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diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc new file mode 100644 index 0000000..0ca1392 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc @@ -0,0 +1,11 @@ +# +# Makefile.inc -- Makefile dependencies for chapter 11 +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ + chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex \ + chapters/110-elliptisch/jacobi.tex \ + chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex \ + chapters/110-geometrie/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex new file mode 100644 index 0000000..4f74408 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex @@ -0,0 +1,30 @@ +% +% chapter.tex -- Beschreibung des Inhaltes +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +% !TeX spellcheck = de_CH +\chapter{Elliptische Funktionen +\label{buch:chapter:geometrie}} +\lhead{Elliptische Funktionen} +\rhead{} + +Der Versuch, die Länge eines Ellipsenbogens zu berechnen, hat +in Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +zu Integralen geführt, die nicht in geschlossener Form ausgewertet +werden können. +Neben den dort gefundenen Integralen sind noch weitere, ähnlich +aufgebaute Integrale in dieser Familie zu finden. + +\input{chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/jacobi.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex} + +%\section*{Übungsaufgaben} +%\rhead{Übungsaufgaben} +%\aufgabetoplevel{chapters/020-exponential/uebungsaufgaben} +%\begin{uebungsaufgaben} +%\uebungsaufgabe{0} +%\uebungsaufgabe{1} +%\end{uebungsaufgaben} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex new file mode 100644 index 0000000..1e35616 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex @@ -0,0 +1,181 @@ +% +% ellintegral.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Elliptische Integrale +\label{buch:elliptisch:section:integral}} +\rhead{Elliptisches Integral} +Bei der Berechnung des Ellipsenbogens in +Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +sind wir auf ein Integral gestossen, welches sich nicht in geschlossener +Form ausdrücken liess. +Um solche Integrale in den Griff zu bekommen, ist es nötig, sie als +neue spezielle Funktionen zu definieren. + +\subsection{Definition +\label{buch:elliptisch:subsection:definition}} +Ein elliptisches Integral ist ein Integral der Form +\begin{equation} +\int R\left( x, \sqrt{p(x)}\right)\,dx +\label{buch:elliptisch:def:allgemein} +\end{equation} +wobei $R(x,y)$ eine rationale Funktion von zwei Variablen ist und +$p(x)$ ein Polynom dritten oder vierten Grades. +Hätte $p(x)$ ein mehrfache Nullstelle $x_0$, müsste es durch $(x-x_0)^2$ +teilbar sein, man könnte also einen Faktor $(x-x_0)$ aus der +Wurzel im Integraneden von \eqref{buch:elliptisch:def:allgemein} +ausklammern und damit das Integral in eine Form bringen, wo $p(x)$ +höchstens zweiten Grades ist. +Solche Integrale lassen sich meistens mit trigonometrischen Substitutionen +berechnen. +Wir verlangen daher, dass $p(x)$ keine mehrfachen Nullstellen hat. + +Man kann zeigen, dass sich elliptische Integrale in Summen von +elementaren Funktionen und speziellen elliptischen Integralen +der folgenden Form überführen lassen. + +\begin{definition} +\label{buch:elliptisch:def:integrale123} +Die elliptischen Integrale erster, zweiter und dritter Art sind die +Integrale +\[ +\begin{aligned} +\text{1.~Art:}&&& +\int \frac{dx}{\sqrt{(1-x^2)(1-k^2x^2)}} +\\ +\text{2.~Art:}&&& +\int \sqrt{\frac{1-k^2x^2}{1-x^2}}\,dx +\\ +\text{3.