aboutsummaryrefslogtreecommitdiffstats
path: root/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex
diff options
context:
space:
mode:
authorhaddoucher <reda.haddouche@ost.ch>2022-08-24 12:55:52 +0200
committerhaddoucher <reda.haddouche@ost.ch>2022-08-24 12:55:52 +0200
commita966f864bde5198499f4066d2c1c97d44e51cb02 (patch)
tree0433b1b8397d822897c939c57ff3623a1b82216c /buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex
parentAdded chapter intro. (diff)
downloadSeminarSpezielleFunktionen-a966f864bde5198499f4066d2c1c97d44e51cb02.tar.gz
SeminarSpezielleFunktionen-a966f864bde5198499f4066d2c1c97d44e51cb02.zip
Korrekturen
Wurde einiges korrigiert. Heute abend wirds noch einmal durchgelesen.
Diffstat (limited to 'buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex')
-rw-r--r--buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex92
1 files changed, 46 insertions, 46 deletions
diff --git a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex
index 18e6198..8f673a5 100644
--- a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex
+++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex
@@ -4,14 +4,15 @@
% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
%
-\subsection{Sind Tschebyscheff-Polynome orthogonal zueinander?
+\subsection{Tschebyscheff-Polynome
\label{sturmliouville:sub:tschebyscheff-polynome}}
+\rhead{Tschebyscheff-Polynome}
\subsubsection*{Definition der Koeffizientenfunktion}
Im Kapitel \ref{sub:beispiele_sturm_liouville_problem} sind die
-Koeffizientenfunktionen, die man braucht, schon aufgeliste, und zwar mit
+Koeffizientenfunktionen, die man braucht, schon aufgelistet:
\begin{align*}
- w(x) &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\
- p(x) &= \sqrt{1-x^2} \\
+ w(x) &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}, \\
+ p(x) &= \sqrt{1-x^2}, \\
q(x) &= 0.
\end{align*}
Da die Sturm-Liouville-Gleichung
@@ -24,66 +25,65 @@ Da die Sturm-Liouville-Gleichung
\end{equation}
nun mit den Koeffizientenfunktionen aufgestellt werden kann, bleibt die Frage,
ob es sich um ein reguläres oder singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt.
-
-\subsubsection*{regulär oder singulär?}
-Für das reguläre Problem laut der
-Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} muss die funktion
-$p(x) = \sqrt{1-x^2}$, $p'(x) = -2x$, $q(x) = 0$ und
-$w(x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ stetig und reell sein --- und sie sind es auch.
-Auf dem Intervall $(-1,1)$ sind die Tschebyscheff-Polynome erster Art mit Hilfe
-von Hyperbelfunktionen
-\begin{equation}
- T_n(x)
- =
- \cos n (\arccos x)
-\end{equation}.
-Für $x>1$ und $x<-1$ sehen die Polynome wie folgt aus:
-\begin{equation}
- T_n(x) = \left\{\begin{array}{ll} \cosh (n \arccos x), & x > 1\\
- (-1)^n \cosh (n \arccos (-x)), & x<-1 \end{array}\right.
-\end{equation},
-jedoch ist die Orthogonalität nur auf dem Intervall $[ -1, 1]$ sichergestellt.
-Die nächste Bedingung beinhaltet, dass die Funktion $p(x)$ und $w(x)>0$ sein
-müssen.
-Die Funktion
-\begin{equation*}
- p(x)^{-1} = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
-\end{equation*}
-ist die gleiche wie $w(x)$ und erfüllt die Bedingung.
+Zunächst werden jedoch die Randbedingungen betrachtet.
\subsubsection*{Randwertproblem}
Für die Verifizierung der Randbedingungen benötigt man erneut $p(x)$.
-Da sich die Polynome nur auf dem Intervall $[ -1,1 ]$ orthogonal verhalten,
-sind $a = -1$ und $b = 1$ gesetzt.
-Beim einsetzen in die Randbedingung \eqref{sturmliouville:eq:randbedingungen},
+Die Randwerte setzt man $a = -1$ und $b = 1$.
+Beim Einsetzen in die Randbedingung \eqref{sturmliouville:eq:randbedingungen},
erhält man
\begin{equation}
-\begin{aligned}
- k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0\\
- k_b y(-1) + h_b y'(-1) &= 0.
-\end{aligned}
+ \begin{aligned}
+ k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0\\
+ k_b y(-1) + h_b y'(-1) &= 0.
+ \end{aligned}
\end{equation}
Die Funktion $y(x)$ und $y'(x)$ sind in diesem Fall die Tschebyscheff Polynome
(siehe \ref{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}).
Die Funktion $y(x)$ wird nun mit der Funktion $T_n(x)$ ersetzt und für die
-Verifizierung der Randbedingung wählt man $n=2$.
+Verifizierung der Randbedingung wählt man $n=0$.
Somit erhält man
\begin{equation}
\begin{aligned}
- k_a T_2(-1) + h_a T_{2}'(-1) &= k_a = 0\\
- k_b T_2(1) + h_b T_{2}'(1) &= k_b = 0.
+ k_a T_0(-1) + h_a T_{0}'(-1) &= k_a = 0\\
+ k_b T_0(1) + h_b T_{0}'(1) &= k_b = 0.
\end{aligned}
\end{equation}
Ähnlich wie beim Beispiel der Wärmeleitung in einem homogenen Stab kann man,
-damit die Bedingung $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ erfüllt ist, können beliebige
+damit die Bedingung $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ erfüllt ist, beliebige
$h_a \ne 0$ und $h_b \ne 0$ gewählt werden.
-Somit ist erneut gezeigt, dass die Randbedingungen der Tschebyscheff-Polynome
-auf die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllt und alle daraus resultierenden
-Lösungen orthogonal sind.
+Es wird also erneut gezeigt, dass die Randbedingungen $[-1,1]$,
+die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen.
+
+\subsubsection*{regulär oder singulär?}
+Für das reguläre Problem muss laut der
+Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} die funktion
+$p(x) = \sqrt{1-x^2}$, $p'(x) = -2x$, $q(x) = 0$ und
+$w(x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ stetig und reell sein.
+Auf dem Intervall $(-1,1)$ sind die Tschebyscheff-Polynome erster Art
+\begin{equation}
+ T_n(x)
+ =
+ \cos n (\arccos x).
+\end{equation}
+Die nächste Bedingung, laut der Definition \ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem}, beinhaltet, dass die Funktion $p(x)$ und $w(x)>0$ sein
+müssen.
+Die Funktion
+\begin{equation*}
+ p(x)^{-1} = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
+\end{equation*}
+ist die gleiche wie $w(x)$ und erfüllt die Bedingung.
+
+
\begin{beispiel}
- Die Gleichung \eqref{eq:skalar-sturm-liouville} mit
- $y_m = T_1(x)$ und $y_n(x) = T_2(x)$ eingesetzt sowie $a=-1$ und $b = 1$
+ Die Gleichung
+ \[
+ \int_{a}^{b} w(x) y_m y_n = 0
+ \]
+
+ mit
+ $y_m(x) = T_1(x)$ und $y_n(x) = T_2(x)$ eingesetzt sowie $a=-1$ und $b = 1$
ergibt
\[
\int_{-1}^{1} w(x) x (2x^2-1) dx = 0.