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diff --git a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex index df968f0..18f1267 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex @@ -374,7 +374,7 @@ Wir fassen die Resultate dieses Abschnitts im folgenden Satz zusammen. Die eulersche hypergeometrische Differentialgleichung \begin{equation} x(1-x)\frac{d^2y}{dx^2} -+(c+(a+b+1)x)\frac{dy}{dx} ++(c-(a+b+1)x)\frac{dy}{dx} -ab y = 0 diff --git a/buch/chapters/060-integral/chapter.tex b/buch/chapters/060-integral/chapter.tex index 276e4f3..af4bd67 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/chapter.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/chapter.tex @@ -43,7 +43,6 @@ gibt darauf eine Antwort. \input{chapters/060-integral/eulertransformation.tex} \input{chapters/060-integral/differentialkoerper.tex} \input{chapters/060-integral/risch.tex} -\input{chapters/060-integral/orthogonal.tex} \section*{Übungsaufgaben} \rhead{Übungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/Makefile b/buch/chapters/060-integral/images/Makefile index 790bfb1..28b662e 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/Makefile +++ b/buch/chapters/060-integral/images/Makefile @@ -4,16 +4,10 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -all: erf.pdf legendre.pdf orthogonal.pdf +all: erf.pdf erf.pdf: erf.tex erfpunkte.tex pdflatex erf.tex erfpunkte.tex: erfpunkte.m octave erfpunkte.m -legendrepaths.tex: legendre.m - octave legendre.m -legendre.pdf: legendre.tex legendrepaths.tex - pdflatex legendre.tex -orthogonal.pdf: orthogonal.tex legendrepaths.tex - pdflatex orthogonal.tex diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc new file mode 100644 index 0000000..80bb54b --- /dev/null +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc @@ -0,0 +1,14 @@ +# +# Makefile.inc -- Makefile dependencies for chapter 7 +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ + chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/jacobi.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex \ + chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex new file mode 100644 index 0000000..3e9412a --- /dev/null +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex @@ -0,0 +1,91 @@ +% +% Besselfunktionen also orthogonale Funktionenfamilie +% +\section{Bessel-Funktionen als orthogonale Funktionenfamilie} +\rhead{Bessel-Funktionen} +Auch die Besselfunktionen sind eine orthogonale Funktionenfamilie. +Sie sind Funktionen differenzierbaren Funktionen $f(r)$ für $r>0$ +mit $f'(r)=0$ und für $r\to\infty$ nimmt $f(r)$ so schnell ab, dass +auch $rf(r)$ noch gegen $0$ strebt. +Das Skalarprodukt ist +\[ +\langle f,g\rangle += +\int_0^\infty r f(r) g(r)\,dr, +\] +als Operator verwenden wir +\[ +A = \frac{d^2}{dr^2} + \frac{1}{r}\frac{d}{dr} + s(r), +\] +wobei $s(r)$ eine beliebige integrierbare Funktion sein kann. +Zunächst überprüfen wir, ob dieser Operator wirklich selbstadjungiert ist. +Dazu rechnen wir +\begin{align} +\langle Af,g\rangle +&= +\int_0^\infty +r\,\biggl(f''(r)+\frac1rf'(r)+s(r)f(r)\biggr) g(r) +\,dr +\notag +\\ +&= +\int_0^\infty rf''(r)g(r)\,dr ++ +\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr ++ +\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. +\notag +\intertext{Der letzte Term ist symmetrisch in $f$ und $g$, daher +ändern wir daran weiter nichts. +Auf das erste Integral kann man partielle Integration anwenden und erhält} +&= +\biggl[rf'(r)g(r)\biggr]_0^\infty +- +\int_0^\infty f'(r)g(r) + rf'(r)g'(r)\,dr ++ +\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr ++ +\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. +\notag +\intertext{Der erste Term verschwindet wegen der Bedingungen an die +Funktionen $f$ und $g$. +Der erste