Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2020-2021)/Teil II/Vorlesung 46

Wir beschäftigen uns nun mit der Differentialrechnung für Abbildungen mit höherdimensionalem Definitionsbereich. Dazu seien reelle endlichdimensionale Vektorräume ${}V$ und ${}W$ gegeben. Ferner sei ${}G\subseteq V$ eine offene Teilmenge und

$f\colon G\longrightarrow W$

eine Abbildung. Diese Abbildung wollen wir „differenzieren“. Anders als in den bisher behandelten Situationen gibt es bei einem höherdimensionalen Definitionsbereich mehrere nicht äquivalente Konzepte von Differenzierbarkeit. Wir werden nacheinander die Richtungsableitung, partielle Ableitungen und das totale Differential sowie ihre Beziehungen untereinander diskutieren. Wir werden durchgehend voraussetzen, dass die Vektorräume endlichdimensional sind und mit einem Skalarprodukt und damit mit einer euklidischen Metrik versehen sind.

Es ist erstmal keine große Einschränkung, wenn man den Zielraum als ${}W=\mathbb {R}$ ansetzt. Als Definitionsmenge kann man sich zunächst auf ${}G=V=\mathbb {R} ^{2}$ beschränken, und sich vorstellen, dass die Abbildung jedem Grundpunkt ${}(x,y)\in \mathbb {R} ^{2}$ einen Höhepunkt zuordnet, sodass die Abbildung insgesamt ein Gebirge über einer Grundfläche beschreibt.

Richtungsableitung

Wir stellen uns vor, wir sind an einem Ort im Gebirge und entschließen uns, in eine bestimmte Richtung, beispielsweise nach Nordwest zu gehen, egal was kommen mag. Damit machen wir sämtliche Steigungen und Abhänge mit, die das Gebirge uns in dieser vorgegebenen Richtung bietet. Dabei lernen wir nur den Höhenverlauf des Gebirges entlang dieses linearen Ausschnitts kennen. Durch die gewählte Richtung bewegen wir uns auf dem Graphen zu einer Funktion in einer einzigen Variablen, nämlich einer Variablen der Grundgeraden. Dies ist die Grundidee der Richtungsableitung.

Definition

Es seien ${}V$ und ${}W$ endlichdimensionale normierte Vektorräume, ${}G\subseteq V$ eine offene Teilmenge, und ${}f\colon G\rightarrow W$ eine Abbildung. Weiter sei ${}P\in G$ ein Punkt und ${}v\in V$ ein fixierter Vektor. Dann heißt ${}f$ differenzierbar in ${}P$ in Richtung ${}v$, falls der Grenzwert

$\operatorname {lim} _{s\rightarrow 0,s\neq 0}\,{\frac {f(P+sv)-f(P)}{s}}$

existiert. In diesem Fall heißt dieser Grenzwert die Ableitung von ${}f$ in ${}P$ in Richtung ${}v$. Er wird mit

${\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}$

bezeichnet.

Der Ausdruck

${\frac {f(P+sv)-f(P)}{s}}$

heißt wieder Differenzenquotient. Die Existenz von ${}{\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}$ hängt nur von der Abbildung ${}h\colon I\longrightarrow W$, ${}s\longmapsto f(P+sv)$, ab (wobei das Intervall ${}I=U{\left(0,\delta \right)}$ so gewählt ist, dass ${}s\in U{\left(0,\delta \right)}$ auch ${}P+sv\in G$ impliziert). Mit dieser Hilfsabbildung ${}h$ gilt

${}h'(0)=\operatorname {lim} _{s\rightarrow 0,s\neq 0}\,{\frac {h(s)-h(0)}{s}}=\operatorname {lim} _{s\rightarrow 0,s\neq 0}\,{\frac {f(P+sv)-f(P)}{s}}=(D_{v}f)(P)\,,$

wobei links die Ableitung zu einer Kurve steht.

Die Richtungsableitung in einem Punkt und in eine Richtung ist selbst ein Vektor in ${}W$. Bei ${}W=\mathbb {R}$ ist die Richtungsableitung eine reelle Zahl.

