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Kurs:Analysis (Osnabrück 2013-2015)/Teil II/Vorlesung 58/latex

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\setcounter{section}{58}






\zwischenueberschrift{Wegintegrale und Gradientenfelder}





\inputfaktbeweis
{Gradientenfeld/Wegintegral/Berechnung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Teilmenge}{}{} und \maabbdisp {h} {U} {\R } {} eine \definitionsverweis {stetig differenzierbare Funktion}{}{} mit dem zugehörigen \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ G }
{ = }{ \operatorname{Grad} \, h }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei \maabb {\gamma} {[a,b]} {U } {} ein \definitionsverweis {stetig differenzierbarer Weg}{}{} in $U$.}
\faktfolgerung {Dann gilt für das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma G }
{ =} { h(\gamma(b)) - h(\gamma(a)) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {D.h. das Wegintegral hängt nur vom Anfangs- und Endpunkt des Weges ab\zusatzfussnote {In einem Potentialfeld ist also die geleistete Arbeit gleich der Potentialdifferenz von Start- und Endpunkt} {.} {.}}
\faktzusatz {}

}
{

Aufgrund der Kettenregel ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{\int_\gamma G }
{ =} { \int_a^b \left\langle G(\gamma(t)) , \gamma'(t) \right\rangle dt }
{ =} {\int_a^b \sum_{i = 1}^n G_i(\gamma(t)) \cdot \gamma_i'(t) dt }
{ =} {\int_a^b \sum_{i = 1}^n { \frac{ \partial h }{ \partial x_i } }(\gamma(t)) \cdot \gamma_i'(t) dt }
{ =} {\int_a^b (h \circ \gamma )^{\prime} (t) dt }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { h(\gamma(b))- h (\gamma(a)) }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.}

}





\inputfaktbeweis
{Gradientenfeld/Geschlossenes Wegintegral/Fakt}
{Korollar}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{\R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Teilmenge}{}{} und \maabbdisp {h} {U} {\R } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare Funktion}{}{} mit dem zugehörigen \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{G }
{ = }{ \operatorname{Grad} \, h }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei \maabb {\gamma} {[a,b]} {U } {} ein \definitionsverweis {stetig differenzierbarer Weg}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \gamma(a) }
{ = }{ \gamma(b) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}}
\faktfolgerung {Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_\gamma G }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Lemma 58.1.

}





\inputfaktbeweis
{Teilmenge/R^n/Gradientenfeld/Charakterisierung mit Wegintegralen/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene}{}{}}
\faktvoraussetzung {\definitionsverweis {zusammenhängende Teilmenge}{}{} und \maabbdisp {G} {U} {\R^n } {} ein \definitionsverweis {stetiges}{}{} \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind die folgenden Eigenschaften äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungzwei {$G$ ist ein \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{.} } {Für jeden \definitionsverweis {stetig differenzierbaren Weg}{}{} \maabb {\gamma} {[a,b]} {U } {} hängt das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{}
\mathl{\int_\gamma G}{} nur vom Anfangspunkt
\mathl{\gamma(a)}{} und Endpunkt
\mathl{\gamma(b)}{} ab. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

