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Aufgabe:

Ein Vektorfeld wird auf der Menge D definiert: \( D:=\left\{(x, y, z) \in \mathbb{R}^{3}: z>0\right\} \)

\( \vec{u}(x, y, z)=\left(\begin{array}{c}2 x+3 x^{2} y^{2} \\ 2 x^{3} y \\ -5 z^{-1}\end{array}\right), \quad(x, y, z) \in D \)

Existiert für dieses Vektorfeld ein Potential? Falls ja, bestimmen Sie dieses.


Problem/Ansatz:

Ich weiß leider nicht, wie ich bei dieser Aufgabe vorgehe..

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Was ist die Definition von "Potential eines Vektorfeldes"?

Ich glaube, dass die Rotation der Funktion gleich den Nullvektor ergibt?

rot (vektor u) ergibt bei mir den Nullvektor.

Also existiert ein Potential.

Aber wie berechne ich dieses?

Aber wie berechne ich dieses?

Dazu diente meine erste Frage. Was Du genannt hast, ist ein Existenzkriterium. Vielleicht machst Du Dir die Mühe, mal nachzuschauen, was ein Potential ist.

rot (vektor u) ergibt bei mir den Nullvektor.

Also existiert ein Potential.

Als Hinweis:

Wenn es ein Potential gibt, dann ist die Rotation =0.

Die Umkehrung gilt im allgemeinen nicht, sondern nur unter gewissen Voraussetzungen. Diese sind hier aber erfüllt da D sternförmig ist.

1 Antwort

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Beste Antwort

Aloha :)

Du kannst die Existenz eines Potentials \(\phi(\vec r)\) prüfen, indem du die Rotation des Vektorfeldes \(\vec u(\vec r)\) berechnest. Ist diese \(=\vec 0\), existiert ein Potential \(\vec u(\vec r)=\operatorname{grad}\phi(\vec r)\).

Existiert ein Potential \(\phi(\vec r)\), ist das Wegintegral über das Vektorfeld \(\vec u(\vec r)\) unabhängig vom gewählten Weg zwischen zwei Punkten. Nur die Koordinaten von Start- und Endpunkt sind relevant:$$E=\int\limits_{\vec r_0}^{\vec r_1}\vec u(\vec r)\,d\vec r=\int\limits_{\vec r_0}^{\vec r_1}\operatorname{grad}(\phi)\,d\vec r=\int\limits_{\vec r_0}^{\vec r_1}\frac{d\phi}{d\vec r}\,d\vec r=\int\limits_{\vec r_0}^{\vec r_1}d\phi=\phi(\vec r_2)-\phi(\vec r_1)$$ Daher kannst du zur Bestimmung des Potentials \(\phi(\vec r)\) einen beliebigen Weg von einem geeigneten Anfangspunkt zum Endpunkt \((x;y;z)\) wählen und das Wegintegral bestimmen. Je nach Wahl des Anfangspunktes, erhältst du eine andere Integrationskonstante, die du bei der Angabe des Potentials auch weglassen kannst. Das ist oben im Integral der Term \(\phi(\vec r_1)\), der subtrahiert wird.

Hier sieht man das Potenzial aber auch ohne Rechnung sofort:$$\phi(x;y;z)=x^2+x^3y^2-5\ln(z)$$Da du es nur bestimmen und nicht berechnen sollst, dürfte das reichen ;)

Avatar von 152 k 🚀

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