~Art:}&&& +\int \frac{dx}{(1-nx^2)\sqrt{(1-x^2)(1-k^2x^2)}} +\end{aligned} +\] +mit $0<k<1$. +Es ist auch üblich, den Parameter $m=k^2$ zu verwenden. +\end{definition} + +Wie gesagt lassen sich für diese unbestimmten Integrale keine +geschlossenen Formen finden. +Es bleibt uns daher nichts anderes übrig, als die Integralgrenzen +festzulegen und damit eine Stammfunktion auszuwählen. + +% +% Elliptisches Integral +% +\subsection{Vollständige elliptische Integrale +\label{buch:elliptisch:subsection:vollstaendig}} +In diesem Abschnitt legen wir beide Integrationsgrenzen fest und +untersuchen die entstehenenden Funktionen von den Parametern +$k$ und $n$. + +\subsubsection{Definition der vollständigen elliptischen Integrale} +Da der Nenner in allen drei elliptischen Integralen eine Nullstelle +bei $\pm1$ hat, kann das Integral nur von $0$ bis $1$ erstreckt werden. + +\begin{definition} +\label{buch:elliptisch:def:vollstintegrale123} +Die vollständigen elliptischen Integrale erster, zweiter und dritter +Art sind +\[ +\begin{aligned} +\text{1.~Art:}&& +K(k)&=\int_0^1 \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} \\ +\text{2.~Art:}&& +E(k)&=\int_0^1 \sqrt{\frac{1-k^2t^2}{1-t^2}}\,dt \\ +\text{3.~Art:}&& +\Pi(n, k)&=\int_0^1\frac{dt}{(1-nt^2)\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} +\end{aligned} +\] +mit $0<k<1$. +\end{definition} + +Die Funktionen hängen stetig von $k$ ab. +Die Nullstellen des Faktors $1-k^2x^2$ liegen ausserhalb des +Integrationsintervalls und spielen daher keine Rolle. +Die Werte von $K(k)$ und $E(k)$ für $k=0$ können direkt berechnet +werden: +\begin{align*} +K(0) += +E(0) +&= +\int_0^1 \frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}=\frac{\pi}2. +\end{align*} +Das Integral $\Pi(n,0)$ ist etwas komplizierter. + +Für $k\to 1$ ist $E(k)=1$, die Integrale $K(1)$ und $\Pi(n,1)$ +sind dagegen divergent. + +\subsubsection{Jacobi- und Legendre-Normalform} +Die Integrationsvariable $t$ der vollständigen elliptischen Integrale +kann durch die Substitution $t=\sin\varphi$ durch die Variable +$\varphi$ und das Integral über das Intervall $[0,1]$ durch ein +Integral über das Intervall $[0,\frac{\pi}2]$ ersetzt werden. +Mit +\[ +\frac{dt}{d\varphi} = \cos\varphi = \sqrt{1-\sin^2\varphi} +\] +können die Funktionen $K(k)$, $E(k)$ und $\Pi(n,k)$ auch als +\begin{align*} +K(k) +&= +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{ +\sqrt{1-\sin^2\varphi}\,d\varphi +}{ +\sqrt{(1-\sin^2\varphi)(1-k^2\sin^2\varphi)} +} += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{d\varphi}{\sqrt{1-k^2\sin^2\varphi}} +\\ +E(k) +&= +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sqrt{\frac{1-k^2\sin^2\varphi}{1-\sin^2\varphi}}(1-\sin^2\varphi)\,d\varphi += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sqrt{1-k^2\sin^2\varphi}\,d\varphi +\\ +\Pi(n,k) +&= +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{ +\sqrt{1-\sin^2\varphi}\,d\varphi +}{ +(1-n\sin^2\varphi)\sqrt{(1-\sin^2\varphi)(1-k^2\sin^2\varphi)} +} += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{ +d\varphi +}{ +(1-n\sin^2\varphi)\sqrt{1-k^2\sin^2\varphi} +} +\end{align*} +Diese Form wird auch die {\em Legendre-Normalform} der vollständigen +\index{Legendre-Normalform}% +elliptischen Integrale genannt, während die Form von +Definition~\ref{buch:elliptisch:def:vollstintegrale123} +die {\em Jacobi-Normalform} heisst. +\index{Jacobi-Normalform}% + + +\subsubsection{Komplementäre Integrale} +XXX Komplementäre Integrale \\ + +\subsubsection{Ableitung} +XXX Ableitung \\ +XXX Stammfunktion \\ + +\subsection{Unvollständige elliptische Integrale} +XXX Vollständige und Unvollständige Integrale \\ +XXX Additionstheoreme \\ +XXX Parameterkonventionen \\ + +\subsection{Potenzreihe} +XXX Potenzreihen \\ +XXX Als hypergeometrische Funktionen \\ + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..ef2e6fc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile @@ -0,0 +1,10 @@ +# +# Makefile -- make images +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +all: lemniskate.pdf + +lemniskate.pdf: lemniskate.tex + pdflatex lemniskate.tex + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..063a3e1 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex new file mode 100644 index 0000000..f74a81f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex @@ -0,0 +1,46 @@ +% +% lemniskate.tex -- Lemniskate +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{4} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\draw[color=red,line width=1.0pt] + plot[domain=-45:45,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); +\draw[color=red,line width=1.0pt] + plot[domain=135:225,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); + +\def\a{18} +\def\b{39} + +\draw[->,color=blue,line width=1pt] (0,0) -- (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}); + +\draw[color=red,line width=2.0pt] + plot[domain=45:\a,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); + +\draw[->] (-1.5,0) -- (1.5,0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-0.7) -- (0,0.7) coordinate[label={right:$y$}]; + +\fill[color=white] (1,0) circle[radius=0.02]; +\draw (1,0) circle[radius=0.02]; +\fill[color=white] (-1,0) circle[radius=0.02]; +\draw (-1,0) circle[radius=0.02]; + +\node[color=blue] at (\a:{0.6*sqrt(2*cos(2*\a))}) [below] {$r$}; +\node[color=red] at ({\b}:{sqrt(2*cos(2*\b))}) [above] {$s$}; + +\fill[color=white] (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}) circle[radius=0.02]; +\draw[color=red] (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}) circle[radius=0.02]; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex new file mode 100644 index 0000000..d3e5d62 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex @@ -0,0 +1,30 @@ +% +% jacobi.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Jacobisch elliptische Funktionen +\label{buch:elliptisch:section:jacobi}} +\rhead{Jacobische elliptische Funktionen} + +\subsection{Elliptische Funktionen als Trigonometrie} +% based on Willliam Schwalm, Elliptic functions and elliptic integrals +XXX als elliptische Integrale \\ +XXX algebraische Beziehungen \\ +XXX Additionstheoreme \\ +XXX Perioden +% use https://math.stackexchange.com/questions/3013692/how-to-show-that-jacobi-sine-function-is-doubly-periodic + +\subsection{Elliptische Funktionen und elliptische Integrale} +XXX Ableitungen \\ +XXX Werte \\ + +\subsection{Lösungen von Differentialgleichungen} +XXX Differentialgleichung \\ +XXX Mathematisches Pendel \\ + +\subsection{Soliton-Lösungen der Sinus-Gordon-Gleichung} + +\subsection{Nichtlineare Differentialgleichung vierter Ordnung} +XXX Möbius-Transformation \\ +XXX Reduktion auf die Differentialgleichung elliptischer Funktionen diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex new file mode 100644 index 0000000..d4ad019 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -0,0 +1,171 @@ +% +% lemniskate.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Lemniskatischer Sinus +\label{buch:elliptisch:section:lemniskate}} +\rhead{Lemniskatischer Sinus} +Historisch war der {\em lemniskatische Sinus} die erste ellptische +Funktion, die Gauss bereits als 19-jähriger untersucht, aber nicht +veröffentlich hat. +In diesem Abschnitt soll die Verbindung zu den Jacobischen +elliptischen Funktionen hergestellt werden. + +\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 Lemniskate von Bernoulli ist die Kurve vierten Grades mit der Gleichung +\begin{equation} +(x^2+y^2)^2 = 