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diff --git a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex new file mode 100644 index 0000000..567bbcc --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex @@ -0,0 +1,186 @@ +\section{Jacobische elliptische Funktionen} + +Für das elliptische Filter werden, wie es der Name bereits deutet, elliptische Funktionen gebraucht. +Wie die trigonometrischen Funktionen Zusammenhänge eines Kreises darlegen, beschreiben die elliptischen Funktionen Ellipsen. +Es ist daher naheliegend, dass Kosinus des Tschebyscheff-Filters mit einem elliptischen Pendant ausgetauscht werden könnte. +Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht. + +Die Jacobi elliptischen Funktionen werden ausführlich im Kapitel \ref{buch:elliptisch:section:jacobi} behandelt. +Im Wesentlichen erweitern die Jacobi elliptischen Funktionen die trigonometrische Funktionen für Ellipsen. +Zum Beispiel gibt es analog zum Sinus den elliptischen $\sn(z, k)$. +Im Gegensatz zum den trigonometrischen Funktionen haben die elliptischen Funktionen zwei parameter. +Den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert und das Winkelargument $z$. +Im Kreis ist der Radius für alle Winkel konstant, bei Ellipsen ändert sich das. +Dies hat zur Folge, dass bei einer Ellipse die Kreisbogenlänge nicht linear zum Winkel verläuft. +Darum kann hier nicht der gewohnte Winkel verwendet werden. +Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art +\begin{equation} + z + = + F(\phi, k) + = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } +\end{equation} +mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung gebracht werden. + +Dabei wird das vollständige und unvollständige Elliptische integral unterschieden. +Beim vollständigen Integral +\begin{equation} + K(k) + = + \int_{0}^{\pi / 2} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } +\end{equation} +wird über ein viertel Ellipsenbogen integriert, also bis $\phi=\pi/2$ und liefert das Winkelargument für eine Vierteldrehung. +Die Zahl wird oft auch abgekürzt mit $K = K(k)$ und ist für das elliptische Filter sehr relevant. +Alle elliptischen Funktionen sind somit $4K$-periodisch. + +Neben dem $\sn$ gibt es zwei weitere basis-elliptische Funktionen $\cn$ und $\dn$. +Dazu kommen noch weitere abgeleitete Funktionen, die durch Quotienten und Kehrwerte dieser Funktionen zustande kommen. +Insgesamt sind es die zwölf Funktionen +\begin{equation*} + \sn \quad + \ns \quad + \scelliptic \quad + \sd \quad + \cn \quad + \nc \quad + \cs \quad + \cd \quad + \dn \quad + \nd \quad + \ds \quad + \dc. +\end{equation*} + +Die Jacobischen elliptischen Funktionen können mit der inversen Funktion des kompletten elliptischen Integrals erster Art +\begin{equation} + \phi = F^{-1}(z, k) +\end{equation} +definiert werden. Dabei ist zu beachten dass nur das $z$ Argument der Funktion invertiert wird, also +\begin{equation} + z = F(\phi, k) + \Leftrightarrow + \phi = F^{-1}(z, k). +\end{equation} +Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem Elliptischen integral dargestellt werden: +\begin{equation} + \sin(\phi) + = + \sin \left( F^{-1}(z, k) \right) + = + \sn(z, k) + = + w. +\end{equation} + +% \begin{equation} %TODO remove unnecessary equations +% \phi +% = +% F^{-1}(z, k) +% = +% \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) +% = +% \sin^{-1} ( w ) +% \end{equation} + +% \begin{equation} +% F(\phi, k) +% = +% z +% = +% F( \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) , k) +% = +% F( \sin^{-1} ( w ), k) +% \end{equation} + +% \begin{equation} +% \sn^{-1}(w, k) +% = +% F(\phi, k), +% \quad +% \phi = \sin^{-1}(w) +% \end{equation} + +Beim Tschebyscheff-Filter konnten wir mit Betrachten des Arcuscosinus die Funktionalität erklären. +Für das Elliptische Filter machen wir die gleiche Betrachtung mit der $\sn^{-1}$-Funktion. +Der $\sn^{-1}$ ist durch das elliptische Integral +\begin{align} + \sn^{-1}(w, k) + & = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + }, + \quad + \phi = \sin^{-1}(w) + \\ + & = + \int_{0}^{w} + \frac{ + dt + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } +\end{align} +beschrieben. +Dazu betrachten wir wieder den Integranden +\begin{equation} + \frac{ + 1 + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + }. +\end{equation} +Beim $\cos^{-1}(x)$ haben wir gesehen, dass die analytische Fortsetzung bei $x < -1$ und $x > 1$ rechtwinklig in die Komplexen zahlen wandert. +Wenn man das Gleiche mit $\sn^{-1}(w, k)$ macht, erkennt man zwei interessante Stellen. +Die erste ist die gleiche wie beim $\cos^{-1}(x)$ nämlich bei $t = \pm 1$. +Der erste Term unter der Wurzel wird dann negativ, während der zweite noch positiv ist, da $k \leq 1$. +Ab diesem Punkt knickt die Funktion in die imaginäre Richtung ab. +Bei $t = 1/k$ ist auch der zweite Term negativ und die Funktion verläuft in die negative reelle Richtung. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:sn} zeigt den Verlauf der Funktion in der komplexen Ebene. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex} + \caption{ + $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$. + Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch. + } + \label{ellfilter:fig:sn} +\end{figure} +In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch, wobei $K^\prime$ das komplementäre vollständige Elliptische Integral ist: +\begin{equation} + K^\prime(k) + = + \int_{0}^{\pi / 2} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-{k^\prime}^2 \sin^2 \theta + } + }, + \quad + k^\prime = \sqrt{1-k^2}. +\end{equation} |