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diff --git a/buch/SeminarSpezielleFunktionen.tex b/buch/SeminarSpezielleFunktionen.tex new file mode 100644 index 0000000..4ee1900 --- /dev/null +++ b/buch/SeminarSpezielleFunktionen.tex @@ -0,0 +1,7 @@ +% +% buch.tex -- Buch zum mathematischen Seminar Spezielle Funktionen +% +% (c) 2022 Prof. Dr. Andreas Mueller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\def\IncludeBookCover{1} +\input{common/content.tex} diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex b/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex index 5f119e5..981e444 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex @@ -13,20 +13,30 @@ Operationen konstruieren lassen, sind die Polynome. \index{Polynom}% Ein {\em Polynome} vom Grad $n$ ist die Funktion \[ -p(x) = a_nx^2n + a_{n-1}x^{n-1} + \dots + a_2x^2 + a_1x + a_0, +p(x) = a_nx^n + a_{n-1}x^{n-1} + \dots + a_2x^2 + a_1x + a_0, \] wobei $a_n\ne 0$ sein muss. Das Polynom heisst {\em normiert}, wenn $a_n=1$ ist. \index{normiert}% +\index{Grad eines Polynoms}% Die Menge aller Polynome mit Koeffizienten in der Menge $K$ wird mit $K[x]$ bezeichnet. \end{definition} Die Menge $K[x]$ ist heisst auch der {\em Polynomring}, weil $K[x]$ -mit der Addition, Subtraktion und Multiplikation von Polynomen ein -Ring mit $1$ ist. -Im Folgenden werden wir uns auf die Fälle $K=\mathbb{R}$ und $K=\mathbb{C}$ -beschränken. +mit der Addition, Subtraktion und Multiplikation von Polynomen eine +algebraische Struktur bildet, die man einen Ring mit $1$ nennt. +\index{Ring}% +Im Folgenden werden wir uns auf die Fälle $K=\mathbb{Q}$, $K=\mathbb{R}$ +und $K=\mathbb{C}$ beschränken. + +Für den Grad eines Polynoms gelten die bekannten Rechenregeln +\begin{align*} +\deg (a(x) + b(x)) &\le \operatorname{max}(\deg a(x), \deg b(x)) +\\ +\deg (a(x)\cdot b(x)) &=\deg a(x) + \deg b(x) +\end{align*} +für beliebige Polynome $a(x),b(x)\in K[x]$. In Abschnitt~\ref{buch:orthogonalitaet:section:orthogonale-funktionen} werden Familien von Polynomen konstruiert werden, die sich durch eine @@ -35,12 +45,14 @@ Diese Polynome lassen sich typischerweise auch als Lösungen von Differentialgleichungen finden. Ausserdem werden hypergeometrische Funktionen \[ -\mathstrut_pF_q\biggl(\begin{matrix}a_1,\dots,a_p\\b_1,\dots,b_q\end{matrix};z\biggr), +\mathstrut_pF_q\biggl( +\begin{matrix}a_1,\dots,a_p\\b_1,\dots,b_q\end{matrix};z +\biggr), \] die in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:hypergeometrische-funktion} definiert werden, zu Polynomen, wenn mindestens einer der Parameter $a_k$ negativ ganzzahlig ist. -Polynome sind also bereits eine Vielfältige Quelle von speziellen +Polynome sind also bereits eine vielfältige Quelle von speziellen Funktionen. Viele spezielle Funktionen werden aber komplizierter sein und @@ -53,6 +65,7 @@ Dank des folgenden Satzes kann dies immer mit Polynomen geschehen. \begin{satz}[Weierstrass] \label{buch:potenzen:satz:weierstrass} +\index{Weierstrass, Satz von}% Eine auf einem kompakten Intervall $[a,b]$ stetige Funktion $f(x)$ lässt sich durch eine Folge $p_n(x)$ von Polynomen gleichmässig approximieren. @@ -69,6 +82,189 @@ ebenfalls als Approximationen dienen können. Weitere Möglichkeiten liefern Interpolationsmethoden der numerischen Mathematik. +\subsection{Polynomdivision, Teilbarkeit und grösster gemeinsamer Teiler} +Der schriftliche Divisionsalgorithmus für Zahlen funktioniert +auch für die Division von Polynomen. +Zu zwei beliebigen Polynomen $p(x)$ und $q(x)$ lassen sich also +immer zwei Polynome $a(x)$ und $r(x)$ finden derart, dass +$p(x) = a(x) q(x) + r(x)$. +Das Polynom $a(x)$ heisst der {\em Quotient}, $r(x)$ der {\em Rest} +der Division. +Das Polynom $p(x)$ heisst {\em teilbar} durch $q(x)$, geschrieben +$q(x)\mid p(x)$, wenn $r(x)=0$ ist. + +\subsubsection{Grösster gemeinsamer Teiler} +Mit dem Begriff der Teilbarkeit geht auch die Idee des grössten +gemeinsamen Teilers einher. +Ein gemeinsamer Teiler zweier Polynome $a(x)$ und $b(x)$ +ist ein Polynom $g(x)$, welches beide Polynome teilt, also +$g(x)\mid a(x)$ und $g(x)\mid b(x)$. +\index{grösster gemeinsamer Teiler}% +Ein Polynome $g(x)$ heisst grösster gemeinsamer Teiler von $a(x)$ +und $b(x)$, wenn jeder andere gemeinsame Teiler $f(x)$ von $a(x)$ +und $b(x)$ auch ein Teiler von $g(x)$ ist. +Man beachte, dass die skalaren Vielfachen eines grössten gemeinsamen +Teilers ebenfalls grösste gemeinsame Teiler sind, der grösste gemeinsame +Teiler ist also nicht eindeutig bestimmt. + +\subsubsection{Der euklidische Algorithmus} +Zur Berechnung eines grössten gemeinsamen Teilers steht wie bei den +ganzen Zahlen der euklidische Algorithmus zur Verfügung. +Dazu bildet man die Folgen von Polynomen +\[ +\begin{aligned} +a_0(x)&=a(x) & b_0(x) &= b(x) +& +&\Rightarrow& +a_0(x)&=b_0(x) q_0(x) + r_0(x) && +\\ +a_1(x)&=b_0(x) & b_1(x) &= r_0(x) +& +&\Rightarrow& +a_1(x)&=b_1(x) q_1(x) + r_1(x) && +\\ +a_2(x)&=b_1(x) & b_2(x) &= r_1(x) +& +&\Rightarrow& +a_2(x)&=b_2(x) q_2(x) + r_2(x) && +\\ +&&&&&\hspace*{2mm}\vdots&& +\\ +a_{m-1}(x)&=b_{m-2}(x) & b_{m-1}(x) &= r_{m-2}(x) +& +&\Rightarrow& +a_{m-1}(x)&=b_{m-1}(x)q_{m-1}(x) + r_{m-1}(x) &\text{mit }r_{m-1}(x)&\ne 0 +\\ +a_m(x)&=b_{m-1}(x) & b_m(x)&=r_{m-1}(x) +& +&\Rightarrow& +a_m(x)&=b_m(x)q_m(x).&& +\end{aligned} +\] +Der Index $m$ ist der Index, bei dem zum ersten Mal $r_m(x)=0$ ist. +Dann ist $g(x)=r_{m-1}(x)$ ein grösster gemeinsamer Teiler. + +\subsubsection{Der erweiterte euklidische Algorithmus} +Die Konstruktion der Folgen $a_n(x)$ und $b_n(x)$ kann in Matrixform +kompakter geschrieben werden als +\[ +\begin{pmatrix} +a_k(x)\\ +b_k(x) +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +b_{k-1}(x)\\ +r_{k-1}(x) +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +0 & 1\\ +1 & -q_{k-1}(x) +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} +a_{k-1}(x)\\ +b_{k-1}(x) +\end{pmatrix}. +\] +Kürzen wir die $2\times 2$-Matrix als +\[ +Q_k(x) = \begin{pmatrix} 0&1\\1&-q_k(x)\end{pmatrix} +\] +ab, dann ergibt das Produkt der Matrizen $Q_0(x)$ bis $Q_{m}(x)$ +\[ +\begin{pmatrix} +g(x)\\ +0 +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +r_{m-1}(x)\\ +r_{m}(x) +\end{pmatrix} += +Q_{m}(x) +Q_{m-1}(x) +\cdots +Q_1(x) +Q_0(x) +\begin{pmatrix} +a(x)\\ +b(x) +\end{pmatrix}. +\] +Zur Berechnung des Produktes der Matrizen $Q_k(x)$ kann man rekursiv +vorgehen mit der Rekursionsformel +\[ +S_{k}(x) = Q_{k}(x) S_{k-1}(x) +\qquad\text{mit}\qquad +S_{-1}(x) += +\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}. +\] +Ausgeschrieben bedeutet dies Matrixrekursionsformel +\[ +S_{k-1}(x) += +\begin{pmatrix} +c_{k-1} & d_{k-1} \\ +c_k & d_k +\end{pmatrix} +\qquad\Rightarrow\qquad +Q_{k}(x) S_{k-1}(x) += +\begin{pmatrix} +0&1\\1&-q_k(x) +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} +c_{k-1} & d_{k-1} \\ +c_k & d_k +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +c_k&d_k\\ +c_{k+1}&d_{k+1} +\end{pmatrix}. +\] +Daraus lässt sich für die Matrixelemente die Rekursionsformel +\[ +\begin{aligned} +c_{k+1} &= c_{k-1} - q_k(x) c_k(x) \\ +d_{k+1} &= d_{k-1} - q_k(x) d_k(x) +\end{aligned} +\quad +\bigg\} +\qquad +\text{mit Startwerten} +\qquad +\bigg\{ +\begin{aligned} +\quad +c_{-1} &= 1, & c_0 &= 0 \\ +d_{-1} &= 0, & d_0 &= 1. +\end{aligned} +\] +Wendet man die Matrix $S_m(x)$ auf den Vektor mit den Komponenten +$a(x)$ und $b(x)$, erhält man die Beziehungen +\[ +g(x) = c_{k-1}(x) a(x) + d_{k-1}(x) b(x) +\qquad\text{und}\qquad +0 = c_k(x) a(x) + d_k(x) b(x). +\] +Dieser Algorithmus heisst der erweiterte euklidische Algorithmus. +Wir fassen die Resultate zusammen im folgenden Satz. + +\begin{satz} +Zu zwei Polynomen $a(x),b(x) \in K[x]$ gibt es Polynome +$g(x),c(x),d(x)\in K[x]$ +derart, dass $g(x)$ ein grösster gemeinsamer Teiler von $a(x)$ und $b(x)$ +ist, und ausserdem +\[ +g(x) = c(x)a(x)+d(x)b(x) +\] +gilt. +\end{satz} + \subsection{Faktorisierung und Nullstellen} % wird später gebraucht um bei der Definition der hypergeometrischen Reihe % die Zaehler- und Nenner-Polynome als Pochhammer-Symbole zu entwickeln @@ -77,11 +273,24 @@ numerischen Mathematik. % Wird gebraucht für die Potenzreihen-Methode % Muss später ausgedehnt werden auf Potenzreihen -\subsection{Polynom-Berechnung} -Die naive Berechnung der Werte eines Polynoms beginnt mit der Berechnung -der Potenzen. -Die Anzahl nötiger Multiplikationen kann minimiert werden, indem man -das Polynom als +\subsection{Berechnung von Polynom-Werten} +Die naive Berechnung der Werte eines Polynoms $p(x)$ vom Grad $n$ +beginnt mit der Berechnung der Potenzen von $x$. +Da alle Potenzen benötigt werden, wird man dazu $n-1$ Multiplikationen +benötigen. +Die Potenzen müssen anschliessend mit den Koeffizienten multipliziert +werden, dazu sind weitere $n$ Multiplikationen nötig. +Der Wert des Polynoms kann also erhalten werden mit $2n-1$ Multiplikationen +und $n$ Additionen. + +Die Anzahl nötiger Multiplikationen kann mit dem folgenden Vorgehen +reduziert werden, welches auch als das {\em Horner-Schema} bekannt ist. +\index{Horner-Schema}% +Statt erst am Schluss alle Terme zu addieren, addiert man so früh +wie möglich. +Zum Beispiel multipliziert man $(a_nx+a_{n-1})$ mit $x$, was auf +die Multiplikationen beider Terme mit $x$ hinausläuft. +Mit dieser Idee kann man das Polynom als \[ a_nx^n + @@ -95,10 +304,10 @@ a_0 = ((\dots((a_nx+a_{n-1})x+a_{n-2})x+\dots )x+a_1)x+a_0 \] -schreibt. +schreiben. Beginnend bei der innersten Klammer sind genau $n$ Multiplikationen -und $n+1$ Additionen nötig, im Gegensatz zu $2n$ Multiplikationen -und $n$ Additionen bei der naiven Vorgehensweise. +und $n$ Additionen nötig, man spart mit diesem Vorgehen also +$n-1$ Multiplikationen. diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex index f3f1d39..0b2842b 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex @@ -42,7 +42,7 @@ wie die Berechnung der Länge von Ellipsen- oder Hyperbelbögen auf die Notwendigkeit führt, neue spezielle Funktionen zu definieren. \input{chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex} -\input{chapters/030-geometrie/sphaerisch.tex} +%\input{chapters/030-geometrie/sphaerisch.tex} \input{chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex} \input{chapters/030-geometrie/laenge.tex} \input{chapters/030-geometrie/flaeche.tex} @@ -54,5 +54,6 @@ die Notwendigkeit führt, neue spezielle Funktionen zu definieren. %\uebungsaufgabe{0} \uebungsaufgabe{1} \uebungsaufgabe{2} +\uebungsaufgabe{3} \end{uebungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.pdf b/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.pdf Binary files differindex 0b514eb..d708377 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.pdf +++ b/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.pdf diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.tex b/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.tex index c38dc19..a194190 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/images/einheitskreis.tex @@ -41,6 +41,7 @@ \fill[color=blue] (\a:\r) circle[radius=0.05]; \draw[color=blue,line width=1.4pt] (\r,0) -- (\r,{\r*tan(\a)}); +\fill[color=blue] (\r,{\r*tan(\a)}) circle[radius=1.0pt]; \node[color=blue] at (\r,{0.5*\r*tan(\a)}) [right] {$\tan\alpha$}; \draw[color=blue,line width=0.4pt] ({\r*cos(\a)},0) -- (\a:\r); @@ -53,6 +54,7 @@ \draw[color=blue] (-0.1,{\r*sin(\a)}) -- (0.1,{\r*sin(\a)}); \draw[color=blue,line width=1.4pt] (0,\r) -- ({\r/tan(\a)},\r); +\fill[color=blue] ({\r/tan(\a)},\r) circle[radius=1.0pt]; \node[color=blue] at ({0.5*\r/tan(\a)},\r) [above] {$\cot\alpha$}; \draw[color=darkgreen,line width=1pt] (0,0) -- (\b:\r); @@ -61,9 +63,11 @@ \fill[color=darkgreen] (\b:\r) circle[radius=0.05]; \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] (0,\r) -- ({\r/tan(\b)},\r); +\fill[color=darkgreen] ({\r/tan(\b)},\r) circle[radius=1.0pt]; \node[color=darkgreen] at ({0.5*\r/tan(\b)},\r) [above] {$\cot\beta$}; \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] (\r,0) -- (\r,{\r*tan(\b)}); +\fill[color=darkgreen] (\r,{\r*tan(\b)}) circle[radius=1.0pt]; \node[color=darkgreen] at (\r,{0.5*\r*tan(\b)}) [right] {$\tan\beta$}; \draw[color=darkgreen,line width=0.4pt] (\b:\r) -- (0,{\r*sin(\b)}); diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/uebungsaufgaben/3.tex b/buch/chapters/030-geometrie/uebungsaufgaben/3.tex new file mode 100644 index 0000000..6a501fb --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/uebungsaufgaben/3.tex @@ -0,0 +1,169 @@ +\def\cas{\operatorname{cas}} +Die Funktion $\cas$ definiert durch +$\cas x = \cos x + \sin x$ hat einige interessante Eigenschaften. +Wie die gewöhnlichen trigonometrischen Funktionen $\sin x$ und $\cos x$ +ist $\cas x$ $2\pi$-periodisch. +Die Ableitung und das Additionstheorem benötigen bei den gewöhnlichen +trigonometrischen Funktionen aber beide Funktionen, im Gegensatz zu den +im folgenden hergeleiteten Formeln, die nur die Funktion $\cas x$ brauchen. +\begin{teilaufgaben} +\item +Drücken Sie die Ableitung von $\cas x$ allein durch Werte der +$\cas$-Funktion aus. +\item +Zeigen Sie, dass +\[ +\cas x += +\sqrt{2} \sin\biggl(x+\frac{\pi}4\biggr) += +\sqrt{2} \cos\biggl(x-\frac{\pi}4\biggr). +\] +\item +Beweisen Sie das Additionstheorem für die $\cas$-Funktion +\begin{equation} +\cas(x+y) += +\frac12\bigl( +\cas(x)\cas(y) + \cas x\cas (-y) + \cas(-x)\cas(y) -\cas(-x)\cas(-y) +\bigr) +\label{buch:geometrie:uebung3:eqn:addition} +\end{equation} +\end{teilaufgaben} +Youtuber Dr Barker hat die Funktion $\cas$ im Video +{\small\url{https://www.youtube.com/watch?v=bn38o3u0lDc}} vorgestellt. + +\begin{loesung} +\begin{teilaufgaben} +\item +Die Ableitung ist +\[ +\frac{d}{dx}\cas x += +\frac{d}{dx}(\cos x + \sin x) += +-\sin x + \cos x += +\sin(-x) + \cos(-x) += +\cas(x). +\] +\item +Die Additionstheoreme angewendet auf die trigonometrischen Funktionen +auf der rechten Seite ergibt +\begin{align*} +\sin\biggl(x+\frac{\pi}4\biggr) +&= +\sin x \cos\frac{\pi}4 + \cos x \sin\frac{\pi}4 +&&& +\cos\biggl(x-\frac{\pi}4\biggr) +&= +\cos(x)\cos\frac{\pi}4 -\sin x \sin\biggl(-\frac{\pi}4\biggr) +\\ +&= +\frac{1}{\sqrt{2}} \sin x ++ +\frac{1}{\sqrt{2}} \cos x +&&& +&= +\frac{1}{\sqrt{2}} \cos x ++ +\frac{1}{\sqrt{2}} \sin x +\\ +&=\frac{1}{\sqrt{2}} \cas x +&&& +&= +\frac{1}{\sqrt{2}} \cas x. +\end{align*} +Multiplikation mit $\sqrt{2}$ ergibt die behaupteten Relationen. +\item +Substituiert man die Definition von $\cas(x)$ auf der rechten Seite von +\eqref{buch:geometrie:uebung3:eqn:addition} und multipliziert aus, +erhält man +\begin{align*} +\eqref{buch:geometrie:uebung3:eqn:addition} +&= +{\textstyle\frac12}\bigl( +(\cos x + \sin x) +(\cos y + \sin y) ++ +(\cos x + \sin x) +(\cos y - \sin y) +\\ +&\qquad ++ +(\cos x - \sin x) +(\cos y + \sin y) +- +(\cos x - \sin x) +(\cos y - \sin y) +\bigr) +\\ +&= +\phantom{-\mathstrut} +{\textstyle\frac12}\bigl( +\cos x\cos y ++ +\cos x\sin y ++ +\sin x\cos y ++ +\sin x\sin y +\\ +& +\phantom{=-\mathstrut{\textstyle\frac12}\bigl(}\llap{$\mathstrut +\mathstrut$} +\cos x\cos y +- +\cos x\sin y ++ +\sin x\cos y +- +\sin x\sin y +\\ +& +\phantom{=-\mathstrut{\textstyle\frac12}\bigl(}\llap{$\mathstrut +\mathstrut$} +\cos x\cos y ++ +\cos x\sin y +- +\sin x\cos y +- +\sin x\sin y +\bigr) +\\ +& +\phantom{=} +-\mathstrut{\textstyle\frac12}\bigl( +\cos x\cos y +- +\cos x\sin y +- +\sin x\cos y ++ +\sin x\sin y +\bigr) +\\ +&= \cos x \cos y ++ +\cos x \sin y ++ +\sin x \cos y +- +\sin x \sin y. +\intertext{Die äussersten zwei Terme passen zum Additionstheorem für den +Kosinus, die beiden inneren Terme dagegen zum Sinus. +Fasst man sie zusammen, erhält man} +&= +(\sin x\cos y + \cos x \sin y) ++ +(\cos x\cos y - \sin x \sin y) +\\ +&= +\sin (x+y) + \cos(x+y) += +\cas(x+y). +\end{align*} +Damit ist das Additionstheorem für die Funktion $\cas$ bewiesen. +\qedhere +\end{teilaufgaben} +\end{loesung} diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex b/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex index 979d04c..77715ca 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex @@ -280,7 +280,7 @@ folgt jetzt \begin{align*} \varphi_{X_{k:n}}(x) &= -\varphi_X(x)k\binom{n}{k} F_X(x)^{k-1}(1-F_X(x))^{n-k}(x). +\varphi_X(x)k\binom{n}{k} F_X(x)^{k-1}(1-F_X(x))^{n-k}. \intertext{Im Speziellen für gleichverteilte Zufallsvariablen $X_i$ ist } \varphi_{X_{k:n}}(x) diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/order.pdf b/buch/chapters/040-rekursion/images/order.pdf Binary files differindex cc175a9..88b2b08 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/images/order.pdf +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/order.pdf diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/order.tex b/buch/chapters/040-rekursion/images/order.tex index 9a2511c..0284735 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/images/order.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/order.tex @@ -65,7 +65,7 @@ \node at ({-0.1/\skala},{\y*\dy}) [left] {$\y$}; } -\node[color=darkgreen] at (0.65,{0.5*\dy}) [above,rotate=55] {$k=7$}; +\node[color=darkgreen] at ({0.64*\dx},{0.56*\dy}) [rotate=42] {$k=7$}; \begin{scope}[yshift=-0.7cm] \def\dy{0.125} diff --git a/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.pdf b/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.pdf Binary files differindex 6c551f4..a0fa332 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.pdf +++ b/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.pdf diff --git a/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.tex b/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.tex index 01021e3..1c19363 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/images/besselgrid.tex @@ -65,7 +65,6 @@ } \end{scope} - \node at (-4.5,1.5) {$\Gamma(n+k+1)=\infty$}; } \begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] @@ -75,6 +74,7 @@ \punkte \nachse{black} \kachse + \node at (-4.5,1.5) {$\Gamma(n+k+1)=\infty$}; \end{scope} \begin{scope}[yshift=-7.8cm] @@ -83,6 +83,7 @@ \punkte \draw[->] (0.3,-0.3) -- (-6.4,6.4) coordinate[label={above right:$k$}]; \draw[->] (-3.3,3) -- (6.6,3) coordinate[label={right:$m$}]; + \node at (-4.5,1.5) {$\Gamma(m+1)=\infty$}; \end{scope} \end{tikzpicture} diff --git a/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc b/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc index d85caad..e0dfc21 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc @@ -8,5 +8,12 @@ CHAPTERFILES += \ chapters/060-integral/fehlerfunktion.tex \ chapters/060-integral/eulertransformation.tex \ chapters/060-integral/differentialkoerper.tex \ + chapters/060-integral/rational.tex \ + chapters/060-integral/erweiterungen.tex \ + chapters/060-integral/diffke.tex \ + chapters/060-integral/irat.tex \ + chapters/060-integral/sqratrat.tex \ chapters/060-integral/risch.tex \ + chapters/060-integral/logexp.tex \ + chapters/060-integral/elementar.tex \ chapters/060-integral/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex b/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex index f41d3ba..a112e33 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex @@ -1,1953 +1,29 @@ % -% differentialalgebren.tex +% differentialkoerper.tex % % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Differentialkörper und der Satz von Liouville +\section{Differentialkörper und das Integrationsproblem \label{buch:integrale:section:dkoerper}} -\rhead{Differentialkörper und der Satz von Liouville} -Das Problem der Darstellbarkeit eines Integrals in geschlossener -Form verlangt zunächst einmal nach einer Definition dessen, was man -als ``geschlossene Form'' akzeptieren will. -Die sogenannten {\em elementaren Funktionen} von -Abschnitt~\ref{buch:integrale:section:elementar} -bilden dafür den theoretischen Rahmen. -Das Problem ist dann die Frage zu beantworten, ob ein Integral eine -Stammfunktion hat, die eine elementare Funktion ist. -Der Satz von Liouville von Abschnitt~\ref{buch:integrale:section:liouville} -löst das Problem. - -\subsection{Eine Analogie -\label{buch:integrale:section:analogie}} -% XXX Analogie: Formel für Polynom-Nullstellen -% XXX Stammfunktion als elementare Funktion -Das Analysis-Problem, eine Stammfunktion zu finden, ist analog zum -wohlbekannten algebraischen Problem, Nullstellen von Polynomen zu finden. -Wir entwickeln diese Analogie in etwas mehr Detail, um zu sehen, ob man -aus dem algebraischen Problem etwas über das Problem der Analysis -lernen kann. - -Für ein Polynom $p(X) = a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\dots+a_1X+a_0\in\mathbb{C}[X]$ -mit Koeffizienten $a_k\in\mathbb{C}$ ist es sehr einfach, für jede beliebige -komplexe Zahl $z\in\mathbb{C}$ den Wert $p(z)$ des Polynoms auszurechnen. -Ein paar wenige Rechenregeln genügen dazu, man kann leicht einem Kind -beibringen, mit einem Taschenrechner so einen Wert auszurechnen. - -Ähnlich sieht es mit der Ableitungsoperation aus. -Einige wenige Ableitungsregeln, die man in der Analysis~I lernt, -erlauben, auf mehr oder weniger mechanische Art und Weise, jede -beliebige Funktion abzuleiten. -Man kann auch leicht einen Computer dazu programmieren, solche Ableitungen -symbolisch zu berechnen. - -Aus dem Fundamentalsatz der Algebra, der von Gauss vollständig bewiesen -wurde, ist bekannt, dass jedes Polynom mit Koeffizienten in $\mathbb{C}$ -genau so viele Lösungen in $\mathbb{C}$, wie der Grad des Polynoms angibt. -Dies ist aber ein Existenzsatz, er sagt nichts darüber aus, wie man diese -Lösungen finden kann. -In Spezialfällen, wie zum Beispiel für quadratische Polynome, gibt -es spezialsierte Lösungsverfahren, mit denen man Lösungen angeben kann. -Natürlich existieren numerische Methoden wie zum Beispiel das -Newton-Verfahren, mit dem man Nullstellen von Polynomen beliebig genau -bestimmen kann. - -Der Fundamentalsatz der Integralrechnung besagt, dass jede stetige -Funktion eine Stammfunktion hat, die bis auf eine Konstante eindeutig -bestimmt ist. -Auch dieser Existenzsatz gibt keinerlei Hinweise darauf, wie man die -Stammfunktion finden kann. -In der Analysis-Vorlesung lernt man viele Tricks, die in einer -beindruckenden Zahl von Spezialfällen ermöglichen, ein passende -Funktion anzugeben. -Man lernt auch numerische Verfahren kennen, mit denen sich Werte der -Stammfunktion, also bestimmte Integrale, mit beliebiger Genauigkeit -finden kann. - -Die numerische Lösung des Nullstellenproblems ist insofern unbefriedigend, -als sie nur schwer eine Diskussion der Abhängigkeit der Nullstellen von -den Koeffizienten des Polynoms ermöglichen. -Eine Formel wie die Lösungsformel für die quadratische Gleichung -stellt genau für solche Fälle ein ideales Werkzeug bereit. -Was man sich also wünscht ist nicht nur einfach eine Lösung, sondern eine -einfache Formel zur Bestimmung aller Lösungen. -Im Zusammenhang mit algebraischen Gleichungen erwartet man eine Formel, -in der nur arithmetische Operationen und Wurzeln vorkommen. -Für quadratische Gleichungen ist so eine Formel seit dem Altertum bekannt, -Formeln für die kubische Gleichung und die Gleichung vierten Grades wurden -im 16.~Jahrhundert von Cardano bzw.~Ferrari gefunden. -Erst viel später haben Abel und Ruffini gezeigt, dass so eine allgemeine -Formel für Polynome höheren Grades als 4 nicht existiert. -Die Galois-Theorie, die auf den Ideen von Évariste Galois beruht, -stellt eine vollständige Theorie unter anderem für die Lösbarkeit -von Gleichungen durch Wurzelausdrücke dar. - -Numerische Integralwerte haben ebenfalls den Nachteil, dass damit -Diskussionen wie die Abhängigkeit von Parametern eines Integranden -nur schwer möglich sind. -Was man sich daher wünscht ist eine Formel für die Stammfunktion, -die Werte als Zusammensetzung gut bekannter Funktionen wie der Exponential- -und Logarithmus-Funktionen oder der trigonometrischen Funktionen -sowie Wurzeln, Potenzen und den arithmetischen Operationen. -Man sagt, man möchte die Stammfunktion in ``geschlossener Form'' -dargestellt haben. -Tatsächlich ist dieses Problem auch zu Beginn des 19.~Jahrhunderts -von Joseph Liouville genauer untersucht worden. -Er hat zunächst eine Klasse von ``elementaren Funktionen'' definiert, -die als Darstellungen einer Stammfunktion in Frage kommen. -Der Satz von Liouville besagt dann, dass nur Funktionen mit einer -ganz speziellen Form eine elementare Stammfunktion haben. -Damit wird es möglich, zu entscheiden, ob ein Integrand wie $e^{-x^2}$ -eine elementare Stammfunktion hat. -Seit dieser Zeit weiss man zum Beispiel, dass die Fehlerfunktion nicht -mit den bekannten Funktionen dargestellt werden kann. - -Mit dem Aufkommen der Computer und vor allem der Computer-Algebra-System (CAS) -wurde die Frage nach der Bestimmung einer Stammfunktion erneut aktuell. -Die ebenfalls weiter entwickelte abstrakte Algebra hat ermöglicht, die -Ideen von Liouville in eine erweiterte, sogenannte differentielle -Galois-Theorie zu verpacken, die eine vollständige Lösung des Problems -darstellt. -Robert Henry Risch hat in den Sechzigerjahren auf dieser Basis -einen Algorithmus entwickelt, mit dem es möglich wird, zu entscheiden, -ob eine Funktion eine elementare Stammfunktion hat und diese -gegebenenfalls auch zu finden. -Moderne CAS implementieren diesen Algorithmus -in Teilen, besonders weit zu gehen scheint das quelloffene System -Axiom. - -Der Risch-Algorithmus hat allerdings eine Achillesferse: er benötigt -eine Method zu entscheiden, ob zwei Ausdrücke übereinstimmen. -Dies ist jedoch ein im Allgemeinen nicht entscheidbares Problem. -Moderne CAS treiben einigen Aufwand, um die -Gleichheit von Ausdrücken zu entscheiden, sie können das Problem -aber grundsätzlich nicht vollständig lösen. -Damit kann der Risch-Algorithmus in praktischen Anwendungen das -Stammfunktionsproblem ebenfalls nur mit Einschränkungen lösen, -die durch die Fähigkeiten des Ausdrucksvergleichs in einem CAS -gesetzt werden. - -Im Folgenden sollen elementare Funktionen definiert werden, es sollen -die Grundideen der differentiellen Galois-Theorie zusammengetragen werden -und der Satz von Liouvill vorgestellt werden. -An Hand der Fehler-Funktion soll dann gezeigt werden, wie man jetzt -einsehen kann, dass die Fehlerfunktion nicht elementar darstellbar ist. -Im nächsten Abschnitt dann soll der Risch-Algorithmus skizziert werden. - -\subsection{Elementare Funktionen -\label{buch:integrale:section:elementar}} -Es soll die Frage beantwortet werden, welche Stammfunktionen sich -in ``geschlossener Form'' oder durch ``wohlbekannte Funktionen'' -ausdrücken lassen. -Welche Funktionen dabei als ``wohlbekannt'' gelten dürfen ist -ziemlich willkürlich. -Sicher möchte man Potenzen und Wurzeln, Logarithmus und Exponentialfunktion, -aber auch die trigonometrischen Funktionen dazu zählen dürfen. -Ausserdem will man beliebig mit den arithmetischen Operationen -rechnen. -So entsteht die Menge der Funktionen, die man ``elementar'' nennen -will. - -In der Menge der elementaren Funktionen möchte man jetzt -Stammfunktionen ausgewählter Funktionen suchen. -Dazu muss man von jeder Funktion ihre Ableitung kennen. -Die Ableitungsoperation macht aus der Funktionenmenge eine -differentielle Algebra. -Der Satz von Liouville (Satz~\ref{buch:integrale:satz:liouville1}) -liefert Bedingungen, die erfüllt sein müssen, wenn eine Funktion -eine elementare Stammfunktion hat. -Sind diese Bedingungen nicht erfüllbar, ist auch keine -elementare Stammfunktion möglich. - -In den folgenden Abschnitten soll die differentielle Algebra -der elementaren Funktionen konstruiert werden. - -\subsubsection{Körper} -Die einfachsten Funktionen sind die die Konstanten, für die wir -für die nachfolgenden Betrachtungen fast immer die komplexen Zahlen -$\mathbb{C}$ -zu Grunde legen wollen. -Dabei ist vor allem wichtig, dass sich darin alle arithmetischen -Operationen durchführen lassen mit der einzigen Ausnahme, dass -nicht durch $0$ dividiert werden darf. -Man nennt $\mathbb{C}$ daher ein {\em Körper}. -\index{Körper}% -\label{buch:integrale:def:koerper} - -\subsubsection{Polynome und rationale Funktionen} -Die Polynome einer Variablen beschreiben eine Menge von -Funktionen, in der Addition, Subtraktion, Multiplikation -von Funktionen und Multiplikation mit komplexen Zahlen -uneingeschränkt möglich ist. -Wir bezeichen wie früher die Menge der Polynome in $z$ mit -$\mathbb{C}[z]$. - -Die Division ist erst möglich, wenn man beliebige Brüche -zulässt, deren Zähler und Nenner Polynome sind. -Die Menge -\[ -\mathbb{C}(z) -= -\biggl\{ -\frac{p(z)}{q(z)} -\;\bigg|\; -p,q\in \mathbb{C}[z] -\biggr\} -\] -heisst die Menge der {\em rationalen Funktionen}. -\label{buch:integrale:def:rationalefunktion} -\index{Funktion, rationale}% -\index{rationale Funktion}% -In ihr sind jetzt alle arithmetischen Operationen ausführbar -ausser natürlich die Division durch die Nullfunktion. -Die rationalen Funktionen bilden also wieder eine Körper. - -Die Tatsache, dass die rationalen Funktionen einen Körper -bilden bedeutet auch, dass die Konstruktion erneut durchgeführt -werden kann. -Ausgehend von einem beliebigen Körper $K$ können wieder zunächst -die Polynome $K[X]$ und anschliesen die rationalen Funktionen $K[X]$ -in der neuen Variablen, jetzt aber mit Koeffizienten in $K$ -gebildet werden. -So entstehen Funktionen von mehreren Variablen und, indem -wir für die neue Variable $X$ zum Beispiel die im übernächsten -Abschnitt betrachtete Wurzel $X=\sqrt{z}$ -einsetzen, rationale Funktionen in $z$ und $\sqrt{z}$. - -Solche Funktionenkörper werden im folgenden mit geschweiften -Buchstaben $\mathscr{D}$ bezeichnet. -\index{Funktionenkörper}% - -\subsubsection{Ableitungsoperation} -In allen Untersuchungen soll immer die Ableitungsoperation -mit berücksichtigt werden. -In unserer Betrachtungsweise spielt es keine Rolle, dass die -Ableitung aus einem Grenzwert entsteht, es sind nur die algebraischen -Eigenschaften wichtig. -Diese sind in der folgenden Definition zusammengefasst. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:derivation} -Ein {\em Ableitungsoperator} oder eine {\em Derivation} einer Algebra -$\mathscr{D}$ von Funktionen ist eine lineare Abbildung -\[ -\frac{d}{dz} -\colon \mathscr{D} \to \mathscr{D} -: -f \mapsto \frac{df}{dz} = f', -\] -die zusätzlich die Produktregel -\begin{equation} -\frac{d}{dz} (fg) -= -\frac{df}{dz} \cdot g + f \cdot \frac{dg}{dz} -\qquad\Leftrightarrow\qquad -(fg)' = f' g + fg' -\label{buch:integrale:eqn:produktregel} -\end{equation} -\index{Produktregel}% -erfüllt. -Die Funktion $f'\in \mathscr{D}$ heisst auch die {\em Ableitung} -von $f\in\mathscr{D}$. -\index{Derivation}% -\index{Ableitungsoperator}% -\index{Ableitung}% -\end{definition} - -Die Produktregel hat zum Beispiel auch die bekannten Quotientenregel -zur Folge. -Dazu betrachten wir das Produkt $f= (f/g)\cdot g$ und leiten es mit -Hilfe der Produktregel ab: -\[ -\frac{d}{dz}f -= -\frac{d}{dz} -\biggl( -\frac{f}{g}\cdot g -\biggr) -= -{\color{darkred} -\frac{d}{dz} -\biggl( -\frac{f}{g} -\biggr)} -\cdot g -+ -\frac{f}{g}\cdot \frac{d}{dz}g. -\] -Jetzt lösen wir nach der {\color{darkred}roten} Ableitung des Quotienten -auf und erhalten -\begin{equation} -\biggl(\frac{f}{g}\biggr)' -= -\frac{d}{dz}\biggl(\frac{f}{g}\biggr) -= -\frac1g\biggl( -\frac{d}{dz}f - \frac{f}{g}\cdot \frac{d}{dz}g -\biggr) -= -\frac{1}{g} -\biggl( -f'-\frac{fg'}{g} -\biggr) -= -\frac{f'g-fg'}{g^2}. -\label{buch:integrale:eqn:quotientenregel} -\end{equation} -Dies ist die Quotientenregel. - -Aus der Produktregel folgt natürlich sofort auch die Potenzregel -für die Ableitung der $n$ten Potenz einer Funktion $f\in\mathscr{D}$, -sie lautet: -\begin{equation} -\frac{d}{dz} f^n -= -\underbrace{ -f'f^{n-1} + ff'f^{n-2} + f^2f'f^{n-3}+\dots f^{n-1}f' -}_{\displaystyle \text{$n$ Terme}} -= -nf^{n-1}f'. -\label{buch:integrale:eqn:potenzregel} -\end{equation} -In dieser Form versteckt sich natürlich auch die Kettenregel, die -Potenzfunktion ist die äussere Funktion, $f$ die innere, $f'$ ist also -die Ableitung er inneren Funktion, wie in der Kettenregel verlangt. -Falls $f$ ein Element von $\mathscr{D}$ ist mit der Eigenschaft -$df/dz=1$, dann entsteht die übliche Produktregel. - -\begin{definition} -Eine Algebra $\mathscr{D}$ von Funktionen mit einem Ableitungsoperator -$d/dz$ heisst eine {\em differentielle Algebra}. -\index{differentielle Algebra}% -\index{Algebra, differentielle}% -In einer differentiellen Algebra gelten die üblichen -Ableitungsregeln. -\end{definition} - -Die Potenzregel war in der Form~\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} -geschrieben worden, nicht als die Ableitung von $z$. -Der Grund dafür ist, dass wir gar nicht voraussetzen wollen, dass in -unserer differentiellen Algebra eine Funktion existiert, die die -Rolle von $z$ hat. -Dies ist gar nicht nötig, wie das folgende Beispiel zeigt. - -\begin{beispiel} -Als Funktionenmenge $\mathscr{D}$ nehmen wir rationale Funktionen -in zwei Variablen, die wir $\cos x $ und $\sin x$ nennen. -Diese Menge bezeichnen wir mit -$\mathscr{D}=\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ -Der Ableitungsoperator ist -\begin{align*} -\frac{d}{dx} \cos x &= -\sin x -\\ -\frac{d}{dx} \sin x &= \phantom{-}\cos x. -\end{align*} -Die Funktionen von $\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ sind also Brüche, -deren Zähler und Nenner Polynome in $\cos x$ und $\sin x$ sind. -Aus den Produkt- und Quotientenregeln und den Ableitungsregeln für -$\cos x$ und $\sin x$ folgt, dass die Ableitung einer Funktion in -$\mathscr{D}$ wieder in $\mathscr{D}$ ist, $\mathscr{D}$ ist eine -differentielle Algebra. -\end{beispiel} - -Die konstanten Funktionen spielen eine besondere Rolle. -Da wir bei der Ableitung nicht von der Vorstellung einer -Funktion mit einem variablen Argument ausgehen wollten und -die Ableitung nicht als Grenzwert definieren wollten, müssen -wir auch bei der Definition der ``Konstanten'' einen neuen -Weg gehen. -In der Analysis sind die Konstanten genau die Funktionen, -deren Ableitung $0$ ist. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:konstante} -Ein Element $f\in \mathscr{D}$ mit $df/dz=f'=0$ heissen -{\em Konstante} in $\mathscr{D}$. -\index{Konstante}% -\end{definition} - -Die in der Potenzregel~\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} -vermisste Funktion $z$ kann man ähnlich zu den Konstanten -zu definieren versuchen. -$z$ müsste ein Element von $\mathscr{D}$ mit $z' = 1$ sein. -Allerdings gibt es viele solche Elemente, ist $c$ eine Konstanten -und $z'=1$, dann ist auch $(z+c)'=1$, $(z+c)$ hat also für -die Zwecke unserer Untersuchung die gleichen Eigenschaften wie -$z$. -Dies deckt sich natürlich auch mit der Erwartung, dass Stammfunktionen -nur bis auf eine Konstante bestimmt sind. -Eine differentielle Algebra muss allerdings kein Element $z$ mit der -Eigenschaft $z'=1$ enthalten. - -\begin{beispiel} -In $\mathscr{D}=\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ gibt es kein Element $x$. -Ein solches wäre von der Form -\[ -x = \frac{p(\cos x,\sin x)}{q(\cos x,\sin x)}. -\] -Eine solche goniometrische Beziehung würde für $x=\frac{\pi}4$ bedeuten, -dass -\[ -\frac{\pi}4 -= -\frac{p(\sqrt{2}/2,\sqrt{2}/2)}{q(\sqrt{2}/2,\sqrt{2}/2)}. -\] -Auf der rechten Seite steht ein Quotient von Polynome, in dessen -Argument nur rationale Zahlen und $\sqrt{2}$ steht. -So ein Ausdruck kann immer in die Form -\[ -\pi -= -4\frac{a\sqrt{2}+b}{c\sqrt{2}+d} -= -\frac{4(a\sqrt{2}+b)(c\sqrt{2}-d)}{2c^2+d^2} -= -r\sqrt{2}+s -\] -gebracht werden. -Die Zahl auf der rechten Seite ist zwar irrational, aber sie ist Nullstelle -des quadratischen Polynoms -\[ -p(x) -= -(x-r\sqrt{2}-s)(x+r\sqrt{2}-s) -= -x^2 --2sx --2r^2+s^2 -\] -mit rationalen Koeffizienten, wie man mit der Lösungsformel für die -quadratische Gleichung nachprüfen kann. -Es ist bekannt, dass $\pi$ als transzendente Zahl nicht Nullstelle -eines Polynoms mit rationalen Koeffizienten ist. -Dieser Widerspruch zeigt, dass $x$ nicht in $\mathbb{Q}(\cos x, \sin x)$ -vorkommen kann. -\end{beispiel} - -In einer differentiellen Algebra kann jetzt die Frage nach der -Existenz einer Stammfunktion gestellt werden. - -\begin{aufgabe} -\label{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion} -Gegeben eine differentielle Algebra $\mathscr{D}$ und ein Element -$f\in\mathscr{D}$, entscheide, ob es ein Element $F\in\mathscr{D}$ -gibt mit der Eigenschaft $F'=f$. -Ein solches $F\in\mathscr{D}$ heisst {\em Stammfunktion} von $f$. -\end{aufgabe} - -\begin{satz} -In einer differentiellen Algebra $\mathscr{D}$ mit $z\in\mathscr{D}$ -hat die Potenzfunktion $f=z^n$ für $n\in\mathbb{N}\setminus\{-1\}$ -ein Stammfunktion, nämlich -\[ -F = \frac{1}{n+1} z^{n+1}. -\] -\label{buch:integrale:satz:potenzstammfunktion} -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Tatsächlich kann man dies sofort nachrechnen, muss allerdings die -Fälle $n+1 >0$ und $n+1<0$ unterscheiden, da die Potenzregel -\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} nur für natürliche Exponenten -gilt. -Man erhält -\begin{align*} -n+1&>0\colon -& -\frac{d}{dz}\frac{1}{n+1}z^{n+1} -&= -\frac{1}{n+1}(n+1)z^{n+1-1} -= -z^n, -\\ -n+1&<0\colon -& -\frac{d}{dz}\frac{1}{n+1}\frac{1}{z^{-(n+1)}} -&= -\frac{1}{n+1}\frac{1'z^{-(n+1)}-1(-(n+1))z^{-n-1-1}}{z^{-2n-2}} -\\ -&& -&= -\frac{1}{n+1} -\frac{(n+1)z^n{-n-2}}{z^{-2n-2}} -\\ -&& -&= -\frac{1}{z^{-n}}=z^n. -\end{align*} -Man beachte, dass in dieser Rechnung nichts anderes als die -algebraischen Eigenschaften der Produkt- und Quotientenregel -verwendet wurden. -\end{proof} - -\subsubsection{Wurzeln} -Die Wurzelfunktionen sollen natürlich als elementare Funktionen -erlaubt sein. -Es ist bekannt, dass $\sqrt{z}\not\in \mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$ -ist, ein solches Element müsste also erst noch hinzugefügt werden. -Dabei muss auch seine Ableitung definiert werden. -Auch dabei dürfen wir nicht auf eine Grenzwertüberlegung zurückgreifen, -vielmehr müssen wir die Ableitung auf vollständig algebraische -Weise bestimmen. - -Wir schreiben $f=\sqrt{z}$ und leiten die Gleichung $f^2=z$ nach $z$ ab. -Dabei ergibt sich nach der Potenzregel -\[ -\frac{d}{dz}f^2 = 2f'f = \frac{d}{dz}z=1 -\qquad\Rightarrow\qquad f' = \frac{1}{2f}. -\] -Diese Rechnung lässt sich auch auf $n$-Wurzeln $g=\root{n}\of{z}$ mit -der Gleichung $g^n = z$ verallgemeinern. -Die Ableitung der $n$-ten Wurzel ist -\begin{equation} -\frac{d}{dz}g^n -= -ng^{n-1} = \frac{d}{dz}z=1 -\qquad\Rightarrow\qquad -\frac{d}{dz}g = \frac{1}{ng^{n-1}}. -\end{equation} -Es ist also möglich, eine differentielle Algebra $\mathscr{D}$ mit einer -$n$-ten Wurzel $g$ zu einer grösseren differentiellen Algebra $\mathscr{D}(g)$ -zu erweitern, in der wieder alle Regeln für das Rechnen mit Ableitungen -erfüllt sind. - -\subsubsection{Algebraische Elemente} -Die Charakterisierung der Wurzelfunktionen passt zwar zum verlangten -algebraischen Vorgehen, ist aber zu spezielle und nicht gut für die -nachfolgenden Untersuchengen geeignet. -Etwas allgemeiner ist der Begriff der algebraischen Elemente. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:algebraisches-element} -Seien $K\subset L$ zwei Körper. -Ein Element $\alpha \in L$ heisst {\em algebraisch} über $K$, -wenn $\alpha$ Nullstelle eines Polynoms $p\in K[X]$ mit Koeffizienten -in $K$ ist. -\index{algebraisch}% -\end{definition} - -Jedes Element $\alpha\in K$ ist algebraisch, da $\alpha$ Nullstelle -von $X-\alpha\in K[X]$ ist. -Die $n$tem Wurzeln eines Elemente $\alpha\in K$ sind ebenfalls algebraisch, -da sie Nullstellen des Polynoms $p(X) = X^n - \alpha$ sind. -Allerdings ist nicht klar, dass diese Wurzeln überhaupt existieren. -Nach dem Satz von Abel~\ref{buch:potenzen:satz:abel} gibt es aber -Nullstellen von Polynomen, die sich nicht als Wurzelausdrücke schreiben -lassen. -Der Begriff der algebraischen Elemente ist also allgemeiner als der -Begriff der Wurzel. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:algebraisch-abgeschlossen} -Ein Körper $K$ heisst {\em algebraisch abgeschlossen}, wenn jedes Polynom mit -Koeffizienten in $K$ eine Nullstelle in $K$ hat. -\end{definition} - -Der Körper $\mathbb{C}$ ist nach dem -Fundamentalsatz~\label{buch:potenzen:satz:fundamentalsatz} -der Algebra algebraisch abgeschlossen. -Da wir aber mit Funktionen arbeiten, müssen wir auch Wurzeln -von Funktionen finden können. -Dies ist nicht selbstverständlich, wie das folgende Beispiel zeigt. - -\begin{beispiel} -Es gibt keine stetige Funktion $f\colon \mathbb{C}\to\mathbb{C}$, die -die Gleichung $f(z)^2 = z$ und $f(1)=1$ erfüllt. -Für die Argumente $z(t)= e^{it}$ folgt, dass $f(z(t)) = e^{it/2}$ sein -muss. -Setzt man aber $t=\pm \pi$ ein, ergeben sich die Werte -$f(z(\pm\pi))=e^{\pm i\pi/2}=\pm 1$, die beiden Grenzwerte -für $t\to\pm\pi$ sind also verschieden. -\end{beispiel} - -Die Mathematik hat verschiedene ``Tricks'' entwickelt, wie mit diesem -Problem umgegangen werden kann: Funktionskeime, Garben, Riemannsche -Flächen. -Sie sind alle gleichermassen gut geeignet, das Problem zu lösen. -Für die vorliegende Aufgabe genügt es aber, dass es tatsächlich -immer ein wie auch immer geartetes Element gibt, welches Nullstelle -des Polynoms ist. - -Ist $f$ eine Nullstelle des Polynoms $p(X)$ mit Koeffizienten in -$\mathscr{D}$, dann kann man die Ableitung wie folgt berechnen. -Zunächst leitet man $p(f)$ ab: -\begin{align} -0&= -\frac{d}{dz}(a_nf^n + a_{n-1}f^{n-1}+\ldots+a_1f+a_0) -\notag -\\ -&= -a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\ldots+a_1'f+a_0' -+ -na_nf^{n-1}f' -+ -(n-1)a_nf^{n-2}f' -+ -\ldots -+ -a_2ff' -+ -a_1f' -\notag -\\ -&= -a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\ldots+a_1'f+a_0' -+ -( -na_nf^{n-1} -+ -(n-1)a_nf^{n-2} -+ -\ldots -+ -a_2f -+ -a_1 -)f' -\notag -\\ -\Rightarrow -\qquad -f'&=\frac{ -a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\dots+a_1'f+a_0' -}{ -na_nf^{n-1} -+ -(n-1)a_nf^{n-2} -+ -\dots -+ -a_1 -}. -\label{buch:integrale:eqn:algabl} -\end{align} -Das einzige, was dabei schief gehen könnte ist, dass der Nenner ebenfalls -verschwindet. -Dieses Problem kann man dadurch lösen, dass man als Polynom das -sogenannte Minimalpolynom verwendet. - -\begin{definition} -Das {\em Minimalpolynome} $m(X)$ eines algebraischen Elementes $\alpha$ ist -das Polynom kleinsten Grades, welches $m(\alpha)=0$ erfüllt. -\end{definition} - -Da das Minimalpolynom den kleinstmöglichen Grad hat, kann der Nenner -von~\eqref{buch:integrale:eqn:algabl}, -der noch kleineren Grad hat, unmöglich verschwinden. -Das Minimalpolynom ist auch im wesentlichen eindeutig. -Gäbe es nämlich zwei verschiedene Minimalpolynome $m_1$ und $m_2$, -dann müsste $\alpha$ auch eine Nullstelle des grössten gemeinsamen -Teilers $m_3=\operatorname{ggT}(m_1,m_2)$ sein. -Wären die beiden Polynome wesentlich verschieden, dann hätte $m_3$ -kleineren Grad, im Widerspruch zur Definition des Minimalpolynoms. -Also unterscheiden sich die beiden Polynome $m_1$ und $m_2$ nur um -einen skalaren Faktor. - -\subsubsection{Konjugation, Spur und Norm} -% Konjugation, Spur und Norm -Das Minimalpolynom eines algebraischen Elementes ist nicht -eindeutig bestimmt. -Zum Beispiel ist $\sqrt{2}$ algebraisch über $\mathbb{Q}$, das -Minimalpolynom ist $m(X)=X^2-2\in\mathbb{Q}[X]$. -Es hat aber noch eine zweite Nullstelle $-\sqrt{2}$. -Mit rein algebraischen Mitteln sind die beiden Nullstellen $\pm\sqrt{2}$ -nicht zu unterscheiden, erst die Verwendung der Vergleichsrelation -ermöglicht, sie zu unterscheiden. - -Dasselbe gilt für die imaginäre Einheit $i$, die das Minimalpolynom -$m(X)=X^2+1\in\mathbb{R}[X]$ hat. -Hier gibt es nicht einmal mehr eine Vergleichsrelation, mit der man -die beiden Nullstellen unterscheiden könnte. -In der Tat ändert sich aus algebraischer Sicht nichts, wenn man in -allen Formeln $i$ durch $-i$ ersetzt. - -Etwas komplizierter wird es bei $\root{3}\of{2}$. -Das Polynom $m=x^3-2\in\mathbb{Q}[X]$ hat $\root{3}\of{2}$ als -Nullstelle und dies ist auch tatsächlich das Minimalpolynom. -Das Polynom hat noch zwei weitere Nullstellen -\[ -\alpha_+ = \frac{-1+i\sqrt{3}}{2}\root{3}\of{2} -\qquad\text{und}\qquad -\alpha_- = \frac{-1-i\sqrt{3}}{2}\root{3}\of{2}. -\] -Die beiden Lösungen gehen durch die Vertauschung von $i$ und $-i$ -auseinander hervor. -Betrachtet man dasselbe Polynom aber als Polynom in $\mathbb{R}[X]$, -dann ist es nicht mehr das Minimalpolynom von $\root{3}\of{2}$, da -$X-\root{3}\of{2}\in\mathbb{R}[X]$ kleineren Grad und $\root{3}\of{2}$ -als Nullstelle hat. -Indem man -\[ -m(X)/(X-\root{3}\of{2})=X^2+\root{3}\of{2}X+\root{3}\of{2}^2=m_2(X) -\] -rechnet, bekommt man das Minimalpolynom der beiden Nullstellen $\alpha_+$ -und $\alpha_-$. -Wir lernen aus diesen Beispielen, dass das Minimalpolynom vom Grundkörper -abhängig ist (Die Faktorisierung $(X-\root{3}\of{2})\cdot m_2(X)$ von -$m(X)$ ist in $\mathbb{Q}[X]$ nicht möglich) und dass wir keine -algebraische Möglichkeit haben, die verschiedenen Nullstellen des -Minimalpolynoms zu unterscheiden. - -Die beiden Nullstellen $\alpha_+$ und $\alpha_-$ des Polynoms $m_2(X)$ -erlauben, $m_2(X)=(X-\alpha_+)(X-\alpha_-)$ zu faktorisieren. -Durch Ausmultiplizieren -\[ -(X-\alpha_+)(X-\alpha_-) -= -X^2 -(\alpha_++\alpha_-)X+\alpha_+\alpha_- -\] -und Koeffizientenvergleich mit $m_2(X)$ findet man die symmetrischen -Formeln -\[ -\alpha_+ + \alpha_- = \root{3}\of{2} -\qquad\text{und}\qquad -\alpha_+ \alpha_ = \root{3}\of{2}. -\] -Diese Ausdrücke sind nicht mehr abhängig von einer speziellen Wahl -der Nullstellen. - -Das Problem verschärft sich nocheinmal, wenn wir Funktionen betrachten. -Das Polynom $m(X)=X^3-z$ ist das Minimalpolynom der Funktion $\root{3}\of{z}$. -Die komplexe Zahl $z=re^{i\varphi}$ hat aber drei die algebraisch nicht -unterscheidbaren Nullstellen -\[ -\alpha_0(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3}, -\quad -\alpha_1(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3+2\pi/3} -\qquad\text{und}\qquad -\alpha_2(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3+4\pi/3}. -\] -Aus der Faktorisierung $ (X-\alpha_0(z)) (X-\alpha_1(z)) (X-\alpha_2(z))$ -und dem Koeffizientenvergleich mit dem Minimalpolynom kann man wieder -schliessen, dass die Relationen -\[ -\alpha_0(z) + \alpha_1(z) + \alpha_2(z)=0 -\qquad\text{und}\qquad -\alpha_0(z) \alpha_1(z) \alpha_2(z) = z -\] -gelten. - -Wir können also oft keine Aussagen über individuelle Nullstellen -eines Minimalpolynoms machen, sondern nur über deren Summe oder -Produkt. - -\begin{definition} -\index{buch:integrale:def:spur-und-norm} -Sie $m(X)\in K[X]$ das Minimalpolynom eines über $K$ algebraischen -Elements und -\[ -m(X) = a_nX^n + a_{n-1}X^{n-1} + \ldots + a_1X + a_0. -\] -Dann heissen -\[ -\operatorname{Tr}(\alpha) = -a_{n-1} -\qquad\text{und}\qquad -\operatorname{Norm}(\alpha) = (-1)^n a_0 -\] -die {\em Spur} und die {\em Norm} des Elementes $\alpha$. -\index{Spur eines algebraischen Elementes}% -\index{Norm eines algebraischen Elementes}% -\end{definition} - -Die Spur und die Norm können als Spur und Determinante einer Matrix -verstanden werden, diese allgemeineren Definitionen, die man in der -Fachliteratur, z.~B.~in~\cite{buch:lang} nachlesen kann, führen aber -für unsere Zwecke zu weit. - -\begin{hilfssatz} -Die Ableitungen von Spur und Norm sind -\[ -\operatorname{Tr}(\alpha)' -= -\operatorname{Tr}(\alpha') -\qquad\text{und}\qquad -\operatorname{Norm}(\alpha)' -= -\operatorname{Tr}(\alpha)' -\] -XXX Wirklich? -\end{hilfssatz} - -\subsubsection{Logarithmen und Exponentialfunktionen} -Die Funktion $z^{-1}$ musste im -Satz~\ref{buch:integrale:satz:potenzstammfunktion} -ausgeschlossen werden, sie hat keine Stammfunktion in $\mathbb{C}(z)$. -Aus der Analysis ist bekannt, dass die Logarithmusfunktion $\log z$ -eine Stammfunktion ist. -Der Logarithmus von $z$ aber auch der Logarithmus $\log f(z)$ -einer beliebigen Funktion $f(z)$ oder die Exponentialfunktion $e^{f(z)}$ -sollen ebenfalls elementare Funktionen sein. -Da wir aber auch hier nicht auf die analytischen Eigenschaften zurückgreifen -wollen, brauchen wir ein rein algebraische Definition. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:logexp} -Sei $\mathscr{D}$ ein differentielle Algebra und $f\in\mathscr{D}$. -Ein Element $\vartheta\in\mathscr{D}$ heisst ein {\em Logarithmus} -von $f$, geschrieben $\vartheta = \log f$, wenn $f\vartheta' = f'$ gilt. -$\vartheta$ heisst eine Exponentialfunktion von $f$ wenn -$\vartheta'=\vartheta f'$ gilt. -\end{definition} - -Die Formel für die Exponentialfunktion ist etwas vertrauter, sie ist -die bekannte Kettenregel -\begin{equation} -\vartheta' -= -\frac{d}{dz} e^f -= -e^f \cdot \frac{d}{dz} f -= -\vartheta \cdot f'. -\label{buch:integrale:eqn:exponentialableitung} -\end{equation} -Da wir uns vorstellen, dass Logarithmen Umkehrfunktionen von -Exponentialfunktionen sein sollen, -muss die definierende Gleichung genau wie -\eqref{buch:integrale:eqn:exponentialableitung} -aussehen, allerdings mit vertauschten Plätzen von $f$ und $\vartheta$, -also -\begin{equation} -\vartheta' = \vartheta\cdot f' -\qquad -\rightarrow -\qquad -f' = f\cdot \vartheta' -\;\Leftrightarrow\; -\vartheta' = (\log f)' = \frac{f'}{f}. -\label{buch:integrale:eqn:logarithmischeableitung} -\end{equation} -Dies ist die aus der Analysis bekannte Formel für die logarithmische -Ableitung. - -Der Logarithmus von $f$ und die Exponentialfunktion von $f$ sollen -also ebenfalls als elementare Funktionen betrachtet werden. - -\subsubsection{Die trigonometrischen Funktionen} -Die bekannten trigonometrischen Funktionen und ihre Umkehrfunktionen -sollten natürlich auch elementare Funktionen sein. -Dabei kommt uns zur Hilfe, dass sie sich mit Hilfe der Exponentialfunktion -als -\[ -\cos f = \frac{e^{if}+e^{-if}}2 -\qquad\text{und}\qquad -\sin f = \frac{e^{if}-e^{-if}}{2i} -\] -schreiben lassen. -Eine differentielle Algebra, die die Exponentialfunktionen von $if$ und -$-if$ enthält, enthält also automatisch auch die trigonometrischen -Funktionen. -Im Folgenden ist es daher nicht mehr nötig, die trigonometrischen -Funktionen speziell zu untersuchen. - -\subsubsection{Elementare Funktionen} -Damit sind wir nun in der Lage, den Begriff der elementaren Funktion -genau zu fassen. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:einfache-elementare-funktion} -Sie $\mathscr{D}$ eine differentielle Algebra über $\mathbb{C}$ und -$\mathscr{D}(\vartheta)$ eine Erweiterung von $\mathscr{D}$ um eine -neue Funktion $\vartheta$, dann heissen $\vartheta$ und die Elemente -von $\mathscr{D}(\vartheta)$ einfach elementar, wenn eine der folgenden -Bedingungen erfüllt ist: -\begin{enumerate} -\item $\vartheta$ ist algebraisch über $\mathscr{D}$, d.~h.~$\vartheta$ -ist eine ``Wurzel''. -\item $\vartheta$ ist ein Logarithmus einer Funktion in $\mathscr{D}$, -d.~h.~es gibt $f\in \mathscr{D}$ mit $f'=f\vartheta'$ -(Definition~\ref{buch:integrale:def:logexp}). -\item $\vartheta$ ist eine Exponentialfunktion einer Funktion in $\mathscr{D}$, -d.~h.~es bit $f\in\mathscr{D}$ mit $\vartheta'=\vartheta f'$ -(Definition~\ref{buch:integrale:def:logexp}). -\end{enumerate} -\end{definition} - -Einfache elementare Funktionen entstehen also ausgehend von einer -differentiellen Algebra, indem man genau einmal eine Wurzel, einen -Logarithmus oder eine Exponentialfunktion hinzufügt. -So etwas wie die zusammengesetzte Funktion $e^{\sqrt{z}}$ ist -damit noch nicht möglich. -Daher erlauben wir, dass man die gesuchten Funktionen in mehreren -Schritten aufbauen kann. - -\begin{definition} -Sei $\mathscr{F}$ eine differentielle Algebra, die die differentielle -Algebra $\mathscr{D}$ enthält, also $\mathscr{D}\subset\mathscr{F}$. -$\mathscr{F}$ und die Elemente von $\mathscr{F}$ heissen einfach, -wenn es endlich viele Elemente $\vartheta_1,\dots,\vartheta_n$ gibt -derart, dass -\[ -\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} -\begin{array}{ccccccccccccc} -\mathscr{D} -&\subset& -\mathscr{D}(\vartheta_1) -&\subset& -\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2) -&\subset& -\; -\cdots -\; -&\subset& -\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2,\dots,\vartheta_{n-1}) -&\subset& -\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2,\dots,\vartheta_{n-1},\vartheta_n) -&=& -\mathscr{F} -\\ -\| -&& -\| -&& -\| -&& -&& -\| -&& -\| -&& -\\ -\mathscr{F}_0 -&\subset& -\mathscr{F}_1 -&\subset& -\mathscr{F}_2 -&\subset& -\cdots -&\subset& -\mathscr{F}_{n-1} -&\subset& -\mathscr{F}_{n\mathstrut} -&& -\end{array} -\] -gilt so, dass jedes $\vartheta_{i+1}$ einfach ist über -$\mathscr{F}_i=\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_i)$. -\end{definition} - -In Worten bedeutet dies, dass man den Funktionen von $\mathscr{D}$ -nacheinander Wurzeln, Logarithmen oder Exponentialfunktionen einzelner -Funktionen hinzufügt. -Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion} kann -jetzt so formuliert werden. - -\begin{aufgabe} -\label{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} -Gegeben ist eine Differentielle Algebra $\mathscr{D}$ und eine -Funktion $f\in \mathscr{D}$. -Gibt es eine Folge $\vartheta_1,\dots,\vartheta_n$ und eine Funktion -$F\in\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ derart, dass -$F'=f$. -\end{aufgabe} - -Das folgende Beispiel zeigt, wie man möglicherweise mehrere -Erweiterungsschritte vornehmen muss, um zu einer Stammfunktion -zu kommen. -Es illustriert auch die zentrale Rolle, die der Partialbruchzerlegung -in der weiteren Entwicklung zukommen wird. - -\begin{beispiel} -\label{buch:integrale:beispiel:nichteinfacheelementarefunktion} -Es soll eine Stammfunktion der Funktion -\[ -f(z) -= -\frac{z}{(az+b)(cz+d)} -\in -\mathbb{C}(z) -\] -gefunden werden. -In der Analysis lernt man, dass solche Integrale mit der -Partialbruchzerlegung -\[ -\frac{z}{(az+b)(cz+d)} -= -\frac{A_1}{az+b}+\frac{A_2}{cz+d} -= -\frac{A_1cz+A_1d+A_2az+A_2b}{(az+b)(cz+d)} -\quad\Rightarrow\quad -\left\{ -\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} -\begin{array}{rcrcr} -cA_1&+&aA_2&=&1\\ -dA_1&+&bA_2&=&0 -\end{array} -\right. -\] -bestimmt werden. -Die Lösung des Gleichungssystems ergibt -$A_1=b/(bc-ad)$ und $A_2=d/(ad-bc)$. -Die Stammfunktion kann dann aus -\begin{align*} -\int f(z)\,dz -&= -\int\frac{A_1}{az+b}\,dz -+ -\int\frac{A_2}{cz+d}\,dz -= -\frac{A_1}{a}\int\frac{a}{az+b}\,dz -+ -\frac{A_2}{c}\int\frac{c}{cz+d}\,dz -\end{align*} -bestimmt werden. -In den Integralen auf der rechten Seite ist der Zähler jeweils die -Ableitung des Nenners, der Integrand hat also die Form $g'/g$. -Genau diese Form tritt in der Definition eines Logarithmus auf. -Die Stammfunktion ist jetzt -\[ -F(z) -= -\int f(z)\,dz -= -\frac{A_1}{a}\log(az+b) -+ -\frac{A_2}{c}\log(cz+d) -= -\frac{b\log(az+b)}{a(bc-ad)} -+ -\frac{d\log(cz+d)}{c(ad-bc)}. -\] -Die beiden Logarithmen kann man nicht durch rein rationale Operationen -ineinander überführen. -Sie müssen daher beide der Algebra $\mathscr{D}$ hinzugefügt werden. -\[ -\left. -\begin{aligned} -\vartheta_1&=\log(az+b)\\ -\vartheta_2&=\log(cz+d) -\end{aligned} -\quad -\right\} -\qquad\Rightarrow\qquad -F(z) \in \mathscr{F}=\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2). -\] -Die Stammfunktion $F(z)$ ist also keine einfache elementare Funktion, -aber $F$ ist immer noch eine elementare Funktion. -\end{beispiel} - -\subsection{Partialbruchzerlegung -\label{buch:integrale:section:partialbruchzerlegung}} -Die Konstruktionen des letzten Abschnitts haben gezeigt, -wie man die Funktionen, die man als Stammfunktionen einer Funktion -zulassen möchte, schrittweise konstruieren kann. -Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} -ist eine rein algebraische Formulierung der ursprünglichen -Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion}. -Schliesslich hat das Beispiel auf -Seite~\pageref{buch:integrale:beispiel:nichteinfacheelementarefunktion} -gezeigt, dass es im allgemeinen mehrere Schritte braucht, um zu einer -elementaren Stammfunktion zu gelangen. -Die Lösung setzt sich aus den Termen der Partialbruchzerlegung. -In diesem Abschnitt soll diese genauer studiert werden. - -In diesem Abschnitt gehen wir immer von einer differentiellen -Algebra über den komplexen Zahlen aus und verlangen, dass die -Konstanten in allen betrachteten differentiellen Algebren -$\mathbb{C}$ sind. - -\subsubsection{Monome} -Die beiden Funktionen $\vartheta-1=\log(az+b)$ und $\vartheta_2=(cz+d)$, -die im Beispiel hinzugefügt werden mussten, verhalten sich ich algebraischer -Hinsicht wie ein Monom: man kann es nicht faktorisieren oder bereits -bekannte Summanden aufspalten. -Solchen Funktionen kommt eine besondere Bedeutung zu. - -\begin{definition} -\label{buch:integrale:def:monom} -Die Funktion $\vartheta$ heisst ein Monom, wenn $\vartheta$ nicht -algebraisch ist über $\mathscr{D}$ und $\mathscr{D}(\vartheta)$ die -gleichen Konstanten enthält wie $\mathscr{D}$. -\end{definition} - -\begin{beispiel} -Als Beispiel beginnen wir mit den komplexen Zahlen $\mathbb{C}$ -und fügen die Funktion $\vartheta_1=z$ hinzu und erhalten -$\mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$. -Die Funktionen $z^k$ sind für alle $k$ linear unabhängig, d.~h.~es -gibt keinen Ausdruck -\[ -a_nz^n + a_{n-1}z^{n-1}+\cdots+a_1z+a_0=0. -\] -Dies ist gleichbedeutend damit, dass $z$ nicht algebraisch ist. -Das Monom $z$ ist also auch ein Monom im Sinne der -Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}. -\end{beispiel} - -\begin{beispiel} -Wir beginnen wieder mit $\mathbb{C}$ und fügen die Funktion -$e^z$ hinzu. -Gäbe es eine Beziehung -\[ -b_m(e^z)^m + b_{m-1}(e^z)^{m-1}+\dots+b_1e^z + b_0=0 -\] -mit komplexen Koeffizienten $b_i\in\mathbb{C}$, -dann würde daraus durch Einsetzen von $z=1$ die Relation -\[ -b_me^m + b_{m-1}e^{m-1} + \dots + b_1e + b_0=0, -\] -die zeigen würde, dass $e$ eine algebraische Zahl ist. -Es ist aber bekannt, dass $e$ transzendent ist. -Dieser Widersprich zeigt, dass $e^z$ ein Monom ist. -\end{beispiel} - -\begin{beispiel} -Jetzt fügen wir die Exponentialfunktion $\vartheta_2=e^z$ -der differentiellen Algebra $\mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$ hinzu -und erhalten $\mathscr{F}_1=\mathscr{D}(e^z) = \mathbb{C}(z,e^z)$. -Gäbe es das Minimalpolynom -\begin{equation} -b_m(z)(e^z)^m + b_{m-1}(z)(e^z)^{m-1}+\dots+b_1(z)e^z + b_0(z)=0 -\label{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} -\end{equation} -mit Koeffizienten $b_i\in\mathbb{C}(z)$, dann könnte man mit dem -gemeinsamen Nenner der Koeffizienten durchmultiplizieren und erhielte -eine Relation~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} mit -Koeffizienten in $\mathbb{C}[z]$. -Dividiert man durch $e^{mz}$ erhält man -\[ -b_m(z) + b_{m-1}(z)\frac{1}{e^z} + \dots + b_1(z)\frac{1}{(e^z)^{m-1}} + b_0(z)\frac{1}{(e^z)^m}=0. -\] -Aus der Analysis weiss man, dass die Exponentialfunktion schneller -anwächst als jedes Polynom, alle Terme auf der rechten Seite -konvergieren daher gegen 0 für $z\to\infty$. -Das bedeutet, dass $b_m(z)\to0$ für $z\to \infty$. -Das Polynom~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} wäre also gar -nicht das Minimalpolynom. -Dieser Widerspruch zeigt, dass $e^z$ nicht algebraisch ist über -$\mathbb{C}(z)$ und damit ein Monom ist\footnote{Etwas unbefriedigend -an diesem Argument ist, dass man hier wieder rein analytische statt -algebraische Eigenschaften von $e^z$ verwendet. -Gäbe es aber eine minimale Relation wie -\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} -mit Polynomkoeffizienten, dann wäre sie von der Form -\[ -P(z,e^z)=p(z)(e^z)^m + q(z,e^z)=0, -\] -wobei Grad von $e^z$ in $q$ höchstens $m-1$ ist. -Die Ableitung wäre dann -\[ -Q(z,e^z) -= -mp(z)(e^z)^m + p'(z)(e^z)^m + r(z,e^z) -= -(mp(z) + p'(z))(e^z)^m + r(z,e^z) -=0, -\] -wobei der Grad von $e^z$ in $r$ wieder höchstens $m-1$ ist. -Bildet man $mP(z,e^z) - Q(z,e^z) = 0$ ensteht eine Relation, -in der der Grad des Koeffizienten von $(e^z)^m$ um eins abgenommen hat. -Wiederholt man dies $m$ mal, verschwindet der Term $(e^z)^m$, die -Relation~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} -war also gar nicht minimal. -Dieser Widerspruch zeigt wieder, dass $e^z$ nicht algebraisch ist, -verwendet aber nur die algebraischen Eigenschaften der differentiellen -Algebra. -}. -\end{beispiel} - -\begin{beispiel} -Wir hätten auch in $\mathbb{Q}$ arbeiten können und $\mathbb{Q}$ -erst die Exponentialfunktion $e^z$ und dann den Logarithmus $z$ von $e^z$ -hinzufügen können. -Es gibt aber noch weitere Logarithmen von $e^z$ zum Beispiel $z+2\pi i$. -Offenbar ist $\psi=z+2\pi i\not\in \mathbb{Q}(z,e^z)$, wir könnten also -auch noch $\psi$ hinzufügen. -Zwar ist $\psi$ auch nicht algebraisch, aber wenn wir $\psi$ hinzufügen, -dann wird aber die Menge der Konstanten grösser, sie umfasst jetzt -$\mathbb{Q}(2\pi i)$. -Die Bedingung in der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}, -dass die Menge der Konstanten nicht grösser werden darf, ist also -verletzt. - -Hätte man mit $\mathbb{Q}(e^z, z+2\pi i)$ begonnen, wäre $z$ aus -dem gleichen Grund kein Monom, aber $z+2\pi i$ wäre eines im Sinne -der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}. -In allen Rechnungen könnte man $\psi=z+2\pi i$ nicht weiter aufteilen, -da $\pi$ oder seine Potenzen keine Elemente von $\mathbb{Q}(e^z)$ sind. -\end{beispiel} - -Da wir im Folgenden davon ausgehen, dass die Konstanten unserer -differentiellen Körper immer $\mathbb{C}$ sind, wird es jeweils -genügen zu untersuchen, ob eine neu hinzuzufügende Funktion algebraisch -ist oder nicht. - -\subsubsection{Ableitungen von Polynomen und rationalen Funktionen von Monomen} -Fügt man einer differentiellen Algebra ein Monom hinzu, dann lässt -sich etwas mehr über Ableitungen von Polynomen oder Brüchen in diesen -Monomen sagen. -Diese Eigenschaften werden später bei der Auflösung der Partialbruchzerlegung -nützlich sein. - -\begin{satz} -\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad} -Sei -\[ -P -= -A_nX^n + A_{n-1}X^{n-1} + \dots A_1X+A_0 -\in\mathscr{D}[X] -\] -ein Polynom mit Koeffizienten in einer differentiellen Algebra $\mathscr{D}$ -und $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$. -Dann gilt -\begin{enumerate} -\item -\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} -Falls $\vartheta=\log f$ ist, ist $P(\vartheta)'$ ein -Polynom vom Grad $n$ in $\vartheta$, wenn der Leitkoeffizient $A_n$ -nicht konstant ist, andernfalls ein Polynom vom Grad $n-1$. -\item -\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-exp} -Falls $\vartheta = \exp f$ ist, dann ist $P(\vartheta)'$ ein Polynom -in $\vartheta$ vom Grad $n$. -\end{enumerate} -\end{satz} - -Der Satz macht also genaue Aussagen darüber, wie sich der Grad eines -Polynoms in $\vartheta$ beim Ableiten ändert. - -\begin{proof}[Beweis] -Für Exponentialfunktion ist $\vartheta'=\vartheta f'$, die Ableitung -fügt also einfach einen Faktor $f'$ hinzu. -Terme der Form $A_k\vartheta^k$ haben die Ableitung -\[ -(A_k\vartheta^k) -= -A'_k\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta' -= -A'_k\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta f' -= -(A'_k + kA_k f)\vartheta^k. -\] -Damit wird die Ableitung des Polynoms -\begin{equation} -P(\vartheta)' -= -\underbrace{(A'_n+nA_nf')\vartheta^n}_{\displaystyle=(A_n\vartheta^n)'} -+ -(A'_{n-1}+(n-1)A_{n-1}f')\vartheta^{n-1} -+ \dots + -(A'_1+A_1f')\vartheta + A_0'. -\label{buch:integrale:ableitung:polynom} -\end{equation} -Der Grad der Ableitung kann