Vektoranalysis

Vektoranalysis ist ein Teilgebiet der Mathematik, das sich hauptsächlich mit Vektorfeldern in zwei oder mehr Dimensionen beschäftigt und dadurch die bereits in der Schulmathematik behandelten Gebiete der Differential- und der Integralrechnung wesentlich verallgemeinert. Das Gebiet besteht aus einem Satz von Formeln und Problemlösungstechniken, die zum Rüstzeug von Ingenieuren und Physikern gehören, aber gewöhnlich erst im zweiten oder dritten Semester an den entsprechenden Hochschulen erlernt werden.

Betrachtet werden Vektorfelder, die jedem Punkt des Raumes einen Vektor zuordnen, und Skalarfelder, die jedem Punkt des Raumes einen Skalar zuordnen. Die Temperatur eines Swimmingpools ist ein Skalarfeld: Jedem Punkt wird der Skalarwert seiner Temperatur zugeordnet. Die Wasserbewegung entspricht dagegen einem Vektorfeld, da jedem Punkt ein Geschwindigkeitsvektor zugeordnet wird, der Betrag und Richtung hat.

Die meisten analytischen Ergebnisse sind leichter mit Hilfe der Differentialgeometrie zu verstehen, einer Theorie, die die Vektoranalysis umfasst. Die Hauptanwendungen liegen in der Elektrodynamik.

Die drei kovarianten Differentialoperatoren

Drei Rechenoperationen sind in der Vektoranalysis von besonderer Bedeutung, weil sie Felder produzieren, die sich bei räumlicher Drehung des ursprünglichen Feldes mitdrehen. Operativ formuliert: Bei Gradient, Rotation und Divergenz ist es egal, ob sie vor oder nach einer Drehung angewendet werden. Diese Eigenschaft folgt aus den koordinatenunabhängigen Definitionen (siehe jeweilige Hauptartikel) und ist nicht selbstverständlich. Z.B. wird aus einer partiellen Ableitung nach x unter 90-Grad-Drehung eine partielle Ableitung nach y. Im folgenden ist $\partial$ der Operator der partiellen Ableitung und $\vec\nabla$ der Nabla-Operator.

• Gradient eines Skalarfeldes: Gibt die Richtung und Stärke des steilsten Anstiegs eines Skalarfeldes an. Der Gradient eines Skalarfeldes ist ein Vektorfeld.

$\operatorname{grad}\,\phi:=\vec \nabla\phi = \begin{pmatrix} \frac{\partial\phi} {\partial x} \\[0.2cm] \frac{\partial\phi}{\partial y} \\[0.2cm] \frac{\partial\phi}{\partial z} \end{pmatrix}$

• Divergenz eines Vektorfeldes: Gibt die Tendenz eines Vektorfeldes an, von Punkten wegzufließen (das gilt für positives Vorzeichen; bei negativem Vorzeichen handelt es sich dementsprechend um die Tendenz zu den Punkten hinzufließen). Die Divergenz eines Vektorfeldes ist ein Skalarfeld. Und zwar folgt aus dem Gauß’schen Integralsatz (siehe unten), dass die Divergenz die lokale Quellendichte eines Vektorfeldes beschreibt.

$\operatorname{div}~\vec F:=\vec \nabla \cdot \vec F = \frac{\partial F_x}{\partial x} + \frac{\partial F_y}{\partial y}+ \frac{\partial F_z}{\partial z}$

Die beiden genannten Definitionen, $\operatorname{grad}$ und $\operatorname{div}$, können leicht von 3 auf n Dimensionen verallgemeinert werden. Bei der im Folgenden behandelten Rotation ist das dagegen nicht möglich, weil die Zahl der linear unabhängigen Komponenten

$\frac{\partial F_i}{\partial x_k} - \frac{\partial F_k}{\partial x_i},$ die in der Definition vorkommen, zu groß würde. Aber für n = 3 kann man definieren:

• Rotation eines Vektorfeldes: Gibt die Tendenz eines Vektorfeldes an, um Punkte zu rotieren; die Rotation eines Vektorfeldes ist ein Vektorfeld von Pseudovektoren. Und zwar folgt aus dem Stokes’schen Integralsatz (siehe unten), dass die Rotation die lokale Wirbeldichte eines Vektorfeldes beschreibt.

