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Nabla-Operator


Der Nabla-Operator ist ein Symbol, das in der Vektor- und Tensoranalysis benutzt wird, um kontextabhängig einen der drei Differentialoperatoren Gradient, Divergenz oder Rotation zu notieren. Das Formelzeichen des Operators ist das Nabla-Symbol [math]\nabla[/math] (auch [math]\vec{\nabla}[/math] oder [math]\underline\nabla[/math], um die formale Ähnlichkeit zu üblichen vektoriellen Größen zu betonen). Der Name „Nabla“ leitet sich von einem harfenähnlichen phönizischen[1] Saiteninstrument ab, das in etwa die Form dieses Zeichens hatte. Eingeführt wurde die Schreibweise vom Mathematiker Peter Guthrie Tait (1831–1901). Im Englischen wird der Operator als „del“ bezeichnet.[2]

Definition

Formal ist der Nabla-Operator ein Vektor, dessen Komponenten die partiellen Ableitungsoperatoren [math]\textstyle\frac\partial{\partial x_i}[/math] sind:

[math] \vec\nabla =\left (\frac\partial{\partial x_1},\ldots,\frac\partial{\partial x_n}\right) [/math]

Er kann dabei sowohl als Spalten-Vektor (zum Beispiel grad) als auch als Zeilen-Vektor (zum Beispiel div) auftreten.[3] Im dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem schreibt man auch:

[math] \vec\nabla =\left(\frac\partial {\partial x},\frac\partial {\partial y},\frac\partial {\partial z}\right) =\vec e_x\frac\partial {\partial x} +\vec e_y\frac\partial {\partial y} +\vec e_z\frac\partial {\partial z} [/math]

Dabei sind [math]\vec e_x[/math], [math]\vec e_y[/math] und [math]\vec e_z[/math] die Einheitsvektoren des Koordinatensystems. In allgemein krummlinigen Koordinaten [math]\Theta_i[/math] sind die Einheitsvektoren durch die kontravarianten Basisvektoren zu ersetzen:

[math] \vec\nabla =\sum_{i=1}^n\vec{g}^i\frac\partial {\partial\Theta_i} \quad\text{mit}\quad \vec{g}^i:=\operatorname{grad}\Theta_i \,. [/math]

Darin ist grad der Gradientenoperator. Bei der Anwendung dieses Nabla-Operators auf ein Vektorfeld ist zu beachten, dass die Basisvektoren in krummlinigen Koordinatensystemen im Allgemeinen von den Koordinaten [math]\Theta_i[/math] abhängen und ebenfalls zu differenzieren sind.

Gerechnet wird mit dem Nabla-Operator wie mit einem Vektor, wobei das „Produkt“ von beispielsweise [math]\textstyle\frac\partial{\partial x_i}[/math] mit einer rechts davon stehenden Funktion [math]f[/math] als partielle Ableitung [math]\textstyle\frac{\partial f}{\partial x_i}[/math] interpretiert wird.

Darstellung anderer Differentialoperatoren

Im n-dimensionalen Raum

Sei [math]D\subset\mathbb R^n[/math] eine offene Teilmenge, [math]f\colon D\to\R[/math] eine differenzierbare Funktion und [math]\vec{V} = (V_1,\dots, V_n)^\top\colon D\to\R^n[/math] ein differenzierbares Vektorfeld. Das hochgestellte bezeichnet die Transposition.

Das (formale) Produkt von [math]\vec\nabla[/math] mit der Funktion [math]f[/math] ergibt deren Gradient:

[math] \vec\nabla f =\operatorname{grad} f =\left (\frac{\partial f}{\partial x_1},\ldots,\frac{\partial f}{\partial x_n}\right)^\top\,. [/math]

Das transponierte (formale) dyadische Produkt[math]\otimes[/math]“ von [math]\vec\nabla[/math] mit dem Vektorfeld [math]\vec V[/math] ergibt dessen Gradient oder Jacobi-Matrix:

