumination_model/microfacets/microfacets_1.html" aria-label="微平面理论(一)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->微平面理论(一)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/illumination_model/microfacets/microfacets_2.html" aria-label="微平面理论(二)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->微平面理论(二)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/illumination_model/microfacets/microfacets_3.html" aria-label="微平面理论(三)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->微平面理论(三)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/illumination_model/render_function/render_function_1.html" aria-label="光照方程"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->光照方程<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><!--]--></ul></li><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item collapsible">环境光渲染 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/image_based_lighting/ibl_01.html" aria-label="环境光渲染(一)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->环境光渲染(一)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/graphics/image_based_lighting/ibl_02.html" aria-label="环境光渲染(二)"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->环境光渲染(二)<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><!--]--></ul></li><!--]--></ul></li><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item collapsible">编程语言 <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><p tabindex="0" class="vp-sidebar-item collapsible">JavaScript <span class="right arrow"></span></p><ul style="display:none;" class="vp-sidebar-children"><!--[--><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/language/javascript/helloworld.html" aria-label="环境搭建"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->环境搭建<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/language/javascript/grammar.html" aria-label="基本语法"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->基本语法<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/language/javascript/function.html" aria-label="函数"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->函数<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><li><a class="route-link auto-link vp-sidebar-item" href="/note/language/javascript/object_and_class.html" aria-label="对象和类"><!--[--><!--[--><!--]--><!--]-->对象和类<!--[--><!--[--><!--]--><!--]--></a><!----></li><!--]--></ul></li><!--]--></ul></li><!--]--></ul></li><!--]--></ul><!--[--><!--]--></aside><!--]--><!--[--><main class="vp-page"><!--[--><!--]--><div vp-content><!--[--><!--]--><div><h1 id="sph算法简介-一-数学基础" tabindex="-1"><a class="header-anchor" href="#sph算法简介-一-数学基础"><span>SPH算法简介(一): 数学基础</span></a></h1><p>SPH(<a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Smoothed_Particle_Hydrodynamics" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Smoothed Particle Hydrodynamics</a>)算法是一种流体模拟算法,他的特点是简单快速,可以用在例如游戏这样的实时的交互软件中。SPH算法虽然简单,但要完全搞明白其中的原理和实现方法,也不是易事,写这个系列希望能全面介绍一下相关的内容,如果你搜索到这里,可以仔细看一下这个系列,希望能帮到你。<br> 烟雾、海浪、水滴…,这些司空见怪的自然现象其实有着非常复杂的数学规律,对于流体的研究,有两种完全不同的视角,分别是欧拉视角和拉格朗日视角。欧拉视角的坐标系是固定的,如同站在河边观察河水的流动一样,用这种视角分析流体需要建立网格单元,还会涉及到有限元等复杂的工程方法,一般用在离线的应用中。而拉格朗日视角则将流体视为流动的单元,例如将一片羽毛放入风中,那么羽毛的轨迹可以帮我们指示空气的流动规律。</p><figure><img src="/images/2014/08/sph_1.gif" alt="" tabindex="0" loading="lazy"><figcaption>欧拉视角 和 拉格朗日视角</figcaption></figure><p>SPH算法是典型的拉格朗日视角,它的基本原理就是通过粒子模拟流体的运动规律,然后再转换成网格进行流体渲染。</p><table class="invisibletable" align="center"><tbody><tr valign="center"><td width="30%"><img src="/images/2014/08/sph_2.jpg"></td><td> -&gt; </td><td width="30%"><img src="/images/2014/08/sph_3.jpg"></td><td> -&gt;</td><td width="30%"><img src="/images/2014/08/sph_4.jpg"></td></tr></tbody></table><hr><p>在正式开始之前,需要把SPH算法涉及到的相关数学概念介绍一下,这些概念基本上都是大学数学中的内容,所以不用紧张,翻翻书就能想起来。