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7.¨Ubung,L¨osungsvorschlag Variationsrechnung

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Academic year: 2022

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Variationsrechnung

7. ¨ Ubung, L¨ osungsvorschlag

Gruppen¨ubung G 1 Zeigen Sie, wenn

a(x, y)ux(x, y) +b(x, y)uy(x, y) =c(x, y) mit

x=x(s), y=y(s),

u(s) =u(x(s), y(s)), c(s) =c(x(s), y(s)) x0(s) =a(x(s), y(s)), y0(s) =b(x(s), y(s)) und

x(0) =x0, y(0) =y0 gilt, dann

u0(s) =c(s) mit

u(0) =u(x0, y0) gilt.

d

dtu(s) = d

dtu(x(s), y(s)) =uxx0+uyy0 =a(x, y)ux+b(x, y)uy =c(x(s), y(s)) =c(s).

G 2 [Clairautsche Differentialgleichung]

xu0(x)−u(x) =f(u0(x)) (?)

1. Transformieren Sie (?) mit Hilfe der Legendretransformation in u?(y) =f(y).

Hinweis:f?(∇f(x)) =x∇f(x)−f(x).

From the formula in the hint we have that

u?(u0(x)) =xu0(x)−u(x) =f(u0(x)) and so takingy=u0(x) proves the desired equality.

2. L¨osen Sie (?) mit (a) f(x) =x2,

Since the functionfis convex, we have that(f?)? =f. Therefore from the equation u?(y) =f(y)

we can compute that

u(x) =f?(x).

But

f?(x) = sup

y∈R

(xy−f(y)) = 1

4x2 =u(x).

(2)

Variationsrechnung, L¨osungsvorschlag 2 (b) f(x) =x4,

u(x) = 3x 4

43

(c) f(x) =ex,

u(x) =x(lnx−1), x >0 (d) f(x) = lnx,x >0.

This should be f(x) = −lnx with x > 0, since this function is convex. Then we have

u(x) =−1−ln(−x), x <0 Haus¨ubung

H 1 L¨osen Sie die 2-dimensionelle Clairautsche Gleichung xux+yuy−u=f(ux, uy) mitf(x) =|x|2.

The procedure is exactly the same as above, so that u?(y) = f(y). Since the function is convex,u(x) =f?(x). Therefore

u(x) =f?(x) = 1 4|x|2 or, equivalently

u(x, y) = 1

4 x2+y2 .

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