diff options
Diffstat (limited to 'buch/papers/parzyl/teil1.tex')
| -rw-r--r-- | buch/papers/parzyl/teil1.tex | 135 |
1 files changed, 127 insertions, 8 deletions
diff --git a/buch/papers/parzyl/teil1.tex b/buch/papers/parzyl/teil1.tex index f297189..673fa7f 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil1.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil1.tex @@ -5,24 +5,143 @@ % \section{Lösung \label{parzyl:section:teil1}} -\rhead{Problemstellung} -Die Differentialgleichungen \eqref{parzyl:sep_dgl_1} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2} können mit einer Substitution -in die Whittaker Gleichung gelöst werden. +\rhead{Lösung} + +\eqref{parzyl:sep_dgl_3} beschriebt einen ungedämpften harmonischen Oszillator. +Die Lösung ist somit +\begin{equation} + i(z) + = + A\cos{ + \left ( + \sqrt{\lambda + \mu}z + \right )} + + + B\sin{ + \left ( + \sqrt{\lambda + \mu}z + \right )}. +\end{equation} +Die Differentialgleichungen \eqref{parzyl:sep_dgl_1} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2} werden in \cite{parzyl:whittaker} +mit Hilfe der Whittaker Gleichung gelöst. \begin{definition} Die Funktion \begin{equation*} W_{k,m}(z) = e^{-z/2} z^{m+1/2} \, - {}_{1} F_{1}(\frac{1}{2} + m - k, 1 + 2m; z) + {}_{1} F_{1} + ( + {\textstyle \frac{1}{2}} + + m - k, 1 + 2m; z) \end{equation*} heisst Whittaker Funktion und ist eine Lösung - von + von der Whittaker Differentialgleichung \begin{equation} \frac{d^2W}{d z^2} + \left(-\frac{1}{4} + \frac{k}{z} + \frac{\frac{1}{4} - m^2}{z^2} \right) W = 0. + \label{parzyl:eq:whitDiffEq} \end{equation} \end{definition} +Es wird nun die Differentialgleichung bestimmt, welche +\begin{equation} + w = z^{-1/2} W_{k,-1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} z^2\right) +\end{equation} +als Lösung hat. +Dafür wird $w$ in \eqref{parzyl:eq:whitDiffEq} eingesetzt woraus +\begin{equation} + \frac{d^2 w}{dz^2} - \left(\frac{1}{4} z^2 - 2k\right) w = 0 +\label{parzyl:eq:weberDiffEq} +\end{equation} +resultiert. DIese Differentialgleichung ist dieselbe wie +\eqref{parzyl:sep_dgl_2} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2}, welche somit +$w$ als Lösung haben. +Da es sich um eine Differentialgleichung zweiter Ordnung handelt, hat sie nicht nur +eine sondern zwei Lösungen. +Die zweite Lösung der Whittaker-Gleichung ist $W_{k,-m} (z)$. +Somit hat \eqref{parzyl:eq:weberDiffEq} +\begin{align} + w_1(k, z) & = z^{-1/2} W_{k,-1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} z^2\right)\\ + w_2(k, z) & = z^{-1/2} W_{k,1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} z^2\right) +\end{align} +als Lösungen. +Mit der Hypergeometrischen Funktion ausgeschrieben ergeben sich die Lösungen +\begin{align} + \label{parzyl:eq:solution_dgl} + w_1(k,z) &= e^{-z^2/4} \, + {}_{1} F_{1} + ( + {\textstyle \frac{1}{4}} + - k, {\textstyle \frac{1}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}z^2) \\ + w_2(k,z) & = z e^{-z^2/4} \, + {}_{1} F_{1} + ({\textstyle \frac{3}{4}} + - k, {\textstyle \frac{3}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}z^2). +\end{align} +In der Literatur gibt es verschiedene Standartlösungen für $w(k,z)$ präsentiert. +Whittaker und Watson zeigen in \cite{parzyl:whittaker} eine Lösung +\begin{equation} + D_n(z) = \frac{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}}\right) 2^{\frac{1}{2}n + \frac{1}{2}} z^{-\frac{1}{2}} + }{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}} \right) - {\textstyle \frac{1}{2}} n) + } + M_{\frac{1}{2} n + \frac{1}{4}, - \frac{1}{4}} \left(\frac{1}{2}z^2\right) + + + \frac{ + \Gamma\left(-{\textstyle \frac{1}{2}}\right) 2^{\frac{1}{2}n + \frac{1}{4}} z^{-\frac{1}{2}} + }{ + \Gamma\left(- {\textstyle \frac{1}{2}} n\right) + } + M_{\frac{1}{2} n + \frac{1}{4}, \frac{1}{4}} \left(\frac{1}{2}z^2\right) +\end{equation} +welche die Differentialgleichung +\begin{equation} + \frac{d^2D_n(z)}{dz^2} + \left(n + \frac{1}{2} - \frac{1}{4} z^2\right)D_n(z) = 0 +\end{equation} +löst. -Lösung Folgt\dots - - +In \cite{parzyl:abramowitz-stegun} sind zwei Lösungen $U(a, z)$ und $V(a,z)$ +\begin{align} + U(a,z) &= + \cos\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_1 + - \sin\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_2 \\ + V(a,z) &= \frac{1}{\Gamma \left({\textstyle \frac{1}{2} - a}\right)} \left\{ + \sin\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_1 + + \cos\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_2 + \right\} +\end{align} +mit +\begin{align} + Y_1 &= \frac{1}{\sqrt{\pi}} + \frac{\Gamma\left({\textstyle \frac{1}{4} - + {\textstyle \frac{1}{2}}a}\right)} + {2^{\frac{1}{2} a + \frac{1}{4}}} w_1\\ + Y_2 &= \frac{1}{\sqrt{\pi}} + \frac{\Gamma\left({\textstyle \frac{3}{4} - + {\textstyle \frac{1}{2}}a}\right)} + {2^{\frac{1}{2} a - \frac{1}{4}}} w_2 +\end{align} +der Differentialgleichung +\begin{equation} + \frac{d^2 y}{d z^2} - \left(\frac{1}{4} z^2 + a\right) y = 0 +\end{equation} +beschrieben. Die Lösungen $U(a,z)$ und $V(a, z)$ können auch mit $D_n(z)$ +ausgedrückt werden +\begin{align} + U(a,z) &= D_{-a-1/2}(z) \\ + V(a,z) &= \frac{\Gamma \left({\textstyle \frac{1}{2}} + a\right)}{\pi} + \left[\sin\left(\pi a\right) D_{-a-1/2}(z) + D_{-a-1/2}(-x)\right]. +\end{align} +TODO Plot +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.3]{papers/parzyl/img/D_plot.png} + \caption{$D_a(z)$ mit unterschiedlichen Werten für $a$.} + \label{parzyl:fig:dnz} +\end{figure} +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.3]{papers/parzyl/img/v_plot.png} + \caption{$V(a,z)$ mit unterschiedlichen Werten für $a$.} + \label{parzyl:fig:Vnz} +\end{figure}
\ No newline at end of file |