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diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex index a5af7d2..c7dfb31 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex @@ -20,7 +20,7 @@ Ein solches Polynom $p(x)$ hat $n+1$ Koeffizienten, die aus dem linearen Gleichungssystem der $n+1$ Gleichungen $p(x_i)=f(x_i)$ ermittelt werden können. -Das Interpolationspolynom $p(x)$ lässt sich abera uch direkt +Das Interpolationspolynom $p(x)$ lässt sich aber auch direkt angeben. Dazu konstruiert man zuerst die Polynome \[ diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex index df04514..793b78d 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex @@ -641,6 +641,7 @@ H_w f\colon(a,b) \to \mathbb{R} \;\bigg|\; \int_a^b |f(x)|^2 w(x)\,dx +<\infty \biggr\}. \] Die Funktionen $f\in H_w$ haben folgende Eigenschaften diff --git a/buch/papers/parzyl/images/Makefile b/buch/papers/parzyl/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..4bd13ec --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/Makefile @@ -0,0 +1,16 @@ +# +# Makefile to build 3d images +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +# + +all: halfplane.pdf + +halfplane.pdf: halfplane.tex halfplane.jpg + pdflatex halfplane.tex +halfplane.png: halfplane.pov + povray +A0.1 -W1920 -H1080 -Ohalfplane.png halfplane.pov +halfplane.jpg: halfplane.png Makefile + convert -extract 1280x1080+340+0 halfplane.png \ + -density 300 -units PixelsPerInch halfplane.jpg + diff --git a/buch/papers/parzyl/images/common.inc b/buch/papers/parzyl/images/common.inc new file mode 100644 index 0000000..28aed2b --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/common.inc @@ -0,0 +1,64 @@ +// +// common.inc -- some common useful tools for drawing 3d images +// +// (c) 2018 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +// + +// +// draw a right angle quarter circle at point <o> with legs <v1> and <v2> and +// color <c> +// +#declare rechterwinkelradius = 0.5; +#declare rechterwinkelthickness = 0.01; +#macro rechterwinkel(o, v1, v2, c) +intersection { + sphere { o, rechterwinkelradius } + #declare rnormale = vnormalize(vcross(v1, v2)); + plane { rnormale, vdot(o, rnormale) + rechterwinkelthickness * rechterwinkelradius / 0.5 } + plane { -rnormale, -vdot(o, rnormale) + rechterwinkelthickness * rechterwinkelradius / 0.5 } + plane { -v1, -vdot(o, v1) } + plane { -v2, -vdot(o, v2) } + pigment { + color c + } +} +sphere { o + 0.45 * (vnormalize(v1) +vnormalize(v2)) * rechterwinkelradius, + 0.05 * rechterwinkelradius / 0.5 + pigment { + color c + } +} +#end + +// +// draw an arrow from <from> to <to> with thickness <arrowthickness> with +// color <c> +// +#macro arrow(from, to, arrowthickness, c) + #declare arrowdirection = vnormalize(to - from); + #declare arrowlength = vlength(to - from); + union { + sphere { + from, 1.1 * arrowthickness + } + cylinder { + from, + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + arrowthickness + } + cone { + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + 2 * arrowthickness, + to, + 0 + } + pigment { + color c + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + } +#end + diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..8cb5ae3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7275810 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5beefa0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov new file mode 100644 index 0000000..419bb67 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov @@ -0,0 +1,201 @@ +// +// 3dimage.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" +#include "skies.inc" +#include "common.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.63; +#declare ar = 0.02; + +#declare Cameracenter = <5,3,-4>; +#declare Worldpoint = <0,-0.80, 0>; +#declare Lightsource = < 7,10,-3>; +#declare Lightdirection = vnormalize(Lightsource - Worldpoint); +#declare Lightaxis1 = vnormalize(vcross(Lightdirection, <0,1,0>)); +#declare Lightaxis2 = vnormalize(vcross(Lightaxis1, Lightdirection)); + +camera { + location Cameracenter + look_at Worldpoint + right 16/9 * x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + Lightsource color White + area_light Lightaxis1 Lightaxis2, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color White + } +} + +arrow( <-2.1, 0, 0 >, < 2.2, 0, 0 >, ar, White) +arrow( < 0, -1.1, 0 >, < 0, 1.3, 0 >, ar, White) +arrow( < 0, 0, -2 >, < 0, 0, 2.2 >, ar, White) + +#declare planecolor = rgb<0.2,0.6,1.0>; +#declare r = 0.01; + +#macro planebox() + box { <-2.1,-1.1,-2.1>, <0,1.1,2.1> } +#end + +intersection { + plane { <0, 0, 1>, 0.001 } + plane { <0, 0, -1>, 0.001 } + planebox() + pigment { + color planecolor transmit 0.3 + } + finish { + metallic + specular 0.95 + } +} + +#declare Xstep = 0.2; + +intersection { + union { + #declare X = 0; + #while (X > -2.5) + cylinder { <X,-3,0>, <X,+3,0>, r } + #declare X = X - Xstep; + #end + + #declare Y = Xstep; + #while (Y < 2.5) + cylinder { <-3, Y, 0>, <0, Y, 0>, r } + cylinder { <-3, -Y, 0>, <0, -Y, 0>, r } + #declare Y = Y + Xstep; + #end + } + planebox() + pigment { + color planecolor + } + finish { + metallic + specular 0.95 + } +} + +#declare parammin = -4; +#declare parammax = 4; +#declare paramsteps = 100; +#declare paramstep = (parammax - parammin) / paramsteps; + +#macro punkt(sigma, tau, Z) + < + 0.5 * (tau*tau - sigma*sigma) + Z, + sigma * tau, + > +#end + +#macro sigmasurface(sigma, farbe) + #declare taumin1 = 2/sigma; + #declare taumin2 = sqrt(4+sigma*sigma); + #if (taumin1 > taumin2) + #declare taumin = -taumin2; + #else + #declare taumin = -taumin1; + #end + + mesh { + #declare tau = taumin; + #declare taumax = -taumin; + #declare taustep = (taumax - taumin) / paramsteps; + #while (tau < taumax - taustep/2) + triangle { + punkt(sigma, tau, -1), + punkt(sigma, tau, 0), + punkt(sigma, tau + taustep, -1) + } + triangle { + punkt(sigma, tau + taustep, -1), + punkt(sigma, tau + taustep, 0), + punkt(sigma, tau, 0) + } + #declare tau = tau + taustep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + } + + union { + #declare tau = taumin; + #declare taumax = -taumin; + #declare taustep = (taumax - taumin) / paramsteps; + #while (tau < taumax - taustep/2) + sphere { punkt(sigma, tau, 0), r } + cylinder { + punkt(sigma, tau, 0), + punkt(sigma, tau + taustep, 0), + r + } + #declare tau = tau + taustep; + #end + sphere { punkt(sigma, tau, 0), r } + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + + } +#end + +#declare greensurfacecolor = rgb<0.6,1.0,0.6>; +#declare redsurfacecolor = rgb<1.0,0.6,0.6>; + +sigmasurface(0.25, greensurfacecolor) +sigmasurface(0.5, greensurfacecolor) +sigmasurface(0.75, greensurfacecolor) +sigmasurface(1, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.25, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.5, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.75, greensurfacecolor) +sigmasurface(2, greensurfacecolor) + +union { + sigmasurface(0.25, redsurfacecolor) + sigmasurface(0.5, redsurfacecolor) + sigmasurface(0.75, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.00, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.25, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.5, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.75, redsurfacecolor) + sigmasurface(2, redsurfacecolor) + rotate <0, 180, 0> +} + +box { <-2,-1,-2>, <2,-0.99,2> + pigment { + color rgb<1.0,0.8,0.6> transmit 0.8 + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex new file mode 100644 index 0000000..e470057 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% +% halfplane.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{5} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=10cm]{halfplane.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\node at (0,3.7) {$z$}; +\node at (3.3,-0.3) {$x$}; +\node at (2.7,2.5) {$y$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/parzyl/img/Plane_2D.png b/buch/papers/parzyl/img/Plane_2D.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..f55e3cf --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/img/Plane_2D.png diff --git a/buch/papers/parzyl/references.bib b/buch/papers/parzyl/references.bib index 390d5ed..9639d0b 100644 --- a/buch/papers/parzyl/references.bib +++ b/buch/papers/parzyl/references.bib @@ -65,4 +65,13 @@ year = {2022}, month = {8}, day = {17} +} + +@online{parzyl:scalefac, + title = {An introduction to curvlinear orthogonal coordinates}, + url = {http://dslavsk.sites.luc.edu/courses/phys301/classnotes/scalefactorscomplete.pdf}, + date = {2022-08-18}, + year = {2022}, + month = {08}, + day = {18} }
