Die notwendige Bedingung

Aus dem Satz von Schwarz über die Vertauschbarkeit der Reihenfolge beim partiellen Differenzieren folgt nun im Kontext von Vektorfeldern

Satz:

Wenn ein stetig differenzierbares Vektorfeld \(\vec{f}\) ein Potential $V$ besitzt, dann ist

\(\displaystyle\frac{\partial f_{\color{red}{j}}}{\partial x_{\color{red}{k}}}(\vec{x})=\displaystyle\frac{\partial f_{\color{red}{k}}}{\partial x_{\color{red}{j}}}(\vec{x})\) für alle Indizes \(j,k\in\{1,2,\ldots,n\}.\)

Begründung: Wenn \(V\) ein Potential von \(\vec{f}\) ist, dann gilt zunächst nach Definition eines Potentials \(\displaystyle\frac {\partial V}{\partial x_ j}(\vec{x})=f_ j(\vec{x})\) und es ist

\(\displaystyle\frac{\partial f_j}{\partial x_k}(\vec{x})=\displaystyle\frac{\partial }{\partial x_k}\displaystyle\frac{\partial V}{\partial x_j}(\vec{x})=\displaystyle\frac{\partial }{\partial x_j}\displaystyle\frac{\partial V}{\partial x_k}(\vec{x})=\displaystyle\frac{\partial f_k}{\partial x_j}(\vec{x}).\)

Satz (Wegunabhängigkeit des Kurvenintegrals)

Wenn ein Vektorfeld \(\vec{f}:\mathbb{R}^n\to \mathbb{R}^n\) ein Potential $V$ besitzt, dann gilt für jede stückweise stetig differenzierbare Kurve \(\vec{\gamma }: [a,b] \rightarrow \mathbb{R}^n\)

\( \displaystyle\int\limits_{\vec{\gamma}}\vec{f}\,\mathrm{d}s=V(\vec{\gamma}(b)) -V(\vec{\gamma}(a)),\)

das heißt, das Kurvenintegral hängt nicht vom genauen Verlauf der Kurve, sondern nur von deren Anfangs- und Endpunkt ab.

Falls \(\gamma\) eine geschlossene Kurve ist, dann ist \(\displaystyle \int \limits _{\vec{\gamma }} \vec{f} \,\mathrm{d}\vec{s} =0\).

Beweis: Für die Funktion \(V\circ \vec{\gamma }:[a,b]\to \mathbb{R}\) ist

$\displaystyle\frac{d}{dt}V(\vec{\gamma}(t))=\sum\limits_{j=1}^n\displaystyle\frac{\partial V}{\partial x_j}(\vec{\gamma}(t))\cdot \dot{\vec{\gamma}}_j(t)=\sum\limits_{j=1}^nf_j(\vec{\gamma}(t))\cdot \dot{\vec{\gamma}}_j(t).$

Nach der Definition des Kurvenintegrals ist daher

\( \displaystyle\int\limits_{\vec{\gamma}}f\,\mathrm{d}s=\int\limits_a^b\displaystyle\sum\limits_{j=1}^nf_j(\vec{\gamma}(t))\cdot \dot{\vec{\gamma}}_j(t)\,\mathrm{d}t=\int\limits_a^b\displaystyle\frac{d}{dt}V(\vec{\gamma}(t))\,\mathrm{d}t=V(\vec{\gamma}(b))-V(\vec{\gamma}(a)).\)

Falls \(\vec{\gamma }\) eine geschlossene Kurve ist, dann ist \(\vec{\gamma }(a)=\vec{\gamma }(b)\) und damit \(V(\vec{\gamma }(b))-V(\vec{\gamma }(a))=0\).

Sie haben 100% der Lektion erledigt.
100%