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authorAndreas Müller <andreas.mueller@othello.ch>2022-06-16 19:27:16 +0200
committerAndreas Müller <andreas.mueller@othello.ch>2022-06-16 19:27:16 +0200
commitabb439719da913ee1bf14ee088748662fef3cd76 (patch)
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new stuff
Diffstat (limited to 'buch/chapters')
-rw-r--r--buch/chapters/020-exponential/chapter.tex4
-rw-r--r--buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex32
-rw-r--r--buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdfbin28447 -> 28820 bytes
-rw-r--r--buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex6
-rw-r--r--buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex199
5 files changed, 166 insertions, 75 deletions
diff --git a/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex b/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex
index 1ab4769..eaa777d 100644
--- a/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex
+++ b/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex
@@ -12,8 +12,8 @@
\input{chapters/020-exponential/zins.tex}
\input{chapters/020-exponential/log.tex}
\input{chapters/020-exponential/lambertw.tex}
-\input{chapters/020-exponential/dilog.tex}
-\input{chapters/020-exponential/eili.tex}
+%\input{chapters/020-exponential/dilog.tex}
+%\input{chapters/020-exponential/eili.tex}
\section*{Übungsaufgaben}
\rhead{Übungsaufgaben}
diff --git a/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex b/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex
index 2b023cc..9077c6f 100644
--- a/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex
+++ b/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex
@@ -17,6 +17,11 @@ der Unbekannten und der Exponentialfunktion, also $xe^x$ auftreten.
Die Lambert $W$-Funktion ermöglicht, die Lösungen solcher Gleichungen
darzustellen.
+Als Anwendung der Theorie der Lambert-$W$-Funktion wird in
+Kapitel~\ref{chapter:lambertw}
+eine Parametrisierung einer Verfolgungskurve mit Hilfe von $W(x)$
+bestimmt.
+
%
% Die Funktion xe^x
%
@@ -57,8 +62,10 @@ invertierbar.
\begin{definition}
Die inverse Funktion der Funktion $[-1,\infty)\to[-1/e,\infty):x\mapsto xe^x=y$
heisst die Lambert $W$-Funktion, geschrieben $W(y)$ oder $W_0(y)$.
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Definition}%
Die inverse Funktion der Funktion $(-\infty,-1)\to[-1/e,0)$ wird mit
$W_{-1}$ bezeichnet.
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Graph}%
\end{definition}
\begin{figure}
@@ -78,7 +85,11 @@ erfüllen sie
W(x) e^{W(x)} = x.
\]
+%
+% Ableitung der W-Funktion
+%
\subsubsection{Ableitung der Funktionen $W(x)$ und $W_{-1}(x)$}
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Ableitung}
Die Umkehrfunktion $f^{-1}(y)$ einer Funktion $f(x)$ erfüllt
\(
f^{-1}(f(x)) = x.
@@ -204,7 +215,11 @@ P_{n+1}(t)
\]
mit $P_1(t)=1$.
+%
+% Differentialgleichung und Stammfunktion
+%
\subsubsection{Differentialgleichung und Stammfunktion}
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Differentialgleichung}%
Die Ableitungsformel \eqref{buch:lambert:eqn:ableitung} bedeutet auch,
dass die $W$-Funktion eine Lösung der Differentialgleichung
\[
@@ -223,6 +238,7 @@ Diese Gleichung kann separiert werden in
\]
Eine Stammfunktion
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Stammfunktion}%
\[
F(y)
=
@@ -260,6 +276,8 @@ für die Stammfunktion von $W(y)$.
\label{buch:subsection:loesung-von-exponentialgleichungen}}
Die Lambert $W$-Funktion kann zur Lösung von Exponentialgleichungen
verwendet werden.
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Exponentialgleichungen}%
+\index{Exponentialgleichungen}%
\begin{aufgabe}
Gesucht ist eine Lösung der Gleichung
@@ -319,7 +337,10 @@ W(-cbe^{ac})
Die Gleichung hat eine Lösung wenn $-cbe^{ac} > -1/e$ ist.