sich also nur ändern, wenn $A_n'+nA_nf'=0$ ist. -Dies bedeutet aber wegen -\( -(A_n\vartheta^n)' -= -0 -\), dass $A_n\vartheta^n=c$ eine Konstante ist. -Da alle Konstanten bereits in $\mathscr{D}$ sind, folgt, dass -\[ -\vartheta^n=\frac{c}{A_n} -\qquad\Rightarrow\qquad -\vartheta^n - \frac{c}{A_n}=0, -\] -also wäre $\vartheta$ algebraisch über $\mathscr{D}$, also auch kein Monom. -Dieser Widerspruch zeigt, dass der Leitkoeffizient nicht verschwinden kann. - -Für die erste Aussage ist die Ableitung der einzelnen Terme des Polynoms -\[ -(A_k\vartheta^k)' -= -A_k'\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta' -= -A_k'\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\frac{f'}{f} -= -\biggl(A_k'\vartheta + kA_k\frac{f'}{f}\biggr)\vartheta^{k-1}. -\] -Die Ableitung des Polynoms ist daher -\[ -P(\vartheta)' -= -A_n'\vartheta^n + \biggl(nA_n\frac{f'}{f}+ A'_{n-1}\biggr)\vartheta^{n-1}+\dots -\] -Wenn $A_n$ keine Konstante ist, ist $A_n'\ne 0$ und der Grad von -$P(\vartheta)'$ ist $n$. -Wenn $A_n$ eine Konstante ist, müssen wir noch zeigen, dass der nächste -Koeffizient nicht verschwinden kann. -Wäre der zweite Koeffizient $=0$, dann wäre die Ableitung -\[ -(nA_n\vartheta+A_{n-1})' -= -nA_n\vartheta'+A'_{n-1} -= -nA_n\frac{f'}{f}+A'_{n-1} -= -0, -\] -d.h. $nA_n\vartheta+A_{n-1}=c$ wäre eine Konstante. -Da alle Konstanten schon in $\mathscr{D}$ sind, müsste auch -\[ -\vartheta = \frac{c-A_{n-1}}{nA_n} \in \mathscr{D} -\] -sein, wieder wäre $\vartheta$ kein Monom. -\end{proof} - -Der nächste Satz gibt Auskunft über den führenden Term in -$(\log P(\vartheta))' = P(\vartheta)'/P(\vartheta)$. - -\begin{satz} -\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} -Sei $P$ ein Polynom vom Grad $n$ wie in -\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung} -welches zusätzlich normiert ist, also $A_n=1$. -\begin{enumerate} -\item -\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-log} -Ist $\vartheta=\log f$, dann ist -$(\log P(\vartheta))' = P(\vartheta)'/P(\vartheta)$ und $P(\vartheta)'$ -hat Grad $n-1$. -\item -\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} -Ist $\vartheta=\exp f$, dann gibt es ein Polynom $N(\vartheta)$ so, dass -$(\log P(\vartheta))' -= -P(\vartheta)'/P(\vartheta) -= -N(\vartheta)/P(\vartheta)+nf'$ -ist. -Falls $P(\vartheta)=\vartheta$ ist $N=0$, andernfalls ist $N(\vartheta)$ -ein Polynom vom Grad $<n$. -\end{enumerate} -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Die Gleichung $(\log P(\vartheta))'=P(\vartheta)'/P(\vartheta)$ ist die -Definition eines Logarithmus, es geht also vor allem um die Frage -des Grades von $P(\vartheta)'$. -Da der Leitkoeffizient als $1$ und damit konstant vorausgesetzt wurde, -folgt die Behauptung \ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-log} -aus -Aussage \ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} -von Satz~\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}. - -Für Aussage \ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} -beachten wir wieder die -Ableitungsformel~\eqref{buch:integrale:ableitung:polynom} -und berücksichtigen, dass $A_n=1$ eine Konstante ist. -Da $A_n'=0$ ist, wird -\begin{align*} -P(\vartheta)' -&= -nA_n\vartheta^n f' + \text{Terme niedrigeren Grades in $\vartheta$}. -\intertext{Das Polynom $nf'P(\vartheta)$ hat den gleichen Term vom -Grad $n$, man kann also $P(\vartheta)'$ auch schreiben als} -&= -nf' -P(\vartheta) -+ -\underbrace{ -\text{Terme niedrigeren Grades in $\vartheta$}}_{\displaystyle=N(\vartheta)}. -\end{align*} -Division durch $P(\vartheta)$ ergibt die versprochene Formel. - -Im Fall $P(\vartheta)=\vartheta$ ist $n=1$ und -$(\log P(\vartheta))'=P(\vartheta)'/P(\vartheta) -= -\vartheta f'/\vartheta -= -nf'$ und somit $N(\vartheta)=0$. -\end{proof} - -\subsubsection{Partialbruchzerlegungen} -Der vorangegangene Abschnitt hat gezeigt, dass sich Monome im Sinne -der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom} algebraisch wie eine -unabhängige Variable verhalten. -Für die Berechnung von Integralen rationaler Funktionen in einer -Variablen $x$ verwendet -man die Partialbruchzerlegung, um Brüche mit einfachen Nennern zu -erhalten. -Es liegt daher nahe, dieselbe Idee auch auf die -Monome $\vartheta_i$ zu verwenden. -Dazu muss man die Brüche besser verstehen, die in einer Partialbruchzerlegung -vorkommen können. - -Eine Partialbruchzerlegung in der Variablen $X$ setzt sich zusammen -aus Brüchen der Form -\begin{equation} -g(X) -= -\frac{P(X)}{Q(X)^r}, -\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} -\end{equation} -wobei das Nennerpolynom $Q(X)$ ist ein normiertes irreduzibles Polynom -vom Grad $q$ und $P(X)$ ein beliebiges Polynom vom Grad $p<q$. - -Ist der Grad von $P(X)$ -im Quotienten -\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} -grösser als $q$, dann kann man $P(X)$ um Vielfache von Potenzen von -$Q(X)$ reduzieren und eine Summe von Termen der Art -\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} -erhalten, deren Nenner alle Grad $< q$ haben. -Die Anzahl neu enstehender Terme ist dabei ums grösser, je grösser -der Grad des Zählers ist. -Dies ist der Inhalt des folgenden Satzes. - -\begin{satz} -\label{buch:integrale:satz:partialbruch-reduktion} -Sei $Q(X)$ ein irreduzibles Polynom vom Grad $q$ und $P(X)$ ein beliebiges -Polynom vom Grad $p < (k+1)q$. -Dann gibt es Polynome $P_i(X)$, $i=0,\dots,k$, vom Grad $<q$ derart, -dass -\begin{equation} -\frac{P(X)}{Q(X)^r} -= -\sum_{i=0}^k \frac{P_i(X)}{Q(X)^{r-i}}. -\label{buch:integrale:satz:partialbruch-aufgeloest} -\end{equation} -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Für $k=0$ ist $p<q$ und es muss nichts weiter gezeigt werden. - -Sei jetzt also $k>0$ das kleinste $k$ so, dass $p<(k+1)q$. -Insbesondere ist dann $kq\le p$. -Nach dem euklidischen Satz für die Division von $P(X)$ durch $Q(X)^k$ -gibt es ein Polynom $P_k(X)$ vom Grad $\le p-qk$ derart, dass -\[ -P(X) = P_k(X)Q(X)^k + R_k(X) -\] -mit einem Rest $R_k(X)$ vom Grad $<kq$. -Es folgt -\[ -\frac{ P(X)}{Q(X)^r} -= -\frac{P_k(X)}{Q(X)^{r-k}} -+ -\frac{R_k(X)}{Q(X)^r}. -\] -Der zweite Term ist wieder von der im Satz beschriebenen Art, allerdings -mit einem Wert von $k$, der um $1$ kleiner ist. -Durch rekursive Anwendung der gleichen Prozedur in $k$ weiteren Schritten -erhält man die Form -Das gleiche Argument kann jetzt auf das Polynom $R_k(X)$ anstelle -von $P(X)$ angewendet werden, erhalt man den Ausdruck -\eqref{buch:integrale:satz:partialbruch-aufgeloest}. -\end{proof} - -In der differentiellen Algebra $\mathscr{D}(\vartheta)$ muss man jetzt -auch Bescheid wissen über die Partialbruchzerlegung von Ableitungen solcher -Terme. - -\begin{satz} -\label{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} -Sei $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$ und -seien $P(\vartheta),Q(\vartheta)\in\mathscr{D}[\vartheta]$ Polynome, -wobei $Q(\vartheta)$ ein irreduzibles normiertes Polynom vom Grad $q$ -ist und $P(\vartheta)$ ein beliebiges Polynom vom Grad $p<q$. -Dann ist die Ableitung -\begin{equation} -g(\vartheta)' -= -\biggl( -\frac{P(\vartheta)}{Q(\vartheta)^r} -\biggr)' -= --r\frac{P(\vartheta)Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r+1}} -+ -\frac{P(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^r}. -\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung} -\end{equation} -Falls $\vartheta=\exp f$ eine Exponentialfunktion ist und -$Q(\vartheta)=\vartheta$, dann hat die Partialbruchzerlegung von $g(X)'$ -die Form -\begin{equation} -g(\vartheta)' -= -\frac{ -{P(\vartheta)'-rP(\vartheta)f} -}{ -\vartheta^{r} -}. -\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung-fall0} -\end{equation} -Für $Q(\vartheta)\ne \vartheta$ oder $\vartheta$ keine Exponentialfunktion -hat die Partialbruchzerlegung von $g(X)'$ die Form -\[ -g(\vartheta)' -= -\frac{R(\vartheta)}{Q(\vartheta)^{r+1}}+\frac{S(\vartheta)}{Q(\vartheta)^r} -\qquad\text{mit $R(\vartheta)\ne 0$}. -\] -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Schreibt man den Quotienten $g(\vartheta)$ als -$g(\vartheta)=P(\vartheta)Q(\vartheta)^{-r}$, dann folgt aus -Produkt- und Potenzregel -\[ -g(\vartheta)' -= -P(\vartheta)'Q(\vartheta)^{-r} -+ -P(\vartheta)\bigl(Q(\vartheta)^{-r}\bigr)' -= -\frac{P(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r}} --r\frac{P(\vartheta)Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r+1}}, -\] -dies ist -\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung}. -Auf die Ableitungen von $P(\vartheta)$ und $Q(\vartheta)$ können -jetzt die Sätze -\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}, -\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} -und -\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} -angewendet werden. -Es sind jweils zwei Dinge zu prüfen: es dürfen in der Partialbruchzerlegung -im Nenner keine Potenzen $<r$ vorkommen und wegen $R\ne 0$ muss der Nenner -$Q(\vartheta)^{r+1}$ vorkommen. - -Falls $\vartheta=\log f$ ist, ist $Q(\vartheta)'$ ein Polynom vom -Grad $q-1$ nach Satz~\eqref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad} -\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} -und $P(\vartheta)'$ ist ein Polynom vom Grad höchstens $p$. -Der Zähler $P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ im zweiten Term ist nicht -durch $Q(\vartheta)$ teilbar, denn weil $Q(\vartheta)$ irreduzibel -ist, müsste $Q(\vartheta)$ entweder $P(\vartheta)$ oder $Q(\vartheta)'$ -teilen, aber beide haben zu geringen Grad. - -Falls $\vartheta=\exp f$ ist, ist $Q(\vartheta)'$ ein Polynom vom -Grad $q$ und $P(\vartheta)'$ ist eine Polynom vom Grad $p$. -Der Grad von $P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ ist $<2q$, daher -werden nach -Satz~\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-reduktion} -keine Nenner mit kleinerem Exponenten als $r$ auftreten. -Es ist noch zu prüfen, ob $Q(\vartheta)$ den Nenner des zweiten Termes -von~\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung} teilt. -Nehmen wir $Q(\vartheta)\mid P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ an, dann muss -$Q(\vartheta)\mid Q(\vartheta)'$ sein. -Für -\[ -Q(\vartheta) = \vartheta^q + q_{q-1}\vartheta^{q-1} + \dots -\] -ist die Ableitung -\[ -Q(\vartheta)' -= -q\vartheta^q f' -+ -\dots -\] -und damit -\[ -\frac{Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)} -= -qf'. -\] -Andererseits ist in der -Aussage~\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} -von -Satz~\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} -angewendet auf das Polynom $Q(\vartheta)$ das Polynom $N(\vartheta)=0$, -und daher muss $Q(\vartheta)=\vartheta$ und $q=1$ sein. -Dies ist der einzige Ausnahmefall, in die Partialbruchzerlegung die Form -\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung-fall0} -annimmt. -\end{proof} - -Der Satz besagt also, dass in fast allen Fällen die einzelnen Terme -der Partialbruchzerlegung der Ableitungen wieder von der gleichen -Form sind. - -\subsection{Der Satz von Liouville -\label{buch:integrale:section:liouville}} -Die Funktion -\[ -f(z) = \frac{(z+1)^2}{(z-1)^3} \in \mathbb{C}(z) = \mathscr{D} -\] -kann mit Hilfe der Partialbruchzerlegung -\[ -f(z) -= -\frac{1}{z-1} -+ -\frac{4}{(z-1)^2} -+ -\frac{4}{(z-1)^3} -\] -integriert werden. -Die Integranden $(z-1)^{-k}$ mit $k>1$ können mit der Potenzregel -integriert werden, aber für eine Stammfunktion $1/(z-1)$ muss -der Logarithmus $\log(z-1)$ hinzugefügt werden. -Die Stammfunktion -\[ -\int f(z)\,dz -= -\int -\frac{1}{z-1} -\,dz -+ -\int -\frac{4}{(z-1)^2} -\,dz -+ -\int -\frac{4}{(z-1)^3} -\,dz -= -\log(z-1) -- -\underbrace{\frac{4z-2}{(z-1)^2}}_{\displaystyle\in\mathscr{D}} -\in \mathscr{D}(\log(z-1)) = \mathscr{F} -\] -hat eine sehr spezielle Form. -Sie besteht aus einem Term in $\mathscr{D}$ und einem Logarithmus -einer Funktion von $\mathscr{D}$, also einem Monom über $\mathscr{D}$. - -\subsubsection{Einfach elementare Stammfunktionen} -Der in diesem Abschnitt zu beweisende Satz von Liouville zeigt, -dass die im einführenden Beispiel konstruierte Form der Stammfunktion -eine allgemeine Eigenschaft elementar integrierbarer -Funktionen ist. -Zunächst aber soll dieses Bespiel etwas verallgemeinert werden. - -\begin{satz}[Liouville-Vorstufe für Monome] -\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} -Sei $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$ und $g\in\mathscr{D}(\vartheta)$ -mit $g'\in\mathscr{D}$. -Dann hat $g$ die Form $v_0 + c_1\vartheta$ mit $v_0\in\mathscr{D}$ und -$c_1\in\mathbb{C}$. -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -In Anlehnung an das einführende Beispiel nehmen wir an, dass die -Stammfunktion $g\in\mathscr{D}[\vartheta]$ für ein Monom $\vartheta$ -über $\mathscr{D}$ ist. -Dann hat $g$ die Partialbruchzerlegung -\[ -g -= -H(\vartheta) -+ -\sum_{j\le r(i)} \frac{P_{ij}(\vartheta)}{Q_i(\vartheta)^j} -\] -mit irreduziblen normierten Polynomen $Q_i(\vartheta)$ und -Polynomen $P_{ij}(\vartheta)$ vom Grad kleiner als $\deg Q_i(\vartheta)$. -Ausserdem ist $H(\vartheta)$ ein Polynom. -Die Ableitung von $g$ muss jetzt aber wieder in $\mathscr{D}$ sein. -Zu ihrer Berechnung können die Sätze -\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}, -\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} -und -\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} -verwendet werden. -Diese besagen, dass in der Partialbruchzerlegung die Exponenten der -Nenner die Quotienten in der Summe nicht kleiner werden. -Die Ableitung $g'\in\mathscr{D}$ darf aber gar keine Nenner mit -$\vartheta$ enthalten, also dürfen die Quotienten gar nicht erst -vorkommen. -$g=H(\vartheta)$ muss also ein Polynom in $\vartheta$ sein. -Die Ableitung des Polynoms darf wegen $g'\in\mathscr{d}$ das Monom -$\vartheta$ ebenfalls nicht mehr enthalten, daher kann es höchstens vom -Grad $1$ sein. -Nach Satz~\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} -muss ausserdem der Leitkoeffizient von $g$ eine Konstante sein, -das Polynom hat also genau die behauptete Form. -\end{proof} - -\begin{satz}[Liouville-Vorstufe für algebraische Elemente] -\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-2} -Sei $\vartheta$ algebraische über $\mathscr{D}$ und -$g\in\mathscr{D}(\vartheta)$ mit $g'\in\mathscr{D}$. -\end{satz} - -\subsubsection{Elementare Stammfunktionen} -Nach den Vorbereitungen über einfach elementare Stammfunktionen -in den Sätzen~\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} -und -\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-2} sind wir jetzt -in der Lage, den allgemeinen Satz von Liouville zu formulieren -und zu beweisen. - -\begin{satz}[Liouville] -Sei $\mathscr{D}$ ein Differentialkörper, $\mathscr{F}$ einfach über -$\mathscr{D}$ mit gleichem Konstantenkörper $\mathbb{C}$. -Wenn $g\in \mathscr{F}$ eine Stammfunktion von $f\in\mathscr{D}$ ist, -also $g'=f$, dann gibt es Zahlen $c_i\in\mathbb{C}$ und -$v_0,v_i\in\mathscr{D}$ derart, dass -\begin{equation} -g = v_0 + \sum_{i=1}^k c_i \log v_i -\qquad\Rightarrow\qquad -g' = v_0' + \sum_{i=1}^k c_i \frac{v_i'}{v_i} = f -\label{buch:integrale:satz:liouville-fform} -\end{equation} -gilt. -\end{satz} - -Der Satz hat zur Folge, dass eine elementare Stammfunktion für $f$ -nur dann existieren kann, wenn sich $f$ in der speziellen Form -\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} -schreiben lässt. -Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} -lässt sich damit jetzt lösen. - - -\begin{proof}[Beweis] -Wenn die Stammfunktion $g\in\mathscr{D}$ ist, dann hat $g$ die Form -\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} mit $v_0=g$, die Summe -wird nicht benötigt. - -Wir verwenden Induktion nach der Anzahl der Elemente, die zu $\mathscr{D}$ -hinzugefügt werden müssen, um einen Differentialkörper -$\mathscr{F}=\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ zu konstruieren, -der $g$ enthält. -Da $f\in\mathscr{D}\subset\mathscr{D}(\vartheta_1)$ ist, können wir die -Induktionsannahme auf die Erweiterung -\[ -\mathscr{D}(\vartheta_1)\subset\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2) -\subset\cdots\subset \mathscr{D}(\vartheta_1,\cdots,\vartheta_n)=\mathscr{F} -\] -anwenden, die durch Hinzufügen von nur $n-1$ Elemente -$\vartheta_2,\dots,\vartheta_n$ aus $\mathscr{D}(\vartheta_1)$ den -Differentialkörper $\mathscr{F}$ erreicht, der $g$ enthält. -Sie besagt, dass sich $g$ schreiben lässt als -\[ -g = w_0 + \sum_{i=1}^{k_1} c_i\log w_i -\qquad\text{mit $c_i\in\mathbb{C}$ und $w_0,w_i\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$.} -\] -Wir müssen jetzt zeigen, dass sich dieser Ausdruck umformen lässt -in den Ausdruck der Form~\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform}. - -Der Term $w_0\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$ hat eine Partialbruchzerlegung -\[ -H(\vartheta_1) -+ -\sum_{j\le r(l)} \frac{P_{lj}(\vartheta_1)}{Q_l(\vartheta_1)^j} -\] -in der Variablen $\vartheta_1$. - -Da $w_i\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$ ist, kann man Zähler und Nenner -von $w_i$ als Produkt irreduzibler normierter Polynome schreiben: -\[ -w_i -= -\frac{h_i Z_{i1}(\vartheta_1)^{s_{i1}}\cdots Z_{im(i)}^{s_{im(i)}} -}{ -N_{i1}(\vartheta_1)^{t_{i1}}\cdots N_{in(i)}(\vartheta_1)^{t_{in(i)}} -} -\] -Der Logarithmus hat die Form -\begin{align*} -\log w_i -&= \log h_i + -s_{i1} -\log Z_{i1}(\vartheta_1) -+ -\cdots -+ -s_{im(i)} -\log Z_{im(i)} -- -t_{i1} -\log -N_{i1}(\vartheta_1) -- -\cdots -- -t_{in(i)} -\log -N_{in(i)}(\vartheta_1). -\end{align*} -$g$ kann also geschrieben werden als eine Summe von Polynomen, Brüchen, -wie sie in der Partialbruchzerlegung vorkommen, Logarithmen von irreduziblen -normierten Polynomen und Logarithmen von Elementen von $\mathscr{D}$. - -Die Ableitung $g'$ muss jetzt aber wieder in $\mathscr{D}$ sein, beim -Ableiten müssen also alle Terme verschwinden, die $\vartheta_1$ enthalten. -Dabei spielt es eine Rolle, ob $\vartheta_1$ ein Monom oder algebraisch ist. -\begin{enumerate} -\item -Wenn $\vartheta_1$ ein Monom ist, dann kann man wie im Beweis des -Satzes~\ref{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} argumentieren, -dass die Brüchterme gar nicht vorkommen und -$H(\vartheta_1)=v_0+c_1\vartheta_1$ sein muss. -Die Ableitung Termen der Form $\log Z(\vartheta_1)$ ist ein Bruchterm -mit dem irreduziblen Nenner $Z(\vartheta_1)$, die ebenfalls verschwinden -müssen. -Ist $\vartheta_1$ eine Exponentialfunktion, dann ist -$\vartheta_1' \in \mathscr{D}(\vartheta_1)\setminus\mathscr{D}$, also muss -$c_1=0$ sein. -Ist $\vartheta_1$ ein Logarithmus, also $\vartheta_1=\log v_1$, dann -kommen nur noch Terme der in -\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} -erlaubten Form vor. - -\item -Wenn $\vartheta_1$ algebraisch vom Grad $m$ ist, dann ist -\[ -g' = w_0' + \sum_{i=1}^{k_1} d_i\frac{w_i'}{w_i} = f. -\] -Weder $w_0$ noch $\log w_i$ sind in $\mathscr{D}(\vartheta_1)$. -Aber wenn man $\vartheta_1$ durch die $m$ konjugierten Elemente -ersetzt und alle summiert, dann ist -\[ -mf -= -\operatorname{Tr}(w_0) + \sum_{i=1}^{k_1} d_i \log\operatorname{Norm}(w_i). -\] -Da die Spur und die Norm in $\mathscr{D}$ sind, folgt, dass -\[ -f -= -\underbrace{\frac{1}{m} -\operatorname{Tr}(w_0)}_{\displaystyle= v_0} -+ -\sum_{i=1}^{k_1} \underbrace{\frac{d_i}{m}}_{\displaystyle=c_i} -\log -\underbrace{ \operatorname{Norm}(w_i)}_{\displaystyle=v_i} -= -v_0 + \sum_{i=1}^{k_1} c_i\log v_i -\] -die verlangte Form hat. -\qedhere -\end{enumerate} -\end{proof} - -\subsection{Die Fehlerfunktion ist keine elementare Funktion -\label{buch:integrale:section:fehlernichtelementar}} -% \url{https://youtu.be/bIdPQTVF5n4} -Mit Hilfe des Satzes von Liouville kann man jetzt beweisen, dass -die Fehlerfunktion keine elementare Funktion ist. -Dazu braucht man die folgende spezielle Form des Satzes. - -\begin{satz} -\label{buch:integrale:satz:elementarestammfunktion} -Wenn $f(x)$ und $g(x)$ rationale Funktionen von $x$ sind, dann -ist die Stammfunktion von $f(x)e^{g(x)}$ genau dann eine -elementare Funktion, wenn es eine rationale Funktion gibt, die -Lösung der Differentialgleichung -\[ -r'(x) + g'(x)r(x)=f(x) -\] -ist. -\end{satz} - -\begin{satz} -Die Funktion $x\mapsto e^{-x^2}$ hat keine elementare Stammfunktion. -\label{buch:iintegrale:satz:expx2} -\end{satz} - -\begin{proof}[Beweis] -Unter Anwendung des Satzes~\ref{buch:integrale:satz:elementarestammfunktion} -auf $f(x)=1$ und $g(x)=-x^2$ folgt, $e^{-x^2}$ genau dann eine rationale -Stammfunktion hat, wenn es eine rationale Funktion $r(x)$ gibt, die -Lösung der Differentialgleichung -\begin{equation} -r'(x) -2xr(x)=1 -\label{buch:integrale:expx2dgl} -\end{equation} -ist. - -Zunächst halten wir fest, dass $r(x)$ kein Polynom sein kann. -Wäre nämlich -\[ -r(x) -= -a_0 + a_1x + \dots + a_nx^n -= -\sum_{k=0}^n a_kx^k -\quad\Rightarrow\quad -r'(x) -= -a_1 + 2a_2x + \dots + na_nx^{n-1} -= -\sum_{k=1}^n -ka_kx^{k-1} -\] -ein Polynom, dann ergäbe sich beim Einsetzen in die Differentialgleichung -\begin{align*} -1 -&= -r'(x)-2xr(x) -\\ -&= -a_1 + 2a_2x + 3a_3x^2 + \dots + (n-1)a_{n-1}x^{n-2} + na_nx^{n-1} -\\ -&\qquad -- -2a_0x -2a_1x^2 -2a_2x^3 - \dots - 2a_{n-1}x^n - 2a_nx^{n+1} -\\ -& -\hspace{0.7pt} -\renewcommand{\arraycolsep}{1.8pt} -\begin{array}{crcrcrcrcrcrcrcr} -=&a_1&+&2a_2x&+&3a_3x^2&+&\dots&+&(n-1)a_{n-1}x^{n-2}&+&na_{n }x^{n-1}& & & & \\ - & &-&2a_0x&-&2a_1x^2&-&\dots&-& 2a_{n-3}x^{n-2}&-&2a_{n-2}x^{n-1}&-&2a_{n-1}x^n&-&2a_nx^{n+1} -\end{array} -\\ -&= -a_1 -+ -(2a_2-2a_0)x -+ -(3a_3-2a_1)x^2 -%+ -%(4a_4-2a_2)x^3 -+ -\dots -+ -(na_n-2a_{n-2})x^{n-1} -- -2a_{n-1}x^n -- -2a_nx^{n+1}. -\end{align*} -Koeffizientenvergleich zeigt, dass $a_1=1$ sein muss. -Aus den letzten zwei Termen liest man ebenfalls mittels Koeffizientenvergleich -ab, dass $a_n=0$ und $a_{n-1}=0$ sein müssen. -Aus den Koeffizienten $(ka_k-2a_{k-2})=0$ folgt, dass -$a_{k-2}=\frac{k}{2}a_k$ für alle $k>1$ sein muss, diese Koeffizienten -verschwinden also auch, inklusive $a_1=0$. -Dies ist allerdings im Widerspruch zu $a_1=1$. -Es folgt, dass $r(x)$ kein Polynom sein kann. - -Der Nenner der rationalen Funktion $r(x)$ hat also mindestens eine Nullstelle -$\alpha$, man kann daher $r(x)$ auch schreiben als -\[ -r(x) = \frac{s(x)}{(x-\alpha)^n}, -\] -wobei die rationale Funktion $s(x)$ keine Nullstellen und keine Pole hat. -Einsetzen in die Differentialgleichung ergibt: -\[ -1 -= -r'(x) -2xr(x) -= -\frac{s'(x)}{(x-\alpha)^n} --n -\frac{s(x)}{(x-\alpha)^{n+1}} -- -\frac{2xs(x)}{(x-\alpha)^n}. -\] -Multiplizieren mit $(x-\alpha)^{n+1}$ gibt -\[ -(x-\alpha)^{n+1} -= -s'(x)(x-\alpha) -- -ns(x) -- -2xs(x)(x-\alpha) -\] -Setzt man $x=\alpha$ ein, verschwinden alle Terme ausser dem mittleren -auf der rechten Seite, es bleibt -\[ -ns(\alpha) = 0. -\] -Dies widerspricht aber der Wahl der rationalen Funktion $s(x)$, für die -$\alpha$ keine Nullstelle ist. - -Somit kann es keine rationale Funktion $r(x)$ geben, die eine Lösung der -Differentialgleichung~\eqref{buch:integrale:expx2dgl} ist und -die Funktion $e^{-x^2}$ hat keine elementare Stammfunktion. -\end{proof} - -Der Satz~\ref{buch:iintegrale:satz:expx2} rechtfertigt die Einführung -der Fehlerfunktion $\operatorname{erf}(x)$ als neue spezielle Funktion, -mit deren Hilfe die Funktion $e^{-x^2}$ integriert werden kann. - - - +\rhead{Differentialkörper} +Die Einführung einer neuen Funktion $\operatorname{erf}(x)$ wurde +durch die Behauptung gerechtfertigt, dass es für den Integranden +$e^{-x^2}$ keine Stammfunktion in geschlossener Form gäbe. +Die Fehlerfunktion ist bei weitem nicht die einzige mit dieser +Eigenschaft. +Doch woher weiss man, dass es keine solche Funktion gibt, und +was heisst überhaupt ``Stammfunktion in geschlossener Form''? +In diesem Abschnitt wird daher ein algebraischer Rahmen entwickelt, +in dem diese Frage sinnvoll gestellt werden kann. +Das ultimative Ziel, welches aber erst in +Abschnitt~\ref{buch:integral:section:risch} in Angriff genommen +wird, ist ein Computer-Algorithmus, der Integrale in geschlossener +Form findet oder beweist, dass dies für einen gegebenen Integranden +nicht möglich ist. + +\input{chapters/060-integral/rational.tex} +\input{chapters/060-integral/erweiterungen.tex} +\input{chapters/060-integral/diffke.tex} +\input{chapters/060-integral/iproblem.tex} +\input{chapters/060-integral/irat.tex} +\input{chapters/060-integral/sqrat.tex} diff --git a/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper2.tex b/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper2.tex new file mode 100644 index 0000000..f41d3ba --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper2.tex @@ -0,0 +1,1953 @@ +% +% differentialalgebren.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Differentialkörper und der Satz von Liouville +\label{buch:integrale:section:dkoerper}} +\rhead{Differentialkörper und der Satz von Liouville} +Das Problem der Darstellbarkeit eines Integrals in geschlossener +Form verlangt zunächst einmal nach einer Definition dessen, was man +als ``geschlossene Form'' akzeptieren will. +Die sogenannten {\em elementaren Funktionen} von +Abschnitt~\ref{buch:integrale:section:elementar} +bilden dafür den theoretischen Rahmen. +Das Problem ist dann die Frage zu beantworten, ob ein Integral eine +Stammfunktion hat, die eine elementare Funktion ist. +Der Satz von Liouville von Abschnitt~\ref{buch:integrale:section:liouville} +löst das Problem. + +\subsection{Eine Analogie +\label{buch:integrale:section:analogie}} +% XXX Analogie: Formel für Polynom-Nullstellen +% XXX Stammfunktion als elementare Funktion +Das Analysis-Problem, eine Stammfunktion zu finden, ist analog zum +wohlbekannten algebraischen Problem, Nullstellen von Polynomen zu finden. +Wir entwickeln diese Analogie in etwas mehr Detail, um zu sehen, ob man +aus dem algebraischen Problem etwas über das Problem der Analysis +lernen kann. + +Für ein Polynom $p(X) = a_nX^n+a_{n-1}X^{n-1}+\dots+a_1X+a_0\in\mathbb{C}[X]$ +mit Koeffizienten $a_k\in\mathbb{C}$ ist es sehr einfach, für jede beliebige +komplexe Zahl $z\in\mathbb{C}$ den Wert $p(z)$ des Polynoms auszurechnen. +Ein paar wenige Rechenregeln genügen dazu, man kann leicht einem Kind +beibringen, mit einem Taschenrechner so einen Wert auszurechnen. + +Ähnlich sieht es mit der Ableitungsoperation aus. +Einige wenige Ableitungsregeln, die man in der Analysis~I lernt, +erlauben, auf mehr oder weniger mechanische Art und Weise, jede +beliebige Funktion abzuleiten. +Man kann auch leicht einen Computer dazu programmieren, solche Ableitungen +symbolisch zu berechnen. + +Aus dem Fundamentalsatz der Algebra, der von Gauss vollständig bewiesen +wurde, ist bekannt, dass jedes Polynom mit Koeffizienten in $\mathbb{C}$ +genau so viele Lösungen in $\mathbb{C}$, wie der Grad des Polynoms angibt. +Dies ist aber ein Existenzsatz, er sagt nichts darüber aus, wie man diese +Lösungen finden kann. +In Spezialfällen, wie zum Beispiel für quadratische Polynome, gibt +es spezialsierte Lösungsverfahren, mit denen man Lösungen angeben kann. +Natürlich existieren numerische Methoden wie zum Beispiel das +Newton-Verfahren, mit dem man Nullstellen von Polynomen beliebig genau +bestimmen kann. + +Der Fundamentalsatz der Integralrechnung besagt, dass jede stetige +Funktion eine Stammfunktion hat, die bis auf eine Konstante eindeutig +bestimmt ist. +Auch dieser Existenzsatz gibt keinerlei Hinweise darauf, wie man die +Stammfunktion finden kann. +In der Analysis-Vorlesung lernt man viele Tricks, die in einer +beindruckenden Zahl von Spezialfällen ermöglichen, ein passende +Funktion anzugeben. +Man lernt auch numerische Verfahren kennen, mit denen sich Werte der +Stammfunktion, also bestimmte Integrale, mit beliebiger Genauigkeit +finden kann. + +Die numerische Lösung des Nullstellenproblems ist insofern unbefriedigend, +als sie nur schwer eine Diskussion der Abhängigkeit der Nullstellen von +den Koeffizienten des Polynoms ermöglichen. +Eine Formel wie die Lösungsformel für die quadratische Gleichung +stellt genau für solche Fälle ein ideales Werkzeug bereit. +Was man sich also wünscht ist nicht nur einfach eine Lösung, sondern eine +einfache Formel zur Bestimmung aller Lösungen. +Im Zusammenhang mit algebraischen Gleichungen erwartet man eine Formel, +in der nur arithmetische Operationen und Wurzeln vorkommen. +Für quadratische Gleichungen ist so eine Formel seit dem Altertum bekannt, +Formeln für die kubische Gleichung und die Gleichung vierten Grades wurden +im 16.~Jahrhundert von Cardano bzw.~Ferrari gefunden. +Erst viel später haben Abel und Ruffini gezeigt, dass so eine allgemeine +Formel für Polynome höheren Grades als 4 nicht existiert. +Die Galois-Theorie, die auf den Ideen von Évariste Galois beruht, +stellt eine vollständige Theorie unter anderem für die Lösbarkeit +von Gleichungen durch Wurzelausdrücke dar. + +Numerische Integralwerte haben ebenfalls den Nachteil, dass damit +Diskussionen wie die Abhängigkeit von Parametern eines Integranden +nur schwer möglich sind. +Was man sich daher wünscht ist eine Formel für die Stammfunktion, +die Werte als Zusammensetzung gut bekannter Funktionen wie der Exponential- +und Logarithmus-Funktionen oder der trigonometrischen Funktionen +sowie Wurzeln, Potenzen und den arithmetischen Operationen. +Man sagt, man möchte die Stammfunktion in ``geschlossener Form'' +dargestellt haben. +Tatsächlich ist dieses Problem auch zu Beginn des 19.