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diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex b/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex index ccc2e97..6d21a68 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex @@ -102,7 +102,7 @@ die Sütztstellen so zu wählen, dass $l(x)$ kleine Funktionswerte hat. Stützstellen in gleichen Abständen erweisen sich dafür als ungeeignet, da $l(x)$ nahe $x_0$ und $x_n$ sehr stark oszilliert. -\subsection{Definition der Tschebyscheff-Polynome} +\subsection{Definition der Tschebyscheff-Polynome \label{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}} \begin{figure} \centering \includegraphics[width=\textwidth]{chapters/010-potenzen/images/lissajous.pdf} @@ -199,6 +199,7 @@ T_0(x)=1. \end{equation} Damit können die Tschebyscheff-Polynome sehr effizient berechnet werden: \begin{equation} +\label{eq:tschebyscheff-polynome} \begin{aligned} T_0(x) &=1 diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex index 742ec0a..80bd5f4 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex @@ -15,7 +15,7 @@ Skalarproduktes selbstadjungierten Operators erkannt wurden. % % Differentialgleichungen % -\subsection{Differentialgleichung} +\subsection{Differentialgleichung \label{sub:differentailgleichung}} Das klassische Sturm-Liouville-Problem ist das folgende Eigenwertproblem. Gesucht sind Lösungen der Differentialgleichung \begin{equation} @@ -405,7 +405,7 @@ L % % Beispiele % -\subsection{Beispiele} +\subsection{Beispiele\label{sub:beispiele_sturm_liouville_problem}} 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 diff --git a/buch/papers/fm/00_modulation.tex b/buch/papers/fm/00_modulation.tex index e2ba39f..982d63c 100644 --- a/buch/papers/fm/00_modulation.tex +++ b/buch/papers/fm/00_modulation.tex @@ -3,11 +3,22 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % + +Durch die Modulation wird ein Nachrichtensignal \(m(t)\) auf ein Trägersignal (z.B. ein Sinus- oder Rechtecksignal) abgebildet (kombiniert). +Durch dieses Auftragen vom Nachrichtensignal \(m(t)\) kann das modulierte Signal in einem gewünschten Frequenzbereich übertragen werden. +Der ursprünglich Frequenzbereich des Nachrichtensignal \(m(t)\) erstreckt sich typischerweise von 0 Hz bis zur Bandbreite \(B_m\). +Beim Empfänger wird dann durch Demodulation das ursprüngliche Nachrichtensignal \(m(t)\) so originalgetreu wie möglich zurückgewonnen. +Beim Trägersignal \(x_c(t)\) handelt es sich um ein informationsloses Hilfssignal. +Durch die Modulation mit dem Nachrichtensignal \(m(t)\) wird es zum modulierten zu übertragenden Signal. +Für alle Erklärungen wird ein sinusförmiges Trägersignal benutzt, jedoch kann auch ein Rechtecksignal, +welches Digital einfach umzusetzten ist, +genauso als Trägersignal genutzt werden kann.\cite{fm:NAT} + \subsection{Modulationsarten\label{fm:section:modulation}} Das sinusförmige Trägersignal hat die übliche Form: \(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_c(t)+\varphi)\). -Wobei die konstanten Amplitude \(A_c\) und Phase \(\varphi\) vom Nachrichtensignal \(m(t)\) verändert wird. +Wobei die konstanten Amplitude \(A_c\) und Phase \(\varphi\) vom Nachrichtensignal \(m(t)\) verändert werden können. Der Parameter \(\omega_c\), die Trägerkreisfrequenz bzw. die Trägerfrequenz \(f_c = \frac{\omega_c}{2\pi}\), steht nicht für die modulation zur verfügung, statt dessen kann durch ihn die Frequenzachse frei gewählt werden. \newblockpunct @@ -25,6 +36,8 @@ die Phasenmodulation \(\varphi\) und dann noch die Momentankreisfrequenz \(\omeg \item PM \item FM \end{itemize} +Um modulation zu Verstehen ist es am Anschaulichst mit der AM Amplitudenmodulation, +da Phasenmodulation und Frequenzmodulation den gleichen Parameter verändert vernachlässige ich die Phasenmodulation ganz. To do: Bilder jeder Modulationsart diff --git a/buch/papers/fm/01_AM.tex b/buch/papers/fm/01_AM.tex index 21927f5..714b9a0 100644 --- a/buch/papers/fm/01_AM.tex +++ b/buch/papers/fm/01_AM.tex @@ -11,19 +11,61 @@ Nun zur Amplitudenmodulation verwenden wir das bevorzugte Trägersignal \[ x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_ct). \] -Dies bringt den grossen Vorteil das, dass modulierend Signal sämtliche Anteile im Frequenzspektrum inanspruch nimmt -und das Trägersignal nur zwei komplexe Schwingungen besitzt. +Dies bringt den grossen Vorteil das, dass modulierend Signal sämtliche Anteile im Frequenzspektrum in Anspruch nimmt +und das Trägersignal nur zwei komplexe Schwingungen besitzt. Dies sieht man besonders in der Eulerischen Formel \[ x_c(t) = \frac{A_c}{2} \cdot e^{j\omega_ct}\;+\;\frac{A_c}{2} \cdot e^{-j\omega_ct}. + \label{fm:eq:AM:euler} \] Dabei ist die negative Frequenz der zweiten komplexen Schwingung zwingend erforderlich, damit in der Summe immer ein reellwertiges Trägersignal ergibt. Nun wird der Parameter \(A_c\) durch das Modulierende Signal \(m(t)\) ersetzt, wobei so \(m(t) \leqslant |1|\) normiert wurde. -\newline -\newline + +Dabei entseht wine Umhüllende kurve die unserem ursprünglichen signal \(m(t)\) entspricht. +\[ + x_c(t) = m(t) \cdot \cos(\omega_ct). +\] + +\begin{figure} + \centering + \input{papers/fm/Python animation/m_t.pgf} + \caption{modulierende Signal \(m(t)\)} + \label{fig:bessel} +\end{figure} +% TODO: +Bilder Hier beschrieib ich was AmplitudenModulation ist und mache dan den link zu Frequenzmodulation inkl Formel \[\cos( \cos x)\] so wird beschrieben das daraus eigentlich \(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_i)\) wird und somit \(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_c + \frac{d \varphi(t)}{dt})\). Da \(\sin \) abgeleitet \(\cos \) ergibt, so wird aus dem \(m(t)\) ein \( \frac{d \varphi(t)}{dt}\) in der momentan frequenz. \[ \Rightarrow \cos( \cos x) \] +\subsection{Frequenzspektrum} +Das Frequenzspektrum ist eine Darstellung von einem Signal im Frequenzbereich, das heisst man erkennt welche Frequenzen in einem Signal vorhanden sind. +Dafür muss man eine Fouriertransformation vornehmen. +Wird aus dieser Gleichung \eqref{fm:eq:AM:euler}die Fouriertransformation vorggenommen, so erhält man -\subsection{Frequenzspektrum}
\ No newline at end of file +% +%Ein Ziel der Modulation besteht darin, mehrere Nachrichtensignale von verschiedenen Sendern gleichzeitig +%in verschiedenen Frequenzbereichen über den gleichen Kanal zu senden. Um dieses Frequenzmultiplexing +%störungsfrei und mit eine Vielzahl von Teilnehmern durchführen zu können, muss die spektrale Beschaffen- +%heit der modulierten Signale möglichst gut bekannt sein. +%Dank des Modulationssatzes der Fouriertransformation lässt sich das Spektrum eines gewöhnlichen AM Si- +%gnals sofort bestimmen: +%A c μ +%F +%·(M n (ω−ω c ) + M n (ω+ω c )) (5.5) +%A c ·(1+μm n (t))·cos(ω c t) ❝ s A c π (δ(ω−ω c ) + δ(ω+ω c )) + +%2 +%Das zweiseitige Spektrum des Nachrichtensignals M (ω) wird mit dem Faktor A 2 c μ gewichtet und einmal +%nach +ω c und einmal nach −ω c verschoben. Dies führt im Vergleich zum Basisbandsignal zu einer Verdop- +%pelung der Bandbreite mit je einem Seitenband links und rechts der Trägerfrequenz. Weiter beinhaltet das +%Amplitudendichtespektrum je eine Deltafunktion mit Gewicht A c π an den Stellen ±ω c , d.h. ein fester, nicht- +%modulierter Amplitudenanteil bei der eigentlichen Trägerfrequenz. +%Das Amplitudendichtespektrum ist im nachfolgenden Graphen für A c = 1 und μ = 100% dargestellt.5.3. Gewöhnliche Amplitudenmodulation +%47 +%Abbildung 5.12: Amplitudendichtespektrum von gewöhnlicher AM +%Für das Nachrichtensignal wurde in diesem Graph mit einem Keil symbolhaft ein Amplitudendichtespektrum +%|M (ω)| gewählt, bei welchem der Anteil auf der positiven und jener auf der negativen Frequenzachse visuell +%gut auseinandergehalten werden können. Ein solch geformtes Spektrum wird aber in der Praxis kaum je +%auftreten: bei periodischen Testsignalen besteht das Nachrichtensignal aus einem Linienspektrum, bei einem +%Energiesignal mit zufälligem Verlauf aus einem kontinuierlichen Spektrum, welches jedoch nicht auf diese +%einfache Art geformt sein wird
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/02_FM.tex b/buch/papers/fm/02_FM.tex index fedfaaa..a01fb69 100644 --- a/buch/papers/fm/02_FM.tex +++ b/buch/papers/fm/02_FM.tex @@ -6,9 +6,65 @@ \section{FM \label{fm:section:teil1}} \rhead{FM} -\subsection{Frequenzspektrum} -TODO -Hier Beschreiben ich FM und FM im Frequenzspektrum. +\subsection{Frequenzmodulation} +(skript Nat ab Seite 60) +Als weiterer Parameter, um ein sinusförmiges Trägersignal \(x_c = A_c \cdot \cos(\omega_c t + \varphi)\) zu modulieren, +bietet sich neben der Amplitude \(A_c\) auch der Phasenwinkel \(\varphi\) oder die momentane Frequenzabweichung \(\frac{d\varphi}{dt}\) an. +Bei der Phasenmodulation (Englisch: phase modulation, PM) erzeugt das Nachrichtensignal \(m(t)\) eine Phasenabweichung \(\varphi(t)\) des modulierten Trägersignals im Vergleich zum nicht-modulierten Träger. Sie ist pro- +%portional zum Nachrichtensignal \(m(t)\) durch eine Skalierung mit der Phasenhubkonstanten (Englisch: phase deviation constant) +%k p [rad], +%welche die Amplitude des Nachrichtensignals auf die Phasenabweichung des +%modulierten Trägersignals abbildet: φ(t) = k p · m(t). Damit ergibt sich für das phasenmodulierte Trägersi- +%gnal: +%x PM (t) = A c · cos (ω c t + k p · m(t)) +%(5.16) +%Die modulierte Phase φ(t) verändert dabei auch die Momentanfrequenz (Englisch: instantaneous frequency) +%ω i +%, welche wie folgt berechnet wird: +%f i = 2π +%ω i (t) = ω c + +%d φ(t) +%dt +%(5.17) +%Bei der Frequenzmodulation (Englisch: frequency modulation, FM) ist die Abweichung der momentanen +%Kreisfrequenz ω i von der Trägerkreisfrequenz ω c proportional zum Nachrichtensignal m(t). Sie ergibt sich, +%indem m(t) mit der (Kreis-)Frequenzhubkonstanten (Englisch: frequency deviation constant) k f [rad/s] ska- +%liert wird: ω i (t) = ω c + k f · m(t). Diese sich zeitlich verändernde Abweichung von der Kreisfrequenz ω c +%verursacht gleichzeitig auch Schwankungen der Phase φ(t), welche wie folgt berechnet wird: +%φ(t) = +%Z t +%−∞ +%ω i (τ ) − ω c dτ = +%Somit ergibt sich für das frequenzmodulierte Trägersignal: +% +%Z t +%−∞ +%x FM (t) = A c · cos ω c t + k f +%k f · m(t) dτ +%Z t +%−∞ +% +%m(τ ) dτ +%(5.18) +%(5.19) +%Die Phase φ(t) hat dabei einen kontinuierlichen Verlauf, d.h. das FM-modulierte Signal x FM (t) weist keine +%Stellen auf, wo sich die Phase sprunghaft ändert. Aus diesem Grund spricht man bei frequenzmodulierten +%Signalen – speziell auch bei digitalen FM-Signalen – von einer Modulation mit kontinuierlicher Phase (Eng- +%lisch: continuous phase modulation). +%Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, sind Phasenmodulation und Frequenzmodulation äquivalente Mo- +%dulationsverfahren. Beide variieren sowohl die Phase φ wie auch die Momentanfrequenz ω i . Dadurch kann +%man leider nicht – wie vielleicht erhofft – je mit einem eigenen Nachrichtensignal ein gemeinsames Trägersi- +%gnal unabhängig PM- und FM-modulieren, ohne dass sich diese Modulationen für den Empfänger untrennbar +%vermischen würden. +% +%Um die mathematische Behandlung der nicht-linearen Winkelmodulation etwas zu verkürzen, ist es aufgrund +%dieser Äquivalenzen gerechtfertigt, dass PM und FM gemeinsam behandelt werden. Jeweils vor der Modu- +%lation bzw. nach der Demodulation kann dann noch eine Differentiation oder Integration durchgeführt wird, +%um von der einen Modulationsart zur anderen zu gelangen. +%\subsection{Frequenzbereich} +%Nun +%TODO +%Hier Beschreiben ich FM und FM im Frequenzspektrum. %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 diff --git a/buch/papers/fm/03_bessel.tex b/buch/papers/fm/03_bessel.tex index 5f85dc6..3c2cb71 100644 --- a/buch/papers/fm/03_bessel.tex +++ b/buch/papers/fm/03_bessel.tex @@ -67,7 +67,7 @@ Mit dem \eqref{fm:eq:addth1} wird aus dem modulierten Signal = \cos(\omega_c t + \beta\sin(\omega_mt)) = - \cos(\omega_c t)\cos(\beta\sin(\omega_m t))-\sin(\omega_ct)\sin(\beta\sin(\omega_m t)). + \cos(\omega_c t)\cos(\beta\sin(\omega_m t)) - \sin(\omega_ct)\sin(\beta\sin(\omega_m t)). \label{fm:eq:start} \] %----------------------------------------------------------------------------------------------------------- @@ -89,23 +89,34 @@ mit hilfe der Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid1} zum \end{align*} %intertext{} Funktioniert nicht. wobei mit dem Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth2} \(A = \omega_c t\) und \(B = 2k\omega_m t \) ersetzt wurden. +Nun kann die Summe in zwei Summen \begin{align*} c(t) &= - J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \{ \underbrace{\cos((\omega_c - 2k \omega_m) t)} \,+\, \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) \} + J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos((\omega_c - 2k \omega_m) t) \,+\, \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) \} \\ &= - \sum_{k=-\infty}^{-1} J_{2k}(\beta) \overbrace{\cos((\omega_c +2k \omega_m) t)} - \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t+ 2\cdot0 \omega_m) + \sum_{k=\infty}^{1} J_{2k}(\beta) \underbrace{\cos((\omega_c - 2k \omega_m) t)} + \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t) \,+\, \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta)\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) \end{align*} -wird. -Das Minus im Ersten Term wird zur negativen Summe \(\sum_{-\infty}^{-1}\) ersetzt. -Da \(2k\) immer gerade ist, wird es durch alle negativen und positiven Ganzzahlen \(n\) ersetzt: +aufgeteilt werden. +Wenn bei der ersten Summe noch \(k\) von \(-\infty \to -1\) läuft, wird diese summe zu \(\sum_{k=-1}^{-\infty} J_{-2k}(\beta) {\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t)} \) +Zudem kann die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht werden. \(n \) wird mit \(2k\) ersetzt, da dies immer gerade ist so gilt: \(J_{-n}(\beta) = J_n(\beta)\) +Somit bekommt man zwei gleiche Summen +\begin{align*} + c(t) + &= + \sum_{k=-\infty}^{-1} J_{2k}(\beta) \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) + \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t+ 2 \cdot 0 \omega_m) + \,+\, \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta)\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) +\end{align*} +Diese können wir vereinfachter schreiben, \begin{align*} \sum_{n\, \text{gerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t), \label{fm:eq:gerade} \end{align*} +da \(2k\) für alle negativen, wie positiven geraden Zahlen zählt. %---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- \subsubsection{Sin-Teil} Nun zum zweiten Teil des Term \eqref{fm:eq:start}, den Sin-Teil @@ -157,14 +168,14 @@ jedoch so \(-1 \cdot J_{-n}(\beta) = J_n(\beta)\) und daraus wird dann: \sum_{n=- \infty}^{-1} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t) \,+\, \sum_{n=1}^\infty J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) \end{align*} -Da \(n\) immer ungerade ist und \(0\) nicht zu den ungeraden zahlen zählt, kann man dies so vereinfacht +Da \(n\) immer ungerade ist und \(0\) nicht zu den ungeraden Zahlen zählt, kann man dies so vereinfacht \[ s(t) = - \sum_{n\, \text{ungerade}} -1 \cdot J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t). + \sum_{n\, \text{ungerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t). \label{fm:eq:ungerade} \] -schreiben. +, mit allen positiven und negativen Ganzzahlen schreiben. %------------------------------------------------------------------------------------------ \subsubsection{Summe Zusammenführen} Beide Teile \eqref{fm:eq:gerade} Gerade @@ -179,7 +190,7 @@ ergeben zusammen \[ \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) = - \sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t). + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{n}(\beta) \cos((\omega_c+ n\omega_m)t). \] Somit ist \eqref{fm:eq:proof} bewiesen. \newpage diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb index 74f1011..4074765 100644 --- a/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb +++ b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb @@ -11,11 +11,12 @@ "from scipy.fft import fft, ifft, fftfreq\n", "import scipy.special as sc\n", "import scipy.fftpack\n", + "import matplotlib.pyplot as plt\n", "import matplotlib as mpl\n", "# Use the pgf backend (must be set before pyplot imported)\n", - "mpl.use('pgf')\n", - "import matplotlib.pyplot as plt\n", - "from matplotlib.widgets import Slider\n", + "# mpl.use('pgf')\n", + "\n", + "\n", "def fm(beta):\n", " # Number of samplepoints\n", " N = 600\n", @@ -27,7 +28,7 @@ " #beta = 1.0\n", " y_old = np.sin(fc * 2.0*np.pi*x+beta*np.sin(fm * 2.0*np.pi*x))\n", " y = 0*x;\n", - " xf = fftfreq(N, 1 / 400)\n", + " xf = fftfreq(N, 1 / N)\n", " for k in range (-4, 4):\n", " y = sc.jv(k,beta)*np.sin((fc+k*fm) * 2.0*np.pi*x)\n", " yf = fft(y)/(fc*np.pi)\n", @@ -42,12 +43,24 @@ }, { "cell_type": "code", - "execution_count": 114, + "execution_count": 6, "metadata": {}, "outputs": [ { "data": { - "image/png": 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"text/plain": [ "<Figure size 432x288 with 1 Axes>" ] @@ -181,11 +176,24 @@ } ], "source": [ + "ratio = 2\n", + "first = 1\n", + "(length,) = x.shape\n", + "slop = int(length/6)\n", + "second = ratio-first\n", + "odd = ratio % 2\n", "\n", - "x = np.linspace(0,0.1,1000)\n", - "y = np.sin(100 * 2.0*np.pi*x+1.5*np.sin(30 * 2.0*np.pi*x))\n", - "plt.plot(x, y, '-')\n", - "plt.show()" + "first = int(first * length/ratio) \n", + "second = int( second * length/ratio) + odd\n", + "slop = np.array(np.append(np.zeros(first-slop) , (np.arange(slop))/slop))\n", + "#steep = np.ones(int(first * length/ratio)+ odd) - np.exp(-np.arange(int(first * length/ratio) + odd)/200)\n", + "steep = (np.ones(first) + slop)*0.5\n", + "\n", + "step = np.append(steep, np.ones(second))\n", + "m = np.sin(5 * 2.0 * np.pi * x) * step \n", + "plt.plot(x, step, '-')\n", + "plt.plot(x, m, '-')\n", + "plt.savefig('m_t.pgf', format='pgf')" ] } ], diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.py b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.py index cf30e16..cb35ebd 100644 --- a/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.py +++ b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.py @@ -4,39 +4,45 @@ from scipy.fft import fft, ifft, fftfreq import scipy.special as sc import scipy.fftpack import matplotlib.pyplot as plt -from matplotlib.widgets import Slider - -# Number of samplepoints -N = 600 -# sample spacing -T = 1.0 / 800.0 -x = np.linspace(0.01, N*T, N) -beta = 1.0 -y_old = np.sin(100.0 * 2.0*np.pi*x+beta*np.sin(50.0 * 2.0*np.pi*x)) -y = 0*x; -xf = fftfreq(N, 1 / 400) -for k in range (-5, 5): - y = sc.jv(k,beta)*np.sin((100.0+k*50) * 2.0*np.pi*x) - yf = fft(y) - plt.plot(xf, np.abs(yf)) - -axbeta =plt.axes([0.25, 0.1, 0.65, 0.03]) -beta_slider = Slider( -ax=axbeta, -label="Beta", -valmin=0.1, -valmax=3, -valinit=beta, -) - -def update(val): - line.set_ydata(fm(beta_slider.val)) - fig.canvas.draw_idle() +import matplotlib as mpl +# Use the pgf backend (must be set before pyplot imported) +mpl.use('pgf') +from matplotlib.widgets import Slider +def fm(beta): + # Number of samplepoints + N = 600 + # sample spacing + T = 1.0 / 1000.0 + fc = 100.0 + fm = 30.0 + x = np.linspace(0.01, N*T, N) + #beta = 1.0 + y_old = np.sin(fc * 2.0*np.pi*x+beta*np.sin(fm * 2.0*np.pi*x)) + y = 0*x; + xf = fftfreq(N, 1 / N) + for k in range (-4, 4): + y = sc.jv(k,beta)*np.sin((fc+k*fm) * 2.0*np.pi*x) + yf = fft(y)/(fc*np.pi) + plt.plot(xf, np.abs(yf)) + plt.xlim(-150, 150) + #plt.savefig('bessel.pgf', format='pgf') + plt.show() -beta_slider.on_changed(update) -plt.show() +fm(1) -yf_old = fft(y_old) -plt.plot(xf, np.abs(yf_old)) -plt.show()
\ No newline at end of file +# Bessel-Funktion +for n in range (-2,4): + x = np.linspace(-11,11,1000) + y = sc.jv(n,x) + plt.plot(x, y, '-',label='n='+str(n)) +#plt.plot([1,1],[sc.jv(0,1),sc.jv(-1,1)],) +plt.xlim(-10,10) +plt.grid(True) +plt.ylabel('Bessel $J_n(\\beta)$') +plt.xlabel(' $ \\beta $ ') +plt.plot(x, y) +plt.legend() +#plt.show() +plt.savefig('bessel.pgf', format='pgf') +print(sc.jv(0,1))
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf b/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf new file mode 100644 index 0000000..edcfb33 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf @@ -0,0 +1,746 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% \usepackage{fontspec} +%% \setmainfont{DejaVuSerif.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setsansfont{DejaVuSans.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setmonofont{DejaVuSansMono.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{6.000000in}{4.000000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% 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+\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.750000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.750000in}{3.520000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{5.400000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{3.520000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.750000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{0.500000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.750000in}{3.520000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{3.520000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..b9acc1f --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf diff --git a/buch/papers/fm/main.tex b/buch/papers/fm/main.tex index 731f56f..0c98427 100644 --- a/buch/papers/fm/main.tex +++ b/buch/papers/fm/main.tex @@ -14,20 +14,9 @@ Die Frequenzmodulation ist eine Modulation die man auch schon im alten Radio findet. Falls du dich an die Zeit erinnerst, konnte man zwischen \textit{FM-AM} Umschalten, dies bedeutete so viel wie: \textit{F}requenz-\textit{M}odulation und \textit{A}mplituden-\textit{M}odulation. -Durch die Modulation wird ein Nachrichtensignal \(m(t)\) auf ein Trägersignal (z.B. ein Sinus- oder Rechtecksignal) abgebildet (kombiniert). -Durch dieses Auftragen vom Nachrichtensignal \(m(t)\) kann das modulierte Signal in einem gewünschten Frequenzbereich übertragen werden. -Der ursprünglich Frequenzbereich des Nachrichtensignal \(m(t)\) erstreckt sich typischerweise von 0 Hz bis zur Bandbreite \(B_m\). -\newline -Beim Empfänger wird dann durch Demodulation das ursprüngliche Nachrichtensignal \(m(t)\) so originalgetreu wie möglich zurückgewonnen. -\newline -Beim Trägersignal \(x_c(t)\) handelt es sich um ein informationsloses Hilfssignal. -Durch die Modulation mit dem Nachrichtensignal \(m(t)\) wird es zum modulierten zu übertragenden Signal. -Für alle Erklärungen wird ein sinusförmiges Trägersignal benutzt, jedoch kann auch ein Rechtecksignal, -welches Digital einfach umzusetzten ist, -genauso als Trägersignal genutzt werden kann. -Zuerst wird erklärt was \textit{FM-AM} ist, danach wie sich diese im Frequenzspektrum verhalten. -Erst dann erklär ich dir wie die Besselfunktion mit der Frequenzmodulation( acro?) zusammenhängt. -Nun zur Modulation im nächsten Abschnitt.\cite{fm:NAT} +Um das Thema einwenig einzuschränken werde ich leider nichts über die Vertiefte, (Physikalische) zusammenhänge oder die Demodulation aufzeigen. +Dieses Kapitel soll nurdie Frequenzmodulation und ihren zusammenhang mit der Besselfunktion erklären. +Aber zuerst einmal zur Modulation selbst, wie funktioniert diese Mathematisch. \input{papers/fm/00_modulation.tex} diff --git a/buch/papers/kreismembran/references.bib b/buch/papers/kreismembran/references.bib index 3d9d0c1..65173f8 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/references.bib +++ b/buch/papers/kreismembran/references.bib @@ -89,4 +89,10 @@ type = {Dissertation}, author = {{Eric John Ruggiero Doctor of Philosophy In Mechanical Engineering}}, date = {2005}, +} + +@online{noauthor_laplace_nodate, + title = {Laplace Transform of Bessel Function of the First Kind of Order Zero - {ProofWiki}}, + url = {https://proofwiki.org/wiki/Laplace_Transform_of_Bessel_Function_of_the_First_Kind_of_Order_Zero}, + urldate = {2022-08-15}, }
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil0.tex b/buch/papers/kreismembran/teil0.tex index c6dac06..27c6f0f 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil0.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil0.tex @@ -7,9 +7,9 @@ \rhead{Membran} Eine Membran oder selten ein Schwingblatt ist laut Duden \cite{kreismembran:Duden:Membran} ein ``dünnes Blättchen aus Metall, Papier o. Ä., das durch seine Schwingungsfähigkeit geeignet ist, Schallwellen zu übertragen \dots''. Ein dünnes Blättchen aus Metall zeig jedoch nicht die selben dynamischen Eigenschaften wie ein gespanntes Stück Papier. -Beschreibt man das dynamische Verhalten, muss zwischen einer dünnen Platte und einer Membrane unterschieden werden \cite{kreismembran:membrane_vs_thin_plate}. -Eine dünne Platte zum Beispiel aus Metall, wirkt selbst entgegen ihrer Deformation sobald sie gekrümmt wird. -Eine Membran auf der anderen Seite besteht aus einem Material, welches sich ohne Kraftaufwand verbiegen lässt wie zum Beispiel Papier. +Beschreibt man das dynamische Verhalten, muss zwischen einer dünnen Platte und einer Membran unterschieden werden \cite{kreismembran:membrane_vs_thin_plate}. +Eine dünne Platte zum Beispiel aus Metall, wirkt selbst entgegen ihrer Deformation, sobald sie gekrümmt wird. +Eine Membran auf der anderen Seite besteht aus einem Material, welches sich ohne Kraftaufwand verbiegen lässt, wie zum Beispiel Papier. Bevor Papier als schwingende Membran betrachtet werden kann, wird jedoch noch eine Spannung $ T $ benötigt, welche das Material daran hindert, aus der Ruhelage gebracht zu werden. Ein geläufiges Beispiel einer Kreismembran ist eine runde Trommel. @@ -28,11 +28,11 @@ Das untersuchte Modell erfüllt folgende Eigenschaften: Durch die konstante Elastizität ist die ganze Membran unter gleichmässiger Spannung $ T $. \item Die Membran ist perfekt flexibel. Damit ist gemeint, dass die Membran ohne Kraftaufwand verbogen werden kann. - Die Membran ist dadurch nicht allein stehend schwingfähig, hierzu muss sie gespannt werden mit einer Kraft $ T $. + Die Membran ist dadurch nicht allein stehend schwingfähig, hierzu muss sie mit einer Kraft $ T $ gespannt werden. \item Die Membran kann sich nur in Richtung ihrer Normalen in kleinem Ausmass auslenken. Auslenkungen in der Ebene der Membran sind nicht möglich. \item Die Membran erfährt keine Art von Dämpfung. - Die Membran wird also nicht durch ihr umliegendes Medium abgebremst noch erfährt sie Wärmeverluste durch Deformation. + Die Membran wird also nicht durch ihr umliegendes Medium abgebremst noch erfährt sie Reibungsverluste durch Deformation. \end{enumerate} @@ -64,7 +64,7 @@ befolgen. Die senkrecht wirkenden Kräfte werden mit $ T_1 $ und $ T_2 $ ausgedr \begin{equation*} T_2 \sin \beta - T_1 \sin \alpha = \rho dx \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} . \end{equation*} -Die Gleichung wird durch $ T $ dividiert, wobei $ T $ nach \ref{kreismembran:eq:no_translation} geschickt gewählt wird. Somit kann +Die Gleichung wird durch $ T $ dividiert, wobei $ T $ nach \eqref{kreismembran:eq:no_translation} geschickt gewählt wird. Somit kann \begin{equation*} \frac{T_2 \sin \beta}{T_2 \cos \beta} - \frac{T_1 \sin \alpha}{T_1 \cos \alpha} = \frac{\rho dx}{T} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} \end{equation*} @@ -91,4 +91,4 @@ Damit resultiert die in der Literatur gebräuchliche Form \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} = \Delta u. \end{equation} In dieser Form ist die Gleichung auch gültig für eine Membran. -Für den Fall einer Membran muss lediglich der Laplace-Operator $\Delta$ in zwei Dimensionen gerechnet werden.
