Kurs:Analysis II/Kapitel IV: Partielle Differentiation für Funktionen mehrerer Veränderlicher/Partielle Ableitungen erster Ordnung (§1)
Aus Wikiversity
[Bearbeiten] Definition 1
- Seien die Dimensionen
gewählt,
sei eine auf der offenen Menge
erklärte Funktion und schließlich sei
ein fester Punkt. Für hinreichend kleines
betrachten wir die Funktion
vermöge
.- Existiert die Ableitung der Funktion Φj an der Stelle
, so heißt
, so heißt die partielle Ableitung von f nach xj im Punkt x0. Wir schreiben
für ein
.[Bearbeiten] Definition 2
- Sei
eine offene Menge. Existieren die partiellen Ableitungen
mit
für alle
und stellen sie in Ω eine stetige Funktion dar, so gehört die Funktion f zur Klasse
der einmal stetig differenzierbaren Funktionen – oder kurz
. Falls m = 1 ist, schreiben wir
. Für m = 2 identifizieren wir
und setzen
. Falls der Bildbereich aus dem Zusammenhang hervorgeht, werden wir diesen nicht notwendig angeben.
[Bearbeiten] Satz 1 (Kettenregel in mehreren Veränderlichen)
- Voraussetzungen:
- (1) Die Mengen
und
– mit
– sind offen. - (2) Die Funktion
gehört zur Klasse
. - (3) Weiter sei
erfüllt. - (4) Es sei
eine Funktion der Klasse
.
- (1) Die Mengen
- Behauptung: Dann gehört die Funktion

- zur Klasse
und es gilt

- für
.
[Bearbeiten] Beweis
Offenbar genügt es, die Situation n = 1,Ω = (a,b) und
zu betrachten. Zu zeigen ist die Differenzierbarkeit von h und die Identität (5): Sei
und
mit
gewählt. Dann gilt
![\begin{matrix} h(x) - h(x^0) & = & g(f_1(x), \ldots, f_m(x)) - g(f_1(x^0), \ldots, f_m(x^0)) \\ & = & [g(f_1(x), \ldots, f_m(x)) - g(f_1(x^0), \ldots, f_m(x))] \\ & + & [g(f_1(x^0), f_2(x) \ldots, f_m(x)) - g(f_1(x^0), f_2(x^0), \ldots, f_m(x))] \\ & + & \cdots \\ & + & [g(f_1(x^0), \ldots, f_{m - 1}(x^0), f_m(x)) - g(f_1(x^0), \ldots, f_m(x^0))]. \end{matrix}](http://upload.wikimedia.org/math/7/0/d/70d8c8f8d9f5a7d8c0359cdd61e8f087.png)
Wendet man auf die Ausdrücke in den eckigen Klammern den Mittelwertsatz der Differentialrechnung an, so folgt

mit
für
. Für den Differenzenquotienten erhalten wir dann

Mittels Grenzübergang
folgt in

die Behauptung.
q.e.d.
[Bearbeiten] Satz 2 (Mittelwertsatz in mehreren Veränderlichen)
- Sei
eine reellwertige Funktion auf der offenen Menge
. Weiter seien
zwei Punkte, so dass deren Verbindungsstrecke die folgende Inklusion erfüllt:
.- Dann gibt es einen Punkt
, so dass

- gilt.
[Bearbeiten] Beweis
Wir wenden nun den Mittelwertsatz der Differentialrechnung aus Kapitel II §3 auf die Funktion

an. Da g differenzierbar in λ ist, folgt
. Dann erhalten wir die Identität
mit einem geeigneten
. Wir berechnen

Mit Hilfe von (6) folgt die behauptete Gleichung
,wobei
erklärt ist.
q.e.d.
[Bearbeiten] Definition 3
- Sei
eine offene Menge und
eine reellwertige Funktion, so nennen wir

- den Gradienten von f an der Stelle x.
[Bearbeiten] Definition 4
- Mit C0(Ω) bezeichnen wir den Vektorraum aller reellwertigen stetigen Funktionen auf der offenen Menge
.
[Bearbeiten] Satz 3
- Jede Funktion
ist in der offenen Menge
stetig, d. h. die Inklusion
ist erfüllt.
[Bearbeiten] Beweis
Diese Aussage ergibt sich als Folgerung aus Satz 2. Es gilt nämlich

für alle
mit
.
[Bearbeiten] Definition 5
- Sei
auf der offenen Menge
eine Funktion und
mit | v | = 1 ein Richtungsvektor. Dann nennen wir die Ableitung der Funktion
mit einem 
- an der Stelle t = 0 die Richtungsableitung von an der Stelle
in Richtung v, also
.[Bearbeiten] Satz 4
- Für eine Funktion
auf der offenen Menge
gilt die Abschätzung
für alle
mit | v | = 1- in jedem Punkt
. Falls
erfüllt ist, so tritt Gleichheit in (8) genau in den Fällen
bzw. 
- ein. Somit zeigt der Gradient in Richtung des höchsten Anstiegs von f.
[Bearbeiten] Beweis
Die Identität (7) mit
und
sowie | v | = 1 liefert die Ungleichung
.Die Diskussion des Gleichheitszeichens überlassen wir dem Leser.
q.e.d.
[Bearbeiten] Definition 6
- Für eine Abbildung
mit 
- auf der offenen Menge
nennen wir