~Jahrhunderts +von Joseph Liouville genauer untersucht worden. +Er hat zunächst eine Klasse von ``elementaren Funktionen'' definiert, +die als Darstellungen einer Stammfunktion in Frage kommen. +Der Satz von Liouville besagt dann, dass nur Funktionen mit einer +ganz speziellen Form eine elementare Stammfunktion haben. +Damit wird es möglich, zu entscheiden, ob ein Integrand wie $e^{-x^2}$ +eine elementare Stammfunktion hat. +Seit dieser Zeit weiss man zum Beispiel, dass die Fehlerfunktion nicht +mit den bekannten Funktionen dargestellt werden kann. + +Mit dem Aufkommen der Computer und vor allem der Computer-Algebra-System (CAS) +wurde die Frage nach der Bestimmung einer Stammfunktion erneut aktuell. +Die ebenfalls weiter entwickelte abstrakte Algebra hat ermöglicht, die +Ideen von Liouville in eine erweiterte, sogenannte differentielle +Galois-Theorie zu verpacken, die eine vollständige Lösung des Problems +darstellt. +Robert Henry Risch hat in den Sechzigerjahren auf dieser Basis +einen Algorithmus entwickelt, mit dem es möglich wird, zu entscheiden, +ob eine Funktion eine elementare Stammfunktion hat und diese +gegebenenfalls auch zu finden. +Moderne CAS implementieren diesen Algorithmus +in Teilen, besonders weit zu gehen scheint das quelloffene System +Axiom. + +Der Risch-Algorithmus hat allerdings eine Achillesferse: er benötigt +eine Method zu entscheiden, ob zwei Ausdrücke übereinstimmen. +Dies ist jedoch ein im Allgemeinen nicht entscheidbares Problem. +Moderne CAS treiben einigen Aufwand, um die +Gleichheit von Ausdrücken zu entscheiden, sie können das Problem +aber grundsätzlich nicht vollständig lösen. +Damit kann der Risch-Algorithmus in praktischen Anwendungen das +Stammfunktionsproblem ebenfalls nur mit Einschränkungen lösen, +die durch die Fähigkeiten des Ausdrucksvergleichs in einem CAS +gesetzt werden. + +Im Folgenden sollen elementare Funktionen definiert werden, es sollen +die Grundideen der differentiellen Galois-Theorie zusammengetragen werden +und der Satz von Liouvill vorgestellt werden. +An Hand der Fehler-Funktion soll dann gezeigt werden, wie man jetzt +einsehen kann, dass die Fehlerfunktion nicht elementar darstellbar ist. +Im nächsten Abschnitt dann soll der Risch-Algorithmus skizziert werden. + +\subsection{Elementare Funktionen +\label{buch:integrale:section:elementar}} +Es soll die Frage beantwortet werden, welche Stammfunktionen sich +in ``geschlossener Form'' oder durch ``wohlbekannte Funktionen'' +ausdrücken lassen. +Welche Funktionen dabei als ``wohlbekannt'' gelten dürfen ist +ziemlich willkürlich. +Sicher möchte man Potenzen und Wurzeln, Logarithmus und Exponentialfunktion, +aber auch die trigonometrischen Funktionen dazu zählen dürfen. +Ausserdem will man beliebig mit den arithmetischen Operationen +rechnen. +So entsteht die Menge der Funktionen, die man ``elementar'' nennen +will. + +In der Menge der elementaren Funktionen möchte man jetzt +Stammfunktionen ausgewählter Funktionen suchen. +Dazu muss man von jeder Funktion ihre Ableitung kennen. +Die Ableitungsoperation macht aus der Funktionenmenge eine +differentielle Algebra. +Der Satz von Liouville (Satz~\ref{buch:integrale:satz:liouville1}) +liefert Bedingungen, die erfüllt sein müssen, wenn eine Funktion +eine elementare Stammfunktion hat. +Sind diese Bedingungen nicht erfüllbar, ist auch keine +elementare Stammfunktion möglich. + +In den folgenden Abschnitten soll die differentielle Algebra +der elementaren Funktionen konstruiert werden. + +\subsubsection{Körper} +Die einfachsten Funktionen sind die die Konstanten, für die wir +für die nachfolgenden Betrachtungen fast immer die komplexen Zahlen +$\mathbb{C}$ +zu Grunde legen wollen. +Dabei ist vor allem wichtig, dass sich darin alle arithmetischen +Operationen durchführen lassen mit der einzigen Ausnahme, dass +nicht durch $0$ dividiert werden darf. +Man nennt $\mathbb{C}$ daher ein {\em Körper}. +\index{Körper}% +\label{buch:integrale:def:koerper} + +\subsubsection{Polynome und rationale Funktionen} +Die Polynome einer Variablen beschreiben eine Menge von +Funktionen, in der Addition, Subtraktion, Multiplikation +von Funktionen und Multiplikation mit komplexen Zahlen +uneingeschränkt möglich ist. +Wir bezeichen wie früher die Menge der Polynome in $z$ mit +$\mathbb{C}[z]$. + +Die Division ist erst möglich, wenn man beliebige Brüche +zulässt, deren Zähler und Nenner Polynome sind. +Die Menge +\[ +\mathbb{C}(z) += +\biggl\{ +\frac{p(z)}{q(z)} +\;\bigg|\; +p,q\in \mathbb{C}[z] +\biggr\} +\] +heisst die Menge der {\em rationalen Funktionen}. +\label{buch:integrale:def:rationalefunktion} +\index{Funktion, rationale}% +\index{rationale Funktion}% +In ihr sind jetzt alle arithmetischen Operationen ausführbar +ausser natürlich die Division durch die Nullfunktion. +Die rationalen Funktionen bilden also wieder eine Körper. + +Die Tatsache, dass die rationalen Funktionen einen Körper +bilden bedeutet auch, dass die Konstruktion erneut durchgeführt +werden kann. +Ausgehend von einem beliebigen Körper $K$ können wieder zunächst +die Polynome $K[X]$ und anschliesen die rationalen Funktionen $K[X]$ +in der neuen Variablen, jetzt aber mit Koeffizienten in $K$ +gebildet werden. +So entstehen Funktionen von mehreren Variablen und, indem +wir für die neue Variable $X$ zum Beispiel die im übernächsten +Abschnitt betrachtete Wurzel $X=\sqrt{z}$ +einsetzen, rationale Funktionen in $z$ und $\sqrt{z}$. + +Solche Funktionenkörper werden im folgenden mit geschweiften +Buchstaben $\mathscr{D}$ bezeichnet. +\index{Funktionenkörper}% + +\subsubsection{Ableitungsoperation} +In allen Untersuchungen soll immer die Ableitungsoperation +mit berücksichtigt werden. +In unserer Betrachtungsweise spielt es keine Rolle, dass die +Ableitung aus einem Grenzwert entsteht, es sind nur die algebraischen +Eigenschaften wichtig. +Diese sind in der folgenden Definition zusammengefasst. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:derivation} +Ein {\em Ableitungsoperator} oder eine {\em Derivation} einer Algebra +$\mathscr{D}$ von Funktionen ist eine lineare Abbildung +\[ +\frac{d}{dz} +\colon \mathscr{D} \to \mathscr{D} +: +f \mapsto \frac{df}{dz} = f', +\] +die zusätzlich die Produktregel +\begin{equation} +\frac{d}{dz} (fg) += +\frac{df}{dz} \cdot g + f \cdot \frac{dg}{dz} +\qquad\Leftrightarrow\qquad +(fg)' = f' g + fg' +\label{buch:integrale:eqn:produktregel} +\end{equation} +\index{Produktregel}% +erfüllt. +Die Funktion $f'\in \mathscr{D}$ heisst auch die {\em Ableitung} +von $f\in\mathscr{D}$. +\index{Derivation}% +\index{Ableitungsoperator}% +\index{Ableitung}% +\end{definition} + +Die Produktregel hat zum Beispiel auch die bekannten Quotientenregel +zur Folge. +Dazu betrachten wir das Produkt $f= (f/g)\cdot g$ und leiten es mit +Hilfe der Produktregel ab: +\[ +\frac{d}{dz}f += +\frac{d}{dz} +\biggl( +\frac{f}{g}\cdot g +\biggr) += +{\color{darkred} +\frac{d}{dz} +\biggl( +\frac{f}{g} +\biggr)} +\cdot g ++ +\frac{f}{g}\cdot \frac{d}{dz}g. +\] +Jetzt lösen wir nach der {\color{darkred}roten} Ableitung des Quotienten +auf und erhalten +\begin{equation} +\biggl(\frac{f}{g}\biggr)' += +\frac{d}{dz}\biggl(\frac{f}{g}\biggr) += +\frac1g\biggl( +\frac{d}{dz}f - \frac{f}{g}\cdot \frac{d}{dz}g +\biggr) += +\frac{1}{g} +\biggl( +f'-\frac{fg'}{g} +\biggr) += +\frac{f'g-fg'}{g^2}. +\label{buch:integrale:eqn:quotientenregel} +\end{equation} +Dies ist die Quotientenregel. + +Aus der Produktregel folgt natürlich sofort auch die Potenzregel +für die Ableitung der $n$ten Potenz einer Funktion $f\in\mathscr{D}$, +sie lautet: +\begin{equation} +\frac{d}{dz} f^n += +\underbrace{ +f'f^{n-1} + ff'f^{n-2} + f^2f'f^{n-3}+\dots f^{n-1}f' +}_{\displaystyle \text{$n$ Terme}} += +nf^{n-1}f'. +\label{buch:integrale:eqn:potenzregel} +\end{equation} +In dieser Form versteckt sich natürlich auch die Kettenregel, die +Potenzfunktion ist die äussere Funktion, $f$ die innere, $f'$ ist also +die Ableitung er inneren Funktion, wie in der Kettenregel verlangt. +Falls $f$ ein Element von $\mathscr{D}$ ist mit der Eigenschaft +$df/dz=1$, dann entsteht die übliche Produktregel. + +\begin{definition} +Eine Algebra $\mathscr{D}$ von Funktionen mit einem Ableitungsoperator +$d/dz$ heisst eine {\em differentielle Algebra}. +\index{differentielle Algebra}% +\index{Algebra, differentielle}% +In einer differentiellen Algebra gelten die üblichen +Ableitungsregeln. +\end{definition} + +Die Potenzregel war in der Form~\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} +geschrieben worden, nicht als die Ableitung von $z$. +Der Grund dafür ist, dass wir gar nicht voraussetzen wollen, dass in +unserer differentiellen Algebra eine Funktion existiert, die die +Rolle von $z$ hat. +Dies ist gar nicht nötig, wie das folgende Beispiel zeigt. + +\begin{beispiel} +Als Funktionenmenge $\mathscr{D}$ nehmen wir rationale Funktionen +in zwei Variablen, die wir $\cos x $ und $\sin x$ nennen. +Diese Menge bezeichnen wir mit +$\mathscr{D}=\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ +Der Ableitungsoperator ist +\begin{align*} +\frac{d}{dx} \cos x &= -\sin x +\\ +\frac{d}{dx} \sin x &= \phantom{-}\cos x. +\end{align*} +Die Funktionen von $\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ sind also Brüche, +deren Zähler und Nenner Polynome in $\cos x$ und $\sin x$ sind. +Aus den Produkt- und Quotientenregeln und den Ableitungsregeln für +$\cos x$ und $\sin x$ folgt, dass die Ableitung einer Funktion in +$\mathscr{D}$ wieder in $\mathscr{D}$ ist, $\mathscr{D}$ ist eine +differentielle Algebra. +\end{beispiel} + +Die konstanten Funktionen spielen eine besondere Rolle. +Da wir bei der Ableitung nicht von der Vorstellung einer +Funktion mit einem variablen Argument ausgehen wollten und +die Ableitung nicht als Grenzwert definieren wollten, müssen +wir auch bei der Definition der ``Konstanten'' einen neuen +Weg gehen. +In der Analysis sind die Konstanten genau die Funktionen, +deren Ableitung $0$ ist. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:konstante} +Ein Element $f\in \mathscr{D}$ mit $df/dz=f'=0$ heissen +{\em Konstante} in $\mathscr{D}$. +\index{Konstante}% +\end{definition} + +Die in der Potenzregel~\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} +vermisste Funktion $z$ kann man ähnlich zu den Konstanten +zu definieren versuchen. +$z$ müsste ein Element von $\mathscr{D}$ mit $z' = 1$ sein. +Allerdings gibt es viele solche Elemente, ist $c$ eine Konstanten +und $z'=1$, dann ist auch $(z+c)'=1$, $(z+c)$ hat also für +die Zwecke unserer Untersuchung die gleichen Eigenschaften wie +$z$. +Dies deckt sich natürlich auch mit der Erwartung, dass Stammfunktionen +nur bis auf eine Konstante bestimmt sind. +Eine differentielle Algebra muss allerdings kein Element $z$ mit der +Eigenschaft $z'=1$ enthalten. + +\begin{beispiel} +In $\mathscr{D}=\mathbb{Q}(\cos x,\sin x)$ gibt es kein Element $x$. +Ein solches wäre von der Form +\[ +x = \frac{p(\cos x,\sin x)}{q(\cos x,\sin x)}. +\] +Eine solche goniometrische Beziehung würde für $x=\frac{\pi}4$ bedeuten, +dass +\[ +\frac{\pi}4 += +\frac{p(\sqrt{2}/2,\sqrt{2}/2)}{q(\sqrt{2}/2,\sqrt{2}/2)}. +\] +Auf der rechten Seite steht ein Quotient von Polynome, in dessen +Argument nur rationale Zahlen und $\sqrt{2}$ steht. +So ein Ausdruck kann immer in die Form +\[ +\pi += +4\frac{a\sqrt{2}+b}{c\sqrt{2}+d} += +\frac{4(a\sqrt{2}+b)(c\sqrt{2}-d)}{2c^2+d^2} += +r\sqrt{2}+s +\] +gebracht werden. +Die Zahl auf der rechten Seite ist zwar irrational, aber sie ist Nullstelle +des quadratischen Polynoms +\[ +p(x) += +(x-r\sqrt{2}-s)(x+r\sqrt{2}-s) += +x^2 +-2sx +-2r^2+s^2 +\] +mit rationalen Koeffizienten, wie man mit der Lösungsformel für die +quadratische Gleichung nachprüfen kann. +Es ist bekannt, dass $\pi$ als transzendente Zahl nicht Nullstelle +eines Polynoms mit rationalen Koeffizienten ist. +Dieser Widerspruch zeigt, dass $x$ nicht in $\mathbb{Q}(\cos x, \sin x)$ +vorkommen kann. +\end{beispiel} + +In einer differentiellen Algebra kann jetzt die Frage nach der +Existenz einer Stammfunktion gestellt werden. + +\begin{aufgabe} +\label{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion} +Gegeben eine differentielle Algebra $\mathscr{D}$ und ein Element +$f\in\mathscr{D}$, entscheide, ob es ein Element $F\in\mathscr{D}$ +gibt mit der Eigenschaft $F'=f$. +Ein solches $F\in\mathscr{D}$ heisst {\em Stammfunktion} von $f$. +\end{aufgabe} + +\begin{satz} +In einer differentiellen Algebra $\mathscr{D}$ mit $z\in\mathscr{D}$ +hat die Potenzfunktion $f=z^n$ für $n\in\mathbb{N}\setminus\{-1\}$ +ein Stammfunktion, nämlich +\[ +F = \frac{1}{n+1} z^{n+1}. +\] +\label{buch:integrale:satz:potenzstammfunktion} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Tatsächlich kann man dies sofort nachrechnen, muss allerdings die +Fälle $n+1 >0$ und $n+1<0$ unterscheiden, da die Potenzregel +\eqref{buch:integrale:eqn:potenzregel} nur für natürliche Exponenten +gilt. +Man erhält +\begin{align*} +n+1&>0\colon +& +\frac{d}{dz}\frac{1}{n+1}z^{n+1} +&= +\frac{1}{n+1}(n+1)z^{n+1-1} += +z^n, +\\ +n+1&<0\colon +& +\frac{d}{dz}\frac{1}{n+1}\frac{1}{z^{-(n+1)}} +&= +\frac{1}{n+1}\frac{1'z^{-(n+1)}-1(-(n+1))z^{-n-1-1}}{z^{-2n-2}} +\\ +&& +&= +\frac{1}{n+1} +\frac{(n+1)z^n{-n-2}}{z^{-2n-2}} +\\ +&& +&= +\frac{1}{z^{-n}}=z^n. +\end{align*} +Man beachte, dass in dieser Rechnung nichts anderes als die +algebraischen Eigenschaften der Produkt- und Quotientenregel +verwendet wurden. +\end{proof} + +\subsubsection{Wurzeln} +Die Wurzelfunktionen sollen natürlich als elementare Funktionen +erlaubt sein. +Es ist bekannt, dass $\sqrt{z}\not\in \mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$ +ist, ein solches Element müsste also erst noch hinzugefügt werden. +Dabei muss auch seine Ableitung definiert werden. +Auch dabei dürfen wir nicht auf eine Grenzwertüberlegung zurückgreifen, +vielmehr müssen wir die Ableitung auf vollständig algebraische +Weise bestimmen. + +Wir schreiben $f=\sqrt{z}$ und leiten die Gleichung $f^2=z$ nach $z$ ab. +Dabei ergibt sich nach der Potenzregel +\[ +\frac{d}{dz}f^2 = 2f'f = \frac{d}{dz}z=1 +\qquad\Rightarrow\qquad f' = \frac{1}{2f}. +\] +Diese Rechnung lässt sich auch auf $n$-Wurzeln $g=\root{n}\of{z}$ mit +der Gleichung $g^n = z$ verallgemeinern. +Die Ableitung der $n$-ten Wurzel ist +\begin{equation} +\frac{d}{dz}g^n += +ng^{n-1} = \frac{d}{dz}z=1 +\qquad\Rightarrow\qquad +\frac{d}{dz}g = \frac{1}{ng^{n-1}}. +\end{equation} +Es ist also möglich, eine differentielle Algebra $\mathscr{D}$ mit einer +$n$-ten Wurzel $g$ zu einer grösseren differentiellen Algebra $\mathscr{D}(g)$ +zu erweitern, in der wieder alle Regeln für das Rechnen mit Ableitungen +erfüllt sind. + +\subsubsection{Algebraische Elemente} +Die Charakterisierung der Wurzelfunktionen passt zwar zum verlangten +algebraischen Vorgehen, ist aber zu spezielle und nicht gut für die +nachfolgenden Untersuchengen geeignet. +Etwas allgemeiner ist der Begriff der algebraischen Elemente. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:algebraisches-element} +Seien $K\subset L$ zwei Körper. +Ein Element $\alpha \in L$ heisst {\em algebraisch} über $K$, +wenn $\alpha$ Nullstelle eines Polynoms $p\in K[X]$ mit Koeffizienten +in $K$ ist. +\index{algebraisch}% +\end{definition} + +Jedes Element $\alpha\in K$ ist algebraisch, da $\alpha$ Nullstelle +von $X-\alpha\in K[X]$ ist. +Die $n$tem Wurzeln eines Elemente $\alpha\in K$ sind ebenfalls algebraisch, +da sie Nullstellen des Polynoms $p(X) = X^n - \alpha$ sind. +Allerdings ist nicht klar, dass diese Wurzeln überhaupt existieren. +Nach dem Satz von Abel~\ref{buch:potenzen:satz:abel} gibt es aber +Nullstellen von Polynomen, die sich nicht als Wurzelausdrücke schreiben +lassen. +Der Begriff der algebraischen Elemente ist also allgemeiner als der +Begriff der Wurzel. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:algebraisch-abgeschlossen} +Ein Körper $K$ heisst {\em algebraisch abgeschlossen}, wenn jedes Polynom mit +Koeffizienten in $K$ eine Nullstelle in $K$ hat. +\end{definition} + +Der Körper $\mathbb{C}$ ist nach dem +Fundamentalsatz~\label{buch:potenzen:satz:fundamentalsatz} +der Algebra algebraisch abgeschlossen. +Da wir aber mit Funktionen arbeiten, müssen wir auch Wurzeln +von Funktionen finden können. +Dies ist nicht selbstverständlich, wie das folgende Beispiel zeigt. + +\begin{beispiel} +Es gibt keine stetige Funktion $f\colon \mathbb{C}\to\mathbb{C}$, die +die Gleichung $f(z)^2 = z$ und $f(1)=1$ erfüllt. +Für die Argumente $z(t)= e^{it}$ folgt, dass $f(z(t)) = e^{it/2}$ sein +muss. +Setzt man aber $t=\pm \pi$ ein, ergeben sich die Werte +$f(z(\pm\pi))=e^{\pm i\pi/2}=\pm 1$, die beiden Grenzwerte +für $t\to\pm\pi$ sind also verschieden. +\end{beispiel} + +Die Mathematik hat verschiedene ``Tricks'' entwickelt, wie mit diesem +Problem umgegangen werden kann: Funktionskeime, Garben, Riemannsche +Flächen. +Sie sind alle gleichermassen gut geeignet, das Problem zu lösen. +Für die vorliegende Aufgabe genügt es aber, dass es tatsächlich +immer ein wie auch immer geartetes Element gibt, welches Nullstelle +des Polynoms ist. + +Ist $f$ eine Nullstelle des Polynoms $p(X)$ mit Koeffizienten in +$\mathscr{D}$, dann kann man die Ableitung wie folgt berechnen. +Zunächst leitet man $p(f)$ ab: +\begin{align} +0&= +\frac{d}{dz}(a_nf^n + a_{n-1}f^{n-1}+\ldots+a_1f+a_0) +\notag +\\ +&= +a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\ldots+a_1'f+a_0' ++ +na_nf^{n-1}f' ++ +(n-1)a_nf^{n-2}f' ++ +\ldots ++ +a_2ff' ++ +a_1f' +\notag +\\ +&= +a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\ldots+a_1'f+a_0' ++ +( +na_nf^{n-1} ++ +(n-1)a_nf^{n-2} ++ +\ldots ++ +a_2f ++ +a_1 +)f' +\notag +\\ +\Rightarrow +\qquad +f'&=\frac{ +a_n'f^n + a_{n-1}'f^{n-1}+\dots+a_1'f+a_0' +}{ +na_nf^{n-1} ++ +(n-1)a_nf^{n-2} ++ +\dots ++ +a_1 +}. +\label{buch:integrale:eqn:algabl} +\end{align} +Das einzige, was dabei schief gehen könnte ist, dass der Nenner ebenfalls +verschwindet. +Dieses Problem kann man dadurch lösen, dass man als Polynom das +sogenannte Minimalpolynom verwendet. + +\begin{definition} +Das {\em Minimalpolynome} $m(X)$ eines algebraischen Elementes $\alpha$ ist +das Polynom kleinsten Grades, welches $m(\alpha)=0$ erfüllt. +\end{definition} + +Da das Minimalpolynom den kleinstmöglichen Grad hat, kann der Nenner +von~\eqref{buch:integrale:eqn:algabl}, +der noch kleineren Grad hat, unmöglich verschwinden. +Das Minimalpolynom ist auch im wesentlichen eindeutig. +Gäbe es nämlich zwei verschiedene Minimalpolynome $m_1$ und $m_2$, +dann müsste $\alpha$ auch eine Nullstelle des grössten gemeinsamen +Teilers $m_3=\operatorname{ggT}(m_1,m_2)$ sein. +Wären die beiden Polynome wesentlich verschieden, dann hätte $m_3$ +kleineren Grad, im Widerspruch zur Definition des Minimalpolynoms. +Also unterscheiden sich die beiden Polynome $m_1$ und $m_2$ nur um +einen skalaren Faktor. + +\subsubsection{Konjugation, Spur und Norm} +% Konjugation, Spur und Norm +Das Minimalpolynom eines algebraischen Elementes ist nicht +eindeutig bestimmt. +Zum Beispiel ist $\sqrt{2}$ algebraisch über $\mathbb{Q}$, das +Minimalpolynom ist $m(X)=X^2-2\in\mathbb{Q}[X]$. +Es hat aber noch eine zweite Nullstelle $-\sqrt{2}$. +Mit rein algebraischen Mitteln sind die beiden Nullstellen $\pm\sqrt{2}$ +nicht zu unterscheiden, erst die Verwendung der Vergleichsrelation +ermöglicht, sie zu unterscheiden. + +Dasselbe gilt für die imaginäre Einheit $i$, die das Minimalpolynom +$m(X)=X^2+1\in\mathbb{R}[X]$ hat. +Hier gibt es nicht einmal mehr eine Vergleichsrelation, mit der man +die beiden Nullstellen unterscheiden könnte. +In der Tat ändert sich aus algebraischer Sicht nichts, wenn man in +allen Formeln $i$ durch $-i$ ersetzt. + +Etwas komplizierter wird es bei $\root{3}\of{2}$. +Das Polynom $m=x^3-2\in\mathbb{Q}[X]$ hat $\root{3}\of{2}$ als +Nullstelle und dies ist auch tatsächlich das Minimalpolynom. +Das Polynom hat noch zwei weitere Nullstellen +\[ +\alpha_+ = \frac{-1+i\sqrt{3}}{2}\root{3}\of{2} +\qquad\text{und}\qquad +\alpha_- = \frac{-1-i\sqrt{3}}{2}\root{3}\of{2}. +\] +Die beiden Lösungen gehen durch die Vertauschung von $i$ und $-i$ +auseinander hervor. +Betrachtet man dasselbe Polynom aber als Polynom in $\mathbb{R}[X]$, +dann ist es nicht mehr das Minimalpolynom von $\root{3}\of{2}$, da +$X-\root{3}\of{2}\in\mathbb{R}[X]$ kleineren Grad und $\root{3}\of{2}$ +als Nullstelle hat. +Indem man +\[ +m(X)/(X-\root{3}\of{2})=X^2+\root{3}\of{2}X+\root{3}\of{2}^2=m_2(X) +\] +rechnet, bekommt man das Minimalpolynom der beiden Nullstellen $\alpha_+$ +und $\alpha_-$. +Wir lernen aus diesen Beispielen, dass das Minimalpolynom vom Grundkörper +abhängig ist (Die Faktorisierung $(X-\root{3}\of{2})\cdot m_2(X)$ von +$m(X)$ ist in $\mathbb{Q}[X]$ nicht möglich) und dass wir keine +algebraische Möglichkeit haben, die verschiedenen Nullstellen des +Minimalpolynoms zu unterscheiden. + +Die beiden Nullstellen $\alpha_+$ und $\alpha_-$ des Polynoms $m_2(X)$ +erlauben, $m_2(X)=(X-\alpha_+)(X-\alpha_-)$ zu faktorisieren. +Durch Ausmultiplizieren +\[ +(X-\alpha_+)(X-\alpha_-) += +X^2 -(\alpha_++\alpha_-)X+\alpha_+\alpha_- +\] +und Koeffizientenvergleich mit $m_2(X)$ findet man die symmetrischen +Formeln +\[ +\alpha_+ + \alpha_- = \root{3}\of{2} +\qquad\text{und}\qquad +\alpha_+ \alpha_ = \root{3}\of{2}. +\] +Diese Ausdrücke sind nicht mehr abhängig von einer speziellen Wahl +der Nullstellen. + +Das Problem verschärft sich nocheinmal, wenn wir Funktionen betrachten. +Das Polynom $m(X)=X^3-z$ ist das Minimalpolynom der Funktion $\root{3}\of{z}$. +Die komplexe Zahl $z=re^{i\varphi}$ hat aber drei die algebraisch nicht +unterscheidbaren Nullstellen +\[ +\alpha_0(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3}, +\quad +\alpha_1(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3+2\pi/3} +\qquad\text{und}\qquad +\alpha_2(z)=\root{3}\of{r}e^{i\varphi/3+4\pi/3}. +\] +Aus der Faktorisierung $ (X-\alpha_0(z)) (X-\alpha_1(z)) (X-\alpha_2(z))$ +und dem Koeffizientenvergleich mit dem Minimalpolynom kann man wieder +schliessen, dass die Relationen +\[ +\alpha_0(z) + \alpha_1(z) + \alpha_2(z)=0 +\qquad\text{und}\qquad +\alpha_0(z) \alpha_1(z) \alpha_2(z) = z +\] +gelten. + +Wir können also oft keine Aussagen über individuelle Nullstellen +eines Minimalpolynoms machen, sondern nur über deren Summe oder +Produkt. + +\begin{definition} +\index{buch:integrale:def:spur-und-norm} +Sie $m(X)\in K[X]$ das Minimalpolynom eines über $K$ algebraischen +Elements und +\[ +m(X) = a_nX^n + a_{n-1}X^{n-1} + \ldots + a_1X + a_0. +\] +Dann heissen +\[ +\operatorname{Tr}(\alpha) = -a_{n-1} +\qquad\text{und}\qquad +\operatorname{Norm}(\alpha) = (-1)^n a_0 +\] +die {\em Spur} und die {\em Norm} des Elementes $\alpha$. +\index{Spur eines algebraischen Elementes}% +\index{Norm eines algebraischen Elementes}% +\end{definition} + +Die Spur und die Norm können als Spur und Determinante einer Matrix +verstanden werden, diese allgemeineren Definitionen, die man in der +Fachliteratur, z.~B.~in~\cite{buch:lang} nachlesen kann, führen aber +für unsere Zwecke zu weit. + +\begin{hilfssatz} +Die Ableitungen von Spur und Norm sind +\[ +\operatorname{Tr}(\alpha)' += +\operatorname{Tr}(\alpha') +\qquad\text{und}\qquad +\operatorname{Norm}(\alpha)' += +\operatorname{Tr}(\alpha)' +\] +XXX Wirklich? +\end{hilfssatz} + +\subsubsection{Logarithmen und Exponentialfunktionen} +Die Funktion $z^{-1}$ musste im +Satz~\ref{buch:integrale:satz:potenzstammfunktion} +ausgeschlossen werden, sie hat keine Stammfunktion in $\mathbb{C}(z)$. +Aus der Analysis ist bekannt, dass die Logarithmusfunktion $\log z$ +eine Stammfunktion ist. +Der Logarithmus von $z$ aber auch der Logarithmus $\log f(z)$ +einer beliebigen Funktion $f(z)$ oder die Exponentialfunktion $e^{f(z)}$ +sollen ebenfalls elementare Funktionen sein. +Da wir aber auch hier nicht auf die analytischen Eigenschaften zurückgreifen +wollen, brauchen wir ein rein algebraische Definition. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:logexp} +Sei $\mathscr{D}$ ein differentielle Algebra und $f\in\mathscr{D}$. +Ein Element $\vartheta\in\mathscr{D}$ heisst ein {\em Logarithmus} +von $f$, geschrieben $\vartheta = \log f$, wenn $f\vartheta' = f'$ gilt. +$\vartheta$ heisst eine Exponentialfunktion von $f$ wenn +$\vartheta'=\vartheta f'$ gilt. +\end{definition} + +Die Formel für die Exponentialfunktion ist etwas vertrauter, sie ist +die bekannte Kettenregel +\begin{equation} +\vartheta' += +\frac{d}{dz} e^f += +e^f \cdot \frac{d}{dz} f += +\vartheta \cdot f'. +\label{buch:integrale:eqn:exponentialableitung} +\end{equation} +Da wir uns vorstellen, dass Logarithmen Umkehrfunktionen von +Exponentialfunktionen sein sollen, +muss die definierende Gleichung genau wie +\eqref{buch:integrale:eqn:exponentialableitung} +aussehen, allerdings mit vertauschten Plätzen von $f$ und $\vartheta$, +also +\begin{equation} +\vartheta' = \vartheta\cdot f' +\qquad +\rightarrow +\qquad +f' = f\cdot \vartheta' +\;\Leftrightarrow\; +\vartheta' = (\log f)' = \frac{f'}{f}. +\label{buch:integrale:eqn:logarithmischeableitung} +\end{equation} +Dies ist die aus der Analysis bekannte Formel für die logarithmische +Ableitung. + +Der Logarithmus von $f$ und die Exponentialfunktion von $f$ sollen +also ebenfalls als elementare Funktionen betrachtet werden. + +\subsubsection{Die trigonometrischen Funktionen} +Die bekannten trigonometrischen Funktionen und ihre Umkehrfunktionen +sollten natürlich auch elementare Funktionen sein. +Dabei kommt uns zur Hilfe, dass sie sich mit Hilfe der Exponentialfunktion +als +\[ +\cos f = \frac{e^{if}+e^{-if}}2 +\qquad\text{und}\qquad +\sin f = \frac{e^{if}-e^{-if}}{2i} +\] +schreiben lassen. +Eine differentielle Algebra, die die Exponentialfunktionen von $if$ und +$-if$ enthält, enthält also automatisch auch die trigonometrischen +Funktionen. +Im Folgenden ist es daher nicht mehr nötig, die trigonometrischen +Funktionen speziell zu untersuchen. + +\subsubsection{Elementare Funktionen} +Damit sind wir nun in der Lage, den Begriff der elementaren Funktion +genau zu fassen. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:einfache-elementare-funktion} +Sie $\mathscr{D}$ eine differentielle Algebra über $\mathbb{C}$ und +$\mathscr{D}(\vartheta)$ eine Erweiterung von $\mathscr{D}$ um eine +neue Funktion $\vartheta$, dann heissen $\vartheta$ und die Elemente +von $\mathscr{D}(\vartheta)$ einfach elementar, wenn eine der folgenden +Bedingungen erfüllt ist: +\begin{enumerate} +\item $\vartheta$ ist algebraisch über $\mathscr{D}$, d.~h.~$\vartheta$ +ist eine ``Wurzel''. +\item $\vartheta$ ist ein Logarithmus einer Funktion in $\mathscr{D}$, +d.~h.~es gibt $f\in \mathscr{D}$ mit $f'=f\vartheta'$ +(Definition~\ref{buch:integrale:def:logexp}). +\item $\vartheta$ ist eine Exponentialfunktion einer Funktion in $\mathscr{D}$, +d.~h.~es bit $f\in\mathscr{D}$ mit $\vartheta'=\vartheta f'$ +(Definition~\ref{buch:integrale:def:logexp}). +\end{enumerate} +\end{definition} + +Einfache elementare Funktionen entstehen also ausgehend von einer +differentiellen Algebra, indem man genau einmal eine Wurzel, einen +Logarithmus oder eine Exponentialfunktion hinzufügt. +So etwas wie die zusammengesetzte Funktion $e^{\sqrt{z}}$ ist +damit noch nicht möglich. +Daher erlauben wir, dass man die gesuchten Funktionen in mehreren +Schritten aufbauen kann. + +\begin{definition} +Sei $\mathscr{F}$ eine differentielle Algebra, die die differentielle +Algebra $\mathscr{D}$ enthält, also $\mathscr{D}\subset\mathscr{F}$. +$\mathscr{F}$ und die Elemente von $\mathscr{F}$ heissen einfach, +wenn es endlich viele Elemente $\vartheta_1,\dots,\vartheta_n$ gibt +derart, dass +\[ +\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} +\begin{array}{ccccccccccccc} +\mathscr{D} +&\subset& +\mathscr{D}(\vartheta_1) +&\subset& +\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2) +&\subset& +\; +\cdots +\; +&\subset& +\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2,\dots,\vartheta_{n-1}) +&\subset& +\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2,\dots,\vartheta_{n-1},\vartheta_n) +&=& +\mathscr{F} +\\ +\| +&& +\| +&& +\| +&& +&& +\| +&& +\| +&& +\\ +\mathscr{F}_0 +&\subset& +\mathscr{F}_1 +&\subset& +\mathscr{F}_2 +&\subset& +\cdots +&\subset& +\mathscr{F}_{n-1} +&\subset& +\mathscr{F}_{n\mathstrut} +&& +\end{array} +\] +gilt so, dass jedes $\vartheta_{i+1}$ einfach ist über +$\mathscr{F}_i=\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_i)$. +\end{definition} + +In Worten bedeutet dies, dass man den Funktionen von $\mathscr{D}$ +nacheinander Wurzeln, Logarithmen oder Exponentialfunktionen einzelner +Funktionen hinzufügt. +Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion} kann +jetzt so formuliert werden. + +\begin{aufgabe} +\label{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} +Gegeben ist eine Differentielle Algebra $\mathscr{D}$ und eine +Funktion $f\in \mathscr{D}$. +Gibt es eine Folge $\vartheta_1,\dots,\vartheta_n$ und eine Funktion +$F\in\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ derart, dass +$F'=f$. +\end{aufgabe} + +Das folgende Beispiel zeigt, wie man möglicherweise mehrere +Erweiterungsschritte vornehmen muss, um zu einer Stammfunktion +zu kommen. +Es illustriert auch die zentrale Rolle, die der Partialbruchzerlegung +in der weiteren Entwicklung zukommen wird. + +\begin{beispiel} +\label{buch:integrale:beispiel:nichteinfacheelementarefunktion} +Es soll eine Stammfunktion der Funktion +\[ +f(z) += +\frac{z}{(az+b)(cz+d)} +\in +\mathbb{C}(z) +\] +gefunden werden. +In der Analysis lernt man, dass solche Integrale mit der +Partialbruchzerlegung +\[ +\frac{z}{(az+b)(cz+d)} += +\frac{A_1}{az+b}+\frac{A_2}{cz+d} += +\frac{A_1cz+A_1d+A_2az+A_2b}{(az+b)(cz+d)} +\quad\Rightarrow\quad +\left\{ +\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} +\begin{array}{rcrcr} +cA_1&+&aA_2&=&1\\ +dA_1&+&bA_2&=&0 +\end{array} +\right. +\] +bestimmt werden. +Die Lösung des Gleichungssystems ergibt +$A_1=b/(bc-ad)$ und $A_2=d/(ad-bc)$. +Die Stammfunktion kann dann aus +\begin{align*} +\int f(z)\,dz +&= +\int\frac{A_1}{az+b}\,dz ++ +\int\frac{A_2}{cz+d}\,dz += +\frac{A_1}{a}\int\frac{a}{az+b}\,dz ++ +\frac{A_2}{c}\int\frac{c}{cz+d}\,dz +\end{align*} +bestimmt werden. +In den Integralen auf der rechten Seite ist der Zähler jeweils die +Ableitung des Nenners, der Integrand hat also die Form $g'/g$. +Genau diese Form tritt in der Definition eines Logarithmus auf. +Die Stammfunktion ist jetzt +\[ +F(z) += +\int f(z)\,dz += +\frac{A_1}{a}\log(az+b) ++ +\frac{A_2}{c}\log(cz+d) += +\frac{b\log(az+b)}{a(bc-ad)} ++ +\frac{d\log(cz+d)}{c(ad-bc)}. +\] +Die beiden Logarithmen kann man nicht durch rein rationale Operationen +ineinander überführen. +Sie müssen daher beide der Algebra $\mathscr{D}$ hinzugefügt werden. +\[ +\left. +\begin{aligned} +\vartheta_1&=\log(az+b)\\ +\vartheta_2&=\log(cz+d) +\end{aligned} +\quad +\right\} +\qquad\Rightarrow\qquad +F(z) \in \mathscr{F}=\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2). +\] +Die Stammfunktion $F(z)$ ist also keine einfache elementare Funktion, +aber $F$ ist immer noch eine elementare Funktion. +\end{beispiel} + +\subsection{Partialbruchzerlegung +\label{buch:integrale:section:partialbruchzerlegung}} +Die Konstruktionen des letzten Abschnitts haben gezeigt, +wie man die Funktionen, die man als Stammfunktionen einer Funktion +zulassen möchte, schrittweise konstruieren kann. +Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} +ist eine rein algebraische Formulierung der ursprünglichen +Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion}. +Schliesslich hat das Beispiel auf +Seite~\pageref{buch:integrale:beispiel:nichteinfacheelementarefunktion} +gezeigt, dass es im allgemeinen mehrere Schritte braucht, um zu einer +elementaren Stammfunktion zu gelangen. +Die Lösung setzt sich aus den Termen der Partialbruchzerlegung. +In diesem Abschnitt soll diese genauer studiert werden. + +In diesem Abschnitt gehen wir immer von einer differentiellen +Algebra über den komplexen Zahlen aus und verlangen, dass die +Konstanten in allen betrachteten differentiellen Algebren +$\mathbb{C}$ sind. + +\subsubsection{Monome} +Die beiden Funktionen $\vartheta-1=\log(az+b)$ und $\vartheta_2=(cz+d)$, +die im Beispiel hinzugefügt werden mussten, verhalten sich ich algebraischer +Hinsicht wie ein Monom: man kann es nicht faktorisieren oder bereits +bekannte Summanden aufspalten. +Solchen Funktionen kommt eine besondere Bedeutung zu. + +\begin{definition} +\label{buch:integrale:def:monom} +Die Funktion $\vartheta$ heisst ein Monom, wenn $\vartheta$ nicht +algebraisch ist über $\mathscr{D}$ und $\mathscr{D}(\vartheta)$ die +gleichen Konstanten enthält wie $\mathscr{D}$. +\end{definition} + +\begin{beispiel} +Als Beispiel beginnen wir mit den komplexen Zahlen $\mathbb{C}$ +und fügen die Funktion $\vartheta_1=z$ hinzu und erhalten +$\mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$. +Die Funktionen $z^k$ sind für alle $k$ linear unabhängig, d.~h.