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/parzyl/teil0.tex b/buch/papers/parzyl/teil0.tex index 8be936d..f9e34d5 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil0.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil0.tex @@ -19,8 +19,8 @@ Die partielle Differentialgleichung \begin{equation} \Delta f = \lambda f \end{equation} -ist als Helmholtz-Gleichung bekannt und beschreibt das Eigenwert Problem für den Laplace-Operator. -Sie ist eine der Gleichungen welche auftritt wenn die Wellengleichung +ist als Helmholtz-Gleichung bekannt und beschreibt das Eigenwertproblem für den Laplace-Operator. +Sie ist eine der Gleichungen, welche auftritt, wenn die Wellengleichung \begin{equation} \left ( \nabla^2 - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2} \right ) u(\textbf{r},t) = @@ -95,12 +95,13 @@ und konstantes $\sigma$ und die grünen ein konstantes $\tau$.} \label{parzyl:fig:cordinates} \end{figure} -Abbildung \ref{parzyl:fig:cordinates} zeigt das Parabolische Koordinatensystem. +Abbildung \ref{parzyl:fig:cordinates} zeigt das parabolische Koordinatensystem. Das parabolische Zylinderkoordinatensystem entsteht wenn die Parabeln aus der Ebene gezogen werden. +Die Flächen mit $\tau = 0$ oder $\sigma = 0$ stellen somit Halbebenen entlang der $z$-Achse dar. Um in diesem Koordinatensystem integrieren und differenzieren zu -können braucht es die Skalierungsfaktoren $h_{\tau}$, $h_{\sigma}$ und $h_{z}$. +können braucht es die Skalierungsfaktoren $h_{\tau}$, $h_{\sigma}$ und $h_{z}$ \cite{parzyl:scalefac}. Eine infinitessimal kleine Distanz $ds$ zwischen zwei Punkten kann im kartesischen Koordinatensystem mit diff --git a/buch/papers/parzyl/teil1.tex b/buch/papers/parzyl/teil1.tex index 13d8109..0e1ad1b 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil1.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil1.tex @@ -13,13 +13,13 @@ Die Lösung ist somit i(z) = A\cos{ - \left ( - \sqrt{\lambda + \mu}z + \left ( z + \sqrt{\lambda + \mu} \right )} + B\sin{ - \left ( - \sqrt{\lambda + \mu}z + \left ( z + \sqrt{\lambda + \mu} \right )}. \end{equation} Die Differentialgleichungen \eqref{parzyl:sep_dgl_1} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2} werden in \cite{parzyl:whittaker} @@ -51,7 +51,7 @@ mit Hilfe der Whittaker Gleichung gelöst. M_{k, -m} \left(x\right) \end{equation*} gehören zu den Whittaker Funktionen und sind Lösungen - von der Whittaker Differentialgleichung + der Whittaker Differentialgleichung \begin{equation} \frac{d^2W}{d x^2} + \biggl( -\frac{1}{4} + \frac{k}{x} + \frac{\frac{1}{4} - m^2}{x^2} \biggr) W = 0. @@ -94,8 +94,8 @@ $w$ als Lösung haben. % ({\textstyle \frac{3}{4}} % - k, {\textstyle \frac{3}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}z^2). %\end{align} - -In der Literatur gibt es verschiedene Standartlösungen für +\subsection{Standardlösungen} +In der Literatur gibt es verschiedene Standardlösungen für \eqref{parzyl:eq:weberDiffEq}, wobei die Differentialgleichung jeweils unterschiedlich geschrieben wird. Whittaker und Watson zeigen in \cite{parzyl:whittaker} die Lösung diff --git a/buch/papers/parzyl/teil2.tex b/buch/papers/parzyl/teil2.tex index 573432a..5ba9de8 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil2.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil2.tex @@ -9,15 +9,27 @@ Die parabolischen Zylinderkoordinaten tauchen auf, wenn man das elektrische Feld einer semi-infiniten Platte, wie in Abbildung \ref{parzyl:fig:leiterplatte} gezeigt, finden will. \begin{figure} - \centering - \includegraphics[width=0.9\textwidth]{papers/parzyl/img/plane.pdf} - \caption{Semi-infinite Leiterplatte} - \label{parzyl:fig:leiterplatte} + \centering + \begin{minipage}{.7\textwidth} + \centering + \includegraphics[width=\textwidth]{papers/parzyl/images/halfplane.pdf} + \caption{Semi-infinite Leiterplatte} + \label{parzyl:fig:leiterplatte} + \end{minipage}% + \begin{minipage}{.25\textwidth} + \centering + \includegraphics[width=\textwidth]{papers/parzyl/img/Plane_2D.png} + \caption{Semi-infinite Leiterplatte dargestellt in 2D} + \label{parzyl:fig:leiterplatte_2d} + \end{minipage} \end{figure} -Das dies so ist kann im zwei Dimensionalen mit Hilfe von komplexen Funktionen gezeigt werden. Die Platte ist dann nur eine Linie, was man in Abbildung TODO sieht. +Die Äquipotentiallinien sind dabei in rot ,die des elektrischen Feldes in grün und semi-infinite Platte ist in blau dargestellt. +Das dies so ist kann im Zweidimensionalen mit Hilfe von komplexen Funktionen gezeigt werden. Die Platte ist dann nur eine Halbgerade, was man in Abbildung \ref{parzyl:fig:leiterplatte_2d} sieht. + + Jede komplexe Funktion $F(z)$ kann geschrieben werden als \begin{equation} - F(s) = U(x,y) + iV(x,y) \qquad s \in \mathbb{C}; x,y \in \mathbb{R}. + F(s) = U(x,y) + iV(x,y) \quad s = x + iy \qquad s \in \mathbb{C}; x,y \in \mathbb{R}. \end{equation} Dabei müssen, falls die Funktion differenzierbar ist, die Cauchy-Riemann Differentialgleichungen \begin{equation} @@ -49,23 +61,31 @@ Aus dieser Bedingung folgt 0 }_{\displaystyle{\nabla^2V(x,y) = 0}}. \end{equation} -Zusätzlich kann auch gezeigt werden, dass die Funktion $F(z)$ eine winkeltreue Abbildung ist. +Zusätzlich kann auch gezeigt werden, dass die Funktion $F(z)$ eine winkeltreue Abbildung ist. + + Der Zusammenhang zum elektrischen Feld ist jetzt, dass das Potential an einem quellenfreien Punkt gegeben ist als \begin{equation} \nabla^2\phi(x,y) = 0. \end{equation} -Dies ist eine Bedingung welche differenzierbare Funktionen, wie in Gleichung \eqref{parzyl_e_feld_zweite_ab} gezeigt wird, bereits besitzen. +Dies ist eine Bedingung, welche differenzierbare Funktionen, wie in Gleichung \eqref{parzyl_e_feld_zweite_ab} gezeigt wird, bereits besitzen. + + Nun kann zum Beispiel $U(x,y)$ als das Potential angeschaut werden \begin{equation} \phi(x,y) = U(x,y). \end{equation} -Orthogonal zum Potential ist das elektrische Feld +Orthogonal zu den Äquipotenzialfläche sind die Feldlinien des elektrische Feld \begin{equation} E(x,y) = V(x,y). \end{equation} + + Um nun zu den parabolische Zylinderkoordinaten zu gelangen muss nur noch eine geeignete komplexe Funktion $F(s)$ gefunden werden, welche eine semi-infinite Platte beschreiben kann. + + Die gesuchte Funktion in diesem Fall ist \begin{equation} F(s) @@ -83,6 +103,8 @@ Dies kann umgeformt werden zu i\underbrace{\sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}}}_{V(x,y)} . \end{equation} + + Die Äquipotentialflächen können nun betrachtet werden, indem man die Funktion, welche das Potential beschreibt, gleich eine Konstante setzt, \begin{equation} @@ -93,7 +115,9 @@ Die Flächen mit der gleichen elektrischen Feldstärke können als \tau = V(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}} \end{equation} beschrieben werden. Diese zwei Gleichungen zeigen nun, wie man vom -kartesischen Koordinatensystem ins parabolische Zylinderkoordinatensystem kommt. +kartesischen Koordinatensystem ins parabolische Zylinderkoordinatensystem kommt. + + Werden diese Formeln nun nach $x$ und $y$ aufgelöst \begin{equation} x = \sigma \tau, diff --git a/buch/papers/parzyl/teil3.tex b/buch/papers/parzyl/teil3.tex index 166eebf..1b59ed9 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil3.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil3.tex @@ -12,9 +12,9 @@ %Die parabolischen Zylinderfunktionen, welche in Gleichung \ref{parzyl:eq:solution_dgl} gegeben sind, %können auch als Potenzreihen geschrieben werden Die parabolischen Zylinderfunktionen können auch als Potenzreihen geschrieben werden. -Im folgenden Abschnitt werden die Terme welche nur von $n$ oder $a$ abhängig sind vernachlässigt. -Die parabolischen Zylinderfunktionen sind Linearkombinationen aus einem geraden Teil $w_1(\alpha, x)$ -und einem ungeraden Teil $w_2(\alpha, x)$, welche als Potenzreihe +Parabolische Zylinderfunktionen sind Linearkombinationen +$A(\alpha)w_1(\alpha, x) + B(\alpha)w_2(\alpha, x)$ aus einem geraden Teil $w_1(\alpha, x)$ +und einem ungeraden Teil $w_2(\alpha, x)$, welche als Potenzreihen \begin{align} w_1(\alpha,x) &= @@ -51,7 +51,7 @@ und = xe^{-\frac{x^2}{4}} \sum^{\infty}_{n=0} - \frac{\left ( \frac{3}{4} - k \right )_{n}}{\left ( \frac{3}{2}\right )_{n}} + \frac{\left ( \frac{1}{2} + \alpha \right )_{n}}{\left ( \frac{3}{2}\right )_{n}} \frac{\left ( \frac{1}{2} x^2\right )^n}{n!