</p><h4 id="标量场和矢量场" tabindex="-1"><a class="header-anchor" href="#标量场和矢量场"><span><strong>标量场和矢量场</strong></span></a></h4><p>如果空间区域内一点<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="2.378ex" height="1.545ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -683 1051 683" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D440" d="M289 629Q289 635 232 637Q208 637 201 638T194 648Q194 649 196 659Q197 662 198 666T199 671T201 676T203 679T207 681T212 683T220 683T232 684Q238 684 262 684T307 683Q386 683 398 683T414 678Q415 674 451 396L487 117L510 154Q534 190 574 254T662 394Q837 673 839 675Q840 676 842 678T846 681L852 683H948Q965 683 988 683T1017 684Q1051 684 1051 673Q1051 668 1048 656T1045 643Q1041 637 1008 637Q968 636 957 634T939 623Q936 618 867 340T797 59Q797 55 798 54T805 50T822 48T855 46H886Q892 37 892 35Q892 19 885 5Q880 0 869 0Q864 0 828 1T736 2Q675 2 644 2T609 1Q592 1 592 11Q592 13 594 25Q598 41 602 43T625 46Q652 46 685 49Q699 52 704 61Q706 65 742 207T813 490T848 631L654 322Q458 10 453 5Q451 4 449 3Q444 0 433 0Q418 0 415 7Q413 11 374 317L335 624L267 354Q200 88 200 79Q206 46 272 46H282Q288 41 289 37T286 19Q282 3 278 1Q274 0 267 0Q265 0 255 0T221 1T157 2Q127 2 95 1T58 0Q43 0 39 2T35 11Q35 13 38 25T43 40Q45 46 65 46Q135 46 154 86Q158 92 223 354T289 629Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>M</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>,都有一个确定的数量<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.464ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="2.978ex" height="2.059ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -705 1316.2 910" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="msub"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D453" d="M118 -162Q120 -162 124 -164T135 -167T147 -168Q160 -168 171 -155T187 -126Q197 -99 221 27T267 267T289 382V385H242Q195 385 192 387Q188 390 188 397L195 425Q197 430 203 430T250 431Q298 431 298 432Q298 434 307 482T319 540Q356 705 465 705Q502 703 526 683T550 630Q550 594 529 578T487 561Q443 561 443 603Q443 622 454 636T478 657L487 662Q471 668 457 668Q445 668 434 658T419 630Q412 601 403 552T387 469T380 433Q380 431 435 431Q480 431 487 430T498 424Q499 420 496 407T491 391Q489 386 482 386T428 385H372L349 263Q301 15 282 -47Q255 -132 212 -173Q175 -205 139 -205Q107 -205 81 -186T55 -132Q55 -95 76 -78T118 -61Q162 -61 162 -103Q162 -122 151 -136T127 -157L118 -162Z"></path></g><g data-mml-node="mi" transform="translate(523,-150) scale(0.707)"><path data-c="1D440" d="M289 629Q289 635 232 637Q208 637 201 638T194 648Q194 649 196 659Q197 662 198 666T199 671T201 676T203 679T207 681T212 683T220 683T232 684Q238 684 262 684T307 683Q386 683 398 683T414 678Q415 674 451 396L487 117L510 154Q534 190 574 254T662 394Q837 673 839 675Q840 676 842 678T846 681L852 683H948Q965 683 988 683T1017 684Q1051 684 1051 673Q1051 668 1048 656T1045 643Q1041 637 1008 637Q968 636 957 634T939 623Q936 618 867 340T797 59Q797 55 798 54T805 50T822 48T855 46H886Q892 37 892 35Q892 19 885 5Q880 0 869 0Q864 0 828 1T736 2Q675 2 644 2T609 1Q592 1 592 11Q592 13 594 25Q598 41 602 43T625 46Q652 46 685 49Q699 52 704 61Q706 65 742 207T813 490T848 631L654 322Q458 10 453 5Q451 4 449 3Q444 0 433 0Q418 0 415 7Q413 11 374 317L335 624L267 354Q200 88 200 79Q206 46 272 46H282Q288 41 289 37T286 19Q282 3 278 1Q274 0 267 0Q265 0 255 0T221 1T157 2Q127 2 95 1T58 0Q43 0 39 2T35 11Q35 13 38 25T43 40Q45 46 65 46Q135 46 154 86Q158 92 223 354T289 629Z"></path></g></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><msub><mi>f</mi><mi>M</mi></msub></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>,则称这个空间区域内确定了一个标量场,如果空间区域内任意一点<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="2.378ex" height="1.545ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -683 