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diff --git a/buch/papers/laguerre/definition.tex b/buch/papers/laguerre/definition.tex index 4729a93..61549e0 100644 --- a/buch/papers/laguerre/definition.tex +++ b/buch/papers/laguerre/definition.tex @@ -3,38 +3,58 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Definition +\section{Herleitung% + % \section{Einleitung + % \section{Definition \label{laguerre:section:definition}} -\rhead{Definition} -Die verallgemeinerte Laguerre-Differentialgleichung ist gegeben durch +\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) + (\nu + 1 - x) y'(x) + n y(x) = 0 , \quad -n \in \mathbb{N}_0 +n \in \mathbb{N} , \quad x \in \mathbb{R} \label{laguerre:dgl} . \end{align} -Spannenderweise wurde die verallgemeinerte Laguerre-Differentialgleichung +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 $\nu = 0$. -Hier wird die verallgemeinerte Laguerre-Differentialgleichung verwendet, + +\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. -Zur Lösung von \eqref{laguerre:dgl} verwenden wir einen -Potenzreihenansatz. -Da wir bereits wissen, dass die Lösung orthogonale Polynome sind, -erscheint dieser Ansatz sinnvoll. -Setzt man nun den Ansatz +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} @@ -46,8 +66,16 @@ 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*} -in die Differentialgleichung ein, erhält man + +\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 + @@ -64,18 +92,21 @@ n \sum_{k=0}^\infty a_k x^k 0. \end{align*} Daraus lässt sich die Rekursionsbeziehung -\begin{align*} +\begin{align} a_{k+1} & = \frac{k-n}{(k+1) (k + \nu + 1)} a_k -\end{align*} +\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 ist zudem ersichtlich, +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 $a_1, a_2, a_3$ +Wählen wir nun $a_0 = 1$, dann folgt für die Koeffizienten +% $a_1, a_2, a_3$ \begin{align*} a_1 = @@ -105,8 +136,10 @@ k & >n: & a_k & = -0. +0 +. \end{align*} +Die Koeffizienten wechseln also für $k \leq n$ das Vorzeichen. Somit erhalten wir für $\nu = 0$ die Laguerre-Polynome \begin{align} L_n(x) @@ -114,7 +147,7 @@ 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 verallgemeinerten Laguerre-Polynome +und mit $\nu \in \mathbb{R}$ die assoziierten Laguerre-Polynome \begin{align} L_n^\nu(x) = @@ -132,22 +165,27 @@ Abbildung~\ref{laguerre:fig:polyeval} dargestellt. \end{figure} \subsection{Analytische Fortsetzung} -Durch die analytische Fortsetzung erhalten wir zudem noch die zweite Lösung der -Differentialgleichung mit der Form +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) \ln(x) + \sum_{k=1}^\infty d_k x^k +L_n(x) \log(x) + \sum_{k=1}^\infty d_k x^k . \end{align*} -Nach einigen aufwändigen Rechnungen, +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 Kapitel sprengen würden, +die den Rahmen dieses Kapitels sprengen würden, erhalten wir \begin{align*} \Xi_n = -L_n(x) \ln(x) +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 diff --git a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex index 4adbe86..b007c2d 100644 --- a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex @@ -3,32 +3,83 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Orthogonalität - \label{laguerre:section:orthogonal}} -Im Abschnitt~\ref{laguerre:section:definition} +\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. -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 +% +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} -S +\Lambda = -\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). -\label{laguerre:slop} +x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:lagop} +. \end{align} -und den Laguerre-Operator +Da es sich beim Sturm-Liouville-Problem um ein Eigenwertproblem handelt, +kann die Orthogonalität äquivalent über denn Sturm-Liouville-Operator \begin{align} -\Lambda +S = -x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +\label{laguerre:slop} \end{align} -erhalten werden, -indem wir diese Operatoren einander gleichsetzen. -Aus der Beziehung +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 & = @@ -39,48 +90,52 @@ S & = 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 +(\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}{x} \, dx = --\int \frac{\nu + 1}{x} \, dx - \int 1\, dx +\int \frac{\nu + 1}{x} \, dx - \int 1\, dx \\ \log p & = --(\nu + 1)\log x - x + c +(\nu + 1)\log x - x + c \\ p(x) & = --C x^{\nu + 1} e^{-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} + +-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 $(0, \infty)$. -Bleibt nur noch sicherzustellen, dass die Randbedingungen, +Mittels