Term im zweiten Integral hebt sich gegen das +zweite Integral weg. +Der letzte Term ist das Skalarprodukt von $f'$ und $g'$. +Somit ergibt sich +} +&= +-\langle f',g'\rangle ++ +\int_0^\infty s(r) f(r)g(r)\,dr. +\label{buch:integrale:orthogonal:besselsa} +\end{align} +Vertauscht man die Rollen von $f$ und $g$, erhält man das Gleiche, da im +letzten Ausdruck~\eqref{buch:integrale:orthogonal:besselsa} die Funktionen +$f$ und $g$ symmetrische auftreten. +Damit ist gezeigt, dass der Operator $A$ selbstadjungiert ist. +Es folgt nun, dass Eigenvektoren des Operators $A$ automatisch +orthogonal sind. + +Eigenfunktionen von $A$ sind aber Lösungen der Differentialgleichung +\[ +\begin{aligned} +&& +Af&=\lambda f +\\ +&\Rightarrow\qquad& +f''(r) +\frac1rf'(r) + s(r)f(r) &= \lambda f(r) +\\ +&\Rightarrow\qquad& +r^2f''(r) +rf'(r)+ (-\lambda r^2+s(r)r^2)f(r) &= 0 +\end{aligned} +\] +sind. + +Durch die Wahl $s(r)=1$ wird der Operator $A$ zum Bessel-Operator +$B$ definiert in +\eqref{buch:differentialgleichungen:bessel-operator}. +Die Lösungen der Besselschen Differentialgleichung zu verschiedenen Werten +des Parameters müssen also orthogonal sein, insbesondere sind die +Besselfunktion $J_\nu(r)$ und $J_\mu(r)$ orthogonal wenn $\mu\ne\nu$ ist. + diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex new file mode 100644 index 0000000..4c6019f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex @@ -0,0 +1,31 @@ +% +% chapter.tex -- Spezielle Funktionen definiert durch Integrale +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +% !TeX spellcheck = de_CH +\chapter{Orthogonalität +\label{buch:chapter:orthogonalitaet}} +\lhead{Orthogonalität} +\rhead{} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/jacobi.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex} + +\section{TODO} +\begin{itemize} +\item Jacobi-Polynome +\item Tschebyscheff-Polynome +\end{itemize} + +\section*{Übungsaufgaben} +\rhead{Übungsaufgaben} +\aufgabetoplevel{chapters/070-orthogonalitaet/uebungsaufgaben} +\begin{uebungsaufgaben} +%\uebungsaufgabe{0} +%\uebungsaufgabe{1} +\end{uebungsaufgaben} + diff --git a/buch/chapters/060-integral/gaussquadratur.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex index 27740ab..870c8a8 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/gaussquadratur.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex @@ -1,7 +1,8 @@ % % Anwendung: Gauss-Quadratur % -\subsection{Anwendung: Gauss-Quadratur} +\section{Anwendung: Gauss-Quadratur} +\rhead{Gauss-Quadratur} Orthogonale Polynome haben eine etwas unerwartet Anwendung in einem von Gauss erdachten numerischen Integrationsverfahren. Es basiert auf der Beobachtung, dass viele Funktionen sich sehr @@ -10,7 +11,7 @@ Wenn man also sicherstellt, dass ein Verfahren für Polynome sehr gut funktioniert, darf man auch davon ausgehen, dass es für andere Funktionen nicht allzu schlecht sein wird. -\subsubsection{Interpolationspolynome} +\subsection{Interpolationspolynome} Zu einer stetigen Funktion $f(x)$ auf dem Intervall $[-1,1]$ ist ein Polynome vom Grad $n$ gesucht, welches in den Punkten $x_0<x_1<\dots<x_n$ die Funktionswerte $f(x_i)$ annimmt. @@ -58,7 +59,7 @@ f(x_j) \] hat, das Polynome $p(x)$ ist also das gesuchte Interpolationspolynom. -\subsubsection{Integrationsverfahren auf der Basis von Interpolation} +\subsection{Integrationsverfahren auf der Basis von Interpolation} Das Integral einer stetigen Funktion $f(x)$ auf dem Intervall $[-1,1]$ kann mit Hilfe des Interpolationspolynoms approximiert werden. Wenn $|f(x)-p(x)|<\varepsilon$ ist im Intervall $[-1,1]$, dann gilt @@ -96,7 +97,7 @@ gewichtete Summe \] approximiert. -\subsubsection{Integrationsverfahren, die für Polynome exakt sind} +\subsection{Integrationsverfahren, die für