1051 683" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D440" d="M289 629Q289 635 232 637Q208 637 201 638T194 648Q194 649 196 659Q197 662 198 666T199 671T201 676T203 679T207 681T212 683T220 683T232 684Q238 684 262 684T307 683Q386 683 398 683T414 678Q415 674 451 396L487 117L510 154Q534 190 574 254T662 394Q837 673 839 675Q840 676 842 678T846 681L852 683H948Q965 683 988 683T1017 684Q1051 684 1051 673Q1051 668 1048 656T1045 643Q1041 637 1008 637Q968 636 957 634T939 623Q936 618 867 340T797 59Q797 55 798 54T805 50T822 48T855 46H886Q892 37 892 35Q892 19 885 5Q880 0 869 0Q864 0 828 1T736 2Q675 2 644 2T609 1Q592 1 592 11Q592 13 594 25Q598 41 602 43T625 46Q652 46 685 49Q699 52 704 61Q706 65 742 207T813 490T848 631L654 322Q458 10 453 5Q451 4 449 3Q444 0 433 0Q418 0 415 7Q413 11 374 317L335 624L267 354Q200 88 200 79Q206 46 272 46H282Q288 41 289 37T286 19Q282 3 278 1Q274 0 267 0Q265 0 255 0T221 1T157 2Q127 2 95 1T58 0Q43 0 39 2T35 11Q35 13 38 25T43 40Q45 46 65 46Q135 46 154 86Q158 92 223 354T289 629Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>M</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>,都有一个确定的向量<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.339ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="3.324ex" height="2.79ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -1083 1469.2 1233" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="TeXAtom" data-mjx-texclass="ORD"><g data-mml-node="mover"><g data-mml-node="msub"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D439" d="M48 1Q31 1 31 11Q31 13 34 25Q38 41 42 43T65 46Q92 46 125 49Q139 52 144 61Q146 66 215 342T285 622Q285 629 281 629Q273 632 228 634H197Q191 640 191 642T193 659Q197 676 203 680H742Q749 676 749 669Q749 664 736 557T722 447Q720 440 702 440H690Q683 445 683 453Q683 454 686 477T689 530Q689 560 682 579T663 610T626 626T575 633T503 634H480Q398 633 393 631Q388 629 386 623Q385 622 352 492L320 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stretchy="false">→</mo></mover></mrow></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>,则称这空间区域内确定了一个矢量场。例如,液体中的密度,就是标量场,而速度,就是矢量场</p><h4 id="偏导数" tabindex="-1"><a class="header-anchor" href="#偏导数"><span><strong>偏导数</strong></span></a></h4><p>对于多元函数<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.566ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="10.482ex" height="2.262ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -750 4633.2 1000" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D467" d="M347 338Q337 338 294 349T231 360Q211 360 197 356T174 346T162 335T155 324L153 320Q150 317 138 317Q117 317 117 325Q117 330 120 339Q133 378 163 406T229 440Q241 442 246 442Q271 442 291 425T329 392T367 375Q389 375 411 408T434 441Q435 442 449 442H462Q468 436 468 434Q468 430 463 420T449 399T432 377T418 358L411 349Q368 298 275 214T160 106L148 94L163 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height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -683 833 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 416 -33T388 -26Q385 -22 216 326T46 676ZM697 596Q697 597 445 597T193 596Q195 591 319 336T445 80L697 596Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi mathvariant="normal">∇</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>在流体力学中是如此重要,以至于很多地方将这个符号作为流体力学的标志,所以这里要着重介绍一下,所谓“算子”,就是那种不能单独存在,必须和其他符号放在一起的一种数学符号,例如微分中的那个“<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.023ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.176ex" height="1.593ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -694 