Koeffizientenvergleich kann nun abgelesen werden, +dass $w(x) = x^\nu e^{-x}$ und $C=-1$. %mit $\nu \geq 0$. +Die Gewichtsfunktion $w(x)$ wächst für $x\rightarrow-\infty$ sehr schnell an. +Ausserdem hat die Gewichtsfunktion $w(x)$ für negative $\nu$ einen Pol bei $x=0$, +daher ist die Laguerre-Gewichtsfunktion nur für den +Definitionsbereich $(0, \infty)$ geeignet. + +\subsubsection{Randbedingungen} +Bleibt nur noch sicherzustellen, dass die Randbedingungen \begin{align} k_0 y(0) + h_0 p(0)y'(0) & = @@ -93,10 +148,12 @@ k_\infty y(\infty) + h_\infty p(\infty) y'(\infty) \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 (Gleichung~\eqref{laguerre:sllag_randa}) kann $y(0) = 1$, $k_0 = -0$ und $h_0 = 1$ verwendet werden, +% +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 (Gleichung~\eqref{laguerre:sllag_randb}) + +Für den rechten Rand ist die Bedingung \eqref{laguerre:sllag_randb} \begin{align*} \lim_{x \rightarrow \infty} p(x) y'(x) & = @@ -105,9 +162,27 @@ Für den rechten Rand ist die Bedingung (Gleichung~\eqref{laguerre:sllag_randb}) 0 \end{align*} für beliebige Polynomlösungen erfüllt für $k_\infty=0$ und $h_\infty=1$. -Damit können wir schlussfolgern: -Die verallgemeinerten Laguerre-Polynome sind orthogonal -bezüglich des Skalarproduktes auf dem Intervall $(0, \infty)$ -mit der verallgemeinerten Laguerre\--Gewichtsfunktion $w(x)=x^\nu e^{-x}$. -Die Laguerre-Polynome ($\nu=0$) sind somit orthognal im Intervall $(0, \infty)$ -mit der Gewichtsfunktion $w(x)=e^{-x}$. + +% 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} diff --git a/buch/papers/laguerre/gamma.tex b/buch/papers/laguerre/gamma.tex index 2e5fc06..0cf17b9 100644 --- a/buch/papers/laguerre/gamma.tex +++ b/buch/papers/laguerre/gamma.tex @@ -3,17 +3,34 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Anwendung: Berechnung der Gamma-Funktion +\section{Anwendung: Berechnung der + Gamma-Funktion% \label{laguerre:section:quad-gamma}} +\rhead{Approximation der Gamma-Funktion}% Die Gauss-Laguerre-Quadratur kann nun verwendet werden, -um exponentiell abfallende Funktionen im Definitionsbereich $(0, \infty)$ zu -berechnen. -Dabei bietet sich z.B. die Gamma-Funkion hervorragend an, +um exponentiell abfallende Funktionen im Definitionsbereich~$(0, \infty)$ +zu berechnen. +Dabei bietet sich zum Beispiel die Gamma-Funktion hervorragend an, wie wir in den folgenden Abschnitten sehen werden. -\subsection{Gamma-Funktion} +Im ersten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gamma} möchten wir noch einmal +die wichtigsten Eigenschaften der Gamma-Funktion betrachten, +bevor wir dann im zweiten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma} +diese Eigenschaften nutzen werden, +damit wir die Gauss-Laguerre-Quadratur für die Gamma-Funktion +markant verbessern können. +% damit wir sie dann in einem nächsten Schritt verwenden können, +% um unsere Approximationsmethode zu verbessern +% Im zweiten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma} +% wenden wir dann die Gauss-Laguerre-Quadratur auf die Gamma-Funktion und +% erweitern die Methode + +\subsection{Gamma-Funktion% +\label{laguerre:subsection:gamma}} Die Gamma-Funktion ist eine Erweiterung der Fakultät auf die reale und komplexe Zahlenmenge. +Mehr Informationen zur Gamma-Funktion lassen sich im +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:gamma} finden. Die Definition~\ref{buch:rekursion:def:gamma} beschreibt die Gamma-Funktion als Integral der Form \begin{align} @@ -22,24 +39,30 @@ Integral der Form \int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx , \quad -\text{wobei Realteil von $z$ grösser als $0$} +\text{wobei } \operatorname{Re}(z) > 0 \label{laguerre:gamma} . \end{align} -Der Term $e^{-t}$ im Integranden und der Integrationsbereich erfüllen -genau die Bedingungen der Laguerre-Integration. +Der Term $e^{-x}$ im Integranden und der Integrationsbereich erfüllen +genau die Bedingungen der Gauss-Laguerre-Integration. % Der Term $e^{-t}$ ist genau die Gewichtsfunktion der Laguerre-Integration und % der Definitionsbereich passt ebenfalls genau für dieses Verfahren. -Weiter zu erwähnen ist, dass für die verallgemeinerte Laguerre-Integration die -Gewichtsfunktion $t^\nu e^{-t}$ exakt dem Integranden für $\nu=z-1$ entspricht. +Weiter zu erwähnen ist, dass für die assoziierte Gauss-Laguerre-Integration die +Gewichtsfunktion $x^\nu e^{-x}$ exakt dem Integranden +für $\nu = z - 1$ entspricht. \subsubsection{Funktionalgleichung} Die Gamma-Funktion besitzt die gleiche Rekursionsbeziehung wie die Fakultät, nämlich \begin{align} +\Gamma(z+1) += z \Gamma(z) +\quad +\text{mit } +\Gamma(1) = -\Gamma(z+1) +1 . \label{laguerre:gamma_funktional} \end{align} @@ -61,21 +84,65 @@ her. Dadurch lassen Werte der Gamma-Funktion sich für $z$ in der rechten Halbebene leicht in die linke Halbebene übersetzen und umgekehrt. -\subsection{Berechnung mittels Gauss-Laguerre-Quadratur} +\subsection{Berechnung mittels +Gauss-Laguerre-Quadratur% +\label{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma}} In den vorherigen Abschnitten haben wir gesehen, -dass sich die Gamma-Funktion bestens für die Gauss-Laguerre-Quadratur eignet. +dass sich die Gamma-Funktion bestens für die Gauss-Laguerre-Quadratur +\begin{align*} +\int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx += +\int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +\approx +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i +\end{align*} +eignet. Nun bieten sich uns zwei Optionen, diese zu berechnen: \begin{enumerate} -\item Wir verwenden die verallgemeinerten Laguerre-Polynome, dann $f(x)=1$. -\item Wir verwenden die Laguerre-Polynome, dann $f(x)=x^{z-1}$. +\item Wir verwenden die assoziierten Laguerre-Polynome $L_n^\nu(x)$ mit +$w(x) = x^\nu e^{-x}$, $\nu = z - 1$ und $f(x) = 1$. +% $f(x)=1$. +% \begin{align*} +% \int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +% = +% \int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +% \quad +% \text{mit } +% w(x) +% = +% x^\nu e^{-x}, +% \nu +% = +% z - 1 +% \text{ und } +% f(x) = 1 +% . +% \end{align*} +\item Wir verwenden die Laguerre-Polynome $L_n(x)$ mit +$w(x) = e^{-x}$ und $f(x) = x^{z - 1}$. +% $f(x)=x^{z-1}$ +% \begin{align*} +% \int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +% = +% \int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +% \quad +% \text{mit } +% w(x) +% = +% e^{-x} +% \text{ und } +% f(x) = x^{z - 1} +% . +% \end{align*} \end{enumerate} Die erste Variante wäre optimal auf das Problem angepasst, allerdings müssten die Gewichte und Nullstellen für jedes $z$ neu berechnet werden, da sie per Definition von $z$ abhängen. Dazu kommt, -dass die Berechnung der Gewichte $A_i$ nach \cite{laguerre:Cassity1965AbcissasCA} +dass die Berechnung der Gewichte $A_i$ nach +\cite{laguerre:Cassity1965AbcissasCA} \begin{align*} A_i = @@ -103,6 +170,18 @@ Somit entscheiden wir uns aufgrund der vorherigen Punkte, die zweite Variante weiterzuverfolgen. \subsubsection{Direkter Ansatz} +% +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Relativer Fehler des direkten Ansatzes +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Grade $n$ der +Laguerre-Polynome}% +\label{laguerre:fig:rel_error_simple} +\end{figure} +%. Wenden wir also die Gauss-Laguerre-Quadratur aus \eqref{laguerre:laguerrequadratur} auf die Gamma-Funktion \eqref{laguerre:gamma} an, @@ -110,20 +189,10 @@ ergibt sich \begin{align} \Gamma(z) \approx -\sum_{i=1}^n x_i^{z-1} A_i. +\sum_{i=1}^n x_i^{z-1} A_i \label{laguerre:naive_lag} +. \end{align} - -\begin{figure} -\centering -% \input{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pgf} -\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf} -%\vspace{-12pt} -\caption{Relativer Fehler des direkten Ansatzes -für verschiedene reele Werte von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} -\label{laguerre:fig:rel_error_simple} -\end{figure} - Bevor wir die Gauss-Laguerre-Quadratur anwenden, möchten wir als ersten Schritt eine Fehlerabschätzung durchführen. Für den Fehlerterm \eqref{laguerre:lag_error} wird die $2n$-te Ableitung @@ -146,7 +215,7 @@ R_n , \label{laguerre:gamma_err_simple} \end{align} -wobei $\xi$ ein geeigneter Wert im Interval $(0, \infty)$ ist +wobei $\xi$ ein geeigneter Wert im Intervall $(0, \infty)$ ist und $n$ der Grad des verwendeten Laguerre-Polynoms. Eine Fehlerabschätzung mit dem Fehlerterm stellt sich als unnütz heraus, da $R_n$ für $z < 2n - 1$ bei $\xi \rightarrow 0$ eine Singularität aufweist @@ -154,8 +223,8 @@ und für $z > 2n - 1$ bei $\xi \rightarrow \infty$ divergiert. Nur für den unwahrscheinlichen Fall $ z = 2n - 1$ wäre eine Fehlerabschätzung plausibel. -Wenden wir nun also direkt die Gauss-Laguerre-Quadratur auf die Gamma-Funktion -an. +Wenden wir nun also direkt die Gauss-Laguerre-Quadratur +auf die Gamma-Funktion an. Dazu benötigen wir die Gewichte nach \eqref{laguerre:quadratur_gewichte} und als Stützstellen die Nullstellen des Laguerre-Polynomes $L_n$. @@ -163,18 +232,17 @@ Evaluieren wir den relativen Fehler unserer Approximation zeigt sich ein Bild wie in Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_simple}. Man kann sehen, wie der relative Fehler Nullstellen aufweist für ganzzahlige $z \leq 2n$. -Laut