Aufgabensammlung Mathematik: Kettenregeln für die partielle Ableitung

Aus testwiki
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Aufgabensammlung: Vorlage:Infobox

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 (∂y∂x)z≠0. Man beweise:

  1. (∂x∂y)z=1(∂y∂x)z
  2. (∂x∂y)z(∂y∂z)x(∂z∂x)y=−1
  3. (∂x∂y)z=(∂x∂y)w+(∂x∂w)y(∂w∂y)z

Lösung zur 1. Teilaufgabe

Es ist

dx=(∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydzdy=(∂y∂x)zdx+(∂y∂z)xdz

Nun kann die Gleichung dy=(∂y∂x)zdx+(∂y∂z)xdz in die Gleichung für dx eingesetzt werden. So erhält man

dx=(∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydz↓ dy=(∂y∂x)zdx+(∂y∂z)xdz=(∂x∂y)z⋅((∂y∂x)zdx+(∂y∂z)xdz)+(∂x∂z)ydz=(∂x∂y)z(∂y∂x)zdx+(∂x∂y)z(∂y∂z)xdz+(∂x∂z)ydz

Also ist

0=((∂x∂y)z(∂y∂x)z−1)dx+((∂x∂y)z(∂y∂z)x+(∂x∂z)y)dz

Da dx und dz linear unabhängig sind, muss gelten:

(∂x∂y)z(∂y∂x)z−1=0

und

(∂x∂y)z(∂y∂z)x+(∂x∂z)y=0

Aus der ersten Gleichung folgt

(∂x∂y)z(∂y∂x)z−1=0⇔ (∂x∂y)z(∂y∂x)z=1⇔ (∂x∂y)z=1(∂y∂x)z

Lösung zur 2. Teilaufgabe

In der Lösung zu zweiten Teilaufgabe wurde gezeigt, dass

(∂x∂y)z(∂y∂z)x+(∂x∂z)y=0

Daraus folgt, dass

(∂x∂y)z(∂y∂z)x+(∂x∂z)y=0⇔ (∂x∂y)z(∂y∂z)x=−(∂x∂z)y↓ (∂x∂z)y=1(∂z∂x)y⇔ (∂x∂y)z(∂y∂z)x=−1(∂z∂x)y⇔ (∂x∂y)z(∂y∂z)x(∂z∂x)y=−1

Lösung zur 3. Teilaufgabe

Es ist

dx=(∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydzdx=(∂x∂y)wdy+(∂x∂w)ydwdw=(∂w∂y)zdy+(∂w∂z)ydz

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

(∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydz=(∂x∂y)wdy+(∂x∂w)ydw↓ dw=(∂w∂y)zdy+(∂w∂z)ydz⇒ (∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydz=(∂x∂y)wdy+(∂x∂w)y⋅((∂w∂y)zdy+(∂w∂z)ydz)⇒ (∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydz=(∂x∂y)wdy+(∂x∂w)y(∂w∂y)zdy+(∂x∂w)y(∂w∂z)ydz⇒ (∂x∂y)zdy+(∂x∂z)ydz=((∂x∂y)w+(∂x∂w)y(∂w∂y)z)dy+(∂x∂w)y(∂w∂z)ydz⇒ 0=((∂x∂y)w+(∂x∂w)y(∂w∂y)z−(∂x∂y)z)dy+((∂x∂w)y(∂w∂z)y−(∂x∂z)y)dz

Da dy und dz linear unabhängig sind, ist

(∂x∂y)w+(∂x∂w)y(∂w∂y)z−(∂x∂y)z=0

und damit

(∂x∂y)z=(∂x∂y)w+(∂x∂w)y(∂w∂y)z