} \\ &= e^{-\frac{x^2}{4}} @@ -67,9 +67,9 @@ und \end{align} sind. Die Potenzreihen sind in der regel unendliche Reihen. -Es gibt allerdings die Möglichkeit für bestimmte $\alpha$ das die Terme in der Klammer gleich null werden +Es gibt allerdings die Möglichkeit, dass für bestimmte $\alpha$ die Terme in der Klammer gleich null werden und die Reihe somit eine endliche Anzahl $n$ Summanden hat. -Dies geschieht bei $w_1(\alpha,x)$ falls +Dies geschieht bei $w_1(\alpha,x)$, falls \begin{equation} \alpha = -n \qquad n \in \mathbb{N}_0 \end{equation} @@ -77,7 +77,7 @@ und bei $w_2(\alpha,x)$ falls \begin{equation} \alpha = -\frac{1}{2} - n \qquad n \in \mathbb{N}_0. \end{equation} -Der Wert des von $\alpha$ ist abhängig, ob man $D_n(x)$ oder $U(a,x)$ / $V(a,x)$ verwendet. +Der Wert von $\alpha$ ist abhängig, ob man $D_n(x)$, $U(a,x)$ oder $V(a,x)$ verwendet. Bei $D_n(x)$ gilt $\alpha = -{\textstyle \frac{1}{2}} n$ und bei $U(a,z)$ oder $V(a,x)$ gilt $\alpha = {\textstyle \frac{1}{2}} a + {\textstyle \frac{1}{4}}$. \subsection{Ableitung} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex index 85f0bf3..bef8a39 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -37,31 +37,35 @@ für die Lösungen des Sturm-Liouville-Problems zur Folge hat. \subsubsection{Exkurs zum Spektralsatz} -Um zu verstehen was für Eigenschaften der selbstadjungierte Operator $L_0$ in +Um zu verstehen welche Eigenschaften der selbstadjungierte Operator $L_0$ in den Lösungen hervorbringt, wird der Spektralsatz benötigt. Dieser wird in der linearen Algebra oft verwendet um zu zeigen, dass eine Matrix diagonalisierbar ist, beziehungsweise dass eine Orthonormalbasis existiert. -Dazu wird zunächst gezeigt, dass eine gegebene $n\times n$-Matrix $A$ aus einem -endlichdimensionalem $\mathbb{K}$-Vektorraum selbstadjungiert ist, also dass + +Im Fall einer gegebenen $n\times n$-Matrix $A$ mit reellen Einträgen wird dazu +zunächst gezeigt, dass $A$ selbstadjungiert ist, also dass \[ \langle Av, w \rangle = \langle v, Aw \rangle \] -für $ v, w \in \mathbb{K}^n$ gilt. -Ist dies der Fall, folgt direkt, dass $A$ auch normal ist. -Dann wird die Aussage des Spektralsatzes -\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki} verwended, welche besagt, dass für -Endomorphismen genau dann eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert, -wenn sie normal sind und nur Eigenwerte aus $\mathbb{K}$ besitzten. +für $ v, w \in \mathbb{R}^n$ gilt. +Ist dies der Fall, kann die Aussage des Spektralsatzes +\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki} verwended werden. +Daraus folgt dann, dass eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert, +wenn $A$ nur Eigenwerte aus $\mathbb{R}$ besitzt. Dies ist allerdings nicht die Einzige Version des Spektralsatzes. -Unter anderen gibt es den Spektralsatz für kompakte Operatoren -\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki}. -Dieser besagt, dass wenn ein linearer kompakter Operator in -$\mathbb{R}$ selbstadjungiert ist, ein (eventuell endliches) -Orthonormalsystem existiert. +Unter anderen gibt es den Spektralsatz für kompakte Operatoren +\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki}, welcher für das +Sturm-Liouville-Problem von Bedeutung ist. +Welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen, um diese Version des +Satzes verwenden zu können, wird hier aber nicht diskutiert und kann bei den +Beispielen in diesem Kapitel als gegeben betrachtet werden. +Grundsätzlich ist die Aussage in dieser Version dieselbe, wie bei den Matrizen, +also dass für ein Operator eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert, +falls er selbstadjungiert ist. \subsubsection{Anwendung des Spektralsatzes auf $L_0$} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex index babc06d..d497622 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex @@ -1,30 +1,40 @@ % % einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung -% Author: Réda Haddouche % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % \section{Was ist das Sturm-Liouville-Problem\label{sturmliouville:section:teil0}} \rhead{Einleitung} -Das Sturm-Liouville-Problem wurde benannt nach dem schweizerisch-französischer Mathematiker und Physiker Jacques Charles Fran\c{c}ois Sturm und dem französischer Mathematiker Joseph Liouville. -Gemeinsam haben sie in der mathematischen Physik die Sturm-Liouville-Theorie entwickelt, welche für die Lösung von gewohnlichen Differentialgleichungen gilt, jedoch verwendet man die Theorie öfters bei der Lösung von partiellen Differentialgleichungen. -Normalerweise betrachtet man für das Strum-Liouville-Problem eine gewöhnliche Differentialgleichung 2. Ordnung, und wenn es sich um eine partielle Differentialgleichung handelt, kann man sie mit Hilfe einiger Methoden in mehrere gewöhnliche Differentialgleichungen umwandeln, wie zum Beispiel mit dem Separationsansatz. +Das Sturm-Liouville-Problem wurde benannt nach dem schweizerisch-französischen Mathematiker und Physiker Jacques Charles Fran\c{c}ois Sturm und dem französischen Mathematiker Joseph Liouville. +Gemeinsam haben sie in der mathematischen Physik die Sturm-Liouville-Theorie entwickelt und gilt für die Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen, jedoch verwendet man die Theorie öfters bei der Lösung von partiellen Differentialgleichungen. +Normalerweise betrachtet man für das Strum-Liouville-Problem eine gewöhnliche Differentialgleichung 2. Ordnung, und wenn es sich um eine partielle Differentialgleichung handelt, kann man sie in mehrere gewöhnliche Differentialgleichungen umwandeln. Wie z. B. den Separationsansatz, die partielle Differentialgleichung mit mehreren Variablen. \begin{definition} \index{Sturm-Liouville-Gleichung}% -Angenommen man hat die lineare homogene Differentialgleichung -\[ +Wenn die lineare homogene Differentialgleichung +\begin{equation} \frac{d^2y}{dx^2} + a(x)\frac{dy}{dx} + b(x)y = 0 -\] -und schreibt die Gleichung um in: +\end{equation} +als \begin{equation} \label{eq:sturm-liouville-equation} \frac{d}{dx}\lbrack p(x) \frac{dy}{dx} \rbrack + \lbrack q(x) + \lambda w(x) \rbrack y = 0 \end{equation} -, diese Gleichung wird dann Sturm-Liouville-Gleichung bezeichnet. +geschrieben werden kann, dann wird diese Gleichung als Sturm-Liouville-Gleichung bezeichnet. \end{definition} +Alle homogene 2. Ordnung lineare gewöhnliche Differentialgleichungen können in die Form der Gleichung \ref{eq:sturm-liouville-equation} umgeformt werden. + +\subsection{Randbedingungen\label{sub:was-ist-das-slp-randbedingungen}} +Wenn von der Funktion $y(x)$ die Werte $x$ des jeweiligen Randes des Definitionsbereiches anzunehmen sind, also +\begin{equation} + y(a) = y(b) = 0, +\end{equation} +so spricht man von einer Dirichlet-Randbedingung\footnote{Die Dirichlet-Randbedingung oder auch Randbedingung des ersten Typs genannt ist nach dem deutschen Mathematiker Peter Gstav Lejeune Dirichlet benannt. Sie findet Anwendung auf gewöhnliche oder patielle Differentialgleichungen und gibt mit der Bedingung die Werte an, die für die abgeleitete Lösung innerhalb der Domänengrenze gelten.}, und von einer Neumann-Randbedingung\footnote{Die Neumann-Randbedingung oder auch Randbedingung des zweiten Typs genannt, ist nach dem deutschen Mathematiker Carl Neumann benannt. Sie legt die Werte fest, die eine Lösung entlang der Domänengrenze annehmen muss, wenn eine gewöhnliche oder partielle Differentialgleichung gestellt wird.