Funktionaldeterminante

Die Funktionaldeterminante oder Jacobi-Determinante ist eine mathematische Größe, die in der mehrdimensionalen Integralrechnung, also der Berechnung von Oberflächen- und Volumenintegralen, eine Rolle spielt. Insbesondere findet sie in der Flächenformel und dem aus dieser hervorgehenden Transformationssatz Verwendung.

Lokales Verhalten einer Funktion

Die Funktionaldeterminante gibt zu einem gegebenen Punkt wichtige Informationen über das Verhalten der Funktion f in der Nähe dieses Punktes. Wenn beispielsweise die Funktionaldeterminante einer stetig differenzierbaren Funktion in einem Punkt p ungleich null ist, so ist die Funktion in einer Umgebung von p invertierbar. Weiterhin gilt, dass bei positiver Determinante in p die Funktion ihre Orientierung beibehält und bei negativer Funktionaldeterminante die Orientierung umkehrt. Der absolute Wert der Determinante im Punkt p gibt den Wert an, mit dem die Funktion in der Nähe von p expandiert oder schrumpft.

Definition

Für differenzierbare Funktionen $f\colon \R^n \to \R^n$ ist die Funktionaldeterminante definiert als

$\det \, Df(x)$,

also als die Determinante der Jacobi-Matrix.

Für die Transformation von Volumenelementen, einen wichtigen Anwendungsfall in der Physik, reicht diese Definition aus. Die Flächenformel der Maß- und Integrationstheorie beschreibt dagegen auch, wie sich Integrale über Funktionen, die verschiedendimensionale Räume ineinander abbilden, transformieren. In diesem Anwendungsfall ist Df keine quadratische Matrix mehr, sodass der Ausdruck oben nicht mehr definiert ist. Man behilft sich durch die folgende Definition:

Die verallgemeinerte Funktionaldeterminante einer Funktion $f: \R^n \to \R^m$ ist definiert als

$\mathcal J \! f(x) := \sqrt{\det \left( (Df(x))^T \cdot Df(x) \right)}$

Dabei bezeichnet Df(x) die Jacobi-Matrix und (Df(x))^T ihre Transponierte. Der Ausdruck $\det \left( (Df(x))^T \cdot Df(x) \right)$ wird gramsche Determinante von Df genannt.

Solange die betrachtete Abbildung keine Selbstabbildung ist, ist es üblich, das Präfix verallgemeinerte wegzulassen. Bei Selbstabbildungen kann dies allerdings zu Missverständnissen führen, da beide Definitionen im allgemeinen unterschiedliche Werte annehmen. Es gilt ja

$\mathcal J \! f(x) = \sqrt{(\det Df)^2} = |\det Df| \neq \det Df$

Im Kontext der Flächen- bzw. Transformationsformel wird allerdings ohnehin immer der Betrag verwendet.

Beispiele

Bei der Integration über geometrische Objekte ist es oft unpraktisch, über kartesische Koordinaten zu integrieren. So lässt sich in der Physik das Integral über ein radialsymmetrisches Potentialfeld, dessen Wert nur von einem Radius r abhängt, wesentlich leichter in Kugelkoordinaten berechnen.

Um dies zu tun, wendet man eine Koordinatentransformation Φ an. Nach dem Transformationssatz gilt dann in diesem Beispiel:

$\int_{\Omega} U(\vec r) dV = \int_{\Phi^{-1}(\Omega)} U(\Phi(\vec r)) \cdot \left|\mathcal J \Phi(r, \theta, \varphi)\right| \,\mathrm{d}r \,\mathrm{d}\theta \,\mathrm{d}\varphi$

Im Folgenden sind Rechnungen zu zwei Koordinatensystemen aufgeführt:

Kugelkoordinaten

Die Umrechnungsformeln von Kugelkoordinaten ($r, \theta,\varphi$) in kartesische Koordinaten lauten:

x = rsin θcos φ,

y = rsin θsin φ und

$z = r \cos \theta \quad$.

Die Funktionaldeterminante lautet also:

$\det\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r, \theta, \varphi)}=\begin{vmatrix} \sin\theta\cos\varphi&r\cos\theta\cos\varphi&-r\sin\theta\sin\varphi\\ \sin\theta \sin\varphi&r\cos\theta\sin\varphi&r\sin\theta\cos\varphi\\ \cos\theta&-r\sin\theta&0 \end{vmatrix}=r^2\sin\theta.$

Folglich ergibt sich für das Volumenelement dV:

$\mathrm{d}V=\left|\det \frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,\varphi)} \right| \mathrm{d}r \,\mathrm{d}\theta \,\mathrm{d}\varphi=r^2 \sin\theta \,\mathrm{d}r\, \mathrm{d}\theta\, \mathrm{d}\varphi.$

Zylinderkoordinaten

Die Umrechnungsformeln von Zylinderkoordinaten (r, φ, h) in kartesische Koordinaten lauten:

x = rcos φ

y = rsin φ

$\! z = h$

Die Funktionaldeterminante lautet also:

$\det\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\varphi,h)}=\begin{vmatrix} \cos\varphi & -r\sin\varphi & 0 \\ \sin\varphi & r\cos\varphi & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix}=r.$

Folglich ergibt sich für das Volumenelement dV:

$\mathrm{d}V=\left|\det \frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\varphi,h)} \right| \mathrm{d}r \,\mathrm{d}\varphi \,\mathrm{d}h=r \,\mathrm{d}r\, \mathrm{d}\varphi \, \mathrm{d}h.$

Genauso gut hätte man eine andere Reihenfolge der Zylinderkoordinaten wählen können. Die Funktionaldeterminante lautet dann beispielsweise:

$\det\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,h,\varphi)}=\begin{vmatrix} \cos\varphi & 0 & -r\sin\varphi \\ \sin\varphi & 0 & r\cos\varphi \\ 0 & 1 & 0 \end{vmatrix}=-r.$

In das Transformationsgesetz geht jedoch immer nur der Betrag der Determinante ein, also ist das Ergebnis dann unabhängig von der gewählten Reihenfolge der Variablen, nach denen abgeleitet wird.

Literatur

• Herbert Federer: Geometric measure theory. 1 Auflage. Springer, Berlin 1996, ISBN 3-540-60656-4.  (Für die Definition)
• Wolfgang Nolting: Klassische Mechanik. In: Grundkurs theoretische Physik. 8 Auflage. 1, Springer, Berlin 2006, ISBN 978-3-540-34832-0.  (Für die Beispiele und den Spezialfall des $\R^3$)