$\operatorname{rot}~\vec F := \vec \nabla\times\vec F = \begin{pmatrix} \frac{\partial F_z}{\partial y} - \frac{\partial F_y}{\partial z} \\[0.2cm] \frac{\partial F_x}{\partial z} - \frac{\partial F_z}{\partial x} \\[0.2cm] \frac{\partial F_y}{\partial x} - \frac{\partial F_x}{\partial y} \end{pmatrix}$

Inverse Integraloperatoren

Zu den oben vorgestellten Differentialoperatoren existieren bei entsprechender Definition auch die inversen Integraloperatoren. Sie sind vor allem in der englischen Fachliteratur üblich. Sie ermöglichen unter anderem in der Elektrodynamik in Kombinationen mit den Greenschen Funktionskernen oft einfachere und elegantere Lösungswege. Sie bedürfen analog zu den Differentialoperatoren im konkreten Einzelfall der Anpassung der Integration in einem entsprechenden Koordinatensystem.

• Integraloperator $\operatorname{div}^{-1}$: Der Definitionsbereich des Operators ist die Menge aller Quellendichten $\operatorname{div}\,\vec F = y(\vec r)$. Sein Wertebereich umfasst die Menge aller Vektorfelder mit verschwindender Wirbelfeldkomponente. Angewandt auf die Quellendichte liefert der Operator $\operatorname{div}^{-1}$ das zugehörige Quellenfeld.

• Integraloperator $\operatorname{rot}^{-1}$: Der Definitionsbereich des Operators ist die Menge aller Wirbeldichten $\operatorname{rot}\,\vec F = \vec Y$. Sein Wertebereich umfasst die Menge aller Vektorfelder mit verschwindender Quellenfeldkomponente. Angewandt auf die Wirbeldichte liefert der Operator $\operatorname{rot}^{-1}$ das zugehörige Wirbelfeld.

• Integraloperator $\operatorname{grad}^{-1}$: Der Definitionsbereich des Operators ist die Menge aller Gradientenfelder $\operatorname{grad}\,\phi = \vec X$. Sein Wertebereich umfasst die Menge aller Potentialfelder mit verschwindendem ortsunabhängigen Anteil ϕ₀. Lässt man alle Potentialfelder zu, besitzt $\operatorname {grad}^{-1}$ die Eigenschaft eines unbestimmten Integrals mit der dabei auftretenden Integrationskonstante ϕ₀.

Integralsätze

Integralsatz von Gauß

→ Hauptartikel: Gaußscher Integralsatz

Im Folgenden sei das „Integrationsvolumen“ V n-dimensional.

Das Volumenintegral über den Gradienten einer skalaren Größe $\phi\,$ kann dann in ein Oberflächenintegral (bzw. Hyperflächenintegral) über den Rand dieses Volumens umgewandelt werden:

$\int_V\operatorname{grad}\,\phi(\vec x)\mathrm dV = \oint_{\partial V}\phi\,\mathrm d\vec A.$

Auf der rechten Seite wird durch das Symbol im Zentrum des Integrals daran erinnert, dass man es infolge der Randbildung mit einer geschlossenen Fläche (bzw. einer geschlossenen Hyperfläche) zu tun hat.

Die Umwandlung in ein Oberflächenintegral ist ebenfalls für die Divergenz einer vektoriellen Größe möglich: Das Integral der Divergenz über das gesamte Volumen ist gleich dem Integral des Flusses aus der Oberfläche,

$\int_V\operatorname{div}\,\vec F(\vec x)\mathrm dV =\oint_{\partial V}\vec F\cdot\mathrm d\vec A.$

Dies ist der eigentliche Gauß’sche Integralsatz. Er gilt – wie gesagt – nicht nur für n = 3.^[1]

Satz von Stokes

→ Hauptartikel: Integralsatz von Stokes

Im Folgenden ist n = 3 und es wird die Schreibweise mit Mehrfachintegralen verwendet.