\ No newline at end of file +Für den Fall einer Membran muss lediglich der Laplace-Operator $\Delta$ in zwei Dimensionen verwendet werden.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil1.tex b/buch/papers/kreismembran/teil1.tex index f6ba7d1..a9b2fad 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil1.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil1.tex @@ -7,7 +7,7 @@ \section{Lösungsmethode 1: Separationsmethode \label{kreismembran:section:teil1}} \rhead{Lösungsmethode 1: Separationsmethode} -An diesem Punkt bleibt also nur noch die Lösung der partiellen Differentialgleichung. In diesem Abschnitt wird sie mit Hilfe der Separationsmethode gelöst. +An diesem Punkt bleibt also ``nur'' noch die Lösung der partiellen Differentialgleichung. In diesem Abschnitt wird sie mit Hilfe der Separationsmethode gelöst. \subsection{Aufgabestellung\label{sub:aufgabestellung}} Wie im vorherigen Abschnitt gezeigt, lautet die partielle Differentialgleichung, die die Schwingungen einer Membran beschreibt: @@ -30,7 +30,7 @@ Da es sich um eine Kreisscheibe handelt, werden Polarkoordinaten verwendet, so d ergibt. Es wird eine runde elastische Membran berücksichtigt, die das Gebiet $\Omega$ abdeckt und am Rand $\Gamma$ befestigt ist. -Es wirken keine äusseren Kräfte. Es handelt sich somit von einer kreisförmligen eingespannten homogenen schwingenden Membran nach den Annahmen von \ref{kreimembran:annahmen}. +Es wirken keine äusseren Kräfte. Es handelt sich somit von einer kreisförmligen eingespannten homogenen schwingenden Membran nach den Annahmen von Abschnitt \ref{kreimembran:annahmen}. Daher ist die Membranabweichung im Punkt $(r,\varphi)$ $\in$ $\overline{\rm \Omega}$ zum Zeitpunkt $t$: \begin{align*} @@ -50,9 +50,9 @@ Nun wird das in Abschnitt \ref{sub:aufgabestellung} vorgestellte Problem mit Hil \subsubsection{Ansatz der Separation der Variablen\label{subsub:ansatz_separation}} Hierfür wird folgenden Ansatz gemacht: \begin{equation*} - u(r,\varphi, t) = F(r)G(\varphi)T(t) + u(r,\varphi, t) = F(r)G(\varphi)T(t). \end{equation*} -Dank der Randbedingungen kann gefordert werden, dass $F(R)=0$ ist, und natürlich, dass $G(\varphi)$ $2\pi$ periodisch ist. Eingesetzt in der Differenzialgleichung ergibt sich: +Dank der Randbedingungen kann gefordert werden, dass $F(R)=0$ ist, und natürlich, dass $G(\varphi)$ $2\pi$-periodisch ist. Eingesetzt in der Differenzialgleichung ergibt sich nach Division durch $u$: \begin{equation*} \frac{1}{c^2}\frac{T''(t)}{T(t)}=-\kappa^2=\frac{F''(r)}{F(r)}+\frac{1}{r}\frac{F'(r)}{F(r)}+\frac{1}{r^2}\frac{G''(\varphi)}{G(\varphi)}. \end{equation*} @@ -71,9 +71,9 @@ In der zweiten Gleichung hängt die linke Seite nur von $r$ ab, während die rec \end{align*} \subsubsection{Lösung für $G(\varphi)$\label{subsub:lösung_G}} -Da für die zweite Gleichung Lösungen von Schwingungen erwartet werden, für die $G''(\varphi)=-\omega^2 G(\varphi)$ gilt, schreibt man die gemeinsame Konstante als $\nu=-\omega^2$, was die Formeln später vereinfacht. Also: +Da für die zweite Gleichung Lösungen von Schwingungen erwartet werden, für die $G''(\varphi)=-n^2 G(\varphi)$ gilt, schreibt man die gemeinsame Konstante als $\nu=-n^2$, was die Formeln später vereinfacht. $n$ muss auch eine ganze Zahl sein, weil $G(\varphi)$ sonst nicht $2\pi$-periodisch ist. Also: \begin{equation*} - G(\varphi) = C_n \cos(\nu\varphi) + D_n \sin(\nu\varphi) + G(\varphi) = C_n \cos(n\varphi) + D_n \sin(n\varphi) \label{eq:cos_sin_überlagerung} \end{equation*} @@ -85,17 +85,20 @@ Die Gleichung für $F$ hat die Gestalt (Verweis auf \label{buch:differentialglei \end{align} Wie bereits in Kapitel \ref{buch:differntialgleichungen:section:bessel} gezeigt, sind die Bessel-Funktionen \begin{equation*} - J_{\nu}(x) = r^\nu \displaystyle\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m x^{2m}}{2^{2m+\nu}m! \Gamma (\nu + m+1)} + J_{n}(x) = r^n \displaystyle\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m x^{2m}}{2^{2m+n}m! \Gamma (n + m+1)} \end{equation*} Lösungen der Besselschen Differenzialgleichung \begin{equation*} - x^2 y'' + xy' + (\kappa^2 - \nu^2)y = 0 + x^2 y'' + xy' + (\kappa^2 - n^2)y = 0 \end{equation*} Die Funktionen $F(r) = J_n(\kappa r)$ lösen die Differentialgleichung \eqref{eq:2nd_degree_PDE}. \subsubsection{Lösung für $T(t)$\label{subsub:lösung_T}} -Die Differenzialgleichung $T''(t) + c^2\kappa^2T(t) = 0$, wird auf ähnliche Weise gelöst wie $G(\varphi)$. - +Die Differenzialgleichung $T''(t) + c^2\kappa^2T(t) = 0$, wird auf ähnliche Weise gelöst wie $G(\varphi)$. Um eine Einschränkung der möglichen Frequenzen zu erhalten und die Lösung als Reihe schreiben zu können, muss die folgende homogene Randbedingung definiert werden: +\begin{equation*} + u\big|_{\Gamma} = 0 \quad \text{für} \quad 0 \leq \varphi \leq 2\pi,\quad t \geq 0, +\end{equation*} +welche die $\kappa$ auf mögliche werte $\kappa_{mn}$ einschränkt. \subsubsection{Zusammenfassung der Lösungen\label{subsub:zusammenfassung_lösungen}} Durch Überlagerung aller Ergebnisse erhält man die Lösung \begin{align} @@ -120,5 +123,7 @@ für die Anzahl der Knotenlinien steht. Es gibt bestimmte Bereiche auf der Membr \label{buch:pde:kreis:fig:pauke}} \end{figure} - +\begin{center} + * \quad *\quad * +\end{center} An diesem Punkt stellte sich die Frage, ob es möglich wäre, die partielle Differentialgleichung mit einer anderen Methode als der der Trennung der Variablen zu lösen. Nach einer kurzen Recherche wurde festgestellt, dass eine weitere Methode die Transformationsmethode ist, genauer gesagt die Anwendung der Hankel-Transformation. Im nächsten Kapitel wird daher diese Integraltransformation vorgestellt und entwickelt, und es wird erläutert, warum sie für diese Art von Problem geeignet ist. diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil2.tex b/buch/papers/kreismembran/teil2.tex index ec27bd3..4ceeb84 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil2.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil2.tex @@ -7,12 +7,12 @@ Hermann Hankel (1839--1873) war ein deutscher Mathematiker, der für seinen Beitrag zur mathematischen Analysis und insbesondere für die nach ihm benannte Transformation bekannt ist. Diese Transformation tritt bei der Untersuchung von Funktionen auf, die nur von der Entfernung des Ursprungs abhängen. -Er untersuchte auch Funktionen, jetzt Hankel- oder Bessel- Funktionen genannt, der dritten Art. +Er untersuchte auch Funktionen, jetzt Hankel- oder Bessel-Funktionen genannt, der dritten Art. Die Hankel-Transformation, die die Bessel-Funktion enthält, taucht natürlich bei achsensymmetrischen Problemen auf, die in zylindrischen Polarkoordinaten formuliert sind. In diesem Abschnitt werden die Theorie der Transformation und einige Eigenschaften der Grundoperationen erläutert. \subsubsection{Definition der Hankel-Transformation \label{subsub:hankel_tansformation}} -Wir führen die Definition der Hankel-Transformation \cite{lokenath_debnath_integral_2015} aus der zweidimensionalen Fourier-Transformation und ihrer Umkehrung ein, die durch: +Wir führen die Definition der Hankel-Transformation \cite{lokenath_debnath_integral_2015} aus der zweidimensionalen Fourier-Trans\-formation und ihrer Umkehrung ein, die durch: \begin{align} \mathscr{F}\{f(x,y)\} & = F(k,l)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-i( \bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}f(x,y) \; dx \; dy,\label{equation:fourier_transform}\\ \mathscr{F}^{-1}\{F(x,y)\} & = f(x,y)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}e^{i(\bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}F(k,l) \; dx \; dy \label{equation:inv_fourier_transform} @@ -49,13 +49,13 @@ wo $\tilde{f}_n(\kappa)$ ist die \textit{Hankel-Transformation} von $f(r)$ und i \subsubsection{Inverse Hankel-Transformation \label{subsub:inverse_hankel_tansformation}} Wie bei der Entwicklung der Hankel-Transformation können auch für die Umkehrformel Analogien zur Fourier-Transformation hergestellt werden. Vergleicht man die beiden Transformationen, so stellt man fest, dass sie sehr ähnlich sind, wenn man den Term $J_n(\kappa r)$ der Hankel-Transformation durch $e^{-i( \bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}$ der Fourier-Transformation ersetzt. Diese beide Funktionen sind orthogonal, und bei orthogonalen Matrizen genügt bekanntlich die Transponierung, um sie zu invertieren. Da das Skalarprodukt der Bessel-Funktionen jedoch nicht dasselbe ist wie das der Exponentialfunktionen, muss man durch $\kappa\; d\kappa$ statt nur durch $d\kappa$ integrieren, um die Umkehrfunktion zu erhalten. -Von \eqref{equation:hankel} also ist, die inverse \textit{Hankel-Transformation} so definiert: +Die inverse \textit{Hankel-Transformation} ist also als \begin{align} \mathscr{H}^{-1}_n\{\tilde{f}_n(\kappa)\}=f(r)=\int_{0}^{\infty}\kappa J_n(\kappa r) \tilde{f}_n(\kappa) \; d\kappa. \label{equation:inv_hankel} \end{align} +definiert. -Anstelle von $\tilde{f}_n(\kappa)$, wird häufig einfach $\tilde{f}(\kappa)$ für die Hankel-Transformation verwendet, indem die Ordnung angegeben wird. Die Integrale \eqref{equation:hankel} und \eqref{equation:inv_hankel} existieren für bestimmte grosse Klassen von Funktionen, die normalerweise in physikalischen Anwendungen vorkommen. Alternativ dazu kann die berühmte Hankel-Integralformel diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil3.tex b/buch/papers/kreismembran/teil3.tex index a9dcd95..d143ec7 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil3.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil3.tex @@ -60,19 +60,23 @@ so dass $\tilde{g}(\kappa)\equiv 0$ und \tilde{f}(\kappa)=Aa\int_{0}^{\infty}r(a^2 + r^2)^{-\frac{1}{2}} J_0 (\kappa r) \; dr=\frac{Aa}{\kappa}e^{-a\kappa}. \end{equation*} -Aus der Laplace-Transformation und unter Verwendung der Skalierungseigenschaft ergibt sich, dass +\noindent Die formale Lösung \eqref{eq:formale_lösung} lautet also +\begin{align} + u(r,t)=Aa\int_{0}^{\infty}e^{-a\kappa} J_0(\kappa r)\cos(c\kappa t) \; dk=AaRe\int_{0}^{\infty}e^{-\kappa(a+ict)} J_0(\kappa r) \; dk. + \label{form_lösung2_step1} +\end{align} +\noindent Aus der Laplace-Transformation und unter Verwendung der Skalierungseigenschaft \cite{noauthor_laplace_nodate} ergibt sich, dass \begin{align*} - \int_{0}^{\infty}e^{-px} J_0(\kappa x) \; dx = \frac{1}{\sqrt{\kappa^2 + p^2}}. + \int_{0}^{\infty}e^{-px} J_0(\kappa x) \; dx = \frac{1}{\sqrt{\kappa^2 + p^2}}, \end{align*} -Die formale Lösung \eqref{eq:formale_lösung} lautet also -\begin{align*} - u(r,t)&=Aa\int_{0}^{\infty}e^{-a\kappa} J_0(\kappa r)\cos(c\kappa t) \; dk=AaRe\int_{0}^{\infty}e^{-\kappa(a+ict)} J_0(\kappa r) \; dk\\ - &=AaRe\left\{r^2+\left(a+ict\right)^2\right\}^{-\frac{1}{2}}. -\end{align*} +\noindent \eqref{form_lösung2_step1} kann somit vereinfacht werden in: +\begin{equation*} + u(r,t)=AaRe\left\{r^2+\left(a+ict\right)^2\right\}^{-\frac{1}{2}}. +\end{equation*} -Nimmt man jedoch die allgemeine Lösung durch Überlagerung, +\noindent Nimmt man jedoch die allgemeine Lösung durch Überlagerung, \begin{align} u(r, t) = \displaystyle\sum_{m=1}^{\infty} J_0 (k_{m}r)[a_{m}\cos(c \kappa_{m} t)+b_{m}\sin(c \kappa_{m} t)] @@ -84,6 +88,6 @@ kann man die Lösungsmethoden 1 und 2 vergleichen. \label{kreismembran:vergleich}} Bei der Analyse der Gleichungen \eqref{eq:lösung_endliche_generelle} und \eqref{eq:lösung_unendliche_generelle} fällt sofort auf, dass die Gleichung \eqref{eq:lösung_unendliche_generelle} nicht mehr von $m$ und $n$ abhängt, sondern nur noch von $n$ \cite{nishanth_p_vibrations_2018}. Das macht Sinn, denn $n$ beschreibt die Anzahl der Knotenlinien, welche unter der Annahme einer rotationssymmetrischen Lösung nicht vorhanden sein können. Tatsächlich werden $a_{m0}$, $b_{m0}$ und $\kappa_{m0}$ in $a_m$, $b_m$ bzw. $\kappa_m$ umbenannt. Die beiden Termen $\cos(n\varphi)$ und $\sin(n\varphi)$ verschwinden ebenfalls, da für $n=0$ der $\cos(n\varphi)$ gleich 1 und der $\sin(n \varphi)$ gleich 0 ist. -Die Funktion hängt also nicht mehr von der Besselfunktionen $n$-ter Ordnung ab, sondern nur von der nullter Ordnung. +Die Funktion hängt also nicht mehr von der Bessel-Funktionen $n$-ter Ordnung ab, sondern nur von der nullter Ordnung. diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil4.tex b/buch/papers/kreismembran/teil4.tex index 01a6029..d6aa54f 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil4.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil4.tex @@ -8,13 +8,13 @@ Um numerisch das Verhalten einer Membran zu ermitteln, muss eine numerische Darstellung definiert werden. Die Membran wird hier in Form der Matrix $ U $ digitalisiert. -Jedes Element $ U_{ij} $ steh für die Auslenkung der Membran $ u(x,y,t) $ an der Stelle $ \{x,y\}=\{i,j\} $. -Zwischen benachbarten Elementen in der Matrix $ U $ liegt immer der Abstand $ dh $, eine Inkrementierung von $ i $ oder $ j $ entspricht somit einem Schritt in Richtung $ x $ oder $ y $ von Länge $ dh $ auf der Membran. -Die zeitliche Dimension wird in Form des Array $ U[] $ aus $ z \times U $ Matrizen dargestellt, wobei $ z $ der Anzahl Zeitschritten entspricht. -Das Element auf Zeile $ i $, Spalte $ j $ der $ w $-ten Matrix von $ U[] $ also $ U[w]_{ij} $ entspricht somit der Auslenkung $ u(i,j,w) $. +Jedes Element $ U_{ij} $ steht für die Auslenkung der Membran $ u(x,y,t) $ an der Stelle $ \{x,y\}=\{i,j\} $. +Zwischen benachbarten Elementen in der Matrix $ U $ liegt immer der Abstand $ dh $, eine Inkrementierung von $ i $ oder $ j $ ist somit einem Schritt in Richtung $ x $ oder $ y $ von Länge $ dh $ auf der Membran. +Die zeitliche Dimension wird in Form des Array $ U[] $ aus $ z \times U $ Matrizen dargestellt, wobei $ z $ die Anzahl von Zeitschritten ist. +Das Element auf Zeile $ i $, Spalte $ j $ der $ w $-ten Matrix von $ U[] $ also $ U[w]_{ij} $ ist somit die Auslenkung $ u(i,j,w) $. Da die DGL von zweiter Ordnung ist, reicht eine Zustandsvariabel pro Membran-Element nicht aus. Es wird neben der Auslenkung auch die Geschwindigkeit jedes Membran-Elementes benötigt um den Zustand eindeutig zu beschreiben. -Dazu existiert neben $ U[] $ ein analoger Array $ V[] $ welcher die Geschwindigkeiten aller Membran-Elementen repräsentiert. +Dazu existiert neben $ U[] $ ein analoger Array $ V[] $ welcher die Geschwindigkeiten aller Membran-Elemente repräsentiert. $ V[w]_{ij} $ entspricht also $ \dot{u}(i,j,w) $. Der Zustand einer Membran zum Zeitpunkt $ w $ wird mit $ X[w] $ beschrieben, was $ U[w] $ und $ V[w] $ beinhaltet. @@ -25,7 +25,7 @@ Die Folgeposition $ U[w+1] $ ergibt sich als \begin{equation} U[w+1] = U[w] + dt \cdot V[w], \end{equation} -also die Ausgangslage $ + $ die Strecke welche während des Zeitintervall mit der Geschwindigkeit des Elementes zurückgelegt wurde. +also die Ausgangslage plus die Strecke welche während des Zeitintervall mit der Geschwindigkeit des Elementes zurückgelegt wurde. Neben der Position muss auch die Geschwindigkeit aktualisiert werden. Analog zur Folgeposition wird \begin{equation*} @@ -40,7 +40,7 @@ Die Geschwindigkeit des Folgezustandes kann somit mit V[w+1] = V[w] + dt \cdot \Delta_h U \cdot c^2 \end{equation} berechnet werden. -Während $ c^2 $ lediglich eine Material spezifische Konstante ist, muss noch erläutert werden, wie der diskrete Laplace-Operator für $ \Delta_h u $ definiert ist. +Während $ c^2 $ lediglich eine Material spezifische Konstante ist, muss noch erläutert werden, wie der diskrete Laplace-Operator für $ \Delta_h u $ definiert ist. Dieses Verfahren wird Euler-Methode genannt. \subsection{Diskreter Laplace-Operator $\Delta_h$} Die diskrete Ableitung zweiter Ordnung kann mit Hilfe der Taylor-Reihen-Entwicklung als @@ -93,9 +93,9 @@ Der Folgezustand kann also mit den Gleichungen \label{kreismembran:eq:folge_V} V[w+1] &= (V[w] + dt \cdot \Delta_h u \cdot c^2)\odot M \end{align} -berechnet werden. +berechnet werden. Das Symbol $\odot$ steht hier für eine elementweise Matrixmultiplikation (Hadamard-Produkt) \subsubsection{Simulation} -Mit den gegebenen Gleichungen \ref{kreismembran:eq:folge_U} und \ref{kreismembran:eq:folge_V} das Verhalten der Membran mit einem Loop über das zu