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In diesem Abschnitt soll die Verbindung zu den Jacobischen elliptischen Funktionen hergestellt werden. +% +% Lemniskate +% \subsection{Lemniskate \label{buch:gemotrie:subsection:lemniskate}} -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf} -\caption{Bogenlänge und Radius der Lemniskate von Bernoulli. -\label{buch:elliptisch:fig:lemniskate}} -\end{figure} Die {\em Lemniskate von Bernoulli} ist die Kurve vierten Grades mit der Gleichung \index{Lemniskate von Bernoulli}% @@ -29,19 +26,26 @@ mit der Gleichung \end{equation} Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} dargestellt. -Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\sqrt{2}$. +Der Fall $a=1/\!\sqrt{2}$ ist eine Kurve mit der Gleichung +\[ +(x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, +\] +wir nennen sie die {\em Standard-Lemniskate}. + +\subsubsection{Scheitelpunkte} +Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\!\sqrt{2}$. Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht \begin{equation} \biggl( -\biggl(\frac{X}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 + -\biggl(\frac{Y}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 \biggr)^2 = 2\frac{a^2}{2a^2}\biggl( -\biggl(\frac{X}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 - -\biggl(\frac{Y}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 \biggr). \qquad \Leftrightarrow @@ -49,11 +53,19 @@ Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht (x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert} \end{equation} -wobei wir $x=X/a\sqrt{2}$ und $y=Y/a\sqrt{2}$ gesetzt haben. -In dieser Normierung liegen die Scheitel bei $\pm 1$. +wobei wir $x=X/a\!\sqrt{2}$ und $y=Y/a\!\sqrt{2}$ gesetzt haben. +In dieser Normierung, der Standard-Lemniskaten, liegen die Scheitel +bei $\pm 1$. Dies ist die Skalierung, die für die Definition des lemniskatischen Sinus und Kosinus verwendet werden soll. +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf} +\caption{Bogenlänge und Radius der Lemniskate von Bernoulli. +\label{buch:elliptisch:fig:lemniskate}} +\end{figure} +\subsubsection{Polarkoordinaten} In Polarkoordinaten $x=r\cos\varphi$ und $y=r\sin\varphi$ gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert} \begin{equation} @@ -71,12 +83,180 @@ Sie gilt für Winkel $\varphi\in[-\frac{\pi}4,\frac{\pi}4]$ für das rechte Blatt und $\varphi\in[\frac{3\pi}4,\frac{5\pi}4]$ für das linke Blatt der Lemniskate. +% +% Schnitt eines Kegels mit einem Paraboloid +% +\subsubsection{Schnitt eines Kegels mit einem Paraboloid} +\begin{figure} +\center +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pdf} +\caption{Leminiskate (rot) als Projektion (gelb) der Schnittkurve (pink) +eines geraden +Kreiskegels (grün) mit einem Rotationsparaboloid (hellblau). +\label{buch:elliptisch:lemniskate:kegelpara}} +\end{figure}% +\index{Kegel}% +\index{Paraboloid}% +Schreibt man in der Gleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +für die Klammer auf der rechten Seite $Z^2 = X^2 - Y^2$, dann wird die +Lemniskate die Projektion in die $X$-$Y$-Ebene der Schnittkurve der Flächen, +die durch die Gleichungen +\begin{equation} +X^2-Y^2 = Z^2 +\qquad\text{und}\qquad +(X^2+Y^2) = R^2 = \!\sqrt{2}aZ +\label{buch:elliptisch:eqn:kegelparabolschnitt} +\end{equation} +beschrieben wird. +Die linke Gleichung in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:kegelparabolschnitt} +beschreibt einen geraden Kreiskegel, die rechte ist ein Rotationsparaboloid. +Die Schnittkurve ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:kegelpara} +dargestellt. + +\subsubsection{Schnitt eines Torus mit einer Ebene} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pdf} +\caption{Die Schnittkurve (rot) eines Torus (grün) +mit einer zur Torusachse parallelen Ebene (blau), +die den inneren Äquator des Torus berührt, ist eine Lemniskate. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}} +\end{figure} +\index{Torus}% +Schneidet man einen Torus mit einer Ebene, die zur Achse des Torus +parallel ist und den inneren Äquator des Torus berührt, wie in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}, +entsteht ebenfalls eine Lemniskate, wie in diesem Abschnitt nachgewiesen +werden soll. + +Der in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt} +dargestellte Torus mit den Radien $2$ und $1$ hat als Achse die +um eine Einheit in $Z$-Richtung verschobene $Y$-Achse und die +$X$-$Z$-Ebene als Äquatorebene. +Der Torus kann mit +\[ +(u,v) +\mapsto +\begin{pmatrix} +(2+\cos u) \cos v \\ + \sin u \\ +(2+\cos u) \sin v + 1 +\end{pmatrix} +\] +parametrisiert werden, die $u$- und $v$-Koordinatenlinien sind +in der Abbildung gelb eingezeichnet. +Die $v$-Koordinatenlinien sind Breitenkreise um die Achse des Torus. +Aus $u=0$ und $u=\pi$ ergeben sich die Äquatoren des Torus. + +Die Gleichung $Z=0$ beschreibt eine achsparallele Ebene, die den +inneren Äquator berührt. +Die Schnittkurve erfüllt daher +\[ +(2+\cos u)\sin v + 1 = 0, +\] +was wir auch als $2 +\cos u = -1/\sin v$ schreiben können. +Wir müssen nachprüfen, dass die Koordinaten +$X=(2+\cos u)\cos v$ und $Y=\sin u$ die Gleichung einer Lemniskate +erfüllen. + +Zunächst können wir in der $X$-Koordinate den Klammerausdruck durch +$\sin v$ ausdrücken und erhalten +\begin{equation} +X += +(2+\cos u) \cos v += +-\frac{1}{\sin v}\cos v += +-\frac{\cos v}{\sin v} +\qquad\Rightarrow\qquad +X^2 += +\frac{\cos^2v}{\sin^2 v} += +\frac{1-\sin^2v}{\sin^2 v}. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin} +\end{equation} +Auch die $Y$-Koordinaten können wir durch $v$ ausdrücken, +nämlich +\begin{equation} +Y^2=\sin^2 u = 1-\cos^2 u += +1- +\biggl( +\frac{1}{\sin v} +-2 +\biggr)^2 += +\frac{-3\sin^2 v+4\sin v-1}{\sin^2 v}. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin} +\end{equation} +Die Gleichungen +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin} +und +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin} +zeigen, dass man $X^2$ und $Y^2$ sogar einzig durch $\sin v$ +parametrisieren kann. +Um die Ausdrücke etwas zu vereinfachen, schreiben wir $S=\sin v$ +und erhalten zusammenfassend +\begin{equation} +\begin{aligned} +X^2 +&= +\frac{1-S^2}{S^2} +\\ +Y^2 +&= +\frac{-3S^2+4S-1}{S^2}. +\end{aligned} +\end{equation} +Daraus kann man jetzt die Summen und Differenzen der Quadrate +berechnen, sie sind +\begin{equation} +\begin{aligned} +X^2+Y^2 +&= +\frac{-4S^2+4S}{S^2} += +\frac{4S(1-S)}{S^2} += +\frac{4(1-S)}{S} += +4\frac{1-S}{S} +\\ +X^2-Y^2 +&= +\frac{2-4S+2S^2}{S^2} += +\frac{2(1-S)^2}{S^2} += +2\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2. +\end{aligned} +\end{equation} +Die Berechnung des Quadrates von $X^2+Y^2$ ergibt die Gleichung +\[ +(X^2+Y^2)^2 += +16 +\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2 += +8 \cdot 2 +\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2 += +2\cdot 2^2\cdot (X^2-Y^2). +\] +Sie ist eine Lemniskaten-Gleichung für $a=2$. + +% +% Bogenlänge der Lemniskate +% \subsection{Bogenlänge} Die Funktionen \begin{equation} -x(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, +x(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, \quad -y(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} +y(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} \label{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} \end{equation} erfüllen @@ -91,7 +271,7 @@ r^4 = (x(r)^2 + y(r)^2)^2, \end{align*} -sie stellen also eine Parametrisierung der Lemniskate dar. +sie stellen also eine Parametrisierung der Standard-Lemniskate dar. Mit Hilfe der Parametrisierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} kann man die Länge $s$ des in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} @@ -101,9 +281,9 @@ Kettenregel berechnen kann: \begin{align*} \dot{x}(r) &= -\frac{\sqrt{1+r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1+r^2}}{\!