\end{proof}
-\subsection{Numerische Berechnung
+%
+% Numerische Berechnung
+%
+\subsection{Numerische Berechnung der Lambert-$W$-Funktion
\label{buch:subsection:lambertberechnung}}
Die $W$-Funktionen sind nur dann nützlich, wenn man sie effizient
berechnen kann.
@@ -327,6 +348,9 @@ Leider ist sie nicht Teil der C- oder C++-Standardbibliothek,
man muss sich also mit einer spezialisierten Bibliothek oder einer
eigenen Implementation behelfen.
+%
+% Berechnung mit dem Newton-Algorithmus
+%
\subsubsection{Berechnung mit dem Newton-Algorithmus}
Für $x>-1$ ist die Funktion $W(x)$ ist die Umkehrfunktion der
streng monoton wachsenden und konvexen Funktion $f(x)=xe^x$.
@@ -334,6 +358,7 @@ In dieser Situation konvergiert der Newton-Algorithmus zur Bestimmung
der Nullstelle $x=W_0(y)$ von $f(x)-y$ für alle Werte von $y>-1/e$.
Für $W_{-1}(y)$ ist die Situation etwas komplizierter, da für
$x<-1$ die Funktion $f(x)$ nicht konvex ist.
+\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Newton-Algorithmus}
Ausgehend vom Startwert $x_0$ ist die Iterationsfolge definiert
durch
@@ -362,11 +387,6 @@ bestimmt werden.
Die Lambert $W$-Funktionen $W_0(x)$ und $W_{-1}(x)$ sind auch in der
GNU scientific library \cite{buch:library:gsl} implementiert.
-%
-% Verfolgungskurven
-%
-\subsection{Verfolgungskurven
-\label{buch:subsection:verfolgungskurven}}
diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf
index b03997e..633df34 100644
--- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf
+++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf
Binary files differ
diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex
index 48557cf..c6e32d7 100644
--- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex
+++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex
@@ -22,8 +22,9 @@
\draw[color=red!20,line width=1.4pt] \lemnispathmore;
\draw[color=red,line width=1.4pt] \lemnispath;
-\draw[->] ({-1.6*\dx},0) -- ({1.6*\dx},0) coordinate[label={$X$}];
+\draw[->] ({-1.6*\dx},0) -- ({1.8*\dx},0) coordinate[label={$X$}];
\draw[->] (0,{-0.7*\dy}) -- (0,{0.7*\dy}) coordinate[label={right:$Y$}];
+
\draw ({1.5*\dx},-0.05) -- ({1.5*\dx},0.05);
\draw ({\dx},-0.05) -- ({\dx},0.05);
\draw ({0.5*\dx},-0.05) -- ({0.5*\dx},0.05);
@@ -85,6 +86,9 @@
\CT
\CU
+\fill[color=blue] (LA) circle[radius=0.07];
+\node[color=blue] at (LA) [above right] {$S$};
+
\end{tikzpicture}
\end{document}
diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex
index fd998b3..a284f75 100644
--- a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex
+++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex
@@ -32,6 +32,13 @@ mit der Gleichung
\end{equation}
Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate}
dargestellt.
+Der Fall $a=1/\sqrt{2}$ ist eine Kurve mit der Gleichung
+\[
+(x^2+y^2)^2 = x^2-y^2,
+\]
+wir nennen sie die {\em Standard-Lemniskate}.
+
+\subsubsection{Scheitelpunkte}
Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\sqrt{2}$.
Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht
\begin{equation}
@@ -53,10 +60,12 @@ Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht
\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert}
\end{equation}
wobei wir $x=X/a\sqrt{2}$ und $y=Y/a\sqrt{2}$ gesetzt haben.
-In dieser Normierung liegen die Scheitel bei $\pm 1$.
+In dieser Normierung, der Standard-Lemniskaten, liegen die Scheitel
+bei $\pm 1$.
Dies ist die Skalierung, die für die Definition des lemniskatischen
Sinus und Kosinus verwendet werden soll.
+\subsubsection{Polarkoordinaten}
In Polarkoordinaten $x=r\cos\varphi$ und $y=r\sin\varphi$
gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert}
\begin{equation}
@@ -116,77 +125,80 @@ die den inneren Äquator des Torus berührt, ist eine Lemniskate.