untersuchende Zeitintervall berechnet werden. +Mit den gegebenen Gleichungen \eqref{kreismembran:eq:folge_U} und \eqref{kreismembran:eq:folge_V} das Verhalten der Membran mit einem Loop über das zu untersuchende Zeitintervall berechnet werden. In der Abbildung \ref{kreismembran:im:simres_rund} sind Simulationsresultate zu sehen. Die erste Figur zeigt die Ausgangslage gefolgt von den Auslenkungen nach jeweils $ 50 $ weiteren Iterationsschritten. Es ist zu erkennen, wie sich die Störung vom Zentrum an den Rand ausbreitet. @@ -120,7 +120,7 @@ Erreicht die Störung den Rand, wird sie reflektiert und nähert sich dem Zentru Um eine unendlich grosse Membran zu simulieren, könnte der unpraktische Weg gewählt werden, die Matrix unendlich gross zu definieren, dies wird jedoch spätestens bei der numerischen Berechnung seine Probleme mit sich bringen. Etwas geeigneter ist es, die Matrix so gross wie möglich zu definieren, wie es die Kapazitäten erlauben. Wenn anschliessend nur das Verhalten im Zentrum, bei der Störung beobachtet wird, verhaltet sich die Membran wie eine unendliche. -Dies aber nur bis die Störung am Rand reflektiert wird und wieder das innere zu beobachtende Zentrum beeinflusst. +Dies aber nur bis die Störung am Rand reflektiert wird und wieder das Zentrum beeinflusst. Soll erst gar keine Reflexion entstehen, muss ein Absorber modelliert werden welcher die Störung möglichst ohne Reflexion aufnimmt. \subsubsection{Absorber} @@ -132,15 +132,15 @@ Der Spielraum welcher dem Absorber übrig bleibt ist die Art der Überganges. Bei der endlichen kreisförmigen Membran hat die Maske $M$ einen binären Übergang von Membran zu Rand bezweckt. Anstelle dieses abrupten Wechsels wird nun eine Maske definiert, welche graduell von Membran $1$ zu Rand-Element $0$ wechselt. Die Elemente werden auf Basis ihres Abstand $r$ zum Zentrum definiert. -Der Abstand entspricht +Der Abstand ist \begin{equation*} r(i,j) = \sqrt{|i-\frac{m}{2}|^2+|j-\frac{n}{2}|^2}, \end{equation*} -wobei $ m $ und $n$ den Dimensionen der Matrix entsprechen. -Für einen Stufenlosen Übergang werden die Elemente der Maske auf +wobei $ m $ und $n$ die Dimensionen der Matrix sind. +Für einen stufenlosen Übergang werden die Elemente der Maske auf \begin{align} - M_{ij} = \begin{cases} 1-e^{(r(i,j)-b)a} & \text{wenn $x > b$} \\ + M_{ij} = \begin{cases} 1-e^{(r(i,j)-b)a} & \text{$x > b$} \\ 0 & \text{sonst} \end{cases} \end{align} gesetzt. @@ -184,7 +184,7 @@ Die DGL \ref{kreismembran:Ausgang_DGL} welche simuliert wird geht jedoch von der \section{Schlusswort} Auch wenn ein physikalisches Verhalten bereits durch Annahmen und Annäherungen deutlich vereinfacht wird, bestehen auch dann noch eine Vielzahl von Lösungsansätzen. Lösungen einer unendlich grosse Membran scheinen fern der Realität zu sein, doch dies darf es im Sinne der Mathematik. -Und wer weis, für eine Ameise auf einem Trampolin ist eine unendliche Membran vielleicht eine ganz gute Annäherung. +Und wer weiss, für eine Ameise auf einem Trampolin ist eine unendliche Membran vielleicht eine ganz gute Annäherung. diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf b/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf Binary files differindex 739b02b..964b348 100644 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf Binary files differindex b5428f5..42cae0d 100644 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py index 975e248..f09edfb 100644 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py @@ -9,6 +9,9 @@ import pylatex import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt + + + N = np.array([0, 0]) V = np.array([1, 4]) Z = np.array([5, 5]) @@ -34,9 +37,10 @@ ax.quiver(X, Y, U, W, angles='xy', scale_units='xy', scale=1, headwidth=5, headl ax.plot([V[0], (VZ+V)[0]], [V[1], (VZ+V)[1]], 'k--') ax.plot(np.vstack([V, Z])[:, 0], np.vstack([V, Z])[:,1], 'bo', markersize=10) -ax.set_xlabel("x", size=20) -ax.set_ylabel("y", size=20) +ax.tick_params(labelsize=15) +plt.xticks(ticks=range(0, 7)) +plt.yticks(ticks=range(0, 7)) ax.text(2.5, 4.5, "Visierlinie", size=20, rotation=10) plt.rcParams.update({ @@ -48,6 +52,7 @@ plt.rcParams.update({ ax.text(1.6, 4.3, r"$\dot{v}$", size=20) ax.text(0.65, 3.9, r"$V$", size=20, c='b') ax.text(5.15, 4.85, r"$Z$", size=20, c='b') - +ax.set_xlabel(r"$x$", size=20) +ax.set_ylabel(r"$y$", size=20) diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.svg b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.svg deleted file mode 100644 index 30f9f22..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.svg +++ /dev/null @@ -1,790 +0,0 @@ -<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?> -<!DOCTYPE svg PUBLIC "-//W3C//DTD SVG 1.1//EN" - "http://www.w3.org/Graphics/SVG/1.1/DTD/svg11.dtd"> -<!-- Created with matplotlib (https://matplotlib.org/) --> -<svg height="345.6pt" version="1.1" viewBox="0 0 460.8 345.6" width="460.8pt" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> - <metadata> - <rdf:RDF xmlns:cc="http://creativecommons.org/ns#" xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/" xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"> - <cc:Work> - <dc:type rdf:resource="http://purl.org/dc/dcmitype/StillImage"/> - <dc:date>2022-07-29T16:52:06.315252</dc:date> - <dc:format>image/svg+xml</dc:format> - 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</defs> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-53"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="xtick_7"> - <g id="line2d_7"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="414.72" xlink:href="#mb1945b9271" y="307.584"/> - </g> - </g> - <g id="text_7"> - <!-- $\mathdefault{6}$ --> - <g transform="translate(412.229332 321.976201)scale(0.1 -0.1)"> - <defs> - <path d="M 10.59375 34.34375 -C 10.59375 58 21.796875 63.6875 28.296875 63.6875 -C 30.40625 63.6875 35.5 63.265625 37.5 59.09375 -C 35.90625 59.09375 32.90625 59.09375 32.90625 55.59375 -C 32.90625 52.890625 35.09375 52 36.5 52 -C 37.40625 52 40.09375 52.390625 40.09375 55.796875 -C 40.09375 62.296875 35.09375 66 28.203125 66 -C 16.296875 66 3.796875 53.296875 3.796875 31.421875 -C 3.796875 4.015625 15.09375 -2 23.09375 -2 -C 32.796875 -2 42 6.734375 42 20.234375 -C 42 32.828125 33.90625 42 23.703125 42 -C 17.59375 42 13.09375 37.96875 10.59375 30.921875 -z -M 23.09375 0.390625 -C 10.796875 0.390625 10.796875 18.9375 10.796875 22.65625 -C 10.796875 29.90625 14.203125 40.390625 23.5 40.390625 -C 25.203125 40.390625 30.09375 40.390625 33.40625 33.4375 -C 35.203125 29.515625 35.203125 25.375 35.203125 20.34375 -C 35.203125 14.90625 35.203125 10.875 33.09375 6.84375 -C 30.90625 2.703125 27.703125 0.390625 23.09375 0.390625 -z -" id="CMR17-54"/> - </defs> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-54"/> - </g> - </g> - </g> - </g> - <g id="matplotlib.axis_2"> - <g id="ytick_1"> - <g id="line2d_8"> - <defs> - <path d="M 0 0 -L -3.5 0 -" id="m6d23d0aeda" style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;"/> - </defs> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="307.584"/> - </g> - </g> - <g id="text_8"> - <!-- $\mathdefault{0}$ --> - <g transform="translate(45.618665 311.280101)scale(0.1 -0.1)"> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-48"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="ytick_2"> - <g id="line2d_9"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="263.232"/> - </g> - </g> - <g id="text_9"> - <!-- $\mathdefault{1}$ --> - <g transform="translate(45.618665 266.928101)scale(0.1 -0.1)"> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-49"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="ytick_3"> - <g id="line2d_10"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="218.88"/> - </g> - </g> - <g id="text_10"> - <!-- $\mathdefault{2}$ --> - <g transform="translate(45.618665 222.576101)scale(0.1 -0.1)"> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-50"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="ytick_4"> - <g id="line2d_11"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="174.528"/> - </g> - </g> - <g id="text_11"> - <!-- $\mathdefault{3}$ --> - <g transform="translate(45.618665 178.224101)scale(0.1 -0.1)"> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-51"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="ytick_5"> - <g id="line2d_12"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="130.176"/> - </g> - </g> - <g id="text_12"> - <!-- $\mathdefault{4}$ --> - <g transform="translate(45.618665 133.872101)scale(0.1 -0.1)"> - <use transform="scale(0.996264)" xlink:href="#CMR17-52"/> - </g> - </g> - </g> - <g id="ytick_6"> - <g id="line2d_13"> - <g> - <use style="stroke:#000000;stroke-width:0.8;" x="57.6" xlink:href="#m6d23d0aeda" y="85.824"/> - 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\ No newline at end of file +plt.text(0.02, ymin+0.05, r"$Z$", size=20, c='b') +plt.ylabel(r"$y$", size=20) +plt.xlabel(r"$x$", size=20)
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.ggb b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.ggb Binary files differdeleted file mode 100644 index 3fb3a78..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.ggb +++ /dev/null diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.svg b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.svg deleted file mode 100644 index d91e5e1..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL.svg +++ /dev/null @@ -1 +0,0 @@ -<svg xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" width="2172" height="1315" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" version="1.1"><defs><clipPath id="aUbphlusyTbL"><path fill="none" stroke="none" d="M 0 0 L 2172 0 L 2172 1315 L 0 1315 L 0 0 Z" /></clipPath></defs><g clip-path="url("#aUbphlusyTbL")" transform="scale(1)"><g><rect fill="rgb(255, 255, 255)" fill-opacity="1" stroke="none" x="0" y="0" width="2172" height="1315" /><path fill="none" stroke="rgb(192, 192, 192)" stroke-linecap="round" stroke-linejoin="round" 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font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="721" y="1288">0.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="773" y="1288">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="773" y="1288">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="773" y="1288">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="825" y="1288">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="825" y="1288">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="825" y="1288">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="876" y="1288">0.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="876" y="1288">0.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="876" y="1288">0.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="934" y="1288">1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="934" y="1288">1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="934" y="1288">1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="980" y="1288">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="980" y="1288">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="980" y="1288">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1032" y="1288">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1032" y="1288">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1032" y="1288">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1083" y="1288">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1083" y="1288">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1083" y="1288">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1135" y="1288">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1135" y="1288">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1135" y="1288">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1187" y="1288">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1187" y="1288">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1187" y="1288">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1238" y="1288">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1238" y="1288">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1238" y="1288">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1290" y="1288">1.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1290" y="1288">1.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1290" y="1288">1.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1342" y="1288">1.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1342" y="1288">1.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1342" y="1288">1.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1393" y="1288">1.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1393" y="1288">1.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1393" y="1288">1.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1451" y="1288">2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1451" y="1288">2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1451" y="1288">2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1497" y="1288">2.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1497" y="1288">2.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1497" y="1288">2.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1549" y="1288">2.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1549" y="1288">2.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1549" y="1288">2.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1600" y="1288">2.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1600" y="1288">2.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1600" y="1288">2.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1652" y="1288">2.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1652" y="1288">2.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1652" y="1288">2.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1704" y="1288">2.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1704" y="1288">2.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1704" y="1288">2.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1755" y="1288">2.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1755" y="1288">2.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1755" y="1288">2.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1807" y="1288">2.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1807" y="1288">2.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1807" y="1288">2.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1859" y="1288">2.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1859" y="1288">2.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1859" y="1288">2.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1910" y="1288">2.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1910" y="1288">2.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1910" y="1288">2.9</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1968" y="1288">3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="1968" y="1288">3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="1968" y="1288">3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2014" y="1288">3.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="2014" y="1288">3.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2014" y="1288">3.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2066" y="1288">3.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="2066" y="1288">3.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2066" y="1288">3.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2117" y="1288">3.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="2117" y="1288">3.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="2117" y="1288">3.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1226">0.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="1226">0.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1226">0.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" 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text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="1122">0.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1122">0.