[math] (\vec\nabla\otimes\vec V)^\top =\operatorname{grad}\vec V = J_{\vec V} = \begin{pmatrix} \frac{\partial V_1}{\partial x_1} &\ldots &\frac{\partial V_1}{\partial x_n}\\ \vdots &\ddots &\vdots\\ \frac{\partial V_n}{\partial x_1} &\ldots &\frac{\partial V_n}{\partial x_n} \end{pmatrix} \,.[/math]

Das (formale) Skalarprodukt mit dem Vektorfeld [math]\vec V[/math] ergibt dessen Divergenz:

[math] \vec\nabla\cdot\vec V =\operatorname{div}\vec{V} =\sum_{i=1}^n\frac{\partial V_i}{\partial x_i}\,. [/math]

Sie ist die Spur des Gradienten. Das (formale) Skalarprodukt [math]\vec\nabla^2[/math] von [math]\vec\nabla[/math] mit sich selbst ergibt den Laplace-Operator [math]\Delta[/math], denn es gilt

[math] \vec\nabla^2 =\vec\nabla\cdot\vec\nabla =\sum_{i = 1}^n\frac{\partial^2}{\partial x_i^2} =\Delta\,. [/math]

Bei einem gegebenen Vektor [math]\vec H[/math] kann mit dem Operator

[math] \operatorname{D}_{\vec H}:=\vec{H}\cdot\vec{\nabla} =\sum_{i = 1}^n H_i\frac{\partial}{\partial x_i} \,,[/math]

die Richtungsableitung von differenzierbaren Funktionen f in Richtung des Vektors [math]\vec H[/math] berechnet werden:

[math] \operatorname{D}_{\vec H} f =(\vec{H}\cdot\vec{\nabla})f =\vec{H}\cdot\vec{\nabla}f =\vec H\cdot\operatorname{grad}(f) =\operatorname{grad}(f)\cdot\vec H \,,[/math]

siehe den Zusammenhang zwischen Gradient und Richtungsableitung. Ist die Funktion ein Vektorfeld [math]\vec V[/math], dann berechnet sich das Produkt aus der Jacobi-Matrix des Feldes und dem Vektor:

[math] \begin{align} \operatorname{D}_{\vec H}\vec{V} &= \underbrace{(\vec{H}\cdot\vec{\nabla})\vec V} =\vec H\cdot(\vec\nabla\otimes\vec V) =(\vec\nabla\otimes\vec V)^\top\cdot\vec H &=&\underbrace{J_{\vec V}}\cdot\vec H \\&= \begin{pmatrix} H_1\frac{\partial}{\partial x_1}V_1 +& \ldots &+ H_n\frac{\partial}{\partial x_n}V_1\\ \vdots & \ddots & \vdots\\ H_1\frac{\partial}{\partial x_1}V_n +& \ldots& +H_n\frac{\partial}{\partial x_n}V_n \end{pmatrix} &=& \begin{pmatrix} \frac{\partial V_1}{\partial x_1} &\ldots &\frac{\partial V_1}{\partial x_n}\\ \vdots &\ddots &\vdots\\ \frac{\partial V_n}{\partial x_1} &\ldots &\frac{\partial V_n}{\partial x_n} \end{pmatrix} \begin{pmatrix}H_1\\ \vdots \\ H_n\end{pmatrix} \,,\end{align} [/math]

siehe Vektorgradient und die Anwendung in der Kontinuumsmechanik unten.

Im dreidimensionalen Raum

Sei [math]D\subset\mathbb R^3[/math] nun eine offene Teilmenge, [math]f\colon D\to\R[/math] eine differenzierbare Funktion und [math]\vec{V}=(V_x, V_y , V_z)^\top\colon D\to\R^3[/math] ein differenzierbares Vektorfeld. Die Indizes ...x,y,z bezeichnen hier die Vektorkomponenten und keine Ableitungen. Im dreidimensionalen Raum [math]\R^3[/math] mit den kartesischen Koordinaten [math]x[/math], [math]y[/math], [math]z[/math] stellen sich die obigen Formeln wie folgt dar:

Der Nabla-Operator angewandt auf das Skalarfeld [math]f[/math] ergibt den Gradienten des Skalarfeldes

[math] \operatorname{grad}f =\vec\nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}\right)^\top = \frac{\partial f}{\partial x}\vec e_x +\frac{\partial f}{\partial y}\vec e_y +\frac{\partial f}{\partial z}\vec e_z\,. [/math]

Das Ergebnis ist ein Vektorfeld. Hierbei sind [math]\vec e_x,\,\vec e_y,\,\vec e_z[/math] die Einheitsvektoren des [math]\R^3[/math].