\teilbeweis {}{}{}
{Die Implikation
\mathl{(1) \Rightarrow (2)}{} folgt aus Lemma 58.1.}
{} \teilbeweis {}{}{}
{Es sei umgekehrt die Eigenschaft $(2)$ erfüllt. Wir geben eine auf $U$ definierte Funktion $h$ an, die differenzierbar ist und deren \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{} gleich dem vorgegebenen Vektorfeld ist. Dazu sei ein Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} fixiert. Für jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt es einen \definitionsverweis {stetig differenzierbaren Weg}{}{\zusatzfussnote {Aus der Existenz eines verbindenden stetigen Weges folgt die Existenz eines verbindenden stetig differenzierbaren Weges. Man könnte also auch diese Eigenschaft als Definition für zusammenhängend nehmen} {.} {}} \maabbdisp {\gamma} {[a,b]} {U } {} mit \mathkor {} {\gamma(a)=P} {und} {\gamma(b)=Q} {.} Wir setzen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{h (Q) }
{ \defeq} { \int_\gamma G }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Aufgrund der vorausgesetzten Wegunabhängigkeit des Integrals ist
\mathl{h(Q)}{} wohldefiniert. Wir müssen zeigen, dass diese so definierte Funktion in jedem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und in jede Richtung
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{v }
{ = }{(v_1 , \ldots , v_n) }
{ \in }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {differenzierbar}{}{} ist und die Richtungsableitung mit
\mathl{\left\langle G(Q) , v \right\rangle}{} übereinstimmt. Dazu betrachten wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ h (Q+tv) - h (Q) }
{ =} { \int_\delta G }
{ =} { \int_0^t \left\langle G(Q+sv) , v \right\rangle ds }
{ =} { \int_0^t \sum_{i = 1}^n G_i(Q+sv) \cdot v_i ds }
{ } { }
} {}{}{,} wobei $\delta$ der verbindende lineare Weg von $Q$ nach
\mathl{Q+tv}{} auf
\mathl{[0,t]}{} sei \zusatzklammer {und $t$ hinreichend klein sei, damit
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ Q+tv }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist} {} {.} Für den \definitionsverweis {Differentialquotienten}{}{} ist
\mavergleichskettealignhandlinks
{\vergleichskettealignhandlinks
{ \operatorname{lim}_{ t \rightarrow 0 } \, { \frac{ h (Q+tv) - h (Q) }{ t } } }
{ =} { \sum_{i = 1}^n \operatorname{lim}_{ t \rightarrow 0 } \, { \frac{ 1 }{ t } } \int_0^t G_i(Q+sv) \cdot v_i ds }
{ =} { \sum_{i = 1}^n G_i(Q) \cdot v_i }
{ =} { \left\langle G(Q) , v \right\rangle }
{ } { }
} {} {}{.} Somit existiert die Richtungsableitung von $h$ in Richtung $v$ und hängt stetig von $Q$ ab. Diese Gleichung zeigt ferner
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( Dh \right) }_{Q} { \left( v \right) } }
{ =} { { \left( D_{v} h \right) } { \left( Q \right) } }
{ =} { \left\langle G(Q) , v \right\rangle }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} sodass $G$ das Gradientenfeld zu $h$ ist.}
{}

}







\zwischenueberschrift{Die Integrabilitätsbedingung} Wie kann man erkennen, ob ein gegebenes Vektorfeld ein Gradientenfeld ist? Eine notwendige Bedingung schlägt sich in der folgenden Definition nieder.


\inputdefinition
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{U }
{ \subseteq }{\R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {offene Teilmenge}{}{} und \maabbdisp {G} {U} {\R^n } {} ein \definitionsverweis {differenzierbares}{}{} \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{.} Man sagt, dass $G$ die \definitionswort {Integrabilitätsbedingung}{} erfüllt \zusatzklammer {oder \definitionswort {lokal integrabel}{} ist} {} {,} wenn
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \partial G_i }{ \partial x_j } }(P) }
{ =} { { \frac{ \partial G_j }{ \partial x_i } }(P) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und alle $i, j$ gilt.

}





\inputfaktbeweis
{Gradientenfeld/Integrabilitätsbedingung/Fakt}
{Lemma}
{}
{

\faktsituation {Das \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{} einer}
\faktvoraussetzung {\definitionsverweis {zweimal stetig differenzierbaren}{}{} \definitionsverweis {Funktion}{}{}}
\faktfolgerung {erfüllt die \definitionsverweis {Integrabilitätsbedingung}{}{.}}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Dies folgt direkt aus Satz 44.8.

