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diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex b/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex index b0b1b32..aebc13d 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex @@ -306,12 +306,16 @@ $\beta$ ist dann l(\alpha,\beta) = \int_\alpha^\beta +\sqrt{ a^2 \sin^2 t + b^2 \cos^2t +} \,dt = -a^2 +a \int_\alpha^\beta +\sqrt{ \sin^2 t + \frac{b^2}{a^2} \cos^2t +} \,dt. \] Auch dieses Integral ist nicht in geschlossener Form lösbar. diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex index 1e35616..67891f2 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex @@ -15,7 +15,9 @@ neue spezielle Funktionen zu definieren. \subsection{Definition \label{buch:elliptisch:subsection:definition}} -Ein elliptisches Integral ist ein Integral der Form +Ein {\em elliptisches Integral} ist ein Integral der Form +\index{elliptishes Integral}% +\index{Integral, elliptisch}% \begin{equation} \int R\left( x, \sqrt{p(x)}\right)\,dx \label{buch:elliptisch:def:allgemein} @@ -33,7 +35,8 @@ Wir verlangen daher, dass $p(x)$ keine mehrfachen Nullstellen hat. Man kann zeigen, dass sich elliptische Integrale in Summen von elementaren Funktionen und speziellen elliptischen Integralen -der folgenden Form überführen lassen. +der folgenden Form überführen lassen +\cite[Abschnitt 164, p.~506]{buch:smirnov32}. \begin{definition} \label{buch:elliptisch:def:integrale123} @@ -53,6 +56,9 @@ Integrale \] mit $0<k<1$. Es ist auch üblich, den Parameter $m=k^2$ zu verwenden. +Die Zahl $k$ heisst {\em Modul} des elliptischen Integrals. +\index{Modul eines elliptischen Integrals}% +\index{elliptisches Integral}% \end{definition} Wie gesagt lassen sich für diese unbestimmten Integrale keine @@ -129,14 +135,16 @@ K(k) = \int_0^{\frac{\pi}2} \frac{d\varphi}{\sqrt{1-k^2\sin^2\varphi}} +, \\ E(k) &= \int_0^{\frac{\pi}2} -\sqrt{\frac{1-k^2\sin^2\varphi}{1-\sin^2\varphi}}(1-\sin^2\varphi)\,d\varphi +\sqrt{\frac{1-k^2\sin^2\varphi}{1-\sin^2\varphi}}\sqrt{1-\sin^2\varphi}\,d\varphi = \int_0^{\frac{\pi}2} \sqrt{1-k^2\sin^2\varphi}\,d\varphi +, \\ \Pi(n,k) &= @@ -153,6 +161,7 @@ d\varphi }{ (1-n\sin^2\varphi)\sqrt{1-k^2\sin^2\varphi} } +. \end{align*} Diese Form wird auch die {\em Legendre-Normalform} der vollständigen \index{Legendre-Normalform}% @@ -161,21 +170,406 @@ Definition~\ref{buch:elliptisch:def:vollstintegrale123} die {\em Jacobi-Normalform} heisst. \index{Jacobi-Normalform}% +\subsubsection{Umfang einer Ellipse} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.pdf} +\caption{Bogenlänge eines Viertels einer Ellipse mit Exzentrizität +$\varepsilon$. +Eine solche Ellipse hat Halbachsen $1$ und $\sqrt{1-\varepsilon^2}$, +ein entsprechender Ellipsenbogen ist für ausgewählte Werte in blau +eingezeichnet. +\label{buch:elliptisch:fig:ellipsenumfang}} +\end{figure} +Wir zeigen, wie sich die Berechnung des Umfangs $U$ einer Ellipse +mit Halbachsen $a$ und $b$, $a\le b$, auf ein volltändiges elliptisches +Integral zurückführen lässt. +Der Fall $a>b$ kann behandelt werden, indem die $x$- und $y$-Koordinaten +vertauscht werden. + +Die Parametrisierung +\[ +t\mapsto \begin{pmatrix}a\cos t\\ b\sin t\end{pmatrix} +\] +einer Ellipse führt auf das Integral +\begin{align} +U +&= +\int_0^{2\pi} \sqrt{a^2\sin^2t + b^2\cos^2 t}\,dt +\notag +\\ +&= +4\int_0^{\frac{\pi}2} +\sqrt{a^2\sin^2t + b^2(1-\sin^2 t)} +\,dt +\notag +\\ +&= +4b \int_0^{\frac{\pi}2} \sqrt{1-(b^2-a^2)/b^2\cdot \sin^2t}\,dt +\label{buch:elliptisch:eqn:umfangellipse} +\end{align} +für den Umfang der Ellipse. +Bei einem Kreis ist $a=b$ und der zweite Term unter der Wurzel fällt weg, +der Umfang wird $4b\frac{\pi}2=2\pi b$. +Die Differenz $e^2=b^2-a^2$ ist die {\em lineare Exzentrizität} der Ellipse, +\index{lineare Exzentrizität}% +der Quotient $e/b$ wird die {\em numerische Exzentrizität} der Ellipse +genannt. +Insbesondere ist $k = \varepsilon$. + +Das Integral~\eqref{buch:elliptisch:eqn:umfangellipse} erhält jetzt die +Form +\[ +U += +4b\int_0^{\frac{\pi}2} \sqrt{1-k^2\sin^2t}\,dt +\] +und ist damit als elliptisches Integral zweiter Art erkannt. +Für den Umfang der Ellipse finden wir damit die Formel +\[ +U += +4b E(k) += +4b E(\varepsilon). +\] +Das vollständige elliptische Integral zweiter Art $E(\varepsilon)$ +liefert also genau den Umfang eines Viertels der Ellipse mit +numerischer Exzentrizität $\varepsilon$ und kleiner Halbachse $1$. +Für den extremen Wert $\varepsilon=0$ entsteht der Umfang einer Ellipse, +also $E(0)=\frac{\pi}2$. +Für $\varepsilon=1$ ist $a=0$, es entsteht eine Strecke mit Länge $E(1)=1$. \subsubsection{Komplementäre Integrale} -XXX Komplementäre Integrale \\ \subsubsection{Ableitung} XXX Ableitung \\ XXX Stammfunktion \\ \subsection{Unvollständige elliptische Integrale} -XXX Vollständige und Unvollständige Integrale \\ +Die Funktionen $K(k)$ und $E(k)$ sind als bestimmte Integrale über ein +festes Intervall definiert. +Die {\em unvollständigen elliptischen Integrale} entstehen, indem die +\index{unvollständiges elliptisches Integral}% +obere Grenze des Integrals variabel wird: +\[ +\begin{aligned} +\text{1.