aboutsummaryrefslogtreecommitdiffstats
path: root/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
diff options
context:
space:
mode:
authorNicolas Tobler <nicolas.tobler@ost.ch>2022-05-30 00:33:47 +0200
committerNicolas Tobler <nicolas.tobler@ost.ch>2022-05-30 00:33:47 +0200
commit2cbc79a82e39702dd78919ac704fae01f50efb12 (patch)
tree04176ca3b12c9a1f35230cafbdd0bf17b6bdf844 /buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
parentMerge branch 'master' of https://github.com/AndreasFMueller/SeminarSpezielleF... (diff)
downloadSeminarSpezielleFunktionen-2cbc79a82e39702dd78919ac704fae01f50efb12.tar.gz
SeminarSpezielleFunktionen-2cbc79a82e39702dd78919ac704fae01f50efb12.zip
split main into section files
Diffstat (limited to 'buch/papers/ellfilter/jacobi.tex')
-rw-r--r--buch/papers/ellfilter/jacobi.tex189
1 files changed, 189 insertions, 0 deletions
diff --git a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
new file mode 100644
index 0000000..6a208fa
--- /dev/null
+++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex
@@ -0,0 +1,189 @@
+\section{Jacobische elliptische Funktionen}
+
+%TODO $z$ or $u$ for parameter?
+
+Für das elliptische Filter wird statt der, für das Tschebyscheff-Filter benutzen Kreis-Trigonometrie die elliptischen Funktionen gebraucht.
+Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht.
+
+Im Wesentlichen erweitern die Jacobi elliptischen Funktionen die trigonometrische Funktionen für Ellipsen.
+Zum Beispiel gibt es analog zum Sinus den elliptischen $\sn(z, k)$.
+Im Gegensatz zum den trigonometrischen Funktionen haben die elliptischen Funktionen zwei parameter.
+Zum einen gibt es den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert.
+Zum andern das Winkelargument $z$.
+Im Kreis ist der Radius für alle Winkel konstant, bei Ellipsen ändert sich das.
+Dies hat zur Folge, dass bei einer Ellipse die Kreisbodenstrecke nicht linear zum Winkel verläuft.
+Darum kann hier nicht der gewohnte Winkel verwendet werden.
+Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art
+\begin{equation}
+ z
+ =
+ F(\phi, k)
+ =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ }
+ =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ dt
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ } %TODO which is right? are both functions from phi?
+\end{equation}
+mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung liegt.
+
+Dabei wird das vollständige und unvollständige Elliptische integral unterschieden.
+Beim vollständigen Integral
+\begin{equation}
+ K(k)
+ =
+ \int_{0}^{\pi / 2}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ }
+\end{equation}
+wird über ein viertel Ellipsenbogen integriert also bis $\phi=\pi/2$ und liefert das Winkelargument für eine Vierteldrehung.
+Die Zahl wird oft auch abgekürzt mit $K = K(k)$ und ist für das elliptische Filter sehr relevant.
+Alle elliptishen Funktionen sind somit $4K$-periodisch.
+
+Neben dem $\sn$ gibt es zwei weitere basis-elliptische Funktionen $\cn$ und $\dn$.
+Dazu kommen noch weitere abgeleitete Funktionen, die durch Quotienten und Kehrwerte dieser Funktionen zustande kommen.
+Insgesamt sind es die zwölf Funktionen
+\begin{equation*}
+ \sn \quad
+ \ns \quad
+ \scelliptic \quad
+ \sd \quad
+ \cn \quad
+ \nc \quad
+ \cs \quad
+ \cd \quad
+ \dn \quad
+ \nd \quad
+ \ds \quad
+ \dc.
+\end{equation*}
+
+Die Jacobischen elliptischen Funktionen können mit der inversen Funktion des kompletten elliptischen Integrals erster Art
+\begin{equation}
+ \phi = F^{-1}(z, k)
+\end{equation}
+definiert werden. Dabei ist zu beachten dass nur das $z$ Argument der Funktion invertiert wird, also
+\begin{equation}
+ z = F(\phi, k)
+ \Leftrightarrow
+ \phi = F^{-1}(z, k).
+\end{equation}
+Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem Elliptischen integral dargestellt werden:
+\begin{equation}
+ \sin(\phi)
+ =
+ \sin \left( F^{-1}(z, k) \right)
+ =
+ \sn(z, k)
+ =
+ w
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+ \phi
+ =
+ F^{-1}(z, k)
+ =
+ \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big)
+ =
+ \sin^{-1} ( w )
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+ F(\phi, k)
+ =
+ z
+ =
+ F( \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) , k)
+ =
+ F( \sin^{-1} ( w ), k)
+\end{equation}
+
+\begin{equation}
+ \sn^{-1}(w, k)
+ =
+ F(\phi, k),
+ \quad
+ \phi = \sin^{-1}(w)
+\end{equation}
+
+\begin{align}
+ \sn^{-1}(w, k)
+ & =
+ \int_{0}^{\phi}
+ \frac{
+ d\theta
+ }{
+ \sqrt{
+ 1-k^2 \sin^2 \theta
+ }
+ },
+ \quad
+ \phi = \sin^{-1}(w)
+ \\
+ & =
+ \int_{0}^{w}
+ \frac{
+ dt
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ }
+\end{align}
+
+Beim $\cos^{-1}(x)$ haben wir gesehen, dass die analytische Fortsetzung bei $x < -1$ und $x > 1$ rechtwinklig in die Komplexen zahlen wandert.
+Wenn man das gleiche mit $\sn^{-1}(w, k)$ macht, erkennt man zwei interessante Stellen.
+Die erste ist die gleiche wie beim $\cos^{-1}(x)$ nämlich bei $t = \pm 1$.
+Der erste Term unter der Wurzel wird dann negativ, während der zweite noch positiv ist, da $k \leq 1$.
+\begin{equation}
+ \frac{
+ 1
+ }{
+ \sqrt{
+ (1-t^2)(1-k^2 t^2)
+ }
+ }
+ \in \mathbb{R}
+ \quad \forall \quad
+ -1 \leq t \leq 1
+\end{equation}
+Die zweite stelle passiert wenn beide Faktoren unter der Wurzel negativ werden, was bei $t = 1/k$ der Fall ist.
+
+
+
+
+Funktion in relle und komplexe Richtung periodisch
+
+In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch.
+
+
+
+%TODO sn^{-1} grafik
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \input{papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex}
+ \caption{
+ $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$.
+ Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch.
+ }
+ % \label{ellfilter:fig:cd2}
+\end{figure}