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diff --git a/buch/chapters/050-differential/beispiele.tex b/buch/chapters/050-differential/beispiele.tex index 9a844dc..9c34407 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/beispiele.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/beispiele.tex @@ -396,8 +396,159 @@ t-\frac{t^3}{3!} + \frac{t^5}{5!} - \frac{t^7}{t!} + \dots \end{align*} \subsubsection{Hyperbolische Funktionen} +Die Ableitungen der hyperbolischen Funktionen sind +\begin{equation} +\left. +\begin{aligned} +\frac{d}{dt} \sinh t & = \cosh t \\ +\frac{d}{dt} \cosh t & = \sinh t\\ +\end{aligned} +\right\} +\qquad\Rightarrow\qquad +\left\{\quad +\begin{aligned} +\frac{d^2}{dt^2}\sinh t&=\sinh t\\ +\frac{d^2}{dt^2}\cosh t&=\cosh t\\ +\end{aligned}\right. +\label{buch:differentialgleichungen:trigo:hyperabl} +\end{equation} +Man beachte die Ähnlichkeit zu den entsprechenden Formeln +\eqref{buch:differentialgleichungen:trigo:ableitungen} +für die trigonometrischen Funktionen. +Die hyperbolischen Funktionen sind also linear unabhängige Lösungen +der Differentialgleichung zweiter Ordnung +\begin{equation} +y'' -y = 0. +\label{buch:differentialgleichungen:trigo:hyperdgl} +\end{equation} +Das charakteristische Polynom von +\eqref{buch:differentialgleichungen:trigo:hyperdgl} +ist +\[ +\lambda^2-1 = (\lambda+1)(\lambda-1) = 0 +\] +mit den Nullstellen $\pm 1$. +Die Lösungen von +\eqref{buch:differentialgleichungen:trigo:hyperdgl} +müssen also Linearkombinationen von $y_{\pm}(x)=e^{\pm x}$ sein. +Wir schreiben $y(x)=Ay_+(x)+By_-(x)$. +Die Anfangsbedingungen +\[ +\begin{pmatrix} + y(0)\\ +y'(0) +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + y_+(0) & y_-(0) \\ +y'_+(0) & y'_-(0) +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} +A\\B +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + 1 & 1 \\ + 1 & -1 +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} +A\\B +\end{pmatrix} +\] +kann mit Hilfe der inversen Matrix aufgelöst werden. + +\[ +\begin{pmatrix} +A\\B +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} + 1 & 1 \\ + 1 & -1 +\end{pmatrix}^{-1} += +\frac12 +\begin{pmatrix*}[r] +1&1\\ +1&-1 +\end{pmatrix*} +\begin{pmatrix} + y(0)\\ +y'(0) +\end{pmatrix} +\] +Für die Standardbasisvektoren als Anfangswerte findet man jetzt wie bei +den trigonometrischen Funktionen +\begin{align*} +\left. +\begin{aligned} + y(0)&=1\\ +y'(0)&=0 +\end{aligned} +\quad\right\} +&&&\Rightarrow& +\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix} +&= +\frac12 +\begin{pmatrix*}[r] +1&1\\ +1&-1 +\end{pmatrix*} +\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix}\frac12\\\frac12\end{pmatrix} +&&\Rightarrow& +y(x)&=\frac{e^x+e^{-x}}2=\cosh x +\\ +\left. +\begin{aligned} + y(0)&=0\\ +y'(0)&=1 +\end{aligned} +\quad\right\} +&&&\Rightarrow& +\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix} +&= +\frac12 +\begin{pmatrix*}[r] +1&1\\ +1&-1 +\end{pmatrix*} +\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix*}[r]\frac12\\-\frac12\end{pmatrix*} +&&\Rightarrow& +y(x)&=\frac{e^x-e^{-x}}2=\sinh x +\end{align*} +Die Ableitung der Matrix $H_{\tau}$ von +Satz~\ref{buch:geometrie:hyperbolisch:Hparametrisierung} ist +\begin{align*} +\frac{d}{d\tau} H_{\tau} +&= +\frac{d}{d\tau} +\begin{pmatrix} +\cosh\tau & \sinh\tau\\ +\sinh\tau & \cosh\tau +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +\sinh\tau & \cosh\tau\\ +\cosh\tau & \sinh\tau +\end{pmatrix} +\\ +\frac{d}{d\tau} H_{\tau} +\bigg|_{\tau=0} +&= +\begin{pmatrix} +0&1\\ +1&0 +\end{pmatrix} += +K, +\end{align*} +wobei die Matrix von \eqref{buch:geometrie:hyperbolisch:matrixK} ist. diff --git a/buch/chapters/050-differential/bessel.tex b/buch/chapters/050-differential/bessel.tex index 1102028..383c360 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/bessel.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/bessel.tex @@ -36,7 +36,7 @@ Die Besselsche Differentialgleichung kann man auch als Eigenwertproblem für den Bessel-Operator \index{Bessel-Operator}% \begin{equation} -B = x^2\frac{d^2}{dx^2} + x\frac{dy}{dx} + x^2 +B = x^2\frac{d^2}{dx^2} + x\frac{d}{dx} + x^2 \label{buch:differentialgleichungen:bessel-operator} \end{equation} schreiben. @@ -229,7 +229,7 @@ x^{-\alpha} \sum_{k=0}^\infty \subsubsection{Bessel-Funktionen} Da die Besselsche Differentialgleichung linear ist, ist auch -jede Vielfache der Funktionen +jede Linearkombination der Funktionen \eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:erste} und \eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:zweite} @@ -261,7 +261,7 @@ J_{\alpha}(x) \frac{(-1)^k}{k!\,\Gamma(\alpha+k+1)} \biggl(\frac{x}{2}\biggr)^{2k} \] -heisst {\em Bessel-Funktionen der Ordnung $\alpha$}. +heisst {\em Bessel-Funktion erster Art der Ordnung $\alpha$}. \end{definition} Man beachte, dass diese Definition für beliebige ganzzahlige diff --git a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex index fcda21b..df968f0 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex @@ -1504,3 +1504,35 @@ x^3y \qquad\Rightarrow\qquad y''-xy=0. \end{align*} Dies ist wie erwartet die Airy-Differentialgleichung. + +\subsection{Differentialgleichung der Tschebyscheff-Polynome} +Die Tschebyscheff-Polynome erster Art haben die Darstellung +\[ +T_n(x) = \cos(n\arccos x). +\] +Die Ableitungen sind +\begin{align*} +T'_n(x) &= \frac{n}{\sqrt{1-x^2}} \sin(n\arccos x) +\\ +T''_n(x) &= +-\frac{n^2}{1-x^2} T_n(x) ++ +n\frac{x}{(1-x^2)^{\frac32}} \sin(n\arccos x) +\end{align*} +Multipliziert man $T_n''(x)$ mit $(1-x^2)$ und subtrahiert +man $xT_n'(x)$, fällt der Term $\sin(n\arccos x)$ weg und es bleibt +\begin{equation} +(1-x^2)T''_n(x) -xT'_n(x) = -n^2 T_n(x), +\label{buch:differential:tschebyscheff:Tdgl} +\end{equation} +die Tschebyscheff-Polynome sind also Lösungen der Differentialgleichung +\begin{equation} +(1-x^2)y'' -xy' +n^2 y=0, +\label{buch:differential:tschebyscheff:Tdgl} +\end{equation} +sie heisst die {\em Tschbeyscheff-Differentialgleichung}. + +\subsubsection{Tschebyscheff-Differentialgleichung und hypergeometrische Differentialgleichung} +TODO + +\url{https://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_polynomials} |