Beispiel

Wir betrachten die Abbildung

$f\colon {\mathbb {R} }^{2}\longrightarrow {\mathbb {R} },\,(x,y)\longmapsto x^{2}y,$

in einem Punkt ${}P=(a_{1},a_{2})$ in Richtung ${}v=(v_{1},v_{2})$. Der Differenzenquotient ist

${}{\begin{aligned}{\frac {f(P+sv)-f(P)}{s}}&={\frac {f((a_{1}+sv_{1},a_{2}+sv_{2}))-f((a_{1},a_{2}))}{s}}\\&={\frac {(a_{1}+sv_{1})^{2}(a_{2}+sv_{2})-a_{1}^{2}a_{2}}{s}}\\&={\frac {a_{1}^{2}a_{2}+2sa_{1}a_{2}v_{1}+s^{2}a_{2}v_{1}^{2}+sa_{1}^{2}v_{2}+2s^{2}a_{1}v_{1}v_{2}+s^{3}v_{1}^{2}v_{2}-a_{1}^{2}a_{2}}{s}}\\&=2a_{1}a_{2}v_{1}+a_{1}^{2}v_{2}+s(a_{2}v_{1}^{2}+2a_{1}v_{1}v_{2})+s^{2}(v_{1}^{2}v_{2}).\,\end{aligned}}$

Für ${}s\rightarrow 0$ gehen die beiden hinteren Summanden gegen ${}0$, sodass sich insgesamt

${}\operatorname {lim} _{s\rightarrow 0}\,{\frac {f(P+sv)-f(P)}{s}}=2a_{1}a_{2}v_{1}+a_{1}^{2}v_{2}\,$

ergibt.

Im Punkt ${}P=(2,5)$ ergibt sich in Richtung ${}v=(1,-3)$ beispielsweise die Richtungsableitung

${}2\cdot 2\cdot 5\cdot 1+2^{2}\cdot (-3)=8\,.$

Beispiel

Es seien ${}V$ und ${}W$ endlichdimensionale ${}{\mathbb {R} }$- Vektorräume und sei

$L\colon V\longrightarrow W$

eine lineare Abbildung. Dann existiert die Richtungsableitung in jedem Punkt ${}P\in V$ und in jede Richtung ${}v\in V$, und zwar ist

${}{\left(D_{v}L\right)}{\left(P\right)}=L(v)\,,$

insbesondere ist also die Richtungsableitung unabhängig vom Punkt. Dies folgt direkt durch Betrachten des Differenzenquotienten; es ist nämlich

${}{\frac {L(P+sv)-L(P)}{s}}={\frac {L(P)+sL(v)-L(P)}{s}}={\frac {sL(v)}{s}}=L(v)\,.$

Daher ist auch der Limes für ${}s\rightarrow 0$ gleich ${}L(v)$.

Typischerweise berechnet man die Richtungsableitung nicht über eine direkte Grenzwertbetrachtung, sondern über die Hilfsfunktion ${}h(t)=f(P+tv)$ (in den nächsten Vorlesungen werden wir noch den Zusammenhang zu partiellen Ableitungen kennenlernen, der ebenfalls für Berechnungen gut geeignet ist).

Beispiel

Wir bestimmen die Richtungsableitung zur Funktion

$f\colon \mathbb {R} ^{2}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y)\longmapsto x^{2}-xy^{2}+\sin(xy),$

im Punkt ${}P=(3,4)$ in Richtung ${}v=\left(2,\,-5\right)$. Dazu müssen wir die Hilfsfunktion

$h\colon \mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R} ,\,t\longmapsto h(t)=f(P+tv),$

im Nullpunkt ableiten. Es ist

${}{\begin{aligned}h(t)&=f(P+tv)\\&=f(3+2t,4-5t)\\&=(3+2t)^{2}-(3+2t)(4-5t)^{2}+\sin((3+2t)(4-5t))\\&=9+12t+4t^{2}-48+88t+5t^{2}-50t^{3}+\sin \left(12-7t-10t^{2}\right)\\&=-39+100t+9t^{2}-50t^{3}+\sin \left(12-7t-10t^{2}\right).\end{aligned}}$

Die Ableitung von dieser Funktion im Nullpunkt ist

${}h'(0)=100-7\cos 12\,,$

also ist

${}(D_{(2,-5)}f)(3,4)=100-7\cos 12\,.$

Lemma

Es seien ${}V$ und ${}W$ endlichdimensionale ${}{\mathbb {R} }$- Vektorräume, sei ${}G\subseteq V$ offen, ${}P\in G$ ein Punkt, ${}v\in V$ ein Vektor und seien

$f,g\colon G\longrightarrow W$

Abbildungen, die im Punkt ${}P$ in Richtung ${}v$ differenzierbar seien. Dann gelten folgende Aussagen.