Polynome exakt sind} Ein Polynom vom Grad $2n$ hat $2n+1$ Koeffizienten. Um das Polynom durch ein Interpolationspolynom exakt wiederzugeben, braucht man $2n+1$ Stützstellen. @@ -223,7 +224,7 @@ verallgemeinert werden. Allerdings ist die Rechnung zur Bestimmung der Stützstellen und Gewichte sehr mühsam. -\subsubsection{Stützstellen und Orthogonalpolynome} +\subsection{Stützstellen und Orthogonalpolynome} Sei $R_n=\{p(X)\in\mathbb{R}[X] \mid \deg p\le n\}$ der Vektorraum der Polynome vom Grad $n$. @@ -281,7 +282,7 @@ $p(x)$ sein. Der Satz~\ref{buch:integral:satz:gaussquadratur} begründet das {\em Gausssche Quadraturverfahren}. -Die in Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:orthogonale-polynome} +Die in Abschnitt~\ref{buch:integral:section:orthogonale-polynome} bestimmten Legendre-Polynome $P_n$ haben die im Satz verlangte Eigenschaft, dass sie auf allen Polynomen geringeren Grades orthogonal sind. @@ -296,7 +297,7 @@ auf Seite~\pageref{buch:integral:beispiel:gaussquadraturn1} befundenen Sützstellen. \end{beispiel} -\subsubsection{Fehler der Gauss-Quadratur} +\subsection{Fehler der Gauss-Quadratur} Das Gausssche Quadraturverfahren mit $n$ Stützstellen berechnet Integrale von Polynomen bis zum Grad $2n-1$ exakt. Für eine beliebige Funktion kann man die folgende Fehlerabschätzung @@ -480,5 +481,5 @@ die Konvergenz des Verfahrens in diesem Fall sehr viel schlechter ist. Dies zeigt auch der Graph in Abbildung~\ref{buch:integral:gaussquadratur:fehler}. -\subsubsection{Skalarprodukte mit Gewichtsfunktion} +\subsection{Skalarprodukte mit Gewichtsfunktion} diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/Makefile b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..e3a988a --- /dev/null +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/Makefile @@ -0,0 +1,14 @@ +# +# Makefile -- Bilder zum Kapitel über durch Integrale definierte spezielle +# Funktionen +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +all: legendre.pdf orthogonal.pdf + +legendrepaths.tex: legendre.m + octave legendre.m +legendre.pdf: legendre.tex legendrepaths.tex + pdflatex legendre.tex +orthogonal.pdf: orthogonal.tex legendrepaths.tex + pdflatex orthogonal.tex diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.m b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.m index 8e8317d..8e8317d 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.m +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.m diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.pdf b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.pdf Binary files differindex 554dc35..a893c26 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.pdf +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.pdf diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.tex index 8409da0..8409da0 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/legendre.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.tex diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/orthogonal.pdf b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/orthogonal.pdf Binary files differindex f7abb5e..960c4ff 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/orthogonal.pdf +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/orthogonal.pdf diff --git a/buch/chapters/060-integral/images/orthogonal.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/orthogonal.tex index 8600281..8600281 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/images/orthogonal.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/images/orthogonal.tex diff --git a/buch/chapters/060-integral/jacobi.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/jacobi.tex index c0e80ec..fb7d5ff 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/jacobi.