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Aufgabe H10.2 (10P)
(a) Berechnen Sie die Jakobimatrix zur Abbildung
\( \begin{array}{l} f: \mathbb{R}^{3} \rightarrow \mathbb{R}^{3} \\ f(r, \theta, \varphi)=(r \sin \theta \cos \varphi, r \sin \theta \sin \varphi, \cos \theta) . \end{array} \)
(b) Sei \( g: \mathbb{R}^{2} \rightarrow \mathbb{R} \) zweimal stetig differenzierbar. Zeigen Sie:
Setzt man \( G(r, \varphi) \) als die Verkettung der Funktion \( g(x, y) \) mit den Polarkoordinaten \( (r, \varphi) \),
\( G(r, \varphi)=g(x(r, \varphi), y(r, \varphi))=g(r \cos \varphi, r \sin \varphi), \)
so gilt an den Stellen \( (x, y)=(r \cos \varphi, r \sin \varphi) \) mit \( r \neq 0 \) die Beziehung
\( \Delta g(x, y)=\left(\partial_{r} \partial_{r} G+\frac{1}{r^{2}} \partial_{\varphi} \partial_{\varphi} G+\frac{1}{r} \partial_{r} G\right)(r, \varphi) \)

Huhu, ich habe folgende Aufgabe, bei der ich ein paar Hinweise und Tipps bräuchte.
Ich glaube man müsste bei a) mittels partieller Ableitung für die einzelnen Komponenten vorgehen. Bei b) spielt glaube ich auch partielle Ableitung eine Rolle oder? Hier würde ich vermuten, dass ich sogar zwei mal partiell ableiten muss. Ihr könnt mich ja gerne mal aufklären, ob ich auf dem richtigen Weg bin und wenn nicht, wo der Fehler liegt :)

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Aloha :)


zu a) Die Jacobi-Matrix einer Abbildung enhält die Gradienten der Komponenten-Funktionen als Zeilenvektoren.

Hier lauet die Funktion$$\vec f(r;\vartheta;\varphi)=\begin{pmatrix}f_1\\f_2\\f_3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}r\sin\vartheta\cos\varphi\\r\sin\vartheta\sin\varphi\\\cos\vartheta\end{pmatrix}$$

Die Jacobi-Matrix lauetet daher:$$J(\vec f)=\left(\begin{array}{c}\partial_r f_1 & \partial_\vartheta f_1 & \partial_\varphi f_1\\\partial_r f_2 & \partial_\vartheta f_2 & \partial_\varphi f_2\\\partial_r f_3 & \partial_\vartheta f_3 & \partial_\varphi f_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{rrr}\sin\vartheta\cos\varphi & r\cos\vartheta\cos\varphi & -r\sin\vartheta\sin\varphi\\\sin\vartheta\sin\varphi & r\cos\vartheta\sin\varphi & r\sin\vartheta\cos\varphi\\0 & -\sin\vartheta & 0\end{array}\right)$$


zu b) Hier rechnest du am besten von rechts nach links und jeden Term einzeln:

$$\frac{\partial^2G}{\partial r^2}=\frac{\partial}{\partial r}\,\frac{\partial G}{\partial r}=\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial g}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial r}+\frac{\partial g}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial r}\right)=\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial g}{\partial x}\,\cos\varphi+\frac{\partial g}{\partial y}\,\sin\varphi\right)$$$$\phantom{\frac{\partial^2G}{\partial r^2}}=\frac{\partial}{\partial r}\left(\red{\frac{\partial g}{\partial x}}\right)\cos\varphi+\frac{\partial}{\partial r}\left(\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\right)\sin\varphi$$$$\phantom{\frac{\partial^2G}{\partial r^2}}=\left(\frac{\partial}{\partial x}\,\red{\frac{\partial g}{\partial x}}\,\frac{\partial x}{\partial r}+\frac{\partial}{\partial y}\,\red{\frac{\partial g}{\partial x}}\,\frac{\partial y}{\partial r}\right)\cos\varphi+\left(\frac{\partial}{\partial x}\,\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\,\frac{\partial x}{\partial r}+\frac{\partial}{\partial y}\,\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\,\frac{\partial y}{\partial r}\right)\sin\varphi$$$$\phantom{\frac{\partial^2G}{\partial r^2}}=\left(\frac{\partial^2g}{\partial x^2}\,\cos\varphi+\frac{\partial^2g}{\partial y\,\partial x}\,\sin\varphi\right)\cos\varphi+\left(\frac{\partial^2g}{\partial x\,\partial y}\,\cos\varphi+\frac{\partial^2g}{\partial y^2}\,\sin\varphi\right)\sin\varphi$$$$\phantom{\frac{\partial^2G}{\partial r^2}}=\frac{\partial^2g}{\partial x^2}\,\cos^2\varphi+2\,\frac{\partial^2g}{\partial x\,\partial y}\,\sin\varphi\cos\varphi+\frac{\partial^2g}{\partial y^2}\,\sin^2\varphi$$