der Theorie der Gauss-Quadratur auch ist das zu erwarten, +Laut der Theorie der Gauss-Quadratur ist das auch zu erwarten, da die Approximation via Gauss-Quadratur -exakt ist für zu integrierende Polynome mit Grad $\leq 2n-1$ -und hinzukommt, -dass zudem von $z$ noch $1$ abgezogen wird im Exponenten. +exakt ist für zu integrierende Polynome mit Grad $\leq 2n-1$ und +der Integrand $x^{z-1}$ wird für $z \in \mathbb{N} \setminus \{0\}$ +zu einem Polynom . +% Hinzukommt, dass zudem von $z$ noch $1$ abgezogen wird im Exponenten. Es ist ersichtlich, -dass sich für den Polynomgrad $n$ ein Interval gibt, +dass sich für den Polynomgrad $n$ ein Intervall gibt, in dem der relative Fehler minimal ist. Links steigt der relative Fehler besonders stark an, während er auf der rechten Seite zu konvergieren scheint. -Um die linke Hälfte in den Griff zu bekommen, -könnten wir die Reflektionsformel der Gamma-Funktion ausnutzen. \begin{figure} \centering @@ -182,10 +250,12 @@ könnten wir die Reflektionsformel der Gamma-Funktion ausnutzen. \includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_mirror.pdf} %\vspace{-12pt} \caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit Spiegelung negativer Realwerte -für verschiedene reele Werte von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} \label{laguerre:fig:rel_error_mirror} \end{figure} +Um die linke Hälfte in den Griff zu bekommen, +könnten wir die Reflektionsformel der Gamma-Funktion verwenden. Spiegelt man nun $z$ mit negativem Realteil mittels der Reflektionsformel, ergibt sich ein stabilerer Fehler in der linken Hälfte, wie in Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_mirror}. @@ -203,9 +273,10 @@ das Problem in den Griff zu bekommen. \subsubsection{Analyse des Integranden} Wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, scheint der Integrand problematisch. -Darum möchten wir jetzt den Integranden analysieren, -um ihn besser verstehen zu können und -dadurch geeignete Gegenmassnahmen zu entwickeln. +Darum möchten wir ihn jetzt analysieren, +damit wir ihn besser verstehen können. +Dies sollte es uns ermöglichen, +anschliessend geeignete Gegenmassnahmen zu entwickeln. % Dieser Abschnitt soll eine grafisches Verständnis dafür schaffen, % wieso der Integrand so problematisch ist. @@ -245,16 +316,17 @@ dass kleine Exponenten um $0$ genauere Resultate liefern sollten. In Abbildung~\ref{laguerre:fig:integrand_exp} fügen wir die Dämpfung der Gewichtsfunktion $w(x)$ der Gauss-Laguerre-Quadratur wieder hinzu -und erhalten so wieder den kompletten Integranden $x^{z-1} e^{-x}$ +und erhalten so wieder den kompletten Integranden $x^{z} e^{-x}$ der Gamma-Funktion. Für negative $z$ ergeben sich immer noch Singularitäten, wenn $x \rightarrow 0$. -Um $1$ wächst der Term $x^z$ schneller als die Dämpfung $e^{-x}$, +Um $x = 1$ wächst der Term $x^z$ für positive $z$ +schneller als die Dämpfung $e^{-x}$, aber für $x \rightarrow \infty$ geht der Integrand gegen $0$. Das führt zu glockenförmigen Kurven, die für grosse Exponenten $z$ nach der Stelle $x=1$ schnell anwachsen. Zu grosse Exponenten $z$ sind also immer noch problematisch. -Kleine positive $z$ scheinen nun also auch zulässig zu sein. +Kleine positive $z$ scheinen nun aber auch zulässig zu sein. Damit formulieren wir die Vermutung, dass $a(n)$, welches das Intervall $[a(n), a(n) + 1]$ definiert, @@ -263,7 +335,7 @@ grösser als $0$ und kleiner als $2n-1$ ist. \subsubsection{Ansatz mit Verschiebungsterm} % Mittels der Funktionalgleichung \eqref{laguerre:gamma_funktional} -% kann der Wert von $\Gamma(z)$ im Interval $z \in [a,a+1]$, +% kann der Wert von $\Gamma(z)$ im Intervall $z \in [a,a+1]$, % in dem der relative Fehler minimal ist, % evaluiert werden und dann mit der Funktionalgleichung zurückverschoben werden. Nun stellt sich die Frage, @@ -322,28 +394,15 @@ s(z, m) \cdot (z - 2n)_{2n} \frac{(n!)^2}{(2n)!} \xi^{z + m - 2n - 1} \label{laguerre:gamma_err_shifted} . \end{align} - +% \begin{figure} \centering \includegraphics{papers/laguerre/images/targets.pdf} % %\vspace{-12pt} -\caption{$a$ in Abhängigkeit von $z$ und $n$} +\caption{$m^*$ in Abhängigkeit von $z$ und $n$} \label{laguerre:fig:targets} \end{figure} -% wobei ist -% mit $z^*(n) \in \mathbb{R}$ wollen wir finden, -% in dem wir den Fehlerterm \eqref{laguerre:lag_error} anpassen -% und in einem nächsten Schritt minimieren. -% Zudem nehmen wir an, -% dass $z < z^*(n)$ ist. -% Wir fügen einen Verschiebungsterm um $m \in \mathbb{N}$ Stellen ein, -% daraus folgt % -% Damit wir den idealen Verschiebungsterm $m^*$ finden können, -% müssen wir mittels des Fehlerterms \eqref{laguerre:gamma_err_shifted} -% ein Optimierungsproblem -% -% Das Optimierungsproblem daraus lässt sich als Daraus formulieren wir das Optimierungproblem \begin{align*} m^* @@ -361,9 +420,10 @@ nur wirklich praktisch sinnvoll für kleine $n$ ist, können die Intervalle $[a(n), a(n)+1]$ empirisch gesucht werden. Wir bestimmen nun die optimalen Verschiebungsterme empirisch -für $n = 2,\ldots, 12$ im Intervall $z \in (0, 1)$, -da $z$ sowieso um den Term $m$ verschoben wird, -reicht die $m^*$ nur in diesem Intervall zu analysieren. +für $n = 1,\ldots, 12$ im Intervall $z \in (0, 1)$, +da $z$ sowieso mit den Term $m$ verschoben wird, +reicht es, +die $m^*$ nur in diesem Intervall zu analysieren. In Abbildung~\ref{laguerre:fig:targets} sind die empirisch bestimmten $m^*$ abhängig von $z$ und $n$ dargestellt. In $n$-Richtung lässt sich eine klare lineare Abhängigkeit erkennen und @@ -382,7 +442,7 @@ Den linearen Regressor = \alpha n + \beta \end{align*} -machen wir nur abhängig von $n$ +machen wir nur abhängig von $n$, in dem wir den Mittelwert $\overline{m}$ von $m^*$ über $z$ berechnen. \begin{figure} @@ -395,8 +455,8 @@ in dem wir den Mittelwert $\overline{m}$ von $m^*$ über $z$ berechnen. \end{figure} In Abbildung~\ref{laguerre:fig:schaetzung} sind die Resultate -der linearen Regression aufgezeigt mit $\alpha = 1.34094$ und $\beta = -0.854093$. +der linearen Regression aufgezeigt mit $\alpha = 1.34154$ und $\beta = +0.848786$. Die lineare Beziehung ist ganz klar ersichtlich und der Fit scheint zu genügen. Der optimale Verschiebungsterm kann nun mit \begin{align*} @@ -413,8 +473,8 @@ gefunden werden. In einem ersten Schritt möchten wir analysieren, wie gut die Abschätzung des optimalen Verschiebungsterms ist. Dazu bestimmen wir den relativen Fehler für verschiedene Verschiebungsterme $m$ -rund um $m^*$ bei gegebenem Polynomgrad $n = 8$ für $z \in (0, 1)$. -Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_shifted} sind die relativen Fehler +in der Nähe von $m^*$ bei gegebenem Polynomgrad $n = 8$ für $z \in (0, 1)$. +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_shifted} sind die relativen Fehler der Approximation dargestellt. Man kann deutlich sehen, dass der relative Fehler anwächst, @@ -428,7 +488,7 @@ dann beim Übergang auf die orange Linie wechselt. \includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_shifted.pdf} %\vspace{-12pt} \caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit Verschiebungsterm -für verschiedene reele Werte von $z$ und Verschiebungsterme $m$. +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Verschiebungsterme $m$. Das verwendete Laguerre-Polynom besitzt den Grad $n = 8$. $m^*$ bezeichnet hier den optimalen Verschiebungsterm.} \label{laguerre:fig:rel_error_shifted} @@ -467,7 +527,7 @@ Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_range}. \includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_range.pdf} %\vspace{-12pt} \caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit optimalen Verschiebungsterm -für verschiedene reele Werte von $z$ und Laguerre-Polynome vom Grad $n$} +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Laguerre-Polynome vom Grad $n$} \label{laguerre:fig:rel_error_range} \end{figure} @@ -512,21 +572,36 @@ H_k(z) \frac{(-1)^k (-z)_k}{(z+1)_k} \end{align*} mit $H_0 = 1$ und $\sum_0^n g_k = 1$ (siehe \cite{laguerre:lanczos}). -Diese Methode wurde zum Beispiel in -{\em GNU Scientific Library}, {\em Boost}, {\em CPython} und +Diese Methode wurde zum Beispiel in +{\em GNU Scientific Library}, {\em Boost}, {\em CPython} und {\em musl} implementiert. -Diese Methode erreicht für $n = 7$ typischerweise Genauigkeit von $13$ -korrekten, signifikanten Stellen für reele Argumente. -Zum Vergleich: die vorgestellte Methode erreicht für $n = 7$ -eine minimale Genauigkeit von $6$ korrekten, signifikanten Stellen -für reele Argumente. -Das Resultat ist etwas enttäuschend, -aber nicht unerwartet, -da die Lanczos-Methode spezifisch auf dieses Problem zugeschnitten ist und +Diese Methode erreicht für $n = 7$ typischerweise eine Genauigkeit von $13$ +korrekten, signifikanten Stellen für reelle Argumente. +Zum Vergleich: die vorgestellte Methode erreicht für $n = 7$ +eine minimale Genauigkeit von $6$ korrekten, signifikanten Stellen +für reelle Argumente. + +\subsubsection{Fazit} +% Das Resultat ist etwas enttäuschend, +Die Genauigkeit der vorgestellten Methode schneidet somit schlechter ab +als die Lanczos-Methode. +Dieser Erkenntnis kommt nicht ganz unerwartet, +% aber nicht unerwartet, +da die Lanczos-Methode spezifisch auf dieses Problem zugeschnitten ist