\end{figure}
\index{Torus}%
Schneidet man einen Torus mit einer Ebene, die zur Achse des Torus
-parallel ist und den inneren Äquator des Torus berührt, entsteht
-ebenfalls eine Lemniskate.
-Die Situation ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}
-dargestellt.
+parallel ist und den inneren Äquator des Torus berührt, wie in
+Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt},
+entsteht ebenfalls eine Lemniskate, wie in diesem Abschnitt nachgewiesen
+werden soll.
Der in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}
dargestellte Torus mit den Radien $2$ und $1$ hat als Achse die
um eine Einheit in $Z$-Richtung verschobene $Y$-Achse und die
$X$-$Z$-Ebene als Äquatorebene.
-Sie kann mit
+Der Torus kann mit
\[
-(s,t)
+(u,v)
\mapsto
\begin{pmatrix}
-(2+\cos s) \cos t \\
-\sin s \\
-(2+\cos s) \sin t + 1
+(2+\cos u) \cos v \\
+ \sin u \\
+(2+\cos u) \sin v + 1
\end{pmatrix}
\]
-parametrisiert werden, die $s$- und $t$-Koordinatenlinien sind
+parametrisiert werden, die $u$- und $v$-Koordinatenlinien sind
in der Abbildung gelb eingezeichnet.
+Die $v$-Koordinatenlinien sind Breitenkreise um die Achse des Torus.
+Aus $u=0$ und $u=\pi$ ergeben sich die Äquatoren des Torus.
+
Die Gleichung $Z=0$ beschreibt eine achsparallele Ebene, die den
inneren Äquator berührt.
Die Schnittkurve erfüllt daher
\[
-(2+\cos s)\sin t + 1 = 0,
+(2+\cos u)\sin v + 1 = 0,
\]
-was wir auch als $2 +\cos s = -1/\sin t$ schreiben können.
-Wir müssen nachprüfen dass die Koordinaten
-$X=(2+\cos s)\cos t$ und $Y=\sin s$ die Gleichung einer Lemniskate
+was wir auch als $2 +\cos u = -1/\sin v$ schreiben können.
+Wir müssen nachprüfen, dass die Koordinaten
+$X=(2+\cos u)\cos v$ und $Y=\sin u$ die Gleichung einer Lemniskate
erfüllen.
Zunächst können wir in der $X$-Koordinate den Klammerausdruck durch
-$\sin t$ ausdrücken und erhalten
+$\sin v$ ausdrücken und erhalten
\begin{equation}
X
=
-(2+\cos s) \cos t
+(2+\cos u) \cos v
=
--\frac{1}{\sin t}\cos t
+-\frac{1}{\sin v}\cos v
=
--\frac{\cos t}{\sin t}
+-\frac{\cos v}{\sin v}
\qquad\Rightarrow\qquad
X^2
=
-\frac{\cos^2t}{\sin^2 t}
+\frac{\cos^2v}{\sin^2 v}
=
-\frac{1-\sin^2t}{\sin^2 t}.
+\frac{1-\sin^2v}{\sin^2 v}.
\label{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin}
\end{equation}
-Auch die $Y$-Koordinaten können wir durch $t$ ausdrücken,
+Auch die $Y$-Koordinaten können wir durch $v$ ausdrücken,
nämlich
\begin{equation}
-Y^2=\sin^2 s = 1-\cos^2 s
+Y^2=\sin^2 u = 1-\cos^2 u
=
1-
\biggl(
-\frac{1}{\sin t}
+\frac{1}{\sin v}
-2
\biggr)^2
=
-\frac{-3\sin^2 t+4\sin t-1}{\sin^2 t}.
+\frac{-3\sin^2 v+4\sin v-1}{\sin^2 v}.
\label{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin}
\end{equation}
Die Gleichungen
\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin}
und
\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin}
-zeigen, dass man $X^2$ und $Y^2$ sogar einzig durch $\sin t$
+zeigen, dass man $X^2$ und $Y^2$ sogar einzig durch $\sin v$
parametrisieren kann.