~Art:}&& +F(x,k) +&= +\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} +&&= +\int_0^\varphi \frac{d\vartheta}{\sqrt{1-k^2\sin^2\vartheta}} +\\ +\text{2.~Art:}&& +E(x,k) +&= +\int_0^x \sqrt{\frac{1-k^2t^2}{1-t^2}}\,dt +&&= +\int_0^\varphi \sqrt{1-k^2\sin^2\vartheta}\,d\vartheta +\\ +\text{3.~Art:}&& +\Pi(n,x,k) +&= +\int_0^x \frac{dt}{(1-nt^2)\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} +&&= +\int_0^\varphi +\frac{d\vartheta}{(1-n\sin^2\vartheta)\sqrt{1-k^2\sin^2\vartheta}}, +\end{aligned} +\] +die erste Formel ist jeweils die Jacobi-Form, die zweite die Legrendre-Form +\index{Jacobi-Form}% +\index{Legendre-Form}% +mit dem Parameter $\varphi$, gegeben durch +$\sin \vartheta=x$. +Wie bei den vollständigen elliptischen Integralen ist auch hier in manchen +Referenzen die Parameterkonvention mit dem Parameter $m=k^2$ üblich. + +Die vollständigen elliptischen Integrale sind die Werte der +unvollständigen elliptischen Integrale mit $x=1$, also +\begin{align*} +K(k) &= F(1,k), +& +E(k) &= E(1,k), +& +\Pi(n,k) &=\Pi(n,x,k). +\end{align*} +Man beachte auch, dass $F(x,0) = E(x,0)$ gilt. + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.pdf} +\caption{Unvollständige elliptische Integrale $F(x,k)$ und $E(x,k)$ +für verschiedene Werte des Parameters $k$. +Für $k=0$ stimmen die Integrale erster und zweiter Art überein, +$F(x,0)=E(x,0)$. +\label{buch:elliptisch:fig:unvollstaendigeintegrale}} +\end{figure} +Wegen $k<1$ sind alle drei Integranden als reelle Funktionen nicht +mehr definiert, wenn $|x|>1$ ist. +Die Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:unvollstaendigeintegrale} +zeigt Graphen der unvollständigen elliptischen Integrale für verschiedene +Werte des Parameters. + +\subsubsection{Symmetrieeigenschaften} +Die Integranden aller drei unvollständigen elliptischen Integrale +sind gerade Funktionen der reellen Variablen $t$. +Die Funktionen $F(x,k)$, $E(x,k)$ und $\Pi(n,x,k)$ sind daher +ungeraden Funktionen von $x$. + +\subsubsection{Elliptische Integrale als komplexe Funktionen} +Die unvollständigen elliptischen Integrale $F(x,k)$, $F(x,k)$ und $\Pi(n,x,k)$ +in Jacobi-Form lassen sich auch für komplexe Argumente interpretieren. +Dazu muss für die Berechnung des Integrals ein Pfad in der komplexen +Ebene gewählt werden, der die Singulariätten des Integranden vermeidet. + +Die Faktoren, die in den Integranden der unvollständigen elliptischen +Integrale vorkommen, haben Nullstellen bei $\pm1$, $\pm1/k$ und +$\pm 1/\sqrt{n}$ + XXX Additionstheoreme \\ XXX Parameterkonventionen \\ +\subsubsection{Wertebereich} +Die unvollständigen elliptischen Integrale betrachtet als reelle Funktionen +haben nur positive relle Werte. +Zum Beispiel nimmt das unvollständige elliptische Integral erster Art +$F(k,x)$ nur Werte zwischen $0$ und $K(k)$ an. +Wenn komplexe Werte zulässig sind, kann man das Integral auch über die +Singularitäten bei $\pm 1$ und $\pm 1/k$ hinweg ausführen, erhält +dabe aber möglicherweise komplexe Werte, weil die Radikanden in den +Integralen negativ werden. +Die Schwierigkeit dabei ist, dass die Quadratwurzel nicht eindeutig ist. +Welcher Wert der im Zusammenhang richtige ist, hängt davon ab, wie wir +dorthin kommen. + +Die reelle Achse teilt den Definitionsbereich der unvollständigen +elliptischen Integrale in die obere und die untere Halbebene. +die Werte für reelle Argument beschreiben daher den Rand der Wertebereichs +für Argumente in der oberen bzw.~untere Halbebene. +Indem wir die Werte der elliptischen Integrale für reelle Argumente +berechnen, können wir daher den Rand des Wertebereichs ermitteln. + +Im folgenden diskutieren wir nur das elliptische Integral erster Art, +die anderen können in der gleichen Art behandelt werden. +Für Argumentwerte $x$ im Interval $[0,1]$ ist $F(k,x)\in\mathbb{R}$. +An der Stelle $x=1$ wechselt der Faktor $(1-t^2)$ im Nenner das +Vorzeichen, der Integrand wird negativ. +Für Argumente zwischen $1$ und $1/k$ ist bleibt der Integrand negativ, +es muss also ein Wert der Quadratwurzel gewählt werden. +Beide Vorzeichen von +\begin{equation} +\frac{1}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} += +\frac{\pm i}{\sqrt{(t^2-1)(1-k^2t^2)}} +\label{buch:elliptisch:eqn:imaginaerintegrand} +\end{equation} +sind möglich. +Doch welche Wahl ist die ``richtige''? + +Dazu betrachten wir die Argument $z=x+i\varepsilon$ auf einer Geraden +parallel zur reellen Achse des Definitionsbereichs und in der oberen +Halbebene. +Da eine holomorphe Funktion die Orientierung erhält und weil das +Interval $[0,1]$ auf die reelle Achse abgebildet wird, müssen wir das +Vorzeichen der Wurzel so