Der Nabla-Operator angewandt auf das Vektorfeld [math]\vec{V}[/math] ergibt die Divergenz des Vektorfeldes als formales Skalarprodukt mit dem Vektorfeld zu

[math] \operatorname{div}\vec{V} = \vec{\nabla}\cdot\vec{V} = \frac{\partial V_x}{\partial x} +\frac{\partial V_y}{\partial y} +\frac{\partial V_z}{\partial z}, [/math]

also ein Skalarfeld.

Eine Besonderheit des dreidimensionalen Raums ist die Rotation eines Vektorfelds. Sie ergibt sich durch (rechtsseitige) Verknüpfung über das formale Kreuzprodukt als

[math] \operatorname{rot}\vec{V} = \vec{\nabla}\times\vec{V} = \begin{pmatrix} \frac{\partial V_z}{\partial y} -\frac{\partial V_y}{\partial z}\\ \frac{\partial V_x}{\partial z} -\frac{\partial V_z}{\partial x}\\ \frac{\partial V_y}{\partial x} -\frac{\partial V_x}{\partial y} \end{pmatrix}\,, [/math]

also wieder ein Vektorfeld.

Zylinderkoordinaten (ρ,φ,z) und Kugelkoordinaten (r,φ,θ) sind Beispiele für krummlinige Koordinaten. Die Formeln für den Gradient in Zylinder- und Kugelkoordinaten ergeben sich aus den Nabla-Operatoren

[math] \begin{align} \text{in Zylinderkoordinaten:}\quad& \vec\nabla = \vec{e}_\rho\frac{\partial}{\partial\rho} +\frac1\rho\vec{e}_\varphi\frac{\partial}{\partial\varphi} +\vec{e}_z\frac{\partial}{\partial z} \\ \text{bzw. Kugelkoordinaten:}\quad& \vec\nabla = \vec{e}_r\frac{\partial}{\partial r} +\frac{1}{r}\vec{e}_\theta\frac{\partial}{\partial\theta} +\frac{1}{r\sin\theta}\vec{e}_{\varphi}\frac{\partial}{\partial\varphi} \,.\end{align} [/math]

Bei der Anwendung auf ein Vektorfeld ist wie oben erwähnt zu beachten, dass die Basisvektoren in krummlinigen Koordinatensystemen im Allgemeinen wie auch hier von den Koordinaten abhängen und ebenfalls zu differenzieren sind. Beispielsweise ergibt sich für die Divergenz eines Vektorfeldes in Zylinderkoordinaten, wo die Basisvektoren [math]\vec{e}_\rho[/math] und [math]\vec{e}_\varphi[/math] vom Winkel φ abhängen und [math]\tfrac{\partial}{\partial\varphi}\vec{e}_\rho=\vec{e}_\varphi,\,\tfrac{\partial}{\partial\varphi}\vec{e}_\varphi=-\vec{e}_\rho[/math] gilt:

[math] \begin{align} \operatorname{div}\vec V =&\vec\nabla\cdot\vec V =\left(\vec{e}_\rho\frac{\partial}{\partial\rho} +\frac1\rho\vec{e}_\varphi\frac{\partial}{\partial\varphi} +\vec{e}_z\frac{\partial}{\partial z}\right)\cdot(V_\rho\vec{e}_\rho+V_\varphi\vec{e}_\varphi+V_z\vec{e}_z) \\=& \frac{\partial}{\partial\rho}V_\rho +\frac1\rho\vec{e}_\varphi\cdot\frac{\partial}{\partial\varphi} (V_\rho\vec{e}_\rho+V_\varphi\vec{e}_\varphi+V_z\vec{e}_z) +\frac{\partial}{\partial z}V_z \\=& \frac{\partial}{\partial\rho}V_\rho +\frac1\rho\vec{e}_\varphi\cdot\left( \frac{\partial}{\partial\varphi}V_\rho\vec{e}_\rho +V_\rho\vec{e}_\varphi +\frac{\partial}{\partial\varphi}V_\varphi\vec{e}_\varphi -V_\varphi\vec{e}_\rho +\frac{\partial}{\partial\varphi}V_z\vec{e}_z \right) +\frac{\partial}{\partial z}V_z \\=& \frac{\partial}{\partial\rho}V_\rho +\frac1\rho V_\rho +\frac1\rho\frac{\partial}{\partial\varphi}V_\varphi +\frac{\partial}{\partial z}V_z \,.\end{align} [/math]