~es +gibt keinen Ausdruck +\[ +a_nz^n + a_{n-1}z^{n-1}+\cdots+a_1z+a_0=0. +\] +Dies ist gleichbedeutend damit, dass $z$ nicht algebraisch ist. +Das Monom $z$ ist also auch ein Monom im Sinne der +Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}. +\end{beispiel} + +\begin{beispiel} +Wir beginnen wieder mit $\mathbb{C}$ und fügen die Funktion +$e^z$ hinzu. +Gäbe es eine Beziehung +\[ +b_m(e^z)^m + b_{m-1}(e^z)^{m-1}+\dots+b_1e^z + b_0=0 +\] +mit komplexen Koeffizienten $b_i\in\mathbb{C}$, +dann würde daraus durch Einsetzen von $z=1$ die Relation +\[ +b_me^m + b_{m-1}e^{m-1} + \dots + b_1e + b_0=0, +\] +die zeigen würde, dass $e$ eine algebraische Zahl ist. +Es ist aber bekannt, dass $e$ transzendent ist. +Dieser Widersprich zeigt, dass $e^z$ ein Monom ist. +\end{beispiel} + +\begin{beispiel} +Jetzt fügen wir die Exponentialfunktion $\vartheta_2=e^z$ +der differentiellen Algebra $\mathscr{D}=\mathbb{C}(z)$ hinzu +und erhalten $\mathscr{F}_1=\mathscr{D}(e^z) = \mathbb{C}(z,e^z)$. +Gäbe es das Minimalpolynom +\begin{equation} +b_m(z)(e^z)^m + b_{m-1}(z)(e^z)^{m-1}+\dots+b_1(z)e^z + b_0(z)=0 +\label{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} +\end{equation} +mit Koeffizienten $b_i\in\mathbb{C}(z)$, dann könnte man mit dem +gemeinsamen Nenner der Koeffizienten durchmultiplizieren und erhielte +eine Relation~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} mit +Koeffizienten in $\mathbb{C}[z]$. +Dividiert man durch $e^{mz}$ erhält man +\[ +b_m(z) + b_{m-1}(z)\frac{1}{e^z} + \dots + b_1(z)\frac{1}{(e^z)^{m-1}} + b_0(z)\frac{1}{(e^z)^m}=0. +\] +Aus der Analysis weiss man, dass die Exponentialfunktion schneller +anwächst als jedes Polynom, alle Terme auf der rechten Seite +konvergieren daher gegen 0 für $z\to\infty$. +Das bedeutet, dass $b_m(z)\to0$ für $z\to \infty$. +Das Polynom~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} wäre also gar +nicht das Minimalpolynom. +Dieser Widerspruch zeigt, dass $e^z$ nicht algebraisch ist über +$\mathbb{C}(z)$ und damit ein Monom ist\footnote{Etwas unbefriedigend +an diesem Argument ist, dass man hier wieder rein analytische statt +algebraische Eigenschaften von $e^z$ verwendet. +Gäbe es aber eine minimale Relation wie +\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} +mit Polynomkoeffizienten, dann wäre sie von der Form +\[ +P(z,e^z)=p(z)(e^z)^m + q(z,e^z)=0, +\] +wobei Grad von $e^z$ in $q$ höchstens $m-1$ ist. +Die Ableitung wäre dann +\[ +Q(z,e^z) += +mp(z)(e^z)^m + p'(z)(e^z)^m + r(z,e^z) += +(mp(z) + p'(z))(e^z)^m + r(z,e^z) +=0, +\] +wobei der Grad von $e^z$ in $r$ wieder höchstens $m-1$ ist. +Bildet man $mP(z,e^z) - Q(z,e^z) = 0$ ensteht eine Relation, +in der der Grad des Koeffizienten von $(e^z)^m$ um eins abgenommen hat. +Wiederholt man dies $m$ mal, verschwindet der Term $(e^z)^m$, die +Relation~\eqref{buch:integrale:beweis:exp-analytisch} +war also gar nicht minimal. +Dieser Widerspruch zeigt wieder, dass $e^z$ nicht algebraisch ist, +verwendet aber nur die algebraischen Eigenschaften der differentiellen +Algebra. +}. +\end{beispiel} + +\begin{beispiel} +Wir hätten auch in $\mathbb{Q}$ arbeiten können und $\mathbb{Q}$ +erst die Exponentialfunktion $e^z$ und dann den Logarithmus $z$ von $e^z$ +hinzufügen können. +Es gibt aber noch weitere Logarithmen von $e^z$ zum Beispiel $z+2\pi i$. +Offenbar ist $\psi=z+2\pi i\not\in \mathbb{Q}(z,e^z)$, wir könnten also +auch noch $\psi$ hinzufügen. +Zwar ist $\psi$ auch nicht algebraisch, aber wenn wir $\psi$ hinzufügen, +dann wird aber die Menge der Konstanten grösser, sie umfasst jetzt +$\mathbb{Q}(2\pi i)$. +Die Bedingung in der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}, +dass die Menge der Konstanten nicht grösser werden darf, ist also +verletzt. + +Hätte man mit $\mathbb{Q}(e^z, z+2\pi i)$ begonnen, wäre $z$ aus +dem gleichen Grund kein Monom, aber $z+2\pi i$ wäre eines im Sinne +der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom}. +In allen Rechnungen könnte man $\psi=z+2\pi i$ nicht weiter aufteilen, +da $\pi$ oder seine Potenzen keine Elemente von $\mathbb{Q}(e^z)$ sind. +\end{beispiel} + +Da wir im Folgenden davon ausgehen, dass die Konstanten unserer +differentiellen Körper immer $\mathbb{C}$ sind, wird es jeweils +genügen zu untersuchen, ob eine neu hinzuzufügende Funktion algebraisch +ist oder nicht. + +\subsubsection{Ableitungen von Polynomen und rationalen Funktionen von Monomen} +Fügt man einer differentiellen Algebra ein Monom hinzu, dann lässt +sich etwas mehr über Ableitungen von Polynomen oder Brüchen in diesen +Monomen sagen. +Diese Eigenschaften werden später bei der Auflösung der Partialbruchzerlegung +nützlich sein. + +\begin{satz} +\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad} +Sei +\[ +P += +A_nX^n + A_{n-1}X^{n-1} + \dots A_1X+A_0 +\in\mathscr{D}[X] +\] +ein Polynom mit Koeffizienten in einer differentiellen Algebra $\mathscr{D}$ +und $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$. +Dann gilt +\begin{enumerate} +\item +\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} +Falls $\vartheta=\log f$ ist, ist $P(\vartheta)'$ ein +Polynom vom Grad $n$ in $\vartheta$, wenn der Leitkoeffizient $A_n$ +nicht konstant ist, andernfalls ein Polynom vom Grad $n-1$. +\item +\label{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-exp} +Falls $\vartheta = \exp f$ ist, dann ist $P(\vartheta)'$ ein Polynom +in $\vartheta$ vom Grad $n$. +\end{enumerate} +\end{satz} + +Der Satz macht also genaue Aussagen darüber, wie sich der Grad eines +Polynoms in $\vartheta$ beim Ableiten ändert. + +\begin{proof}[Beweis] +Für Exponentialfunktion ist $\vartheta'=\vartheta f'$, die Ableitung +fügt also einfach einen Faktor $f'$ hinzu. +Terme der Form $A_k\vartheta^k$ haben die Ableitung +\[ +(A_k\vartheta^k) += +A'_k\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta' += +A'_k\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta f' += +(A'_k + kA_k f)\vartheta^k. +\] +Damit wird die Ableitung des Polynoms +\begin{equation} +P(\vartheta)' += +\underbrace{(A'_n+nA_nf')\vartheta^n}_{\displaystyle=(A_n\vartheta^n)'} ++ +(A'_{n-1}+(n-1)A_{n-1}f')\vartheta^{n-1} ++ \dots + +(A'_1+A_1f')\vartheta + A_0'. +\label{buch:integrale:ableitung:polynom} +\end{equation} +Der Grad der Ableitung kann sich also nur ändern, wenn $A_n'+nA_nf'=0$ ist. +Dies bedeutet aber wegen +\( +(A_n\vartheta^n)' += +0 +\), dass $A_n\vartheta^n=c$ eine Konstante ist. +Da alle Konstanten bereits in $\mathscr{D}$ sind, folgt, dass +\[ +\vartheta^n=\frac{c}{A_n} +\qquad\Rightarrow\qquad +\vartheta^n - \frac{c}{A_n}=0, +\] +also wäre $\vartheta$ algebraisch über $\mathscr{D}$, also auch kein Monom. +Dieser Widerspruch zeigt, dass der Leitkoeffizient nicht verschwinden kann. + +Für die erste Aussage ist die Ableitung der einzelnen Terme des Polynoms +\[ +(A_k\vartheta^k)' += +A_k'\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\vartheta' += +A_k'\vartheta^k + A_kk\vartheta^{k-1}\frac{f'}{f} += +\biggl(A_k'\vartheta + kA_k\frac{f'}{f}\biggr)\vartheta^{k-1}. +\] +Die Ableitung des Polynoms ist daher +\[ +P(\vartheta)' += +A_n'\vartheta^n + \biggl(nA_n\frac{f'}{f}+ A'_{n-1}\biggr)\vartheta^{n-1}+\dots +\] +Wenn $A_n$ keine Konstante ist, ist $A_n'\ne 0$ und der Grad von +$P(\vartheta)'$ ist $n$. +Wenn $A_n$ eine Konstante ist, müssen wir noch zeigen, dass der nächste +Koeffizient nicht verschwinden kann. +Wäre der zweite Koeffizient $=0$, dann wäre die Ableitung +\[ +(nA_n\vartheta+A_{n-1})' += +nA_n\vartheta'+A'_{n-1} += +nA_n\frac{f'}{f}+A'_{n-1} += +0, +\] +d.h. $nA_n\vartheta+A_{n-1}=c$ wäre eine Konstante. +Da alle Konstanten schon in $\mathscr{D}$ sind, müsste auch +\[ +\vartheta = \frac{c-A_{n-1}}{nA_n} \in \mathscr{D} +\] +sein, wieder wäre $\vartheta$ kein Monom. +\end{proof} + +Der nächste Satz gibt Auskunft über den führenden Term in +$(\log P(\vartheta))' = P(\vartheta)'/P(\vartheta)$. + +\begin{satz} +\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} +Sei $P$ ein Polynom vom Grad $n$ wie in +\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung} +welches zusätzlich normiert ist, also $A_n=1$. +\begin{enumerate} +\item +\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-log} +Ist $\vartheta=\log f$, dann ist +$(\log P(\vartheta))' = P(\vartheta)'/P(\vartheta)$ und $P(\vartheta)'$ +hat Grad $n-1$. +\item +\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} +Ist $\vartheta=\exp f$, dann gibt es ein Polynom $N(\vartheta)$ so, dass +$(\log P(\vartheta))' += +P(\vartheta)'/P(\vartheta) += +N(\vartheta)/P(\vartheta)+nf'$ +ist. +Falls $P(\vartheta)=\vartheta$ ist $N=0$, andernfalls ist $N(\vartheta)$ +ein Polynom vom Grad $<n$. +\end{enumerate} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Die Gleichung $(\log P(\vartheta))'=P(\vartheta)'/P(\vartheta)$ ist die +Definition eines Logarithmus, es geht also vor allem um die Frage +des Grades von $P(\vartheta)'$. +Da der Leitkoeffizient als $1$ und damit konstant vorausgesetzt wurde, +folgt die Behauptung \ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-log} +aus +Aussage \ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} +von Satz~\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}. + +Für Aussage \ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} +beachten wir wieder die +Ableitungsformel~\eqref{buch:integrale:ableitung:polynom} +und berücksichtigen, dass $A_n=1$ eine Konstante ist. +Da $A_n'=0$ ist, wird +\begin{align*} +P(\vartheta)' +&= +nA_n\vartheta^n f' + \text{Terme niedrigeren Grades in $\vartheta$}. +\intertext{Das Polynom $nf'P(\vartheta)$ hat den gleichen Term vom +Grad $n$, man kann also $P(\vartheta)'$ auch schreiben als} +&= +nf' +P(\vartheta) ++ +\underbrace{ +\text{Terme niedrigeren Grades in $\vartheta$}}_{\displaystyle=N(\vartheta)}. +\end{align*} +Division durch $P(\vartheta)$ ergibt die versprochene Formel. + +Im Fall $P(\vartheta)=\vartheta$ ist $n=1$ und +$(\log P(\vartheta))'=P(\vartheta)'/P(\vartheta) += +\vartheta f'/\vartheta += +nf'$ und somit $N(\vartheta)=0$. +\end{proof} + +\subsubsection{Partialbruchzerlegungen} +Der vorangegangene Abschnitt hat gezeigt, dass sich Monome im Sinne +der Definition~\ref{buch:integrale:def:monom} algebraisch wie eine +unabhängige Variable verhalten. +Für die Berechnung von Integralen rationaler Funktionen in einer +Variablen $x$ verwendet +man die Partialbruchzerlegung, um Brüche mit einfachen Nennern zu +erhalten. +Es liegt daher nahe, dieselbe Idee auch auf die +Monome $\vartheta_i$ zu verwenden. +Dazu muss man die Brüche besser verstehen, die in einer Partialbruchzerlegung +vorkommen können. + +Eine Partialbruchzerlegung in der Variablen $X$ setzt sich zusammen +aus Brüchen der Form +\begin{equation} +g(X) += +\frac{P(X)}{Q(X)^r}, +\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} +\end{equation} +wobei das Nennerpolynom $Q(X)$ ist ein normiertes irreduzibles Polynom +vom Grad $q$ und $P(X)$ ein beliebiges Polynom vom Grad $p<q$. + +Ist der Grad von $P(X)$ +im Quotienten +\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} +grösser als $q$, dann kann man $P(X)$ um Vielfache von Potenzen von +$Q(X)$ reduzieren und eine Summe von Termen der Art +\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-quotient} +erhalten, deren Nenner alle Grad $< q$ haben. +Die Anzahl neu enstehender Terme ist dabei ums grösser, je grösser +der Grad des Zählers ist. +Dies ist der Inhalt des folgenden Satzes. + +\begin{satz} +\label{buch:integrale:satz:partialbruch-reduktion} +Sei $Q(X)$ ein irreduzibles Polynom vom Grad $q$ und $P(X)$ ein beliebiges +Polynom vom Grad $p < (k+1)q$. +Dann gibt es Polynome $P_i(X)$, $i=0,\dots,k$, vom Grad $<q$ derart, +dass +\begin{equation} +\frac{P(X)}{Q(X)^r} += +\sum_{i=0}^k \frac{P_i(X)}{Q(X)^{r-i}}. +\label{buch:integrale:satz:partialbruch-aufgeloest} +\end{equation} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Für $k=0$ ist $p<q$ und es muss nichts weiter gezeigt werden. + +Sei jetzt also $k>0$ das kleinste $k$ so, dass $p<(k+1)q$. +Insbesondere ist dann $kq\le p$. +Nach dem euklidischen Satz für die Division von $P(X)$ durch $Q(X)^k$ +gibt es ein Polynom $P_k(X)$ vom Grad $\le p-qk$ derart, dass +\[ +P(X) = P_k(X)Q(X)^k + R_k(X) +\] +mit einem Rest $R_k(X)$ vom Grad $<kq$. +Es folgt +\[ +\frac{ P(X)}{Q(X)^r} += +\frac{P_k(X)}{Q(X)^{r-k}} ++ +\frac{R_k(X)}{Q(X)^r}. +\] +Der zweite Term ist wieder von der im Satz beschriebenen Art, allerdings +mit einem Wert von $k$, der um $1$ kleiner ist. +Durch rekursive Anwendung der gleichen Prozedur in $k$ weiteren Schritten +erhält man die Form +Das gleiche Argument kann jetzt auf das Polynom $R_k(X)$ anstelle +von $P(X)$ angewendet werden, erhalt man den Ausdruck +\eqref{buch:integrale:satz:partialbruch-aufgeloest}. +\end{proof} + +In der differentiellen Algebra $\mathscr{D}(\vartheta)$ muss man jetzt +auch Bescheid wissen über die Partialbruchzerlegung von Ableitungen solcher +Terme. + +\begin{satz} +\label{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} +Sei $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$ und +seien $P(\vartheta),Q(\vartheta)\in\mathscr{D}[\vartheta]$ Polynome, +wobei $Q(\vartheta)$ ein irreduzibles normiertes Polynom vom Grad $q$ +ist und $P(\vartheta)$ ein beliebiges Polynom vom Grad $p<q$. +Dann ist die Ableitung +\begin{equation} +g(\vartheta)' += +\biggl( +\frac{P(\vartheta)}{Q(\vartheta)^r} +\biggr)' += +-r\frac{P(\vartheta)Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r+1}} ++ +\frac{P(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^r}. +\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung} +\end{equation} +Falls $\vartheta=\exp f$ eine Exponentialfunktion ist und +$Q(\vartheta)=\vartheta$, dann hat die Partialbruchzerlegung von $g(X)'$ +die Form +\begin{equation} +g(\vartheta)' += +\frac{ +{P(\vartheta)'-rP(\vartheta)f} +}{ +\vartheta^{r} +}. +\label{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung-fall0} +\end{equation} +Für $Q(\vartheta)\ne \vartheta$ oder $\vartheta$ keine Exponentialfunktion +hat die Partialbruchzerlegung von $g(X)'$ die Form +\[ +g(\vartheta)' += +\frac{R(\vartheta)}{Q(\vartheta)^{r+1}}+\frac{S(\vartheta)}{Q(\vartheta)^r} +\qquad\text{mit $R(\vartheta)\ne 0$}. +\] +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Schreibt man den Quotienten $g(\vartheta)$ als +$g(\vartheta)=P(\vartheta)Q(\vartheta)^{-r}$, dann folgt aus +Produkt- und Potenzregel +\[ +g(\vartheta)' += +P(\vartheta)'Q(\vartheta)^{-r} ++ +P(\vartheta)\bigl(Q(\vartheta)^{-r}\bigr)' += +\frac{P(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r}} +-r\frac{P(\vartheta)Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)^{r+1}}, +\] +dies ist +\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung}. +Auf die Ableitungen von $P(\vartheta)$ und $Q(\vartheta)$ können +jetzt die Sätze +\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}, +\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} +und +\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} +angewendet werden. +Es sind jweils zwei Dinge zu prüfen: es dürfen in der Partialbruchzerlegung +im Nenner keine Potenzen $<r$ vorkommen und wegen $R\ne 0$ muss der Nenner +$Q(\vartheta)^{r+1}$ vorkommen. + +Falls $\vartheta=\log f$ ist, ist $Q(\vartheta)'$ ein Polynom vom +Grad $q-1$ nach Satz~\eqref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad} +\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad-log} +und $P(\vartheta)'$ ist ein Polynom vom Grad höchstens $p$. +Der Zähler $P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ im zweiten Term ist nicht +durch $Q(\vartheta)$ teilbar, denn weil $Q(\vartheta)$ irreduzibel +ist, müsste $Q(\vartheta)$ entweder $P(\vartheta)$ oder $Q(\vartheta)'$ +teilen, aber beide haben zu geringen Grad. + +Falls $\vartheta=\exp f$ ist, ist $Q(\vartheta)'$ ein Polynom vom +Grad $q$ und $P(\vartheta)'$ ist eine Polynom vom Grad $p$. +Der Grad von $P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ ist $<2q$, daher +werden nach +Satz~\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-reduktion} +keine Nenner mit kleinerem Exponenten als $r$ auftreten. +Es ist noch zu prüfen, ob $Q(\vartheta)$ den Nenner des zweiten Termes +von~\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung} teilt. +Nehmen wir $Q(\vartheta)\mid P(\vartheta)Q(\vartheta)'$ an, dann muss +$Q(\vartheta)\mid Q(\vartheta)'$ sein. +Für +\[ +Q(\vartheta) = \vartheta^q + q_{q-1}\vartheta^{q-1} + \dots +\] +ist die Ableitung +\[ +Q(\vartheta)' += +q\vartheta^q f' ++ +\dots +\] +und damit +\[ +\frac{Q(\vartheta)'}{Q(\vartheta)} += +qf'. +\] +Andererseits ist in der +Aussage~\label{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-exp} +von +Satz~\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} +angewendet auf das Polynom $Q(\vartheta)$ das Polynom $N(\vartheta)=0$, +und daher muss $Q(\vartheta)=\vartheta$ und $q=1$ sein. +Dies ist der einzige Ausnahmefall, in die Partialbruchzerlegung die Form +\eqref{buch:integrale:eqn:partialbruch-ableitung-fall0} +annimmt. +\end{proof} + +Der Satz besagt also, dass in fast allen Fällen die einzelnen Terme +der Partialbruchzerlegung der Ableitungen wieder von der gleichen +Form sind. + +\subsection{Der Satz von Liouville +\label{buch:integrale:section:liouville}} +Die Funktion +\[ +f(z) = \frac{(z+1)^2}{(z-1)^3} \in \mathbb{C}(z) = \mathscr{D} +\] +kann mit Hilfe der Partialbruchzerlegung +\[ +f(z) += +\frac{1}{z-1} ++ +\frac{4}{(z-1)^2} ++ +\frac{4}{(z-1)^3} +\] +integriert werden. +Die Integranden $(z-1)^{-k}$ mit $k>1$ können mit der Potenzregel +integriert werden, aber für eine Stammfunktion $1/(z-1)$ muss +der Logarithmus $\log(z-1)$ hinzugefügt werden. +Die Stammfunktion +\[ +\int f(z)\,dz += +\int +\frac{1}{z-1} +\,dz ++ +\int +\frac{4}{(z-1)^2} +\,dz ++ +\int +\frac{4}{(z-1)^3} +\,dz += +\log(z-1) +- +\underbrace{\frac{4z-2}{(z-1)^2}}_{\displaystyle\in\mathscr{D}} +\in \mathscr{D}(\log(z-1)) = \mathscr{F} +\] +hat eine sehr spezielle Form. +Sie besteht aus einem Term in $\mathscr{D}$ und einem Logarithmus +einer Funktion von $\mathscr{D}$, also einem Monom über $\mathscr{D}$. + +\subsubsection{Einfach elementare Stammfunktionen} +Der in diesem Abschnitt zu beweisende Satz von Liouville zeigt, +dass die im einführenden Beispiel konstruierte Form der Stammfunktion +eine allgemeine Eigenschaft elementar integrierbarer +Funktionen ist. +Zunächst aber soll dieses Bespiel etwas verallgemeinert werden. + +\begin{satz}[Liouville-Vorstufe für Monome] +\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} +Sei $\vartheta$ ein Monom über $\mathscr{D}$ und $g\in\mathscr{D}(\vartheta)$ +mit $g'\in\mathscr{D}$. +Dann hat $g$ die Form $v_0 + c_1\vartheta$ mit $v_0\in\mathscr{D}$ und +$c_1\in\mathbb{C}$. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +In Anlehnung an das einführende Beispiel nehmen wir an, dass die +Stammfunktion $g\in\mathscr{D}[\vartheta]$ für ein Monom $\vartheta$ +über $\mathscr{D}$ ist. +Dann hat $g$ die Partialbruchzerlegung +\[ +g += +H(\vartheta) ++ +\sum_{j\le r(i)} \frac{P_{ij}(\vartheta)}{Q_i(\vartheta)^j} +\] +mit irreduziblen normierten Polynomen $Q_i(\vartheta)$ und +Polynomen $P_{ij}(\vartheta)$ vom Grad kleiner als $\deg Q_i(\vartheta)$. +Ausserdem ist $H(\vartheta)$ ein Polynom. +Die Ableitung von $g$ muss jetzt aber wieder in $\mathscr{D}$ sein. +Zu ihrer Berechnung können die Sätze +\ref{buch:integrale:satz:polynom-ableitung-grad}, +\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} +und +\ref{buch:integrale:satz:partialbruch-monom} +verwendet werden. +Diese besagen, dass in der Partialbruchzerlegung die Exponenten der +Nenner die Quotienten in der Summe nicht kleiner werden. +Die Ableitung $g'\in\mathscr{D}$ darf aber gar keine Nenner mit +$\vartheta$ enthalten, also dürfen die Quotienten gar nicht erst +vorkommen. +$g=H(\vartheta)$ muss also ein Polynom in $\vartheta$ sein. +Die Ableitung des Polynoms darf wegen $g'\in\mathscr{d}$ das Monom +$\vartheta$ ebenfalls nicht mehr enthalten, daher kann es höchstens vom +Grad $1$ sein. +Nach Satz~\ref{buch:integrale:satz:log-polynom-ableitung-grad} +muss ausserdem der Leitkoeffizient von $g$ eine Konstante sein, +das Polynom hat also genau die behauptete Form. +\end{proof} + +\begin{satz}[Liouville-Vorstufe für algebraische Elemente] +\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-2} +Sei $\vartheta$ algebraische über $\mathscr{D}$ und +$g\in\mathscr{D}(\vartheta)$ mit $g'\in\mathscr{D}$. +\end{satz} + +\subsubsection{Elementare Stammfunktionen} +Nach den Vorbereitungen über einfach elementare Stammfunktionen +in den Sätzen~\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} +und +\label{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-2} sind wir jetzt +in der Lage, den allgemeinen Satz von Liouville zu formulieren +und zu beweisen. + +\begin{satz}[Liouville] +Sei $\mathscr{D}$ ein Differentialkörper, $\mathscr{F}$ einfach über +$\mathscr{D}$ mit gleichem Konstantenkörper $\mathbb{C}$. +Wenn $g\in \mathscr{F}$ eine Stammfunktion von $f\in\mathscr{D}$ ist, +also $g'=f$, dann gibt es Zahlen $c_i\in\mathbb{C}$ und +$v_0,v_i\in\mathscr{D}$ derart, dass +\begin{equation} +g = v_0 + \sum_{i=1}^k c_i \log v_i +\qquad\Rightarrow\qquad +g' = v_0' + \sum_{i=1}^k c_i \frac{v_i'}{v_i} = f +\label{buch:integrale:satz:liouville-fform} +\end{equation} +gilt. +\end{satz} + +Der Satz hat zur Folge, dass eine elementare Stammfunktion für $f$ +nur dann existieren kann, wenn sich $f$ in der speziellen Form +\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} +schreiben lässt. +Die Aufgabe~\ref{buch:integrale:aufgabe:existenz-stammfunktion-dalg} +lässt sich damit jetzt lösen. + + +\begin{proof}[Beweis] +Wenn die Stammfunktion $g\in\mathscr{D}$ ist, dann hat $g$ die Form +\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} mit $v_0=g$, die Summe +wird nicht benötigt. + +Wir verwenden Induktion nach der Anzahl der Elemente, die zu $\mathscr{D}$ +hinzugefügt werden müssen, um einen Differentialkörper +$\mathscr{F}=\mathscr{D}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ zu konstruieren, +der $g$ enthält. +Da $f\in\mathscr{D}\subset\mathscr{D}(\vartheta_1)$ ist, können wir die +Induktionsannahme auf die Erweiterung +\[ +\mathscr{D}(\vartheta_1)\subset\mathscr{D}(\vartheta_1,\vartheta_2) +\subset\cdots\subset \mathscr{D}(\vartheta_1,\cdots,\vartheta_n)=\mathscr{F} +\] +anwenden, die durch Hinzufügen von nur $n-1$ Elemente +$\vartheta_2,\dots,\vartheta_n$ aus $\mathscr{D}(\vartheta_1)$ den +Differentialkörper $\mathscr{F}$ erreicht, der $g$ enthält. +Sie besagt, dass sich $g$ schreiben lässt als +\[ +g = w_0 + \sum_{i=1}^{k_1} c_i\log w_i +\qquad\text{mit $c_i\in\mathbb{C}$ und $w_0,w_i\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$.} +\] +Wir müssen jetzt zeigen, dass sich dieser Ausdruck umformen lässt +in den Ausdruck der Form~\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform}. + +Der Term $w_0\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$ hat eine Partialbruchzerlegung +\[ +H(\vartheta_1) ++ +\sum_{j\le r(l)} \frac{P_{lj}(\vartheta_1)}{Q_l(\vartheta_1)^j} +\] +in der Variablen $\vartheta_1$. + +Da $w_i\in\mathscr{D}(\vartheta_1)$ ist, kann man Zähler und Nenner +von $w_i$ als Produkt irreduzibler normierter Polynome schreiben: +\[ +w_i += +\frac{h_i Z_{i1}(\vartheta_1)^{s_{i1}}\cdots Z_{im(i)}^{s_{im(i)}} +}{ +N_{i1}(\vartheta_1)^{t_{i1}}\cdots N_{in(i)}(\vartheta_1)^{t_{in(i)}} +} +\] +Der Logarithmus hat die Form +\begin{align*} +\log w_i +&= \log h_i + +s_{i1} +\log Z_{i1}(\vartheta_1) ++ +\cdots ++ +s_{im(i)} +\log Z_{im(i)} +- +t_{i1} +\log +N_{i1}(\vartheta_1) +- +\cdots +- +t_{in(i)} +\log +N_{in(i)}(\vartheta_1). +\end{align*} +$g$ kann also geschrieben werden als eine Summe von Polynomen, Brüchen, +wie sie in der Partialbruchzerlegung vorkommen, Logarithmen von irreduziblen +normierten Polynomen und Logarithmen von Elementen von $\mathscr{D}$. + +Die Ableitung $g'$ muss jetzt aber wieder in $\mathscr{D}$ sein, beim +Ableiten müssen also alle Terme verschwinden, die $\vartheta_1$ enthalten. +Dabei spielt es eine Rolle, ob $\vartheta_1$ ein Monom oder algebraisch ist. +\begin{enumerate} +\item +Wenn $\vartheta_1$ ein Monom ist, dann kann man wie im Beweis des +Satzes~\ref{buch:integrale:satz:liouville-vorstufe-1} argumentieren, +dass die Brüchterme gar nicht vorkommen und +$H(\vartheta_1)=v_0+c_1\vartheta_1$ sein muss. +Die Ableitung Termen der Form $\log Z(\vartheta_1)$ ist ein Bruchterm +mit dem irreduziblen Nenner $Z(\vartheta_1)$, die ebenfalls verschwinden +müssen. +Ist $\vartheta_1$ eine Exponentialfunktion, dann ist +$\vartheta_1' \in \mathscr{D}(\vartheta_1)\setminus\mathscr{D}$, also muss +$c_1=0$ sein. +Ist $\vartheta_1$ ein Logarithmus, also $\vartheta_1=\log v_1$, dann +kommen nur noch Terme der in +\eqref{buch:integrale:satz:liouville-fform} +erlaubten Form vor. + +\item +Wenn $\vartheta_1$ algebraisch vom Grad $m$ ist, dann ist +\[ +g' = w_0' + \sum_{i=1}^{k_1} d_i\frac{w_i'}{w_i} = f. +\] +Weder $w_0$ noch $\log w_i$ sind in $\mathscr{D}(\vartheta_1)$. +Aber wenn man $\vartheta_1$ durch die $m$ konjugierten Elemente +ersetzt und alle summiert, dann ist +\[ +mf += +\operatorname{Tr}(w_0) + \sum_{i=1}^{k_1} d_i \log\operatorname{Norm}(w_i). +\] +Da die Spur und die Norm in $\mathscr{D}$ sind, folgt, dass +\[ +f += +\underbrace{\frac{1}{m} +\operatorname{Tr}(w_0)}_{\displaystyle= v_0} ++ +\sum_{i=1}^{k_1} \underbrace{\frac{d_i}{m}}_{\displaystyle=c_i} +\log +\underbrace{ \operatorname{Norm}(w_i)}_{\displaystyle=v_i} += +v_0 + \sum_{i=1}^{k_1} c_i\log v_i +\] +die verlangte Form hat. +\qedhere +\end{enumerate} +\end{proof} + +\subsection{Die Fehlerfunktion ist keine elementare Funktion +\label{buch:integrale:section:fehlernichtelementar}} +% \url{https://youtu.be/bIdPQTVF5n4} +Mit Hilfe des Satzes von Liouville kann man jetzt beweisen, dass +die Fehlerfunktion keine elementare Funktion ist. +Dazu braucht man die folgende spezielle Form des Satzes. + +\begin{satz} +\label{buch:integrale:satz:elementarestammfunktion} +Wenn $f(x)$ und $g(x)$ rationale Funktionen von $x$ sind, dann +ist die Stammfunktion von $f(x)e^{g(x)}$ genau dann eine +elementare Funktion, wenn es eine rationale Funktion gibt, die +Lösung der Differentialgleichung +\[ +r'(x) + g'(x)r(x)=f(x) +\] +ist. +\end{satz} + +\begin{satz} +Die Funktion $x\mapsto e^{-x^2}$ hat keine elementare Stammfunktion. +\label{buch:iintegrale:satz:expx2} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Unter Anwendung des Satzes~\ref{buch:integrale:satz:elementarestammfunktion} +auf $f(x)=1$ und $g(x)=-x^2$ folgt, $e^{-x^2}$ genau dann eine rationale +Stammfunktion hat, wenn es eine rationale Funktion $r(x)$ gibt, die +Lösung der Differentialgleichung +\begin{equation} +r'(x) -2xr(x)=1 +\label{buch:integrale:expx2dgl} +\end{equation} +ist. + +Zunächst halten wir fest, dass $r(x)$ kein Polynom sein kann. +Wäre nämlich +\[ +r(x) += +a_0 + a_1x + \dots + a_nx^n += +\sum_{k=0}^n a_kx^k +\quad\Rightarrow\quad +r'(x) += +a_1 + 2a_2x + \dots + na_nx^{n-1} += +\sum_{k=1}^n +ka_kx^{k-1} +\] +ein Polynom, dann ergäbe sich beim Einsetzen in die Differentialgleichung +\begin{align*} +1 +&= +r'(x)-2xr(x) +\\ +&= +a_1 + 2a_2x + 3a_3x^2 + \dots + (n-1)a_{n-1}x^{n-2} + na_nx^{n-1} +\\ +&\qquad +- +2a_0x -2a_1x^2 -2a_2x^3 - \dots - 2a_{n-1}x^n - 2a_nx^{n+1} +\\ +& +\hspace{0.7pt} +\renewcommand{\arraycolsep}{1.8pt} +\begin{array}{crcrcrcrcrcrcrcr} +=&a_1&+&2a_2x&+&3a_3x^2&+&\dots&+&(n-1)a_{n-1}x^{n-2}&+&na_{n }x^{n-1}& & & & \\ + & &-&2a_0x&-&2a_1x^2&-&\dots&-& 2a_{n-3}x^{n-2}&-&2a_{n-2}x^{n-1}&-&2a_{n-1}x^n&-&2a_nx^{n+1} +\end{array} +\\ +&= +a_1 ++ +(2a_2-2a_0)x ++ +(3a_3-2a_1)x^2 +%+ +%(4a_4-2a_2)x^3 ++ +\dots ++ +(na_n-2a_{n-2})x^{n-1} +- +2a_{n-1}x^n +- +2a_nx^{n+1}. +\end{align*} +Koeffizientenvergleich zeigt, dass $a_1=1$ sein muss. +Aus den letzten zwei Termen liest man ebenfalls mittels Koeffizientenvergleich +ab, dass $a_n=0$ und $a_{n-1}=0$ sein müssen. +Aus den Koeffizienten $(ka_k-2a_{k-2})=0$ folgt, dass +$a_{k-2}=\frac{k}{2}a_k$ für alle $k>1$ sein muss, diese Koeffizienten +verschwinden also auch, inklusive $a_1=0$. +Dies ist allerdings im Widerspruch zu $a_1=1$. +Es folgt, dass $r(x)$ kein Polynom sein kann. + +Der Nenner der rationalen Funktion $r(x)$ hat also mindestens eine Nullstelle +$\alpha$, man kann daher $r(x)$ auch schreiben als +\[ +r(x) = \frac{s(x)}{(x-\alpha)^n}, +\] +wobei die rationale Funktion $s(x)$ keine Nullstellen und keine Pole hat. +Einsetzen in die Differentialgleichung ergibt: +\[ +1 += +r'(x) -2xr(x) += +\frac{s'(x)}{(x-\alpha)^n} +-n +\frac{s(x)}{(x-\alpha)^{n+1}} +- +\frac{2xs(x)}{(x-\alpha)^n}. +\] +Multiplizieren mit $(x-\alpha)^{n+1}$ gibt +\[ +(x-\alpha)^{n+1} += +s'(x)(x-\alpha) +- +ns(x) +- +2xs(x)(x-\alpha) +\] +Setzt man $x=\alpha$ ein, verschwinden alle Terme ausser dem mittleren +auf der rechten Seite, es bleibt +\[ +ns(\alpha) = 0. +\] +Dies widerspricht aber der Wahl der rationalen Funktion $s(x)$, für die +$\alpha$ keine Nullstelle ist. + +Somit kann es keine rationale Funktion $r(x)$ geben, die eine Lösung der +Differentialgleichung~\eqref{buch:integrale:expx2dgl} ist und +die Funktion $e^{-x^2}$ hat keine elementare Stammfunktion. +\end{proof} + +Der Satz~\ref{buch:iintegrale:satz:expx2} rechtfertigt die Einführung +der Fehlerfunktion $\operatorname{erf}(x)$ als neue spezielle Funktion, +mit deren Hilfe die Funktion $e^{-x^2}$ integriert werden kann. + + + diff --git a/buch/chapters/060-integral/diffke.tex b/buch/chapters/060-integral/diffke.tex new file mode 100644 index 0000000..61badc8 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/diffke.tex @@ -0,0 +1,237 @@ +% +% diffke.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Differentialkörper und ihre Erweiterungen +\label{buch:integral:subsection:diffke}} +Die Ableitung wird in den Grundvorlesungen der Analysis jeweils +als ein Grenzprozess eingeführt. +Die praktische Berechnung von Ableitungen verwendet aber praktisch +nie diese Definition, sondern fast ausschliesslich die rein algebraischen +Ableitungsregeln. +So wie die Wurzelfunktionen im letzten Abschnitt als algebraische +Körpererweiterungen erkannt wurden, muss jetzt auch für die Ableitung +eine rein algebraische Definition gefunden werden. +Die entstehende Struktur ist der Differentialkörper, der in diesem +Abschnitt definiert werden soll. + +% +% Derivation +% +\subsubsection{Derivation} +Für die praktische Berechnung der Ableitung einer Funktion verwendet +man in erster Linie die bekannten Rechenregeln. +Dazu gehören für zwei Funktionen $f$ und $g$ +\begin{itemize} +\item Linearität: $(\alpha f+\beta g)' = \alpha f' + \beta g'$ für +Konstanten $\alpha$, $\beta$. +\item Produktregel: $(fg)'=f'g+fg'$. +\index{Produktregel}% +\item Quotientenregel: $(f/g)' = (f'g-fg')/g^2$. +\index{Quotientenregel}% +\end{itemize} +Die ebenfalls häufig verwendete Kettenregel $(f\circ g)' = (f'\circ g) g'$ +\index{Kettenregel}% +für zusammengesetzte Funktionen wird später kaum benötigt, da wir +Verkettungen durch Körpererweiterungen ersetzen wollen. +Die Ableitung hat somit die rein algebraischen Eigenschaften +einer Derivation gemäss folgender Definition. + +\begin{definition} +Sei $\mathscr{F}$ ein Körper. +Eine {\em Derivation} ist eine lineare Abbildung +\index{Derivation}% +$D\colon \mathscr{F}\to\mathscr{F}$ +mit der Eigenschaft +\[ +D(fg) = (Df)g+f(Dg). +\] +Ein {\em Differentialkörper} ist ein Körper mit einer Derivation. +\index{Differentialkoerper@Differentialkörper}% +\end{definition} + +Die Ableitung in einem Funktionenkörper ist eine Derivation, +die sich zusätzlich dadurch auszeichnet, dass $Dx=x'=1$. +Sie wird weiterhin mit dem Strich bezeichnet. + +% +% Ableitungsregeln +% +\subsubsection{Ableitungsregeln} +Die Definition einer Derivation macht keine Aussagen über Quotienten, +diese kann man aber aus den Eigenschaften einer Derivation sofort +ableiten. +Wir schreiben $q=f/g$ für $f,g\in\mathscr{F}$, dann ist $f=qg$. +Nach der Kettenregel gilt +\( +f'=q'g+qg' +\). +Substituiert man darin $q=f/g$ und löst nach $q'$ auf, erhält man +\[ +f'=q'g+\frac{fg'}{g} +\qquad\Rightarrow\qquad +q'=\frac1{g}\biggl(f'-\frac{fg'}{g}\biggr) += +\frac{f'g-fg'}{g^2}. +\] + + +% +% Konstantenkörper +% +\subsubsection{Konstantenkörper} +Die Ableitung einer Konstanten verschwindet. +Beim Hinzufügen von Funktionen zu einem Funktionenkörper können weitere +Konstanten hinzukommen, ohne dass dies auf den ersten Blick sichtbar wird. +Zum Beispiel enthält $\mathbb{Q}(x,\!\sqrt{x+\pi})$ wegen +$(\!