} spricht man, wenn +\begin{equation} + y'(a) = y'(b) = 0 +\end{equation} +ergibt. -Alle homogenen, linearen, gewöhnlichen, Differentialgleichungen 2.Ordnung können in die Form der Gleichung~\eqref{eq:sturm-liouville-equation} gebracht werden. Die Sturm-Liouville-Theorie besagt, dass, wenn man die Sturm-Liouville-Gleichung mit den homogenen Randbedingungen des dritten Typs\footnote{Die Randbedingung des dritten Typs, oder Robin-Randbedingungen (benannt nach dem französischen mathematischen Analytiker und angewandten Mathematiker Victor Gustave Robin), wird genannt, wenn sie einer gewöhnlichen oder partiellen Differentialgleichung auferlegt wird, so sind die Spezifikationen einer Linearkombination der Werte einer Funktion sowie die Werte ihrer Ableitung am Rande des Bereichs} \begin{equation} \begin{aligned} @@ -33,33 +43,28 @@ Die Sturm-Liouville-Theorie besagt, dass, wenn man die Sturm-Liouville-Gleichung k_b y(b) + h_b p(b) y'(b) &= 0 \end{aligned} \end{equation} -kombiniert, wie schon im Kapitel \ref{sub:differentailgleichung} erwähnt, auf dem Intervall (a,b), dann bekommt man das klassische Sturm-Liouville-Problem. -Wenn von der Funktion $y(x)$ die Werte $x$ des jeweiligen Randes des Definitionsbereiches anzunehmen sind, also -\[ - y(a) = y(b) = 0 -\] -, so spricht man von einer Dirichlet-Randbedingung, und von einer Neumann-Randbedingung spricht man, wenn -\[ - y'(a) = y'(b) = 0 -\] -ist. Die Existenz und Eindeutigkeit der Lösung kann mit den zwei Randbedingungen sichergestellt werden. -Lösungen die nicht Null sind, werden nicht betrachtet und diese zwei Gleichungen (\ref{eq:sturm-liouville-equation} und \ref{eq:randbedingungen}) kombiniert, nennt man Eigenfunktionen. +kombiniert, dann bekommt man das klassische Sturm-Liouville-Problem. + +\subsection{Eigenwertproblem} +Die Gleichungen \ref{eq:sturm-liouville-equation} hat die Form eines Eigenwertproblems Wenn bei der Sturm-Liouville-Gleichung \ref{eq:sturm-liouville-equation} alles konstant bleibt, aber der Wert von $\lambda$ sich ändert, erhält man eine andere Eigenfunktion, weil man eine andere gewöhnliche Differentialgleichung löst; der Parameter $\lambda$ wird als Eigenwert bezeichnet. Es ist genau das gleiche Prinzip wie bei den Matrizen, andere Eigenwerte ergeben andere Eigenvektoren. Es besteht eine Korrespondenz zwischen den Eigenwerten und den Eigenvektoren. Das gleiche gilt auch beim Sturm-Liouville-Problem, und zwar -\[ +\begin{equation} \lambda \overset{Korrespondenz}\leftrightarrow y. -\] +\end{equation} Die Theorie besagt, wenn $y_m$, $y_n$ Eigenfuktionen des Sturm-Liouville-Problems sind, die verschiedene Eigenwerte $\lambda_m$, $\lambda_n$ ($\lambda_m \neq \lambda_n$) entsprechen, so sind $y_m$, $y_n$ orthogonal zu y - dies gilt für das Intervall (a,b). Somit ergibt die Gleichung -\[ +\begin{equation} + \label{eq:skalar-sturm-liouville} \int_{a}^{b} w(x)y_m y_n = 0. -\] +\end{equation} +\subsection{Koeffizientenfunktionen} Die Funktionen $p(x)$, $q(x)$ und $w(x)$ werden als Koeffizientenfunktionen mit ihren freien Variablen $x$ bezeichnet. Die Funktion $w(x)$ (manchmal auch $r(x)$ genannt) wird als Gewichtsfunktion oder Dichtefunktion bezeichnet. Es gibt zwei verschiedene Sturm-Liouville-Probleme: das reguläre Sturm-Liouville-Problem und das singuläre Sturm-Liouville-Problem. @@ -77,12 +82,12 @@ Damit es sich um ein reguläres Sturm-Liouville-Problem handelt, müssen einige Die Bedingungen für ein reguläres Sturm-Liouville-Problem sind: \begin{itemize} \item Die Funktionen $p(x), p'(x), q(x)$ und $w(x)$ müssen stetig und reell sein. - \item sowie müssen in einem Endlichen Intervall $[ \ a,b] \ $ integrierbar sein. - \item $p(x)^{-1}$ und $w(x)$ sind $>0$. + \item sowie müssen in einem endlichen Intervall $[a,b]$ integrierbar sein. + \item $p(x)$ und $w(x)$ sind $>0$. \item Es gelten die Randbedingungen \ref{eq:randbedingungen}, wobei $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ mit $i=a,b$. \end{itemize} \end{definition} -Bei einem regulären Sturm-Liouville-Problem geht es darum, ohne genaue Kenntnis der Eigenfunktionen diese dennoch beschreiben zu können. +Bei einem regulären Sturm-Liouville-Problem geht es darum, wichtige Eigenschaften der Eigenfunktionen beschreiben zu können, ohne sie genau zu kennen. % @@ -91,29 +96,29 @@ Bei einem regulären Sturm-Liouville-Problem geht es darum, ohne genaue Kenntnis \subsection{Das singuläre Sturm-Liouville-Problem\label{sub:singuläre_sturm_liouville_problem}} -Von einem singulären Sturm-Liouville-Problem spricht man, wenn die Bedingungen des regulären Problems nicht erfüllt sind. +Von einem singulären Sturm-Liouville-Problem spricht man, wenn die Bedingungen des regulärem Problem nicht erfüllt sind. \begin{definition} \label{def:singulär_sturm-liouville-problem} \index{singuläres Sturm-Liouville-Problem} -Es handelt sich um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem, +Es handelt sich um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem, wenn: \begin{itemize} \item wenn sein Definitionsbereich auf dem Intervall $[ \ a,b] \ $ unbeschränkt ist oder \item wenn die Koeffizienten an den Randpunkten Singularitäten haben. \end{itemize} \end{definition} -Allerdings kann auch nur eine der Bedingungen nicht erfüllt sein, so dass es sich bereits um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. +Allerdings kann nur eine der Bedingungen nicht erfüllt sein, so dass es sich bereits um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. \begin{beispiel} Das Randwertproblem - \[ + \begin{equation} \begin{aligned} x^2y'' + xy' + (\lambda^2x^2 - m^2)y &= 0, 0<x<a,\\ y(a) &= 0 \end{aligned} - \] + \end{equation} ist kein reguläres Sturm-Liouville-Problem. - Weil wenn man die Gleichung in die Sturm-Liouville Form bringt, dann ergeben die Koeffizientenfunktionen $p(x) = w(x) = x$ und $q(x) = -m^2/x$. - Schaut man jetzt die Bedingungen im Kapitel~\ref{sub:reguläre_sturm_liouville_problem} an und vergleicht diese mit unseren Koeffizientenfunktionen, so erkennt man einige Probleme: + Wenn man die Gleichung in die Sturm-Liouville Form umformen, dann ergeben die Koeffizientenfunktionen $p(x) = w(x) = x$ und $q(x) = -m^2/x$. + Schaut man jetzt die Bedingungen im Kapitel \ref{sub:reguläre_sturm_liouville_problem} an und vergleicht diese unseren Koeffizientenfunktionen, so erkennt man einige Probleme: \begin{itemize} \item $p(x)$ und $w(x)$ sind nicht positiv, wenn $x = 0$ ist. \item $q(x)$ ist nicht kontinuierlich, wenn $x = 0$ ist. @@ -121,7 +126,11 @@ Allerdings kann auch nur eine der Bedingungen nicht erfüllt sein, so dass es si \end{itemize} \end{beispiel} -Verwendet man das reguläre Sturm-Liouville-Problem, obwohl eine oder beide Bedingungen nicht erfüllt sind, dann ist es schwierig zu sagen, ob die Lösung fundierte Ergebnisse hat. -Es ist schwierig, bestehende Kriterien anzuwenden, da die Formulierungen z.B. in der Lösungsfunktion liegen. -Das Spektrum besteht im singulärem Problem nicht mehr nur aus Eigenwerten, sondern kann auch einen stetigen Anteil enthalten. -Ähnlich wie bei der Fourier-Reihe gegenüber der Fourier-Transformation gibt es immer noch eine zugehörige Eigenfunktionsentwicklung, und zwar die Integraltransformation sowie gibt es weiterhin eine verallgemeinerte Eigenfunktionen. +Verwendet man das reguläre Sturm-Liouville-Problem, obwohl eine oder beide Bedingungen nicht erfüllt sind, dann ist es schwierig zu sagen, ob die Lösung eindeutige Ergebnisse hat. +Es ist schwierig, Kriterien anzuwenden, da die Formulierungen z. B. in der Lösungsfunktion liegen. +Ähnlich wie bei der Fourier-Reihe gegenüber der Fourier-Transformation gibt es immer noch eine zugehörige Eigenfunktionsentwicklung, und zwar die Integraltransformation sowie gibt es weiterhin verallgemeinerte Eigenfunktionen. + + + + + diff --git a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex index e86e742..3817dc0 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex @@ -1,60 +1,82 @@ % % tschebyscheff_beispiel.tex -% Author: Réda Haddouche % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\subsection{Tschebyscheff-Polynome\label{sub:tschebyscheff-polynome}} -Im Kapitel \ref{sub:beispiele_sturm_liouville_problem} sind die Koeffizientenfunktionen die man braucht schon aufgelistet, und zwar mit +\subsection{Sind Tschebyscheff-Polynome orthogonal zueinander?\label{sub: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 \begin{align*} w(x) &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ p(x) &= \sqrt{1-x^2} \\ - q(x) &= 0. -\end{align*} + q(x) &= 0 +\end{align*}. Da die Sturm-Liouville-Gleichung \begin{equation} \label{eq:sturm-liouville-equation-tscheby} - \frac{d}{dx}\lbrack \sqrt{1-x^2} \frac{dy}{dx} \rbrack + \lbrack 0 + \lambda \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \rbrack y = 0 + \frac{d}{dx} (\sqrt{1-x^2} \frac{dy}{dx}) + (0 + \lambda \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}) y = 0 \end{equation} nun mit den Koeffizientenfunktionen aufgestellt werden kann, bleibt die Frage, ob es sich um ein reguläres oder singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. -Für das reguläre Problem laut der Definition \ref{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. + +\subsubsection*{regulär oder singulär?