\sqrt{2}} + -\frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} +\frac{r^2}{\!\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} &&\Rightarrow& \dot{x}(r)^2 &= @@ -111,13 +291,13 @@ Kettenregel berechnen kann: \\ \dot{y}(r) &= -\frac{\sqrt{1-r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1-r^2}}{\!\sqrt{2}} - \frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1-r^2}} &&\Rightarrow& \dot{y}(r)^2 &= -\frac{1-r^2}{2} -r^2 + \frac{r^4}{2(1-r^2)} +\frac{1-r^2}{2} -r^2 + \frac{r^4}{2(1-r^2)}. \end{align*} Die Summe der Quadrate ist \begin{align*} @@ -136,7 +316,7 @@ Durch Einsetzen in das Integral für die Bogenlänge bekommt man s(r) = \int_0^r -\frac{1}{\sqrt{1-t^4}}\,dt. +\frac{1}{\!\sqrt{1-t^4}}\,dt. \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} \end{equation} @@ -149,11 +329,11 @@ $k^2=-1$ oder $k=i$ ist \[ K(r,i) = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-i^2 t^2)}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-i^2 t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{1-t^4}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{1-t^4}} = s(r). \] @@ -180,6 +360,13 @@ $\varpi/2$. % Bogenlängenparametrisierung % \subsection{Bogenlängenparametrisierung} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf} +\caption{Parametrisierung der Lemniskate mit Jacobischen elliptischen +Funktion wie in \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara}} +\end{figure} Die Lemniskate mit der Gleichung \[ (X^2+Y^2)^2=2(X^2-Y^2) @@ -188,7 +375,7 @@ Die Lemniskate mit der Gleichung kann mit Jacobischen elliptischen Funktionen parametrisiert werden. Dazu schreibt man -\[ +\begin{equation} \left. \begin{aligned} X(t) @@ -201,11 +388,23 @@ Y(t) \operatorname{cn}(t,k) \operatorname{sn}(t,k) \end{aligned} \quad\right\} -\qquad\text{mit $k=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}$} -\] -und berechnet die beiden Seiten der definierenden Gleichung der -Lemniskate. -Zunächst ist +\qquad\text{mit $k=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}.$} +\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +\end{equation} +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara} zeigt die +Parametrisierung. +Dem Parameterwert $t=0$ entspricht der Scheitelpunkt +$S=(\!\sqrt{2},0)$ der Lemniskate. + +% +% Lemniskatengleichung +% +\subsubsection{Verfikation der Lemniskatengleichung} +Dass \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +tatsächlich eine Parametrisierung ist, kann dadurch nachgewiesen werden, +dass man die beiden Seiten der definierenden Gleichung der +Lemniskate berechnet. +Zunächst sind die Quadrate von $X(t)$ und $Y(t)$ \begin{align*} X(t)^2 &= @@ -215,8 +414,8 @@ X(t)^2 Y(t)^2 &= \operatorname{cn}(t,k)^2 -\operatorname{sn}(t,k)^2 -\\ +\operatorname{sn}(t,k)^2. +\intertext{Für Summe und Differenz der Quadrate findet man jetzt} X(t)^2+Y(t)^2 &= 2\operatorname{cn}(t,k)^2 @@ -248,54 +447,49 @@ X(t)^2-Y(t)^2 \bigr) \\ &= -2\operatorname{cn}(t,k)^4 -\\ +2\operatorname{cn}(t,k)^4. +\intertext{Beide lassen sich also durch $\operatorname{cn}(t,k)^2$ +ausdrücken. +Zusammengefasst erhält man} \Rightarrow\qquad (X(t)^2+Y(t)^2)^2 &= 4\operatorname{cn}(t,k)^4 = -2(X(t)^2-Y(t)^2). +2(X(t)^2-Y(t)^2), \end{align*} +eine Lemniskaten-Gleichung. + +% +% Berechnung der Bogenlänge +% +\subsubsection{Berechnung der Bogenlänge} Wir zeigen jetzt, dass dies tatsächlich eine Bogenlängenparametrisierung der Lemniskate ist. Dazu berechnen wir die Ableitungen \begin{align*} \dot{X}(t) &= -\sqrt{2}\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{dn}(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{dn}(t,k) + -\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{dn}'(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{dn}'(t,k) \\ &= --\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{dn}(t,k)^2 +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{dn}(t,k)^2 -\frac12\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{cn}(t,k)^2 \\ &= --\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\bigl( +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\bigl( 1-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 -+{\textstyle\frac12}-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(u,t)^2 ++{\textstyle\frac12}-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 \bigr) \\ &= -\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k) \bigl( {\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 \bigr) \\ -\dot{X}(t)^2 -&= -2\operatorname{sn}(t,k)^2 -\bigl( -{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 -\bigr)^2 -\\ -&= -{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 -- -6\operatorname{sn}(t,k)^4 -+2\operatorname{sn}(t,k)^6 -\\ \dot{Y}(t) &= \operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{sn}(t,k) @@ -310,6 +504,19 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen \\ &= \operatorname{dn}(t,k)\bigl(1-2\operatorname{sn}(t,k)^2\bigr) +\intertext{und davon die Quadrate} +\dot{X}(t)^2 +&= +2\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigl( +{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr)^2 +\\ +&= +{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 +- +6\operatorname{sn}(t,k)^4 ++2\operatorname{sn}(t,k)^6 \\ \dot{Y}(t)^2 &= @@ -319,25 +526,28 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen &= 1-{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 +6\operatorname{sn}(t,k)^4 --2\operatorname{sn}(t,k)^6 -\\ +-2\operatorname{sn}(t,k)^6. +\intertext{Für das Bogenlängenintegral wird die Quadratsumme der Ableitungen +benötigt, diese ist} \dot{X}(t)^2 + \dot{Y}(t)^2 &= 1. -\end{align*} -Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den Parameterwerten $0$ und $s$ -\[ -\int_0^s -\sqrt{\dot{X}(t)^2 + \dot{Y}(t)^2} -\,dt -= -\int_0^s\,dt +\intertext{Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den +Parameterwerten $0$ und $t$} +\int_0^t +\sqrt{\dot{X}(\tau)^2 + \dot{Y}(\tau)^2} +\,d\tau +&= +\int_0^s\,d\tau = -s, -\] -der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter, man darf also -$s=t$ schreiben. +t, +\end{align*} +der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter. +% +% Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate +% +\subsubsection{Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate} Die mit dem Faktor $1/\sqrt{2}$ skalierte Standard-Lemniskate mit der Gleichung \[ @@ -345,19 +555,31 @@ Gleichung \] hat daher eine Bogenlängenparametrisierung mit \begin{equation} +\left. \begin{aligned} x(t) &= -\phantom{\frac{1}{\sqrt{2}}} -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)\operatorname{dn}(\sqrt{2}t,k) +\phantom{\frac{1}{\!\sqrt{2}}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k) \\ y(t) &= -\frac{1}{\sqrt{2}}\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)\operatorname{sn}(\sqrt{2}t,k) +\frac{1}{\!\sqrt{2}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k) \end{aligned} +\quad +\right\} +\qquad +\text{mit $\displaystyle k=\frac{1}{\!\sqrt{2}}.$} \label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} \end{equation} +Der Punkt $t=0$ entspricht dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$ der Lemniskate. +Der Parameter misst also die Bogenlänge entlang der Lemniskate ausgehend +vom Scheitel. +% +% der lemniskatische Sinus und Kosinus +% \subsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} Der Sinus berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des Kreises, er ist die Umkehrfunktion der Funktion, die der Gegenkathete @@ -365,42 +587,100 @@ die Bogenlänge zuordnet. Daher ist es naheliegend, die Umkehrfunktion von $s(r)$ in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} den {\em lemniskatischen Sinus} zu nennen mit der Bezeichnung -$r=\operatorname{sl} s$. +\index{lemniskatischer