1. Die Summe ${}f+g$ ist ebenfalls differenzierbar in Richtung ${}v$ mit

   ${}{\left(D_{v}(f+g)\right)}{\left(P\right)}={\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}+{\left(D_{v}g\right)}{\left(P\right)}\,.$

2. Das Produkt ${}af$ mit ${}a\in {\mathbb {R} }$ ist ebenfalls differenzierbar in Richtung ${}v$ mit

   ${}{\left(D_{v}(af)\right)}{\left(P\right)}=a{\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}\,.$

3. Die Funktion ${}f$ ist auch in Richtung ${}cv$ mit ${}c\in {\mathbb {R} }$ differenzierbar und es gilt

   ${}{\left(D_{cv}f\right)}{\left(P\right)}=c{\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}\,.$

Beweis

Die Eigenschaften (1) und (2) ergeben sich aus den entsprechenden Eigenschaften für Limiten von Abbildungen, siehe Lemma 10.10. Für die Eigenschaft (3) siehe Aufgabe 46.18.

$\Box$

Im Rahmen der Theorie des totalen Differentials wird die Frage beantwortet, wie sich die Richtungsableitungen zu verschiedenen Richtungen zueinander verhalten. Wenn im Werteraum eine Basis gegeben ist, so kann man die Richtungsableitung komponentenweise bestimmen.

Lemma

Es seien ${}V$ und ${}W$ endlichdimensionale reelle Vektorräume, sei ${}G\subseteq V$ offen, ${}P\in G$ ein Punkt und sei ${}v\in V$ ein Vektor. Es sei

$\varphi \colon G\longrightarrow W$

eine Abbildung. Es sei ${}w_{1},\ldots ,w_{n}$ eine Basis von ${}W$ und seien ${}\varphi _{j}$ die Koordinatenfunktionen zu ${}\varphi$ bezüglich dieser Basis.

Dann ist ${}\varphi$ in ${}P$ in Richtung ${}v$ genau dann differenzierbar, wenn sämtliche

$\varphi _{j}\colon G\longrightarrow \mathbb {R}$

in ${}P$ in Richtung ${}v$ differenzierbar sind. In diesem Fall ist

${}{\left(D_{v}\varphi \right)}{\left(P\right)}={\left({\left(D_{v}\varphi _{1}\right)}{\left(P\right)},\ldots ,{\left(D_{v}\varphi _{n}\right)}{\left(P\right)}\right)}=w_{1}{\left(D_{v}\varphi _{1}\right)}{\left(P\right)}+\cdots +w_{n}{\left(D_{v}\varphi _{n}\right)}{\left(P\right)}\,.$

Beweis

Dies folgt aus allgemeinen Aufgabe 37.5 oder aus Lemma 37.5 in Verbindung mit Aufgabe 46.6.

$\Box$

Aufgrund von diesem Lemma muss man vor allem die Richtungssableitung für den Fall verstehen, wo der Wertebereich gleich ${}\mathbb {R}$ ist.

Das folgende einfache Beispiel zeigt, dass durchaus alle Richtungsableitungen existieren können, die Abbildung selbst aber noch nicht einmal stetig sein muss.

Beispiel

Wir betrachten die Funktion ${}f\colon \mathbb {R} ^{2}\rightarrow \mathbb {R}$ mit

$f(x,y):={\begin{cases}{\frac {xy^{3}}{x^{2}+y^{6}}}{\text{ für }}(x,y)\neq (0,0)\,,\\0{\text{ für }}(x,y)=(0,0)\,.\end{cases}}$

Für einen Vektor ${}v=(a,b)$ und einen reellen Parameter ${}s$ erhalten wir auf der Geraden ${}\mathbb {R} v$ die Funktion

$f_{v}\colon \mathbb {R} \longrightarrow \mathbb {R} ,\,s\longmapsto f(sa,sb)={\frac {sas^{3}b^{3}}{s^{2}a^{2}+s^{6}b^{6}}}={\frac {s^{2}ab^{3}}{a^{2}+s^{4}b^{6}}}.$

