add new stuff about airy and hypergeometric functions

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diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/501.tex b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/501.tex
new file mode 100644
index 0000000..d27e21c
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/501.tex
@@ -0,0 +1,63 @@
+Finden Sie eine Lösung der Airy Differentialgleichung
+\[
+y''-xy=0
+\]
+mit Anfangsbedingungen $y(0)=a$ und $y'(0)=b$.
+
+\begin{loesung}
+An der Stelle $x=0$ folgt aus der Differentialgleichung, dass $y''(0)=0$
+gelten muss.
+In einem Potenzreihenansatz der Form
+\begin{align*}
+y(x)
+&=
+\sum_{k=0}^\infty a_kx^k
+&&\Rightarrow&
+y'(x)
+&=
+\sum_{k=1}^\infty a_kx^{k-1}
+\\
+&&&&
+y''(x)
+&=
+\sum_{k=2}^\infty k(k-1)a_kx^{k-2}
+\end{align*}
+kann man daher $a_2=0$ setzen und damit die Summation in der
+Reihenentwicklung für $y''(x)$ erst bei $k=3$ beginnen.
+
+Setzt man den Ansatz in die Differentialgleichung ein, erhält man
+\begin{align*}
+0
+&=
+y''(x)-xy(x)
+\\
+&=
+\sum_{k=3}^\infty k(k-1)a_kx^{k-2}
+-
+\sum_{k=0}^\infty a_kx^{k+1}
+\\
+&=
+\sum_{k=0}^\infty (k+3)(k+2)a_{k+3}x^{k+1}
+-
+\sum_{k=0}^\infty a_{k}x^{k+1}
+\\
+&=
+\sum_{k=0}^\infty \bigl((k+3)(k+2)a_{k+3}-a_{k}\bigr)x^{k+1}.
+\end{align*}
+Koeffizientenvergleich liefert jetzt die Rekursionsbeziehungen
+\[
+a_{k+3} = \frac1{(k+3)(k+2)} {a_k}.
+\]
+Da $a_2=0$ ist folgt daraus auch, dass $a_5=a_8=a_{11}=\dots=0$ ist.
+
+Aus den Anfangsbedingungen liest man ab dass $a_0=a$ und $a_1=b$, daraus
+kann man jetzt die Lösung konstruieren, es ist
+\[
+y(x)
+=
+a\biggl(1+\frac{1}{2\cdot 3}x^3 + \frac{1}{2\cdot3\cdot5\cdot 6}x^6 + \dots\biggr)
++
+b\biggl(x+\frac{1}{3\cdot 4}x^4 + \frac{1}{3\cdot 4\cdot 6\cdot 7}x^7+\dots\biggr).
+\qedhere
+\]
+\end{loesung}
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/502.tex b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/502.tex
new file mode 100644
index 0000000..cb0256d
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/502.tex
@@ -0,0 +1,60 @@
+Schreiben Sie die in Aufgabe~\ref{501} gefundenen Lösungen der
+Airy-Differentialgleichung als hypergeometrische Funktionen.
+
+\begin{loesung}
+Die Lösung für $a=1$ und $b=0$ hat die Reihenentwicklung
+\begin{align*}
+y_1(x)
+&=
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{2\cdot 3\cdot 5\cdot 6\cdot\ldots\cdot (3k-1)\cdot 3k}
+x^{3k}
+\\
+&=
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{2\cdot 5\cdot \ldots\cdot (3k-1)}
+\frac{1}{3\cdot 6\cdot \ldots\cdot 3k}
+x^{3k}
+\\
+&=
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{3^k\cdot \frac23\cdot(\frac23+1)\cdot\ldots\cdot(\frac23+k-1)}
+\frac{1}{3^k\cdot k!}
+(x^3)^k
+\\
+&=
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{(\frac23)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{x^3}{9}\biggr)^k
+=
+\mathstrut_0F_1\biggl(
+\begin{matrix}\text{---}\\\frac23\end{matrix};\frac{x^3}{9}
+\biggr).