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/jacobi.tex @@ -3,6 +3,7 @@ % % (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostsdchweizer Fachhochschule % -\subsection{Jacobi-Polynome +\section{Jacobi-Polynome \label{buch:integrale:subsection:jacobi-polynome}} +\rhead{Jacobi-Polynome} diff --git a/buch/chapters/060-integral/legendredgl.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex index 6c8a1df..12555b8 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/legendredgl.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex @@ -3,7 +3,8 @@ % % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\subsection{Orthogonale Polynome und Differentialgleichungen} +\section{Orthogonale Polynome und Differentialgleichungen} +\rhead{Differentialgleichungen orthogonaler Polynome} Legendre hat einen ganz anderen Zugang zu den nach ihm benannten Polynomen gefunden. Er hat sie gefunden als die Lösungen einer speziellen Differentialgleichungen. @@ -15,7 +16,7 @@ Die Orthogonalität wird dann aus einer Verallgemeinerung der bekannten Eingeschaft folgen, dass Eigenvektoren einer symmetrischen Matrix zu verschiedenen Eigenwerten orthogonal sind. -\subsubsection{Legendre-Differentialgleichung} +\subsection{Legendre-Differentialgleichung} Die {\em Legendre-Differentialgleichung} ist die Differentialgleichung \begin{equation} (1-x^2) y'' - 2x y' + n(n+1) y = 0 @@ -60,7 +61,7 @@ zerlegen, die als Linearkombinationen der beiden Lösungen $y(x)$ und $y_s(x)$ ebenfalls Lösungen der Differentialgleichung sind. -\subsubsection{Potenzreihenlösung} +\subsection{Potenzreihenlösung} Wir suchen eine Lösung in Form einer Potenzreihe um $x=0$ und verwenden dazu den Ansatz \[ @@ -169,7 +170,7 @@ eine Polynomlösung $\bar{P}_n(x)$ vom Grad $n$ gibt. Dies kann aber nicht erklären, warum die so gefundenen Polynome orthogonal sind. -\subsubsection{Eigenfunktionen} +\subsection{Eigenfunktionen} Die Differentialgleichung \eqref{buch:integral:eqn:legendre-differentialgleichung} Kann mit dem Differentialoperator @@ -197,7 +198,7 @@ des Operators $D$ zum Eigenwert $n(n+1)$ sind: D\bar{P}_n = -n(n+1) \bar{P}_n. \] -\subsubsection{Orthogonalität von $\bar{P}_n$ als Eigenfunktionen} +\subsection{Orthogonalität von $\bar{P}_n$ als Eigenfunktionen} Ein Operator $A$ auf Funktionen heisst {\em selbstadjungiert}, wenn für zwei beliebige Funktionen $f$ und $g$ gilt \[ @@ -273,7 +274,7 @@ die $\bar{P}_n$ orthogonale Polynome vom Grad $n$ sind, die die gleiche Standardierdisierungsbedingung wie die Legendre-Polyonome erfüllen, also ist $\bar{P}_n(x)=P_n(x)$. -\subsubsection{Legendre-Funktionen zweiter Art} +\subsection{Legendre-Funktionen zweiter Art} %Siehe Wikipedia-Artikel \url{https://de.wikipedia.org/wiki/Legendre-Polynom} % Die Potenzreihenmethode liefert natürlich auch Lösungen der diff --git a/buch/chapters/060-integral/orthogonal.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex index 0ea9c0c..2b7bf41 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/orthogonal.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex @@ -3,9 +3,9 @@ % % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Orthogonalität -\label{buch:integral:section:orthogonale-polynome}} -\rhead{Orthogonale Polynome} +\section{Orthogonale Funktionenfamilien +\label{buch:orthogonalitaet:section:orthogonale-funktionen}} +\rhead{Orthogonale Funktionenfamilien} Die Fourier-Theorie basiert auf der Idee, Funktionen durch Funktionenreihen mit Summanden zu bilden, die im Sinne eines Skalarproduktes orthogonal sind, welches mit Hilfe eines Integrals @@ -368,96 +368,96 @@ Nach obigem Satz sind die Eigenfunktionen von $D$ orthogonal. Das Beispiel illustriert, dass orthogonale Funktionenfamilien ein automatisches Nebenprodukt selbstadjungierter Operatoren