2a^2(x^2-y^2). +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +\end{equation} +Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} +dargestellt. +Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $x=\pm a/\sqrt{2}$. + +In Polarkoordinaten $x=r\cos\varphi$ und $y=r\sin\varphi$ +gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +\begin{equation} +r^4 += +2a^2r^2(\cos^2\varphi-\sin^2\varphi) += +2a^2r^2\cos2\varphi +\qquad\Rightarrow\qquad +r^2 = 2a^2\cos 2\varphi +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatepolar} +\end{equation} +als Darstellung der Lemniskate in Polardarstellung. +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. + +Für die Definition des lemniskatischen Sinus wird eine Skalierung +verwendet, die den rechten Scheitel im Punkt $(1,0)$. +Dies ist der Fall für $a=1/\sqrt{2}$, die Gleichung der Lemniskate +wird dann zu +\[ +(x^2+y^2)^2 = 2(x^2-y^2). +\] + +\subsubsection{Bogelänge} +Die Funktionen +\begin{equation} +x(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, +\quad +y(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} +\label{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} +\end{equation} +erfüllen +\begin{align*} +x(r)^2-y(r)^2 +&= +\frac{r^2(1+r^2)}{2}-\frac{r^2(1-r^2)}{2} +\\ +& += +r^4 += +(x(r)^2 + y(r)^2)^2, +\end{align*} +sie stellen also eine Parametrisierung der Lemniskate dar. + +Mit Hilfe der Parametrsierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} +kann man die Länge $s$ des in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} +dargestellten Bogens der Lemniskate berechnen. +Dazu benötigt man die Ableitungen nach $r$, die man mit der Produkt- und +Kettenregel berechnen kann: +\begin{align*} +\dot{x}(r) +&= +\frac{\sqrt{1+r^2}}{\sqrt{2}} ++ +\frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} +&&\Rightarrow& +\dot{x}(r)^2 +&= +\frac{1+r^2}{2} +r^2 + \frac{r^4}{2(1+r^2)} +\\ +\dot{y}(r) +&= +\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)} +\end{align*} +Die Summe der Quadrate ist +\begin{align*} +\dot{x}(r)^2 + \dot{y}(r)^2 +&= +1 + r^4\frac{1-r^2+1+r^2}{2(1+r^2)(1-r^2)} += +1+r^4\frac{2}{2(1-r^4)} += +\frac{1-r^4+r^4}{1-r^4} += +\frac1{1-r^4}. +\end{align*} +Durch Einsetzen in das Integral für die Bogenlänge bekommt man +\begin{equation} +s(r) += +\int_0^r +\frac{1}{\sqrt{1-t^4}}\,dt. +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} +\end{equation} + +\subsubsection{Darstellung als elliptisches Integral} +Das unvollständige elliptische Integral erster Art mit Parameter +$m=-1$ ist +\[ +F(r,-1) += +\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} += +\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{1-t^4}} += +s(r). +\] +Der lemniskatische Sinus ist also eine Umkehrfunktion des +ellptischen Integrals erster Art für einen speziellen Wert des +Parameters $m$ + +\subsubsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} +Berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des Kreises. +Daher ist es naheliegend, die Umkehrfunktion von $s(r)$ in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} +den {\em lemniskatischen Sinus} zu nennen mit der Bezeichnung +$r=\operatorname{sl} s$. + +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 $(1,0)$. +Die Länge des rechten Blattes der Lemniskate wird mit $\varpi$ bezeichnet +und hat den numerischen Wert +\[ +\varphi += +2\int_0^1\sqrt{\frac{1}{1-t^4}}\,dt += +2.6220575542. +\] +Lemniskatenbogens zwischen dem Nullpunkt und $(1,0)$ hat die Länge +$\varpi/2$. + +Der {\em lemniskatische Kosinus} von $s$ ist derjenige Radiuswert $r$, +für den der Lemniskatenbogen zwischen $(x(r), y(r))$ und $(1,0)$ +die Länge $s$ hat. + + +XXX Algebraische Beziehungen \\ +XXX Ableitungen \\ |