Das geschlossene Kurvenintegral einer vektoriellen Größe (rechte Seite) kann mittels der Rotation in ein Flächenintegral über eine von dem geschlossenen Integrationsweg $\Gamma =\partial A$ berandete, nicht notwendig ebene Fläche umgewandelt werden (linke Seite). Dabei werden – wie auch beim Gauß’schen Satz – die gewöhnlichen Orientierungseigenschaften vorausgesetzt. Es gilt:

$\iint_A\operatorname{rot}\,\vec F\cdot\mathrm d\vec A = \oint_{\Gamma=\partial A} \vec F(\vec x) \cdot \mathrm d\vec r.$

Der Vektor $\mathrm d\vec A$ ist gleich dem Betrag der zur betrachteten Fläche A bzw. zu $\partial V$ gehörenden infinitesimalen Flächenelemente multipliziert mit dem zugehörigen Normalenvektor. Auf der rechten Seite wird durch das Kreissymbol im Integralzeichen daran erinnert, dass man von einer geschlossenen Kurve ausgeht.

Fundamentalzerlegung

→ Hauptartikel: Helmholtzscher Zerlegungssatz

Der Fundamentalsatz der Vektoranalysis, auch Helmholtzscher Zerlegungssatz genannt, beschreibt den allgemeinen Fall. Er sagt aus, dass sich jedes Vektorfeld $\vec F$ als eine Überlagerung eines Quellenanteils $\vec F_Q$ und eines Wirbelanteils $\vec F_W$ beschreiben lässt. Ersterer ist der negative Gradient einer Superposition von skalaren Coulomb-artigen Potentialen, bestimmt durch die Quellendichte als formale „Ladungsdichte“ $\rho':=\operatorname{div}'\vec F(\vec r^{\,'})$, wie bei statischen elektrischen Feldern; letzterer ist die Rotation eines Vektorpotentials, wie beim Biot-Savart’schen Gesetz der Magnetostatik, bestimmt durch die Wirbeldichte als formale „Stromdichte“ $\vec j^{\,'}:=\operatorname{rot}'\vec F(\vec r^{\,'}):$

$\vec F \equiv \vec F_Q + \vec F_W.$

Man kann die Gültigkeit einer solchen Zerlegung anschaulich am Verlauf eines Baches verfolgen: An Stellen mit großem Gefälle und bei geradlinigem Verlauf wird die Strömung durch den Gradientenanteil dominiert, während an flachen Stellen, besonders, wenn der Bach um eine „Ecke“ oder eine kleine Insel herumströmt, der Wirbelanteil vorherrscht.

Und zwar gilt, wenn die Komponenten des Vektors $\vec F$ überall zweimal stetig-differenzierbar sind (andernfalls muss man an den Grenzflächen Volumenintegrale $\textstyle \iiint \mathrm dV \nabla \dots$ durch Flächenintegrale $\textstyle \iint\mathrm d^{(2)}A\vec n \dots$ ersetzen) und im Unendlichen hinreichend rasch verschwinden, die folgende Formel, die genau der erwähnten Kombination aus der Elektrodynamik entspricht und alle angesprochenen Operatoren enthält:

$\vec F(\vec r)\equiv -\operatorname{grad}\left\{\iiint_{\R^3}\,\mathrm dV'\,\frac{\mathrm{div}'\vec F(\vec r^{\,'})}{4\pi|\vec r -\vec r^{\,'}|}\right\}+\operatorname{rot}\left\{\iiint_{\R^3}\,\mathrm dV'\,\frac{\operatorname{rot}'\vec F(\vec r^{\,'})}{4\pi|\vec r -\vec r^{\,'}|}\right\}.$

Ein allgemeines Vektorfeld ist bezüglich seiner physikalischen Bedeutung daher nur dann eindeutig spezifiziert, wenn sowohl Aussagen über die Quellen- als auch Wirbeldichten und ggf. die notwendigen Randwerte vorliegen.

Identitäten

Diese Identitäten erweisen sich oft bei Umformungen als nützlich:

• $\nabla \,\frac{1}{r} =\operatorname{grad} \,\frac{1}{r} = -\frac{\vec r}{r^3}$ für $r\ne 0.$

Diese Beziehung ist nützlich bei der Herleitung des Potentials zum Feld einer Punktladung (Coulomb’sches Gesetz).