Notation mit Subskript

Wirkt der Nablaoperator nur auf bestimmte Komponenten einer Funktion mit einem mehrdimensionalen Argument, so wird dies durch ein Subskript angedeutet. Für eine Funktion [math]f(\vec{r},t)[/math] mit [math]\vec{r}=(x_1, x_2,\dotsc, x_n)[/math] beispielsweise ist

[math] \vec\nabla_{\vec{r}} f =\left(\frac{\partial f}{\partial x_1},\frac{\partial f}{\partial x_2},\dots,\frac{\partial f}{\partial x_n}\right)^\top [/math]

im Gegensatz zu

[math] \vec\nabla f =\left(\frac{\partial f}{\partial x_1},\frac{\partial f}{\partial x_2},\dots,\frac{\partial f}{\partial x_n},\frac{\partial{f}}{\partial t}\right)^\top \,. [/math]

Diese Bezeichnung ist üblich, wenn mit dem Nabla-Symbol das einfache Differential (d. h. die einzeilige Jacobi-Matrix) bzw. ein Teil davon bezeichnet wird.

Gelegentlich tritt alternativ für die Schreibweise mit dem Nabla-Symbol [math]\vec\nabla_{\vec{r}}[/math] die Schreibweise [math]\frac{\partial}{\partial\vec{r}}[/math] auf.[4]

Rechenregeln

Rechenregeln für den Nabla-Operator lassen sich formal aus den Rechenregeln für Skalar- und Kreuzprodukt zusammen mit den Ableitungsregeln herleiten. Dabei muss man die Produktregel anwenden, wenn der Nabla-Operator links von einem Produkt steht.

Sind [math]\psi[/math] und [math]\varphi[/math] differenzierbare Skalarfelder (Funktionen) und [math]\vec A[/math] sowie [math]\vec B[/math] differenzierbare Vektorfelder, so gilt:

[math] \vec{\nabla}\varphi(\psi) =\frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}\psi}\vec{\nabla}\psi [/math] (Kettenregel für Gradient)
[math] \vec\nabla(\psi\varphi)=\psi\vec\nabla\varphi+\varphi\vec\nabla\psi [/math] (Produktregel für Gradient)
[math] \vec\nabla(\vec A\cdot\vec B)=(\vec A\cdot\vec\nabla)\vec B+(\vec B\cdot\vec\nabla)\vec A+\vec A\times(\vec\nabla\times\vec B)+\vec B\times(\vec\nabla\times\vec A) [/math]
[math] \vec\nabla\cdot(\varphi\vec A)=\varphi\vec\nabla\cdot\vec A+\vec A\cdot\vec\nabla\varphi [/math]
[math] \vec\nabla\cdot(\vec A\times\vec B)=\vec B\cdot(\vec\nabla\times\vec A)-\vec A\cdot(\vec\nabla\times\vec B) [/math]
[math] \vec\nabla\cdot(\vec\nabla\varphi)=\operatorname{div(grad}\varphi)=\Delta\varphi [/math] (siehe auch Laplace-Operator)
[math] \vec\nabla\cdot(\vec\nabla\times\vec A)=\operatorname{div(rot}\vec A)=0 [/math]
[math] \vec\nabla\times(\vec\nabla\varphi)=\operatorname{rot(grad}\varphi)=0 [/math]
[math] \vec\nabla\times\varphi\vec A=\varphi\vec\nabla\times\vec A-\vec A\times\vec\nabla\varphi [/math]
[math] \vec\nabla\times (\vec A\times\vec B)=(\vec B\cdot\vec\nabla)\vec A-\vec B(\vec\nabla\cdot\vec A)+\vec A(\vec\nabla\cdot\vec B)-(\vec A\cdot\vec\nabla)\vec B [/math]
[math] \vec\nabla\times (\vec\nabla\times\vec A)=\operatorname{rot(rot}\vec A)=\operatorname{grad(div}\vec A) -\Delta\vec A [/math] (siehe auch vektorieller Laplace-Operator)

Weitere Rechenregeln siehe unter Gradient, Divergenz und Rotation.