\sqrt{x+\pi})^2-x=\pi$ auch die Konstante $\pi$. +Eine Derivation ermöglicht dank des nachfolgenden Satzes auch, +solche Konstanten zu erkennen. + +\begin{satz} +Sei $\mathscr{F}$ ein Körper und $D$ eine Derivation in $\mathscr{F}$. +Dann ist die Menge $C=\{a\in\mathscr{F}\;|\;Da=0\}$ ein Körper. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Es muss gezeigt werden, dass Summe und Produkt von Element von $C$ +wieder in $C$ liegen. +Wenn $Da=Db=0$, dann ist $D(a+b)=Da+Db=0$, also ist $a+b\in C$. +Für das Produkt gilt $D(ab)=(Da)b+a(Db)=0b+a0=0$, also ist auch +$ab\in C$. +\end{proof} + +Die Menge $C$ heisst der {\em Konstantenkörper} von $\mathscr{F}$. +\index{Konstantenkörper}% + +% +% Ableitung algebraischer Elemente +% +\subsubsection{Ableitung und algebraische Körpererweiterungen} +Die Rechenregeln in einem Differentialkörper $\mathscr{F}$ legen auch die +Ableitung eines algebraischen Elements fest. +Sei $m(z)=m_0+m_1z+\ldots+m_{n-1}z^{n-1}+z^n$ das Minimalpolynom eines +über $\mathscr{F}$ algebraischen Elements $f$. +Aus $m(f)=0$ folgt durch Ableiten +\[ +0 += +m(f)' += +m_0' ++ +(m_1'f+m_1f') ++ +(m_2'f + m_12f'f) ++ +\ldots ++ +(m_{n-1}'f^{n-1} + m_{n-1} (n-1)f'f^{n-2}) ++ +nf'f^{n-1}. +\] +Zusammenfassen der Ableitung $f'$ auf der linken Seite liefert die +Gleichung +\[ +f'( +m_1+2m_2f+\ldots+(n-1)m_{n-1}f^{n-2}+nf^{n-1} +) += +m_0' + m_1'f + m_2'f^2 + \ldots + m_{n-1}'f^{n-1} + f^n, +\] +aus der +\[ +f' += +\frac{ +m_0' + m_1'f + m_2'f^2 + \ldots + m_{n-1}'f^{n-1} + f^n +}{ +m_1+2m_2f+\ldots+(n-1)m_{n-1}f^{n-2}+nf^{n-1} +} +\] +als Element von $\mathscr{F}(g)$ berechnet werden kann. +Die Ableitungsoperation lässt sich somit auf die Körpererweiterung +$\mathscr{F}(f)$ fortsetzen. + +\begin{beispiel} +Das über $\mathbb{Q}(x)$ algebraische Element $y=\sqrt{ax^2+bx+c}$ +hat das Minimalpolynom +\[ +m(z) += +z^2 - [ax^2+bx+c] +\in +\mathbb{Q}(x)[z] +\] +mit Koeffizienten $m_0 = ax^2+bx+c,$ $m_1=0$ und $m_2=1$. +Es hat die Ableitung +\[ +y' += +\frac{m_0'}{2m_2y} += +\frac{ +2ax+b +}{ +2y +} +\in +\mathbb{Q}(x,y) +\] +wegen $m_0'=2ax+b$. +\end{beispiel} + +\begin{definition} +Eine differentielle Körpererweiterung ist eine Körpererweiterung +$\mathscr{K}\subset\mathscr{F}$ von Differentialkörpern derart, dass +die Ableitungen $D_{\mathscr{K}}$ in $\mathscr{K}$ +und $D_{\mathscr{F}}$ in $\mathscr{F}$ übereinstimmen: +\( +D_{\mathscr{K}}g= D_{\mathscr{F}} g +\) +für alle $g\in\mathscr{K}$. +\end{definition} + +% +% Logarithmus und Exponantialfunktion +% +\subsubsection{Logarithmus und Exponentialfunktion} +Die Exponentialfunktion und der Logarithmus sind nicht algebraisch +über $\mathbb{Q}(x)$, sie lassen sich nicht durch eine algebraische +Gleichung charakterisieren. +Sie zeichnen sich aber durch besondere Ableitungseigenschaften aus. +Die Theorie der gewöhnlichen Differentialgleichungen garantiert, +dass eine Funktion durch eine Differentialgleichung und Anfangsbedingungen +festgelegt ist. +\label{buch:integral:expundlog} +Für die Exponentialfunktion und der Logarithmus haben die +Ableitungseigenschaften +\[ +\exp'(x) = \exp(x) +\qquad\text{und}\qquad +x \log'(x) = 1. +\] +\index{Exponentialfunktion}% +\index{Logarithmus}% +In der algebraischen Beschreibung eines Funktionenkörpers gibt es +das Konzept des Wertes einer Funktion an einer bestimmten Stelle nicht. +Somit können keine Anfangsbedingungen vorgegeben werden. +Da die Gleichung für $\exp$ linear sind, sind Vielfache einer Lösung wieder +Lösungen, +insbesondere ist mit $\exp(x)$ auch $a\exp(x)$ eine Lösung. +Die Gleichung für $\log$ ist nicht linear, aber es ist +$\log'(x) = 1/x$, $\log$ ist eine Stammfunktion von $1/x$, die +nur bis auf eine Konstante bestimmt ist. +Tatsächlich gilt +\[ +x(\log(x)+a)' += +x\log(x) + xa' = x\log(x)=1, +\] +die Funktion $\log(x)+a$ ist also auch eine Lösung für den Logarithmus. + +Die Eigenschaft, dass die Exponentialfunktion die Umkehrfunktion +des Logarithmus ist, lässt sich mit den Mitteln eines Differentialkörpers +nicht ausdrücken. + diff --git a/buch/chapters/060-integral/elementar.tex b/buch/chapters/060-integral/elementar.tex new file mode 100644 index 0000000..fd5f051 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/elementar.tex @@ -0,0 +1,214 @@ +% +% elementar.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Elementare Funktionen +\label{buch:integral:subsection:elementar}} +Etwas allgemeiner kann man sagen, dass in den +Beispielen~\eqref{buch:integration:risch:eqn:integralbeispiel2} +algebraische Erweiterungen von $\mathbb{Q}(x)$ und Erweiterungen +um Logarithmen oder Exponentialfunktionen vorgekommen sind. +Die Stammfunktionen verwenden dieselben Funktionen oder höchstens +Erweiterungen um Logarithmen von Funktionen, die man schon im +Integranden gesehen hat. + +% +% Exponentielle und logarithmische Funktione +% +\subsubsection{Exponentielle und logarithmische Funktionen} +In Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:diffke} haben wir +bereits die Exponentialfunktion $e^x$ und die Logarithmusfunktion +$\log x$ charakterisiert als eine Körpererweiterung durch +Elemente, die der Differentialgleichung +\[ +\exp' = \exp +\qquad\text{und}\qquad +\log' = \frac{1}{x} +\] +genügen. +Für die Stammfunktionen, die in +Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:logexp} +gefunden wurden, sind aber Logarithmusfunktionen nicht von +$x$ sondern von beliebigen über $\mathbb{Q}$ algebraischen Elementen +nötig. +Um zu verstehen, wie wir diese Funktion als Körpererweiterung erhalten +könnten, betrachten wir die Ableitung einer Exponentialfunktion +$\vartheta(x) = \exp(f(x))$ und eines +Logarithmus +$\psi(x) = \log(f(x))$, wie man sie mit der Kettenregel +berechnet hätte: +\begin{align*} +\vartheta'(x) +&=\exp(f(x)) \cdot f'(x) +& +\psi'(x) +&= +\frac{f'(x)}{f(x)} +\quad\Leftrightarrow\quad +f(x)\psi'(x) += +f'(x). +\end{align*} +Dies motiviert die folgende Definition + +\begin{definition} +\label{buch:integral:def:explog} +Sei $\mathscr{F}$ ein Differentialklörper und $f\in\mathscr{F}$. +Ein Exponentialfunktion von $f$ ist ein $\vartheta\in \mathscr{F}$mit +$\vartheta' = \vartheta f'$. +Ein Logarithmus von $f$ ist ein $\vartheta\in\mathscr{F}$ mit +$f\vartheta'=f'$. +\end{definition} + +Für $f=x$ mit $f'=1$ reduziert sich die +Definition~\ref{buch:integral:def:explog} +auf die Definition der Exponentialfunktion $\exp(x)$ und +Logarithmusfunktion $\log(x)$ auf Seite~\pageref{buch:integral:expundlog}. + + +% +% +% +\subsubsection{Transzendente Körpererweiterungen} +Die Wurzelfunktionen haben wir früher als algebraische Erweiterungen +eines Differentialkörpers erkannt. +Die logarithmischen und exponentiellen Elemente gemäss +Definition~\ref{buch:integral:def:explog} sind nicht algebraisch. + +\begin{definition} +\label{buch:integral:def:transzendent} +Sei $\mathscr{F}\subset\mathscr{G}$ eine Körpererweiterung und +$\vartheta\in\mathscr{G}$. +$\vartheta$ heisst {\em transzendent}, wenn $\vartheta$ nicht +algebraisch ist. +\end{definition} + +\begin{beispiel} +Die Funktion $f = e^x + e^{2x} + e^{x/2}$ ist sicher transzendent, +in diesem Beispiel zeigen wir, dass es mindestens drei verschiedene +Möglichkeiten gibt, eine Körpererweiterung von $\mathbb{Q}(x)$ zu +konstruieren, die $f$ enthält. + +Erste Möglichkeit: $f=\vartheta_1 + \vartheta_2 + \vartheta_3$ mit +$\vartheta_1=e^x$, +$\vartheta_2=e^{2x}$ +und +$\vartheta_3=e^{x/2}$. +Jedes der Elemente $\vartheta_i$ ist exponentiell über $\mathbb{Q}(x)$ und +$f$ ist in +\[ +\mathbb{Q}(x) +\subset +\mathbb{Q}(x,\vartheta_1) +\subset +\mathbb{Q}(x,\vartheta_1,\vartheta_2) +\subset +\mathbb{Q}(x,\vartheta_1,\vartheta_2,\vartheta_3) +\ni +f. +\] +Jede dieser Körpererweiterungen ist transzendent. + +Zweite Möglichkeit: $\vartheta_1=e^x$ ist exponentiell über +$\mathbb{Q}(x)$ und $\mathbb{Q}(x,\vartheta_1)$ enthält wegen +\[ +(\vartheta_1^2)' += +2\vartheta_1\vartheta_1' += +2\vartheta_1^2, +\] +somit ist $\vartheta_1^2=\vartheta_2$ eine Exponentialfunktion von $2x$ +über $\mathbb{Q}(x)$. +Das Element $\vartheta_3=e^{x/2}$ ist zwar auch exponentiell über +$\mathbb{Q}(x)$, es ist aber auch eine Nullstelle des Polynoms +$m(z)=z^2-[\vartheta_1]$. +Die Erweiterung +$\mathbb{Q}(x,\vartheta_1)\subset\mathbb{Q}(x,\vartheta_1,\vartheta_3)$ +ist eine algebraische Erweiterung, die +$f=\vartheta_1 + \vartheta_1^2+\vartheta_3$ enthält. + +Dritte Möglichkeit: $\vartheta_3=e^{x/2}$ ist exponentiell über +$\mathbb{Q}(x)$. +Die transzendente Körpererweiterung +\[ +\mathbb{Q}(x) \subset \mathbb{Q}(x,\vartheta_3) +\] +enthält das Element +$f=\vartheta_3^4+\vartheta_3^2 + \vartheta_3 $. +\end{beispiel} + +Das Beispiel zeigt, dass man nicht sagen kann, dass eine Funktion +ausschliesslich in einer algebraischen oder transzendenten Körpererweiterung +zu finden ist. +Vielmehr gibt es für die gleiche Funktion möglicherweise verschiedene +Körpererweiterungen, die alle die Funktion enthalten können. + +% +% Elementare Funktionen +% +\subsubsection{Elementare Funktionen} +Die Stammfunktionen~\eqref{buch:integration:risch:eqn:integralbeispiel2} +können aufgebaut werden, indem man dem Körper $\mathbb{Q}(x)$ schrittweise +sowohl algebraische wie auch transzendente Elemente hinzufügt, +wie in der folgenden Definition, die dies für abstrakte +Differentialkörpererweiterungen formuliert. + +\begin{definition} +Eine Körpererweiterung $\mathscr{F}\subset\mathscr{G}$ heisst +{\em transzendente elementare Erweiterung}, wenn +$\mathscr{G} = \mathscr{F}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ und +jedes der Element $\vartheta_i$ transzendent und logarithmisch oder +exponentiell ist über +$\mathscr{F}_{i-1}=\mathscr{F}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_{i-1})$. +Die Körpererweiterung $\mathscr{F}\subset\mathscr{G}$ heisst +{\em elementare Erweiterung}, wenn +$\mathscr{G} = \mathscr{F}(\vartheta_1,\dots,\vartheta_n)$ und +jedes Element $\vartheta_i$ ist entweder logarithmisch, exponentiell +oder algebraisch über $\mathscr{F}_{i-1}$. +\end{definition} + +Die Funktionen, die als akzeptable Stammfunktionen für das Integrationsproblem +in Betracht kommen, sind also jene, die in einer geeigneten elementaren +Erweiterung des von $\mathbb{Q}(x)$ liegen. +Ausserdem können auch noch weitere Konstanten nötig sein, sowohl +algebraische Zahlen wie auch Konstanten wie $\pi$ oder $e$. + +\begin{definition} +Sei $\mathscr{K}(x)$ der Differentialklörper der rationalen Funktionen +über dem Konstantenkörper $\mathscr{K}\supset\mathbb{Q}$, der in $\mathbb{C}$ +enthalten ist. +Ist $\mathscr{F}\supset \mathscr{K}(x)$ eine transzendente elementare +Erweiterung von $\mathscr{K}(x)$, dann heisst $\mathscr{F}$ +ein Körper von {\em transzendenten elementaren Funktionen}. +Ist $\mathscr{F}$ eine elementare Erweiterung von $\mathscr{K}(x)$, dann +heisst $\mathscr{F}$ ein Körper von {\em elementaren Funktionen}. +\end{definition} + +\subsubsection{Das Integrationsproblem} +Die elementaren Funktionen enthalten alle Funktionen, die sich mit +arithmetischen Operationen, Wurzeln, Exponentialfunktionen, Logarithmen und +damit auch mit trigonometrischen und hyperbolischen Funktionen und ihren +Umkehrfunktionen aus den rationalen Zahlen, der unabhängigen Variablen $x$ +und möglicherweise einigen zusätzlichen Konstanten aufbauen lassen. +Sei also $f$ eine Funktion in einem Körper von elementaren +Funktionen +\[ +\mathscr(F) += +\mathbb{Q}(\alpha_1,\dots,\alpha_l)(x,\vartheta_1,\dots,\vartheta_n). +\] +Eine elementare Stammfunktion ist eine Funktion $F=\int f$ in einer +elementaren Körpererweiterung +\[ +\mathscr{G} += +\mathbb{Q}(\alpha_1,\dots,\alpha_l,\dots,\alpha_{l+k}) +(x,\vartheta_1,\dots,\vartheta_n,\dots,\vartheta_{n+m}) +\] +mit $F'=f$. +Das Ziel ist, $F$ mit Hilfe eines Algorithmus zu bestimmen. + + + diff --git a/buch/chapters/060-integral/erweiterungen.tex b/buch/chapters/060-integral/erweiterungen.tex new file mode 100644 index 0000000..9138f3e --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/erweiterungen.tex @@ -0,0 +1,343 @@ +% +% erweiterungen.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Körpererweiterungen +\label{buch:integral:subsection:koerpererweiterungen}} +Das Beispiel des Körpers $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ auf Seite +\pageref{buch:integral:beispiel:Qsqrt2} illustriert eine Möglichkeit, +einen kleinen Körper zu vergrössern. +Das Prinzip ist verallgemeinerungsfähig und soll in diesem Abschnitt +erarbeitet werden. + +% +% algebraische Zahl-Erweiterungen +\subsubsection{Algebraische Erweiterungen} +Der Körper $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ entsteht aus dem Körper $\mathbb{Q}$ +dadurch, dass man die Zahl $\sqrt{2}$ hinzufügt und alle erlaubten +arithmetischen Operationen zulässt. +Die Darstellung von Elementen von $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ als +$a+b\sqrt{2}$ ist möglich, weil die Zahl $\alpha=\sqrt{2}$ die +algebraische Relation +\[ +\alpha^2-2 = \sqrt{2}^2 -2 = 0 +\] +erfüllt. +Voraussetzung für diese Aussage ist, dass es die Zahl $\sqrt{2}$ in einem +geeigneten grösseren Körper gibt. +Die reellen oder komplexen Zahlen bilden einen solchen Körper. +Wir verallgemeinern diese Situation wie folgt. + +\begin{definition} +Ist $K$ ein Körper, dann heisst ein Körper $L$ mit $K\subset L$ ein +{\em Erweiterungskörper} von $K$. +\index{Erweiterungskoerper@Erweiterungskörper} +\end{definition} + +\begin{definition} +\label{buch:integral:definition:algebraisch} +Sei $K\subset L$ eine Körpererweiterung. +Das Element $\alpha\in L$ heisst {\em algebraisch} über $K$, wenn es +ein Polynom $p(x)\in K[x]$ gibt derart, dass $\alpha$ eine Nullstelle +von $p(x)$ ist, also gibt mit $p(\alpha)=0$. +Das normierte Polynom $m(x)$ geringsten Grades, welches $m(\alpha)=0$ +erfüllt, heisst das {\em Minimalpolynom} von $\alpha$. +\index{Minimalpolynom}% +\end{definition} + +Man sagt auch $\alpha$ ist algebraisch vom Grad $n$, wenn das Minimalpolynom +den Grad $n$ hat. +Wenn $\alpha\ne 0$ algebraisch ist, dann ist auch $1/\alpha$ algebraisch, +wie das folgende Argument zeigt. +Für das Minimalpolynom $m(x)$ von $\alpha$, ist $m(\alpha)=0$. +Teilt man diese Gleichung durch $\alpha^n$ teilt, erhält man +\[ +m_0\frac{1}{\alpha^n} ++ +m_1\frac{1}{\alpha^{n-1}} ++ +\ldots ++ +m_{n-1}\frac{1}{\alpha} ++ +1 += +0, +\] +das Polynom +\[ +\hat{m}(x) += +m_0x^n + m_1x^{n-1} + \ldots m_{n-1} x + 1 +\in +K[x] +\] +hat also $\alpha^{-1}$ als Nullstelle. +Das Polynom $\hat{m}(x)$ beweist daher, dass $\alpha^{-1}$ algebraisch ist. + +Die Zahl $\sqrt{2}\in\mathbb{R}$ ist also algebraisch über $\mathbb{Q}$ +und jede andere Quadratwurzel von Elementen von $\mathbb{Q}$ ist +ebenfalls algebraisch über $\mathbb{Q}$. +Auch der Körper $\mathbb{Q}(\alpha)$ kann für jede andere Quadratwurzel +auf die genau gleiche Art wie für $\sqrt{2}$ konstruiert werden. + +\begin{definition} +\label{buch:integral:definition:algebraischeerweiterung} +Sei $K\subset L$ eine Körpererweiterung und $\alpha\in L$ ein algebraisches +Element mit Minimalpolynom $m(x)\in K[x]$. +Dann heisst die Menge +\begin{equation} +K(\alpha) += +\{ +a_0 + a_1\alpha + \ldots +a_n\alpha^n +\;|\; +a_i\in K +\} +\label{buch:integral:eqn:algelement} +\end{equation} +mit $n=\deg m(x) - 1$ der durch {\em Adjunktion} oder Hinzufügen +von $\alpha$ erhaltene Erweiterungsköper. +\end{definition} + +Wieder muss nur überprüft werden, dass jedes Produkt oder jeder +Quotient von Ausdrücken der Form~\eqref{buch:integral:eqn:algelement} +wieder in diese Form gebracht werden kann. +Dazu sei +\[ +m(x) += +m_0+m_1x + m_2x^2 ++\ldots +m_{n-1}x^{n-1} + x^n +\] +das Minimalpolynom von $\alpha$. +Die Gleichung $m(\alpha)=0$ kann nach $\alpha^n$ aufgelöst werden und +liefert +\[ +\alpha^n = -m_0 - m_1\alpha - m_2\alpha^2 -\ldots -m_{n-1}\alpha^{n-1}. +\] +Damit kann jede Potenz von $\alpha$ mit einem Exponenten grösser als $n$ +in eine Linearkombination von Potenzen mit kleineren Exponenten +reduziert werden. +Ein Polynom in $\alpha$ kann also immer auf die +Form~\eqref{buch:integral:eqn:algelement} +gebracht werden. + +Es muss aber noch gezeigt werden, dass auch der Kehrwert eines Elements +der Form~\eqref{buch:integral:eqn:algelement} in dieser Form geschrieben +werden kann. +Sei also $a(\alpha)$ so ein Element, dann sind die beiden Polynome +$a(x)$ und $m(x)$ teilerfremd, der grösste gemeinsame Teiler ist $1$. +Mit dem erweiterten euklidischen Algorithmus kann man zwei Polynome +$s(x)$ und $t(x)$ finden derart, dass $s(x)a(x)+t(x)m(x)=1$. +Setzt man $\alpha$ für $x$ ein, verschwindet das Minimalpolynom und +es bleibt +\[ +s(\alpha)a(\alpha) = 1 +\qquad\Rightarrow\qquad +s(\alpha) = \frac{1}{a(\alpha)}. +\] +Damit ist $s(\alpha)$ eine Darstellung von $1/a(\alpha)$ in der +Form~\eqref{buch:integral:eqn:algelement}. + +% +% Komplexe Zahlen +% +\subsubsection{Komplexe Zahlen} +Die imaginäre Einheit $i$ hat die Eigenschaft, dass $i^2=-1$, insbesondere +ist sie Nullstelle des Polynoms $m(x)=x^2+1\in\mathbb{Q}[x]$. +Die Menge $\mathbb{Q}(i)$ ist daher eine algebraische Körpererweiterung +von $\mathbb{Q}$ bestehend aus den komplexen Zahlen mit rationalem +Real- und Imaginärteil. + +% +% Transzendente Körpererweiterungen +% +\subsubsection{Transzendente Erweiterungen} +Nicht alle Zahlen in $\mathbb{R}$ sind algebraisch. +Lindemann bewies 1882 einen allgemeinen Satz, aus dem folgt, +dass $\pi$ und $e$ nicht algebraisch sind, es gibt also +kein Polynom mit rationalen Koeffizienten, welches $\pi$ +oder $e$ als Nullstelle hat. + +\begin{definition} +Eine Zahl $\alpha\in L$ in einer Körpererweiterung $K\subset L$ +heisst {\em transzendent}, wenn $\alpha$ nicht algebraisch ist, +wenn es also kein Polynom in $K[x]$ gibt, welches $\alpha$ als +Nullstelle hat. +\end{definition} + +Die Zahlen $\pi$ und $e$ sind also transzendent. +Eine andere Art, diese Eigenschaft zu beschreiben ist zu sagen, +dass die Potenzen +\[ +1=\pi^0, \pi, \pi^2,\pi^3,\dots +\] +linear unabhängig sind. +Gäbe es nämlich eine lineare Abhängigkeit, dann gäbe es Koeffizienten +$l_i$ derart, dass +\[ +l_0 + l_1\pi^1 + l_2\pi^2 + \ldots + l_{n-1}\pi^{n-1} + l_{n}\pi^n = l(\pi)=0, +\] +und damit wäre dann ein Polynom gefunden, welches $\pi$ als Nullstelle hat. + +Selbstverstländlich kann man zu einem transzendenten Element $\alpha$ +immer noch einen Körper konstruieren, der alle Zahlen enthält, welche man +mit den arithmetischen Operationen aus $\alpha$ bilden kann. +Man kann ihn schreiben als +\[ +K(\alpha) += +\biggl\{ +\frac{p(\alpha)}{q(\alpha)} +\;\bigg|\; +p(x),q(x)\in K[x] \wedge p(x)\ne 0 +\biggr\}, +\] +aber die Vereinfachungen zur +Form~\eqref{buch:integral:eqn:algelement}, die bei einem algebraischen +Element $\alpha$ möglich waren, können jetzt nicht mehr durchgeführt +werden. +$K\subset K(\alpha)$ ist zwar immer noch eine Körpererweiterung, aber +$K(\alpha)$ ist nicht mehr ein endlichdimensionaler Vektorraum. +Die Körpererweiterung $K\subset K(\alpha)$ heisst {\em transzendent}. + +% +% rationale Funktionen als Körpererweiterungen +% +\subsubsection{Rationale Funktionen als Körpererweiterung} +Die unabhängige Variable wird bei Rechnen so behandelt, dass die +Potenzen alle linear unabhängig sind. +Dies ist die Grundlage für den Koeffizientenvergleich. +Der Körper der rationalen Funktion $K(x)$ +ist also eine transzendente Körpererweiterung von $K$. + +% +% Erweiterungen mit algebraischen Funktionen +% +\subsubsection{Algebraische Funktionen} +Für das Integrationsproblem möchten wir nicht nur rationale Funktionen +verwenden können, sondern auch Wurzelfunktionen. +Wir möchten also zum Beispiel auch mit der Funktion $\sqrt{ax^2+bx+c}$ +und allem, was man mit arithmetischen Operationen daraus machen kann, +arbeiten können. +Eine Körpererweiterung, die $\sqrt{ax^2+bx+c}$ enthält, enthält auch +alles, was man daraus bilden kann. +Doch wie bekommen wir die Funktion $\sqrt{ax^2+bx+c}$ in den Körper? + +Die Art und Weise, wie man Wurzeln in der Schule kennenlernt ist als +eine neue Operation, die zu einer Zahl die Quadratwurzel liefert. +Diese Idee, den Körper mit einer weiteren Funktion anzureichern, +führt über nicht auf eine nützliche neue algebraische Struktur. +Wir dürfen daher $\sqrt{ax^2+bx+c}$ nicht als die Zusammensetzung +einer einzelnen neuen Funktion $\sqrt{\phantom{A}}$ mit +einem Polynom betrachten. + +Die Wurzel $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist aber auch die Nullstelle des Polynoms +\[ +p(z) += +z^2 - [ax^2+bx+c] +\in +K(x)[z] +\] +mit Koeffizienten in $K(x)$. +Die eckigen Klammern sollen helfen, die Koeffizienten in $K(x)$ +zu erkennen. +Die Funktion $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist also algebraisch über $K(x)$. +Einen Funktionenkörper, der die Funktion enthält, kann man also erhalten, +indem man den Körper $K(x)$ um das über $K(x)$ algebraische Element +$y=\sqrt{ax^2+bx+c}$ zu $K(x,y)=K(x,\sqrt{ax^2+bx+c}$ erweitert. +Wurzelfunktion werden daher nicht als Zusammensetzungen, sondern als +algebraische Erweiterungen eines Funktionenkörpers betrachtet. + +% +% Konjugation +% +\subsubsection{Konjugation} +Die komplexen Zahlen sind die algebraische Erweiterung der reellen Zahlen +um die Nullstelle $i$ des Polynoms $m(x)=x^2+1$. +Die Zahl $-i$ ist aber auch eine Nullstelle von $m(x)$, die mit algebraischen +Mitteln nicht von $i$ unterscheidbar ist. +Die komplexe Konjugation $a+bi\mapsto a-bi$ vertauscht die beiden +\index{Konjugation, komplexe}% +\index{komplexe Konjugation}% +Nullstellen des Minimalpolynoms. + +Ähnliches gilt für die Körpererweiterung $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$. +$\sqrt{2}$ und $\sqrt{2}$ sind beide Nullstellen des Minimalpolynoms +$m(x)=x^2-2$, die mit algebraischen Mitteln nicht unterschiedbar sind. +Sie haben zwar verschiedene Vorzeichen, doch ohne eine Ordnungsrelation +können diese nicht unterschieden werden. +\index{Ordnungsrelation}% +Eine Ordnungsrelation zwischen rationalen Zahlen lässt sich zwar +definieren, aber die Zahl $\sqrt{2}$ ist nicht rational, es braucht +also eine zusätzliche Annahme, zum Beispiel die Identifikation von +$\sqrt{2}$ mit einer reellen Zahl in $\mathbb{R}$, wo der Vergleich +möglich ist. + +Auch in $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ ist die Konjugation +$a+b\sqrt{2}\mapsto a-b\sqrt{2}$ eine Selbstabbildung, die +die Körperoperationen respektiert. + +Das Polynom $m(x)=x^2-x-1$ hat die Nullstellen +\[ +\frac12 \pm\sqrt{\biggl(\frac12\biggr)^2+1} += +\frac{1\pm\sqrt{5}}{2} += +\left\{ +\bgroup +\renewcommand{\arraystretch}{2.20} +\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} +\begin{array}{lcl} +\displaystyle +\frac{1+\sqrt{5}}{2} &=& \phantom{-}\varphi \\ +\displaystyle +\frac{1-\sqrt{5}}{2} &=& \displaystyle-\frac{1}{\varphi}. +\end{array} +\egroup +\right. +\] +Sie erfüllen die gleiche algebraische Relation $x^2=x+1$. +Sie sind sowohl im Vorzeichen wie auch im absoluten Betrag +verschieden, beides verlangt jedoch eine Ordnungsrelation als +Voraussetzung, die uns fehlt. +Aus beiden kann man mit rationalen Operationen $\sqrt{5}$ gewinnen, +denn +\[ +\sqrt{5} += +4\varphi-1 += +-4\biggl(-\frac{1}{\varphi}\biggr)^2-1 +\qquad\Rightarrow\qquad +\mathbb{Q}(\!\sqrt{5}) += +\mathbb{Q}(\varphi) += +\mathbb{Q}(-1/\varphi). +\] +Die Abbildung $a+b\varphi\mapsto a-b/\varphi$ ist eine Selbstabbildung +des Körpers $\mathbb{Q}(\!\sqrt{5})$, welche die beiden Nullstellen +vertauscht. + +Dieses Phänomen gilt für jede algebraische Erweiterung. +Die Nullstellen des Minimalpolynoms, welches die Erweiterung +definiert, sind grundsätzlich nicht unterscheidbar. +Mit der Adjunktion einer Nullstelle enthält der Erweiterungskörper +auch alle anderen. +Sind $\alpha_1$ und $\alpha_2$ zwei Nullstellen des Minimalpolynoms, +dann definiert die Abbildung $\alpha_1\mapsto\alpha_2$ eine Selbstabbildung, +die die Nullstellen permutiert. + +Die algebraische Körpererweiterung +$\mathbb{Q}(x)\subset \mathbb{Q}(x,\sqrt{ax^2+bx+c})$ +ist nicht unterscheidbar von +$\mathbb{Q}(x)\subset \mathbb{Q}(x,-\!\sqrt{ax^2+bx+c})$. +Für das Integrationsproblem bedeutet dies, dass alle Methoden so +formuliert werden müssen, dass die Wahl der Nullstellen auf die +Lösung keinen Einfluss haben. + + diff --git a/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima b/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima new file mode 100644 index 0000000..0d5a56d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima @@ -0,0 +1,9 @@ +y: sqrt(a*x^2+b*x+c); + +F: log(x + b/(2 * a) + y/sqrt(a))/sqrt(a); + +f: diff(F, x); + +ratsimp(f); + +ratsimp(y*f); diff --git a/buch/chapters/060-integral/iproblem.tex b/buch/chapters/060-integral/iproblem.tex new file mode 100644 index 0000000..85db464 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/iproblem.tex @@ -0,0 +1,93 @@ +% +% iproblem.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Das Integrationsproblem +\label{buch:integral:subsection:integrationsproblem}} +\index{Integrationsproblem}% +Die Ableitung ist ein einem Differentialkörper mit Hilfe der Ableitungsregeln +immer ausführbar, ganz ähnlich wie die Berechnung von Potenzen in einem Körper +immer ausführbar ist. +Die Umkehrung, also eine sogenannte Stammfunktion zu finden, ist dagegen +deutlich schwieriger. + +\begin{definition} +\index{Stammfunktion} +Eine {\em Stammfunktion} einer Funktion $f\in\mathscr{K}$ im Funktionenkörper +$\mathscr{K}$ ist eine Funktion $F\in\mathscr{K}$ derart, dass $F'=f$. +Wir schreiben auch $F=\int f$. +\end{definition} + +Zwei Stammfunktionen $F_1$ und $F_2$ einer Funktion $f\in\mathscr{K}$ +haben die Eigenschaft +\[ +\left.\begin{aligned} +F_1' &= f \\ +F_2' &= f +\end{aligned}\quad\right\} +\qquad +\Rightarrow +\qquad +(F_1-F_2)' = 0 +\qquad\Rightarrow\qquad +F_1-F_2\in\mathscr{C}, +\] +die beiden Stammfunktionen unterscheiden sich daher nur durch eine +Konstante. + +\subsubsection{Stammfunktion von Polynomen} +Für Polynome ist das Problem leicht lösbar. +Aus der Ableitungsregel +\[ +\frac{d}{dx} x^n = nx^{n-1} +\] +folgt, dass +\[ +\int x^n = \frac{1}{n+1} x^{n+1} +\] +eine Stammfunktion von $x^n$ ist. +Da $\int$ linear ist, ergibt sich damit auch eine Stammfunktion für +ein beliebiges Polynom +\[ +g(x) += +g_0 + g_1x + g_2x^2 + \dots g_nx^n += +\sum_{k=0}^n g_kx^k +\in\mathbb{Q}(x) +\] +angeben: +\begin{equation} +\int g(x) += +g_0x + \frac12g_1x^2 + \frac13g_2x^3 + \dots \frac{1}{n+1}g_nx^{n+1} += +\sum_{k=0}^n +\frac{g_k}{k+1}x^{k+1}. +\label{buch:integral:iproblem:eqn:polyintegral} +\end{equation} + +\subsubsection{Körpererweiterungen} +Obwohl die Ableitung in einem Differentialkörper immer ausgeführt werden +kann, gibt es keine Garantie, dass es eine Stammfunktion im gleichen +Körper gibt. +Im kleinsten denkbaren Funktionenkörper $\mathbb{Q}(x)$ +haben die negativen Potenzen linearer Funktionen die Stammfunktionen +\[ +\int +\frac{1}{(x-\alpha)^k} += +\frac{1}{(-k+1)(x-\alpha)^{k-1}} +\] +für $k\ne 1$, sind also wieder in $\mathbb{Q}(x)$. +Für $k=1$ ist aber +\[ +\int \frac{1}{x-\alpha} += +\log(x-\alpha), +\] +es braucht also eine Körpererweiterung um $\log(x-\alpha)$, damit +$(x-\alpha)^{-1}$ eine Stammfunktion in $\mathbb{Q}(x,\log(x-\alpha))$ +hat. + diff --git a/buch/chapters/060-integral/irat.tex b/buch/chapters/060-integral/irat.tex new file mode 100644 index 0000000..4c472ea --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/irat.tex @@ -0,0 +1,140 @@ +% +% irat.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Integration rationaler Funktionen +\label{buch:integral:subsection:rationalefunktionen}} +Für die Integration der rationalen Funktionen lernt man in einem +Analysis-Kurs üblicherweise ein Lösungsverfahren. +Dies zeigt zunächst, dass rationale Funktionen immer eine Stammfunktion +in einem geeigneten Erweiterungskörper haben. +Es deutet aber auch an, dass Stammfunktionen eine ziemlich spezielle +Form haben, die später als +Satz von Liouville~\ref{buch:integral:satz:liouville} +ein besondere Rolle spielen wird. + +% +% Aufgabenstellung +% +\subsubsection{Aufgabenstellung} +In diesem Abschnitt ist eine rationale Funktion $f(x)\in\mathbb{Q}(x)$ +gegeben, deren Stammfunktion bestimmt werden soll. +Als rationale Funktion kann sie als Bruch +\begin{equation} +f(x) = \frac{p(x)}{q(x)} +\label{buch:integral:irat:eqn:quotient} +\end{equation} +mit Polynomen $p(x),q(x)\in\mathbb{Q}[x]$ geschrieben werden. +Gesucht ist ein Erweiterungskörper $\mathscr{K}\supset \mathbb{Q}(x)$ +derart und eine Stammfunktion $F\in\mathscr{K}$ von $f$, also $F'=f$. + +% +% Polynomdivision +% +\subsubsection{Polynomdivision} +Der Quotient~\eqref{buch:integral:irat:eqn:quotient} kann durch Polynomdivision +mit Rest vereinfacht werden in einen polynomialen Teil und einen echten +Bruch: +\begin{equation} +f(x) += +g(x) ++ +\frac{a(x)}{b(x)} +\label{buch:integral:irat:eqn:polydiv} +\end{equation} +mit Polynomen $g(x),a(x),b(x)\in\mathbb[Q](x)$ und $\deg a(x) < \deg b(x)$. +Für den ersten Summanden liefert +\eqref{buch:integral:iproblem:eqn:polyintegral} eine Stammfunktion. +Im Folgenden bleibt also nur noch der zweite Term zu behandeln. + +% +% Partialbruchzerlegung +% +\subsubsection{Partialbruchzerlegung} +Zur Berechnung des Integral des Bruchs +in~\eqref{buch:integral:irat:eqn:polydiv} wird die Partialbruchzerlegung +benötigt. +Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass wir den Körper $\mathbb{Q}(x)$ +mit alle Nullstellen $\beta_i$ des Nenner-Polynoms $b(x)$ zu einem Körper +$\mathscr{K}$ erweitert haben, in dem Nenner in Linearfaktoren zerfällt. +Unter diesen Voraussetzungen hat die Partialbruchzerlegung die Form +\begin{equation} +\frac{a(x)}{b(x)} += +\sum_{i=1}^m +\sum_{k=1}^{k_i} +\frac{A_{ik}}{(x-\beta_i)^k}, +\label{buch:integral:irat:eqn:partialbruch} +\end{equation} +wobei $k_i$ die Vielfachheit der Nullstelle $\beta_i$ ist. +Die Koeffizienten $A_{ik}$ können zum Beispiel mit Hilfe eines linearen +Gleichungssystems bestimmt werden. + +Um eine Stammfunktion zu finden, muss man also Stammfunktionen für +jeden einzelnen Summanden bestimmen. +Für Exponenten $k>1$ im Nenner eines Terms der +Partialbruchzerlegung~\eqref{buch:integral:irat:eqn:partialbruch} +kann dazu die Regel +\[ +\int \frac{A_{ik}}{(x-\beta_i)^k} += +\frac{A_{ik}}{(-k+1)(x-\beta_i)^{k-1}} +\] +verwendet werden. +Diese Stammfunktion liegt wieder in $\mathscr{K}(x)$ liegt. + +% +% Körpererweiterungen +% +\subsubsection{Körpererweiterung} +Für $k=1$ ist eine logarithmische Erweiterung um die Funktion +\begin{equation} +\int \frac{A_{i1}}{x-\alpha_i} += +A_{i1} +\log(x-\alpha_i) +\label{buch:integral:irat:eqn:logs} +\end{equation} +nötig. +Es gibt also eine Stammfunktion in einem Erweiterungskörper, sofern +er zusätzlich alle logarithmischen Funktionen +in~\ref{buch:integral:irat:eqn:logs} enthält. +Sie hat die Form +\[ +\sum_{i=1}^m A_{i1} \log(x-\beta_i), +\] +wobei $A_{i1}\in\mathscr{K}$ ist. + +Setzt man alle vorher schon gefundenen Teile der Stammfunktion zusammen, +kann man sehen, dass die Stammfunktion die Form +\begin{equation} +F(x) = v_0(x) + \sum_{i=1}^m c_i \log v_i(x) +\label{buch:integral:irat:eqn:liouvillstammfunktion} +\end{equation} +haben muss. +Dabei ist $v_0(x)\in\mathscr{K}(x)$ und besteht aus der Stammfunktion +des polynomiellen Teils und den Stammfunktionen der Terme der Partialbruchzerlegung mit Exponenten $k>1$. +Die logarithmischen Terme bestehen aus den Konstanten $c_i=A_{i1}$ +und den Logarithmusfunktionen $v_i(x)=x-\beta_i\in\mathscr{K}(x)$. +Die Funktion $f(x)$ muss daher die Form +\[ +f(x) += +v_0'(x) ++ +\sum_{i=1}^m c_i\frac{v'_i(x)}{v_i(x)} +\] +gehabt haben. +Die Form~\eqref{buch:integral:irat:eqn:liouvillstammfunktion} +der Stammfunktion ist nicht eine Spezialität der rationalen Funktionen. +Sie wird auch bei grösseren Funktionenkörpern immer wieder auftreten +und ist als Satz von Liouville bekannt. + +% +% Minimale algebraische Erweiterung +% +\subsubsection{Minimale algebraische Erweiterung} +XXX Rothstein-Trager + diff --git a/buch/chapters/060-integral/logexp.tex b/buch/chapters/060-integral/logexp.tex new file mode 100644 index 0000000..e0efab2 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/logexp.tex @@ -0,0 +1,146 @@ +% +% logexp.