-Um die Ausdrücke etwas zu vereinfachen, schreiben wir $S=\sin t$
+Um die Ausdrücke etwas zu vereinfachen, schreiben wir $S=\sin v$
und erhalten zusammenfassend
\begin{equation}
\begin{aligned}
@@ -222,8 +234,7 @@ X^2-Y^2
2\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2.
\end{aligned}
\end{equation}
-Die Berechnung des Quadrates von $X^2+Y^2$ ergibt
-die Gleichung
+Die Berechnung des Quadrates von $X^2+Y^2$ ergibt die Gleichung
\[
(X^2+Y^2)^2
=
@@ -260,7 +271,7 @@ r^4
=
(x(r)^2 + y(r)^2)^2,
\end{align*}
-sie stellen also eine Parametrisierung der Lemniskate dar.
+sie stellen also eine Parametrisierung der Standard-Lemniskate dar.
Mit Hilfe der Parametrisierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam}
kann man die Länge $s$ des in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate}
@@ -382,9 +393,13 @@ Y(t)
\end{equation}
Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara} zeigt die
Parametrisierung.
-Dem Parameterwert $t=0$ entspricht der Punkt
-$(\sqrt{2},0)$ der Lemniskate.
+Dem Parameterwert $t=0$ entspricht der Scheitelpunkt
+$S=(\sqrt{2},0)$ der Lemniskate.
+%
+% Lemniskatengleichung
+%
+\subsubsection{Verfikation der Lemniskatengleichung}
Dass \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn}
tatsächlich eine Parametrisierung ist kann nachgewiesen werden dadurch,
dass man die beiden Seiten der definierenden Gleichung der
@@ -441,6 +456,11 @@ X(t)^2-Y(t)^2
=
2(X(t)^2-Y(t)^2).
\end{align*}
+
+%
+% Berechnung der Bogenlänge
+%
+\subsubsection{Berechnung der Bogenlänge}
Wir zeigen jetzt, dass dies tatsächlich eine Bogenlängenparametrisierung
der Lemniskate ist.
Dazu berechnen wir die Ableitungen
@@ -509,19 +529,22 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen
&=
1.
\end{align*}
-Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den Parameterwerten $0$ und $s$
+Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den Parameterwerten $0$ und $t$
\[
-\int_0^s
-\sqrt{\dot{X}(t)^2 + \dot{Y}(t)^2}
-\,dt
+\int_0^t
+\sqrt{\dot{X}(\tau)^2 + \dot{Y}(\tau)^2}
+\,d\tau
=
-\int_0^s\,dt
+\int_0^s\,d\tau
=
-s,
+t,
\]
-der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter, man darf also
-$s=t$ schreiben.
+der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter.
+%
+% Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate
+%
+\subsubsection{Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate}
Die mit dem Faktor $1/\sqrt{2}$ skalierte Standard-Lemniskate mit der
Gleichung
\[
@@ -547,7 +570,13 @@ y(t)
\text{mit $\displaystyle k=\frac{1}{\sqrt{2}}$}
\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge}
\end{equation}
+Der Punkt $t=0$ entspricht dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$ der Lemniskate.
+Der Parameter misst also die Bogenlänge entlang der Lemniskate ausgehend
+vom Scheitel.
+%
+% der lemniskatische Sinus und Kosinus
+%
\subsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus}
Der Sinus berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des
Kreises, er ist die Umkehrfunktion der Funktion, die der Gegenkathete
@@ -555,30 +584,53 @@ die Bogenlänge zuordnet.
Daher ist es naheliegend, die Umkehrfunktion von $s(r)$ in
\eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge}
den {\em lemniskatischen Sinus} zu nennen mit der Bezeichnung
+\index{lemniskatischer Sinus}%
+\index{Sinus, lemniskatischer}%
$r=r(s)=\operatorname{sl} s$.
+\index{komplementäre Bogenlänge}
+%
+% die komplementäre Bogenlänge
+%
+\subsubsection{Die komplementäre Bogenlänge}
Der Kosinus ist der Sinus des komplementären Winkels.