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1071">0.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="1071">0.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1071">0.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1019">0.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="1019">0.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="1019">0.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="967">0.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="967">0.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="967">0.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="916">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="916">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="916">0.7</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="864">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="864">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="864">0.8</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" 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font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="405" y="760">1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="405" y="760">1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="709">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="709">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="709">1.1</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="657">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="657">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="657">1.2</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="605">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="605">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="605">1.3</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="554">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="554">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="554">1.4</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="502">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="502">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="502">1.5</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="450">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="none" stroke="rgb(255, 255, 255)" stroke-linejoin="bevel" stroke-miterlimit="10" stroke-opacity="1" stroke-width="3" text-anchor="start" x="395" y="450">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="395" y="450">1.6</text><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="12px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" 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\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.ggb b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.ggb Binary files differdeleted file mode 100644 index 3c4500b..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.ggb +++ /dev/null diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.pdf b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.pdf Binary files differdeleted file mode 100644 index 932d9d9..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.pdf +++ /dev/null diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.png b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.png Binary files differdeleted file mode 100644 index f41dffe..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.png +++ /dev/null diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.svg b/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.svg deleted file mode 100644 index 0c4a11d..0000000 --- a/buch/papers/lambertw/Bilder/pursuerDGL2.svg +++ /dev/null @@ -1 +0,0 @@ -<svg 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translate(7.73134 5.91911)"><path fill="" stroke="none" d="M 0.089 -0.23 Q 0.059 -0.235 0.056 -0.25 Q 0.056 -0.27 0.089 -0.27 L 0.858 -0.27 Q 0.79 -0.32 0.756 -0.399 L 0.755 -0.4 Q 0.75 -0.413 0.75 -0.416 Q 0.75 -0.428 0.765 -0.428 Q 0.776 -0.428 0.782 -0.414 Q 0.826 -0.315 0.918 -0.268 L 0.919 -0.268 L 0.92 -0.267 L 0.921 -0.267 Q 0.928 -0.263 0.935 -0.26 Q 0.939 -0.26 0.942 -0.25 Q 0.942 -0.243 0.933 -0.238 Q 0.931 -0.238 0.928 -0.236 Q 0.829 -0.189 0.783 -0.086 L 0.783 -0.086 Q 0.782 -0.085 0.781 -0.082 Q 0.776 -0.072 0.765 -0.072 Q 0.75 -0.072 0.75 -0.084 Q 0.75 -0.099 0.779 -0.144 Q 0.812 -0.196 0.858 -0.23 L 0.858 -0.23 Z" paint-order="stroke fill markers" /><g transform="translate(-7.73134 -5.91911)"><g transform="translate(8.09245 6.52041)"><path fill="" stroke="none" d="M 0.192 -0.616 Q 0.192 -0.585 0.164 -0.57 Q 0.152 -0.563 0.138 -0.563 Q 0.105 -0.563 0.09 -0.594 Q 0.085 -0.605 0.085 -0.616 Q 0.085 -0.647 0.113 -0.662 Q 0.125 -0.669 0.139 -0.669 Q 0.172 -0.669 0.187 -0.638 Q 0.192 -0.627 0.192 -0.616 Z" paint-order="stroke fill markers" /></g><g transform="translate(7.82856 6.77319)"><path fill="rgb(0, 0, 0)" stroke="none" d="M 0.628 -0.569 L 0.268 0.004 Q 0.252 0.021 0.24 0.022 Q 0.226 0.022 0.222 0.01 Q 0.221 0.006 0.22 -0.001 L 0.141 -0.618 Q 0.138 -0.641 0.127 -0.646 Q 0.116 -0.652 0.081 -0.652 Q 0.058 -0.652 0.056 -0.664 Q 0.056 -0.683 0.075 -0.683 L 0.128 -0.681 L 0.129 -0.681 L 0.182 -0.68 L 0.184 -0.68 L 0.307 -0.683 L 0.308 -0.683 Q 0.322 -0.683 0.322 -0.672 Q 0.314 -0.653 0.297 -0.652 Q 0.233 -0.652 0.228 -0.622 L 0.296 -0.093 L 0.603 -0.581 L 0.616 -0.609 Q 0.618 -0.615 0.618 -0.619 Q 0.618 -0.649 0.572 -0.652 Q 0.556 -0.652 0.556 -0.664 Q 0.556 -0.683 0.575 -0.683 L 0.673 -0.68 L 0.674 -0.68 L 0.754 -0.683 L 0.756 -0.683 Q 0.769 -0.683 0.769 -0.671 Q 0.769 -0.653 0.756 -0.652 Q 0.704 -0.649 0.674 -0.624 Q 0.663 -0.615 0.652 -0.602 Q 0.64 -0.588 0.628 -0.569 Z" paint-order="stroke fill markers" /></g></g></g><text font-family="geogebra-sans-serif, sans-serif" font-size="22px" font-style="normal" font-weight="normal" text-decoration="normal" dominant-baseline="alphabetic" fill="rgb(0, 0, 0)" fill-opacity="1" stroke="none" text-anchor="start" x="783" y="429">Visierlinie</text><g transform="scale(35)"><g transform="translate(11.3429 14.3119)"><path fill="rgb(77, 77, 255)" stroke="none" d="M 0.628 -0.569 L 0.268 0.004 Q 0.252 0.021 0.24 0.022 Q 0.226 0.022 0.222 0.01 Q 0.221 0.006 0.22 -0.001 L 0.141 -0.618 Q 0.138 -0.641 0.127 -0.646 Q 0.116 -0.652 0.081 -0.652 Q 0.058 -0.652 0.056 -0.664 Q 0.056 -0.683 0.075 -0.683 L 0.128 -0.681 L 0.129 -0.681 L 0.182 -0.68 L 0.184 -0.68 L 0.307 -0.683 L 0.308 -0.683 Q 0.322 -0.683 0.322 -0.672 Q 0.314 -0.653 0.297 -0.652 Q 0.233 -0.652 0.228 -0.622 L 0.296 -0.093 L 0.603 -0.581 L 0.616 -0.609 Q 0.618 -0.615 0.618 -0.619 Q 0.618 -0.649 0.572 -0.652 Q 0.556 -0.652 0.556 -0.664 Q 0.556 -0.683 0.575 -0.683 L 0.673 -0.68 L 0.674 -0.68 L 0.754 -0.683 L 0.756 -0.683 Q 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\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/teil0.tex b/buch/papers/lambertw/teil0.tex index 6632eca..baee9ea 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil0.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil0.tex @@ -78,17 +78,12 @@ Um den Richtungsvektor zu konstruieren kann der Einheitsvektor parallel zu $z-v$ \begin{equation} \dot{v} = - |\dot{v}|\cdot e_{z-v} -\end{equation} -führt. Dies kann noch ausgeschrieben werden zu -\begin{equation} - \dot{v} + |\dot{v}|\cdot (z-v)^\circ = |\dot{v}|\cdot\frac{z-v}{|z-v|} - \text{.} \label{lambertw:richtungsvektor} \end{equation} -% +führt. Aus dem Verfolgungsproblem ist auch ersichtlich, dass die Punkte $V$ und $Z$ nicht am gleichen Ort starten und so eine Division durch Null ausgeschlossen ist. Wenn die Punkte $V$ und $Z$ trotzdem am gleichen Ort starten, ist die Lösung trivial. @@ -97,6 +92,7 @@ Nun wird die Gleichung mit $\dot{v}$ skalar multipliziert, um das Gleichungssyst \frac{z-v}{|z-v|}\cdot|\dot{v}|\cdot\dot{v} &= |\dot{v}|^2 + \text{,} \end{align} was algebraisch zu \begin{align} diff --git a/buch/papers/lambertw/teil1.tex b/buch/papers/lambertw/teil1.tex index e8eca2c..c4b2d05 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil1.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil1.tex @@ -11,7 +11,7 @@ Sehr oft kommt es vor, dass bei Verfolgungsproblemen die Frage auftaucht, ob das Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeit des Verfolgers kleiner ist als diejenige des Ziels, gibt es Anfangsbedingungen bei denen das Ziel nie erreicht wird. Im Anschluss dieser Frage stellt sich meist die nächste Frage, wie lange es dauert bis das Ziel erreicht wird. Diese beiden Fragen werden in diesem Kapitel behandelt und am Beispiel aus \ref{lambertw:section:teil4} betrachtet. -Das Beispiel wird bei dieser Betrachtung noch etwas erweitert indem alle Punkte auf der gesamtem $xy$-Ebene als Startwerte zugelassen werden. +Das Beispiel wird bei dieser Betrachtung noch etwas erweitert, indem alle Punkte auf der gesamtem $xy$-Ebene als Startwerte zugelassen werden. Nun gilt es zu definieren, wann das Ziel erreicht wird. Da sowohl Ziel und Verfolger als Punkte modelliert wurden, gilt das Ziel als erreicht, wenn die Koordinaten des Verfolgers mit denen des Ziels bei einem diskreten Zeitpunkt $t_1$ übereinstimmen. @@ -38,28 +38,28 @@ Wenn der Verfolger im ersten Quadranten startet, dann kann $v(t)$ mit den Gleich \begin{align} x\left(t\right) &= - x_0\cdot\sqrt{\frac{1}{\chi}W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) \right)} \\ + x_0\cdot\sqrt{\frac{1}{\chi}W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) \right)} \text{,}\\ y(t) &= - \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\right)-r_0+3y_0\right)\\ + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr) \text{,}\\ \chi &= - \frac{r_0+y_0}{r_0-y_0}, \quad + \frac{r_0+y_0}{r_0-y_0}\text{,} \quad \eta = - \left(\frac{x}{x_0}\right)^2,\quad + \left(\frac{x}{x_0}\right)^2 \quad\text{und}\quad r_0 = \sqrt{x_0^2+y_0^2} - \text{.} \end{align} % +sind, +beschrieben werden. Der Verfolger ist durch \begin{equation} v(t) = \left( \begin{array}{c} x(t) \\ y(t) \end{array} \right) - \text{.} \end{equation} % parametrisiert, wobei $y(t)$ viel komplexer ist als $x(t)$. @@ -76,7 +76,8 @@ Daher wird das Problem in zwei einzelne Teilprobleme zerlegt, wodurch die Beding &= y(t) = - \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\right)-r_0+3y_0\right)\text{,} + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr) + \text{,} \end{align} % welche beide gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit das Ziel erreicht wurde. @@ -110,7 +111,7 @@ kann die Bedingung weiter vereinfacht werden zu Da $\chi\neq0$ und die Exponentialfunktion nie null sein kann, ist diese Bedingung unmöglich zu erfüllen. Beim Grenzwert für $t\rightarrow\infty$ geht die Exponentialfunktion gegen null. Dies nützt nicht viel, da unendlich viel Zeit vergehen müsste, damit ein Einholen möglich wäre. -Somit kann nach den gestellten Bedingungen das Ziel nie erreicht werden. +Somit kann unter den gestellten Bedingungen das Ziel nie erreicht werden. % % % @@ -155,7 +156,7 @@ Dies kann veranschaulicht werden anhand 1\text{.} \end{equation} % -Da der $y$-Anteil der Geschwindigkeit des Ziels grösser-gleich der des Verfolgers ist, können die $y$-Koordinaten nie übereinstimmen. +Da der $y$-Anteil der Geschwindigkeit des Ziels mindestens so gross wie die des Verfolgers ist, können die $y$-Koordinaten nie übereinstimmen. % \subsection{Anfangsbedingung auf positiven $y$-Achse} Wenn der Verfolger auf der positiven $y$-Achse startet, befindet er sich direkt auf der Fluchtgeraden des Ziels. @@ -194,8 +195,8 @@ Somit wird das Ziel immer erreicht bei $t_1$, wenn der Verfolger auf der positiv \subsection{Fazit} Durch die Symmetrie der Fluchtkurve an der $y$-Achse führen die Anfangsbedingungen im ersten und zweiten Quadranten zu den gleichen Ergebnissen. Nun ist klar, dass lediglich Anfangspunkte auf der positiven $y$-Achse oder direkt auf dem Ziel dazu führen, dass der Verfolger das Ziel bei $t_1$ einholt. Bei allen anderen Anfangspunkten wird der Verfolger das Ziel nie erreichen. -Dieses Resultat ist aber eher akademischer Natur, weil der Verfolger und das Ziel als Punkt betrachtet wurden. -Wobei aber in Realität nicht von Punkten sondern von Objekten mit einer räumlichen Ausdehnung gesprochen werden kann. + +Dieses Resultat ist aber eher akademischer Natur, weil der Verfolger und das Ziel als Punkt betrachtet wurden, während in der Realität nicht von Punkten sondern von Objekten mit einer räumlichen Ausdehnung gesprochen werden kann. Somit wird in einer nächsten Betrachtung untersucht, ob der Verfolger dem Ziel näher kommt als ein definierter Trefferradius. Falls dies stattfinden sollte, wird dies als Treffer interpretiert. Mathematisch kann dies mit @@ -205,7 +206,7 @@ Mathematisch kann dies mit \end{equation} % beschrieben werden, wobei $a_{\text{min}}$ dem Trefferradius entspricht. -Durch quadrieren verschwindet die Wurzel des Betrages, womit +Durch Quadrieren verschwindet die Wurzel des Betrages, womit % \begin{equation} |v-z|^2<a_{\text{min}}^2 \text{,}\quad a_{\text{min}}\in \mathbb{R}^+ @@ -215,35 +216,36 @@ Durch quadrieren verschwindet die Wurzel des Betrages, womit die neue Bedingung ist. Da sowohl der Betrag als auch $a_{\text{min}}$ grösser null sind, bleibt die Aussage unverändert. % -\subsection{trügerische Intuition}%verleitende/trügerische/verführerisch -In der Grafik \ref{lambertw:grafic:intuition} ist eine Mögliche Verfolgungskurve dargestellt, wobei für die Startbedingung der erste-Quadrant verwendet wurde. +\subsection{Trügerische Intuition}%verleitende/trügerische/verführerisch +In der Grafik \ref{lambertw:grafic:intuition} ist eine mögliche Verfolgungskurve dargestellt, wobei für die Startbedingung der erste-Quadrant verwendet wurde. Als erste Intuition für den Punkt bei dem $|v-z|$ minimal ist bietet sich der tiefste Punkt der Verfolgungskurve an, bei dem der y-Anteil des Richtungsvektors null entspricht. Es kann argumentiert werden, dass weil die Geschwindigkeiten gleich gross sind und $\dot{v}$ sich aus einem $y$- als auch einem $x$-Anteil zusammensetzt und $\dot{z}$ nur ein $y$-Anteil besitzt, der Abstand nur grösser werden kann, wenn $e_y\cdot z>e_y\cdot v$. Aus diesem Argument würde folgen, dass beim tiefsten Punkt der Verfolgungskurve im Beispiel den minimalen Abstand befindet. % \begin{figure} \centering - \includegraphics[scale=0.4]{./papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf} + \includegraphics[scale=0.7]{./papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf} \caption{Intuition} \label{lambertw:grafic:intuition} \end{figure} % - Dieses Argument kann leicht überprüft werden, indem lokal alle relevanten benachbarten Punkte betrachtet und das Vorzeichen der Änderung des Abstandes überprüft wird. Dafür wird ein Ausdruck benötigt, der den Abstand und die benachbarten Punkte beschreibt. -Der Richtungsvektor wird allgemein mit dem Winkel $\alpha \in[ 0, 2\pi)$ + +$\dot{v}$ wird allgemein mit dem Winkel $\alpha \in[ 0, 2\pi)$ beschrieben, um alle unmittelbar benachbarten Punkte prüfen zu können. Die Ortsvektoren der Punkte können wiederum mit \begin{align} v &= - t\cdot\left(\begin{array}{c} \cos (\alpha) \\ \sin (\alpha) \end{array}\right) +\left(\begin{array}{c} x_0 \\ y_0 \end{array}\right) + t\cdot\left(\begin{array}{c} \cos (\alpha) \\ \sin (\alpha) \end{array}\right) +\left(\begin{array}{c} x_0 \\ 0 \end{array}\right) \\ z &= \left(\begin{array}{c} 0 \\ t \end{array}\right) \end{align} -beschrieben werden. Der Verfolger wurde allgemein für jede Richtung $\alpha$ definiert, um alle unmittelbar benachbarten Punkte beschreiben zu können. -Da der Abstand +beschrieben werden. +$x_0$ ist der Abstand bei $t=0$, damit alle möglichen Fälle untersucht werden können. +Da der Abstand allgemein \begin{equation} a = @@ -251,7 +253,7 @@ Da der Abstand \geq 0 \end{equation} -ist, kann durch quadrieren ohne Informationsverlust die Rechnung vereinfacht werden zu +ist, kann durch Quadrieren ohne Informationsverlust die Rechnung vereinfacht werden zu \begin{equation} a^2 = @@ -264,7 +266,7 @@ Der Abstand im Quadrat abgeleitet nach der Zeit ist \begin{equation} \frac{d a^2}{d t} = - 2(t\cdot\cos (\alpha)+x_0)\cdot\cos(\alpha)(\alpha)+2t(\sin(\alpha)-1)^2 + 2(t\cdot\cos (\alpha)+x_0)\cdot\cos(\alpha)+2t(\sin(\alpha)-1)^2 \text{.