}





\inputbeispiel{}
{

Das lineare \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{} \maabbeledisp {G} {\R^2} {\R^2 } { \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix}} { \begin{pmatrix} -y \\x \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix} } {,} erfüllt wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \partial G_1 }{ \partial y } } }
{ =} { -1 }
{ \neq} {1 }
{ =} { { \frac{ \partial G_2 }{ \partial x } } }
{ } { }
} {}{}{} nicht die \definitionsverweis {Integrabilitätsbedingung}{}{.} Es kann also nach Lemma 58.5 kein \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{} sein.


}




\inputdefinition
{}
{

Eine Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{T }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} heißt \definitionswort {sternförmig}{} bezüglich eines Punktes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} wenn für jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{Q }
{ \in }{T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Verbindungsstrecke
\mathbed {sQ+(1-s) P} {}
{s \in [0,1]} {}
{} {} {} {,} ganz in $T$ liegt.

}





\inputfaktbeweis
{Teilmenge/R^n/Sternförmig/Gradientenfeld/Charakterisierung/Fakt}
{Satz}
{}
{

\faktsituation {Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ U }
{ \subseteq }{ \R^n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine}
\faktvoraussetzung {\definitionsverweis {sternförmige}{}{} \definitionsverweis {offene Teilmenge}{}{} und \maabbdisp {G} {U} {\R^n } {} ein \definitionsverweis {stetig differenzierbares}{}{} \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{.}}
\faktuebergang {Dann sind die folgenden Eigenschaften äquivalent.}
\faktfolgerung {\aufzaehlungdrei{$G$ ist ein \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{.} }{$G$ erfüllt die \definitionsverweis {Integrabilitätsbedingung}{}{.} }{Für jeden \definitionsverweis {stetig differenzierbaren Weg}{}{} \maabb {\gamma} {[a,b]} {U } {} hängt das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{}
\mathl{\int_\gamma G}{} nur vom Anfangspunkt
\mathl{\gamma(a)}{} und Endpunkt
\mathl{\gamma(b)}{} ab. }}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}

}
{

Die Äquivalenz
\mathl{(1) \Longleftrightarrow (3)}{} folgt aus Satz 58.3 und die Implikation
\mathl{(1) \Longrightarrow (2)}{} aus Lemma 58.5. Es bleibt also
\mathl{(2) \Longrightarrow (1)}{} zu zeigen, wobei wir explizit eine Stammfunktion $h$ zum Vektorfeld $G$ angeben. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ \in }{ U }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Punkt derart, dass $U$ bezüglich $P$ \definitionsverweis {sternförmig}{}{} ist. Wir definieren
\mathl{h (Q)}{} über das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{} zu $G$ zum linearen Verbindungsweg \maabbeledisp {\gamma} {[0,1] } { U } {t} { P+ t(Q-P) } {,} also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ h (Q) }
{ \defeq} { \int_\gamma G }
{ =} { \int_0^1 \left\langle G(\gamma(t)) , Q-P \right\rangle dt }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Wir müssen zeigen, dass der \definitionsverweis {Gradient}{}{} zu $h$ gleich $G$ ist, d.h. es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \partial h }{ \partial x_i } } }
{ =} { G_i }
{ } { }
{ } { }
{ } {}
} {}{}{} zu zeigen. Dafür können wir
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{P }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} annehmen und wir schreiben $v$ statt $Q$. Mit diesen Bezeichnungen und Voraussetzungen ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \frac{ \partial }{ \partial x_i } } h (v) }
{ =} { { \frac{ \partial }{ \partial x_i } } { \left( \int_0^1 \left\langle G(tv) , v \right\rangle dt \right) } }
{ =} { \int_0^1 { \left( { \frac{ \partial }{ \partial x_i } } \left\langle G(tv) , v \right\rangle \right) } dt }
{ =} { \int_0^1 { \left( { \frac{ \partial }{ \partial x_i } } { \left( \sum_{j=1}^n G_j(tv) \cdot v_j \right) } \right) } dt }
{ =} { \int_0^1 t \sum_{j= 1}^n v_j { \left( { \frac{ \partial }{ \partial x_i } } G_j \right) } (tv) + G_i(tv) dt }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { \int_0^1 t \sum_{j= 1}^n v_j { \left( { \frac{ \partial }{ \partial x_j } } G_i \right) } (tv) + G_i(tv) dt }
{ =} { \int_0^1 { \left( t \mapsto t \cdot G_i(tv) \right) }^\prime dt }
{ =} { { \left( t \cdot G_i(tv) \right) } {{|}}_0^1 }
{ =} { G_i (v) }
} {}{.} Dabei beruht die zweite Gleichung auf der Vertauschbarkeit von Integration und Differentiation  \zusatzklammer {das haben wir nicht bewiesen} {} {} \zusatzklammer {angewendet auf die stetig differenzierbare Funktion \maabbele {} {[0,1] \times U} { \R } {(t,v)} { \left\langle G(tv) , v \right\rangle } {}} {} {,} die vierte Gleichung auf Aufgabe 45.15, die fünfte Gleichung auf der Integrabilitätsbedingung, die sechste Gleichung auf der Kettenregel und der Produktregel und die siebte Gleichung auf der Newton-Leibniz-Formel.