$$\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}=\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial\varphi}\,\frac{\partial G}{\partial\varphi}=\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial\varphi}\left(\frac{\partial g}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial \varphi}+\frac{\partial g}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial \varphi}\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}=\frac{1}{r^2}\frac{\partial}{\partial \varphi}\left(\frac{\partial g}{\partial x}(-r\sin\varphi)+\frac{\partial g}{\partial y}\,r\cos\varphi\right)=\frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial \varphi}\left(\red{\frac{\partial g}{\partial x}}(-\sin\varphi)+\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\,\cos\varphi\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}=\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial}{\partial x}\red{\frac{\partial g}{\partial x}}\frac{\partial x}{\partial\varphi}+\frac{\partial}{\partial y}\red{\frac{\partial g}{\partial x}}\frac{\partial y}{\partial\varphi}\right)(-\sin\varphi)+\red{\frac{\partial g}{\partial x}}(-\cos\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}+\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial}{\partial x}\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\frac{\partial x}{\partial\varphi}+\frac{\partial}{\partial y}\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}\frac{\partial y}{\partial\varphi}\right)\cos\varphi+\blue{\frac{\partial g}{\partial y}}(-\sin\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}=\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial^2g}{\partial x^2}(-r\sin\varphi)+\frac{\partial^2g}{\partial y\partial x}\,r\cos\varphi\right)(-\sin\varphi)+\frac{\partial g}{\partial x}(-\cos\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}+\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial^2g}{\partial x\partial y}(-r\sin\varphi)+\frac{\partial^2g}{\partial y^2}r\cos\varphi\right)\cos\varphi+\frac{\partial g}{\partial y}(-\sin\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}=\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial^2g}{\partial x^2}(-r\sin\varphi)+\frac{\partial^2g}{\partial y\partial x}\,r\cos\varphi\right)(-\sin\varphi)+\frac{\partial g}{\partial x}(-\cos\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}+\frac{1}{r}\left(\left(\frac{\partial^2g}{\partial x\partial y}(-r\sin\varphi)+\frac{\partial^2g}{\partial y^2}r\cos\varphi\right)\cos\varphi+\frac{\partial g}{\partial y}(-\sin\varphi)\right)$$$$\phantom{\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}}=\frac{\partial^2g}{\partial x^2}\sin^2\varphi-2\frac{\partial^2g}{\partial x\partial y}\sin\varphi\cos\varphi+\frac{\partial^2g}{\partial y^2}\cos^2\varphi-\frac{\cos\varphi}{r}\frac{\partial g}{\partial x}-\frac{\sin\varphi}{r}\frac{\partial g}{\partial y}$$

$$\frac1r\frac{\partial G}{\partial r}=\frac1r\left(\frac{\partial g}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial r}+\frac{\partial g}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial r}\right)=\frac1r\left(\frac{\partial g}{\partial x}\,\cos\varphi+\frac{\partial g}{\partial y}\,\sin\varphi\right)$$$$\phantom{\frac1r\frac{\partial G}{\partial r}}=\frac{\cos\varphi}{r}\frac{\partial g}{\partial x}+\frac{\sin\varphi}{r}\frac{\partial g}{\partial y}$$

Wenn du nun die 3 Ergebnisse addierst, folgt die zu zeigende Gleichung:$$\frac{\partial^2G}{\partial r^2}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2G}{\partial\varphi^2}+\frac1r\frac{\partial G}{\partial r}=\frac{\partial^2g}{\partial^2x}+\frac{\partial^2g}{\partial^2y}=\Delta g$$

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Es scheint, Du weißt was zu tun ist, hast aber noch nicht angefangen.

a) Die Jacobi-Matrix besteht aus den ersten partiellen Ableitungen. Wie die angeordnet sind, findest Du in Deinen Unterlagen.

b) Ja, wenn in der nachzuweisenden Aussage zweite Ableitungen stehen, wirst Du zweimal ableiten müssen. Rechne also diese Ableitungen für \(G\) aus (Kettenregel), bilde den Term auf der rechten Seite, nach Zusammenfassen sollte der auf der linken übrig bleiben.

Auf geht's.

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Ich fürchte, dass genau dieses "Ausrechnen" das Problem ist.

Kann sein, oder auch nicht. Wenn Du (T) es schaffst, warte ab.

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