Auch für die lemniskatische Bogenlänge $s(r)$ lässt sich eine
-komplementäre Bogenlänge definieren, nämlich die Bogenlänge zwischen
-dem Punkt $(x(r), y(r))$ und $(1,0)$.
-Da die Bogenlänge zwischen $(0,0)$ und $(1,0)$ in
-in \eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet wurde.
-ist sie $\varpi/2-s$.
+komplementäre Bogenlänge $t$ definieren, nämlich die Bogenlänge
+zwischen dem Punkt $(x(r), y(r))$ und dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$.
+Dies ist der Parameter der Parametrisierung
+\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge}
+des vorangegangenen Abschnittes.
+Die Bogenlänge zwischen $O=(0,0)$ und $S=(1,0)$ wurde in
+\eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet,
+sie ist $\varpi/2$.
+Damit folgt für die beiden Parameter $s$ und $t$ die Beziehung
+$t = \varpi/2 - s$.
+
+\subsubsection{Der lemniskatische Kosinus}
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf}
+\caption{
+Lemniskatischer Sinus und Kosinus sowie Sinus und Kosinus
+mit derart skaliertem Argument, dass die Funktionen die
+gleichen Nullstellen haben.
+\label{buch:elliptisch:figure:slcl}}
+\end{figure}
Der {\em lemniskatische Kosinus} ist daher
$\operatorname{cl}(s) = \operatorname{sl}(\varpi/2-s)$.
Graphen des lemniskatische Sinus und Kosinus sind in
Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt.
-Da die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge}
-eine Bogenlängenparametrisierung ist, darf man $t=s$ schreiben.
-Dann kann man aber auch $r(s)$ daraus berechnen,
-es ist
+Die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge}
+ist eine Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate.
+Man kann sie verwenden, um $r(t)$ zu berechnen.
+Es ist
\[
-r(s)^2
+r(t)^2
=
-x(s)^2 + y(s)^2
+x(t)^2 + y(t)^2
=
-\operatorname{cn}(s\sqrt{2},k)^2
+\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)^2
\biggl(
\operatorname{dn}(\sqrt{2}t,k)^2
+
@@ -586,25 +638,40 @@ x(s)^2 + y(s)^2
\operatorname{sn}(\sqrt{2}t,k)^2
\biggr)
=
-\operatorname{cn}(s\sqrt{2},k)^2.
+\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)^2.
\]
Die Wurzel ist
\[
+r(t)
+=
+\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,{\textstyle\frac{1}{\sqrt{2}}})
+.
+\]
+Der lemniskatische Sinus wurde aber in Abhängigkeit von
+$s=\varpi/2-t$ mittels
+\[
+\operatorname{sl}s
+=
r(s)
=
-\operatorname{sl} s
+\operatorname{cn}(\sqrt{2}(\varpi/2-s),k)^2
+\]
+definiert.
+Der lemniskatische Kosinus ist definiert als der lemniskatische Sinus
+\index{lemniskatischer Kosinus}%
+\index{Kosinus, lemniskatischer}%
+der komplementären Bogenlänge, also
+\[
+\operatorname{cl}(s)
+=
+\operatorname{sl}(\varpi/2-s)
=
-\operatorname{cn}(s\sqrt{2},{\textstyle\frac{1}{\sqrt{2}}}).
+\operatorname{cn}(\sqrt{2}s,k)^2.
\]
-Damit ist der lemniskatische Sinus durch eine Jacobische elliptische
-Funktion darstellbar.
+Die Funktion $\operatorname{sl}(s)$ und $\operatorname{cl}(s)$ sind
+in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt.
+Sie sind beide $2\varpi$-periodisch.
+Die Abbildung zeigt ausserdem die Funktionen $\sin (\pi s/\varpi)$
+und $\cos(\pi s/\varpi)$, die ebenfalls $2\varpi$-periodisch sind.
+
-\begin{figure}
-\centering
-\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf}
-\caption{
-Lemniskatischer Sinus und Kosinus sowie Sinus und Kosinus
-mit derart skaliertem Argument, dass die Funktionen die
-gleichen Nullstellen haben.
-\label{buch:elliptisch:figure:slcl}}
-\end{figure}