Aufgabensammlung Mathematik: Kettenregeln für die partielle Ableitung

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Seien x,y,z,w Zustandsgrößen, von denen jede von jeweils zwei anderen abhängt. Für x gibt es also Funktionen x(y,z), x(z,w) sowie x(y,w). Analoges gilt für die anderen drei Zustandsgrößen. Außerdem sei (yx)z0. Man beweise:

  1. (xy)z=1(yx)z
  2. (xy)z(yz)x(zx)y=1
  3. (xy)z=(xy)w+(xw)y(wy)z

Lösung zur 1. Teilaufgabe

Es ist

dx=(xy)zdy+(xz)ydzdy=(yx)zdx+(yz)xdz

Nun kann die Gleichung dy=(yx)zdx+(yz)xdz in die Gleichung für dx eingesetzt werden. So erhält man

dx=(xy)zdy+(xz)ydz[5px] dy=(yx)zdx+(yz)xdz[5px]=(xy)z((yx)zdx+(yz)xdz)+(xz)ydz=(xy)z(yx)zdx+(xy)z(yz)xdz+(xz)ydz

Also ist

0=((xy)z(yx)z1)dx+((xy)z(yz)x+(xz)y)dz

Da dx und dz linear unabhängig sind, muss gelten:

(xy)z(yx)z1=0

und

(xy)z(yz)x+(xz)y=0

Aus der ersten Gleichung folgt

(xy)z(yx)z1=0 (xy)z(yx)z=1 (xy)z=1(yx)z

Lösung zur 2. Teilaufgabe

In der Lösung zu zweiten Teilaufgabe wurde gezeigt, dass

(xy)z(yz)x+(xz)y=0

Daraus folgt, dass

(xy)z(yz)x+(xz)y=0 (xy)z(yz)x=(xz)y[5px] (xz)y=1(zx)y[5px] (xy)z(yz)x=1(zx)y (xy)z(yz)x(zx)y=1

Lösung zur 3. Teilaufgabe

Es ist

dx=(xy)zdy+(xz)ydzdx=(xy)wdy+(xw)ydwdw=(wy)zdy+(wz)ydz

Wenn man nun die ersten beiden Gleichungen gleichsetzt und in dieser Gleichung dw durch den Term (wy)zdy+(wz)ydz ersetzt, dann erhält man

(xy)zdy+(xz)ydz=(xy)wdy+(xw)ydw[5px] dw=(wy)zdy+(wz)ydz[5px] (xy)zdy+(xz)ydz=(xy)wdy+(xw)y((wy)zdy+(wz)ydz) (xy)zdy+(xz)ydz=(xy)wdy+(xw)y(wy)zdy+(xw)y(wz)ydz (xy)zdy+(xz)ydz=((xy)w+(xw)y(wy)z)dy+(xw)y(wz)ydz 0=((xy)w+(xw)y(wy)z(xy)z)dy+((xw)y(wz)y(xz)y)dz

Da dy und dz linear unabhängig sind, ist

(xy)w+(xw)y(wy)z(xy)z=0

und damit

(xy)z=(xy)w+(xw)y(wy)z