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-rw-r--r-- | buch/papers/laguerre/definition.tex | 216 |
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diff --git a/buch/papers/laguerre/definition.tex b/buch/papers/laguerre/definition.tex index 5f6d8bd..61549e0 100644 --- a/buch/papers/laguerre/definition.tex +++ b/buch/papers/laguerre/definition.tex @@ -3,46 +3,196 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Definition -\label{laguerre:section:definition}} -\rhead{Definition} +\section{Herleitung% + % \section{Einleitung + % \section{Definition + \label{laguerre:section:definition}} +\rhead{Definition}% +In einem ersten Schritt möchten wir die Laguerre-Polynome +aus der Laguerre-\-Differentialgleichung herleiten. +Zudem werden wir die Lösung auf die assoziierten Laguerre-Polynome ausweiten. +Im Anschluss soll dann noch die Orthogonalität dieser Polynome bewiesen werden. +\subsection{Assoziierte Laguerre-Differentialgleichung} +Die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung ist gegeben durch \begin{align} - x y''(x) + (1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:dgl} +x y''(x) + (\nu + 1 - x) y'(x) + n y(x) += +0 +, \quad +n \in \mathbb{N} +, \quad +x \in \mathbb{R} +\label{laguerre:dgl} +. \end{align} +Spannenderweise wurde die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung +zuerst von Yacovlevich Sonine (1849 - 1915) beschrieben, +aber aufgrund ihrer Ähnlichkeit nach Laguerre benannt. +Die klassische Laguerre-Diffentialgleichung erhält man, wenn $\nu = 0$. +\subsection{Potenzreihenansatz% +\label{laguerre:subsection:potenzreihenansatz}} +Hier wird die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung verwendet, +weil die Lösung mit derselben Methode berechnet werden kann. +Zusätzlich erhält man aber die Lösung für den allgmeinen Fall. +Wir stellen die Vermutung auf, +dass die Lösungen orthogonale Polynome sind. +Die Orthogonalität der Lösung werden wir im +Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:orthogonal} beweisen. +Zur Lösung von \eqref{laguerre:dgl} verwenden wir aufgrund +der getroffenen Vermutungen einen Potenzreihenansatz. +Der Potenzreihenansatz ist gegeben als +% Da wir bereits wissen, +% dass die Lösung orthogonale Polynome sind, +% erscheint dieser Ansatz sinnvoll. +\begin{align*} +y(x) + & = +\sum_{k=0}^\infty a_k x^k +% \\ +. +\end{align*} +Für die 1. und 2. Ableitungen erhalten wir +\begin{align*} +y'(x) + & = +\sum_{k=1}^\infty k a_k x^{k-1} += +\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +\\ +y''(x) + & = +\sum_{k=2}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2} += +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^{k-1} +. +\end{align*} + +\subsection{Lösen der Laguerre-Differentialgleichung} +Setzt man nun den Potenzreihenansatz in +\eqref{laguerre:dgl} +%die Differentialgleichung +ein, +% erhält man +resultiert +\begin{align*} +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^k ++ +(\nu + 1)\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +- +\sum_{k=0}^\infty k a_k x^k ++ +n \sum_{k=0}^\infty a_k x^k + & = +0 \\ +\sum_{k=1}^\infty +\left[ (k+1) k a_{k+1} + (\nu + 1)(k+1) a_{k+1} - k a_k + n a_k \right] x^k + & = +0. +\end{align*} +Daraus lässt sich die Rekursionsbeziehung \begin{align} - L_n(x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n \\ - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} +a_{k+1} + & = +\frac{k-n}{(k+1) (k + \nu + 1)} a_k +\label{laguerre:rekursion} \end{align} - +ableiten. +Für ein konstantes $n$ erhalten wir als Potenzreihenlösung ein Polynom vom Grad +$n$, +denn für $k=n$ wird $a_{n+1} = 0$ und damit auch $a_{n+2}=a_{n+3}=\ldots=0$. +Aus %der Rekursionsbeziehung +\eqref{laguerre:rekursion} ist zudem ersichtlich, +dass $a_0 \neq 0$ beliebig gewählt werden kann. +Wählen wir nun $a_0 = 1$, dann folgt für die Koeffizienten +% $a_1, a_2, a_3$ +\begin{align*} +a_1 += +-\frac{n}{1 \cdot (\nu + 1)} +, & & +a_2 += +\frac{(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)} +, & & +a_3 += +-\frac{(n-2)(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)(\nu + 3)} +\end{align*} +und allgemein +\begin{align*} +k + & \leq +n: + & +a_k + & = +(-1)^k \frac{n!}{(n-k)!} \frac{1}{k!(\nu + 1)_k} += +\frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} +\\ +k & >n: + & +a_k + & = +0 +. +\end{align*} +Die Koeffizienten wechseln also für $k \leq n$ das Vorzeichen. +Somit erhalten wir für $\nu = 0$ die Laguerre-Polynome \begin{align} - x y''(x) + (\alpha + 1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:generell_dgl} +L_n(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +\label{laguerre:polynom} \end{align} - +und mit $\nu \in \mathbb{R}$ die assoziierten Laguerre-Polynome \begin{align} - L_n^\alpha (x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n + \alpha \\ - n - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} +L_n^\nu(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} x^k. +\label{laguerre:allg_polynom} \end{align} +Die Laguerre-Polynome von Grad $0$ bis $7$ sind in +Abbildung~\ref{laguerre:fig:polyeval} dargestellt. +\begin{figure} +\centering +% \scalebox{0.8}{\input{papers/laguerre/images/laguerre_poly.pgf}} +\includegraphics[width=0.9\textwidth]{papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf} +\caption{Laguerre-Polynome vom Grad $0$ bis $7$} +\label{laguerre:fig:polyeval} +\end{figure} + +\subsection{Analytische Fortsetzung} +Durch die analytische Fortsetzung können wir zudem noch die zweite Lösung der +Differentialgleichung erhalten. +Laut \eqref{buch:funktionentheorie:singularitäten:eqn:w1} hat die Lösung +die Form +\begin{align*} +\Xi_n(x) += +L_n(x) \log(x) + \sum_{k=1}^\infty d_k x^k +. +\end{align*} +Eine Herleitung dazu lässt sich im +Abschnitt \ref{buch:funktionentheorie:subsection:dglsing} +im ersten Teil des Buches finden. +Nach einigen aufwändigen Rechnungen, +% die am besten ein Computeralgebrasystem übernimmt, +die den Rahmen dieses Kapitels sprengen würden, +erhalten wir +\begin{align*} +\Xi_n += +L_n(x) \log(x) ++ +\sum_{k=1}^n \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} +(\alpha_{n-k} - \alpha_n - 2 \alpha_k)x^k ++ +(-1)^n \sum_{k=1}^\infty \frac{(k-1)!n!}{((n+k)!)^2} x^{n+k}, +\end{align*} +wobei $\alpha_0 = 0$ und $\alpha_k =\sum_{i=1}^k i^{-1}$, +$\forall k \in \mathbb{N}$. +% https://www.math.kit.edu/iana1/lehre/hm3phys2012w/media/laguerre.pdf +% http://www.physics.okayama-u.ac.jp/jeschke_homepage/E4/kapitel4.pdf |