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diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex index 7eaab38..c5b3a5c 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex @@ -228,8 +228,10 @@ Nach Multiplikation mit $\operatorname{qp}(u,k)^4$ erhält man den folgenden Satz. \begin{satz} +\index{Satz!Differentialgleichung von $1/\operatorname{pq}(u,k)$}% Wenn die Jacobische elliptische Funktion $\operatorname{pq}(u,k)$ -der Differentialgleichung genügt, dann genügt der Kehrwert +der Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +genügt, dann genügt der Kehrwert $\operatorname{qp}(u,k) = 1/\operatorname{pq}(u,k)$ der Differentialgleichung \begin{equation} (\operatorname{qp}'(u,k))^2 @@ -276,8 +278,8 @@ vertauscht worden sind. % Differentialgleichung zweiter Ordnung % \subsubsection{Differentialgleichung zweiter Ordnung} -Leitet die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} -man dies nochmals nach $u$ ab, erhält man die Differentialgleichung +Leitet man die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +nochmals nach $u$ ab, erhält man die Differentialgleichung \[ 2\operatorname{pq}''(u,k)\operatorname{pq}'(u,k) = @@ -339,19 +341,231 @@ y(u) = F^{-1}(u+C). Die Jacobischen elliptischen Funktionen sind daher inverse Funktionen der unvollständigen elliptischen Integrale. +\begin{beispiel} +Die Differentialgleichung der Funktion $y=\operatorname{sn}(u,k)$ ist +\[ +(y')^2 += +(1-y^2)(1-k^2y^2). +\] +Aus \eqref{buch:elliptisch:eqn:yintegral} folgt daher, dass +\[ +u+C += +\int\frac{dy}{(1-y^2)(1-k^2y^2)}. +\] +Das Integral ist das unvollständige elliptische Integral erster Art. +Mit der Wahl der Konstanten $C$ so, dass $y(0)=0$ ist, ist +$y(u)=\operatorname{sn}(u,k)$ daher die Umkehrfunktion von +$y\mapsto F(y,k)=u$. +\end{beispiel} + +% +% Numerische Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +% +\subsubsection{Numerische Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +\label{buch:elliptisch:jacobi:agm}} +\begin{table} +\centering +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +\begin{scope}[xshift=-2.4cm,yshift=1.2cm] +\fill[color=red!20] + (-1.0,0) -- (-1.0,-2.1) -- (-1.8,-2.1) -- (0,-3.0) + -- (1.8,-2.1) -- (1.0,-2.1) -- (1.0,0) -- cycle; +\node[color=white] at (0,-1.2) [scale=7] {\sf 1}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=2.9cm,yshift=-1.8cm] +\fill[color=blue!20] + (0.8,0) -- (0.8,2.1) -- (1.4,2.1) -- (0,3.0) -- (-1.4,2.1) + -- (-0.8,2.1) -- (-0.8,0) -- cycle; +\node[color=white] at (0,1.2) [scale=7] {\sf 2}; +\end{scope} + +\node at (0,0) { +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}l<{$}|} +\hline +n & a_n & b_n & x_n & +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +0 & 1.0000000000000000 & 0.4358898943540673 & 0.5422823228691580 & = \operatorname{sn}(u,k)% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}\\ +1 & 0.7179449471770336 & 0.6602195804079634 & 0.4157689781689663 & \mathstrut\\ +2 & 0.6890822637924985 & 0.6884775317911533 & 0.4017521410983242 & \mathstrut\\ +3 & 0.6887798977918259 & 0.6887798314243237 & 0.4016042867931862 & \mathstrut\\ +4 & 0.6887798646080748 & 0.6887798646080740 & 0.4016042705654757 & \mathstrut\\ +5 & 0.6887798646080744 & 0.6887798646080744 & 0.4016042705654755 & \mathstrut\\ +6 & & & 0.4016042705654755 & = \sin(a_5u) +\mathstrut\text{\vrule height0pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\end{tabular} +}; +\end{tikzpicture} +\caption{Berechnung von $\operatorname{sn}(u,k)$ für $u=0.6$ und $k=0.