wählen, dass die Werte der Wurzel ebenfalls +in der oberen Halbebene liegen. +Die ``richtige'' Wahl der Wurzel von +\[ +1-z^2 = 1-x^2-2i\varepsilon x + \varepsilon^2 +\] +erfüllt zwei Bedingungen. +\begin{enumerate} +\item +Für nicht zu grosse Werte von $x$ muss der Wert in der oberen +Halbebene liegen. +Für solche Werte von $x$ ist der Realteil $1-x^2+\varepsilon^2>0$ und +der Imaginärteil $-2\varepsilon x<0$. +Für die Wurzel muss man also das Argument von $1-z^2$ als Winkel zwischen +$3\pi2$ und $2\pi$ wählen und für die Wurzel durch zwei teilen. +\item +Der Realteil von $1-z^2$ wechsel das Vorzeichen, wenn +$x=\sqrt{1+\varepsilon^2}$, der Imaginärteil bleibt dabei negativ. +Das Argument ändert von einem Winkel nahe bei aber kleiner als $2\pi$ +zu einem Winkel nahe bei aber grösser als $\pi$. +Als Wurzel muss daher jene verwendet werden, deren Argument in der +Nähe von $\frac{\pi}2$ liegt. +\end{enumerate} +Aus diesem Argument kann man ableiten, dass für die Berandung des +Bildes der oberen Halbebene zwischen $1$ und $1/k$ das positive +Zeichen in~\eqref{buch:elliptisch:eqn:imaginaerintegrand} +gewählt werden muss. + +Die anderen Singularitäten auf der reellen Achse können analog +behandelt werden und es folgt, dass das Bild der oberen Halbebene +ein Rechteck in der oberen Halbebene ist +(Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:rechteck}). +Die Ecken auf der reellen Achse liegen bei den reellen Koordinaten +\[ +\pm F(1,k) += +\pm\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} += +\pm K(k). +\] +Für die Höhe muss das Integral +\begin{equation} +l({\textstyle\frac{1}{k}})=\int_1^{\frac1{k}} +\frac{dt}{\sqrt{(t^2-1)(1-k^2t^2)}} +\label{buch:elliptisch:eqn:hoeheintegral} +\end{equation} +ausgewertet werden. + +\subsubsection{Komplementärmodul} +Im vorangegangen Abschnitt wurde gezeigt, dass der Wertebereicht des +unvollständigen elliptischen Integrals der ersten Art als komplexe +Funktion ein Rechteck ist. +Die obere Halbebene wird auf Rechteck der Breite $2K(k)$ abgebildet, +für die Höhe des Rechtecks muss das +Integral~\eqref{buch:elliptisch:eqn:hoeheintegral} ausgewertet werden. +Das Integral läuft von $t=1$ bis $t=1/k$, wir möchten daraus ein +elliptisches Integral machen, dessen Integrationsinterval bei $0$ +beginnt. +Dazu verwenden wir die Variablentransformation +\[ +t = \frac{1}{\sqrt{1-k'^2y^2}}, +\] +die für $y=0$ den Wert $1$ ergibt, für $y=1$ aber $1/\sqrt{1-k'^2}$. +Damit das richtige Integrationsintervall entsteht, muss $k'$ so gewählt +werden, dass $1-k'^2=k^2$ ist. + +\begin{definition} +Ist $0\le k\le 1$ der Modul eines elliptischen Integrals, dann heisst +$k' = \sqrt{1-k^2}$ er {\em Komplementärmodul} oder {\em Komplement +des Moduls}. Es ist $k^2+k'^2=1$. +\end{definition} + +Mit der Ableitung +\[ +\frac{dt}{dy} += +\frac{k'^2 y}{(1-k'^2y^2)^{\frac32}} +\] +der Substitution +wird das Integral~\eqref{buch:elliptisch:eqn:hoeheintegral} mit der +oberen Grenze $x$ zu einem Integral mit oberer Grenze +\[ +x^2 = \frac{1}{1-k'^2y_0^2} +\quad\Rightarrow\quad +y_0^2 = \frac{1}{k'^2}\biggl(1-\frac{1}{x^2}\biggr) +\quad\Rightarrow\quad +y_0=\frac{1}{k'}\sqrt{1-\frac{1}{x^2}} +\] +jetzt zu +\begin{align*} +l(x) +&= +\int_0^{y_0} +\frac{1}{\sqrt{\frac{1}{1-k'^2y^2}-1}} +\cdot +\frac{1}{\sqrt{1-\frac{k^2}{1-k'^2y^2}}} +\cdot +\frac{k'^2y}{\sqrt{1-k'^2y^2}} +\cdot +\frac{1}{1-k'^2y^2} +\,dy +\\ +&= +\int_0^{y_0} +\frac{\sqrt{1-k'^2y^2}}{\sqrt{k'^2y^2}} +\cdot +\frac{1}{\sqrt{1-k^2 -k'^2y^2}} +\cdot +\frac{k'^2y}{1-k'^2y^2} +\,dy +\\ +&= +\int_0^{y_0} +\sqrt{1-k'^2y^2} +\cdot +\frac{1}{k'\sqrt{1-y^2}} +\cdot +\frac{k'}{1-k'^2y^2} +\,dy +\\ +&= +\int_0^{y_0} \frac{dy}{\sqrt{(1-y^2)(1-k'^2y^2)}} += +F(y_0,k') +\end{align*} +Die gesuchte Höhe des Rechtecks ergibt sich für die obere Grenze $\frac1k$. +In diesem Fall ist +\[ +y_0 += +\frac{1}{k'}\sqrt{1-k^2} = 1 +\] +und das unvollständig elliptische Integral wird zum vollständigen +elliptischen Integral $K(k')$. +Die Höhe des Rechtecks des Wertebereichs der oberen Halbebene ist +als der Wert des vollständigen elliptischen Integrals erster Art +für den Komplementärmodul. +Das Bild der komplexen Ebene unter der Abbildung gegeben durch das +unvollständige elliptische Integral zweiter Art ist symmetrisch um +den Nullpunkt und hat Breite $2K(k)$ und Höhe $2K(k')$. + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf} +\caption{Der Wertebereich der Funktion $F(k,z)$ ist ein Rechteck +der Breite $2K(k)$ und $2K(k')$. +Die obere Halbebene wird in das rote Rechteck abgebildet, die unter +in das blaue. +\label{buch:elliptisch:fig:rechteck}} +\end{figure} + +\subsubsection{Reelle Argument $> 1/k$} +Für Argument $x> 1/k$ sind beide Faktoren im Integranden des +unvollständigen elliptischen Integrals negativ, das Integral kann +daher wieder als gewöhnliches reelles Integral berechnet werden, +es sollte sich daher auch auf