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diff --git a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex new file mode 100644 index 0000000..55d2276 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex @@ -0,0 +1,186 @@ +% +% eigenschaften.tex +% +% (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule +% +\subsection{Orthogonalität% +\label{laguerre:subsection:orthogonal}} +\rhead{Orthogonalität}% +Im Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:potenzreihenansatz} +haben wir die Behauptung aufgestellt, +dass die Laguerre-Polynome orthogonal sind. +Zu dieser Behauptung möchten wir nun einen Beweis liefern. +% +Um die Orthogonalität von Funktionen zu zeigen, +bieten sich folgende Möglichkeiten an: +\begin{enumerate} +\item Identifizieren der Funktion als Eigenfunktion eines Skalarproduktes +mit einem selbstadjungierten Operator. +Dafür muss aber zuerst bewiesen werden, +dass der verwendete Operator selbstadjungiert ist. +Die Theorie dazu findet sich in den +Abschnitten~\ref{buch:orthogonal:section:orthogonale-polynome-und-dgl} und +\ref{buch:orthogonalitaet:section:bessel}. +\item Umformen der Differentialgleichung in die Form der +Sturm-Liouville-Differentialgleichung, +denn für dieses verallgemeinerte Problem +ist die Orthogonalität bereits bewiesen. +Die Theorie dazu findet sich im Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}. +\end{enumerate} + +% \subsubsection{Plan} +\subsubsection{Idee} +Für den Beweis der Orthogonalität der Laguerre-Polynome möchten +wir den zweiten Ansatz über das Sturm-Liouville-Problem verwenden. +% Dazu müssen wir die Laguerre-Differentialgleichung~\eqref{laguerre:dgl} +% in die Form der Sturm-Liouville-Differentialgleichung bringen. +Allerdings möchten wir nicht die Laguerre-Differentialgleichung +in die richtige Form bringen, +sondern den Laguerre-Operator +\begin{align} +\Lambda += +x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:lagop} +. +\end{align} +Da es sich beim Sturm-Liouville-Problem um ein Eigenwertproblem handelt, +kann die Orthogonalität äquivalent über denn Sturm-Liouville-Operator +\begin{align} +S += +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +\label{laguerre:slop} +\end{align} +bewiesen werden. +Dazu müssen wir die Operatoren einander gleichsetzen. + +% Wenn wir \eqref{laguerre:dgl} in ein +% Sturm-Liouville-Problem umwandeln können, haben wir bewiesen, dass es sich +% bei den Laguerre-Polynomen um orthogonale Polynome handelt (siehe +% Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}). +% Der Beweis kann äquivalent auch über den Sturm-Liouville-Operator +% \begin{align} +% S +% = +% \frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +% \label{laguerre:slop} +% \end{align} +% und den Laguerre-Operator +% \begin{align} +% \Lambda +% = +% x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +% \end{align} +% erhalten werden, +% indem wir diese Operatoren einander gleichsetzen. + +\subsubsection{Umformen in Sturm-Liouville-Operator} +% Aus der Beziehung von +Setzen wir nun +\eqref{laguerre:lagop} und \eqref{laguerre:slop} +einander gleich +\begin{align} +S + & = +\Lambda +\nonumber +\\ +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right) + & = +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:sl-lag} +\end{align} +lässt sich sofort erkennen, dass $q(x) = 0$. +Ausserdem ist ersichtlich, dass $p(x)$ die Differentialgleichung +\begin{align*} +x \frac{dp}{dx} += +-(\nu + 1 - x) p +\end{align*} +erfüllen muss. +Durch Separation erhalten wir dann +\begin{align*} +\int \frac{dp}{p} + & = +-\int \frac{\nu + 1 - x}{x} \, dx += +-\int \frac{\nu + 1}{x} \, dx - \int 1\, dx +\\ +\log p + & = +-(\nu + 1)\log x - x + c +\\ +p(x) + & = +-C x^{\nu + 1} e^{-x} +. +\end{align*} +Eingefügt in Gleichung~\eqref{laguerre:sl-lag} ergibt sich +\begin{align*} +\frac{C}{w(x)} +\left( +x^{\nu+1} e^{-x} \frac{d^2}{dx^2} + +(\nu + 1 - x) x^{\nu} e^{-x} \frac{d}{dx} +\right) += +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx}. +\end{align*} +Mittels Koeffizientenvergleich kann nun abgelesen werden, +dass $w(x) = x^\nu e^{-x}$ und $C=1$ mit $\nu > -1$. +Die Gewichtsfunktion $w(x)$ wächst für $x\rightarrow-\infty$ sehr schnell an, +deshalb ist die Laguerre-Gewichtsfunktion nur geeignet für den +Definitionsbereich $(0, \infty)$. + +\subsubsection{Randbedingungen} +Bleibt nur noch sicherzustellen, dass die Randbedingungen, +\begin{align} +k_0 y(0) + h_0 p(0)y'(0) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randa} +\\ +k_\infty y(\infty) + h_\infty p(\infty) y'(\infty) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randb} +\end{align} +mit $|k_i|^2 + |h_i|^2 \neq 0,\,\forall i \in \{0, \infty\}$, erfüllt sind. +% +Am linken Rand \eqref{laguerre:sllag_randa} kann $y(0) = 1$, $k_0 = 0$ und +$h_0 = 1$ verwendet werden, +was auch die Laguerre-Polynome ergeben haben. + +Für den rechten Rand ist die Bedingung \eqref{laguerre:sllag_randb} +\begin{align*} +\lim_{x \rightarrow \infty} p(x) y'(x) + & = +\lim_{x \rightarrow \infty} -x^{\nu + 1} e^{-x} y'(x) += +0 +\end{align*} +für beliebige Polynomlösungen erfüllt für $k_\infty=0$ und $h_\infty=1$. + +% Somit können wir schlussfolgern: +\begin{satz} +Die Laguerre-Polynome %($\nu=0$) +\eqref{laguerre:polynom} +% \begin{align*} +% L_n(x) +% = +% \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +% \end{align*} +sind orthognale Polynome bezüglich des Skalarproduktes +im Intervall~$(0, \infty)$ mit der Gewichts\-funktion~$w(x)=e^{-x}$. +\end{satz} + +\begin{satz} +Die assoziierten Laguerre-Polynome \eqref{laguerre:allg_polynom} +% \begin{align*} +% L_n^\nu(x) +% = +% \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} x^k. +% \end{align*} +sind orthogonale Polynome bezüglich des Skalarproduktes +im Intervall~$(0, \infty)$ mit der Gewichts\-funktion~$w(x)=x^\nu e^{-x}$. +\end{satz} |