$2 +mit Hilfe des arithmetisch-geo\-me\-tri\-schen Mittels. +In der ersten Phase des Algorithmus (rot) wird die Folge der arithmetischen +\index{Algorithmus!arithmetisch-geometrisches Mittel}% +und geometrischen Mittel berechnet, in der zweiten Phase werden die +Approximationen von $x_0=\operatorname{sn}(u,k)$. +Bei $n=5$ erreicht die Iteration des arithmetisch-geometrischen Mittels +Maschinengenauigkeit, was sich auch darin äussert, dass sich $x_5$ und +$x_6=\sin(a_5u)$ nicht unterscheiden. +\label{buch:elliptisch:agm:table:snberechnung}} +\end{table} +In Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:agm} auf +Seite~\pageref{buch:elliptisch:subsubection:berechnung-fxk-agm} +wurde erklärt, wie das unvollständige elliptische Integral $F(x,k)$ mit +Hilfe des arithmetisch-geometrischen Mittels berechnet werden kann. +\index{Algorithmus!arithmetisch-geometrisches Mittel}% +\index{arithmetisch-geometrisches Mittel!Algorithmus}% +Da $\operatorname{sn}^{-1}(x,k) = F(x,k)$ die Umkehrfunktion ist, kann +man den Algorithmus auch zur Berechnung von $\operatorname{sn}(u,k)$ +verwenden. +Dazu geht man wie folgt vor: +\begin{enumerate} +\item +$k'=\sqrt{1-k^2}$. +\item +Berechne die Folgen des arithmetisch-geometrischen Mittels +$a_n$ und $b_n$ mit $a_0=1$ und $b_0=k'$, bis zum Folgenindex $N$, +bei dem ausreichende Konvergenz eintegreten ist. +\item +Setze $x_N = \sin(a_N \cdot u)$. +\item +Berechnet für absteigende $n=N-1,N-2,\dots$ die Folge $x_n$ mit Hilfe +der Rekursionsformel +\begin{equation} +x_{n} += +\frac{2a_nx_{n+1}}{a_n+b_n+(a_n-b_n)x_{n+1}^2}, +\label{buch:elliptisch:agm:xnrek} +\end{equation} +die aus \eqref{buch:elliptisch:agm:subst} +durch die Substitution $x_n = \sin t_n$ entsteht. +\item +Setze $\operatorname{sn}(u,k) = x_0$. +\end{enumerate} +Da die Formel \eqref{buch:elliptisch:agm:xnrek} nicht unter den +numerischen Stabilitätsproblemen leidet, die früher auf +Seite~\pageref{buch:elliptisch:agm:ellintegral-stabilitaet} +diskutiert wurden, ist die Berechnung stabil und sehr schnell. +Tabelle~\ref{buch:elliptisch:agm:table:snberechnung} +zeigt die Berechnung am Beispiel $u=0.6$ und $k=0.2$. + +% +% Pole und Nullstellen der Jacobischen elliptischen Funktionen +% +\subsubsection{Pole und Nullstellen der Jacobischen elliptischen Funktionen} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.pdf} +\caption{Werte der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen +$\operatorname{sn}(u,k)$, +$\operatorname{cn}(u,k)$ +und +$\operatorname{dn}(u,k)$ +in den Ecken des Rechtecks mit Ecken $(0,0)$ und $(K,K+iK')$. +Links der Definitionsbereich, rechts die Werte der drei Funktionen. +Pole sind mit einem Kreuz ($\times$) bezeichnet, Nullstellen mit einem +Kreis ($\ocircle$). +\label{buch:elliptisch:fig:ellpolnul}} +\end{figure} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellall.pdf} +\caption{Pole und Nullstellen aller Jacobischen elliptischen Funktionen +mit den gleichen Darstellungskonventionen wie in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellpolnul} +\label{buch:elliptisch:fig:ellall}} +\end{figure} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellselection.pdf} +\caption{Auswahl einer Jacobischen elliptischen Funktion mit bestimmten +Nullstellen und Polen. +Nullstellen und Pole können in jeder der vier Ecken des fundamentalen +Rechtecks (gelb, oberer rechter Viertel des Periodenrechtecks) liegen. +Der erste Buchstabe des Namens der gesuchten Funktion ist der Buchstabe +der Ecke der Nullstelle, der zweite Buchstabe ist der Buchstabe der +Ecke des Poles. +Im Beispiel die Funktion $\operatorname{cd}(u,k)$, welche eine +Nullstelle in $K$ hat und einen Pol in $K+iK'$. +\label{buch:elliptisch:fig:selectell}} +\end{figure} +Für die Funktion $y=\operatorname{sn}(u,k)$ erfüllt die Differentialgleichung +\[ +\frac{dy}{du} += +\sqrt{(1-y^2)(1-k^2y^2)}, +\] +welche