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© 2001-2007 Prof. Dr. Hans Wilhelm Alt, University Bonn, Germany

Special transformations II

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Spezielle Transformationen II    [sect:4-16]

  • [sect:4-16-(1)] Zylinderkoordinaten im  R3 .  Sei  x = τ(r,θ,z)  mit:
    x1
    =
    r cosθ
    x2
    =
    r sinθ
    x3
    =
    z
    (Siehe Abbildung fig:zylinder.) Dann gilt für die JACOBI-Determinante:
    detD τ(r ,θ,z) = r
    wobei  r > 0 ,  - π< θ< π ,  z ∈R .

    -*- FIGURE NOT AVAILABLE -*-
    Zylinderkoordinaten  [fig:zylinder]

  • [sect:4-16-(2)] Kugelkoordinaten im  R3 .  Sei  x = τ(r,θ,ϕ)  mit:
    x1
    =
    r cosθ cosϕ
    x2
    =
    r sinθ cosϕ
    x3
    =
    r sinϕ
    (Siehe Abbildung fig:kugel.) Also gilt für die JACOBI-Determinante:
    detD τ(r ,θ,ϕ) = r2 cosϕ,
    wobei  r>0 ,  - π< θ< π ,  -π/2 < ϕ< π/2 .

    -*- FIGURE NOT AVAILABLE -*-
    Kugelkoordinaten  [fig:kugel]

  • [sect:4-16-(3)] Polarkoordinaten im  Rn .  Ausgehend von den Polarkoordianten auf dem  R2  führen wir die Polarkoordiaten auf dem  Rn  rekursiv durch folgende Vorschrift ein:
    τn+1(r,ϕ1,...,ϕn):=
    τn(r,ϕ1,...,ϕn-1) cosϕn
    r sinϕn
    (siehe ausführliche Darstellung im Königsberger)
  • [sect:4-16-(4)] Wir betrachten die Transformation
    τ:B1n-1(0)×]0,∞[ → {x∈Rn;  xn > 0},
    τ(y,r) := (ry,r sqrt(1-|y|2)).
    Dann gilt   detDτ(y,r)=rn-1/ sqrt(1-|y|2) .
  • [sect:4-16-(5)] Folgerung.  Sei  f ∈L1Rn  rotationssymmetrisch , d. h.
    ∃ ϕ:[0,∞] → Y   :  f(x)=ϕ(|x|).
    Dann ist
     
     
    Rn
    f(x) dx = nκn

    0
    rn-1ϕ(r) dr .

Proof sect:4-16-(4). Für die JACOBI-Matrix von  Dτ(y,r)  rechnet man nach:
Dτ(y,r)=
r
0
0
y1
0
0
0
0
r
yn-1
-
ry1
 
sqrt(1-|y|2)
 
-
ryn-1
 
sqrt(1-|y|2)
 
sqrt(1-|y|2)
Wir fassen die Determinante als  n -Linearform der Spaltenvektoren einer Matrix auf und berechnen
detDτ(y,r)
=
det ( re1+y1en,...,ren-1+yn-1en, -
 
i<n
ryi
 
sqrt(1-|y|2)
 
ei+ sqrt(1-|y|2)en )
=
rn-1 sqrt(1-|y|2)-rn-2
 
i<n
ryi2
 
sqrt(1-|y|2)
 
det(e1,...,ei-1,en,ei+1,...,en-1,ei)
=
rn-1 ( sqrt(1-|y|2)+
|y|2
 
sqrt(1-|y|2)
 
) =
rn-1
 
sqrt(1-|y|2)
 
.
Dabei bezeichnen die  ej  die Standardbasisvektoren des  Rn .

Proof sect:4-16-(5). Sei  V⊂Rn-1  und  U⊂Rn  sowie
τ:]0,∞[×V → U    mit
 |τ(r,y)|=r  und  | detDτ(r,y)|=rn-1ω(y) . Da  f  rotationssymmetrisch ist, gilt  f(τ(r,y))=ϕ(|τ(r,y)|)=ϕ(r) . Mit dem Transformationssatz (Satz satz:4-12) folgt
 
U
f(x) dx
=

0
(
 
V
f(τ(r,y))rn-1ω(y) dy ) dr
=

0
rn-1ϕ(r) dr ·
 
V
ω(y) dy.
Zur Berechnung des Faktors  α:=∫ Vω(y) dy  wählen wir  U:=Rn  und  f:= ΧB1(0)  . Dann gilt
κn=
 
 
Rn
ΧB1(0) dx=
1
0
rn-1 dr ·
 
V
ω(y) dy,    also
α=
 
V
ω(y) dy = n·κn.

Als Anwendungsbeispiel leiten wir eine Formel für die Transformation des DIRICHLET-Integrals her.

Transformation des DIRICHLET-Integrals    [sect:4-17]

Sei  Ω⊂Rn  offen,  u:Ω → R  stetig differenzierbar mit  |∇u|2∈L1(Ω) . Dann heißt
 
Ω
| ∇u(x) | 2 dx
das DIRICHLET-Integral von  u .

Ist  τ:Ω̃ → Ω  ein Diffeomorphismus, so gilt

 
Ω
|∇u(x)|2 dx=
 
Ω̃
∇ũ(y) •G-1(y)∇ũ(y) sqrt( det G(y)) dy
mit  ũ:=u∘τ  und  G:=(Dτ)TDτ .
Proof. Nach dem Transformationssatz satz:4-12 gilt
 
Ω
|∇u|2 dLn=
 
Ω̃
|(∇u)∘τ(y)|2| detDτ(y)| dy.
Bezeichne nun  ∂i  die partielle Ableitung in die  i -te Richtung. Dann ist
iũ=
n
k=1
(∂k u)∘τ∂iτk,    Dτ=(∂iτk)k,i,
was gleichbedeutend ist mit
∇ũ=(Dτ)T∇u.
Es folgt
|(∇u)∘τ|2
=
(∇u)∘τ•(∇u)∘τ
=
( (Dτ)-T∇ũ )( (Dτ)-T∇ũ )
=
∇ũ•(Dτ)-1(Dτ)-T∇ũ
=
∇ũ•G-1∇ũ,
und es ist   det G=( det Dτ)2 > 0 .


Version 1.7
H.W. Alt - 02.01.2007

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