}





\inputbeispiel{}
{

Wir betrachten das \definitionsverweis {Vektorfeld}{}{} \maabbeledisp {G} {\R^2 \setminus \{(0,0)\}} {\R^2 } { \begin{pmatrix} x \\y \end{pmatrix} } { { \frac{ 1 }{ x^2+y^2 } } \begin{pmatrix} -y \\x \end{pmatrix} } {.} Wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \partial G_1 }{ \partial y } } }
{ =} { { \frac{ \partial }{ \partial y } } { \left( { \frac{ -y }{ x^2+y^2 } } \right) } }
{ =} { { \frac{ -(x^2+y^2)+y(2y) }{ (x^2+y^2)^2 } } }
{ =} { { \frac{ -x^2+y^2 }{ (x^2+y^2)^2 } } }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \partial G_2 }{ \partial x } } }
{ =} { { \frac{ \partial }{ \partial x } } { \left( { \frac{ x }{ x^2+y^2 } } \right) } }
{ =} { { \frac{ (x^2+y^2)-x(2x) }{ (x^2+y^2)^2 } } }
{ =} { { \frac{ -x^2+y^2 }{ (x^2+y^2)^2 } } }
{ } { }
} {}{}{} erfüllt dieses Vektorfeld die \definitionsverweis {Integrabilitätsbedingung}{}{.} Es handelt sich aber nicht um ein \definitionsverweis {Gradientenfeld}{}{:} Das \definitionsverweis {Wegintegral}{}{} zur \zusatzklammer {geschlossenen} {} {} trigonometrischen Parametrisierung des Einheitskreises \maabbeledisp {\gamma} {[0,2 \pi]} { \R^2 } {t} { \begin{pmatrix} \cos t \\ \sin t \end{pmatrix} } {,} ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{\int_\gamma G }
{ =} { \int_0^{2 \pi} \left\langle G(\gamma(t)) , \begin{pmatrix} - \sin t \\ \cos t \end{pmatrix} \right\rangle dt }
{ =} { \int_0^{2 \pi} \left\langle \begin{pmatrix} - \sin t \\ \cos t \end{pmatrix} , \begin{pmatrix} - \sin t \\ \cos t \end{pmatrix} \right\rangle dt }
{ =} {\int_0^{2 \pi} \sin^{ 2 } t + \cos^{ 2 } t dt }
{ =} { \int_0^{2 \pi} 1 dt }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} {2 \pi }
{ \neq} {0 }
{ } {}
{ } {}
} {}{} im Gegensatz zu Korollar 58.2.


}