sind. +%% +%% Besselfunktionen also orthogonale Funktionenfamilie +%% +%\subsection{Bessel-Funktionen als orthogonale Funktionenfamilie} +%Auch die Besselfunktionen sind eine orthogonale Funktionenfamilie. +%Sie sind Funktionen differenzierbaren Funktionen $f(r)$ für $r>0$ +%mit $f'(r)=0$ und für $r\to\infty$ nimmt $f(r)$ so schnell ab, dass +%auch $rf(r)$ noch gegen $0$ strebt. +%Das Skalarprodukt ist +%\[ +%\langle f,g\rangle +%= +%\int_0^\infty r f(r) g(r)\,dr, +%\] +%als Operator verwenden wir +%\[ +%A = \frac{d^2}{dr^2} + \frac{1}{r}\frac{d}{dr} + s(r), +%\] +%wobei $s(r)$ eine beliebige integrierbare Funktion sein kann. +%Zunächst überprüfen wir, ob dieser Operator wirklich selbstadjungiert ist. +%Dazu rechnen wir +%\begin{align} +%\langle Af,g\rangle +%&= +%\int_0^\infty +%r\,\biggl(f''(r)+\frac1rf'(r)+s(r)f(r)\biggr) g(r) +%\,dr +%\notag +%\\ +%&= +%\int_0^\infty rf''(r)g(r)\,dr +%+ +%\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr +%+ +%\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. +%\notag +%\intertext{Der letzte Term ist symmetrisch in $f$ und $g$, daher +%ändern wir daran weiter nichts. +%Auf das erste Integral kann man partielle Integration anwenden und erhält} +%&= +%\biggl[rf'(r)g(r)\biggr]_0^\infty +%- +%\int_0^\infty f'(r)g(r) + rf'(r)g'(r)\,dr +%+ +%\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr +%+ +%\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. +%\notag +%\intertext{Der erste Term verschwindet wegen der Bedingungen an die +%Funktionen $f$ und $g$. +%Der erste Term im zweiten Integral hebt sich gegen das +%zweite Integral weg. +%Der letzte Term ist das Skalarprodukt von $f'$ und $g'$. +%Somit ergibt sich +%} +%&= +%-\langle f',g'\rangle +%+ +%\int_0^\infty s(r) f(r)g(r)\,dr. +%\label{buch:integrale:orthogonal:besselsa} +%\end{align} +%Vertauscht man die Rollen von $f$ und $g$, erhält man das Gleiche, da im +%letzten Ausdruck~\eqref{buch:integrale:orthogonal:besselsa} die Funktionen +%$f$ und $g$ symmetrische auftreten. +%Damit ist gezeigt, dass der Operator $A$ selbstadjungiert ist. +%Es folgt nun, dass Eigenvektoren des Operators $A$ automatisch +%orthogonal sind. % -% Besselfunktionen also orthogonale Funktionenfamilie +%Eigenfunktionen von $A$ sind aber Lösungen der Differentialgleichung +%\[ +%\begin{aligned} +%&& +%Af&=\lambda f +%\\ +%&\Rightarrow\qquad& +%f''(r) +\frac1rf'(r) + s(r)f(r) &= \lambda f(r) +%\\ +%&\Rightarrow\qquad& +%r^2f''(r) +rf'(r)+ (-\lambda r^2+s(r)r^2)f(r) &= 0 +%\end{aligned} +%\] +%sind. +% +%Durch die Wahl $s(r)=1$ wird der Operator $A$ zum Bessel-Operator +%$B$ definiert in +%\eqref{buch:differentialgleichungen:bessel-operator}. +%Die Lösungen der Besselschen Differentialgleichung zu verschiedenen Werten +%des Parameters müssen also orthogonal sein, insbesondere sind die +%Besselfunktion $J_\nu(r)$ und $J_\mu(r)$ orthogonal wenn $\mu\ne\nu$ ist. % -\subsection{Bessel-Funktionen als orthogonale Funktionenfamilie} -Auch die Besselfunktionen sind eine orthogonale Funktionenfamilie. -Sie sind Funktionen differenzierbaren Funktionen $f(r)$ für $r>0$ -mit $f'(r)=0$ und für $r\to\infty$ nimmt $f(r)$ so schnell ab, dass -auch $rf(r)$ noch gegen $0$ strebt. -Das Skalarprodukt ist -\[ -\langle f,g\rangle -= -\int_0^\infty r f(r) g(r)\,dr, -\] -als Operator verwenden wir -\[ -A = \frac{d^2}{dr^2} + \frac{1}{r}\frac{d}{dr} + s(r), -\] -wobei $s(r)$ eine beliebige integrierbare Funktion sein kann. -Zunächst überprüfen wir, ob dieser Operator wirklich selbstadjungiert ist. -Dazu rechnen wir -\begin{align} -\langle Af,g\rangle -&= -\int_0^\infty -r\,\biggl(f''(r)+\frac1rf'(r)+s(r)f(r)\biggr) g(r) -\,dr -\notag -\\ -&= -\int_0^\infty rf''(r)g(r)\,dr -+ -\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr -+ -\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. -\notag -\intertext{Der letzte Term ist symmetrisch in $f$ und $g$, daher -ändern wir daran weiter nichts. -Auf das erste Integral kann man partielle Integration anwenden und erhält} -&= -\biggl[rf'(r)g(r)\biggr]_0^\infty -- -\int_0^\infty f'(r)g(r) + rf'(r)g'(r)\,dr -+ -\int_0^\infty f'(r)g(r)\,dr -+ -\int_0^\infty s(r)f(r)g(r)\,dr. -\notag -\intertext{Der erste Term verschwindet wegen der Bedingungen an die -Funktionen $f$ und $g$. -Der erste Term im zweiten Integral hebt sich gegen das -zweite Integral weg. -Der letzte Term ist das Skalarprodukt von $f'$ und $g'$. -Somit ergibt sich -} -&= --\langle f',g'\rangle -+ -\int_0^\infty s(r) f(r)g(r)\,dr. -\label{buch:integrale:orthogonal:besselsa} -\end{align} -Vertauscht man die Rollen von $f$ und $g$, erhält man das Gleiche, da im -letzten Ausdruck~\eqref{buch:integrale:orthogonal:besselsa} die Funktionen -$f$ und $g$ symmetrische auftreten. -Damit ist gezeigt, dass der Operator $A$ selbstadjungiert ist. -Es folgt nun, dass Eigenvektoren des Operators $A$ automatisch -orthogonal sind. - -Eigenfunktionen von $A$ sind aber Lösungen der Differentialgleichung -\[ -\begin{aligned} -&& -Af&=\lambda f -\\ -&\Rightarrow\qquad& -f''(r) +\frac1rf'(r) + s(r)f(r) &= \lambda f(r) -\\ -&\Rightarrow\qquad& -r^2f''(r) +rf'(r)+ (-\lambda r^2+s(r)r^2)f(r) &= 0 -\end{aligned} -\] -sind. - -Durch die Wahl $s(r)=1$ wird der Operator $A$ zum Bessel-Operator -$B$ definiert in -\eqref{buch:differentialgleichungen:bessel-operator}. -Die Lösungen der Besselschen Differentialgleichung zu verschiedenen Werten -des Parameters müssen also orthogonal sein, insbesondere sind die -Besselfunktion $J_\nu(r)$ und $J_\mu(r)$ orthogonal wenn $\mu\ne\nu$ ist. - % % Orthogonale Polynome % @@ -515,7 +515,7 @@ Abbildung~\ref{buch:integral:orthogonal:legendregraphen} dargestellt. \begin{figure} \centering -\includegraphics{chapters/060-integral/images/legendre.pdf} +\includegraphics{chapters/070-orthogonalitaet/images/legendre.pdf} \caption{Graphen der Legendre-Polynome $P_n(x)$ für $n=1,\dots,10$. \label{buch:integral:orthogonal:legendregraphen}} \end{figure} @@ -663,7 +663,7 @@ setzen muss. \begin{figure} \centering -\includegraphics{chapters/060-integral/images/orthogonal.pdf} +\includegraphics{chapters/070-orthogonalitaet/images/orthogonal.pdf} \caption{Orthogonalität der Legendre-Polynome $P_4(x)$ ({\color{blue}blau}) und $P_7(x)$ ({\color{darkgreen}grün}). Die blaue Fläche ist die Fläche unter dem Graphen @@ -723,24 +723,3 @@ Abbildung~\ref{buch:integral:orthogonal:legendreortho} illustriert, dass die die beiden Polynome $P_4(x)$ und $P_7(x)$ orthogonal sind. Das Produkt $P_4(x)\cdot P_7(x)$ hat Integral $=0$. -\input{chapters/060-integral/jacobi.tex} - -\subsection{TODO} -\begin{itemize} -\item Jacobi-Polynome -\item Tschebyscheff-Polynome -\end{itemize} - -%% -%% Differentialgleichungen -%% -%\subsection{Orthogonale Polynome und Differentialgleichungen} -%\subsubsection{Legendre-Differentialgleichung} -%\subsubsection{Legendre-Polyome} -%\subsubsection{Legendre-Funktionen zweiter Art} -%Siehe Wikipedia-Artikel \url{https://de.wikipedia.org/wiki/Legendre-Polynom} - -\input{chapters/060-integral/legendredgl.tex} -\input{chapters/060-integral/sturm.tex} -\input{chapters/060-integral/gaussquadratur.tex} - diff --git a/buch/chapters/060-integral/sturm.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex index e374bae..c8ee11a 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/sturm.