520 704" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D451" d="M366 683Q367 683 438 688T511 694Q523 694 523 686Q523 679 450 384T375 83T374 68Q374 26 402 26Q411 27 422 35Q443 55 463 131Q469 151 473 152Q475 153 483 153H487H491Q506 153 506 145Q506 140 503 129Q490 79 473 48T445 8T417 -8Q409 -10 393 -10Q359 -10 336 5T306 36L300 51Q299 52 296 50Q294 48 292 46Q233 -10 172 -10Q117 -10 75 30T33 157Q33 205 53 255T101 341Q148 398 195 420T280 442Q336 442 364 400Q369 394 369 396Q370 400 396 505T424 616Q424 629 417 632T378 637H357Q351 643 351 645T353 664Q358 683 366 683ZM352 326Q329 405 277 405Q242 405 210 374T160 293Q131 214 119 129Q119 126 119 118T118 106Q118 61 136 44T179 26Q233 26 290 98L298 109L352 326Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>d</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>”。哈密顿算子的定义如下:</p><mjx-container 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0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi mathvariant="normal">∇</mi><mi>A</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>是一个矢量场,称为<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.697ex" height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -716 750 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D434" d="M208 74Q208 50 254 46Q272 46 272 35Q272 34 270 22Q267 8 264 4T251 0Q249 0 239 0T205 1T141 2Q70 2 50 0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>A</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>的“梯度”,顾名思义,梯度的含义就是标量场<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.697ex" height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -716 750 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D434" d="M208 74Q208 50 254 46Q272 46 272 35Q272 34 270 22Q267 8 264 4T251 0Q249 0 239 0T205 1T141 2Q70 2 50 0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>A</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>在某处变化快慢和方向,比如一个标量场<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.566ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="7.178ex" height="2.262ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -750 3172.7 1000" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D43B" d="M228 637Q194 637 192 641Q191 643 191 649Q191 673 202 682Q204 683 219 683Q260 681 355 681Q389 681 418 681T463 682T483 682Q499 682 499 672Q499 670 497 658Q492 641 487 638H485Q483 638 480 638T473 638T464 637T455 637Q416 636 405 634T387 623Q384 619 355 500Q348 474 340 442T328 395L324 380Q324 378 469 378H614L615 381Q615 384 646 504Q674 619 674 627T617 637Q594 637 587 639T580 648Q580 650 582 660Q586 677 588 679T604 682Q609 682 646 681T740 680Q802 680 835 681T871 682Q888 682 888 672Q888 645 876 638H874Q872 638 869 638T862 638T853 637T844 637Q805 636 794 634T776 623Q773 618 704 340T634 58Q634 51 638 51Q646 48 692 46H723Q729 38 729 37T726 19Q722 6 716 0H701Q664 2 567 2Q533 2 504 2T458 2T437 1Q420 1 420 10Q420 15 423 24Q428 43 433 45Q437 46 448 46H454Q481 46 514 49Q520 50 522 50T528 55T534 64T540 82T547 110T558 153Q565 181 569 198Q602 330 602 331T457 332H312L279 197Q245 63 245 58Q245 51 253 49T303 46H334Q340 38 340 37T337 19Q333 6 327 0H312Q275 2 178 2Q144 2 115 2T69 2T48 1Q31 1 31 10Q31 12 34 24Q39 43 44 45Q48 46 59 46H65Q92 46 125 49Q139 52 144 61Q147 65 216 339T285 628Q285 635 228 637Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(888,0)"><path data-c="28" d="M94 250Q94 319 104 381T127 488T164 576T202 643T244 695T277 729T302 750H315H319Q333 750 333 741Q333 738 316 720T275 667T226 581T184 443T167 250T184 58T225 -81T274 -167T316 -220T333 -241Q333 -250 318 -250H315H302L274 -226Q180 -141 137 -14T94 250Z"></path></g><g data-mml-node="mi" transform="translate(1277,0)"><path