Sinus}% +\index{Sinus, lemniskatischer}% +$r=r(s)=\operatorname{sl} s$. +\index{komplementäre Bogenlänge} +% +% die komplementäre Bogenlänge +% +\subsubsection{Die komplementäre Bogenlänge} Der Kosinus ist der Sinus des komplementären Winkels. Auch für die lemniskatische Bogenlänge $s(r)$ lässt sich eine -komplementäre Bogenlänge definieren, nämlich die Bogenlänge zwischen -dem Punkt $(x(r), y(r))$ und $(1,0)$. -Da die Bogenlänge zwischen $(0,0)$ und $(1,0)$ in -in \eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet wurde. -ist sie $\varpi/2-s$. +komplementäre Bogenlänge $t$ definieren, nämlich die Bogenlänge +zwischen dem Punkt $(x(r), y(r))$ und dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$. +Dies ist der Parameter der Parametrisierung +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} +des vorangegangenen Abschnittes. +Die Bogenlänge zwischen $O=(0,0)$ und $S=(1,0)$ wurde in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet, +sie ist $\varpi/2$. +Damit folgt für die beiden Parameter $s$ und $t$ die Beziehung +$t = \varpi/2 - s$. + +\subsubsection{Der lemniskatische Kosinus} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf} +\caption{ +Lemniskatischer Sinus und Kosinus sowie Sinus und Kosinus +mit derart skaliertem Argument, dass die Funktionen die +gleichen Nullstellen haben. +\label{buch:elliptisch:figure:slcl}} +\end{figure} Der {\em lemniskatische Kosinus} ist daher -$\operatorname{cl}(s) = \operatorname{sl}(\varpi/2-s)$ +$\operatorname{cl}(s) = \operatorname{sl}(\varpi/2-s)$. Graphen des lemniskatische Sinus und Kosinus sind in -Abbildung~\label{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. -Da die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} -eine Bogenlängenparametrisierung ist, darf man $t=s$ schreiben. -Dann kann man aber auch $r(s)$ daraus berechnen, -es ist +Die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} +ist eine Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate. +Man kann sie verwenden, um $r(t)$ zu berechnen. +Es ist \[ -r(s)^2 +r(t)^2 = -x(s)^2 + y(s)^2 +x(t)^2 + y(t)^2 += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 +\biggl( +\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 ++ +\frac12 +\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 +\biggr) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2. +\] +Die Wurzel ist +\[ +r(t) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,{\textstyle\frac{1}{\!\sqrt{2}}}) +. +\] +Der lemniskatische Sinus wurde aber in Abhängigkeit von +$s=\varpi/2-t$ mittels +\[ +\operatorname{sl}s = -\operatorname{cn}(s\sqrt{2},k)^2 -\qquad\Rightarrow\qquad r(s) = -\operatorname{cn}(s\sqrt{2},k) +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}(\varpi/2-s),k)^2 \] +definiert. +Der lemniskatische Kosinus ist definiert als der lemniskatische Sinus +\index{lemniskatischer Kosinus}% +\index{Kosinus, lemniskatischer}% +der komplementären Bogenlänge, also +\[ +\operatorname{cl}(s) += +\operatorname{sl}(\varpi/2-s) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)^2. +\] +Die Funktion $\operatorname{sl}(s)$ und $\operatorname{cl}(s)$ sind +in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. +Sie sind beide $2\varpi$-periodisch. +Die Abbildung zeigt ausserdem die Funktionen $\sin (\pi s/\varpi)$ +und $\cos(\pi s/\varpi)$, die ebenfalls $2\varpi$-periodisch sind. + +Die Darstellung des lemniskatischen Sinus und Kosinus durch die +Jacobische elliptische Funktion $\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)$ +zeigt einmal mehr den Nutzen der Jacobischen elliptischen Funktionen. + + + -\begin{figure} -\centering -\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf} -\caption{ -Lemniskatischer Sinus und Kosinus sowie Sinus und Kosinus -mit derart skaliertem Argument, dass die Funktionen die gleichen Nullstellen -haben. -\label{buch:elliptisch:figure:slcl}} -\end{figure} |