} \end{equation} Da nur die unmittelbar benachbarten Punkten von Interesse sind, wird die Ableitung für $t=0$ untersucht. Dabei kann die Ableitung in @@ -331,18 +333,12 @@ Durch algebraische Umwandlung kann die Gleichung in die Form \dot{z}\dot{v}=|\dot{v}|^2 \end{equation} gebracht werden. -Da $|\dot{v}|=|\dot{z}|$ folgt +Wenn für den Winkel zwischen den Richtungsvektoren $\alpha$ und die Eigenschaft $|\dot{z}|=|\dot{v}|$ verwendet wird entsteht \begin{equation} \cos(\alpha)=1 - \text{,} -\end{equation} -wobei $\alpha$ der Winkel zwischen den Richtungsvektoren ist. -Mit $|\dot{z}|=|\dot{v}|=1$ entsteht -\begin{equation} - \cos(\alpha)=1 - \text{,} + \text{.} \end{equation} -woraus folgt, dass nur bei $\alpha=0$, wenn $\alpha \in [0,2\pi)$, ein lokales als auch globales Minimum vorhanden sein kann. +Jetzt ist klar, dass nur bei $\alpha=0$, wenn $\alpha \in [0,2\pi)$, ein lokales als auch globales Minimum vorhanden sein kann. $\alpha=0$ bedeutet, dass $\dot{v}=\dot{z}$ sein muss. Da die Richtungsvektoren bei $t\rightarrow\infty$ immer in die gleiche Richtung zeigen ist dort die Bedingung immer erfüllt. Dies entspricht gerade dem einen Rand von $t$, der andere Rand bei $t=0$ muss auch auf lokales bzw. globales Minimum untersucht werden. diff --git a/buch/papers/lambertw/teil4.tex b/buch/papers/lambertw/teil4.tex index 1053dd1..36fb7e6 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil4.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil4.tex @@ -6,11 +6,11 @@ \section{Beispiel einer Verfolgungskurve \label{lambertw:section:teil4}} \rhead{Beispiel einer Verfolgungskurve} -In diesem Abschnitt wird rechnerisch das Beispiel einer Verfolgungskurve mit der Verfolgungsstrategie ``Jagd'' beschreiben. Dafür werden zuerst Bewegungsraum, Anfangspositionen und Bewegungsverhalten definiert, in einem nächsten Schritt soll eine Differentialgleichung dafür aufgestellt und anschliessend gelöst werden. +In diesem Abschnitt wird rechnerisch das Beispiel einer Verfolgungskurve mit der Verfolgungsstrategie ``Jagd'' beschrieben. Dafür werden zuerst Bewegungsraum, Anfangspositionen und Bewegungsverhalten definiert, in einem nächsten Schritt soll eine Differentialgleichung dafür aufgestellt und anschliessend gelöst werden. \subsection{Anfangsbedingungen definieren und einsetzen \label{lambertw:subsection:Anfangsbedingungen}} -Das zu verfolgende Ziel \(Z\) bewegt sich entlang der \(y\)-Achse mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{z}| = 1\), beginnend beim Ursprung des Kartesischen Koordinatensystems. Der Verfolger \(V\) startet auf einem beliebigen Punkt im ersten Quadranten und bewegt sich auch mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{v}| = 1\) in Richtung Ziel. Diese Anfangspunkte oder Anfangsbedingungen können wie folgt formuliert werden: +Das zu verfolgende Ziel \(Z\) bewegt sich entlang der \(y\)-Achse mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{z}| = 1\), beginnend beim Ursprung des kartesischen Koordinatensystems. Der Verfolger \(V\) startet auf einem beliebigen Punkt im ersten Quadranten und bewegt sich auch mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{v}| = 1\) in Richtung Ziel. Aus diesen Bedingungen ergibt sich den ersten Quadranten als Bewegungsraum für \(V\). Diese Anfangspunkte oder Anfangsbedingungen können wie folgt formuliert werden: \begin{equation} Z = @@ -40,7 +40,7 @@ Diese DGL haben wir bereits in Kapitel \ref{lambertw:subsection:Verfolger} defin \subsection{Differentialgleichung vereinfachen \label{lambertw:subsection:DGLvereinfach}} -Nun haben wir eine Gleichung, es stellt sich aber die Frage, ob es überhaupt eine geschlossene Lösung dafür gibt. Eine Funktion welche die Beziehung \(y(x)\) beschreibt oder sogar \(x(t)\) und \(y(t)\) liefert. Zum jetzigen Zeitpunkt mag es nicht trivial scheinen, aber mit den gewählten Anfangsbedingungen \eqref{lambertw:Anfangsbed} ist es möglich eine geschlossene Lösung für die Gleichung \eqref{lambertw:eqMitAnfangsbed} zu finden. +Nun haben wir eine Gleichung, es stellt sich aber die Frage, ob es überhaupt eine geschlossene Lösung dafür gibt. Eine Funktion welche die Beziehung \(y(x)\) beschreibt oder sogar \(x(t)\) und \(y(t)\) liefert. Zum jetzigen Zeitpunkt mag es nicht trivial scheinen, aber mit den gewählten Anfangsbedingungen \eqref{lambertw:Anfangsbed} ist es möglich, eine geschlossene Lösung für die Gleichung \eqref{lambertw:eqMitAnfangsbed} zu finden. Auf dem Weg dahin muss die definierte DGL zuerst wesentlich vereinfacht werden, sei es mittels algebraischer Umformungen oder mit den Tools aus der Analysis. Da die nächsten Schritte sehr algebralastig sind und sie das Lesen dieses Papers träge machen würden, werden wir uns hier nur auf die wesentlichsten Schritte konzentrieren, welche notwendig sind, um den Lösungsweg nachvollziehen zu können. @@ -90,7 +90,7 @@ Versteckt im Ausdruck \eqref{lambertw:eqGeschwSubstituiert} befindet sich die er \label{lambertw:eqAlgVerinfacht} \end{equation} die faktorisierte Darstellung davon ist. -Da der linke Term gleich Null ist, muss auch der Inhalt des Quadrates gleich Null sein. Es ergibt sich eine weitere Vereinfachung, welche zu der im Vergleich zu \eqref{lambertw:eqOhneSkalarprod} wesentlich einfacheren DGL +Da der linke Term gleich Null ist, muss auch die Basis des Quadrates in \eqref{lambertw:eqAlgVerinfacht} gleich Null sein. Es ergibt sich eine weitere Vereinfachung, welche zu der im Vergleich zu \eqref{lambertw:eqOhneSkalarprod} wesentlich einfacheren DGL \begin{equation} x \dot{y} + (t-y) \dot{x} = 0 @@ -122,7 +122,7 @@ Der Grund dafür ist, dass \label{lambertw:eqQuotZeitAbleit} \end{equation} und somit kann der Quotient dieser zeitlichen Ableitungen in eine Ableitung nach \(x\) umgewandelt werden. -Nach dem die Eigenschaft \eqref{lambertw:eqQuotZeitAbleit} in \eqref{lambertw:eqVorKeineZeitAbleit} eingesetzt wird und vereinfacht wurde, entsteht die neue Gleichung +Nachdem die Eigenschaft \eqref{lambertw:eqQuotZeitAbleit} in \eqref{lambertw:eqVorKeineZeitAbleit} eingesetzt wurde, entsteht beim Vereinfachen die neue Gleichung \begin{equation} x y^{\prime} + t - y = 0. @@ -130,7 +130,7 @@ Nach dem die Eigenschaft \eqref{lambertw:eqQuotZeitAbleit} in \eqref{lambertw:eq \end{equation} \subsubsection{Variable \(t\) eliminieren - \label{lambertw:subsubsection:ZeitAbleit}} + \label{lambertw:subsubsection:VarTelimin}} Hier wäre es natürlich passend, wenn man die Abhängigkeit nach \(t\) komplett wegbringen könnte, aber wie? Wir wissen, dass sich der Verfolger mit Geschwindigkeit 1 bewegt, also legt er in der Zeit \(t\) die Strecke \(1\cdot t = t\) zurück. Längen und Strecken können auch mit der Bogenlänge repräsentiert werden, somit kann Zeit und zurückgelegte Strecke in der Gleichung \begin{equation} @@ -147,7 +147,7 @@ Wir wissen, dass sich der Verfolger mit Geschwindigkeit 1 bewegt, also legt er i \end{equation} verbunden werden. -Nicht gerade auffällig ist die Richtung, in welche hier integriert wird. Wenn der Verfolger sich wie vorgesehen am Anfang im ersten Quadranten befindet, dann muss sich dieser nach links bewegen, was nicht der üblichen Integrationsrichtung entspricht. Um eine Integration wie üblich von links nach rechts ausführen zu können, müssen die Integrationsgenerzen vertauscht werden, was in einem Vorzeichenwechsel resultiert. +Nicht gerade auffällig ist die Richtung, in welche hier integriert wird. Wenn der Verfolger sich wie vorgesehen am Anfang im ersten Quadranten befindet, dann muss sich dieser nach links bewegen, was nicht der üblichen Integrationsrichtung entspricht. Um eine Integration wie üblich von links nach rechts ausführen zu können, müssen die Integrationsgrenzen vertauscht werden, was in einem Vorzeichenwechsel resultiert. Wenn man nun \eqref{lambertw:eqZuBogenlaenge} in die DGL \eqref{lambertw:DGLmitT} einfügt, dann ergibt sich der neue Ausdruck \begin{equation} @@ -199,7 +199,7 @@ Wenn man in \eqref{lambertw:loesDGLmitU} die Substitution rückgängig macht, er \label{lambertw:loesDGLmitY} \end{equation} erster Ordnung, die bereits separiert ist. -Ersetzt man den \(\operatorname{sinh}\) durch seine exponentiellen Definition \(\operatorname{sinh}(x)=\frac{1}{2}(e^x-e^{-x})\), so resultiert auf sehr einfache Art die Lösung +Ersetzt man den \(\operatorname{sinh}\) durch seine exponentielle Definition \(\operatorname{sinh}(x)=\frac{1}{2}(e^x-e^{-x})\), so resultiert auf sehr einfache Art die Lösung \begin{equation} y = @@ -212,10 +212,12 @@ Nun haben wir eine Lösung, aber wie es immer mit Lösungen ist, stellt sich die \subsection{Lösung analysieren \label{lambertw:subsection:LoesAnalys}} +\definecolor{applegreen}{rgb}{0.55, 0.71, 0.0} + \begin{figure} \centering \includegraphics{papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png} - \caption[Graph der Verfolgungskurve]{Graph der Verfolgungskurve wobei, ({\color{red}rot}) die Funktion \ensuremath{y(x)} ist, ({\color{darkgreen}grün}) der quadratische Teil und ({\color{blue}blau}) dem \ensuremath{\operatorname{ln}(x)}-Teil entspricht. + \caption[Graph der Verfolgungskurve]{Graph der Verfolgungskurve wobei, ({\color{red}rot}) die Funktion \ensuremath{y(x)} ist, ({\color{applegreen}grün}) der quadratische Teil und ({\color{blue}blau}) dem \ensuremath{\operatorname{ln}(x)}-Teil entspricht. \label{lambertw:BildFunkLoes} } \end{figure} @@ -224,7 +226,7 @@ Das Resultat, wie ersichtlich, ist die Funktion \begin{equation} {\color{red}{y(x)}} = - C_1 + C_2 {\color{darkgreen}{x^2}} {\color{blue}{-}} \frac{\color{blue}{\operatorname{ln}(x)}}{8 \cdot C_2}, + C_1 + C_2 {\color{applegreen}{x^2}} {\color{blue}{-}} \frac{\color{blue}{\operatorname{ln}(x)}}{8 \cdot C_2}, \label{lambertw:funkLoes} \end{equation} für welche die Koeffizienten \(C_1\) und \(C_2\) aus den Anfangsbedingungen bestimmt werden können. Zuerst soll aber eine qualitative Intuition oder Idee für das Aussehen der Funktion \(y(x)\) geschaffen werden: @@ -302,7 +304,8 @@ Wenn man die Koeffizienten \eqref{lambertw:eqKoeff1} und \eqref{lambertw:eqKoeff \begin{equation} y(x) = - \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right). + \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(y_0-r_0\right) + \operatorname{ln}\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right). \label{lambertw:eqAllgLoes} \end{equation} Damit die Funktion \eqref{lambertw:eqAllgLoes} trotzdem übersichtlich bleibt, wurden Anfangssteigung \(\eta\) und Anfangsentfernung \(r_0\) wie folgt definiert: @@ -321,7 +324,7 @@ Nun sind wir soweit, dass wir eine \(y(x)\)-Beziehung für beliebige Anfangswert \subsection{Funktion nach der Zeit \label{lambertw:subsection:FunkNachT}} -In diesem Abschnitt werden algebraischen Umformungen ein wenig detaillierter als zuvor beschrieben. Dies hat auch einen bestimmten Grund: Den Einsatz einer speziellen Funktion aufzeigen, sowie auch wann und wieso diese vorkommt. Welche spezielle Funktion? Fragst du dich wahrscheinlich in diesem Moment. Nun, um diese Frage kurz zu beantworten, es ist ``YouTube's favorite special function'' laut dem Mathematiker Michael Penn, die Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) welche im Kapitel \ref{buch:section:lambertw} bereits beschrieben wurde. +In diesem Abschnitt werden algebraische Umformungen ein wenig detaillierter als zuvor beschrieben. Dies hat auch einen bestimmten Grund: Den Einsatz einer speziellen Funktion aufzeigen, sowie auch wann und wieso diese vorkommt. Welche spezielle Funktion? Fragt man sich wahrscheinlich in diesem Moment. Nun, um diese Frage kurz zu beantworten, es ist ``YouTube's favorite special function'' laut dem Mathematiker Michael Penn, die Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) welche im Kapitel \ref{buch:section:lambertw} bereits beschrieben wurde. \subsubsection{Zeitabhängigkeit wiederherstellen \label{lambertw:subsubsection:ZeitabhWiederherst}} @@ -342,7 +345,7 @@ Wie in \eqref{lambertw:eqDGLmitTnochmals} zu sehen ist, werden \(y\) und deren A \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right), \\ y^\prime &= - \frac{1}{2}\left(\left(y_0+r_0\right)\frac{x}{x_0^2}+\left(y_0-r_0\right)\frac{1}{x}\right). + \frac{1}{2}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\frac{x}{x_0^2}+\left(y_0-r_0\right)\frac{1}{x}\biggr). \end{align} \end{subequations} @@ -372,16 +375,19 @@ und anschliessend \label{lambertw:eqMitExp} \end{equation} erhält. -Auf dem rechten Term von \eqref{lambertw:eqMitExp} beginnen wir langsam eine ähnliche Struktur wie \(\eta e^\eta\) zu erkennen, dies schreit nach der Struktur die benötigt wird um \(\eta\) mittels der Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) zu erhalten. Dies macht durchaus Sinn, wenn wir die Funktion \(x(t)\) finden wollen und \(W(x)\) die Umkehrfunktion von \(x e^x\) ist. +Auf dem rechten Term von \eqref{lambertw:eqMitExp} beginnen wir langsam eine ähnliche Struktur wie \(\eta e^\eta\) zu erkennen, dies schreit nach der Struktur, die benötigt wird, um \(\eta\) mittels der Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) zu erhalten. Dies macht durchaus Sinn, wenn wir die Funktion \(x(t)\) finden wollen und \(W(x)\) die Umkehrfunktion von \(x e^x\) ist. -Die erste Sache die uns in \eqref{lambertw:eqMitExp} stört ist, dass \(\eta\) als Potenz da steht. Dieses Problem können wir loswerden, indem wir beidseitig mit \(\:\displaystyle \frac{1}{r_0-y_0}\:\) potenzieren: +Die erste Sache, die uns in \eqref{lambertw:eqMitExp} stört ist, dass \(\eta\) als Potenz da steht. Dieses Problem können wir loswerden, indem wir beidseitig mit \(\:1 / (r_0-y_0)\:\) potenzieren: \begin{equation} \operatorname{exp}\left(\displaystyle \frac{-4t}{r_0-y_0}+\frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\right) = \eta\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\eta\right). \label{lambertw:eqOhnePotenz} \end{equation} -Das nächste Problem auf welches wir in \eqref{lambertw:eqOhnePotenz} treffen ist, dass \(\eta\) nicht alleine im Exponent steht. Dies kann elegant mit der Substitution + +\subsubsection{Eine essenzielle Substitution + \label{lambertw:subsubsection:SubstChi}} +Das nächste Problem, auf welches wir in \eqref{lambertw:eqOhnePotenz} treffen, ist, dass \(\eta\) nicht alleine im Exponent steht. Dies kann elegant mit der Substitution \begin{equation} \chi = @@ -398,6 +404,9 @@ die auf dasselbe Ergebnis führen würden, aber \eqref{lambertw:eqChiSubst} lief \chi\eta\cdot e^{\displaystyle \chi\eta}. \label{lambertw:eqNachSubst} \end{equation} + +\subsubsection{Funktion nach der Zeit dank Lambert-\(W\) + \label{lambertw:subsubsection:LambertWundFvonT}} Nun sind wir endlich soweit, dass wir die angedeutete Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) einsetzen können. Wenn wir beidseitig \(W(x)\) anwenden, dann erhalten wir den Ausdruck \begin{equation} W\left(\chi\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right) @@ -417,14 +426,14 @@ Nach dem Auflösen nach \(x\) welches in \(\eta\) enthalten ist, erhalten wir di = y(t) &= - \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\right)-r_0+3y_0\right). + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\biggl(\frac{x(t)}{x_0}\biggr)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr). \end{align} \end{subequations} Nun haben wir unser letztes Ziel erreicht und sind in der Lage eine Verfolgung rechnerisch sowie graphisch zu repräsentieren. \subsubsection{Hinweise zur Lambert-\(W\)-Funktion \label{lambertw:subsubsection:HinwLambertW}} -Wir sind aber noch nicht ganz fertig, eine Frage muss noch beantwortet werden. Und zwar wieso, man schon bei der Gleichung \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleitEingefuegt} weiss, dass die Lambert-\(W\)-Funktion zum Einsatz kommen wird. +Wir sind aber noch nicht ganz fertig, eine Frage muss noch beantwortet werden. Und zwar wieso man schon bei der Gleichung \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleitEingefuegt} weiss, dass die Lambert-\(W\)-Funktion zum Einsatz kommen wird. Nun, der Grund dafür ist die Struktur \begin{equation} y diff --git a/buch/papers/sturmliouville/.gitignore b/buch/papers/sturmliouville/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..f08278d --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/.gitignore @@ -0,0 +1 @@ +*.pdf