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Log-Exp-Notation für trigonometrische und hyperbolische Funktionen +\label{buch:integral:subsection:logexp}} +Die Integration rationaler Funktionen hat bereits gezeigt, dass +eine Stammfunktion nicht immer im Körper der rationalen Funktionen +existiert. +Es kann notwendig sein, dem Körper logarithmische Erweiterungen der Form +$\log(x-\alpha)$ hinzuzufügen. + +Es können jedoch noch ganz andere neue Funktionen auftreten, wie die +folgende Zusammenstellung einiger Stammfunktionen zeigt: +\begin{equation} +\begin{aligned} +\int\frac{dx}{1+x^2} +&= +\arctan x, +\\ +\int \cos x\,dx +&= +\sin x, +\\ +\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}} +&= +\arcsin x, +\\ +\int +\operatorname{arcosh} x\,dx +&= +x \operatorname{arcosh} x - \sqrt{x^2-1}. +\end{aligned} +\label{buch:integration:risch:allgform} +\end{equation} +In der Stammfunktion treten Funktionen auf, die auf den ersten +Blick nichts mit den Funktionen im Integranden zu tun haben. + +\subsubsection{Trigonometrische und hyperbolische Funktionen} +Die trigonometrischen und hyperbolichen Funktionen +in~\eqref{buch:integration:risch:allgform} +lassen sich alle durch Exponentialfunktionen ausdrücken. +So gilt +\begin{equation} +\begin{aligned} +\sin x &= \frac{1}{2i}\bigl( e^{ix} - e^{-ix}\bigr), +& +&\qquad& +\cos x &= \frac{1}{2}\bigl( e^{ix} + e^{-ix}\bigr), +\\ +\sinh x &= \frac12\bigl( e^x - e^{-x} \bigr), +& +&\qquad& +\cosh x &= \frac12\bigl( e^x + e^{-x} \bigr). +\end{aligned} +\label{buch:integral:risch:trighyp} +\end{equation} +Nach Multiplikation mit $e^{ix}$ bzw.~$e^{x}$ entsteht eine +quadratische Gleichung in $e^{ix}$ bzw.~$e^{x}$. +Die Lösungsformel für quadratische Gleichungen erlaubt daher, $e^{ix}$ +bzw.~$e^{x}$ zu finden und damit auch die Umkehrfunktionen. +Die Rechnung ergibt +\begin{equation} +\begin{aligned} +\arcsin y +&= +\frac{1}{i}\log\bigl( +iy\pm\sqrt{1-y^2} +\bigr), +& +&\qquad& +\arccos y +&= +\log\bigl( +y\pm \sqrt{y^2-1} +\bigr), +\\ +\operatorname{arsinh}y +&= +\log\bigl( +y \pm \sqrt{1+y^2} +\bigr), +& +&\qquad& +\operatorname{arcosh} y +&= +\log\bigl( +y\pm \sqrt{y^2-1} +\bigr). +\end{aligned} +\label{buch:integral:risch:trighypinv} +\end{equation} +Alle Funktionen, die man aus dem elementaren Analysisunterricht +kennt, können also mit Hilfe von Exponentialfunktionen und Logarithmen +geschrieben werden. +Man nennt dies die $\log$-$\exp$-Notation der trigonometrischen +und hyperbolischen Funktionen. +\index{logexpnotation@$\log$-$\exp$-Notation}% + +\subsubsection{$\log$-$\exp$-Notation} +Wendet man die Substitutionen +\eqref{buch:integral:risch:trighyp} +und +\eqref{buch:integral:risch:trighypinv} +auf die Integrale +\eqref{buch:integration:risch:allgform} +an, entstehen die Beziehungen +\begin{equation} +\begin{aligned} +\int\frac{1}{1+x^2} +&= +\frac12i\bigl( +\log(1-ix) - \log(1+ix) +\bigr), +\\ +\int\bigl( +{\textstyle\frac12} +e^{ix} ++ +{\textstyle\frac12} +e^{-ix} +\bigr) +&= +-{\textstyle\frac12}ie^{ix} ++{\textstyle\frac12}ie^{-ix}, +\\ +\int +\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} +&= +-i\log\bigl(ix+\sqrt{1-x^2}), +\\ +\int \log\bigl(x+\sqrt{x^2-1}\bigr) +&= +x\log\bigl(x+\sqrt{x^2-1}\bigr) - \sqrt{x^2-1}. +\end{aligned} +\label{buch:integration:risch:eqn:integralbeispiel2} +\end{equation} +Die in den Stammfuntionen auftretenden Funktionen treten entweder +schon im Integranden auf oder sind Logarithmen von solchen +Funktionen. +Zum Beispiel hat der Nenner im ersten Integral die Faktorisierung +$1+x^2=(1+ix)(1-ix)$, in der Stammfunktion findet man die Logarithmen +der Faktoren. + + diff --git a/buch/chapters/060-integral/rational.tex b/buch/chapters/060-integral/rational.tex new file mode 100644 index 0000000..0ca164d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/rational.tex @@ -0,0 +1,203 @@ +% +% rational.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Rationale Funktionen und Funktionenkörper +\label{buch:integral:subsection:rational}} +Welche Funktionen sollen als Antwort auf die Frage nach einer Stammfunktion +akzeptiert werden? +Polynome in der unabhängigen Variablen $x$ sollten sicher dazu gehören, +also alles, was man mit Hilfe der Multiplikation, Addition und Subtraktion +aus Koeffizienten zum Beispiel in den rationalen Zahlen $\mathbb{Q}$ und +der unabhängigen Variablen aufbauen kann. +Doch welche weiteren Operationen sollen zugelassen werden und was lässt +sich über die entstehende Funktionenmenge aussagen? + +\subsubsection{Körper} +Die kleinste Zahlenmenge, in der alle arithmetischen Operationen soweit +sinnvoll durchgeführt werden können, ist die Menge $\mathbb{Q}$ der +rationalen Zahlen. +Etwas formaler ist eine solche Menge, in der die Arithmetik uneingeschränkt +ausgeführt werden kann, ein Körper gemäss der folgenden Definition. +\index{Korper@Körper}% + +\begin{definition} +\label{buch:integral:definition:koerper} +Eine {\em Körper} ist eine Menge $K$ mit zwei Verknüpfungen $+$, die Addition, +und $\cdot$, die Multiplikation, +welche die folgenden Eigenschaften haben. +\begin{center} +\renewcommand{\tabcolsep}{0pt} +\begin{tabular}{p{68mm}p{4mm}p{68mm}} +%Eigenschaften der +Addition: +\begin{enumerate}[{\bf A}.1)] +\item assoziativ: $(a+b)+c=a+(b+c)$ +für alle $a,b,c\in K$ +\item kommutativ: $a+b=b+a$ +für alle $a,b\in K$ +\item Neutrales Element der Addition: es gibt ein Element $0\in K$ mit +der Eigenschaft $a+0=a$ für alle $a\in K$ +\item Additiv inverses Element: zu jedem Element $a\in K$ gibt es das Element +$-a$ mit der Eigenschaft $a+(-a)=0$. +\end{enumerate} +&&% +%Eigenschaften der +Multiplikation: +\begin{enumerate}[{\bf M}.1)] +\item assoziativ: $(a\cdot b)\cdot c=a\cdot (b\cdot c)$ +für alle $a,b,c\in K$ +\index{Assoziativgesetz}% +\index{assoziativ}% +\item kommutativ: $a\cdot b=b\cdot a$ +für alle $a,b\in K$ +\index{Kommutativgesetz}% +\index{kommutativ}% +\item Neutrales Element der Multiplikation: es gibt ein Element $1\in K$ mit +der Eigenschaft $a\cdot 1 =a$ für alle $a\in K$ +\index{neutrales Element}% +\item Multiplikativ inverses Element: zu jedem Element +\index{inverses Element}% +$a\in K^*=K\setminus\{0\}$ +gibt es das Element $a^{-1}$ mit der Eigenschaft $a\cdot a^{-1}=1$. +\index{Einheitengruppe}% +\index{Gruppe der invertierbaren Elemente}% +\end{enumerate} +\end{tabular} +\end{center} +\vspace{-22pt} +Ausserdem gilt das Distributivgesetz: für alle $a,b,c\in K$ gilt +$a\cdot(b+c)=a\cdot b + a\cdot c$. +\index{Disitributivgesetz}% +Die Menge $K^*$ heisst auch die {\em Einheitengruppe} oder die +{\em Gruppe der invertierbaren Elemente} des Körpers. +\end{definition} + +Das Assoziativgesetz {\bf A}.1 besagt, dass Summen mit beliebig +vielen Termen ohne Klammern geschrieben werden kann, weil es nicht +darauf ankommt, in welcher Reihenfolge die Additionen ausgeführt werden. +Ebenso für das Assoziativgesetz {\bf M}.1 der Multiplikation. +Die Kommutativgesetze {\bf A}.2 und {\bf M}.2 implizieren, dass man +nicht auf die Reihenfolge der Summanden oder Faktoren achten muss. +Das Distributivgesetz schliesslich besagt, dass man Produkte ausmultiplizieren +oder gemeinsame Faktoren ausklammern kann, wie man es in der Schule +gelernt hat. + +Die rellen Zahlen $\mathbb{R}$ und die komplexen Zahlen $\mathbb{C}$ +bilden ebenfalls einen Körper, die von den rationalen Zahlen geerbten +Eigenschaften der Verknüpfungen setzen sich auf $\mathbb{R}$ und +$\mathbb{C}$ fort. +Es lassen sich allerdings auch Zahlkörper zwischen $\mathbb{Q}$ und +$\mathbb{R}$ konstruieren, wie das folgende Beispiel zeigt. + +\begin{beispiel} +\label{buch:integral:beispiel:Qsqrt2} +Die Menge +\[ +\mathbb{Q}(\!\sqrt{2}) += +\{ +a+b\sqrt{2} +\;|\; +a,b\in \mathbb{Q} +\} +\] +ist eine Teilmenge von $\mathbb{R}$. +Die Rechenoperationen haben alle verlangten Eigenschaften, wenn gezeigt +werden kann, dass Produkte und Quotienten von Zahlen in $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ +wieder in $\mathbb{Q}(\!\sqrt{2})$ sind. +Dazu rechnet man +\begin{align*} +(a+b\sqrt{2}) +(c+d\sqrt{2}) +&= +ac + 2bd + (ad+bc)\sqrt{2} \in \mathbb{Q}(\!\sqrt{2}) +\intertext{und} +\frac{a+b\sqrt{2}}{c+d\sqrt{2}} +&= +\frac{a+b\sqrt{2}}{c+d\sqrt{2}} +\cdot +\frac{c-d\sqrt{2}}{c-d\sqrt{2}} += +\frac{ac-2bd +(-ad+bc)\sqrt{2}}{c^2-2d^2} +\\ +&= +\underbrace{\frac{ac-2bd}{c^2-2d^2}}_{\displaystyle\in\mathbb{Q}} ++ +\underbrace{\frac{-ad+bc}{c^2-2d^2}}_{\displaystyle\in\mathbb{Q}} +\sqrt{2} +\in \mathbb{Q}(\!\sqrt{2}). +\qedhere +\end{align*} +\end{beispiel} + +% +% Rationale Funktionen +% +\subsubsection{Rationalen Funktionen} +Die als Antworten auf die Frage nach einer Stammfunktion akzeptablen +Funktionen sollten alle rationalen Zahlen sowie die unabhängige +Variable $x$ enthalten. +Ausserdem sollte man beliebige arithmetische Operationen mit +diesen Ausdrücken durchführen können. +Mit Addition, Subtraktion und Multiplikation entstehen aus den +rationalen Zahlen und der unabhängigen Variablen die Polynome $\mathbb{Q}[x]$ +(siehe auch Abschnitt~\ref{buch:potenzen:section:polynome}). + + +\begin{definition} +Die Menge +\[ +\mathbb{Q}(x) += +\biggl\{ +\frac{p(x)}{q(x)} +\;\bigg|\; +p(x),q(x)\in\mathbb{Q}[x] +\wedge +q(x)\ne 0 +\biggr\}, +\] +bestehend aus allen Quotienten von Polynomen, deren Nenner nicht +das Nullpolynom ist, heisst der Körper der {\em rationalen Funktionen} +\index{rationale Funktion}% +mit Koeffizienten in $\mathbb{Q}$. +\end{definition} + +Die Definition erlaubt, dass der Nenner Nullstellen hat, die sich in +Polen der Funktion äussern. +Die Eigenschaften eines Körpers sind sicher erfüllt, wenn wir uns +nur davon überzeugen können, +dass die arithmetischen Operationen nicht aus dieser Funktionenmenge +herausführen. +Dazu muss man nur verstehen, dass die Operation des gleichnamig Machens +zweier Brüche auch für Nenner funktioniert, die Polynome sind, und die +Summe wzeier Brüche von Polynomen wieder in einen Bruch von Polynomen +umwandelt. + +% +% Warum rationale Zahlen? +% +\subsubsection{Warum die Beschränkung auf rationale Zahlen?} +Aus mathematischer Sicht gibt es gute Gründe, Analysis im Körper $\mathbb{R}$ +oder $\mathbb{C}$ zu betreiben. +Da Ableitung und Integral als Grenzwerte definiert sind, stellt diese +Wahl des Körpers sicher, dass die Grenzwerte auch tatsächlich existieren. +Der Fundamentalsatz der Algebra garantiert, dass über $\mathbb{C}$ +jedes Polynome in Linearfaktoren zerlegt werden kann. + +Der Einfachheit der Analyse in $\mathbb{R}$ oder $\mathbb{C}$ steht +die Schwierigkeit gegenüber, beliebige Elemente von $\mathbb{R}$ in +einem Computer exakt darzustellen. +Für Brüche in $\mathbb{Q}$ gibt es eine solche Darstellung durch +Paare von Ganzzahlen, wie sie die GNU Multiprecision Arithmetic Library +\cite{buch:gmp} realisiert. +Irrationale Zahlen dagegen können nur exakt gehandhabt werden, wenn +man im wesentlichen symbolisch mit ihnen rechnet. +Die Grundlage dafür wird in +Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:koerpererweiterungen} +gelegt. + + + diff --git a/buch/chapters/060-integral/risch.tex b/buch/chapters/060-integral/risch.tex index 6c8ff96..2080ce8 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/risch.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/risch.tex @@ -6,7 +6,20 @@ \section{Der Risch-Algorithmus \label{buch:integral:section:risch}} \rhead{Risch-Algorithmus} +Die Lösung des Integrationsproblem für $\mathbb{Q}(x)$ und für +$\mathbb{Q}(x,y)$ mit $y=\!\sqrt{ax^2+bx+c}$ hat gezeigt, dass +ein Differentialkörper genau die richtige Bühne für dieses Unterfangen +sein dürfte. +Die Stammfunktionen konnten in einem Erweiterungskörper gefunden +werden, der ein paar Logarithmen hinzugefügt worden sind. +Tatsächlich lässt sich in diesem Rahmen sogar ein Algorithmus +formulieren, der in einem noch zu definierenden Sinn ``elementare'' +Funktionen als Stammfunktionen finden kann oder beweisen kann, dass +eine solche nicht existiert. +Dieser Abschnitt soll einen Überblick darüber geben. +\input{chapters/060-integral/logexp.tex} +\input{chapters/060-integral/elementar.tex} diff --git a/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex b/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex new file mode 100644 index 0000000..787cfc9 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/sqrat.tex @@ -0,0 +1,480 @@ +% +% sqrat.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +% +\subsection{Integranden der Form $R(x,\sqrt{ax^2+bx+c})$ +\label{buch:integral:subsection:rxy}} +Für rationale Funktionen lässt sich immer eine Stammfunktion in einem +Erweiterungskörper angeben, der durch hinzufügen einzelner logarithmischer +Funktionen entsteht. +Die dabei verwendeten Techniken lassen sich verallgemeinern. +Zur Illustration und Motivation des später beschriebenen Risch-Algorithmus +stellen wir uns in diesem Abschnitt der Aufgabe, Integrale +mit einem Integranden zu berechnen, der eine rationale Funktion von $x$ +und $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist. + +% +% Aufgabenstellung +% +\subsubsection{Aufgabenstellung} +Eine rationale Funktion von $x$ und $\sqrt{ax^2+bx+c}$ ist ein +Element des Differentialkörpers, den man aus $\mathbb{Q}(x)$ durch +hinzufügen des Elementes +\[ +y=\sqrt{ax^2+bx+c} +\] +erhält. +Eine Funktion $f\in\mathbb{Q}(x,y)$ kann geschrieben werden als Bruch +\begin{equation} +f += +\frac{ +\tilde{p}_0 + \tilde{p}_1y + \dots + \tilde{p}_n y^n +}{ +\tilde{q}_0 + \tilde{q}_1y + \dots + \tilde{q}_m y^m +} +\label{buch:integral:sqrat:eqn:ftilde} +\end{equation} +mit rationalen Koeffizienten $\tilde{p}_i,\tilde{q}_i\in\mathbb{Q}(x)$. +Gesucht ist eine Stammfunktion von $f$. + +% +% Algebraische Vereinfachungen +% +\subsubsection{Algebraische Vereinfachungen} +Da $x^2=ax^2+bx+c$ ein Polynom ist, sind auch alle geraden Potenzen +von $y$ Polynome in $\mathbb{Q}(x)$, +und die ungeraden Potenzen von $y$ lassen sich als Produkt aus einem +Polynom und dem Faktor $y$ schreiben. +Der Integrand~\eqref{buch:integral:sqrat:eqn:ftilde} +lässt sich daher vereinfachen zu einem Bruch der Form +\begin{equation} +f(x) += +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y}, +\label{buch:integral:sqrat:eqn:moebius} +\end{equation} +wobei $p_i$ und $q_i$ rationale Funktionen in $\mathbb{Q}(x)$ sind. + +% +% Rationalisieren +% +\subsubsection{Rationalisieren} +Unschön an der Form~\eqref{buch:integral:sqrat:eqn:moebius} ist die +Tatsache, dass $y$ sowohl im Nenner wie auch im Zähler auftreten kann. +Da aber $y$ die quadratische Identität $y^2=ax^2+bx+c$ erfüllt, +kann das $y$ im Nenner durch Erweitern mit $q_0-q_1y$ zum verschwinden +gebracht werden. +Die Rechnung ergibt +\begin{align*} +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y} +&= +\frac{p_0+p_1y}{q_0+q_1y} +\cdot +\frac{q_0-q_1y}{q_0-q_1y} += +\frac{(p_0+p_1y)(q_0-q_1y)}{q_0^2-q_1^2y^2} +\\ +&= +\frac{p_0q_0-p_1q_1(ax^2+bx+c)}{q_0^2-q_1^2(ax^2+bx+c)} ++ +\frac{q_0p_1-q_1p_0}{q_0^2-q_1^2(ax^2+bx+c)} y. +\end{align*} +Die Quotienten enthalten $y$ nicht mehr, sind also in $\mathbb{Q}(x)$. +In der späteren Rechnung stellt sich heraus, dass es praktischer ist, +das $y$ im Nenner zu haben, was man durch erweitern mit $y$ wieder +unter Ausnützung von $y^2=ax^2+bx+c$ erreichen kann. +Die zu integrierende Funktion kann also in der Form +\begin{equation} +f(x) += +W_1 + W_2\frac{1}{y} +\label{buch:integral:sqint:eqn:w1w2y} +\end{equation} +geschrieben werden mit rationalen Funktionen +$W_1,W_2\in\mathbb{Q}(x)$. +Eine Stammfunktion von $W_1$ kann mit der Methode von +Abschnitt~\ref{buch:integral:subsection:rationalefunktionen} +gefunden werden. +Im Folgenden kümmern wir uns daher nur noch um $W_1$. + +% +% Polynomdivision +% +\subsubsection{Polynomdivision} +Die Funktion $W_2$ in \eqref{buch:integral:sqint:eqn:w1w2y} ist eine +rationale Funktion $W_2\in \mathbb{K}(x)$, also ein Bruch mit Polynomen +in $x$ als Zähler und Nenner. +Durch Polynomdivision mit Rest können wir $W_2$ schreiben als +\[ +W_1 = \varphi + W_3, +\] +wobei $\varphi$ ein Polynom in $x$ ist und $W_3$ eine rationale +Funktion, deren Zählergrad kleiner ist als der Nennergrad. +Zur Bestimmung der Stammfunktion bleibt jetzt nur noch +\begin{equation} +\int W_2\frac{1}{y} += +\int \frac{\varphi}{y} ++ +\int W_3\frac1{y} +\label{buch:integral:sqint:eqn:Wy} +\end{equation} +zu berechnen. + +% +% Integranden der Form $\varphi(x)/y$ +% +\subsubsection{Integranden der Form $\varphi(x)/y$} +Der erste Term in~\eqref{buch:integral:sqint:eqn:Wy} ist ein Integral eines +Quotienten eines Polynoms geteilt durch $y$. +Solche Integrale können, wie im Folgenden gezeigt werden soll, reduziert +werden auf das Integral von $1/y$. +Genauer gilt der folgende Satz. + +\begin{satz} +\label{buch:integral:sqint:satz:polyy} +Sei $\varphi\in\mathcal{K}(x)$ ein Polynom in $x$, dann gibt +es ein Polynom $\psi\in\mathcal{K}(x)$ vom Grad $\deg\psi < \deg\varphi$, +und $A\in\mathcal{K}$ derart, dass +\begin{equation} +\int \frac{\varphi}{y} += +\psi y + A\int\frac{1}{y}. +\label{buch:integral:sqint:eqn:phipsi} +\end{equation} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Wir schreiben die Polynome in der Form +\begin{align*} +\varphi +&= +\varphi_mx^m + \varphi_{m-1}x^{m-1} + \dots + \varphi_2x^2 + \varphi_1x + \varphi_0 +\\ +\psi +&= +\phantom{\varphi_mx^m+\mathstrut} +\psi_{m-1}x^{m-1} + \dots + \psi_2x^2 + \psi_1x + \psi_0 +\intertext{mit der Ableitung} +\psi' +&= +\phantom{\varphi_mx^m+\mathstrut} +\psi_{m-1}(m-1)x^{m-2} + \dots + 2\psi_2x + \psi_1. +\end{align*} +Wir leiten die Gleichung~\eqref{buch:integral:sqint:eqn:phipsi} +nach $x$ ab und erhalten +\begin{align*} +\frac{\varphi}{y} +&= +\psi'y + \psi y' + \frac{A}{y} += +\psi'y + \psi \frac{ax+b/2}{y} + \frac{A}{y}. +\intertext{Durch Multiplikation mit $y$ wird die Gleichung wesentlich +vereinfacht zu} +\varphi +&= +\psi' y^2 + \psi y' y + A += +\psi' \cdot(ax^2+bx+c) + \psi\cdot (ax+b/2) + A. +\end{align*} +Auf beiden Seiten stehen Polynome, man kann daher versuchen, die +Koeffizienten von $\psi$ mit Hilfe eines Koeffizientenvergleichs zu +bestimmen. +Dazu müssen die Produkte auf der rechten Seite ausmultipliziert werden. +So ergeben sich die Gleichungen +\begin{equation} +\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} +\begin{array}{lcrcrcrcrcrcrcr} +\varphi_m +&=& +(m-1)\psi_{m-1} a &+& & & +&+& +\psi_{m-1} a & & & & +\\ +\varphi_{m-1} +&=& +(m-2)\psi_{m-2}a +&+& +(m-1)\psi_{m-1}b +& & +&+& +\psi_{m-2}a +&+& +\psi_{m-1}\frac{b}2 +& & +\\ +\varphi_{m-2} +&=& +(m-3)\psi_{m-3}a +&+& +(m-2)\psi_{m-2}b +&+& +(m-1)\psi_{m-1}c +&+& +\psi_{m-3}a +&+& +\psi_{m-2}\frac{b}2 +& & +\\ +&\vdots&&&&&&&&&&& +\\ +\varphi_2 +&=& +\psi_{1\phantom{-m}}a +&+& +2\psi_{2\phantom{-m}}b +&+& +3\psi_{3\phantom{-m}}c +&+& +\psi_{1\phantom{-m}}a +&+& +\psi_{2\phantom{-m}}\frac{b}2 +& & +\\ +\varphi_1 +&=& +& & +\psi_{1\phantom{-m}}b +& & +2\psi_{2\phantom{-m}}c +&+& +\psi_{0\phantom{-m}}a +&+& +\psi_{1\phantom{-m}}\frac{b}2 +\\ +\varphi_0 +&=& +& & +& & +\psi_{1\phantom{-m}}c +& & +&+& +\psi_{0\phantom{-m}}\frac{b}2 +&+&A +\end{array} +\end{equation} +In jeder Gleichung kommen hächstens drei der Koeffizienten von $\psi$ vor. +Fasst man sie zusammen und stellt die Terme etwas um, +erhält man die einfacheren Gleichungen +\begin{equation} +\renewcommand{\arraycolsep}{2pt} +\renewcommand{\arraystretch}{1.3} +\begin{array}{lcrcrcrcrcrcrcr} +\varphi_m +&=& +(m-0){\color{red}\psi_{m-1}}a & & & & +& & +\\ +\varphi_{m-1} +&=& +(m-1+\frac12)\psi_{m-1}b +&+& +(m-1){\color{red}\psi_{m-2}}a +& & +& & +\\ +\varphi_{m-2} +&=& +(m-1)\psi_{m-1}c +&+& +(m-2+\frac12)\psi_{m-2}b +&+& +(m-2){\color{red}\psi_{m-3}}a +& & +\\ +&\vdots&&&&&&&&&&& +\\ +\varphi_2 +&=& +3\psi_{3\phantom{-m}}c +&+& +(2+\frac12)\psi_{2\phantom{-m}}b +&+& +2{\color{red}\psi_{1\phantom{-m}}}a +& & +\\ +\varphi_1 +&=& +2\psi_{2\phantom{-m}}c +&+& +(1+\frac12)\psi_{1\phantom{-m}}b +&+& +{\color{red}\psi_{0\phantom{-m}}}a +& & +\\ +\varphi_0 +&=& +\psi_{1\phantom{-m}}c +& & +&+& +(0+\frac12) \psi_{0\phantom{-m}}b +&+&{\color{red}A} +\end{array} +\end{equation} +Die erste Gleichung kann wegen $a\ne 0$ nach $\psi_{m-1}$ aufgelöst werden, +dadurch ist $\psi_{m-1}$ bestimmt. +In allen folgenden Gleichungen taucht jeweils ein neuer Koeffizient +von $\psi$ auf, der rot hervorgehoben ist. +Wieder wegen $a\ne 0$ kann die Gleichung immer nach dieser Variablen +aufgelöst werden. +Die Gleichungen zeigen daher, dass die Koeffizienten des Polynoms $\psi$ +in absteigender Folge und die Konstanten $A$ eindeutig bestimmt werden. +\end{proof} + +Mit diesem Satz ist das Integral über den Teil $\varphi/y$ auf den +Fall des Integrals von $1/y$ reduziert. +Letzteres wird im nächsten Abschnitt berechnet. + +% +% Das Integral von $1/y$ +% +\subsubsection{Das Integral von $1/y$} +Eine Stammfunktion von $1/y$ kann mit etwas Geschick mit den +Interationstechniken gefunden werden, die man in einem Analysis-Kurs +lernt. +Durch Ableitung der Funktion +\[ +F += +\frac{1}{\sqrt{a}}\log\biggl(x+\frac{b}{2a}+\frac{y}{\sqrt{a}}\biggr) +\] +kann man nachprüfen, dass $F$ eine Stammfunktion von $1/y$ ist, +also +\begin{equation} +\int +\frac{1}{y} += +\frac{1}{\sqrt{a}}\log\biggl(x+\frac{b}{2a}+\frac{y}{\sqrt{a}}\biggr). +\end{equation} + +% +% Partialbruchzerlegung +% +\subsubsection{Partialbruchzerlegung} +In der rationalen Funktion $W_3$ in \eqref{buch:integral:sqint:eqn:Wy} +hat der Zähler kleineren Grad als der Nenner, sie kann daher wieder +in Partialbrüche +\[ +W_3 += +\sum_{i=1}^n +\sum_{k=1}^{k_i} +\frac{A_{ik}}{(x-\alpha_i)^k} +\] +mit den Nullstellen $\alpha_i$ des Nenners von $W_3$ mit Vielfachheiten +$k_i$ zerlegt werden. +Die Stammfunktion von $W_3/y$ wird damit zu +\begin{equation} +\int W_3\frac{1}{y} += +\sum_{i=1}^n +\sum_{k=1}^{k_i} +A_{ik} +\int +\frac{1}{(x-\alpha_i)^ky} += +\sum_{i=1}^n +\sum_{k=1}^{k_i} +A_{ik} +\int +\frac{1}{(x-\alpha_i)^k \sqrt{ax^2+bx+c}}. +\end{equation} +Die Stammfunktion ist damit reduziert auf Integrale der Form +\begin{equation} +\int +\frac{1}{(x-\alpha)^k \sqrt{ax^2+bx+c}} +\label{buch:integral:sqrat:eqn:2teart} +\end{equation} +mit $k>0$. + +% +% Integrale der Form \eqref{buch:integral:sqrat:eqn:2teart} +% +\subsubsection{Integrale der Form \eqref{buch:integral:sqrat:eqn:2teart}} +Die Integrale~\eqref{buch:integral:sqrat:eqn:2teart} +können mit Hilfe der Substution +\[ +t=\frac{1}{x-\alpha} +\qquad\text{oder}\qquad +x=\frac1t+\alpha +\] +In ein Integral verwandelt werden, für welches bereits eine +Berechnungsmethode entwickelt wurde. +Dazu berechnet man +\begin{align*} +y^2 +&= a\biggl(\frac1t+\alpha\biggr)^2 + b\biggl(\frac1t+\alpha\biggr) + c +\\ +&= +a\biggl(\frac{1}{t^2}+2\frac{\alpha}{t}+\alpha^2\biggr) ++\frac{b}{t}+b\alpha+c += +\frac{1}{t^2}\bigl( +\underbrace{a+(2a\alpha+b)t+(a\alpha^2+c)t^2}_{\displaystyle=Y^2} +\bigr) +\intertext{und damit} +y&=\frac{Y}{t}. +\end{align*} +Führt man die Substition +$dx = -dt/t^2$ im Integral aus, erhält man +\begin{align*} +\int\frac{dx}{(x-\alpha)^ky} +&= +- +\int +t^k\cdot\frac{t}{Y}\frac{dt}{t^2} += +-\int\frac{t^{k-1}}{Y}\,dt. +\end{align*} +Das letzte Integral ist wieder von der Form, die in +Satz~\ref{buch:integral:sqint:satz:polyy} behandelt wurde. +Insbesondere gibt es ein Polynom $\psi$ vom Grad $k-2$ und +eine Konstante $A$ derart, dass +\[ +\int\frac{1}{(x-\alpha)^ky} += +\psi Y + A\int\frac{1}{Y} +\] +ist. +Damit ist das Integral von $R(x,y)$ vollständig bestimmt. + +\subsubsection{Beobachtungen} +Die eben dargestellte Berechnung des Integrals von $R(x,y)$ zeigt einige +Gemeinsamkeiten mit der entsprechenden Rechnung für rationale +Integranden, aber auch einige wesentliche Unterschiede. +Wieder zeigt sich, dass Polynomdivision und Partialbruchzerlegung +die zentralen Werkzeuge sind, mit denen der Integrand zerlegt und +leichter integrierbare Funktionen umgeformt werden kann. +Andererseits ist der in +Satz~\ref{buch:integral:sqint:satz:polyy} +zusammengefasste Schritt eine wesentliche zusätzliche Vereinfachung, +die keine Entsprechung bei rationalen Integranden hat. + +Die gefunden Form der Stammfunktion hat jedoch die allgemeine +Form +\[ +\int R(x,y) += +v_0 + +C +\log\biggl(x+\frac{b}{2a}+\frac{y}{\sqrt{a}}\biggr) ++ +\sum_{i=1}^n c_i +\log v_i, +\] +die ganz der bei rationalen Integranden gefunden Form entspricht. +Darin ist $v_0$ die Summe der angefallenen rationalen Teilintegrale, +also $v_0\in\mathcal{K}(x,y)$. +Die $v_i\in\mathcal{K}(x,y)$ sind die entsprechenden Logarithmusfunktionen, +die bei der Berechnung der Integrale \eqref{buch:integral:sqrat:eqn:2teart} +auftreten. +Insbesondere liefert die Rechnung eine Körpererweiterung von +$\mathcal{K}(x,y)$ um die logarithmische Funktionen +$\log(x+b/2a+y/\!\sqrt{y})$ und $\log v_i$, in der $R(x,y)$ eine +Stammfunktion hat. + + + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex index 0df27a7..f750a82 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -20,7 +20,9 @@ elliptischen Funktionen hergestellt werden. \caption{Bogenlänge und Radius der Lemniskate von Bernoulli. \label{buch:elliptisch:fig:lemniskate}} \end{figure} -Die Lemniskate von Bernoulli ist die Kurve vierten Grades mit der Gleichung +Die {\em Lemniskate von Bernoulli} ist die Kurve vierten Grades +mit der Gleichung +\index{Lemniskate von Bernoulli}% \begin{equation} (X^2+Y^2)^2 = 2a^2(X^2-Y^2). \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} @@ -161,13 +163,14 @@ Parameters $k$. Die Länge des rechten Blattes der Lemniskate wird mit $\varpi$ bezeichnet und hat den numerischen Wert -\[ +\begin{equation} \varpi = 2\int_0^1\sqrt{\frac{1}{1-t^4}}\,dt = 2.6220575542. -\] +\label{buch:elliptisch:eqn:varpi} +\end{equation} $\varpi$ ist auch als die {\em lemniskatische Konstante} bekannt. \index{lemniskatische Konstante}% Der Lemniskatenbogen zwischen dem Nullpunkt und $(1,0)$ hat die Länge @@ -179,7 +182,7 @@ $\varpi/2$. \subsection{Bogenlängenparametrisierung} Die Lemniskate mit der Gleichung \[ -(X^2+X^2)^2=2(X^2-X^2) +(X^2+Y^2)^2=2(X^2-Y^2) \] (der Fall $a=1$ in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate}) kann mit Jacobischen elliptischen Funktionen @@ -332,7 +335,8 @@ Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den Parameterwerten $0$ und $s$ = s, \] -der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter. +der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter, man darf also +$s=t$ schreiben. Die mit dem Faktor $1/\sqrt{2}$ skalierte Standard-Lemniskate mit der Gleichung @@ -355,10 +359,9 @@ y(t) \end{equation} \subsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} -Der Sinus Berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des +Der Sinus berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des Kreises, er ist die Umkehrfunktion der Funktion, die der Gegenkathete die Bogenlänge zuordnet. - Daher ist es naheliegend, die Umkehrfunktion von $s(r)$ in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} den {\em lemniskatischen Sinus} zu nennen mit der Bezeichnung @@ -368,6 +371,13 @@ Der Kosinus ist der Sinus des komplementären Winkels. Auch für die lemniskatische Bogenlänge $s(r)$ lässt sich eine komplementäre Bogenlänge definieren, nämlich die Bogenlänge zwischen dem Punkt $(x(r), y(r))$ und $(1,0)$. +Da die Bogenlänge zwischen $(0,0)$ und $(1,0)$ in +in \eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet wurde. +ist sie $\varpi/2-s$. +Der {\em lemniskatische Kosinus} ist daher +$\operatorname{cl}(s) = \operatorname{sl}(\varpi/2-s)$ +Graphen des lemniskatische Sinus und Kosinus sind in +Abbildung~\label{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. Da die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} eine Bogenlängenparametrisierung ist, darf man $t=s$ schreiben. diff --git a/buch/chapters/references.bib b/buch/chapters/references.bib index 17ef273..32a86ec 100644 --- a/buch/chapters/references.bib +++ b/buch/chapters/references.bib @@ -111,3 +111,10 @@ publisher = { Addison-Wesley } } +@online{buch:gmp, + title = {GNU Multiprecision Arithmetic Library}, + DAY = 26, + MONTH = 5, + YEAR = 2022, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/GNU_Multiple_Precision_Arithmetic_Library} +} diff --git a/buch/common/packages.tex b/buch/common/packages.tex index 2ab2ad8..eef17c1 100644 --- a/buch/common/packages.tex +++ b/buch/common/packages.tex @@ -43,6 +43,7 @@ \usepackage{wasysym} \usepackage{environ} \usepackage{appendix} +\usepackage{wrapfig} \usepackage{placeins} \usepackage[all]{xy} \usetikzlibrary{calc,intersections,through,backgrounds,graphs,positioning,shapes,arrows,fit,math} diff --git a/buch/common/teilnehmer.tex b/buch/common/teilnehmer.tex index c14790a..c1408cb 100644 --- a/buch/common/teilnehmer.tex +++ b/buch/common/teilnehmer.tex @@ -11,20 +11,20 @@ Fabian Dünki%, % E \\ %Robin Eberle, % E Enez Erdem, % B -Nilakshan Eswararajah, % B -Réda Haddouche%, % E -\\ +%Nilakshan Eswararajah, % B +Réda Haddouche, % E David Hugentobler, % E -Alain Keller, % E -Yanik Kuster, % E -Marc Kühne%, % B +Alain Keller%, % E \\ +Yanik Kuster, % E +Marc Kühne, % B Erik Löffler, % E -Kevin Meili, % M-I -Andrea Mozzini Vellen%, % E +Kevin Meili%, % M-I \\ +Andrea Mozzini Vellen, % E Patrik Müller, % MSE -Naoki Pross, % E +Naoki Pross%, % E +\\ Thierry Schwaller, % E Tim Tönz % E diff --git a/buch/papers/dreieck/main.tex b/buch/papers/dreieck/main.tex index 75ba410..d7bc769 100644 --- a/buch/papers/dreieck/main.tex +++ b/buch/papers/dreieck/main.tex @@ -3,19 +3,21 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Dreieckstest und Beta-Funktion\label{chapter:dreieck}} -\lhead{Dreieckstest und Beta-Funktion} +\chapter{$\int P(t) e^{-t^2} \,dt$ in geschlossener Form? +\label{chapter:dreieck}} +\lhead{Integrierbarkeit in geschlossener Form} \begin{refsection} \chapterauthor{Andreas Müller} \noindent -Mit dem Dreieckstest kann man feststellen, wie gut ein Geruchs- -oder Geschmackstester verschiedene Gerüche oder Geschmäcker -unterscheiden kann. -Seine wahrscheinlichkeitstheoretische Erklärung benötigt die Beta-Funktion, -man kann die Beta-Funktion als durchaus als die mathematische Grundlage -der Weindegustation -bezeichnen. +Der Risch-Algorithmus erlaubt, eine definitive Antwort darauf zu geben, +\index{Risch-Algorithmus}% +\index{elementare Stammfunktion}% +ob eine elementare Funktion eine Stammfunktion in geschlossener Form hat. +Der Algorithmus ist jedoch ziemlich kompliziert. +In diesem Kapitel soll ein spezieller Fall mit Hilfe der Theorie der +orthogonale Polynome, speziell der Hermite-Polynome, behandelt werden, +wie er in der Arbeit \cite{dreieck:polint} untersucht wurde. \input{papers/dreieck/teil0.tex} \input{papers/dreieck/teil1.tex} diff --git a/buch/papers/dreieck/references.bib b/buch/papers/dreieck/references.bib index d2bbe08..47bd865 100644 --- a/buch/papers/dreieck/references.bib +++ b/buch/papers/dreieck/references.bib @@ -4,32 +4,12 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % -@online{dreieck:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} +@article{dreieck:polint, + author = { George Stoica }, + title = { Polynomials and Integration in Finite Terms }, + journal = { Amer. Math. Monthly }, + volume = 129, + year = 2022, + number = 1, + pages = {80--81} } - -@book{dreieck:numerical-analysis, - title = {Numerical Analysis}, - author = {David Kincaid and Ward Cheney}, - publisher = {American Mathematical Society}, - year = {2002}, - isbn = {978-8-8218-4788-6}, - inseries = {Pure and applied undegraduate texts}, - volume = {2} -} - -@article{dreieck:mendezmueller, - author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, - title = { Noncommutative harmonic analysis and image registration }, - journal = { Appl. Comput. Harmon. Anal.