Anwendung in der Kontinuumsmechanik

In der Kontinuumsmechanik wird der Nabla-Operator dazu verwendet, zusätzlich zu den oben genannten Operatoren den Gradient eines Vektorfeldes und die Divergenz sowie Rotation eines Tensorfeldes zu definieren. Hier kann der Nabla-Operator gelegentlich auch nach links wirken.[5]

Die Darstellung erfolgt wegen der Wichtigkeit der Rotation für die Kontinuumsmechanik in drei Dimensionen. Sei also [math]D\subset\mathbb R^3[/math] eine offene Teilmenge, [math]\vec{V} = (V_x, V_y, V_z)^\top\colon D\to\R^3[/math] ein differenzierbares Vektorfeld mit Komponenten Vx,y,z, die wie üblich nach dem Schema x→1, y→2 und z→3 durchnummeriert werden, und [math]\mathbf{T}\colon D\to\R^{3\times 3}[/math] ein differenzierbares Tensorfeld zweiter Stufe mit Komponenten [math]T_{ij}\,,\;i,j=x,y,z[/math] bezüglich eines kartesischen Koordinatensystems.

Das transponierte dyadische Produkt des Nabla-Operators mit einem Vektorfeld [math]\vec{V}[/math] ergibt – wie oben dargelegt – dessen Gradient

[math] (\vec{\nabla}\otimes\vec{V})^\top =\operatorname{grad}(\vec{V}) :=\sum_{j=1}^3\frac{\partial\vec{V}}{\partial x_j}\otimes\vec{e}_j =\sum_{i,j=1}^3\frac{\partial V_i}{\partial x_j}\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j =\begin{pmatrix} \frac{\partial V_x}{\partial x} &\frac{\partial V_x}{\partial y} &\frac{\partial V_x}{\partial z}\\ \frac{\partial V_y}{\partial x} &\frac{\partial V_y}{\partial y} &\frac{\partial V_y}{\partial z}\\ \frac{\partial V_z}{\partial x} &\frac{\partial V_z}{\partial y} &\frac{\partial V_z}{\partial z} \end{pmatrix} [/math]

also ein Tensorfeld zweiter Stufe. Der so definierte Gradient stimmt mit der Fréchet-Ableitung überein:

[math] \operatorname{grad}(\vec{V})\colon\quad \operatorname{grad}(\vec{V})\cdot\vec{h} =\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}s}\vec{V}(\vec{x}+s\vec{h})\right|_{s=0} =\lim_{s\rightarrow 0}\frac{\vec{V}(\vec{x}+s\vec{h})-\vec{V}(\vec{x})}{s}\quad\text{für alle}\;\vec{x},\vec{h}\in D \,. [/math]

Das linksseitige Skalarprodukt des Nabla-Operators mit einem Tensorfeld zweiter Stufe ergibt formal die Divergenz des Tensorfeldes:

[math] \vec\nabla\cdot\mathbf{T} =\operatorname{div}\mathbf{T} :=\sum_{k=1}^3\vec{e}_k\cdot\frac{\partial\mathbf{T}}{\partial x_k} =\sum_{i,j,k}^3\vec{e}_k\cdot\frac{\partial T_{ij}}{\partial x_k}(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j) =\sum_{i,j}^3\frac{\partial T_{ij}}{\partial x_i}\vec{e}_j =\begin{pmatrix} \frac{\partial T_{xx}}{\partial x} +\frac{\partial T_{yx}}{\partial y} +\frac{\partial T_{zx}}{\partial z}\\ \frac{\partial T_{xy}}{\partial x} +\frac{\partial T_{yy}}{\partial y} +\frac{\partial T_{zy}}{\partial z}\\ \frac{\partial T_{xz}}{\partial x} +\frac{\partial T_{yz}}{\partial y} +\frac{\partial T_{zz}}{\partial z} \end{pmatrix} [/math]

also ein Vektorfeld.