Für ${}a\neq 0$ ist der Nenner stets positiv und die Funktion ${}f_{v}$ ist stetig mit dem Wert ${}0$ bei ${}s=0$, und als rationale Funktion in ${}s$ differenzierbar. Für ${}a=0$ ist die Funktion ${}f_{v}$ konstant ${}=0$ und damit ebenfalls differenzierbar. Also existieren in ${}0$ alle Richtungsableitungen zu ${}f$. Die Funktion ${}f$ ist allerdings nicht stetig: Für die Folge ${}(1/n^{3},1/n)$ (die gegen ${}0=\left(0,\,0\right)$ konvergiert) gilt

${}f{\left({\frac {1}{n^{3}}},{\frac {1}{n}}\right)}={\frac {(1/n^{3})(1/n^{3})}{(1/n^{6})+(1/n^{6})}}={\frac {1}{2}}\,,$

aber ${}f(0,0)=0$.

Im vorstehenden Beispiel besteht kein enger Zusammenhang zwischen den Richtungsableitungen in verschiedene Richtungen. Wir werden später sehen, dass unter stärkeren Voraussetzungen die Zuordnung

$V\longrightarrow W,\,v\longmapsto {\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)},$

linear ist.

Im Allgemeinen möchte man nicht nur in einem einzigen Punkt ${}P\in V$ ableiten können, sondern in jedem Punkt, was durch die folgende naheliegende Definition präzisiert wird.

Definition

Seien ${}V$ und ${}W$ euklidische Vektorräume, sei ${}G\subseteq V$ eine offene Teilmenge, sei ${}f\colon G\rightarrow W$ eine Abbildung und ${}v\in V$ ein fixierter Vektor. Dann heißt ${}f$ differenzierbar in Richtung ${}v$, falls ${}f$ in jedem Punkt ${}P\in G$ in Richtung ${}v$ differenzierbar ist. In diesem Fall heißt die Abbildung

$D_{v}f\colon G\longrightarrow W,\,P\longmapsto {\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)},$

die Richtungsableitung von ${}f$ in Richtung ${}v$.

Die Richtungsableitung zu einem fixierten Vektor ist also vom selben Typ wie die Ausgangsabbildung.

Polynomiale Funktionen

Beispiel

Wir betrachten die polynomiale Funktion

$f\colon {\mathbb {R} }^{n}\longrightarrow {\mathbb {R} },\,(x_{1},\ldots ,x_{n})\longmapsto x_{1}\cdots x_{n}.$

Die Richtungsableitung in Richtung ${}v=(v_{1},\ldots ,v_{n})$ in einem beliebigen Punkt

${}P=(x_{1},\ldots ,x_{n})\,$

ergibt sich durch Betrachten des Differenzenquotienten, also

${}{\begin{aligned}{\frac {(x_{1}+sv_{1})\cdot (x_{2}+sv_{2})\cdots (x_{n}+sv_{n})-x_{1}\cdot x_{2}\cdots x_{n}}{s}}&={\frac {x_{1}\cdot x_{2}\cdots x_{n}+s{\left(\sum _{i=1}^{n}v_{i}{\frac {x_{1}\cdots x_{n}}{x_{i}}}\right)}+s^{2}g(s,x_{1},\ldots ,x_{n},v_{1},\ldots ,v_{n})-x_{1}\cdot x_{2}\cdots x_{n}}{s}}\\&=\sum _{i=1}^{n}v_{i}{\frac {x_{1}\cdots x_{n}}{x_{i}}}+s\cdot g(s,x_{1},\ldots ,x_{n},v_{1},\ldots ,v_{n}).\,\end{aligned}}$

Dabei ist ${}g(s,x_{1},\ldots ,x_{n},v_{1},\ldots ,v_{n})$ eine polynomiale Funktion in ${}s$ (die $x_{1},\ldots ,x_{n}$ und die $v_{1},\ldots ,v_{n}$ sind fixierte Zahlen). Der Limes von ${}s\cdot g(s,x_{1},\ldots ,x_{n},v_{1},\ldots ,v_{n})$ geht für ${}s\rightarrow 0$ gegen ${}0$. Daher ist

${}{\left(D_{v}f\right)}{\left(P\right)}=\sum _{i=1}^{n}v_{i}{\frac {x_{1}\cdots x_{n}}{x_{i}}}\,.$

In den Aufgaben werden wir sehen, dass die Richtungsableitung zu einer polynomialen Funktion in jede Richtung existiert und selbst wieder polynomial ist. Dies wird sich auch einfach im Rahmen des totalen Differentials ergeben.

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