} +Für das reguläre Problem laut der Definition \ref{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 -\[ - T_n(x) = \cos n (\arccos x). -\] +\begin{equation} + T_n(x) = \cos n (\arccos x) +\end{equation}. Für $x>1$ und $x<-1$ sehen die Polynome wie folgt aus: -\[ +\begin{equation} T_n(x) = \left\{\begin{array}{ll} \cosh (n \arccos x), & x > 1\\ - (-1)^n \cosh (n \arccos (-x)), & x<-1 \end{array}\right., -\] + (-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 $p(x)^{-1}$ und $w(x)>0$ sein müssen. +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 $w(x)$. +ist die gleiche wie $w(x)$ und erfüllt die Bedingung. +\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 \ref{eq:randbedingungen}, erhält man -\[ +\begin{equation} \begin{aligned} - k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0 \\ + k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0 k_b y(-1) + h_b y'(-1) &= 0. \end{aligned} -\] -Die Funktion $y(x)$ und $y'(x)$ sind in diesem Fall die Tschebyscheff Polynome (siehe \ref{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}). +\end{equation} +Die Funktion $y(x)$ und $y'(x)$ sind in diesem Fall die Tschebyscheff Polynome (siehe \label{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}). Es gibt zwei Arten von Tschebyscheff Polynome: die erste Art $T_n(x)$ und die zweite Art $U_n(x)$. Jedoch beachtet man in diesem Kapitel nur die Tschebyscheff Polynome erster Art (\ref{eq:tschebyscheff-polynome}). Die Funktion $y(x)$ wird nun mit der Funktion $T_n(x)$ ersetzt und für die Verifizierung der Randbedingung wählt man $n=2$. Somit erhält man -\[ +\begin{equation} \begin{aligned} k_a T_2(-1) + h_a T_{2}'(-1) &= k_a = 0\\ k_b T_2(1) + h_b T_{2}'(1) &= k_b = 0. \end{aligned} -\] -Ähnlich wie beim Beispiel der Wärmeleitung in einem homogenen Stab können, 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 auch die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllt und alle daraus resultierenden Lösungen orthogonal sind. +\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 $h_a \ne 0$ 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. + +\begin{beispiel} + Die Gleichung \ref{eq:skalar-sturm-liouville} mit $y_m = T_1(x)$ und $y_n(x) = T_2(x)$ eingesetzt sowie $a=-1$ und $b = 1$ ergibt + \[ + \int_{-1}^{1} w(x) x (2x^2-1) dx = 0. + \] +\end{beispiel} + + + + + + + + + + + + diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index 7a37b2b..a72c562 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -20,7 +20,7 @@ die partielle Differentialgleichung \frac{\partial u}{\partial t} = \kappa \frac{\partial^{2}u}{{\partial x}^{2}}, \end{equation} -wobei der Stab in diesem Fall auf der X-Achse im Intervall $[0,l]$ liegt. +wobei der Stab in diesem Fall auf der $X$-Achse im Intervall $[0,l]$ liegt. Da diese Differentialgleichung das Problem allgemein für einen homogenen Stab beschreibt, werden zusätzliche Bedingungen benötigt, um beispielsweise @@ -35,7 +35,7 @@ Tempreatur gehalten werden. Die Enden des Stabes auf konstanter Temperatur zu halten bedeutet, dass die Lösungsfunktion $u(t,x)$ bei $x = 0$ und $x = l$ nur die vorgegebene Temperatur zurückgeben darf. Diese wird einfachheitshalber als $0$ angenomen. -Es folgen nun +Es folgt nun \begin{equation} \label{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} u(t,0) @@ -52,7 +52,7 @@ als Randbedingungen. \subsubsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} -Bei isolierten Enden des Stabes können belibige Temperaturen für $x = 0$ und +Bei isolierten Enden des Stabes können beliebige Temperaturen für $x = 0$ und $x = l$ auftreten. In diesem Fall ist es nicht erlaubt, dass Wärme vom Stab an die Umgebung oder von der Umgebung an den Stab abgegeben wird. @@ -187,7 +187,7 @@ somit auch zu orthogonalen Lösungen führen. % Lösung von X(x), Teil mu % -\subsubsection{Lösund der Differentialgleichung in x} +\subsubsection{Lösund der Differentialgleichung in $x$} Als erstes wird auf die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingegangen. Aufgrund der Struktur der Gleichung @@ -473,7 +473,7 @@ berechnet: \\ 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx =& - a_0 \int_{-l}^{l}cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + a_0 \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[a_n\int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx\right] @@ -487,7 +487,7 @@ berechnet: Betrachtet man nun die Summanden auf der rechten Seite stellt man fest, dass nahezu alle Terme verschwinden, denn \[ - \int_{-l}^{l}cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx = 0, \] @@ -528,10 +528,10 @@ mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert wird: \frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right]_{u=-m\pi}^{m\pi} \\ &= - a_m\frac{l}{m\pi}\left(\frac{m\pi}{2} + + a_m\frac{l}{m\pi}\biggl(\frac{m\pi}{2} + \underbrace{\frac{\sin\left(2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0} - \frac{-m\pi}{2} - - \underbrace{\frac{\sin\left(-2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0}\right) + \underbrace{\frac{\sin\left(-2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0}\biggr) \\ &= a_m l diff --git a/buch/papers/transfer/main.tex b/buch/papers/transfer/main.tex index ed16998..60f8230 100644 --- a/buch/papers/transfer/main.tex +++ b/buch/papers/transfer/main.tex @@ -3,7 +3,7 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Transferfunktionen\label{chapter:transfer}} +\chapter{Transferfunktion Tangens hyperbolicus\label{chapter:transfer}} \lhead{Thema} \begin{refsection} \chapterauthor{Marc Benz} @@ -12,6 +12,8 @@ \input{papers/transfer/teil1.tex} \input{papers/transfer/teil2.tex} \input{papers/transfer/teil3.tex} +%\input{papers/transfer/teil4.tex} + \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/transfer/packages.tex b/buch/papers/transfer/packages.tex index ee51b71..fa7069a 100644 --- a/buch/papers/transfer/packages.tex +++ b/buch/papers/transfer/packages.tex @@ -8,3 +8,8 @@ % following example %\usepackage{packagename} +\usetikzlibrary{positioning} +\usetikzlibrary{arrows} +\usetikzlibrary{fit} +\usetikzlibrary{shapes.geometric} +%\usepackage{subcaption} diff --git a/buch/papers/transfer/references.bib b/buch/papers/transfer/references.bib index 75f5d68..181682c 100644 --- a/buch/papers/transfer/references.bib +++ b/buch/papers/transfer/references.bib @@ -4,6 +4,30 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % + + +@article{transfer:DBLP:journals/corr/abs-1909-07729, + author = {Abhisek Kundu and + Sudarshan Srinivasan and + Eric C. Qin and + Dhiraj D. Kalamkar and + Naveen K. Mellempudi and + Dipankar Das and + Kunal Banerjee and + Bharat Kaul and + Pradeep Dubey}, + title = {K-TanH: Hardware Efficient Activations For Deep Learning}, + journal = {CoRR}, + volume = {abs/1909.07729}, + year = {2019}, + url = {http://arxiv.org/abs/1909.07729}, + eprinttype = {arXiv}, + eprint = {1909.07729}, + timestamp = {Sat, 04 Apr 2020 17:18:32 +0200}, + biburl = {https://dblp.org/rec/journals/corr/abs-1909-07729.bib}, + bibsource = {dblp computer science bibliography, https://dblp.org} +} + @online{transfer:bibtex, title = {BibTeX}, url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, @@ -31,5 +55,4 @@ volume = 47, pages = {607--627}, url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} -} - +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/transfer/teil0.tex b/buch/papers/transfer/teil0.tex index 19d4961..f8c8cb4 100644 --- a/buch/papers/transfer/teil0.tex +++ b/buch/papers/transfer/teil0.tex @@ -3,20 +3,232 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{transfer:section:teil0}} -\rhead{Teil 0} -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua \cite{transfer:bibtex}. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. -Stet clita kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum -dolor sit amet. - -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita -kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum dolor sit -amet. +\section{Motivation\label{transfer:section:teil0}} +\rhead{Einleitung} + +Die Transferfunktion ist einer der wichtigsten Bestandteile moderner neuraler Netzwerke. Sie verleiht ihnen die nicht Linearität, die benötigt wird um komplexere Aufgaben zu lösen. Dabei kann theoretisch jede nicht lineare Funktion eingesetzt werden. In der Praxis tauchen aber nur sehr wenige Funktionen mit ähnlichen Eigenschaften auf. Einige davon sind in der Tabelle \ref{tab:aktfkt} zu sehen. In der heutigen Zeit sind vor allem die Variationen der ReLu Funktion beliebt. Der Tangens hyperbolicus wird aber dank dem Aufkommen der Recurrent Neural Networks, zum Beispiel dem Long short term memory Netzwerk, das aus Zellen wie in \ref{motivation:figure:LSTM} gezeigt bestehen, wieder vermehrt eingesetzt. +Die klassische Berechnung ist aber sehr aufwendig und basiert auf Gleitkommaoperationen und relativ komplizierten Funktionen. Diese benötigen einen grossen Rechenaufwand. Vor allem auf Systemen die keine Gleitkommaarithmetik Hardware besitzen wie das zum Beispiel bei gewissen Mikrocontrollern der Fall ist. +\begin{table}[h] + \centering + \begin{tabular}{llll} + \hline + \multicolumn{1}{l}{Name} & \multicolumn{1}{l}{Function} & \multicolumn{1}{l}{Figure} \\ + \hline + Sigmoid & $\sigma(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}$ & + \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.2)}] + \draw (-1,0) -- (1,0); + \draw (0,0) -- (0,1); + \draw[red] plot[domain=-1:1,variable=\x] ({\x},{1/(1+exp(-4*\x))}); + \end{tikzpicture}\\ + ReLU & $f(x) =\begin{cases} + 0 & ~\text{if}~ x<0 \\ + x & ~\text{if}~x \geq 0. + \end{cases}$ & + \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.5)}] + \draw (-1,0) -- (1,0); + \draw (0,0) -- (0,1); + \draw[red] plot[domain=-1:1,variable=\x] ({\x},{ifthenelse(\x<0,0,\x)}); + \end{tikzpicture}\\ + Leaky ReLu & $f(x) =\begin{cases} + 0 & ~\text{if}~ x<0 \\ + x & ~\text{if}~x \geq a \cdot x. + \end{cases}$ & + \begin{tikzpicture}[baseline={(0,0.5)}] + \draw (-1,0) -- (1,0); + \draw (0,0) -- (0,1); + \draw[red] plot[domain=-1:1,variable=\x] ({\x},{ifthenelse(\x<0,0.1*\x,\x)}); + \end{tikzpicture} + \end{tabular} + \caption{Transferfunktionen} + \label{tab:aktfkt} +\end{table} + +\begin{figure} +\centering +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[ + xmin=-2.5, xmax=2.5, + ymin=-1.5, ymax=1.5, + axis lines=center, + axis on top=true, + domain=-2.5:2.5, + ylabel=$y$, + xlabel=$x$, + ] + + \addplot [mark=none,draw=red,ultra thick] {tanh(\x)}; + \node [right, red] at (axis cs: 1,0.7) {$\tanh(x)$}; + + %% Add the asymptotes + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:-2.5,-1)-- (axis cs:0,-1); + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:+2.5,+1)-- (axis cs:0,+1); + \end{axis} +\end{tikzpicture} +\caption{Tangens hyperbolicus +\label{anleitung:figure:tanhyp}} +\end{figure} + +\begin{figure} +\centering +\tikzset{ + every node/.style={ + font=\scriptsize + }, + decision/.style={ + shape=rectangle, + minimum height=1cm, + text width=3cm, + text centered, + rounded corners=1ex, + draw, + label={[yshift=0.2cm]left:ja}, + label={[yshift=0.2cm]right:nein}, + }, + outcome/.style={ + shape=ellipse, + fill=gray!15, + draw, + text width=1.5cm, + text centered + }, + decision tree/.style={ + edge from parent path={[-latex] (\tikzparentnode) -| (\tikzchildnode)}, + sibling distance=4cm, + level distance=1.5cm + } +} + +\begin{tikzpicture} + + \node [decision] { $x>k \cdot \frac{\ln 10}{2}$ } + [decision tree] + child { node [outcome] { $+1$ } } + child { node [decision] { $x<-k \cdot \frac{\ln 10}{2}$} + child { node [outcome] { $-1$ } } + child { node [decision] { $-0,1<x<+0,1$ } + child { node [outcome] { $\frac{\sinh x}{e^{x}-\sinh x}$ } } + child { node [outcome] { $\frac{e^{2 x}-1}{e^{2 x}+1}$ } } + } + }; +\end{tikzpicture} +\caption{Annäherung für Tangens hyperbolicus +\label{anleitung:figure:approxtanhhypalgo}} +\end{figure} + + +\begin{figure} +\centering +\newcommand{\empt}[2]{$#1^{\langle #2 \rangle}$} + +\begin{tikzpicture}[ + % GLOBAL CFG + font=\sf \scriptsize, + >=LaTeX, + % Styles + cell/.style={% For the main box + rectangle, + rounded corners=5mm, + draw, + very thick, + }, + operator/.style={%For operators like + and x + circle, + draw, + inner sep=-0.5pt, + minimum height =.2cm, + }, + function/.style={%For functions + ellipse, + draw, + inner sep=1pt + }, + ct/.style={% For external inputs and outputs + circle, + draw, + line width = .75pt, + minimum width=1cm, + inner sep=1pt, + }, + gt/.style={% For internal inputs + rectangle, + draw, + minimum width=4mm, + minimum height=3mm, + inner sep=1pt + }, + mylabel/.style={% something new that I have learned + font=\scriptsize\sffamily + }, + ArrowC1/.style={% Arrows with rounded corners + rounded corners=.25cm, + thick, + }, + ArrowC2/.style={% Arrows with big rounded corners + rounded corners=.5cm, + thick, + }, + ] + + %Start drawing the thing... + % Draw the cell: + \node [cell, minimum height =4cm, minimum width=6cm] at (0,0){} ; + + % Draw inputs named ibox# + \node [gt] (ibox1) at (-2,-0.75) {$\sigma$}; + \node [gt] (ibox2) at (-1.5,-0.75) {$\sigma$}; + \node [function, draw=red!60, fill=red!5] (ibox3) at (-0.5,-0.75) {$\tanh$}; + \node [gt] (ibox4) at (0.5,-0.75) {$\sigma$}; + + % Draw opérators named mux# , add# and func# + \node [operator] (mux1) at (-2,1.5) {$\times$}; + \node [operator] (add1) at (-0.5,1.5) {+}; + \node [operator] (mux2) at (-0.5,0) {$\times$}; + \node [operator] (mux3) at (1.5,0) {$\times$}; + \node [function, draw=red!60, fill=red!5] (func1) at (1.5,0.75) {$\tanh$}; + + % Draw External inputs named as basis c,h,x + \node[ct, label={[mylabel]}] (c) at (-4,1.5) {\empt{c}{t-1}}; + \node[ct, label={[mylabel]}] (h) at (-4,-1.5) {\empt{h}{t-1}}; + \node[ct, label={[mylabel]}] (x) at (-2.5,-3) {\empt{x}{t}}; + + % Draw External outputs? named as basis c2,h2,x2 + \node[ct, label={[mylabel]}] (c2) at (4,1.5) {\empt{c}{t}}; + \node[ct, label={[mylabel]}] (h2) at (4,-1.5) {\empt{h}{t}}; + \node[ct, label={[mylabel]}] (x2) at (2.5,3) {\empt{h}{t}}; + + % Start connecting all. + %Intersections and displacements are used. + % Drawing arrows + \draw [ArrowC1] (c) -- (mux1) -- (add1) -- (c2); + + % Inputs + \draw [ArrowC2] (h) -| (ibox4); + \draw [ArrowC1] (h -| ibox1)++(-0.5,0) -| (ibox1); + \draw [ArrowC1] (h -| ibox2)++(-0.5,0) -| (ibox2); + \draw [ArrowC1] (h -| ibox3)++(-0.5,0) -| (ibox3); + \draw [ArrowC1] (x) -- (x |- h)-| (ibox3); + + % Internal + \draw [->, ArrowC2] (ibox1) -- (mux1); + \draw [->, ArrowC2] (ibox2) |- (mux2); + \draw [->, ArrowC2] (ibox3) -- (mux2); + \draw [->, ArrowC2] (ibox4) |- (mux3); + \draw [->, ArrowC2] (mux2) -- (add1); + \draw [->, ArrowC1] (add1 -| func1)++(-0.5,0) -| (func1); + \draw [->, ArrowC2] (func1) -- (mux3); + + %Outputs + \draw [-, ArrowC2] (mux3) |- (h2); + \draw (c2 -| x2) ++(0,-0.1) coordinate (i1); + \draw [-, ArrowC2] (h2 -| x2)++(-0.5,0) -| (i1); + \draw [-, ArrowC2] (i1)++(0,0.2) -- (x2); + +\end{tikzpicture} +\caption{Long short term memory cell +\label{motivation:figure:LSTM}} +\end{figure} + + + diff --git a/buch/papers/transfer/teil1.tex b/buch/papers/transfer/teil1.tex index c60f1ea..f117fc0 100644 --- a/buch/papers/transfer/teil1.tex +++ b/buch/papers/transfer/teil1.tex @@ -3,53 +3,54 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 1 +\section{Taylorapproximation \label{transfer:section:teil1}} -\rhead{Problemstellung} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. -Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit aspernatur aut odit -aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores eos qui ratione -voluptatem sequi nesciunt +\subsection{Idee} +Die Taylorreihe kann eine glatte Funktion in einer Umgebung durch Polynome beliebig genau annähern. Beschränkt man sich auf einen bestimmten Grad dieser Polynome, spricht man von einer Taylorapproximation. Diese entwickelt sich immer um einen Punkt und kann über die Ableitungen berechnet werden. + +\subsection{Definition der Taylorreihe} +Sei $I \subset \mathbb{R}$ ein offenes Intervall, $f: I \rightarrow \mathbb{R}$ eine glatte Funktion und $a$ ein Element von $I$. Dann ist die unendliche Reihe \begin{equation} -\int_a^b x^2\, dx -= -\left[ \frac13 x^3 \right]_a^b -= -\frac{b^3-a^3}3. -\label{transfer:equation1} + T_{f(x ; a)}=\sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(a)}{n !}(x-a)^{n}=f(a)+f^{\prime}(a)(x-a)+\frac{f^{\prime \prime}(a)}{2}(x-a)^{2}+\frac{f^{\prime \prime \prime}(a)}{6}(x-a)^{3}+\ldots \end{equation} -Neque porro quisquam est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, -consectetur, adipisci velit, sed quia non numquam eius modi tempora -incidunt ut labore et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. - -Ut enim ad minima veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis -suscipit laboriosam, nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? -Quis autem vel eum iure reprehenderit qui in ea voluptate velit -esse quam nihil molestiae consequatur, vel illum qui dolorem eum -fugiat quo voluptas nulla pariatur? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{transfer:subsection:finibus}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga \eqref{000tempmlate:equation1}. +eine Taylorreihe. -Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio -\ref{transfer:section:loesung}. -Nam libero tempore, cum soluta nobis est eligendi optio cumque nihil -impedit quo minus id quod maxime placeat facere possimus, omnis -voluptas assumenda est, omnis dolor repellendus -\ref{transfer:section:folgerung}. -Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut rerum -necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae sint et -molestiae non recusandae. -Itaque earum rerum hic tenetur a sapiente delectus, ut aut reiciendis -voluptatibus maiores alias consequatur aut perferendis doloribus -asperiores repellat. +\subsection{Beispiel} +In diesem Beispiel wird die Taylorapproximation mit dem Grad 2 des Tangens hyperbolicus um den Punkt Null berechnet. +$$ + \tanh \approx T_{2} \tanh(x ; a)=\tanh(a)+\tanh^{\prime}(a) \cdot(x-a)+\frac{\tanh^{\prime \prime}(a) \cdot(x-a)^{2}}{2} +$$ +mit $a = 0$ folgt +$$ + T_{2} \tanh(x ; 0)=\tanh(0)+\tanh^{\prime}(0) \cdot(x)+\frac{\tanh^{\prime \prime}(0) \cdot(x)^{2}}{2} = 0 + x + 0 = x +$$ +\begin{figure} +\centering +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[ + xmin=-2.5, xmax=2.5, + ymin=-1.5, ymax=1.5, + axis lines=center, + axis on top=true, + domain=-2.5:2.5, + ylabel=$y$, + xlabel=$x$, + ] + + \addplot [mark=none,draw=red,thick] {tanh(\x)}; + \node [right, red] at (axis cs: 1.4,0.7) {$\tanh(x)$}; + \addplot [mark=none,draw=blue,ultra thick, samples=100, smooth] expression{x-(x^3)/3+ (2*x^5)/15-(17 * x^7)/315}; + \node [right, blue] at (axis cs: -1.8,0.7) {$Taylorapprox.$}; + + %% Add the asymptotes + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:-2.5,-1)-- (axis cs:0,-1); + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:+2.5,+1)-- (axis cs:0,+1); + \end{axis} +\end{tikzpicture} +\caption{Taylorapproximation des Grades 7 +\label{motivation:figure:Taylor}} +\end{figure} +\subsection{Problem} +Wie in Abbildung \ref{motivation:figure:Taylor} ersichtlich, ist der Approximationsfehler sogar bei Grad 7 des Polynoms sehr gross. Dies liegt ist unter anderem an der Unbeschränktheit, die solche Polynome besitzen. diff --git a/buch/papers/transfer/teil2.tex b/buch/papers/transfer/teil2.tex index ce8f798..aae81a7 100644 --- a/buch/papers/transfer/teil2.tex +++ b/buch/papers/transfer/teil2.tex @@ -1,40 +1,68 @@ % -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 +% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 2 +\section{Padé-Approximation \label{transfer:section:teil2}} -\rhead{Teil 2} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit -aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores -eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam -est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci -velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore -et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima -veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam, -nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure -reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae -consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla -pariatur? +\rhead{} + +\subsection{Idee + \label{transfer:pade:idee}} +Die Taylorapproximation ist für den Gebrauch als Ersatz des Tangenshyperbolicus als Transferfunktion nicht brauchbar. Die Padé-Approximation kann die grössten Probleme aber entschärfen und dies mit sehr begrenztem zusätzlichen Rechenaufwand. Dafür wird die Taylorapproximation in einen Bruch von zwei Polynom zerlegt. + +\subsection{Definition +\label{transfer:pade:definition}} +Sei +\begin{equation} + R(x)=\frac{\sum_{j=0}^{m} a_{j} x^{j}}{1+\sum_{k=1}^{n} b_{k} x^{k}}=\frac{a_{0}+a_{1} x+a_{2} x^{2}+\cdots+a_{m} x^{m}}{1+b_{1} x+b_{2} x^{2}+\cdots+b_{n} x^{n}} +\end{equation} +und gilt +\begin{gather*} + f(0) =R(0) \\ + f^{\prime}(0) =R^{\prime}(0) \\ + f^{\prime \prime}(0) =R^{\prime \prime}(0) \\ + \vdots \\ + f^{(m+n)}(0) =R^{(m+n)}(0), +\end{gather*} +so ist $R(x)$ die Padé-Approximation von $f(x)$. +\subsection{Beispiel + \label{transfer:pade:beispiel}} +Sei $f(x) = \tanh (x)$ und $T_{5} \tanh(x ; a) = x-\frac{x^{3}}{3}+\frac{2 x^{5}}{15}$, dann gilt +$$ + \begin{gathered} + [3 / 2]_{f}(x) = \frac{A_{0}+A_{1} x+A_{2} x^{2}+A_{3} x^{3}}{B_{0}+B_{1} x+B_{2} x^{2}}=x-\frac{x^{3}}{3}+\frac{2 x^{5}}{15}+O\left(x^{6}\right), B_{0} = 1,\\ + \Downarrow \\ + [3 / 2]_{f}(x) = \frac{15x+x^3}{15+6x^2} +\end{gathered} +$$ + +\begin{figure} +\centering +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[ + xmin=-3.5, xmax=3.5, + ymin=-1.5, ymax=1.5, + axis lines=center, + axis on top=true, + domain=-3.5:3.5, + ylabel=$y$, + xlabel=$x$, + ] + + \addplot [mark=none,draw=red,thick] {tanh(\x)}; + \node [right, red] at (axis cs: 1.4,0.7) {$\tanh(x)$}; + \addplot [mark=none,draw=blue,ultra thick, samples=100, smooth] expression{x*(15+x^2)/(15+6*x^2)}; + \node [right, blue] at (axis cs: -1.8,0.7) {$Padé$}; + + %% Add the asymptotes + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:-2.5,-1)-- (axis cs:0,-1); + \draw [blue, dotted, thick] (axis cs:+2.5,+1)-- (axis cs:0,+1); + \end{axis} +\end{tikzpicture} +\caption{$[3 / 2]_{f}(x)$ +\label{motivation:figure:Pade32}} +\end{figure} -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{transfer:subsection:bonorum}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis -est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis -est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime -placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor -repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut -rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae -sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a -sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias -consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat. diff --git a/buch/papers/transfer/teil3.tex b/buch/papers/transfer/teil3.tex index f707587..5bbe0c1 100644 --- a/buch/papers/transfer/teil3.tex +++ b/buch/papers/transfer/teil3.tex @@ -1,40 +1,26 @@ % -% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 +% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 3 +\section{MiniMax-Polynom \label{transfer:section:teil3}} -\rhead{Teil 3} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit -aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores -eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam -est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci -velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore -et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima -veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam, -nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure -reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae -consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla -pariatur? +\rhead{MiniMax-Polynom} -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{transfer:subsection:malorum}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis -est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis -est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime -placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor -repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut -rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae -sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a -sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias -consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat. + + +\subsection{Idee +\label{transfer:subsection:idee}} +Finde das Polynom eines bestimmten Grades, welches eine Funktion in einem Intervall am besten approximiert. + + +\subsection{Definition + \label{transfer:subsection:definition}} +Das Polynom welches + $$ \max _{a \leq x \leq b}|f(x)-P(x)| , a \in \mathbb{R}, b \in \mathbb{R}.