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex @@ -3,14 +3,15 @@ % % (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\subsection{Sturm-Liouville-Problem +\section{Das Sturm-Liouville-Problem \label{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}} +\rhead{Das Sturm-Liouville-Problem} Sowohl bei den Bessel-Funktionen wie bei den Legendre-Polynomen konnte die Orthogonalität der Funktionen dadurch gezeigt werden, dass sie als Eigenfunktionen eines bezüglich eines geeigneten Skalarproduktes selbstadjungierten Operators erkannt wurden. -\subsubsection{Differentialgleichung} +\subsection{Differentialgleichung} Das klassische Sturm-Liouville-Problem ist das folgende Eigenwertproblem. Gesucht sind Lösungen der Differentialgleichung \begin{equation} @@ -29,7 +30,7 @@ erfüllen, wobei $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ mit $i=a,b$. Weitere Bedingungen an die Funktionen $p(x)$, $q(x)$, $w(x)$ sowie die Lösungsfunktionen $y(x)$ sollen später geklärt werden. -\subsubsection{Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für symmetrische Matrizen} +\subsection{Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für symmetrische Matrizen} Ein zu \eqref{buch:integrale:eqn:sturm-liouville} analoges Eigenwertproblem für Matrizen ist das folgende verallgemeinerte Eigenwertproblem. Das gewohnte Eigenwertproblem verwendet die Matrix $B=E$. @@ -171,7 +172,7 @@ ist damit ein gewöhnliches Eigenwertproblem für selbstadjungierte Matrizen des Operators $\tilde{A}$ bezüglich des verallgemeinerten Skalarproduktes $\langle\,\;,\;\rangle_B$. -\subsubsection{Der Operator $L_0$ und die Randbedingung} +\subsection{Der Operator $L_0$ und die Randbedingung} Die Differentialgleichung kann auch in Operatorform geschrieben werden. Dazu schreiben wir \[ @@ -271,7 +272,7 @@ Ausgeschrieben bedeutet dies, dass die Randbedingung \eqref{buch:integrale:sturm:randbedingung} erfüllt sein muss. -\subsubsection{Skalarprodukt} +\subsection{Skalarprodukt} Das Ziel der folgenden Abschnitte ist, das Sturm-Liouville-Problem als Eigenwertproblem für einen selbstadjungierten Operator in einem Funktionenraum mit einem geeigneten Skalarprodukt zu finden. @@ -310,7 +311,7 @@ mit der Gewichtsfunktion $w(x)$ verwendet werden. Damit dies ein vernünftiges Skalarprodukt ist, muss $w(x)>0$ im Innerend es Intervalls sein. -\subsubsection{Der Vektorraum $H$} +\subsection{Der Vektorraum $H$} Damit können wir jetzt die Eigenschaften der in Frage kommenden Funktionen zusammenstellen. Zunächst müssen sie auf dem Intervall $[a,b]$ definiert sein und @@ -342,7 +343,7 @@ f\in L^2([a,b],w)\;\bigg|\; \biggr\}. \] -\subsubsection{Differentialoperator} +\subsection{Differentialoperator} Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für $A$ und $B$ ist ein gewöhnliches Eigenwertproblem für die Operator $\tilde{A}=B^{-1}A$ bezüglich des modifizierten Skalarproduktes. @@ -362,9 +363,13 @@ $\lambda$ ist der zu $y(x)$ gehörige Eigenwert. Der Operator ist definiert auf Funktionen des im vorangegangenen Abschnitt definierten Vektorraumes $H$. +\subsection{Beispiele} +Die meisten der früher vorgestellten Funktionenfamilien stellen sich +als Lösungen eines geeigneten Sturm-Liouville-Problems heraus. +Alle Eigenschaften aus der Sturm-Liouville-Theorie gelten daher +automatisch für diese Funktionenfamilien. - -\subsubsection{Beispiel: Trigonometrische Funktionen} +\subsubsection{Trigonometrische Funktionen} Die trigonometrischen Funktionen sind Eigenfunktionen des Operators $d^2/dx^2$, also eines Sturm-Liouville-Operators mit $p(x)=1$, $q(x)=0$ und $w(x)=0$. @@ -426,7 +431,7 @@ Dann ist wegen die Bedingung~\eqref{buch:integrale:sturm:sabedingung} ebenfalls erfüllt, $L_0$ ist in diesem Raum selbstadjungiert. -\subsubsection{Beispiel: Bessel-Funktionen} +\subsubsection{Bessel-Funktionen} Der Bessel-Operator \eqref{buch:differentialgleichungen:bessel-operator} hat die Form eines Sturm-Liouville-Operators \[ @@ -438,7 +443,7 @@ mit $p(x)=x^2$, $q(x)=x^2$. XXX TODO: Faktor 2 