Beispiele zu Kapitel 3
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Beispiele zu Kapitel 3
Beispiel 3.2 (Eigenwerte und Eigenvektoren des Deformationsgradienten im Fall einer einfachen Scherung). Der Deformationstensor F besitzt die Basisdarstellung F = F.ji ei ⊗ ej , wobei {e1 , e2 , e3 } eine Orthonormalbasis des E3 ist und die Tensorkomponenten F.ji im Fall einer einfachen Scherung durch die Matrix in Beispiel 2.5 gegeben sind. Damit lautet die charakteristische Gleichung von F 1−λ γ 0 1−λ 0 =0 det 0 0 0 1−λ oder (1 − λ)3 = 0. Die algebraische Vielfachheit der (einzigen) L¨osung λ ist somit r1 = 3, und die Eigenwerte von F lauten λ1 = λ2 = λ3 = 1. Die korrespondierenden Eigenvektoren von F , a = α i ei , ergeben sich aus der Gleichung 1 (F.ji − λδji )αj = 0, i = 1, 2, 3. Die einzige sich daraus ergebende nichttriviale Gleichung ist γ α2 = 0, woraus unter der Annahme γ 6= 0 (sonst ga¨be es ja keine Scherung) sofort α2 = 0 folgt. Die Gesamtheit der Eigenvektoren von F la¨sst sich also in der Form a = α1 e1 + α3 e3 , α1 , α3 ∈ R, angeben. Diese Eigenvektoren sind Linearkombinationen von lediglich zwei linear unabh¨angigen Eigenvektoren e1 , e3 ; man sagt, die geometrische Vielfachheit des Eigenwertes λ1 = 1 sei t1 = 2. 2 Beispiel 3.3 (Eigenwerte fu ¨r Tensoren A ∈ L3 ). Fu ¨r einen Tensor A ∈ L3 lautet das charakteristische Polynom (1) (∗ ) (2) (3) pA (λ) = −λ3 + IA λ2 − IA λ + IA mit den Hauptinvarianten (1) IA = sp (A), (2) 1 (sp (A))2 − sp (A2 ) , 2 3 1 1 3 2 3 sp (A ) − sp (A ) sp (A) + (sp (A)) = det(A). = 3 2 2 IA = (3) IA Aufgrund des Satzes von Vieta1 k¨onnen diese Ausdru ¨cke mithilfe der Eigenwerte von A formuliert werden: (1) IA = λ1 + λ2 + λ3 , (2) IA = λ1 λ2 + λ1 λ3 + λ2 λ3 , (3) IA = λ1 λ2 λ3 . Die Eigenwerte von A, also die Nullstellen des kubischen Polynoms pA (λ) aus (∗ ), k¨onnen mithilfe der Formeln von Cardano2 in geschlossener Darstellung angegeben werden durch 1 λk = 3 1 2 (1) IA q ϑ + 2π(k − 1) (1) 2 (2) + 2 (IA ) − 3IA cos , 3 `te (Vieta) (1540, Fontenay-le-Comte - 1603, Paris). Fran¸cois Vie Girolamo Cardano (1501, Pavia - 1596, Rom). 3 k = 1, 2, 3, mit (1) ϑ = arccos (1) (1) (2) (3) 2(IA )3 − 9IA IA + 27IA (1) (2) 2((IA )2 − 3IA )3/2 (2) (1) , (2) falls (IA )2 − 3IA 6= 0 gilt. Im Fall (IA )2 − 3IA = 0 lauten die Eigenwerte hingegen λk = 1 (1) 1 2πk 2πk (3) (1) IA + (27IA − (IA )3 )1/3 (cos + i sin ), 3 3 3 3 4 k = 1, 2, 3. Beispiel 3.4 (Eigenwerte, Eigenprojektionen und Spektralzerlegung eines Tensors A ∈ L3 ). Gegeben sei der Tensor A = Ai.j ei ⊗ ej mit den Komponenten −2 2 2 i A.j = 2 1 4 . 