$$ +minimiert. +\subsection{Beispiel + \label{transfer:subsection:beispiel}} +Um ein MiniMax-Polynom zu berechnen, kann der Remez-Algorithmus verwendet werden. Dieser basiert im wesentlichen auf dem Alternantensatz von Tschebyschow. diff --git a/buch/papers/transfer/teil4.tex b/buch/papers/transfer/teil4.tex new file mode 100644 index 0000000..d652e2d --- /dev/null +++ b/buch/papers/transfer/teil4.tex @@ -0,0 +1,218 @@ +% +% teil4.tex +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{K-Tanh +\label{transfer:section:teil4}} +\rhead{K-Tanh} + +\subsection{Idee + \label{transfer:subsection:Ktanh-Idee}} +Um die Berechnung des Tangens hyperbolicus wirklich zu beschleunigen, braucht es einen Algorithmus, der ohne Gleitkommaoperationen auskommt. Um dies zu bewerkstelligen, ist eine Unterteilung der Funktion in mehrere Abschnitte nötig. Diese können dann linear approximiert werden. Die dazugehörigen Parameter können einmal berechnet werden und zu Rechenzeit aus einem LUT????? gelesen und danach mit integer Operationen verrechnet werden. + + +\subsection{Definitionen + \label{transfer:subsection:Ktanh-Definition}} + +\subsubsection{Gleitkommazahlen nach IEEE-754 + \label{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus:Gleitkommazahl}} +Da ein Computer nur mit binären Werten arbeiten kann, müssen Zahlen durch sogenannte Gleitkommazahlen approximiert werden. Dafür wird die Zahl in zwei Teile aufgeteilt, die Mantisse und den Exponenten. Die Zahl setzt sich dann wie folgt zusammen: +$$ +\begin{array}{|l|l|l|} + \hline S & E & M \\ + \hline +\end{array} +$$ +Aus dem sich die Dezimalzahl wie folgt berechnet +$$ +x=s \cdot m \cdot b^{e} +$$ +wobei +$$ +\begin{aligned} + &s=(-1)^{S} \\ + &e=E-B\\ + &B=2^{r-1}-1 + &m=1+M / 2^{p} +\end{aligned} +$$ +mit $r$ = Anzahl der Exponenten bits und p = Anzahl mantisse Bits. + + +\subsubsection{K-tanh Algorithmus +\label{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus}} +\cite{transfer:DBLP:journals/corr/abs-1909-07729} + +Negative Werte werden nicht separat behandelt. Diese werden dank der Symertrie um den Ursprung mit einem einfachen Vorzeichenwechsel aus den positiven berechnet. +Für $x < 0.25$ gilt $y = x$. +Ist $x > 3.75$ gitl $y = 1$. +Ist der Wert zwischen diesen Grenzen, werden über einen Lookuptable geeignete Werte gefunden um aus dem $x$ die Approximation des Tanh zu berechnen. +Dafür werden eine bestimmte Anzahl LSBs des Exponenten und MSBs der Mantisse zu einem Index $t$ zusammengestzt. Der dann die Stelle im Lookuptable zeigt. +Damit werden die richtigen Werte für $E_{t}, r_{t}, b_{t}$ aus der Tabelle, die im Vorhinein schon berechnet wurden, ausgelesen. +Damit hat man das $E$ bereits gefunden und mit der Formel +\[ + M_{o} \leftarrow\left(M_{i} \gg r\right)+b +\] + +kann das neue $M$ berechnet werden. + +\begin{figure} +\centering +\tikzset{ + every node/.style={ + font=\scriptsize + }, + decision/.style={ + shape=rectangle, + minimum height=1cm, + text width=3cm, + text centered, + rounded corners=1ex, + draw, + label={[yshift=0.2cm]left:ja}, + label={[yshift=0.2cm]right:nein}, + }, + outcome/.style={ + shape=ellipse, + fill=gray!15, + draw, + text width=1.5cm, + text centered + }, + decision tree/.style={ + edge from parent path={[-latex] (\tikzparentnode) -| (\tikzchildnode)}, + sibling distance=4cm, + level distance=1.5cm + } +} +\begin{tikzpicture} + + \node [decision] { $x<0.25$ } + [decision tree] + child { node [outcome] { $x$ } } + child { node [decision] { $x>3.75$} + child { node [outcome] { $1$ } } + child { node [outcome] { $K-tanh$ } } + }; + +\end{tikzpicture} +\caption{Gesamter Algorithmus +\label{motivation:figure:gesalgo}} +\end{figure} + +\begin{figure} +\centering +\begin{tikzpicture} + [>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{dot} = [circle, draw, fill, inner sep=0.03cm] + + \tikzstyle{brace} = [decorate, decoration={brace,amplitude=4pt}] + + \begin{scope}[] + + \node[ minimum width=0.5cm] (s) at (0, 0) {$s$}; + \node[anchor=west, minimum width=1.5cm] (e) at (s.east) {$E_i$}; + \node[anchor=west, minimum width=1.5cm] (m) at (e.east) {$M_i$}; + \draw[blue] (e.north west) -- (e.south west) (e.north east) -- (e.south east); + \node[draw, green!50!black, rounded corners=0.1cm, fit=(s) (e) (m), inner sep = 0] (a) {}; + + \node[minimum width=0.5cm] (s) at (5, 0) {$s$}; + \node[anchor=west, minimum width=1.5cm] (e) at (s.east) {$E_o$}; + \node[anchor=west, minimum width=1.5cm] (m) at (e.east) {$M_o$}; + \draw[blue] (e.north west) -- (e.south west) (e.north east) -- (e.south east); + \node[draw, green!50!black, rounded corners=0.1cm, fit=(s) (e) (m), inner sep = 0] (b) {}; + + \draw[yshift=-0.4cm, decorate,decoration={brace,amplitude=4pt}] (a.south) ++(0, -0.2) +(0.5,0) -- +(-0.5,0 ); + + \node[draw=black, fill=black!20, minimum width=1.5cm, minimum height= 2cm, below=1cm of a] (lut) {}; + + \node[draw=blue, inner sep=0.2cm, right = 1.5cm of lut, align=left] (box) {$E_0 \gets E$ \\ $M_0 \gets (M_i \gg r) + b$}; + + \draw[->] (a.south) +(0, -0.5) -- (lut); + \draw[->] (lut) -- node[above]{$(E,r,b)$} (box); + \draw[->] (box) -| ([xshift=0.5cm, yshift=-0.3cm]b.south); + + \end{scope} + +\end{tikzpicture} +\caption{Ablauf der K-tanh Berechnung +\label{motivation:figure:Ktanhablauf}} +\end{figure} + + +\subsection{Beispiel +\label{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus:Beispiel}} + +%TODO + +In diesem Abschnitt wird das Verfahren am einem Beispiel mit dem BFloat16 erklärt. Das bedeutet die Gleitkommazahlen werden mit 8 Exponenten, 7 Mantisse und einem Vorzeichen bit dargestellt. + +\subsubsection{Algorithmus für die Bestimmung der Parameter + \label{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus:Algo}} + +\begin{enumerate} + \item Wir berechnen zuerst den Tanh für ein gegebenes x und finden die zugehörige BFloat16-Darstellung. + \[ + y_{i}=\operatorname{TanH}\left(x_{i}\right)=(-1)^{s} \cdot 2^{E_{i}} \cdot\left(1+M_{i} / 2^{q}\right) + \] + + \item Sollten die Exponenten in einem Intervall $t$ nicht gleich sein, muss ein gemeinsamer Exponent gefunden werden, so dass + $$ + \underset{E, \hat{M}_{i} \in \mathbb{Z}}{\operatorname{argmin}} \sum_{i}\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}, \quad \text { mit } \quad E \in\left\{E_{i}\right\}, \hat{M}_{i} \in[0,127] + $$ + minimiert wird. Was bedeutet, dass der Exponent mit welchem der kleinsten quadrierten und aufsummierten Fehler entsteht gewählt wird. + ?????We pick E from the set of exponents {Ei}. If E = Ej , + then, Mˆ + j = Mj , for all j. If E > Ej , then, Mˆ + j = 0. + Similarly, for E < Ej , Mˆ + j = 2q − 1. Store this E in the + parameter table TE.????? + \item Um den Verschiebungsparameter r und den Additionsterm b zu finden, muss das folgende Optimierungsproblem gelöst werden. Auch hier wird einfach der kleinste quadrierte und aufsummierte Fehler gesucht wird. + $$ + \begin{array}{ll} + & \underset{r, b \in \mathbb{Z}}{\operatorname{argmin}} \sum_{i}\left(\hat{M}_{i}-\left(m_{i} / 2^{r}+b\right)\right)^{2} \\ + \text { mit } & 0 \leq r \leq r_{\max } \leq p, \quad b_{\min } \leq b \leq b_{\max } + \end{array} + $$ + Dabei müssen $r_max$, $b_min$ und $b_max$ sorgfältig gewählt werden, so dass kein +\end{enumerate} + +\subsubsection{Numerisches Beispiel + \label{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus:Num}} +Zum Index $t = 00000$ gehört neben Anderen der Wert $x_i = 2$. Denn mit \ref{transfer:subsection:Ktanh-Algorithmus:Gleitkommazahl} folgt + +$$ +\begin{array}{|l|l|l|} + \hline S_i & E_{i} & M_{i} \\ + \hline 0 & 100000 \textbf{00} & \textbf{000} 0000 \\ + \hline +\end{array} +$$ +Der dazugehörige Tanh Wert ist +$y_i = \tanh{x_i}=0.96402758\ldots$. Es lässt sich die dazugehörige BFloat-16-Darstellung finden + +$$ +\begin{array}{|l|l|l|} + \hline S_{y_{i}} & E_{y_{i}} & M_{y_{i}} \\ + \hline 0 & 01111110 & 1110110 \\ + \hline +\end{array} +$$ +Nun müssen alle anderen Werte dieses Intervalls $t = 00000$ ausgewertet werden. Stimmen nicht alle Exponenten der $S_{y}$ überein, so muss noch ein gemeinsamer Exponent mit dem Optimierungproblem \ref{} gefunden werden. Danach kann der Verschiebe- und Additionsfaktor für das Intervall berechnet werden. +Es ergeben sich die Werte: +$$ +\begin{array}{c|ccc} + \text { Index } t & E_{t} & r_{t} & b_{t} \\ + \hline 00111 & 126 & 2 & 119 +\end{array} +$$ + + + + + + + diff --git a/cover/buchcover.tex b/cover/buchcover.tex index d6ad7ec..748fbeb 100644 --- a/cover/buchcover.tex +++ b/cover/buchcover.tex @@ -1,5 +1,5 @@ % -% buchcover.tex -- Cover für das Buch Numerik +% buchcover.tex -- Cover für das Buch Spezielle Funktionen % % (c) 2018 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % |