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/Makefile b/buch/papers/sturmliouville/Makefile index da902e7..8d3e0af 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/Makefile +++ b/buch/papers/sturmliouville/Makefile @@ -1,9 +1,37 @@ # -# Makefile -- make file for the paper sturmliouville +# Makefile -- make file for the paper fm # # (c) 2020 Prof Dr Andreas Mueller # -images: - @echo "no images to be created in sturmliouville" +SOURCES := \ + einleitung.tex\ + eigenschaften.tex \ + beispiele.tex \ + main.tex +#TIKZFIGURES := \ + tikz/atoms-grid-still.tex \ + +#FIGURES := $(patsubst tikz/%.tex, figures/%.pdf, $(TIKZFIGURES)) + +#.PHONY: images +#images: $(FIGURES) + +#figures/%.pdf: tikz/%.tex +# mkdir -p figures +# pdflatex --output-directory=figures $< + +.PHONY: standalone +standalone: standalone.tex $(SOURCES) #$(FIGURES) + mkdir -p standalone + cd ../..; \ + pdflatex \ + --halt-on-error \ + --shell-escape \ + --output-directory=papers/sturmliouville/standalone \ + --extra-mem-top=10000000 \ + papers/sturmliouville/standalone.tex; + cd standalone; \ + bibtex standalone; \ + makeindex standalone;
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc index e2039ce..7ffdad2 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc +++ b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc @@ -3,12 +3,12 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -dependencies-sturmliouville = \ +dependencies-sturmliouville = \ papers/sturmliouville/packages.tex \ - papers/sturmliouville/main.tex \ + papers/sturmliouville/main.tex \ papers/sturmliouville/references.bib \ - papers/sturmliouville/teil0.tex \ - papers/sturmliouville/teil1.tex \ - papers/sturmliouville/teil2.tex \ - papers/sturmliouville/teil3.tex - + papers/sturmliouville/einleitung.tex \ + papers/sturmliouville/eigenschaften.tex \ + papers/sturmliouville/beispiele.tex \ + papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex \ + papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex diff --git a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex new file mode 100644 index 0000000..94082cf --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex @@ -0,0 +1,14 @@ +% +% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Beispiele +\label{sturmliouville:section:examples}} +\rhead{Beispiele} + +% Fourier: Erik work +\input{papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex} + +% Tschebyscheff +\input{papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex new file mode 100644 index 0000000..85f0bf3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -0,0 +1,79 @@ +% +% eigenschaften.tex -- Eigenschaften der Lösungen +% Author: Erik Löffler +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Eigenschaften von Lösungen +\label{sturmliouville:section:solution-properties}} +\rhead{Eigenschaften von Lösungen} + +Im weiteren werden nun die Eigenschaften der Lösungen eines +Sturm-Liouville-Problems diskutiert und aufgezeigt, wie diese Eigenschaften +zustande kommen. + +Dazu wird der Operator $L_0$ welcher bereits in +Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} betrachtet +wurde, noch etwas genauer angeschaut. +Es wird also im Folgenden +\[ + L_0 + = + -\frac{d}{dx}p(x)\frac{d}{dx} +\] +zusammen mit den Randbedingungen +\[ + \begin{aligned} + k_a y(a) + h_a p(a) y'(a) &= 0 \\ + k_b y(b) + h_b p(b) y'(b) &= 0 + \end{aligned} +\] +verwendet. +Wie im Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} bereits +gezeigt, resultieren die Randbedingungen aus der Anforderung den Operator $L_0$ +selbsadjungiert zu machen. +Es wurde allerdings noch nicht darauf eingegangen, welche Eigenschaften dies +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 +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 +\[ + \langle Av, w \rangle + = + \langle v, Aw \rangle +\] +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. + +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. + +\subsubsection{Anwendung des Spektralsatzes auf $L_0$} + +Der Spektralsatz besagt also, dass, weil $L_0$ selbstadjungiert ist, eine +Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert. +Genauer bedeutet dies, dass alle Eigenvektoren, beziehungsweise alle Lösungen +des Sturm-Liouville-Problems orthogonal zueinander sind bezüglich des +Skalarprodukts, in dem $L_0$ selbstadjungiert ist. + +Erfüllt also eine Differenzialgleichung die in +Abschnitt~\ref{sturmliouville:section:teil0} präsentierten Eigenschaften und +erfüllen die Randbedingungen der Differentialgleichung die Randbedingungen +des Sturm-Liouville-Problems, kann bereits geschlossen werden, dass die +Lösungsfunktion des Problems eine Linearkombination aus orthogonalen +Basisfunktionen ist.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..babc06d --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex @@ -0,0 +1,127 @@ +% +% 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. + +\begin{definition} + \index{Sturm-Liouville-Gleichung}% +Angenommen man hat die lineare homogene Differentialgleichung +\[ + \frac{d^2y}{dx^2} + a(x)\frac{dy}{dx} + b(x)y = 0 +\] +und schreibt die Gleichung um in: +\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. +\end{definition} + +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} + \label{eq:randbedingungen} + k_a y(a) + h_a p(a) y'(a) &= 0 \\ + 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. +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 +\[ + \lambda \overset{Korrespondenz}\leftrightarrow y. +\] + +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 +\[ + \int_{a}^{b} w(x)y_m y_n = 0. +\] + +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. +Die Funktionen für das reguläre und das singuläre Sturm-Liouville-Problem sind nicht dieselben. + +% +%Kapitel mit "Das reguläre Sturm-Liouville-Problem" +% + +\subsection{Das reguläre Sturm-Liouville-Problem\label{sub:reguläre_sturm_liouville_problem}} +Damit es sich um ein reguläres Sturm-Liouville-Problem handelt, müssen einige Bedingungen beachtet werden. +\begin{definition} + \label{def:reguläres_sturm-liouville-problem} + \index{regläres Sturm-Liouville-Problem} + 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 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. + + +% +%Kapitel mit "Das singuläre Sturm-Liouville-Problem" +% + + +\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. +\begin{definition} + \label{def:singulär_sturm-liouville-problem} + \index{singuläres Sturm-Liouville-Problem} +Es handelt sich um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem, + \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. + +\begin{beispiel} + Das Randwertproblem + \[ + \begin{aligned} + x^2y'' + xy' + (\lambda^2x^2 - m^2)y &= 0, 0<x<a,\\ + y(a) &= 0 + \end{aligned} + \] + 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: + \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. + \item Die Randbedingung bei $x = 0$ fehlt. + \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. diff --git a/buch/papers/sturmliouville/main.tex b/buch/papers/sturmliouville/main.tex index a7d2857..4b5b8af 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/main.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/main.tex @@ -1,36 +1,20 @@ +% !TeX root = ../../buch.tex % % main.tex -- Paper zum Thema <sturmliouville> % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:sturmliouville}} -\lhead{Thema} +\chapter{Sturm-Liouville-Problem\label{chapter:sturmliouville}} +\lhead{Sturm-Liouville-Problem} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} +\chapterauthor{Réda Haddouche und Erik Löffler} -Ein paar Hinweise für die korrekte Formatierung des Textes -\begin{itemize} -\item -Absätze werden gebildet, indem man eine Leerzeile einfügt. -Die Verwendung von \verb+\\+ ist nur in Tabellen und Arrays gestattet. -\item -Die explizite Platzierung von Bildern ist nicht erlaubt, entsprechende -Optionen werden gelöscht. -Verwenden Sie Labels und Verweise, um auf Bilder hinzuweisen. -\item -Beginnen Sie jeden Satz auf einer neuen Zeile. -Damit ermöglichen Sie dem Versionsverwaltungssysteme, Änderungen -in verschiedenen Sätzen von verschiedenen Autoren ohne Konflikt -anzuwenden. -\item -Bilden Sie auch für Formeln kurze Zeilen, einerseits der besseren -Übersicht wegen, aber auch um GIT die Arbeit zu erleichtern. -\end{itemize} - -\input{papers/sturmliouville/teil0.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil1.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil2.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil3.tex} +\input{papers/sturmliouville/einleitung.tex} +%einleitung "was ist das sturm-liouville-problem" +\input{papers/sturmliouville/eigenschaften.tex} +%Eigenschaften von Lösungen eines solchen Problems +\input{papers/sturmliouville/beispiele.tex} +%Beispiele sind: Wärmeleitung in einem Stab, Tschebyscheff-Polynome \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/references.bib b/buch/papers/sturmliouville/references.bib index f66a74d..0c4724b 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/references.bib +++ b/buch/papers/sturmliouville/references.bib @@ -4,6 +4,19 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % +@online{sturmliouville:spektralsatz-wiki, + title = {Spektralsatz}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Spektralsatz}, + date = {2020-08-15}, + year = {2020}, + month = {8}, + day = {15} +} + +% +% examples (not referenced in book) +% + @online{sturmliouville:bibtex, title = {BibTeX}, url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, diff --git a/buch/papers/sturmliouville/teil0.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil0.tex deleted file mode 100644 index ffcb8f3..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/teil0.tex +++ /dev/null @@ -1,22 +0,0 @@ -% -% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 0\label{sturmliouville: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{sturmliouville: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. - - diff --git a/buch/papers/sturmliouville/teil1.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil1.tex deleted file mode 100644 index c23c1d6..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/teil1.tex +++ /dev/null @@ -1,55 +0,0 @@ -% -% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 1 -\label{sturmliouville: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 -\begin{equation} -\int_a^b x^2\, dx -= -\left[ \frac13 x^3 \right]_a^b -= -\frac{b^3-a^3}3. -\label{sturmliouville:equation1} -\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{sturmliouville: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}. - -Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio -\ref{sturmliouville: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{sturmliouville: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. - - diff --git a/buch/papers/sturmliouville/teil2.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil2.tex deleted file mode 100644 index 7fc3d2c..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/teil2.tex +++ /dev/null @@ -1,40 +0,0 @@ -% -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 2 -\label{sturmliouville: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? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{sturmliouville: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/sturmliouville/teil3.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil3.tex deleted file mode 100644 index 3aa1b40..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/teil3.tex +++ /dev/null @@ -1,40 +0,0 @@ -% -% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 3 -\label{sturmliouville: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? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{sturmliouville: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. - - diff --git a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex new file mode 100644 index 0000000..e86e742 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex @@ -0,0 +1,60 @@ +% +% 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 +\begin{align*} + w(x) &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ + p(x) &= \sqrt{1-x^2} \\ + 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 +\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. +Auf dem Intervall $(-1,1)$ sind die Tschebyscheff-Polynome erster Art mit Hilfe von Hyperbelfunktionen +\[ + T_n(x) = \cos n (\arccos x). +\] +Für $x>1$ und $x<-1$ sehen die Polynome wie folgt aus: +\[ + T_n(x) = \left\{\begin{array}{ll} \cosh (n \arccos x), & x > 1\\ + (-1)^n \cosh (n \arccos (-x)), & x<-1 \end{array}\right., +\] +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 Funktion +\begin{equation*} + p(x)^{-1} = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} +\end{equation*} +ist die gleiche wie $w(x)$. + +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 +\[ +\begin{aligned} + k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0 \\ + k_b y(-1) + h_b y'(-1) &= 0. +\end{aligned} +\] +Die Funktion $y(x)$ und $y'(x)$ sind in diesem Fall die Tschebyscheff Polynome (siehe \ref{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}). +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 +\[ + \begin{aligned} + k_a T_2(-1) + h_a T_{2}'(-1) &= k_a = 0\\ + k_b T_2(1) + h_b T_{2}'(1) &= k_b = 0. +\end{aligned} +\] +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. diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex new file mode 100644 index 0000000..7a37b2b --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -0,0 +1,675 @@ +% +% waermeleitung_beispiel.tex -- Beispiel Wärmeleitung in homogenem Stab. +% Author: Erik Löffler +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% + +\subsection{Wärmeleitung in einem Homogenen Stab} + +In diesem Abschnitt wird das Problem der Wärmeleitung in einem homogenen Stab +betrachtet und wie das Sturm-Liouville-Problem bei der Beschreibung dieses +physikalischen Phänomenes auftritt. + +Zunächst wird ein eindimensionaler homogener Stab der Länge $l$ und +Wärmeleitkoeffizient $\kappa$ betrachtet. +Es ergibt sich für das Wärmeleitungsproblem +die partielle Differentialgleichung +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} + \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. + +Da diese Differentialgleichung das Problem allgemein für einen homogenen +Stab beschreibt, werden zusätzliche Bedingungen benötigt, um beispielsweise +die Lösung für einen Stab zu finden, bei dem die Enden auf konstanter +Tempreatur gehalten werden. + +% +% Randbedingungen für Stab mit konstanten Endtemperaturen +% +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} + +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 +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} + u(t,0) + = + u(t,l) + = + 0 +\end{equation} +als Randbedingungen. + +% +% Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden +% + +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} + +Bei isolierten Enden des Stabes können belibige 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. + +Aus der Physik ist bekannt, dass Wärme immer von der höheren zur tieferen +Temperatur fliesst. Um Wärmefluss zu unterdrücken, muss also dafür gesorgt +werden, dass am Rand des Stabes keine Temperaturdifferenz existiert oder +dass die partiellen Ableitungen von $u(t,x)$ nach $x$ bei $x = 0$ und $x = l$ +verschwinden. +Somit folgen +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} + \frac{\partial}{\partial x} u(t, 0) + = + \frac{\partial}{\partial x} u(t, l) + = + 0 +\end{equation} +als Randbedingungen. + +% +% Lösung der Differenzialgleichung mittels Separation +% + +\subsubsection{Lösung der Differenzialgleichung} + +Da die Lösungsfunktion von zwei Variablen abhängig ist, wird als Lösungsansatz +die Separationsmethode verwendet. +Dazu wird +\[ + u(t,x) + = + T(t)X(x) +\] +in die partielle +Differenzialgleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} +eingesetzt. +Daraus