+\end{align*}
+Aus der zweiten Lösung für $a=0$ und $b=1$ muss erst der gemeinsame
+Faktor $x$ ausgeklammert werden:
+\begin{align*}
+y_2(x)
+&=
+x\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{3\cdot4\cdot 6\cdot 7\cdot\ldots\cdot 3k\cdot(3k+1)}x^{3k}
+\\
+&=
+x\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{4\cdot 7\cdot\ldots\cdot (3k+1)}
+\frac{1}{3^k}
+\frac{(x^3)^k}{k!}
+\\
+&=
+x\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{\frac43\cdot (\frac43+1)\cdot (\frac43+2)\cdot\ldots\cdot \frac43+k-1}
+\frac{1}{(3^2)^k}
+\frac{(x^3)^k}{k!}
+\\
+&=
+x\cdot\mathstrut_0F_1\biggl(
+\begin{matrix}\text{---}\\\frac43\end{matrix};
+\frac{x^3}{9}
+\biggr).
+\qedhere
+\end{align*}
+\end{loesung}
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/503.tex b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/503.tex
new file mode 100644
index 0000000..7cb47de
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/503.tex
@@ -0,0 +1,19 @@
+Verwenden Sie die Funktion \texttt{gsl_sf_hyperg_0F1} oder ein Programm,
+welches die Reihenentwicklung der hypergeometrischen Funktion
+$\mathstrut_0F_1$ direkt berechnet, um die
+in Aufgabe \ref{501} gefundenen Lösungen der Airy-Differentialgleichung
+zu plotten.
+
+\begin{loesung}
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics{chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.pdf}
+\caption{Plot der Lösungen der Airy-Differentialgleichung $y''-xy=0$
+zu den Anfangsbedingungen $y(0)=1$ und $y'(0)=0$ in {\color{red}rot}
+und $y(0)=0$ und $y'(0)=1$ in {\color{blue}blau}.
+\end{figure}
+Die Implementation der hypergeometrische Funktion $\mathstrut_0F_1$ in der
+GNU Scientific Library führt $\mathstrut_0F_1$ auf Bessel-Funktionen
+zurück, was für $c=\frac23$ nicht möglich ist. 
+In diesem Fall ist also eine eigene Implementation nötig.
+\end{loesung}
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/Makefile b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/Makefile
new file mode 100644
index 0000000..b62f60c
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/Makefile
@@ -0,0 +1,15 @@
+#
+# Makefile
+#
+# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
+#
+all:	airy.pdf 
+
+airy:	airy.cpp
+	g++ -o airy -Wall -g -O2 `pkg-config --cflags gsl` airy.cpp `pkg-config --libs gsl`
+
+airypaths.tex:	airy
+	./airy --debug
+
+airy.pdf:	airy.tex airypaths.tex
+	pdflatex airy.tex
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp
new file mode 100644
index 0000000..20cad38
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp
@@ -0,0 +1,118 @@
+/*
+ * airy.cpp
+ *
+ * (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
+ */
+#include <cmath>
+#include <cstdio>
+#include <cstdlib>
+#include <string>
+#include <getopt.h>
+#include <gsl/gsl_sf_hyperg.h>
+
+bool	debug = false;
+
+struct option	options[] = {
+{ "debug",	no_argument,		0,		'd' },
+{ "outfile",	required_argument,	0,		'o' },
+{ "a",		required_argument,	0,		'a' },
+{ "b",		required_argument,	0,		'b' },
+{ "s",		required_argument,	0,		's' },
+{ NULL,		0,			0,		 0  }
+};
+
+double	h0f1(double c, double x) {
+	if (debug)
+		fprintf(stderr, "%s:%d: c = %.5f, x = %.5f\n",
+			__FILE__, __LINE__, c, x);
+	double	s = 0;
+	int	k = 0;
+	double	term = 1.;
+	s += term;
+	int	counter = 0;
+	while (fabs(term) > 0.000000000001) {
+		k++;
+		term *= x / ((c+k-1) * k);
+		s += term;
+	//	if (debug)
+	//		fprintf(stderr, "term = %.14f\n", term);
+		counter++;
+	}
+	if (debug)
+		fprintf(stderr, "x = %f, terms = %d\n", x, counter);
+	return s;
+}
+
+double	f0(double x) {
+	//return gsl_sf_hyperg_0F1(2/3, x*x*x/9.);
+	return h0f1(2./3., x*x*x/9.);
+}