data-c="1D465" d="M52 289Q59 331 106 386T222 442Q257 442 286 424T329 379Q371 442 430 442Q467 442 494 420T522 361Q522 332 508 314T481 292T458 288Q439 288 427 299T415 328Q415 374 465 391Q454 404 425 404Q412 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display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>H</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">)</mo></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>是一座高山在<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.566ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="5.169ex" height="2.262ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -750 2284.7 1000" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mo"><path data-c="28" d="M94 250Q94 319 104 381T127 488T164 576T202 643T244 695T277 729T302 750H315H319Q333 750 333 741Q333 738 316 720T275 667T226 581T184 443T167 250T184 58T225 -81T274 -167T316 -220T333 -241Q333 -250 318 -250H315H302L274 -226Q180 -141 137 -14T94 250Z"></path></g><g data-mml-node="mi" transform="translate(389,0)"><path data-c="1D465" d="M52 289Q59 331 106 386T222 442Q257 442 286 424T329 379Q371 442 430 442Q467 442 494 420T522 361Q522 332 508 314T481 292T458 288Q439 288 427 299T415 328Q415 374 465 391Q454 404 425 404Q412 404 406 402Q368 386 350 336Q290 115 290 78Q290 50 306 38T341 26Q378 26 414 59T463 140Q466 150 469 151T485 153H489Q504 153 504 145Q504 144 502 134Q486 77 440 33T333 -11Q263 -11 227 52Q186 -10 133 -10H127Q78 -10 57 16T35 71Q35 103 54 123T99 143Q142 143 142 101Q142 81 130 66T107 46T94 41L91 40Q91 39 97 36T113 29T132 26Q168 26 194 71Q203 87 217 139T245 247T261 313Q266 340 266 352Q266 380 251 392T217 404Q177 404 142 372T93 290Q91 281 88 280T72 278H58Q52 284 52 289Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(961,0)"><path data-c="2C" d="M78 35T78 60T94 103T137 121Q165 121 187 96T210 8Q210 -27 201 -60T180 -117T154 -158T130 -185T117 -194Q113 -194 104 -185T95 -172Q95 -168 106 -156T131 -126T157 -76T173 -3V9L172 8Q170 7 167 6T161 3T152 1T140 0Q113 0 96 17Z"></path></g><g data-mml-node="mi" transform="translate(1405.7,0)"><path data-c="1D466" d="M21 287Q21 301 36 335T84 406T158 442Q199 442 224 419T250 355Q248 336 247 334Q247 331 231 288T198 191T182 105Q182 62 196 45T238 27Q261 27 281 38T312 61T339 94Q339 95 344 114T358 173T377 247Q415 397 419 404Q432 431 462 431Q475 431 483 424T494 412T496 403Q496 390 447 193T391 -23Q363 -106 294 -155T156 -205Q111 -205 77 -183T43 -117Q43 -95 50 -80T69 -58T89 -48T106 -45Q150 -45 150 -87Q150 -107 138 -122T115 -142T102 -147L99 -148Q101 -153 118 -160T152 -167H160Q177 -167 186 -165Q219 -156 247 -127T290 -65T313 -9T321 21L315 17Q309 13 296 6T270 -6Q250 -11 231 -11Q185 -11 150 11T104 82Q103 89 103 113Q103 170 138 262T173 379Q173 380 173 381Q173 390 173 393T169 400T158 404H154Q131 404 112 385T82 344T65 302T57 280Q55 278 41 278H27Q21 284 21 287Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(1895.7,0)"><path data-c="29" d="M60 749L64 750Q69 750 74 750H86L114 726Q208 641 251 514T294 250Q294 182 284 119T261 12T224 -76T186 -143T145 -194T113 -227T90 -246Q87 -249 86 -250H74Q66 -250 63 -250T58 -247T55 -238Q56 -237 66 -225Q221 -64 221 250T66 725Q56 737 55 738Q55 746 60 749Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">)</mo></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>处的高度,则H的梯度是该高山在某处陡峭的程度,并且方向指向高处。</p><figure><img src="/images/2014/08/sph_8.gif" alt="" tabindex="0" loading="lazy"><figcaption>上面两个图中,标量场是黑白的,黑色表示大的数值,而其相应的梯度用蓝色箭头表示</figcaption></figure><p>而如果把哈密顿算子作用在一个矢量场<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.697ex" height="2.532ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -1119 750 1119" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="TeXAtom" data-mjx-texclass="ORD"><g data-mml-node="mover"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D434" d="M208 74Q208 50 254 46Q272 46 272 35Q272 34 270 22Q267 8 264 4T251 0Q249 0 239 0T205 1T141 2Q70 2 50 0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(514,305) translate(-250 0)"><path data-c="20D7" d="M377 694Q377 702 382 708T397 714Q404 714 409 709Q414 705 419 690Q429 653 460 633Q471 626 471 615Q471 606 468 603T454 594Q411 572 379 531Q377 529 374 525T369 519T364 517T357 516Q350 516 344 521T337 536Q337 555 384 595H213L42 596Q29 605 29 615Q29 622 42 635H401Q377 673 377 694Z"></path></g></g></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow data-mjx-texclass="ORD"><mover><mi>A</mi><mo stretchy="false">→</mo></mover></mrow></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>上,得到的<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.075ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="5.216ex" height="2.606ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -1119 2305.4 1152" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 416 -33T388 -26Q385 -22 216 326T46 676ZM697 596Q697 597 445 597T193 596Q195 591 319 336T445 80L697 596Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(1055.2,0)"><path data-c="22C5" d="M78 250Q78 274 95 292T138 310Q162 310 180 294T199 251Q199 226 182 208T139 190T96 207T78 250Z"></path></g><g data-mml-node="TeXAtom" data-mjx-texclass="ORD" transform="translate(1555.4,0)"><g data-mml-node="mover"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D434" d="M208 74Q208 50 254 46Q272 46 272 35Q272 34 270 22Q267 8 264 4T251 0Q249 0 239 0T205 1T141 2Q70 2 50 0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(514,305) translate(-250 0)"><path data-c="20D7" d="M377 694Q377 702 382 708T397 714Q404 714 409 709Q414 705 419 690Q429 653 460 633Q471 626 471 615Q471 606 468 603T454 594Q411 572 379 531Q377 529 374 525T369 519T364 517T357 516Q350 516 344 521T337 536Q337 555 384 595H213L42 596Q29 605 29 615Q29 622 42 635H401Q377 673 377 694Z"></path></g></g></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi mathvariant="normal">∇</mi><mo>⋅</mo><mrow data-mjx-texclass="ORD"><mover><mi>A</mi><mo stretchy="false">→</mo></mover></mrow></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>称为矢量场<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.697ex" height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -716 750 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="1D434" d="M208 74Q208 50 254 46Q272 46 272 35Q272 34 270 22Q267 8 264 4T251 0Q249 0 239 0T205 1T141 2Q70 2 50 0H42Q35 7 35 11Q37 38 48 46H62Q132 49 164 96Q170 102 345 401T523 704Q530 716 547 716H555H572Q578 707 578 706L606 383Q634 60 636 57Q641 46 701 46Q726 46 726 36Q726 34 723 22Q720 7 718 4T704 0Q701 0 690 0T651 1T578 2Q484 2 455 0H443Q437 6 437 9T439 27Q443 40 445 43L449 46H469Q523 49 533 63L521 213H283L249 155Q208 86 208 74ZM516 260Q516 271 504 416T490 562L463 519Q447 492 400 412L310 260L413 259Q516 259 516 260Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi>A</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>的“散度”,散度的计算和矢量的点积运算相似,得到的是一个标量场。