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author | LordMcFungus <mceagle117@gmail.com> | 2022-07-22 21:28:45 +0200 |
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-rw-r--r-- | buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex | 111 |
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diff --git a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex index b7597e5..4adbe86 100644 --- a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex @@ -3,6 +3,111 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Eigenschaften -\label{laguerre:section:eigenschaften}} -\rhead{Eigenschaften}
\ No newline at end of file +\section{Orthogonalität + \label{laguerre:section:orthogonal}} +Im Abschnitt~\ref{laguerre:section:definition} +haben wir die Behauptung aufgestellt, +dass die Laguerre-Polynome orthogonal sind. +Zu dieser Behauptung möchten wir nun einen Beweis liefern. +Wenn wir \eqref{laguerre:dgl} in ein +Sturm-Liouville-Problem umwandeln können, haben wir bewiesen, dass es sich +bei den Laguerre-Polynomen um orthogonale Polynome handelt (siehe +Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}). +Der Beweis kann äquivalent auch über den Sturm-Liouville-Operator +\begin{align} +S += +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +\label{laguerre:slop} +\end{align} +und den Laguerre-Operator +\begin{align} +\Lambda += +x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +\end{align} +erhalten werden, +indem wir diese Operatoren einander gleichsetzen. +Aus der Beziehung +\begin{align} +S + & = +\Lambda +\nonumber +\\ +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right) + & = +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:sl-lag} +\end{align} +lässt sich sofort erkennen, dass $q(x) = 0$. +Ausserdem ist ersichtlich, dass $p(x)$ die Differentialgleichung +\begin{align*} +x \frac{dp}{dx} += +-(\nu + 1 - x) p +\end{align*} +erfüllen muss. +Durch Separation erhalten wir dann +\begin{align*} +\int \frac{dp}{p} + & = +-\int \frac{\nu + 1 - x}{x} \, dx += +-\int \frac{\nu + 1}{x} \, dx - \int 1\, dx +\\ +\log p + & = +-(\nu + 1)\log x - x + c +\\ +p(x) + & = +-C x^{\nu + 1} e^{-x} +. +\end{align*} +Eingefügt in Gleichung~\eqref{laguerre:sl-lag} ergibt sich +\begin{align*} +\frac{C}{w(x)} +\left( +x^{\nu+1} e^{-x} \frac{d^2}{dx^2} + +(\nu + 1 - x) x^{\nu} e^{-x} \frac{d}{dx} +\right) += +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx}. +\end{align*} +Mittels Koeffizientenvergleich kann nun abgelesen werden, dass $w(x) = x^\nu +e^{-x}$ und $C=1$ mit $\nu > -1$. +Die Gewichtsfunktion $w(x)$ wächst für $x\rightarrow-\infty$ sehr schnell an, +deshalb ist die Laguerre-Gewichtsfunktion nur geeignet für den +Definitionsbereich $(0, \infty)$. +Bleibt nur noch sicherzustellen, dass die Randbedingungen, +\begin{align} +k_0 y(0) + h_0 p(0)y'(0) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randa} +\\ +k_\infty y(\infty) + h_\infty p(\infty) y'(\infty) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randb} +\end{align} +mit $|k_i|^2 + |h_i|^2 \neq 0,\,\forall i \in \{0, \infty\}$, erfüllt sind. +Am linken Rand (Gleichung~\eqref{laguerre:sllag_randa}) kann $y(0) = 1$, $k_0 = +0$ und $h_0 = 1$ verwendet werden, +was auch die Laguerre-Polynome ergeben haben. +Für den rechten Rand ist die Bedingung (Gleichung~\eqref{laguerre:sllag_randb}) +\begin{align*} +\lim_{x \rightarrow \infty} p(x) y'(x) + & = +\lim_{x \rightarrow \infty} -x^{\nu + 1} e^{-x} y'(x) += +0 +\end{align*} +für beliebige Polynomlösungen erfüllt für $k_\infty=0$ und $h_\infty=1$. +Damit können wir schlussfolgern: +Die verallgemeinerten Laguerre-Polynome sind orthogonal +bezüglich des Skalarproduktes auf dem Intervall $(0, \infty)$ +mit der verallgemeinerten Laguerre\--Gewichtsfunktion $w(x)=x^\nu e^{-x}$. +Die Laguerre-Polynome ($\nu=0$) sind somit orthognal im Intervall $(0, \infty)$ +mit der Gewichtsfunktion $w(x)=e^{-x}$. |