+double	f1(double x) {
+	//return gsl_sf_hyperg_0F1(2/3, x*x*x/9.);
+	return h0f1(2./3., x*x*x/9.);
+}
+
+double	f2(double x) {
+	return x * gsl_sf_hyperg_0F1(4./3., x*x*x/9.);
+}
+
+double	f3(double x) {
+	return x * h0f1(4./3., x*x*x/9.);
+}
+
+void	plot(FILE *outfile, const char *name, double (*f)(double x),
+		double a, double b, int steps) {
+	fprintf(outfile, "\\def\\%s{\n", name);
+	fprintf(outfile, "({%.5f*\\dx},{%.5f*\\dy})", a, f(a));
+	double	h = (b-a)/steps;
+	for (int i = 0; i <= steps; i++) {
+		double	x = a + h*i;
+		if (debug)
+			fprintf(stderr, "x = %.5f\n", x);
+		fprintf(outfile, "\n\t--({%.5f*\\dx},{%.5f*\\dy})",
+			x, f(x));
+	}
+	fprintf(outfile, "}\n");
+}
+
+int	main(int argc, char *argv[]) {
+	std::string	outfilename("airypaths.tex");
+	int	c;
+	int	longindex;
+	double	a = -8;
+	double	b = 2.5;
+	int	steps = 200;
+	while (EOF != (c = getopt_long(argc, argv, "a:b:do:s:",
+		options, &longindex)))
+		switch (c) {
+		case 'a':
+			a = std::stod(optarg);
+			break;
+		case 'b':
+			b = std::stod(optarg);
+			break;
+		case 'd':
+			debug = true;
+			break;
+		case 'o':
+			outfilename = std::string(optarg);
+			break;
+		case 's':
+			steps = std::stoi(optarg);
+			break;
+		}
+
+	if (debug)
+		fprintf(stderr, "%s:%d: outfile: '%s'\n",
+			__FILE__, __LINE__, outfilename.c_str());
+
+	FILE	*outfile = fopen(outfilename.c_str(), "w");
+
+	plot(outfile, "yonepath", f1, a, b, 100);
+	plot(outfile, "ytwopath", f2, a, b, 100);
+	plot(outfile, "ythreepath", f3, a, b, 100);
+	
+	fclose(outfile);
+
+	return EXIT_SUCCESS;
+}
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.pdf b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.pdf
new file mode 100644
index 0000000..f52e601
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.pdf
diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.tex b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.tex
new file mode 100644
index 0000000..27ee546
--- /dev/null
+++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.tex
@@ -0,0 +1,59 @@
+%
+% tikztemplate.tex -- template for standalon tikz images
+%
+% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
+%
+\documentclass[tikz]{standalone}
+\usepackage{amsmath}
+\usepackage{times}
+\usepackage{txfonts}
+\usepackage{pgfplots}
+\usepackage{csvsimple}
+\usetikzlibrary{arrows,intersections,math}
+\begin{document}
+\def\skala{1}
+\input{airypaths.tex}
+\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0}
+\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala]
+
+% add image content here
+\def\dx{1}
+\def\dy{1}
+
+\begin{scope}
+\clip ({-8*\dx},{-1.3*\dy}) rectangle ({2.5*\dx},{4*\dy});
+\draw[color=red,line width=1.4pt] \yonepath;
+%\draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \ytwopath;
+\draw[color=blue,line width=1.4pt] \ythreepath;
+\end{scope}
+
+\draw[->] (-8.1,0) -- (2.9,0) coordinate[label={$x$}];
+\draw[->] (0,-1.4) -- (0,4.4) coordinate[label={$y$}];
+
+\foreach \x in {-8,...,-1}{
+	\draw ({\x*\dx},-0.1) -- ({\x*\dx},0.1);
+}
+\foreach \y in {-1,1,2,3,4}{
+	\draw (-0.1,{\y*\dy}) -- (0.1,{\y*\dy});
+}
+\draw ({\dx},-0.1) -- ({\dx},0.1);
+\draw ({2*\dx},-0.1) -- ({2*\dx},0.1);
+
+\node at (\dx,0) [below] {$1$};
+\node at ({2*\dx},0) [below] {$2$};
+
+\foreach \x in {-7,...,-1}{
+	\node at ({\x*\dx},0) [below] {$\x$};
+}
+\foreach \y in {2,3,4}{
+	\node at (-0.1,{\y*\dy}) [left] {$\y$};
+}
+\node at (-0.1,\dy) [above left] {$-1$};
+\node at (0.1,-\dy) [right] {$-1$};
+
+\node[color=red] at ({-1.2*\dx},{0.6*\dy}) [above left] {$y_1(x)$};
+\node[color=blue] at ({-1.4*\dx},{-1.1*\dy}) [below] {$y_2(x)$};
+
+\end{tikzpicture}
+\end{document}
+