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Aufgabe:

Das Vektorfeld $$F:\mathbb{R}^2\setminus\{0\}\rightarrow\mathbb{R}^2$$ ist definiert durch

$$F(x,y)=\left(\frac{x-y}{x^2+y^2}, \frac{x+y}{x^2+y^2}\right)^\text{t}$$.

a) Zeige, dass F die Integrabilitätsbedingung erfüllt.

b) Zeige, dass F keine Potentialfunktion hat.

Ansatz:

Damit die Integrabilitätsbedingung erfüllt ist muss gelten:

$$ \frac{\partial F_1}{\partial x_2}= \frac{\partial F_2}{\partial x_1} $$

Für den obigen Ausdruck ergibt sich somit

$$\frac{\partial F_1}{\partial y}=\frac{y^2-2xy-x^2}{\left(y^2+x^2\right)^2}$$

und

$$\frac{\partial F_2}{\partial x}=-\frac{x^2+2yx-y^2}{\left(x^2+y^2\right)^2}$$

Somit ist die Integrabilitätsbedinung erfüllt.

b)

Es muss geprüft werden ob die Rotation des Vektorfelds verschwindet, also ob gilt $$\text{rot}\overrightarrow{f}(\overrightarrow{r})=0$$. Falls dies der Fall ist gibt es ein Potential.

Also muss berechnet werden

$$\text{rot}\overrightarrow{f}(\overrightarrow{r})=\nabla\cdot F $$

$$\text{rot}\overrightarrow{f}(\overrightarrow{r})=\left( \begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial x}\\ \frac{\partial}{\partial y}\\ \end{array} \right)\times \left( \begin{array}{c} \frac{x-y}{x^2+y^2}\\ \frac{x+y}{x^2+y^2}\\ \end{array} \right), $$ wobei sich hier ergibt:

$$\frac{\partial}{\partial x}\cdot \frac{x+y}{x^2+y^2}- \frac{\partial}{\partial y}\cdot \frac{x-y}{x^2+y^2}$$

Es ergibt sich:

$$-\frac{x^2-2yx-y^2}{\left(x^2+y^2\right)^2}=\frac{y^2-2xy-x^2}{\left(y^2+x^2\right)^2},$$

sodass es ja eine Potentialfunktion hat. Was mache ich hier falsch?

Avatar von

Hast Du denn schon die Lösung für b)?

Jup, habs durch den Hinweis vonTschakabumba lösen können :). Hab jetzt einfach eine geschlossene Kurve um den Einheitskreis genommen und einen Widerspruch erzeugt.

Gut Gut Gut Gut Gut (muss mindestens 12 Buchstaben produzieren)

1 Antwort

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Beste Antwort

Aloha :)

Die Funktion erfüllt tatsächlich die Integrabilitätsbedingung. Aber das ist nur eine notwendige Voraussetzung für die Existenz eines Potentials. Zusätzlich muss die Definitionsmenge ein einfach-zusammenhängendes Gebiet sein. Dadurch dass der Ursprung nicht zur Definitionsmenge gehört, kannst du im \(\mathbb R^2\) keine geschlossene Kurve um den Ursprung herum auf die Größe eines Punktes zusammenziehen. Die Definitionsmenge ist nicht einfach-zusammenhängend.

Avatar von 148 k 🚀

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