Mathematik für Ingenieure II für Dummies. J. Michael Fried

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Mathematik für Ingenieure II für Dummies - J. Michael Fried

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alt=""/> Zur praktischen Berechnung der totalen Ableitung upper A equals upper D f einer reellwertigen Funktion f colon double-struck upper R Superscript n Baseline right-arrow double-struck upper R von n Variablen berechnen Sie, wie in: »Nur einen Teil: Die partielle Ableitung«, alle partiellen Ableitungen StartFraction partial-differential f Over partial-differential x Subscript i Baseline EndFraction comma i equals 1 comma ellipsis comma n von f.

      Die totale Ableitung ist dann durch den Zeilenvektor

upper A equals upper D f equals left-parenthesis StartFraction partial-differential f Over partial-differential x 1 EndFraction comma StartFraction partial-differential f Over partial-differential x 2 EndFraction comma ellipsis comma StartFraction partial-differential f Over partial-differential x Subscript n Baseline EndFraction right-parenthesis

      gegeben.

      Der Ableitungsvektor upper D f einer reellwertigen Funktion f wird so häufig gebraucht, dass er einen eigenen Namen verdient.

      

Der n-dimensionale Spaltenvektor

nabla f left-parenthesis x right-parenthesis colon equals Start 4 By 1 Matrix 1st Row StartFraction partial-differential f Over partial-differential x 1 EndFraction left-parenthesis x right-parenthesis 2nd Row StartFraction partial-differential f Over partial-differential x 2 EndFraction left-parenthesis x right-parenthesis 3rd Row vertical-ellipsis 4th Row StartFraction partial-differential f Over partial-differential x Subscript n Baseline EndFraction left-parenthesis x right-parenthesis EndMatrix element-of double-struck upper R Superscript n

      heißt Gradient von f an der Stelle x.

       Der Gradient nabla f einer reellwertigen Funktion f ist die transponierte totale Ableitung von f. Der Gradient ist ein Spaltenvektor, während die totale Ableitung von f ein Zeilenvektor ist.

      Diesen Zusammenhang zwischen partiellen Ableitungen und der totalen Ableitung einer reellwertigen Funktion finden Sie analog auch bei vektorwertigen Funktionen.

       Existiert die totale Ableitung einer vektorwertigen Funktion f colon double-struck upper R Superscript n Baseline right-arrow double-struck upper R Superscript m mit den Komponentenfunktionen f Subscript i an der Stelle x overbar element-of upper D left-parenthesis f right-parenthesis subset-of-or-equal-to double-struck upper R Superscript n, dann existieren dort auch die partiellen Ableitungen StartFraction partial-differential f Subscript i Baseline Over partial-differential x Subscript j Baseline EndFraction von f. Die totale Ableitung von f ist dann durch die Matrix

upper D f left-parenthesis x overbar right-parenthesis equals Start 4 By 4 Matrix 1st Row 1st Column StartFraction partial-differential f 1 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 1 EndFraction 2nd Column StartFraction partial-differential f 1 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 2 EndFraction 3rd Column ellipsis 4th Column StartFraction partial-differential f 1 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x Subscript n Baseline EndFraction 2nd Row 1st Column StartFraction partial-differential f 2 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 1 EndFraction 2nd Column StartFraction partial-differential f 2 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 2 EndFraction 3rd Column ellipsis 4th Column StartFraction partial-differential f 2 left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x Subscript n Baseline EndFraction 3rd Row 1st Column vertical-ellipsis 2nd Column vertical-ellipsis 3rd Column down-right-diagonal-ellipsis 4th Column vertical-ellipsis 4th Row 1st Column StartFraction partial-differential f Subscript n Baseline left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 1 EndFraction 2nd Column StartFraction partial-differential f Subscript n Baseline left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x 2 EndFraction 3rd Column ellipsis 4th Column StartFraction partial-differential f Subscript n Baseline left-parenthesis x overbar right-parenthesis Over partial-differential x Subscript n Baseline EndFraction EndMatrix

      gegeben. Wie im Abschnitt »Totale Differenzierbarkeit« bereits erwähnt wurde, heißt diese Matrix upper D f Jacobi-Matrix von f.

      Ein Beispiel: Die Funktion g colon double-struck upper R squared right-arrow double-struck upper R mit

g left-parenthesis x 1 comma x 2 right-parenthesis colon equals StartLayout Enlarged left-brace 1st Row 1st Column StartFraction x 1 x 2 Over x 1 squared plus x 2 squared EndFraction 2nd Column falls 3rd Column left-parenthesis x 1 comma x 2 right-parenthesis not-equals left-parenthesis 0 comma 0 right-parenthesis 2nd Row 1st Column 0 2nd Column falls 3rd Column left-parenthesis x 1 comma x 2 right-parenthesis equals left-parenthesis 0 comma 0 right-parenthesis EndLayout

      ist nach dem Abschnitt »Nur einen Teil: Die partielle Ableitung« an der Stelle

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