fehlt. -\subsubsection{Beispiel: Tschebyscheff-Polynome} +\subsubsection{Tschebyscheff-Polynome} Die Tschebyscheff-Polynome sind Lösungen der Tschebyscheff-Differentialgleichung \[ @@ -477,3 +482,128 @@ bezüglich des Skalarproduktes \langle f,g\rangle = \int_{-1}^1 f(x)g(x)\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}. \] +\subsubsection{Jacobi-Polynome} +TODO + +\subsubsection{Hypergeometrische Differentialgleichungen} +%\url{https://encyclopediaofmath.org/wiki/Hypergeometric_equation} +Auch die Eulersche hypergeometrische Differentialgleichung +lässt sich in die Form eines Sturm-Liouville-Operators +bringen. +Dazu setzt man +\begin{align*} +p(z) +&= +z^c(z-1)^{a+b+1-c} +\\ +q(z) +&= +-abz^{c-1}(z-1)^{a+b-c} +\\ +w(z) +&= +z^{c-1}(z-1)^{a+b-c}. +\end{align*} +Setzt man dies in den Sturm-Liouville-Operator ein, erhält man +\begin{equation} +L += +-\frac{d}{dz}p(z)\frac{d}{dz} + q(z) += +-p(z)\frac{d^2}{dz^2} +-p'(z)\frac{d}{dz} ++q(z) +\label{buch:orthgonalitaet:eqn:hypersturm} +\end{equation} +Wir brauchen also +\begin{align*} +p'(z) +&= +cz^{c-1}(z-1)^{a+b+1-c} ++ +(a+b+1-c) +z^c +(z-1)^{a+b-c} +\\ +&= +\bigl( +c(z-1)+ +(a+b+1-c)z +\bigr) +\cdot +z^{c-1}(z-1)^{a+b-c} +\\ +&= +- +\bigl( +c-(a+b+1)z +\bigr) +\cdot +z^{c-1}(z-1)^{a+b-c}. +\end{align*} +Einsetzen in~\eqref{buch:orthgonalitaet:eqn:hypersturm} liefert +\begin{align*} +L +%= +%-\frac{d}{dz}p(z)\frac{d}{dz}+q(z) +&= +-z^c(z-1)^{a+b+1-c} \frac{d^2}{dz^2} ++ +w(z) +(c-(a+b+1)z) +\frac{d}{dz} +- +abw(z) +\\ +&= +w(z) +\biggl( +- +z(z-1) +\frac{d^2}{dz^2} ++ +(c-(a+b+1)z) +\frac{d}{dz} +-ab +\biggr) +\\ +&= +w(z) +\biggl( +z(1-z) +\frac{d^2}{dz^2} ++ +(c-(a+b+1)z) +\frac{d}{dz} +-ab +\biggr). +\end{align*} +Die Klammer auf der rechten Seite ist tatsächlich die linke Seite der +eulerschen hypergeometrischen Differentialgleichung. + +Die hypergeometrische Funktion $\mathstrut_2F_1(a,b;c;z)$ ist ein +Eigenvektor des Operators $L$ zum Eigenwert $\lambda$. +Sei jetzt $w(z)$ eine Eigenfunktion zum Eigenwert $\lambda\ne 0$, +also +\[ +z(1-z)w''(z) + (c-(a+b+1)z)w'(z) - ab w(z) = \lambda w(z). +\] +Kann man $a$ und $b$ so in $a_1$ und $b_1$ ändern, dass $a+b=a_1+b_1$ +gleich bleiben aber das Produkt den Wert $a_1b_1=ab-\lambda$? +$a_1$ und $b_1$ sind die Lösungen der quadratischen Gleichung +\[ +x^2 - (a+b)x + ab-\lambda = 0. +\] +Alle Eigenfunktionen des Operators $L$ sind also hypergeometrische +Funktion $\mathstrut_2F_1$. + +Da die Gewichtsfunktion $w(z)$ bei der Ersetzung $a\to a_1$ und $b\to b_1$ +sich nicht ändert ($w(z)$ hängt nur von der Summe $a+b$ ab, welche sich +nicht ändert), sind die beide beiden Eigenfunktionen bezüglich +des Skalarproduktes mit der Gewichtsfunktion $w(z)$ orthogonal. + + + + + + diff --git a/buch/chapters/Makefile.inc b/buch/chapters/Makefile.inc index 9a452e0..fc769c8 100644 --- a/buch/chapters/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/Makefile.inc @@ -14,5 +14,6 @@ include chapters/020-exponential/Makefile.inc include chapters/030-geometrie/Makefile.inc include chapters/040-rekursion/Makefile.inc include chapters/060-integral/Makefile.inc +include chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc include chapters/080-funktionentheorie/Makefile.inc diff --git a/buch/chapters/part1.tex b/buch/chapters/part1.tex index e141255..a61f908 100644 --- a/buch/chapters/part1.tex +++ b/buch/chapters/part1.tex @@ -17,7 +17,7 @@ % analytisch definierte spezielle Funktionen \input{chapters/050-differential/chapter.tex} \input{chapters/060-integral/chapter.tex} -%\input{chapters/070-reihenprodukte/chapter.tex} +\input{chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex} \input{chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex} \input{chapters/090-pde/chapter.tex} % Gamma und Pi |