- die Funktionalmatrix (oder Jacobimatrix) von f an der Stelle x.
[Bearbeiten] Satz 5
- Sei die Gültigkeit von (1) und (2) aus Satz 1 vorausgesetzt und weiter gehöre die Funktion

- zur Klasse
. Dann liegt die Funktion

- in der Klasse
und es gilt

- mit
und
bzw.
.[Bearbeiten] Beweis
Dieser ergibt sich unmittelbar aus Satz 1 und Definition 6.
q.e.d.
[Bearbeiten] Satz 6 (Differentialgleichungssystem von Cauchy und Riemann)
- Sei die Funktion
auf der offenen Menge
holomorph. Dann folgt
und f erfüllt eine der folgenden beiden gleichwertigen Bedingungen:
- oder das Cauchy -Riemannsche Differentialgleichungssystem
in Ω.- Dabei erklären wir
und
als Real- bzw. Imaginärteil der Funktion f.
[Bearbeiten] Beweis
Da f(z) holomorph in Ω ist, existiert

für jede komplexe Nullfolge
mit
. Somit ergibt sich


Damit erhalten wir
und folglich
oder
in Ω.Weiter gilt

genau dann, wenn
in Ωerfüllt ist.
q.e.d.
[Bearbeiten] Bemerkungen
1. Umgekehrt kann man von dem Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungssystem auf die Holomorphie der Funktion schließen.
2. Die Eigenschaft (12) holomorpher Funktionen beinhaltet die Winkeltreue der Abbildung
in allen Punkten
mit
. Wegen fy = ifx entsteht nämlich die Tangente an die Kurve
durch eine Drehung um
aus der Tangente an die Kurve
.
3. Die Cauchy-Riemannschen Differentialgleichungen implizieren, dass die folgende Matrix

orthogonal mit Determinante +1 ist – also eine Drehung darstellt. Somit sind holomorphe Funktionen mit nichtverschwindender Ableitung infinitesimal Drehungen in der x,y-Ebene.
4. Winkeltreue Abbildungen wurden von C. F. Gauß auch konform genannt; sie sind bei der Erstellung von Landkarten bedeutend.
[Bearbeiten] Definition 7
- Eine offene Menge
heißt Gebiet, wenn sie im folgenden Sinne zusammenhängend ist: Zu je zwei Punkten
gibt es einen stetigen Weg
mit
und
.- Dieser Weg verbindet x' und x'' stetig in Ω.
[Bearbeiten] Satz 7
- Sei
ein Gebiet und
eine reellwertige Funktion mit
in Ω. Dann ist
für alle
erfüllt – mit einer Konstante
.
[Bearbeiten] Beweis
Im ersten Teil wird die Eigenschaft 'die Funktion f ist konstant' lokal geprüft, während im zweiten Teil die globale Aussage gezeigt wird.
1. Sei
ein beliebiger Punkt, so gibt es eine Kugel
mit einem hinreichend kleinen
. Zu
gibt es nach dem Mittelwertsatz – in mehreren Veränderlichen – einen Punkt
mit der Eigenschaft
,weil
nach Voraussetzung verschwindet. Somit folgt

und f ist lokal konstant.
2. Wie im Teil 3.) des Beweises von Satz 5 aus Kapitel II §5 zeigt man über die Gebietseigenschaft, dass f global konstant ist.
q.e.d.
[Bearbeiten] Satz 8 (Additionstheorem für die Arcusfunktionen)
- Für alle
mit
und
gilt
.- Für alle
mit
und
sowie
gilt
.[Bearbeiten] Beweis
Zum Beweis von (15) betrachte man die Funktion

für alle x,y mit
und
. Man berechnet dann
und somit ist f konstant. Da f(0,0) = 0 richtig ist, folgt
und somit die Identität (15). Ebenso beweist man (16).
q.e.d.
Wir bezeichnen mit * die Transposition von Matrizen.
[Bearbeiten] Satz 9
- Auf der offenen Menge
sei die Funktion

- gegeben. Dann gilt in jedem Punkt
die linear approximative Darstellung

- für ein hinreichend kleines
. Hierbei liefert
eine lineare Abbildung vom
in den
mit der Funktionalmatrix
. Ferner haben wir für die
-Matrix
die asymptotische Beziehung
,- wobei wir ihre Konvergenz natürlich im
verstehen.
[Bearbeiten] Beweis
Für
wenden wir auf jede Komponentenfunktion fj den Mittelwertsatz an. Dann gibt es eine Zwischenstelle
mit der Eigenschaft

.Mit der
-Matrix-wertigen Funktion

erhalten wir die angegebene Darstellung.
q.e.d.