und unsere Methode eine erweiterte allgemeine Methode ist. -Was die Komplexität der Berechnungen im Betrieb angeht, -ist die Gauss-Laguerre-Quadratur wesentlich ressourcensparender, -weil sie nur aus $n$ Funktionsevaluationen, -wenigen Multiplikationen und Additionen besteht. +Allerdings besticht die vorgestellte Methode +durch ihre stark reduzierte Komplexität. % und Rechenaufwand. +% Was die Komplexität der Berechnungen im Betrieb angeht, +% ist die Gauss-Laguerre-Quadratur wesentlich ressourcensparender, +% weil sie nur aus $n$ Funktionsevaluationen, +% wenigen Multiplikationen und Additionen besteht. +Was den Rechenaufwand angeht, +benötigt die vorgestellte Methode, +für eine Genauigkeit von $n-1$ signifikanten Stellen, +nur $n$ Funktionsevaluationen +und wenige zusätzliche Multiplikationen und Additionen. Demzufolge könnte diese Methode Anwendung in Systemen mit wenig Rechenleistung -und/oder knappen Energieressourcen finden.
\ No newline at end of file +und/oder knappen Energieressourcen finden. +Die vorgestellte Methode ist ein weiteres Beispiel dafür, +wie Verfahren durch die Kenntnis der Eigenschaften einer Funktion +verbessert werden können.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf b/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf Binary files differindex bd995de..fe48f47 100644 --- a/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf +++ b/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf b/buch/papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf Binary files differindex 21278f5..f31d81d 100644 --- a/buch/papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf +++ b/buch/papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf b/buch/papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf Binary files differindex 3212e42..0072d28 100644 --- a/buch/papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf +++ b/buch/papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/targets.pdf b/buch/papers/laguerre/images/targets.pdf Binary files differindex 9514a6d..dc61c88 100644 --- a/buch/papers/laguerre/images/targets.pdf +++ b/buch/papers/laguerre/images/targets.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/main.tex b/buch/papers/laguerre/main.tex index 57a6560..133d686 100644 --- a/buch/papers/laguerre/main.tex +++ b/buch/papers/laguerre/main.tex @@ -8,24 +8,27 @@ \begin{refsection} \chapterauthor{Patrik Müller} -{\parindent0pt Die} Laguerre\--Polynome, -benannt nach Edmond Laguerre (1834 - 1886), -sind Lösungen der ebenfalls nach Laguerre benannten Differentialgleichung. -Laguerre entdeckte diese Polynome, als er Approximations\-methoden -für das Integral +{\parindent0pt Die} Laguerre\--Polynome, +benannt nach Edmond Laguerre (1834 -- 1886), +sind Lösungen der ebenfalls nach %Laguerre +ihm +benannten Differentialgleichung. +Laguerre entdeckte diese Polynome, als er Approximations\-methoden +für das Integral % $\int_0^\infty \exp(-x) / x \, dx $ \begin{align*} \int_0^\infty \frac{e^{-x}}{x} \, dx \end{align*} suchte. -Darum möchten wir uns in diesem Kapitel, +Darum möchten wir uns in diesem Kapitel, ganz im Sinne des Entdeckers, -den Laguerre-Polynomen für Approximationen von Integralen mit -exponentiell-abfallenden Funktionen widmen. +den Laguerre-Polynomen für Approximationen von Integralen mit +exponentiell abfallenden Funktionen widmen. Namentlich werden wir versuchen, mittels Laguerre-Polynomen und -der Gauss-Quadratur eine geeignete Approximation für die Gamma-Funktion zu finden. +der Gauss-Quadratur eine geeignete Approximation für die Gamma-Funktion zu +finden. -Laguerre-Polynome tauchen zudem auch in der Quantenmechanik im radialen Anteil +Laguerre-Polynome tauchen zudem auch in der Quantenmechanik im radialen Anteil der Lösung für die Schrödinger-Gleichung eines Wasserstoffatoms auf. \input{papers/laguerre/definition} diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.pdf b/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.pdf Binary files differdeleted file mode 100644 index 3d00de3..0000000 --- a/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.pdf +++ /dev/null diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex index ecd02ab..b5e1131 100644 --- a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex @@ -51,7 +51,7 @@ R_n(\xi) % \scalebox{0.91}{\input{../images/rel_error_simple.pgf}} % \resizebox{!