das unvollständige elliptische Integral +erster Art zurückführen lassen. + +Da wir bereits wissen, dass +\[ +\lim_{x\to\infty} F(x,k) = iK(k'), +\] +können wir $F(x,k)$ auch als +\[ +F(x,k) += +iK(k') +- +\int_x^\infty \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} +\] +berechnen. +Dazu werden wir die Variablentransformation +\[ +y=\frac{1}{kt}\quad\Leftrightarrow\quad t=\frac{1}{ky} +\qquad\text{mit}\qquad +\frac{dt}{dy} = -\frac{1}{ky^2} +\] +auf das Integral an und erhalten +\begin{align*} +\int_x^\infty \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}} +&= +-\int_{\frac1{kx}}^0 \frac{dy}{ky^2\sqrt{(1-1/(ky)^2)(1-1/y^2)}} +\\ +&= +\int_0^{\frac{1}{kx}} \frac{dy}{\sqrt{(k^2y^2-1)(y^2-1)}} += +F\biggl(\frac{1}{kx},k\biggr). +\end{align*} +Dies ist das gesuchte unvollständige elliptische Integral erster Art. +Insbesondere halten wir noch die Formel +\[ +F(x,k) = iK(k') - F\biggl(\frac1{kx},k\biggr) +\qquad\text{für $x>\frac1k$} +\] +für die Werte des elliptischen Integrals erster Art für grosse Argumentwerte +fest. + \subsection{Potenzreihe} XXX Potenzreihen \\ XXX Als hypergeometrische Funktionen \\ - - +XXX Berechnung mit der Landen-Transformation https://en.wikipedia.org/wiki/Landen%27s_transformation diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile index afa70ba..931564b 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile @@ -3,11 +3,34 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -all: lemniskate.pdf ellipse.pdf +all: lemniskate.pdf ellipsenumfang.pdf unvollstaendig.pdf rechteck.pdf \ + ellipse.pdf lemniskate.pdf: lemniskate.tex pdflatex lemniskate.tex +ellipsenumfang.pdf: ellipsenumfang.tex ekplot.tex + pdflatex ellipsenumfang.tex + +ekplot.tex: ellipsenumfang.m + octave ellipsenumfang.m + +rechteck: rechteck.cpp + g++ `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` -O -Wall -g -std=c++11 rechteck.cpp -o rechteck + +rechteckpfade.tex: rechteck + ./rechteck --outfile rechteckpfade.tex + +rechteck.pdf: rechteck.tex rechteckpfade.tex + pdflatex rechteck.tex + +unvollstaendig.pdf: unvollstaendig.tex unvollpath.tex + pdflatex unvollstaendig.tex + +unvollpath.tex: unvollstaendig.m + octave unvollstaendig.m + ellipse.pdf: ellipse.tex pdflatex ellipse.tex + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.m b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.m new file mode 100644 index 0000000..9ac8fe2 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.m @@ -0,0 +1,21 @@ +# +# ellipsenumfang +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +f = fopen("ekplot.tex", "w"); +fprintf(f, "\\def\\ekpath{\n"); +fprintf(f, "(0,{\\dy*%.4f})\n", pi / 2); +for epsilon = (1:100) / 100 + [k, e] = ellipke(epsilon^2); + fprintf(f, "--({\\dx*%.4f},{\\dy*%.4f})\n", epsilon, e); +endfor +fprintf(f, "\n}\n"); +fprintf(f, "\\def\\punkte{\n"); +for epsilon = (0.05:0.1:0.95) + [k, e] = ellipke(epsilon^2); + fprintf(f, "\\fill[color=blue] ({\\dx*%.4f},{\\dy*%.4f}) circle[radius=0.08];\n", epsilon, e); + fprintf(f, "\\draw[color=blue,line width=0.2pt] ({\\dx*%.4f},{\\dy*%.4f}) -- ({\\dx*%.4f},{\\dy*1.85});\n", epsilon, e, epsilon); +endfor +fprintf(f,"}\n"); +fclose(f); diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fc27f21 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.tex new file mode 100644 index 0000000..0d1b807 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellipsenumfang.tex @@ -0,0 +1,83 @@ +% +% ellipsenumfang.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\input{ekplot.tex} +\def\skala{1.19} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\pgfkeys{/pgf/number format/.cd, fixed, fixed zerofill, precision=1} + +\def\dx{10} +\def\dy{4} + +%\draw[line width=0.4pt] (0,\dy) -- (10,\dy); +%\draw[line width=0.4pt] (\dx,0) -- (10,\dy); + +\draw[->] (0,{\dy-0.1}) -- (0,7.0) coordinate[label={left:$E(k=\varepsilon)$}]; +\draw[->] (-0.1,\dy) -- (10.5,\dy) coordinate[label={$\varepsilon$}]; + +\foreach \i in {0,...,10}{ + \pgfmathparse{\i/10} + \xdef\wert{\pgfmathresult} + \draw (\i,{\dy-0.1}) -- (\i,{\dy+0.1}); + \node at (\i,{\dy-0.1}) [below] {$\pgfmathprintnumber{\wert}$}; +} + +\draw[color=red,line width=1.4pt] \ekpath; +\fill[color=red] (\dx,\dy) circle[radius=0.07]; + +\foreach \y in {1.0,1.2,1.4}{ + \draw (-0.1,{\dy*\y}) -- (0.1,{\dy*\y}); + \node at (-0.1,{\dy*\y}) [left] {$\pgfmathprintnumber{\y}$}; +} + +\draw (-0.1,{\dy*3.14159/2}) -- (0.1,{\dy*3.14159/2}); +\node at (0,{\dy*3.14159/2}) [left] {$\displaystyle\frac{\pi}2$}; + + +\punkte + +\foreach \exzentrizitaet in {0.05,0.15,...,0.95}{ + \pgfmathparse{sqrt(1-\exzentrizitaet*\exzentrizitaet)} + \xdef\halbachse{\pgfmathresult} + + \pgfmathparse{\exzentrizitaet*\dx} + \xdef\mitte{\pgfmathresult} + %\node at (\mitte,1) {$\pgfmathprintnumber{\mitte}$}; + + \pgfmathparse{(1-\exzentrizitaet)} + \xdef\breite{\halbachse} + %\node at (\mitte,0.5) {$\pgfmathprintnumber{\breite}$}; + + \begin{scope} + + \clip ({\mitte-(\breite/2)},{1.8*\dy}) + rectangle ({\mitte+(\breite/2)+0.1},{1.8*\dy+1.1}); + \fill[color=blue!20] ({\mitte-\breite/2},{1.8*\dy}) + ellipse({\breite} and 1); + \draw[color=blue,line width=1.4pt] + ({\mitte-\breite/2},{1.8*\dy}) + ellipse({\breite} and 1); + \draw[color=blue,line width=0.2pt] + ({\mitte-\breite/2},{1.8*\dy+1}) + -- + ({\mitte-\breite/2},{1.8*\dy}) + -- + ({\mitte+\breite/2},{1.8*\dy}); + \end{scope} +} + + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp new file mode 100644 index 0000000..c65ae0f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp @@ -0,0 +1,415 @@ +/* + * rechteck.cpp + * + * (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cmath> +#include <cstdlib> +#include <cstdio> +#include <complex> +#include <iostream> +#include <fstream> +#include <list> +#include <getopt.h> +#include <gsl/gsl_sf_ellint.h> + +double ast = 1; + +/** + * \brief Base class for integrands + */ +class integrand { +protected: + double _k; +public: + double k() const { return _k; } + integrand(double k) : _k(k) { } + virtual std::complex<double> operator()(const std::complex<double>& z) const = 0; + static double kprime(double k); +}; + +double integrand::kprime(double k) { + return sqrt(1 - k*k); +} + +/** + * \brief Elliptic integral of the first kind + */ +class integrand1 : public integrand { +public: + integrand1(double k) : integrand(k) { } + virtual std::complex<double> operator()( + const std::complex<double>& z) const { + std::complex<double> square = z * z; + std::complex<double> eins(1.0); + std::complex<double> result = eins + / sqrt((eins - square) * (eins - k() * k() * square)); + return ast * ((result.imag() < 0) ? -result : result); + } +}; + +/** + * \brief A class to trace curves + */ +class curvetracer { + const integrand& _f; +public: + typedef std::list<std::complex<double> > curve_t; + curvetracer(const integrand& f) : _f(f) { } + + std::complex<double> startpoint(const std::complex<double>& z, + int n = 100) const; + + std::complex<double> segment(const std::complex<double>& z1, + const std::complex<double>& z2, int n) const; + + std::pair<std::complex<double>,std::complex<double> > segmentl( + const std::complex<double>& start, + const std::complex<double>& dir, + double stepsize, int n = 10) const; + + curve_t trace(const std::complex<double>& startz, + const std::complex<double>& dir, + const std::complex<double>& startw, + int maxsteps) const; + + static curve_t mirrorx(const curve_t& c); + static curve_t mirrory(const curve_t& c); + static curve_t mirror(const curve_t& c); +}; + +/** + * \brief Perform integration for a + * + * \param z1 the start point of the segment in the domain + * \param z2 the end point of the segment in the domain + * \param n the number of integration steps to use + * \return the increment along that segment + */ +std::complex<double> curvetracer::segment(const std::complex<double>& z1, + const std::complex<double>& z2, int n = 100) const { + std::complex<double> dz = z2 - z1; + std::complex<double> summe(0); + double h = 1. / (2 * n); + for (int i = 1; i < 2 * n; i += 2) { + double t = i * h; + std::complex<double> z = (1 - t) * z1 + t * z2; + summe += _f(z); + } + return dz * h * summe * 2.; +} + +/** + * \brief Exception thrown when the number of iterations is exceeded + */ +class toomanyiterations : public std::runtime_error { +public: + toomanyiterations(const std::string& cause) + : std::runtime_error(cause) { + } +}; + +/** + * \brief Perform integration with a given target length + * + * \param start the start point + * \param dir the direction in which to integrate + * \param stepsize the required length of the step + * \param n the number of integration steps + * \return the increment in the range by this segment + */ +std::pair<std::complex<double>, std::complex<double> > curvetracer::segmentl( + const std::complex<double>& start, + const std::complex<double>& dir, + double stepsize, + int n) const { + std::complex<double> s(0.); + std::complex<double> z = start; + int counter = 100; + while (abs(s) < stepsize) { + s = s + segment(z, z + dir, n); + z = z + dir; + if (counter-- == 0) { + throw toomanyiterations("too many iterations"); + } + } + return std::make_pair(z, s); +} + +/** + * \brief Trace a curve from a starting point in the domain + * + * \param startz the start point of the curve in the domain + * \param dir the direction of the curve in the domain + * \param startw the initial function value where the curve starts in + * the range + * \param maxsteps the maximum number of dir-steps before giving up + * \return the curve as a list of points + */ +curvetracer::curve_t curvetracer::trace(const std::complex<double>& startz, + const std::complex<double>& dir, + const std::complex<double>& startw, + int maxsteps) const { + curve_t