2 4 1 Man bestimme die Eigenwerte von A mit den in Beispiel 3.3 angegebenen Formeln, alle Eigenprojektionen von A mithilfe der Formel von Sylvester3 sowie die Spektralzerlegung von A. Die charakteristische Gleichung von A lautet −2 − λ 2 2 det 2 1−λ 4 =0 2 4 1−λ bzw. −λ3 + 27λ + 54 = 0. Durch Vergleich mit den Hauptinvarianten aus Beispiel 3.3 erhalten wir (1) (2) (3) IA = 0, IA = −27, IA = 54. Mit dem in den Formeln von Cardano auftretenden Winkel 27 · 54 = arccos 1 = 0 ϑ = arccos 2 · (3 · 27)3/2 3 James Joseph Sylvester (1814, London - 1897, London). 5 erhalten wir fu ¨r die Eigenwerte von A λk = 2π(k − 1) 1 √ 2π(k − 1) · 2 3 · 27 cos = 6 cos , 3 3 3 k = 1, 2, 3, also λ1 = 6, λ2 = λ3 = −3. Die Formel von Sylvester liefert, da A nur s = 2 verschiedene Eigenwerte besitzt, fu ¨r die Eigenprojektionen P1 = 2 Y A − λj I λ1 − λj j=1 j6=1 P2 = 2 Y A − λj I j=1 j6=2 λ2 − λj = A − λ2 I A + 3I = = pi.j ei ⊗ ej , λ1 − λ2 9 = A − λ1 I A − 6I = = q.ji ei ⊗ ej λ2 − λ1 −9 mit 1 2 2 i 1 p.j = 2 4 4 , 9 2 4 4 8 −2 −2 i 1 q.j = −2 5 −4 . 9 −2 −4 5 Die Spektralzerlegung von A erhalten wir unter Verwendung der soeben bestimmenten Eigenprojektionen gem¨aß (†) als A = λ1 P1 + λ2 P2 = 6P1 − 3P2 . 6 Beispiel 3.5 (Darstellung der Eigenprojektionen eines Tensors u ¨ber seine Eigenvektoren). Man bestimme fu ¨r den Tensor A aus Beispiel 3.4 die Eigenprojektionen von A mithilfe der Eigenvektoren von A. Aus Beispiel 3.4 ist bekannt, dass λ1 = 6, λ2 = λ3 = −3 die Eigenwerte von A sind. Die Komponenten eines Eigenvektors a = αi ei erh¨alt man aus dem linearen Gleichungssystem (Ai.j − δji λ)αj = 0, i = 1, 2, 3. Fu ¨r λ1 = 6 bekommt man zwei linear unabh¨angige Gleichungen: −8α1 + 2α2 + 2α3 = 0, 2α1 − 5α2 + 4α3 = 0, woraus sich α2 = α3 = 2α1 ergibt. Fordert man noch die Normiertheit des Eigenvektors, das heißt (α1 )2 + (α2 )2 + (α3 )2 = 1, so erhalten wir fu ¨r den mit dem Eigenwert λ1 korrespondierenden Eigenvektor a1 = 1 2 2 e1 + e2 + e3 . 3 3 3 Fu ¨r λ2 = λ3 = −3 bekommt man nur eine linear unabh¨angige Gleichung: α1 + 2α2 + 2α3 = 0. 7 Dieses System“ hat zwei linear unabha¨ngige Lo¨sungsvektoren. ” Fu ¨r die Konstruktion w¨ahlen wir zun¨achst α1 = 0, woraus α2 = −α3 folgt; Normieren ergibt den Eigenvektor 1 1 (1) a2 = √ e2 − √ e3 . 2 2 (2) (1) Aus der Zusatzforderung, dass a2 zu a2 orthogonal sein soll, (2) folgt fu ¨r die Komponenten von a2 die Relation α2 = α3 . Nach neuerlichem Normieren erha¨lt man den Eigenvektor −4 1 1 (2) a2 = √ e1 + √ e2 + √ e3 . 3 2 3 2 3 2 Da die Orthonormalbasis {ei } zu sich selbst dual ist, gilt dies (1) (2) auch fu ¨r die daraus abgeleiteten Eigenvektoren {a1 , a2 , a2 }, und mit diesen ergeben sich gema¨ß (∗∗∗ ) folgende Ausdru ¨cke fu ¨r die Eigenprojektionen von A: P 1 = a1 ⊗ a1 = = 13 (e1 + 2e2 + 2e3 ) ⊗ 31 (e1 + 2e2 + 2e3 ) = = pi.j ei ⊗ ej , (1) (1) (2) (2) P 2 = a2 ⊗ a2 + a2 ⊗ a2 = = √12 (e2 − e3 ) ⊗ √12 (e2 − e3 )+ + 3√1 2 (−4e1 + e2 + e3 ) ⊗ 3√1 2 (−4e1 + e2 + e3 ) = = q.ji ei ⊗ ej , wobei die Tensorkomponenten pi.j und q.ji wie in Beispiel 3.4 erkl¨art sind. 8