}{0.72\textheight}{\input{../images/rel_error_simple.pgf}} \includegraphics[width=0.77\textwidth]{../images/rel_error_simple.pdf} -\caption{Relativer Fehler des einfachen Ansatzes für verschiedene reele Werte +\caption{Relativer Fehler des einfachen Ansatzes für verschiedene reelle Werte von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} \end{figure} @@ -163,7 +163,7 @@ da Gauss-Quadratur nur für kleine $n$ praktischen Nutzen hat} \alpha n + \beta \\ &\approx -1.34093 n + 0.854093 +1.34154 n + 0.848786 \\ m^* &= diff --git a/buch/papers/laguerre/quadratur.tex b/buch/papers/laguerre/quadratur.tex index a494362..0e32012 100644 --- a/buch/papers/laguerre/quadratur.tex +++ b/buch/papers/laguerre/quadratur.tex @@ -3,20 +3,21 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Gauss-Quadratur +\section{Gauss-Quadratur% \label{laguerre:section:quadratur}} +\rhead{Gauss-Quadratur}% Die Gauss-Quadratur ist ein numerisches Integrationsverfahren, welches die Eigenschaften von orthogonalen Polynomen verwendet. -Herleitungen und Analysen der Gauss-Quadratur können im +Herleitungen und Analysen der Gauss-Quadratur können im Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:section:gauss-quadratur} gefunden werden. Als grundlegende Idee wird die Beobachtung, dass viele Funktionen sich gut mit Polynomen approximieren lassen, verwendet. Stellt man also sicher, -dass ein Verfahren gut für Polynome funktioniert, +dass ein Verfahren gut für Polynome funktioniert, sollte es auch für andere Funktionen angemessene Resultate liefern. -Es wird ein Polynom verwendet, -welches an den Punkten $x_0 < x_1 < \ldots < x_n$ +Es wird ein Interpolationspolynom verwendet, +welches an den Punkten $x_0 < x_1 < \ldots < x_n$ die Funktionwerte~$f(x_i)$ annimmt. Als Resultat kann das Integral via einer gewichteten Summe der Form \begin{align} @@ -29,25 +30,35 @@ berechnet werden. Die Gauss-Quadratur ist exakt für Polynome mit Grad $2n -1$, wenn ein Interpolationspolynom von Grad $n$ gewählt wurde. -\subsection{Gauss-Laguerre-Quadratur +\subsection{Gauss-Laguerre-Quadratur% \label{laguerre:subsection:gausslag-quadratur}} Wir möchten nun die Gauss-Quadratur auf die Berechnung von uneigentlichen Integralen erweitern, -spezifisch auf das Interval $(0, \infty)$. +spezifisch auf das Intervall~$(0, \infty)$. Mit dem vorher beschriebenen Verfahren ist dies nicht direkt möglich. -Mit einer Transformation die das unendliche Intervall $(a, \infty)$ mit -\begin{align*} -x -= -a + \frac{1 - t}{t} -\end{align*} -auf das Intervall $[0, 1]$ transformiert, -kann dies behoben werden. -Für unseren Fall gilt $a = 0$. +% Mit einer Transformation +% \begin{align*} +% x +% = +% % a + +% \frac{1 - t}{t} +% \end{align*} +% die das unendliche Intervall~$(0, \infty)$ +% auf das Intervall~$[0, 1]$ transformiert, +% kann dies behoben werden. +% % Für unseren Fall gilt $a = 0$. Das Integral eines Polynomes in diesem Intervall ist immer divergent. -Darum müssen wir das Polynom mit einer Funktion multiplizieren, -die schneller als jedes Polynom gegen $0$ geht, -damit das Integral immer noch konvergiert. +Es ist also nötig, +den Integranden durch Funktionen zu approximieren, +die genügend schnell gegen $0$ gehen. +Man kann Polynome beliebigen Grades verwenden, +wenn sie mit einer Funktion multipliziert werden, +die schneller gegen $0$ geht als jedes Polynom. +Damit stellen wir sicher, +dass das Integral immer noch konvergiert. +% Darum müssen wir das Polynom mit einer Funktion multiplizieren, +% die schneller als jedes Polynom gegen $0$ geht, +% damit das Integral immer noch konvergiert. Die Laguerre-Polynome $L_n$ schaffen hier Abhilfe, da ihre Gewichtsfunktion $w(x) = e^{-x}$ schneller gegen $0$ konvergiert als jedes Polynom. @@ -55,20 +66,33 @@ gegen $0$ konvergiert als jedes Polynom. % $L_n$ ausweiten. % Diese sind orthogonal im Intervall $(0, \infty)$ bezüglich % der Gewichtsfunktion $e^{-x}$. -Die Gleichung~\eqref{laguerre:gaussquadratur} lässt sich wie folgt -umformulieren: +Um also das Integral einer Funktion $g(x)$ im Intervall~$(0,\infty)$ zu +berechen, +formt man das Integral wie folgt um: +\begin{align*} +\int_0^\infty g(x) \, dx += +\int_0^\infty f(x) e^{-x} \, dx +\end{align*} +Wir approximieren dann $f(x)$ durch ein Interpolationspolynom +wie bei der Gauss-Quadratur. +% Die Gleichung~\eqref{laguerre:gaussquadratur} lässt sich daher wie folgt +% umformulieren: +Die Gleichung~\eqref{laguerre:gaussquadratur} wird also +für die Gauss-Laguerre-Quadratur zu \begin{align} \int_{0}^{\infty} f(x) e^{-x} dx \approx \sum_{i=1}^{n} f(x_i) A_i \label{laguerre:laguerrequadratur} +. \end{align} \subsubsection{Stützstellen und Gewichte} Nach der Definition der Gauss-Quadratur müssen als Stützstellen die Nullstellen -des verwendeten Polynoms genommen werden. -Für das Laguerre-Polynom $L_n$ müssen demnach dessen Nullstellen $x_i$ und -als Gewichte $A_i$ die Integrale $l_i(x)e^{-x}$ verwendet werden. +des Approximationspolynoms genommen werden. +Für das Laguerre-Polynom $L_n(x)$ müssen demnach dessen Nullstellen $x_i$ und +als Gewichte $A_i$ die Integrale von $l_i(x) e^{-x}$ verwendet werden. Dabei sind \begin{align*} l_i(x_j) @@ -76,12 +100,12 @@ l_i(x_j) \delta_{ij} = \begin{cases} -1 & i=j \\ +1 & i=j \\ 0 & \text{sonst} \end{cases} % . \end{align*} -die Lagrangschen Interpolationspolynome. +die Lagrangeschen Interpolationspolynome. Laut \cite{laguerre:hildebrand2013introduction} können die Gewichte mit \begin{align*} A_i @@ -97,8 +121,11 @@ des orthogonalen Polynoms $\phi_n(x)$, $\forall i =0,\ldots,n$ und \int_0^\infty w(x) \phi_n^2(x)\,dx \end{align*} dem Normalisierungsfaktor. + Wir setzen nun $\phi_n(x) = L_n(x)$ und -nutzen den Vorzeichenwechsel der Laguerre-Koeffizienten aus, +nutzen den Vorzeichenwechsel der Laguerre-Koeffizienten +(ersichtlich am Term $(-1)^k$ in \eqref{laguerre:polynom}) +aus, damit erhalten wir \begin{align*} A_i @@ -122,39 +149,41 @@ Für Laguerre-Polynome gilt Daraus folgt \begin{align} A_i -&= + & = - \frac{1}{n L_{n-1}(x_i) L'_n(x_i)} -. \label{laguerre:gewichte_lag_temp} +. \end{align} Nun kann die Rekursionseigenschaft der Laguerre-Polynome +\cite{laguerre:hildebrand2013introduction} +% (siehe \cite{laguerre:hildebrand2013introduction}) \begin{align*} -x L'_n(x) -&= +x L'_n(x) + & = n L_n(x) - n L_{n-1}(x) \\ -&= (x - n - 1) L_n(x) + (n + 1) L_{n+1}(x) + & = (x - n - 1) L_n(x) + (n + 1) L_{n+1}(x) \end{align*} umgeformt werden und da $x_i$ die Nullstellen von $L_n(x)$ sind, -vereinfacht sich der Term zu +vereinfacht sich die Gleichung zu \begin{align*} x_i L'_n(x_i) -&= -- n L_{n-1}(x_i) + & = +- n L_{n-1}(x_i) \\ -&= - (n + 1) L_{n+1}(x_i) + & = +(n + 1) L_{n+1}(x_i) . \end{align*} -Setzen wir das nun in \eqref{laguerre:gewichte_lag_temp} ein, +Setzen wir diese Beziehung nun in \eqref{laguerre:gewichte_lag_temp} ein, ergibt sich \begin{align} \nonumber A_i -&= + & = \frac{1}{x_i \left[ L'_n(x_i) \right]^2} \\ -&= + & = \frac{x_i}{(n+1)^2 \left[ L_{n+1}(x_i) \right]^2} . \label{laguerre:quadratur_gewichte} diff --git a/buch/papers/laguerre/references.bib b/buch/papers/laguerre/references.bib index d21009b..1a4a903 100644 --- a/buch/papers/laguerre/references.bib +++ b/buch/papers/laguerre/references.bib @@ -10,15 +10,13 @@ series={Dover Books on Mathematics}, year={2013}, publisher={Dover Publications}, - pages = {389} + pages = {389-392} } @book{laguerre:abramowitz+stegun, added-at = {2008-06-25T06:25:58.000+0200}, address = {New York}, author = {Abramowitz, Milton and Stegun, Irene A.}, - biburl = {https://www.bibsonomy.org/bibtex/223ec744709b3a776a1af0a3fd65cd09f/a_olympia}, - description = {BibTeX - Wikipedia, the free encyclopedia}, edition = {ninth Dover printing, tenth GPO printing}, interhash = {d4914a420f489f7c5129ed01ec3cf80c}, intrahash = {23ec744709b3a776a1af0a3fd65cd09f}, diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py b/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py index 21551f3..1acd7f7 100644 --- a/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py @@ -15,7 +15,7 @@ if __name__ == "__main__": ) N = 200 - ns = np.arange(2, 13) + ns = np.arange(1, 13) step = 1 / (N - 1) x = np.linspace(step, 1 - step, N + 1) diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py b/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py index 9700ab4..05db5d3 100644 --- a/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py @@ -46,7 +46,7 @@ if __name__ == "__main__": ax.set_yticks(get_ticks(-ylim, ylim), minor=True) ax.set_yticks(get_ticks(-step * (ylim // step), ylim, step)) ax.set_ylim(-ylim, ylim) - ax.set_ylabel(r"$y$", y=0.95, labelpad=-18, rotation=0, fontsize="large") + ax.set_ylabel(r"$y$", y=0.95, labelpad=-14, rotation=0, fontsize="large") ax.legend(ncol=2, loc=(0.125, 0.01), fontsize="large") diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py index 686500b..e1ea36a 100644 --- a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py @@ -18,7 +18,7 @@ if __name__ == "__main__": # Simple / naive xmin = -5 - xmax = 30 + xmax = 25 ns = np.arange(2, 12, 2) ylim = np.array([-11, 6]) x = np.linspace(xmin + ga.EPSILON, xmax - ga.EPSILON, 400) diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py b/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py index 3bc7f52..69f94ba 100644 --- a/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py @@ -38,7 +38,7 @@ if __name__ == "__main__": ) N = 200 - ns = np.arange(2, 13) + ns = np.arange(1, 13) bests = find_best_loc(N, ns=ns) |