result; + std::complex<double> z = startz; + std::complex<double> w = startw; + result.push_back(w); + while (maxsteps-- > 0) { + try { + auto seg = segmentl(z, dir, abs(dir), 40); + z = seg.first; + w = w + seg.second; + result.push_back(w); + } catch (const toomanyiterations& x) { + std::cerr << "iterations exceeded after "; + std::cerr << result.size(); + std::cerr << " points"; + maxsteps = 0; + } + } + return result; +} + +/** + * \brief Find the initial point for a coordinate curve + * + * \param k the elliptic integral parameter + * \param z the desired starting point argument + */ +std::complex<double> curvetracer::startpoint(const std::complex<double>& z, + int n) const { + std::cerr << "start at " << z.real() << "," << z.imag() << std::endl; + return segment(std::complex<double>(0.), z, n); +} + + +curvetracer::curve_t curvetracer::mirrorx(const curve_t& c) { + curve_t result; + for (auto z : c) { + result.push_back(-std::conj(z)); + } + return result; +} + +curvetracer::curve_t curvetracer::mirrory(const curve_t& c) { + curve_t result; + for (auto z : c) { + result.push_back(std::conj(z)); + } + return result; +} + +curvetracer::curve_t curvetracer::mirror(const curve_t& c) { + curve_t result; + for (auto z : c) { + result.push_back(-z); + } + return result; +} + +/** + * \brief Class to draw the curves to a file + */ +class curvedrawer { + std::ostream *_out; + std::string _color; +public: + curvedrawer(std::ostream *out) : _out(out), _color("red") { } + const std::string& color() const { return _color; } + void color(const std::string& c) { _color = c; } + void operator()(const curvetracer::curve_t& curve); + std::ostream *out() { return _out; } +}; + +/** + * \brief Operator to draw a curve + * + * \param curve the curve to draw + */ +void curvedrawer::operator()(const curvetracer::curve_t& curve) { + double first = true; + for (auto z : curve) { + if (first) { + *_out << "\\draw[color=" << _color << "] "; + first = false; + } else { + *_out << std::endl << " -- "; + } + *_out << "({" << z.real() << "*\\dx},{" << z.imag() << "*\\dy})"; + } + *_out << ";" << std::endl; +} + +static struct option longopts[] = { +{ "outfile", required_argument, NULL, 'o' }, +{ "k", required_argument, NULL, 'k' }, +{ "deltax", required_argument, NULL, 'd' }, +{ NULL, 0, NULL, 0 } +}; + +/** + * \brief Main function + */ +int main(int argc, char *argv[]) { + double k = 0.625; + double deltax = 0.2; + + int c; + int longindex; + std::string outfilename; + while (EOF != (c = getopt_long(argc, argv, "o:k:d:", longopts, + &longindex))) + switch (c) { + case 'd': + deltax = std::stod(optarg); + break; + case 'o': + outfilename = std::string(optarg); + break; + case 'k': + k = std::stod(optarg); + break; + } + + double kprime = integrand::kprime(k); + + double xmax = gsl_sf_ellint_Kcomp(k, GSL_PREC_DOUBLE); + double ymax = gsl_sf_ellint_Kcomp(kprime, GSL_PREC_DOUBLE); + std::cout << "xmax = " << xmax << std::endl; + std::cout << "ymax = " << ymax << std::endl; + + curvedrawer *cdp; + std::ofstream *outfile = NULL; + if (outfilename.c_str()) { + outfile = new std::ofstream(outfilename.c_str()); + } + if (outfile) { + cdp = new curvedrawer(outfile); + } else { + cdp = new curvedrawer(&std::cout); + } + + integrand1 f(k); + curvetracer ct(f); + + // fill + (*cdp->out()) << "\\fill[color=red!10] ({" << (-xmax) << "*\\dx},0) " + << "rectangle ({" << xmax << "*\\dx},{" << ymax << "*\\dy});" + << std::endl; + (*cdp->out()) << "\\fill[color=blue!10] ({" << (-xmax) << "*\\dx},{" + << (-ymax) << "*\\dy}) rectangle ({" << xmax << "*\\dx},0);" + << std::endl; + + // "circles" + std::complex<double> dir(0.01, 0); + for (double im = deltax; im < 3; im += deltax) { + std::complex<double> startz(0, im); + std::complex<double> startw = ct.startpoint(startz); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + } + + // imaginary axis + (*cdp->out()) << "\\draw[color=red] (0,0) -- (0,{" << ymax + << "*\\dy});" << std::endl; + (*cdp->out()) << "\\draw[color=blue] (0,0) -- (0,{" << (-ymax) + << "*\\dy});" << std::endl; + + // arguments between 0 and 1 + dir = std::complex<double>(0, 0.01); + for (double re = 0.2; re < 1; re += 0.2) { + std::complex<double> startz(re, 0.001); + std::complex<double> startw = ct.startpoint(startz); + startw = std::complex<double>(startw.real(), 0); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + } + + // argument 1 (singularity) + { + std::complex<double> startz(1.); + std::complex<double> startw(xmax); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + } + + // arguments between 1 and 1/k + { + for (double x0 = 1 + deltax; x0 < 1/k; x0 += deltax) { + double y0 = sqrt(1-1/(x0*x0))/kprime; + //std::cout << "y0 = " << y0 << std::endl; + double y = gsl_sf_ellint_F(asin(y0), kprime, + GSL_PREC_DOUBLE); + std::complex<double> startz(x0); + std::complex<double> startw(xmax, y); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + } + } + + // argument 1/k +#if 0 + { + std::complex<double> startz(1/k); + std::complex<double> startw(xmax, ymax); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + } +#endif + + // arguments larger than 1/k + { + dir = std::complex<double>(0, 0.01); + double x0 = 1; + while (x0 <= 1/k + 0.0001) { x0 += deltax; } + for (; x0 < 4; x0 += deltax) { + std::complex<double> startz(x0); + std::complex<double> startw(gsl_sf_ellint_F( + asin(1/(k*x0)), k, GSL_PREC_DOUBLE), ymax); + curvetracer::curve_t curve = ct.trace(startz, dir, + startw, 1000); + cdp->color("red"); + (*cdp)(curve); + (*cdp)(curvetracer::mirrorx(curve)); + cdp->color("blue"); + (*cdp)(curvetracer::mirror(curve)); + (*cdp)(curvetracer::mirrory(curve)); + } + } + + // border + (*cdp->out()) << "\\def\\xmax{" << xmax << "}" << std::endl; + (*cdp->out()) << "\\def\\ymax{" << ymax << "}" << std::endl; + + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..894091f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex new file mode 100644 index 0000000..622a9e9 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex @@ -0,0 +1,80 @@ +% +% rechteck.tex -- rechteck für Wertebereich der ell. Integrale +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\dx{3} +\def\dy{3} + +\input{rechteckpfade.tex} + +\begin{scope} + \clip ({-\xmax*\dx},{-\ymax*\dy}) rectangle ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}); + \fill[color=red!10] (0,{\ymax*\dy}) circle[radius=0.45]; + \fill[color=blue!10] (0,{-\ymax*\dy}) circle[radius=0.45]; + \draw[color=gray!80] (0,{\ymax*\dy}) -- (0,{\ymax*\dy-0.45}); + \draw[color=gray!80] (0,{-\ymax*\dy}) -- (0,{-\ymax*\dy+0.45}); +\end{scope} + +\draw ({-\xmax*\dx},{-\ymax*\dy}) rectangle ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}); + +\draw[->] ({-\xmax*\dx-0.3},0) -- ({\xmax*\dx+0.9},0) + coordinate[label={$\operatorname{Re}F(k,z)$}]; + +\draw[<->,line width=0.7pt] + ({-\xmax*\dx},{\ymax*\dy+0.2}) + -- + ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy+0.2}); +\draw[line width=0.2pt] + ({-\xmax*\dx},{\ymax*\dy}) + -- + ({-\xmax*\dx},{\ymax*\dy+0.3}); +\draw[line width=0.2pt] + ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}) + -- + ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy+0.3}); + +\node at ({-0.5*\xmax*\dx},{\ymax*\dy+0.2}) [above] {$2K(k)$}; +\draw[->] (0,{\ymax*\dy}) -- (0,{\ymax*\dy+0.7}) + coordinate[label={right:$\operatorname{Im}F(k,z)$}]; +\draw (0,{-\ymax*\dy}) -- (0,{-\ymax*\dy-0.2}); + +\draw[line width=0.2pt] + ({-\xmax*\dx-0.3},{-\ymax*\dy}) + -- + ({-\xmax*\dx},{-\ymax*\dy}); +\draw[line width=0.2pt] + ({-\xmax*\dx-0.3},{\ymax*\dy}) + -- + ({-\xmax*\dx},{\ymax*\dy}); +\draw[<->,line width=0.7pt] + ({-\xmax*\dx-0.2},{\ymax*\dy}) + -- + ({-\xmax*\dx-0.2},0); + +\node at ({-\xmax*\dx-0.2},{-0.5*\ymax*\dy}) [rotate=90,above] {$K(k')$}; +\node at ({-\xmax*\dx-0.2},{0.5*\ymax*\dy}) [rotate=90,above] {$K(k')$}; + +\draw[<->,line width=0.7pt] + ({-\xmax*\dx-0.2},{-\ymax*\dy}) + -- + ({-\xmax*\dx-0.2},0); + +\node at ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}) [right] {$K(k)+iK(k')$}; +\fill[color=white] ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}) circle[radius=0.05]; +\draw ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}) circle[radius=0.05]; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.m b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.m new file mode 100644 index 0000000..25196d0 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.m @@ -0,0 +1,81 @@ +# +# unvollstaendig.m +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +global N; +N = 200; +global n; +n = 5; + +function retval = integrand_f(t, k) + retval = 1 / sqrt((1 - t^2) * (1 - k^2 * t^2)); +endfunction + +function retval = integrand_e(t, k) + retval = sqrt((1-k^2*t^2)/(1-t^2)); +endfunction + +function retval = integrand_pi(n, t, k) + retval = 1 / ((1-n*t^2) * sqrt((1-k^2*t^2)*(1-t^2))); +endfunction + +function retval = elliptisch1(f, name, k) + global N; + global n; + s = 0; + fprintf(f, "\\def\\ell%s{ (0,0)", name); + delta = 1 / N; + for x = (0:delta:(1-delta)) + h = delta / n; + for t = (x+h/2:h:x+delta) + s = s + integrand_f(t, k) * h; + endfor + fprintf(f, "\n -- ({\\dx*%.4f},{\\dy*%.4f})", x + delta, s); + endfor + fprintf(f, "}\n"); +endfunction + +function retval = elliptisch2(f, name, k) + global N; + global n; + s = 0; + fprintf(f, "\\def\\ell%s{ (0,0)", name); + delta = 1 / N; + for x = (0:delta:(1-delta)) + h = delta / n; + for t = (x+h/2:h:x+delta) + s = s + integrand_e(t, k) * h; + endfor + fprintf(f, "\n -- ({\\dx*%.4f},{\\dy*%.4f})", x + delta, s); + endfor + fprintf(f, "\n}\n"); +endfunction + +fn = fopen("unvollpath.tex", "w"); + +elliptisch1(fn, "Fzero", 0.0); +elliptisch1(fn, "Fone", 0.1); +elliptisch1(fn, "Ftwo", 0.2); +elliptisch1(fn, "Fthree", 0.3); +elliptisch1(fn, "Ffour", 