Dabei ist $\vec r$ der Vektor mit den kartesischen Komponenten x bzw. y bzw. z; also vereinfacht geschrieben: $\vec r=(x,y,z).$ Ferner ist $r=|\vec r|=\sqrt{x^2+y^2+z^2}.$

• $\vec \nabla \times \big( \vec \nabla \times \vec F \big) = \vec \nabla \big( \vec \nabla \cdot \vec F \big) - \nabla^2 \vec F$ bzw.
  $\operatorname{rot}(\operatorname{rot}\,\vec F) = \operatorname{grad}(\operatorname{div}\,\vec F)-\nabla^2\vec F$

Diese Beziehung wird häufig zur Herleitung der Wellengleichung in der Elektrodynamik verwendet.

• $\nabla\times (\nabla \phi ) =\operatorname{rot}\,\operatorname{grad}\,\phi \equiv 0$ für alle Skalarfelder $\phi\!\,$.
• $\nabla\cdot(\nabla\times\vec F) =\operatorname{div}\,\operatorname{rot}\,\vec F \equiv 0$ für alle Vektorfelder $\vec F$.
• $\nabla\cdot (\nabla \phi_1 \times \nabla\phi_2) = \operatorname{div}\,(\operatorname{grad}\,\phi_1 \times \operatorname{grad}\,\phi_2) \equiv 0$ für alle Skalarfelder $\phi_1,~\!\,\phi_2$.

In den beiden nächsten Abschnitten werden anstelle von $\vec F$ die in anderem Zusammenhang (Elektrodynamik) üblichen Bezeichnungen $\vec E$ bzw. $\vec B$ benutzt:

Folgerung aus dem Verschwinden der Rotation

Falls $\vec \nabla \times \vec E =\operatorname{rot}\,\vec E \equiv 0$ ist, folgt $\vec E \equiv -\vec \nabla \phi =-\operatorname{grad}\,\phi$ mit einem Skalarpotential $\phi\,$. Dieses ist durch den ersten Teil der obigen Fundamentalzerlegung gegeben und identisch mit dem entsprechenden Dreifachintegral, ist also durch die Quellendichte bestimmt.

$\vec E$ beziehungsweise $\phi\,$ sind die in der Elektrostatik üblichen Bezeichnungen für das elektrische Feld und dessen Potential. Dort ist die angegebene Voraussetzung erfüllt.

Folgerung aus dem Verschwinden der Divergenz

Falls $\vec \nabla \cdot \vec B =\operatorname{div}\,\vec B \equiv 0$ ist, folgt $\vec B\equiv\vec \nabla \times \vec A =\operatorname{rot}\,\vec A$ mit einem sog. Vektorpotential $\vec A$. Dieses ist durch den zweiten Teil der obigen Fundamentalzerlegung gegeben und identisch mit dem entsprechenden Dreifachintegral, ist also durch die Wirbeldichte bestimmt.

$\vec B$ bzw. $\vec A$ sind die in der Magnetostatik üblichen Bezeichnungen für die magnetische Induktion bzw. deren Vektorpotential. Dort ist wiederum die Voraussetzung erfüllt.

Literatur

• Klaus Jänich: Vektoranalysis, Springer, Berlin März 2005, ISBN 3-540-23741-0
• Lothar Papula: Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler Band 3. Vektoranalysis, Wahrscheinlichkeitsrechnung [...], Vieweg Verlag Januar 2001, ISBN 3-528-34937-9
• M. Schneider: Über die Verwendung der Operatoren div^-1, rot^-1, grad^-1 in der Feldtheorie, Archiv für Elektrotechnik, Springer Verlag, 1997
• Donald E. Bourne, Peter C. Kendall: Vektoranalysis, Teubner, Stuttgart 1973, ISBN 3-519-02044-0

Weblinks

 Wikibooks: Vektoranalysis – Lern- und Lehrmaterialien

 Wikisource: J. Willard Gibbs: Elements of Vector Analysis – Quellen und Volltexte

Einzelnachweise

1. ↑ Im Dreidimensionalen schreibt man Volumenintegrale oft mit drei und Flächenintegrale oft mit zwei Integralzeichen. Dabei benutzt man bei geschlossenen Flächen ein spezielles Doppelintegral, das vom Symbol einer Kugelfläche umhüllt wird. Leider existiert für dieses spezielle Doppelintegral kein zu \oint analoges TeX-Zeichen.