Das Kreuzprodukt des Nabla-Operators mit einem Tensor zweiter Stufe liefert dessen Rotation:

[math] \vec{\nabla}\times\mathbf{T} =\operatorname{rot}\mathbf{T} :=\sum_{i=1}^3\vec{e}_i\times\frac{\partial\mathbf{T}}{\partial x_i} =\sum_{i,j,l=1}^3\vec{e}_i\times\frac{\partial T_{jl}}{\partial x_i}(\vec{e}_j\otimes\vec{e}_l) =\sum_{i,j,k,l=1}^3 \epsilon_{ijk}\frac{\partial T_{jl}}{\partial x_i}(\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) [/math]

also ein Tensorfeld zweiter Stufe. Darin ist [math]\epsilon_{ijk} = (\vec{e}_i\times\vec{e}_j)\cdot\vec{e}_k[/math] das Permutationssymbol. Weitere Formeln und Definitionen beinhaltet die Formelsammlung Tensoranalysis.

Diese Operatoren sind in der Literatur nicht einheitlich definiert. Gelegentlich kommen transponierte Versionen vor:

Gradient [math]\tilde{\operatorname{grad}}\vec{V}:=\vec{\nabla}\otimes\vec{V} =\operatorname{grad}(\vec{V})^\top[/math]
Divergenz [math]\tilde{\operatorname{div}}\mathbf{T}:=\vec{\nabla}\cdot(\mathbf{T}^\top) =\operatorname{div}(\mathbf{T}^\top)[/math]
Rotation [math]\tilde{\operatorname{rot}}\mathbf{T}:=\vec{\nabla}\times(\mathbf{T}^\top) =\operatorname{rot}(\mathbf{T}^\top)[/math]

In den Formeln der Wikipedia sind dann die transponierten Tensoren einzusetzen, um sie mit den Formeln der Literatur zu vergleichen.

Siehe auch

Literatur

  • Bronstein, Semendjajew, Musiol, Mühlig: Taschenbuch der Mathematik. 5. Auflage. Harri Deutsch, 2001, ISBN 3-8171-2005-2 (Enthält alle hier genannten Eigenschaften, jedoch ohne Beweis.).
  • Jänich: Vektoranalysis. Springer, 1992, ISBN 3-540-55530-7 (Enthält nur die grundlegende Definition.).
  • Großmann: Mathematischer Einführungskurs für die Physik. Teubner, Stuttgart 1991 (siehe insbesondere Abschnitt 3.6).
  • H. Altenbach: Kontinuumsmechanik. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24118-5 (siehe Abschnitt 2.3 Tensoranalysis).

Weblinks

 Wikibooks: Formelsammlung Physik: Nabla-Operator – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise und Fußnoten

  1. K. E. Georges: Ausführliches lateinisch-deutsches Handwörterbuch. 8. Auflage. Band 4(M-Q). Hofenberg, 1913, ISBN 978-3-8430-4923-8 (Vollständige Neuausgabe von K.-M. Guth 2014).
  2. Eric Weisstein: Del . In: MathWorld (englisch).
  3. Zeilen- und Spaltenvektoren werden in der Differentialgeometrie und im mathematischen Formalismus der Relativitätstheorie auch als kovariant beziehungsweise kontravariant bezeichnet. Der Ableitungsoperator nach den kovarianten Koordinaten bildet dabei einen kontravarianten Vektor und umgekehrt.
  4. Jürgen Schnakenberg: Elektrodynamik. John Wiley & Sons, 2003, ISBN 3527403698, S. 31 ff., Google Books .
  5. P. Haupt: Continuum Mechanics and Theory of Materials. 2. Auflage. Springer, 2002, ISBN 978-3-540-43111-4.

Kategorien: Kontinuumsmechanik

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Nabla-Operator (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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