mit dem unbestimmten Integral +\begin{equation} +u + C = \int\frac{dy}{\sqrt{(1-y^2)(1-k^2y^2)}} +\label{buch:elliptisch:eqn:uyintegral} +\end{equation} +gelöst werden kann. +Der Wertebereich des Integrals in \eqref{buch:elliptisch:eqn:uyintegral} +wurde bereits in +Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:unvollstintegral} +auf Seite~\pageref{buch:elliptische:subsubsection:wertebereich} +diskutiert. +Daraus können jetzt Nullstellen und Pole der Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ +und mit Hilfe von Tabelle~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen} +auch für $\operatorname{cn}(u,k)$ und $\operatorname{dn}(u,k)$ +abgelesen werden: +\begin{equation} +\begin{aligned} +\operatorname{sn}(0,k)&=0 +&&\qquad& +\operatorname{cn}(0,k)&=1 +&&\qquad& +\operatorname{dn}(0,k)&=1 +\\ +\operatorname{sn}(iK',k)&=\infty +&&\qquad& +\operatorname{cn}(iK',k)&=\infty +&&\qquad& +\operatorname{dn}(iK',k)&=\infty +\\ +\operatorname{sn}(K,k)&=1 +&&\qquad& +\operatorname{cn}(K,k)&=0 +&&\qquad& +\operatorname{dn}(K,k)&=k' +\\ +\operatorname{sn}(K+iK',k)&=\frac{1}{k} +&&\qquad& +\operatorname{cn}(K+iK',k)&=\frac{k'}{ik} +&&\qquad& +\operatorname{dn}(K+iK',k)&=0 +\end{aligned} +\label{buch:elliptische:eqn:eckwerte} +\end{equation} +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellpolnul} zeigt diese Werte +an einer schematischen Darstellung des Definitionsbereiches auf. +Daraus lassen sich jetzt auch die Werte der abgeleiteten Jacobischen +elliptischen Funktionen ablesen, Pole und Nullstellen sind in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellall} +zusammengestellt. + + + + % % Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators % \subsubsection{Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators} Wir möchten die nichtlineare Differentialgleichung +\index{Differentialgleichung!das anharmonischen Oszillators}% \begin{equation} \biggl( \frac{dx}{dt} \biggr)^2 = Ax^4+Bx^2 + C -\label{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} +\label{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} \end{equation} mit Hilfe elliptischer Funktionen lösen. Wir nehmen also an, dass die gesuchte Lösung eine Funktion der Form @@ -368,7 +582,7 @@ a\operatorname{zn}'(bt,k). \] Indem wir diesen Lösungsansatz in die -Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} +Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} einsetzen, erhalten wir \begin{equation} a^2b^2 \operatorname{zn}'(bt,k)^2 @@ -478,13 +692,13 @@ Da alle Parameter im Lösungsansatz~\eqref{buch:elliptisch:eqn:loesungsansatz} bereits festgelegt sind stellt sich die Frage, woher man einen weiteren Parameter nehmen kann, mit dem Anfangsbedingungen erfüllen kann. -Die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} ist +Die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} ist autonom, die Koeffizienten der rechten Seite der Differentialgleichung sind nicht von der Zeit abhängig. Damit ist eine zeitverschobene Funktion $x(t-t_0)$ ebenfalls eine Lösung der Differentialgleichung. Die allgmeine Lösung der -Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} hat +Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} hat also die Form \[ x(t) = a\operatorname{zn}(b(t-t_0)), @@ -492,3 +706,7 @@ x(t) = a\operatorname{zn}(b(t-t_0)), wobei die Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ auf Grund der Vorzeichen von $A$, $B$ und $C$ gewählt werden müssen. +Die Übungsaufgaben~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:1} ist als +Lernaufgabe konzipiert, mit der die Lösung der Differentialgleichung +des harmonischen Oszillators beispielhaft durchgearbeitet +werden kann. |