ergibt sich +\[ + T^{\prime}(t)X(x) + = + \kappa T(t)X^{\prime \prime}(x) +\] +als neue Form. + +Nun können alle von $t$ abhängigen Ausdrücke auf die linke Seite, sowie alle +von $x$ abhängigen Ausdrücke auf die rechte Seite gebracht werden und mittels +der neuen Variablen $\mu$ gekoppelt werden: +\[ + \frac{T^{\prime}(t)}{\kappa T(t)} + = + \frac{X^{\prime \prime}(x)}{X(x)} + = + \mu +\] +Durch die Einführung von $\mu$ kann das Problem nun in zwei separate +Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} + X^{\prime \prime}(x) - \mu X(x) + = + 0 +\end{equation} +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} + T^{\prime}(t) - \kappa \mu T(t) + = + 0 +\end{equation} + +% +% Überprüfung Orthogonalität der Lösungen +% + +Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Gleichung in $x$ in +Sturm-Liouville-Form ist. +Erfüllen die Randbedingungen des Stab-Problems auch die Randbedingungen des +Sturm-Liouville-Problems, kann bereits die Aussage getroffen werden, dass alle +Lösungen für die Gleichung in $x$ orthogonal sein werden. + +Da die Bedingungen des Stab-Problem nur Anforderungen an $x$ stellen, können +diese direkt für $X(x)$ übernomen werden. Es gilt also $X(0) = X(l) = 0$. +Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen also die Gleichungen +\begin{equation} +\begin{aligned} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} + k_a X(a) + h_a p(a) X'(a) &= 0 \\ + k_b X(b) + h_b p(b) X'(b) &= 0 +\end{aligned} +\end{equation} +erfüllt sein und es muss ausserdem +\begin{equation} +\begin{aligned} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-coefficient-constraints} + |k_a|^2 + |h_a|^2 &\neq 0\\ + |k_b|^2 + |h_b|^2 &\neq 0\\ +\end{aligned} +\end{equation} +gelten. + +Um zu verifizieren, ob die Randbedingungen erfüllt sind, wird zunächst +$p(x)$ +benötigt. +Dazu wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} +mit der +Sturm-Liouville-Form~\eqref{eq:sturm-liouville-equation} verglichen, was zu +$p(x) = 1$ führt. + +Werden nun $p(x)$ und die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +in \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} eigesetzt, erhält +man +\[ +\begin{aligned} + k_a y(0) + h_a y'(0) &= h_a y'(0) = 0 \\ + k_b y(l) + h_b y'(l) &= h_b y'(l) = 0. +\end{aligned} +\] +Damit die Gleichungen erfüllt sind, müssen $h_a = 0$ und $h_b = 0$ sein. +Zusätzlich müssen aber die +Bedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-coefficient-constraints} +erfüllt sein und da $y(0) = 0$ und $y(l) = 0$ sind, können belibige $k_a \neq 0$ +und $k_b \neq 0$ gewählt werden. + +Somit ist gezeigt, dass die Randbedingungen des Stab-Problems für Enden auf +konstanter Temperatur auch die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen und +alle daraus reultierenden Lösungen orthogonal sind. +Analog dazu kann gezeit werden, dass die Randbedingungen für einen Stab mit +isolierten Enden ebenfalls die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen und +somit auch zu orthogonalen Lösungen führen. + +% +% Lösung von X(x), Teil mu +% + +\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 +\[ + X^{\prime \prime}(x) - \mu X(x) + = + 0 +\] +wird ein trigonometrischer Ansatz gewählt. +Die Lösungen für $X(x)$ sind also von der Form +\[ + X(x) + = + A \cos \left( \alpha x\right) + B \sin \left( \beta x\right). +\] + +Dieser Ansatz wird nun solange differenziert, bis alle in +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} enthaltenen +Ableitungen vorhanden sind. +Man erhält also +\[ + X^{\prime}(x) + = + - \alpha A \sin \left( \alpha x \right) + + \beta B \cos \left( \beta x \right) +\] +und +\[ + X^{\prime \prime}(x) + = + -\alpha^{2} A \cos \left( \alpha x \right) - + \beta^{2} B \sin \left( \beta x \right). +\] + +Eingesetzt in Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} +ergibt dies +\[ + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) - \beta^{2}B\sin(\beta x) - + \mu\left(A\cos(\alpha x) + B\sin(\beta x)\right) + = + 0 +\] +und durch umformen somit +\[ + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) - \beta^{2}B\sin(\beta x) + = + \mu A\cos(\alpha x) + \mu B\sin(\beta x). +\] + +Mittels Koeffizientenvergleich von +\[ +\begin{aligned} + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) + &= + \mu A\cos(\alpha x) + \\ + -\beta^{2}B\sin(\beta x) + &= + \mu B\sin(\beta x) +\end{aligned} +\] +ist schnell ersichtlich, dass $ \mu = -\alpha^{2} = -\beta^{2} $ gelten muss für +$ A \neq 0 $ oder $ B \neq 0 $. +Zur Berechnung von $ \mu $ bleiben also noch $ \alpha $ und $ \beta $ zu +bestimmen. +Dazu werden nochmals die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +und \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} +benötigt. + +Da die Koeffizienten $A$ und $B$, sowie die Parameter $\alpha$ uns $\beta$ im +allgemeninen ungleich $0$ sind, müssen die Randbedingungen durch die +trigonometrischen Funktionen erfüllt werden. + +Es werden nun die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur in die +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingesetzt. +Betrachten wir zunächst die Bedingung für $x = 0$. +Dies fürht zu +\[ + X(0) + = + A \cos(0 \alpha) + B \sin(0 \beta) + = + 0. +\] +Da $\cos(0) \neq 0$ ist, muss in diesem Fall $A = 0$ gelten. +Für den zweiten Summanden ist wegen $\sin(0) = 0$ die Randbedingung erfüllt. + +Wird nun die zweite Randbedingung für $x = l$ mit $A = 0$ eingesetzt, ergibt +sich +\[ + X(l) + = + 0 \cos(\alpha l) + B \sin(\beta l) + = + B \sin(\beta l) + = 0. +\] + +$\beta$ muss also so gewählt werden, dass $\sin(\beta l) = 0$ gilt. +Es bleibt noch nach $\beta$ aufzulösen: +\[ +\begin{aligned} + \sin(\beta l) &= 0 \\ + \beta l &= n \pi \qquad n \in \mathbb{N} \\ + \beta &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N} +\end{aligned} +\] + +Es folgt nun wegen $\mu = -\beta^{2}$, dass +\[ + \mu_1 = -\beta^{2} = -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}} +\] +sein muss. +Ausserdem ist zu bemerken, dass dies auch gleich $-\alpha^{2}$ ist. +Da aber $A = 0$ gilt und der Summand mit $\alpha$ verschwindet, ist dies keine +Verletzung der Randbedingungen. + +Durch alanoges Vorgehen kann nun auch das Problem mit isolierten Enden gelöst +werden. +Setzt man nun die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} +in $X^{\prime}$ ein, beginnend für $x = 0$. Es ergibt sich +\[ + X^{\prime}(0) + = + -\alpha A \sin(0 \alpha) + \beta B \cos(0 \beta) + = 0. +\] +In diesem Fall muss $B = 0$ gelten. +Zusammen mit der Bedignung für $x = l$ +folgt nun +\[ + X^{\prime}(l) + = + - \alpha A \sin(\alpha l) + 0 \beta \cos(\beta l) + = + - \alpha A \sin(\alpha l) + = 0. +\] + +Wiedrum muss über die $\sin$-Funktion sicher gestellt werden, dass der +Ausdruck den Randbedingungen entspricht. +Es folgt nun +\[ +\begin{aligned} + \sin(\alpha l) &= 0 \\ + \alpha l &= n \pi \qquad n \in \mathbb{N} \\ + \alpha &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N} +\end{aligned} +\] +und somit +\[ + \mu_2 = -\alpha^{2} = -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}}. +\] + +Es ergibt sich also sowohl für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur +wie auch mit isolierten Enden +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-mu-solution} + \mu + = + -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}}. +\end{equation} + +% +% Lösung von X(x), Teil: Koeffizienten a_n und b_n mittels skalarprodukt. +% + +Bisher wurde über die Koeffizienten $A$ und $B$ noch nicht viel ausgesagt. +Zunächst ist wegen vorhergehender Rechnung ersichtlich, dass es sich bei +$A$ und $B$ nicht um einzelne Koeffizienten handelt. +Stattdessen können die Koeffizienten für jedes $n \in \mathbb{N}$ +unterschiedlich sein. +Die Lösung $X(x)$ wird nun umgeschrieben zu +\[ + X(x) + = + a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right). +\] + +Um eine eindeutige Lösung für $X(x)$ zu erhalten werden noch weitere +Bedingungen benötigt. +Diese sind die Startbedingungen oder $u(0, x) = X(x)$ für $t = 0$. +Es gilt also nun die Gleichung +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} + u(0, x) + = + a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) +\end{equation} +nach allen $a_n$ und $b_n$ aufzulösen. +Da aber $a_n$ und $b_n$ jeweils als Faktor zu einer trigonometrischen Funktion +gehört, von der wir wissen, dass sie orthogonal zu allen anderen +trigonometrischen Funktionen der Lösung ist, kann direkt das Skalarprodukt +verwendet werden um die Koeffizienten $a_n$ und $b_n$ zu bestimmen. +Es wird also die Tatsache ausgenutzt, dass die Gleichheit in +\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} nach Anwendung des +Skalarproduktes immernoch gelten muss und dass das Skalaprodukt mit einer +Basisfunktion sämtliche Summanden auf der rechten Seite auslöscht. + +Zur Berechnung von $a_m$ mit $ m \in \mathbb{N} $ wird beidseitig das +Skalarprodukt mit der Basisfunktion $ \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)$ +gebildet: +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} + \langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \rangle + = + \langle a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right), + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\rangle +\end{equation} + +Bevor diese Form in die Integralform umgeschrieben werden kann, muss überlegt +sein, welche Integralgrenzen zu verwenden sind. +In diesem Fall haben die $\sin$ und $\cos$ Terme beispielsweise keine ganze +Periode im Intervall $x \in [0, l]$ für ungerade $n$ und $m$. +Um die Skalarprodukte aber korrekt zu berechnen, muss über ein ganzzahliges +Vielfaches der Periode der trigonometrischen Funktionen integriert werden. +Dazu werden die Integralgrenzen $-l$ und $l$ verwendet und es werden ausserdem +neue Funktionen $\hat{u}_c(0, x)$ für die Berechnung mit Cosinus und +$\hat{u}_s(0, x)$ für die Berechnung mit Sinus angenomen, welche $u(0, t)$ +gerade, respektive ungerade auf $[-l, l]$ fortsetzen: +\[ +\begin{aligned} + \hat{u}_c(0, x) + &= + \begin{cases} + u(0, -x) & -l \leq x < 0 + \\ + u(0, x) & 0 \leq x \leq l + \end{cases} + \\ + \hat{u}_s(0, x) + &= + \begin{cases} + -u(0, -x) & -l \leq x < 0 + \\ + u(0, x) & 0 \leq x \leq l + \end{cases}. +\end{aligned} +\] + +Die Konsequenz davon ist, dass nun das Resultat der Integrale um den Faktor zwei +skalliert wurde, also gilt nun +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + \\ + \int_{-l}^{l}\hat{u}_s(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx. +\end{aligned} +\] + +Zunächst wird nun das Skalaprodukt~\eqref{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} +berechnet: +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + =& + \int_{-l}^{l} \left[a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right)\right] + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + \\ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + =& + a_0 \int_{-l}^{l}cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[a_n\int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx\right] + \\ + &+ + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[b_n\int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx\right]. +\end{aligned} +\] + +Betrachtet man nun die Summanden auf der rechten Seite stellt man fest, dass +nahezu alle Terme verschwinden, denn +\[ + \int_{-l}^{l}cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + = + 0, +\] +da hier über ein ganzzahliges Vielfaches der Periode integriert wird, +\[ + \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + 0 +\] +für $m\neq n$, da Cosinus-Funktionen mit verschiedenen Kreisfrequenzen +orthogonal zueinander stehen und +\[ + \int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + 0 +\] +da Sinus- und Cosinus-Funktionen ebenfalls orthogonal zueinander sind. + +Es bleibt also lediglich der Summand für $a_m$ stehen, was die Gleichung zu +\[ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + a_m\int_{-l}^{l}\cos^2\left(\frac{m\pi}{l}x\right)dx +\] +vereinfacht. Im nächsten Schritt wird nun das Integral auf der rechten Seite +berechnet und dann nach $a_m$ aufgelöst. Am einnfachsten geht dies, wenn zuerst +mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert wird: +\[ + \begin{aligned} + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\int_{-m\pi}^{m\pi}\cos^2\left(u\right)du + \\ + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\left[\frac{u}{2} + + \frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right]_{u=-m\pi}^{m\pi} + \\ + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\left(\frac{m\pi}{2} + + \underbrace{\frac{\sin\left(2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0} - + \frac{-m\pi}{2} - + \underbrace{\frac{\sin\left(-2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0}\right) + \\ + &= + a_m l + \\ + a_m + &= + \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + \end{aligned} +\] + +Analog dazu kann durch das Bilden des Skalarproduktes mit +$ \sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right) $ gezeigt werden, dass +\[ + b_m + = + \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx +\] +gilt. + +Etwas anders ist es allerdings bei $a_0$. +Wie der Name bereits suggeriert, handelt es sich hierbei um den Koeffizienten +zur Basisfunktion $\cos\left(\frac{0 \pi}{l}x\right)$ beziehungsweise der +konstanten Funktion $1$. +Um einen Ausdruck für $a_0$ zu erhalten, wird wiederum auf beiden Seiten +der Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} das +Skalarprodukt mit der konstanten Basisfunktion $1$ gebildet: +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)dx + &= + \int_{-l}^{l} a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right)dx + \\ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + &= + a_0 \int_{-l}^{l}dx + + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[a_n\int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + dx\right] + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[b_n\int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + dx\right]. +\end{aligned} +\] + +Hier fallen nun alle Terme, die $\sin$ oder $\cos$ beinhalten weg, da jeweils +über ein Vielfaches der Periode integriert wird. +Es bleibt also noch +\[ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + = + a_0 \int_{-l}^{l}dx +\] +, was sich wie folgt nach $a_0$ auflösen lässt: +\[ +\begin{aligned} + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + &= + a_0 \int_{-l}^{l}dx + \\ + &= + a_0 \left[x\right]_{x=-l}^{l} + \\ + &= + a_0(l - (-l)) + \\ + &= + a_0 \cdot 2l + \\ + a_0 + &= + \frac{1}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)dx +\end{aligned} +\] + +% +% Lösung von T(t) +% + +\subsubsection{Lösung der Differentialgleichung in $t$} +Zuletzt wird die zweite Gleichung der +Separation~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} betrachtet. +Diese wird über das charakteristische Polynom +\[ + \lambda - \kappa \mu + = + 0 +\] +gelöst. + +Es ist direkt ersichtlich, dass $\lambda = \kappa \mu$ gelten muss, was zur +Lösung +\[ + T(t) + = + e^{\kappa \mu t} +\] +führt und mit dem Resultat~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-mu-solution} +\[ + T(t) + = + e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} +\] +ergibt. + +Dieses Resultat kann nun mit allen vorhergehenden Resultaten zusammengesetzt +werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. + +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\[ +\begin{aligned} + u(t,x) + &= + \sum_{n=1}^{\infty}b_{n}e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} + \sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \\ + b_{n} + &= + \frac{2}{l}\int_{0}^{l}u(0,x)sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) dx +\end{aligned} +\] + +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} +\[ +\begin{aligned} + u(t,x) + &= + a_{0} + \sum_{n=1}^{\infty}a_{n}e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} + \cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \\ + a_{0} + &= + \frac{1}{l}\int_{0}^{l}u(0,x) dx + \\ + a_{n} + &= + \frac{2}{l}\int_{0}^{l}u(0,x)sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) dx +\end{aligned} +\] |