0.4); +elliptisch1(fn, "Ffive", 0.5); +elliptisch1(fn, "Fsix", 0.6); +elliptisch1(fn, "Fseven", 0.7); +elliptisch1(fn, "Feight", 0.8); +elliptisch1(fn, "Fnine", 0.9); +elliptisch1(fn, "Ften", 1.0); + +elliptisch2(fn, "Ezero", 0.0); +elliptisch2(fn, "Eone", 0.1); +elliptisch2(fn, "Etwo", 0.2); +elliptisch2(fn, "Ethree", 0.3); +elliptisch2(fn, "Efour", 0.4); +elliptisch2(fn, "Efive", 0.5); +elliptisch2(fn, "Esix", 0.6); +elliptisch2(fn, "Eseven", 0.7); +elliptisch2(fn, "Eeight", 0.8); +elliptisch2(fn, "Enine", 0.9); +elliptisch2(fn, "Eten", 1.0); + +fclose(fn); diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4da2c0c --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.tex new file mode 100644 index 0000000..1a1af13 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/unvollstaendig.tex @@ -0,0 +1,100 @@ +% +% unvollstaendig.tex -- Plots der unvollständigen elliptischen integrale +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\input{unvollpath.tex} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\pgfkeys{/pgf/number format/.cd, fixed, fixed zerofill, precision=1} + +\def\dx{12.8} +\def\dy{6} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\definecolor{blau}{rgb}{0.3,0.3,1} + +\begin{scope} +\begin{scope} +\clip (-0.1,-0.1) rectangle ({\dx+0.0},{10.1}); + +\fill[color=darkgreen!10] \ellEzero -- (\dx,{1.571*\dy}) -- (\dx,0) -- cycle; +\fill[color=red!10] \ellEzero -- (\dx,{1.571*\dy}) -- (\dx,10.1) -- (0,10.2) -- cycle; + +\node[color=red] at ({0.6*\dx},{1.3*\dy}) [scale=2] {$F(x,k)$}; +\node[color=darkgreen] at ({0.6*\dx},{0.3*\dy}) [scale=2] {$E(x,k)$}; + + +\draw[color=red!0!blau,line width=1.0pt] \ellFzero; +\draw[color=red!10!blau,line width=1.0pt] \ellFone; +\draw[color=red!20!blau,line width=1.0pt] \ellFtwo; +\draw[color=red!30!blau,line width=1.0pt] \ellFthree; +\draw[color=red!40!blau,line width=1.0pt] \ellFfour; +\draw[color=red!50!blau,line width=1.0pt] \ellFfive; +\draw[color=red!60!blau,line width=1.0pt] \ellFsix; +\draw[color=red!70!blau,line width=1.0pt] \ellFseven; +\draw[color=red!80!blau,line width=1.0pt] \ellFeight; +\draw[color=red!90!blau,line width=1.0pt] \ellFnine; +\draw[color=red!100!blau,line width=1.0pt] \ellFten; + +\draw[color=darkgreen!100!blau,line width=1.0pt] \ellEten; +\draw[color=darkgreen!90!blau,line width=1.0pt] \ellEnine; +\draw[color=darkgreen!80!blau,line width=1.0pt] \ellEeight; +\draw[color=darkgreen!70!blau,line width=1.0pt] \ellEseven; +\draw[color=darkgreen!60!blau,line width=1.0pt] \ellEsix; +\draw[color=darkgreen!50!blau,line width=1.0pt] \ellEfive; +\draw[color=darkgreen!40!blau,line width=1.0pt] \ellEfour; +\draw[color=darkgreen!30!blau,line width=1.0pt] \ellEthree; +\draw[color=darkgreen!20!blau,line width=1.0pt] \ellEtwo; +\draw[color=darkgreen!10!blau,line width=1.0pt] \ellEone; +\draw[color=darkgreen!0!blau,line width=1.0pt] \ellEzero; + +\end{scope} + +\draw[line width=0.2pt] (\dx,0) -- (\dx,10.1); + +\begin{scope} + \clip ({0.7*\dx},0) rectangle (\dx,10.1); + \draw[color=white,line width=0.5pt] \ellEzero -- (\dx,{1.571*\dy}); +\end{scope} + +\draw[->] ({-0.1},0) -- ({\dx+0.3},0) coordinate[label={$x$}]; +\foreach \x in {0,0.2,...,1.0}{ + \draw ({\x*\dx},-0.1) -- ({\x*\dx},0.1); + \node at ({\x*\dx},0) [below] {$\pgfmathprintnumber{\x}$}; +} +\draw[->] (0,{-0.1}) -- (0,{10.3}) coordinate[label={right:$y$}]; +\foreach \y in {0.5,1,1.5}{ + %\draw[line width=0.2pt] (0,{\y*\dy}) -- (\dx,{\y*\dy}); + \draw (-0.1,{\y*\dy}) -- (0.1,{\y*\dy}); + \node at (0,{\y*\dy}) [left] {$\pgfmathprintnumber{\y}$}; +} +\foreach \c in {0,10,...,100}{ + \pgfmathparse{\c/100} + \xdef\k{\pgfmathresult} + \node[color=red!\c!blau] at ({0.02*\dx},{0.95*\dy+0.04*\c}) + [right] {$k=\pgfmathprintnumber{\k}$}; +} +\foreach \c in {0,10,...,100}{ + \pgfmathparse{\c/100} + \xdef\k{\pgfmathresult} + \node[color=darkgreen!\c!blau] at ({0.98*\dx},{0.75*\dy-0.04*\c}) + [left] {$k=\pgfmathprintnumber{\k}$}; +} + +\draw ({\dx-0.1},{1.571*\dy}) -- ({\dx+0.1},{1.571*\dy}); +\node at (\dx,{1.571*\dy}) [right] {$\frac{\pi}2$}; +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex index d4ad019..7083b63 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -127,7 +127,7 @@ s(r) Das unvollständige elliptische Integral erster Art mit Parameter $m=-1$ ist \[ -F(r,-1) +K(r,-1) = \int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} = diff --git a/buch/chapters/references.bib b/buch/chapters/references.bib index b047d23..dd813d0 100644 --- a/buch/chapters/references.bib +++ b/buch/chapters/references.bib @@ -68,3 +68,10 @@ url = {https://www.stephenwolfram.com/publications/history-future-special-functions/} } +@book{buch:smirnov32, + title = {Lehrgang der höheren Mathematik}, + author = {Wladimir Ivanowitsch Smirnow}, + volume = { III/2 }, + publisher = {VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften}, + year = 1979 +} |