</p><mjx-container class="MathJax" jax="SVG" display="true" width="full" style="min-width:64.233ex;position:relative;"><svg style="vertical-align:-5.159ex;min-width:64.233ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="100%" height="11.45ex" role="img" focusable="false" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(0.0181,-0.0181) translate(0, -2780.5)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mtable" transform="translate(2856,0) translate(-2856,0)"><g 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focusable="false" viewBox="0 -833.9 1269.6 866.9" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="msup"><g data-mml-node="mi"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 416 -33T388 -26Q385 -22 216 326T46 676ZM697 596Q697 597 445 597T193 596Q195 591 319 336T445 80L697 596Z"></path></g><g data-mml-node="mn" transform="translate(866,363) scale(0.707)"><path data-c="32" d="M109 429Q82 429 66 447T50 491Q50 562 103 614T235 666Q326 666 387 610T449 465Q449 422 429 383T381 315T301 241Q265 210 201 149L142 93L218 92Q375 92 385 97Q392 99 409 186V189H449V186Q448 183 436 95T421 3V0H50V19V31Q50 38 56 46T86 81Q115 113 136 137Q145 147 170 174T204 211T233 244T261 278T284 308T305 340T320 369T333 401T340 431T343 464Q343 527 309 573T212 619Q179 619 154 602T119 569T109 550Q109 549 114 549Q132 549 151 535T170 489Q170 464 154 447T109 429Z"></path></g></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><msup><mi mathvariant="normal">∇</mi><mn>2</mn></msup></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>是二阶微分算子,有时也可写作<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:0;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="1.885ex" height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -716 833 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="394" d="M51 0Q46 4 46 7Q46 9 215 357T388 709Q391 716 416 716Q439 716 444 709Q447 705 616 357T786 7Q786 4 781 0H51ZM507 344L384 596L137 92L383 91H630Q630 93 507 344Z"></path></g></g></g></svg><mjx-assistive-mml unselectable="on" display="inline"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mi mathvariant="normal">Δ</mi></math></mjx-assistive-mml></mjx-container>或者<mjx-container class="MathJax" jax="SVG" style="position:relative;"><svg style="vertical-align:-0.075ex;" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" width="5.404ex" height="1.62ex" role="img" focusable="false" viewBox="0 -683 2388.4 716" aria-hidden="true"><g stroke="currentColor" fill="currentColor" stroke-width="0" transform="scale(1,-1)"><g data-mml-node="math"><g data-mml-node="mi"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 416 -33T388 -26Q385 -22 216 326T46 676ZM697 596Q697 597 445 597T193 596Q195 591 319 336T445 80L697 596Z"></path></g><g data-mml-node="mo" transform="translate(1055.2,0)"><path data-c="22C5" d="M78 250Q78 274 95 292T138 310Q162 310 180 294T199 251Q199 226 182 208T139 190T96 207T78 250Z"></path></g><g data-mml-node="mi" transform="translate(1555.4,0)"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 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2434.9"><g transform="matrix(1 0 0 -1 0 0)"><g data-mml-node="mlabeledtr" transform="translate(0,-42.5)"><g data-mml-node="mtd"><g data-mml-node="mstyle"><g data-mml-node="TeXAtom" data-mjx-texclass="ORD"><g data-mml-node="msup"><g data-mml-node="mi"><path data-c="2207" d="M46 676Q46 679 51 683H781Q786 679 786 676Q786 674 617 326T444 -26Q439 -33 416 -33T388 -26Q385 -22 216 326T46 676ZM697 596Q697 597 445 597T193 596Q195 591 319 336T445 80L697 596Z"></path></g><g data-mml-node="mn" transform="translate(866,413) scale(0.707)"><path data-c="32" d="M109 429Q82 429 66 447T50 491Q50 562 103 614T235 666Q326 666 387 610T449 465Q449 422 429 383T381 315T301 241Q265 210 201 149L142 93L218 92Q375 92 385 97Q392 99 409 186V189H449V186Q448 183 436 95T421 3V0H50V19V31Q50 38 56 46T86 81Q115 113 136 137Q145 147 170 174T204 211T233 244T261 278T284 308T305 340T320 369T333 401T340 431T343 464Q343 527 309 573T212 619Q179 619 154 602T119 569T109 550Q109 549 114 549Q132 549 151 535T170 489Q170 464 154 447T109 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