}, - year = 2019, - volume = 47, - pages = {607--627}, - url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} -} - diff --git a/buch/papers/dreieck/teil0.tex b/buch/papers/dreieck/teil0.tex index bcf2cf8..65eff7a 100644 --- a/buch/papers/dreieck/teil0.tex +++ b/buch/papers/dreieck/teil0.tex @@ -3,7 +3,48 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Testprinzip\label{dreieck:section:testprinzip}} -\rhead{Testprinzip} +\section{Problemstellung\label{dreieck:section:problemstellung}} +\rhead{Problemstellung} +Es ist bekannt, dass das Fehlerintegral +\[ +\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} \int_{-\infty}^x e^{-\frac{t^2}{2\sigma}}\,dt +\] +nicht in geschlossener Form dargestellt werden kann. +Mit der in Kapitel~\ref{buch:chapter:integral} skizzierten Theorie von +Liouville und dem Risch-Algorithmus kann dies strengt gezeigt werden. +Andererseits gibt es durchaus Integranden, die $e^{-t^2}$ enthalten, +für die eine Stammfunktion in geschlossener Form gefunden werden kann. +Zum Beispiel folgt aus der Ableitung +\[ +\frac{d}{dt} e^{-t^2} += +-2te^{-t^2} +\] +die Stammfunktion +\[ +\int te^{-t^2}\,dt += +-\frac12 e^{-t^2}. +\] +Leitet man $e^{-t^2}$ zweimal ab, erhält man +\[ +\frac{d^2}{dt^2} e^{-t^2} += +(4t^2-2) e^{-t^2} +\qquad\Rightarrow\qquad +\int (t^2-{\textstyle\frac12}) e^{-t^2}\,dt += +{\textstyle\frac14} +e^{-t^2}. +\] +Es gibt also eine viele weitere Polynome $P(t)$, für die der Integrand +$P(t)e^{-t^2}$ eine Stammfunktion in geschlossener Form hat. +Damit stellt sich jetzt das folgende allgemeine Problem. + +\begin{problem} +\label{dreieck:problem} +Für welche Polynome $P(t)$ hat der Integrand $P(t)e^{-t^2}$ +eine elementare Stammfunktion? +\end{problem} diff --git a/buch/papers/dreieck/teil1.tex b/buch/papers/dreieck/teil1.tex index 4abe2e1..45c1a23 100644 --- a/buch/papers/dreieck/teil1.tex +++ b/buch/papers/dreieck/teil1.tex @@ -3,9 +3,92 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Ordnungsstatistik und Beta-Funktion -\label{dreieck:section:ordnungsstatistik}} -\rhead{} +\section{Hermite-Polynome +\label{dreieck:section:hermite-polynome}} +\rhead{Hermite-Polyome} +In Abschnitt~\ref{dreieck:section:problemstellung} hat sich schon angedeutet, +dass die Polynome, die man durch Ableiten von $e^{-t^2}$ erhalten +kann, bezüglich des gestellten Problems besondere Eigenschaften +haben. +Zunächst halten wir fest, dass die Ableitung einer Funktion der Form +$P(t)e^{-t^2}$ mit einem Polynom $P(t)$ +\begin{equation} +\frac{d}{dt} P(t)e^{-t^2} += +P'(t)e^{-t^2} -2tP(t)e^{-t^2} += +(P'(t)-2tP(t)) e^{-t^2} +\label{dreieck:eqn:ableitung} +\end{equation} +ist. +Insbesondere hat die Ableitung wieder die Form $Q(t)e^{-t^2}$ +mit einem Polynome $Q(t)$, welches man auch als +\[ +Q(t) += +e^{t^2}\frac{d}{dt}P(t)e^{-t^2} +\] +erhalten kann. +Die Polynome, die man aus der Funktion $H_0(t)=e^{-t^2}$ durch +Ableiten erhalten kann, wurden bereits in +Abschnitt~\ref{buch:orthogonalitaet:section:rodrigues} +bis auf ein Vorzeichen hergeleitet, sie heissen die Hermite-Polynome +\index{Hermite-Polynome}% +und es gilt +\[ +H_n(t) += +(-1)^n +e^{t^2} \frac{d^n}{dt^n} e^{-t^2}. +\] +Das Vorzeichen dient dazu sicherzustellen, dass der Leitkoeffizient +immer $1$ ist. +Das Polynom $H_n(t)$ hat den Grad $n$. + +In Abschnitt wurde auch gezeigt, dass die Polynome $H_n(t)$ +bezüglich des Skalarproduktes +\[ +\langle f,g\rangle_{w} += +\int_{-\infty}^\infty f(t)g(t)e^{-t^2}\,dt, +\qquad +w(t)=e^{-t^2}, +\] +orthogonal sind. +Ausserdem folgt aus \eqref{dreieck:eqn:ableitung} +die Rekursionsbeziehung +\begin{equation} +H_{n}(t) += +2tH_{n-1}(t) +- +H_{n-1}'(t) +\label{dreieck:eqn:rekursion} +\end{equation} +für $n>0$. + +Im Hinblick auf die Problemstellung ist jetzt die Frage interessant, +ob die Integranden $H_n(t)e^{-t^2}$ eine Stammfunktion in geschlossener +Form haben. +Mit Hilfe der Rekursionsbeziehung~\eqref{dreieck:eqn:rekursion} +kann man für $n>0$ unmittelbar verifizieren, dass +\begin{align*} +\int H_n(t)e^{-t^2}\,dt +&= +\int \bigl( 2tH_{n-1}(t) - H'_{n-1}(t)\bigr)e^{-t^2}\,dt +\\ +&= +-\int \bigl( \exp'(-t^2) H_{n-1}(t) + H'_{n-1}(t)\bigr)e^{-t^2}\,dt +\\ +&= +-\int \bigl( e^{-t^2}H_{n-1}(t)\bigr)' \,dt += +-e^{-t^2}H_{n-1}(t) +\end{align*} +ist. +Für $n>0$ hat also $H_n(t)e^{-t^2}$ eine elementare Stammfunktion. +Die Hermite-Polynome sind also Lösungen für das +Problem~\ref{dreieck:problem}. diff --git a/buch/papers/dreieck/teil2.tex b/buch/papers/dreieck/teil2.tex index 83ea3cb..8e89f6a 100644 --- a/buch/papers/dreieck/teil2.tex +++ b/buch/papers/dreieck/teil2.tex @@ -3,7 +3,113 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Wahrscheinlichkeiten im Dreieckstest -\label{dreieck:section:wahrscheinlichkeiten}} -\rhead{Wahrscheinlichkeiten} +\section{Beliebige Polynome +\label{dreieck:section:beliebig}} +\rhead{Beliebige Polynome} +Im Abschnitt~\ref{dreieck:section:hermite-polynome} wurden die +Hermite-Polynome $H_n(t)$ mit $n>0$ als Lösungen des gestellten +Problems erkannt. +Eine Linearkombination von solchen Polynomen hat natürlich +ebenfalls eine elementare Stammfunktion. +Das Problem kann daher neu formuliert werden: + +\begin{problem} +\label{dreieck:problem2} +Welche Polynome $P(t)$ lassen sich aus den Hermite-Polynomen +$H_n(t)$ mit $n>0$ linear kombinieren? +\end{problem} + +Sei also +\[ +P(t) = p_0 + p_1t + \ldots + p_{n-1}t^{n-1} + p_nt^n +\] +ein beliebiges Polynom vom Grad $n$. +Eine elementare Stammfunktion von $P(t)e^{-t^2}$ existiert sicher, +wenn sich $P(t)$ aus den Funktionen $H_n(t)$ mit $n>0$ linear +kombinieren lässt. +Gesucht ist also zunächst eine Darstellung von $P(t)$ als Linearkombination +von Hermite-Polynomen. + +\begin{lemma} +Jedes Polynome $P(t)$ vom Grad $n$ lässt sich auf eindeutige Art und +Weise als Linearkombination +\begin{equation} +P(t) = a_0H_0(t) + a_1H_1(t) + \ldots + a_nH_n(t) += +\sum_{k=0}^n a_nH_n(t) +\label{dreieck:lemma} +\end{equation} +von Hermite-Polynomen schreiben. +\end{lemma} + +\begin{proof}[Beweis] +Zunächst halten wir fest, dass aus der +Rekursionsformel~\eqref{dreieck:eqn:rekursion} +folgt, dass der Leitkoeffizient bei jedem Rekursionsschnitt +mit $2$ multipliziert wird. +Der Leitkoeffizient von $H_n(t)$ ist also $2^n$. + +Wir führen den Beweis mit vollständiger Induktion. +Für $n=0$ ist $P(t)=p_0 = p_0 H_0(t)$ als Linearkombination von +Hermite-Polynomen darstellbar, dies ist die Induktionsverankerung. + +Wir nehmen jetzt im Sinne der Induktionsannahme an, +dass sich ein Polynom vom Grad $n-1$ als +Linearkombination der Polynome $H_0(t),\dots,H_{n-1}(t)$ schreiben +lässt und untersuchen ein Polynom $P(t)$ vom Grad $n$. +Da der Leitkoeffizient des Polynoms $H_n(t)$ ist $2^n$, ist zerlegen +wir +\[ +P(t) += +\underbrace{\biggl(P(t) - \frac{p_n}{2^n} H_n(t)\biggr)}_{\displaystyle = Q(t)} ++ +\frac{p_n}{2^n} H_n(t). +\] +Das Polynom $Q(t)$ hat Grad $n-1$, besitzt also nach Induktionsannahme +eine Darstellung +\[ +Q(t) = a_0H_0(t)+a_1H_1(t)+\ldots+a_{n-1}H_{n-1}(t) +\] +als Linearkombination der Polynome $H_0(t),\dots,H_{n-1}(t)$. +Somit ist +\[ +P(t) += a_0H_0(t)+a_1H_1(t)+\ldots+a_{n-1}H_{n-1}(t) + +\frac{p_n}{2^n} H_n(t) +\] +eine Darstellung von $P(t)$ als Linearkombination der Polynome +$H_0(t),\dots,H_n(t)$. +Damit ist der Induktionsschritt vollzogen und das Lemma für alle +$n$ bewiesen. +\end{proof} + +\begin{satz} +\label{dreieck:satz1} +Die Funktion $P(t)e^{-t^2}$ hat genau dann eine elementare Stammfunktion, +wenn in der Darstellung~\eqref{dreieck:lemma} +von $P(t)$ als Linearkombination von Hermite-Polynomen $a_0=0$ gilt. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Es ist +\begin{align*} +\int P(t)e^{-t^2}\,dt +&= +a_0\int e^{-t^2}\,dt ++ +\int +\sum_{k=1} a_kH_k(t)\,dt +\\ +&= +a_0 +\frac{\sqrt{\pi}}2 +\operatorname{erf}(t) ++ +\sum_{k=1} a_k\int H_k(t)\,dt. +\end{align*} +Da die Integrale in der Summe alle elementar darstellbar sind, +ist das Integral genau dann elementar, wenn $a_0=0$ ist. +\end{proof} + diff --git a/buch/papers/dreieck/teil3.tex b/buch/papers/dreieck/teil3.tex index e2dfd6b..c0c046a 100644 --- a/buch/papers/dreieck/teil3.tex +++ b/buch/papers/dreieck/teil3.tex @@ -3,8 +3,75 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Erweiterungen -\label{dreieck:section:erweiterungen}} -\rhead{Erweiterungen} +\section{Integralbedingung +\label{dreieck:section:integralbedingung}} +\rhead{Lösung} +Die Tatsache, dass die Hermite-Polynome orthogonal sind, erlaubt, das +Kriterium von Satz~\ref{dreieck:satz1} in einer besonders attraktiven +Integralform zu formulieren. + +Aus den Polynomen $H_n(t)$ lassen sich durch Normierung die +\index{orthogonale Polynome}% +\index{Polynome, orthogonale}% +orthonormierten Polynome +\[ +\tilde{H}_n(t) += +\frac{1}{\| H_n\|_w} H_n(t) +\qquad\text{mit}\quad +\|H_n\|_w^2 += +\int_{-\infty}^\infty H_n(t)e^{-t^2}\,dt +\] +bilden. +Da diese Polynome eine orthonormierte Basis des Vektorraums der Polynome +bilden, kann die gesuchte Zerlegung eines Polynoms $P(t)$ auch mit +Hilfe des Skalarproduktes gefunden werden: +\begin{align*} +P(t) +&= +\sum_{k=1}^n +\langle \tilde{H}_k, P\rangle_w +\tilde{H}_k(t) += +\sum_{k=1}^n +\biggl\langle \frac{H_k}{\|H_k\|_w}, P\biggr\rangle_w +\frac{H_k(t)}{\|H_k\|_w} += +\sum_{k=1}^n +\underbrace{ +\frac{ \langle H_k, P\rangle_w }{\|H_k\|_w^2} +}_{\displaystyle =a_k} +H_k(t). +\end{align*} +Die Darstellung von $P(t)$ als Linearkombination von Hermite-Polynomen +hat somit die Koeffizienten +\[ +a_k = \frac{\langle H_k,P\rangle_w}{\|H_k\|_w^2}. +\] +Aus dem Kriterium $a_0=0$ dafür, dass eine elementare Stammfunktion +von $P(t)e^{-t^2}$ existiert, wird daher die Bedingung, dass +$\langle H_0,P\rangle_w=0$ ist. +Da $H_0(t)=1$ ist, folgt als Bedingung +\[ +a_0 += +\langle H_0,P\rangle_w += +\int_{-\infty}^\infty P(t) e^{-t^2}\,dt += +0. +\] + +\begin{satz} +Ein Integrand der Form $P(t)e^{-t^2}$ mit einem Polynom $P(t)$ +hat genau dann eine elementare Stammfunktion, wenn +\[ +\int_{-\infty}^\infty P(t)e^{-t^2}\,dt = 0 +\] +ist. +\end{satz} + + diff --git a/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc b/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc index 8f20278..97e4089 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc +++ b/buch/papers/ellfilter/Makefile.inc @@ -3,12 +3,11 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -dependencies-ellfilter = \ - papers/ellfilter/packages.tex \ - papers/ellfilter/main.tex \ - papers/ellfilter/references.bib \ - papers/ellfilter/teil0.tex \ - papers/ellfilter/teil1.tex \ - papers/ellfilter/teil2.tex \ - papers/ellfilter/teil3.tex - +dependencies-ellfilter = \ + papers/ellfilter/packages.tex \ + papers/ellfilter/main.tex \ + papers/ellfilter/references.bib \ + papers/ellfilter/einleitung.tex \ + papers/ellfilter/tschebyscheff.tex \ + papers/ellfilter/jacobi.tex \ + papers/ellfilter/elliptic.tex diff --git a/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..37fd89f --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex @@ -0,0 +1,56 @@ +\section{Einleitung} + +% Lineare filter + +% Filter, Signalverarbeitung + + +Der womöglich wichtigste Filtertyp ist das Tiefpassfilter. +Dieses soll im Durchlassbereich unter der Grenzfrequenz $\Omega_p$ unverstärkt durchlassen und alle anderen Frequenzen vollständig auslöschen. + +% Bei der Implementierung von Filtern + +In der Elektrotechnik führen Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englich \textit{time-invariant system}). +Die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich $|H(\Omega)|$ eines solchen Systems ist dabei immer eine rationale Funktion, also eine Division von zwei Polynomen. +Die Polynome habe dabei immer reelle oder komplex-konjugierte Nullstellen. + + +\begin{equation} \label{ellfilter:eq:h_omega} + | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 F_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p} +\end{equation} + +$\Omega = 2 \pi f$ ist die analoge Frequenz + + +% Linear filter +Damit das Filter implementierbar und stabil ist, muss $H(\Omega)^2$ eine rationale Funktion sein, deren Nullstellen und Pole auf der linken Halbebene liegen. + +$N \in \mathbb{N} $ gibt dabei die Ordnung des Filters vor, also die maximale Anzahl Pole oder Nullstellen. + +Damit ein Filter die Passband Kondition erfüllt muss $|F_N(w)| \leq 1 \forall |w| \leq 1$ und für $|w| \geq 1$ sollte die Funktion möglichst schnell divergieren. +Eine einfaches Polynom, dass das erfüllt, erhalten wir wenn $F_N(w) = w^N$. +Tatsächlich erhalten wir damit das Butterworth Filter, wie in Abbildung \ref{ellfilter:fig:butterworth} ersichtlich. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf} + \caption{$F_N$ für Butterworth filter. Der grüne Bereich definiert die erlaubten Werte für alle $F_N$-Funktionen.} + \label{ellfilter:fig:butterworth} +\end{figure} + +wenn $F_N(w)$ eine rationale Funktion ist, ist auch $H(\Omega)$ eine rationale Funktion und daher ein lineares Filter. %proof? + +\begin{align} + F_N(w) & = + \begin{cases} + w^N & \text{Butterworth} \\ + T_N(w) & \text{Tschebyscheff, Typ 1} \\ + [k_1 T_N (k^{-1} w^{-1})]^{-1} & \text{Tschebyscheff, Typ 2} \\ + R_N(w, \xi) & \text{Elliptisch (Cauer)} \\ + \end{cases} +\end{align} + +Mit der Ausnahme vom Butterworth filter sind alle Filter nach speziellen Funktionen benannt. +Alle diese Filter sind optimal für unterschiedliche Anwendungsgebiete. +Das Butterworth-Filter, zum Beispiel, ist maximal flach im Durchlassbereich. +Das Tschebyscheff-1 Filter sind maximal steil für eine definierte Welligkeit im Durchlassbereich, währendem es im Sperrbereich monoton abfallend ist. +Es scheint so als sind gewisse Eigenschaften dieser speziellen Funktionen verantwortlich für die Optimalität dieser Filter. diff --git a/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex new file mode 100644 index 0000000..88bfbfe --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex @@ -0,0 +1,92 @@ +\section{Elliptische rationale Funktionen} + +Kommen wir nun zum eigentlichen Teil dieses Papers, den elliptischen rationalen Funktionen +\begin{align} + R_N(\xi, w) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \\ + &= \cd \left(N~\frac{K_1}{K}~\cd^{-1}(w, k), k_1)\right) , \quad k= 1/\xi, k_1 = 1/f(\xi) \\ + &= \cd \left(N~K_1~z , k_1 \right), \quad w= \cd(z K, k) +\end{align} + + +sieht ähnlich aus wie die trigonometrische Darstellung der Tschebyschef-Polynome \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} +Anstelle vom Kosinus kommt hier die $\cd$-Funktion zum Einsatz. +Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor for. +Zusätzlich werden noch zwei verschiedene elliptische Module $k$ und $k_1$ gebraucht. + + + +Sinus entspricht $\sn$ + +Damit die Nullstellen an ähnlichen Positionen zu liegen kommen wie bei den Tschebyscheff-Polynomen, muss die $\cd$-Funktion gewählt werden. + +Die $\cd^{-1}(w, k)$-Funktion ist um $K$ verschoben zur $\sn^{-1}(w, k)$-Funktion, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd}. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex} + \caption{ + $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$. + Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch. + } + \label{ellfilter:fig:cd} +\end{figure} +Auffallend ist, dass sich alle Nullstellen und Polstellen um $K$ verschoben haben. + +Durch das Konzept vom fundamentalen Rechteck, siehe Abbildung \ref{ellfilter:fig:fundamental_rectangle} können für alle inversen Jaccobi elliptischen Funktionen die Positionen der Null- und Polstellen anhand eines Diagramms ermittelt werden. +Der erste Buchstabe bestimmt die Position der Nullstelle und der zweite Buchstabe die Polstelle. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex} + \caption{ + Fundamentales Rechteck der inversen Jaccobi elliptischen Funktionen. + } + \label{ellfilter:fig:fundamental_rectangle} +\end{figure} + +Auffallend an der $w = \sn(z, k)$-Funktion ist, dass sich $w$ auf der reellen Achse wie der Kosinus immer zwischen $-1$ und $1$ bewegt, während bei $\mathrm{Im(z) = K^\prime}$ die Werte zwischen $\pm 1/k$ und $\pm \infty$ verlaufen. +Die Funktion hat also Equirippel-Verhalten um $w=0$ und um $w=\pm \infty$. +Falls es möglich ist diese Werte abzufahren im Sti der Tschebyscheff-Polynome, kann ein Filter gebaut werden, dass Equirippel-Verhalten im Durchlass- und Sperrbereich aufweist. + + + +Analog zu Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2} können wir auch bei den elliptisch rationalen Funktionen die komplexe $z$-Ebene betrachten, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd2}, um die besser zu verstehen. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex} + \caption{ + $z_1$-Ebene der elliptischen rationalen Funktionen. + Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen passiert. + } + \label{ellfilter:fig:cd2} +\end{figure} +% Da die $\cd^{-1}$-Funktion + + + +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf} + \caption{$F_N$ für ein elliptischs filter.} + \label{ellfilter:fig:elliptic} +\end{figure} + +\subsection{Degree Equation} + +Der $\cd^{-1}$ Term muss so verzogen werden, dass die umgebene $\cd$-Funktion die Nullstellen und Pole trifft. +Dies trifft ein wenn die Degree Equation erfüllt ist. + +\begin{equation} + N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1} +\end{equation} + + +Leider ist das lösen dieser Gleichung nicht trivial. +Die Rechnung wird in \ref{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut. + + +\subsection{Polynome?} + +Bei den Tschebyscheff-Polynomen haben wir gesehen, dass die Trigonometrische Formel zu einfachen Polynomen umgewandelt werden kann. +Im gegensatz zum $\cos^{-1}$ hat der $\cd^{-1}$ nicht nur Nullstellen sondern auch Pole. +Somit entstehen bei den elliptischen rationalen Funktionen, wie es der name auch deutet, rationale Funktionen, also ein Bruch von zwei Polynomen. + +Da Transformationen einer rationalen Funktionen mit Grundrechenarten, wie es in \eqref{ellfilter:eq:h_omega} der Fall ist, immer noch rationale Funktionen ergeben, stellt dies kein Problem für die Implementierung dar. diff --git a/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex new file mode 100644 index 0000000..6a208fa --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex @@ -0,0 +1,189 @@ +\section{Jacobische elliptische Funktionen} + +%TODO $z$ or $u$ for parameter? + +Für das elliptische Filter wird statt der, für das Tschebyscheff-Filter benutzen Kreis-Trigonometrie die elliptischen Funktionen gebraucht. +Der Begriff elliptische Funktion wird für sehr viele Funktionen gebraucht, daher ist es hier wichtig zu erwähnen, dass es ausschliesslich um die Jacobischen elliptischen Funktionen geht. + +Im Wesentlichen erweitern die Jacobi elliptischen Funktionen die trigonometrische Funktionen für Ellipsen. +Zum Beispiel gibt es analog zum Sinus den elliptischen $\sn(z, k)$. +Im Gegensatz zum den trigonometrischen Funktionen haben die elliptischen Funktionen zwei parameter. +Zum einen gibt es den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert. +Zum andern das Winkelargument $z$. +Im Kreis ist der Radius für alle Winkel konstant, bei Ellipsen ändert sich das. +Dies hat zur Folge, dass bei einer Ellipse die Kreisbodenstrecke nicht linear zum Winkel verläuft. +Darum kann hier nicht der gewohnte Winkel verwendet werden. +Das Winkelargument $z$ kann durch das elliptische Integral erster Art +\begin{equation} + z + = + F(\phi, k) + = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } + = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + dt + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } %TODO which is right? are both functions from phi? +\end{equation} +mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung liegt. + +Dabei wird das vollständige und unvollständige Elliptische integral unterschieden. +Beim vollständigen Integral +\begin{equation} + K(k) + = + \int_{0}^{\pi / 2} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } +\end{equation} +wird über ein viertel Ellipsenbogen integriert also bis $\phi=\pi/2$ und liefert das Winkelargument für eine Vierteldrehung. +Die Zahl wird oft auch abgekürzt mit $K = K(k)$ und ist für das elliptische Filter sehr relevant. +Alle elliptishen Funktionen sind somit $4K$-periodisch. + +Neben dem $\sn$ gibt es zwei weitere basis-elliptische Funktionen $\cn$ und $\dn$. +Dazu kommen noch weitere abgeleitete Funktionen, die durch Quotienten und Kehrwerte dieser Funktionen zustande kommen. +Insgesamt sind es die zwölf Funktionen +\begin{equation*} + \sn \quad + \ns \quad + \scelliptic \quad + \sd \quad + \cn \quad + \nc \quad + \cs \quad + \cd \quad + \dn \quad + \nd \quad + \ds \quad + \dc. +\end{equation*} + +Die Jacobischen elliptischen Funktionen können mit der inversen Funktion des kompletten elliptischen Integrals erster Art +\begin{equation} + \phi = F^{-1}(z, k) +\end{equation} +definiert werden. Dabei ist zu beachten dass nur das $z$ Argument der Funktion invertiert wird, also +\begin{equation} + z = F(\phi, k) + \Leftrightarrow + \phi = F^{-1}(z, k). +\end{equation} +Mithilfe von $F^{-1}$ kann zum Beispiel $sn^{-1}$ mit dem Elliptischen integral dargestellt werden: +\begin{equation} + \sin(\phi) + = + \sin \left( F^{-1}(z, k) \right) + = + \sn(z, k) + = + w +\end{equation} + +\begin{equation} + \phi + = + F^{-1}(z, k) + = + \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) + = + \sin^{-1} ( w ) +\end{equation} + +\begin{equation} + F(\phi, k) + = + z + = + F( \sin^{-1} \big( \sn (z, k ) \big) , k) + = + F( \sin^{-1} ( w ), k) +\end{equation} + +\begin{equation} + \sn^{-1}(w, k) + = + F(\phi, k), + \quad + \phi = \sin^{-1}(w) +\end{equation} + +\begin{align} + \sn^{-1}(w, k) + & = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + }, + \quad + \phi = \sin^{-1}(w) + \\ + & = + \int_{0}^{w} + \frac{ + dt + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } +\end{align} + +Beim $\cos^{-1}(x)$ haben wir gesehen, dass die analytische Fortsetzung bei $x < -1$ und $x > 1$ rechtwinklig in die Komplexen zahlen wandert. +Wenn man das gleiche mit $\sn^{-1}(w, k)$ macht, erkennt man zwei interessante Stellen. +Die erste ist die gleiche wie beim $\cos^{-1}(x)$ nämlich bei $t = \pm 1$. +Der erste Term unter der Wurzel wird dann negativ, während der zweite noch positiv ist, da $k \leq 1$. +\begin{equation} + \frac{ + 1 + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } + \in \mathbb{R} + \quad \forall \quad + -1 \leq t \leq 1 +\end{equation} +Die zweite stelle passiert wenn beide Faktoren unter der Wurzel negativ werden, was bei $t = 1/k$ der Fall ist. + + + + +Funktion in relle und komplexe Richtung periodisch + +In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch. + + + +%TODO sn^{-1} grafik + +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex} + \caption{ + $z$-Ebene der Funktion $z = \sn^{-1}(w, k)$. + Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch. + } + % \label{ellfilter:fig:cd2} +\end{figure} diff --git a/buch/papers/ellfilter/main.tex b/buch/papers/ellfilter/main.tex index 26aaec1..c58dfa7 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/main.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/main.tex @@ -8,29 +8,10 @@ \begin{refsection} \chapterauthor{Nicolas Tobler} -Ein paar Hinweise für die korrekte Formatierung des Textes -\begin{itemize} -\item -Absätze werden gebildet, indem man eine Leerzeile einfügt. -Die Verwendung von \verb+\\+ ist nur in Tabellen und Arrays gestattet. -\item -Die explizite Platzierung von Bildern ist nicht erlaubt, entsprechende -Optionen werden gelöscht. -Verwenden Sie Labels und Verweise, um auf Bilder hinzuweisen. -\item -Beginnen Sie jeden Satz auf einer neuen Zeile. -Damit ermöglichen Sie dem Versionsverwaltungssysteme, Änderungen -in verschiedenen Sätzen von verschiedenen Autoren ohne Konflikt -anzuwenden. -\item -Bilden Sie auch für Formeln kurze Zeilen, einerseits der besseren -Übersicht wegen, aber auch um GIT die Arbeit zu erleichtern. -\end{itemize} - -\input{papers/ellfilter/teil0.tex} -\input{papers/ellfilter/teil1.tex} -\input{papers/ellfilter/teil2.tex} -\input{papers/ellfilter/teil3.tex} +\input{papers/ellfilter/einleitung.tex} +\input{papers/ellfilter/tschebyscheff.tex} +\input{papers/ellfilter/jacobi.tex} +\input{papers/ellfilter/elliptic.tex} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/ellfilter/packages.tex b/buch/papers/ellfilter/packages.tex index c94db34..9a550e2 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/packages.tex +++ b/buch/papers/ellfilter/packages.tex @@ -8,3 +8,20 @@ % following example %\usepackage{packagename} +% \usepackage[dvipsnames]{xcolor} + +\usetikzlibrary{trees,shapes,decorations} + +\DeclareMathOperator{\sn}{\mathrm{sn}} +\DeclareMathOperator{\ns}{\mathrm{ns}} +\DeclareMathOperator{\scelliptic}{\mathrm{sc}} +\DeclareMathOperator{\sd}{\mathrm{sd}} +\DeclareMathOperator{\cn}{\mathrm{cn}} +\DeclareMathOperator{\nc}{\mathrm{nc}} +\DeclareMathOperator{\cs}{\mathrm{cs}} +\DeclareMathOperator{\cd}{\mathrm{cd}} +\DeclareMathOperator{\dn}{\mathrm{dn}} +\DeclareMathOperator{\nd}{\mathrm{nd}} +\DeclareMathOperator{\ds}{\mathrm{ds}} +\DeclareMathOperator{\dc}{\mathrm{dc}} + diff --git a/buch/papers/ellfilter/presentation/presentation.tex b/buch/papers/ellfilter/presentation/presentation.tex new file mode 100644 index 0000000..7fdb864 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/presentation/presentation.tex @@ -0,0 +1,413 @@ +\documentclass[ngerman, aspectratio=169, xcolor={rgb}]{beamer} + +% style +\mode<presentation>{ + \usetheme{Frankfurt} +} +%packages +\usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +\usepackage[english]{babel} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{array} + +\newcolumntype{L}[1]{>{\raggedright\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}} +\usepackage{ragged2e} + 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Jaccobi elliptischen Funktionen} +\author{Nicolas Tobler} +% \institute{OST Ostschweizer Fachhochschule} +% \institute{\includegraphics[scale=0.3]{../img/ost_logo.png}} +\date{\today} + +\input{../packages.tex} + +\newcommand*{\QED}{\hfill\ensuremath{\blacksquare}}% + +\newcommand*{\HL}{\textcolor{mainColor}} +\newcommand*{\RD}{\textcolor{red}} +\newcommand*{\BL}{\textcolor{blue}} +\newcommand*{\GN}{\textcolor{dgreen}} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + + +\makeatletter +\newcount\my@repeat@count +\newcommand{\myrepeat}[2]{% + \begingroup + \my@repeat@count=\z@ + \@whilenum\my@repeat@count<#1\do{#2\advance\my@repeat@count\@ne}% + \endgroup +} +\makeatother + +\usetikzlibrary{automata,arrows,positioning,calc,shapes.geometric, fadings} + +\begin{document} + + \begin{frame} + \titlepage + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Content} + \tableofcontents + \end{frame} + + \section{Linear Filter} + + \begin{frame} + \frametitle{Lineare Filter} + + + \begin{equation} + | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 F_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p} + \end{equation} + + \pause + + \begin{equation} + F_N(w) = w^N + \end{equation} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Beispiel: Butterworth Filter} + + \begin{equation} + F_N(w) = w^N + \end{equation} + + \begin{center} + \input{../python/F_N_butterworth.pgf} + \end{center} + + \end{frame} + + + \begin{frame} + \frametitle{Arten von linearen filtern} + + \begin{align*} + F_N(w) & = + \begin{cases} + w^N & \text{Butterworth} \\ + T_N(w) & \text{Tschebyscheff, Typ 1} \\ + [k_1 T_N (k^{-1} w^{-1})]^{-1} & \text{Tschebyscheff, Typ 2} \\ + R_N(w,\xi) & \text{Elliptisch (Cauer)} \\ + \end{cases} + \end{align*} + + \end{frame} + + \section{Tschebycheff Filter} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Polynome} + + + \begin{columns} + \begin{column}[T]{0.35\textwidth} + + \begin{align*} + T_{0}(x)&=1\\ + T_{1}(x)&=x\\ + T_{2}(x)&=2x^{2}-1\\ + T_{3}(x)&=4x^{3}-3x\\ + T_{n+1}(x)&=2x~T_{n}(x)-T_{n-1}(x) + \end{align*} + + \end{column} + \begin{column}[T]{0.65\textwidth} + + \begin{center} + \resizebox{\textwidth}{!}{ + \input{../python/F_N_chebychev2.pgf} + } + \end{center} + + \end{column} + \end{columns} + + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + \begin{equation*} + | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 T_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p} + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.9}{ + \input{../python/F_N_chebychev.pgf} + } + \end{center} + + \end{frame} + + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + Darstellung mit trigonometrischen Funktionen: + + \begin{align} \label{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} + T_N(w) &= \cos \left( N \cos^{-1}(w) \right) \\ + &= \cos \left(N~z \right), \quad w= \cos(z) + \end{align} + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + \begin{equation*} + z = \cos^{-1}(w) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.85}{ + \input{../tikz/arccos.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + \begin{equation*} + z_1 = N~\cos^{-1}(w) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.85}{ + \input{../tikz/arccos2.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + + \section{Jaccobi elliptische Funktionen} + + \begin{frame} + \frametitle{Jaccobi elliptische Funktionen} + + + \begin{equation} + z + = + F(\phi, k) + = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } + = + \int_{0}^{\phi} + \frac{ + dt + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } + \end{equation} + + \begin{equation} + K(k) + = + \int_{0}^{\pi / 2} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-k^2 \sin^2 \theta + } + } + \end{equation} + + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Jaccobi elliptische Funktionen} + + \begin{equation*} + z = \sn^{-1}(w, k) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.7}{ + \input{../tikz/sn.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Fundamentales Rechteck} + + Nullstelle beim ersten Buchstabe, Polstelle beim zweiten Buchstabe + + \begin{center} + \scalebox{0.8}{ + \input{../tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + + \begin{frame} + \frametitle{Jaccobi elliptische Funktionen} + + \begin{equation*} + z = \cd^{-1}(w, k) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.7}{ + \input{../tikz/cd.tikz.tex} + + } + \end{center} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Periodizität in realer und imaginärer Richtung} + + \begin{center} + \input{../python/k.pgf} + \end{center} + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Elliptisches Filter} + + \begin{equation*} + z_1 = N~\frac{K_1}{K}~\cd^{-1}(w, k) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.8}{ + \input{../tikz/cd2.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Elliptisches Filter} + + \begin{columns} + + \begin{column}[T]{0.5\textwidth} + + \begin{center} + \resizebox{\textwidth}{!}{ + \input{../python/F_N_elliptic.pgf} + } + \end{center} + + \end{column} + \begin{column}[T]{0.5\textwidth} + + \begin{center} + \resizebox{\textwidth}{!}{ + \input{../python/elliptic.pgf} + } + \end{center} + + \end{column} + \end{columns} + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Gradgleichung} + + \begin{equation} + N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1} + \end{equation} + + \end{frame} + + \end{document} diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf new file mode 100644 index 0000000..857e363 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_butterworth.pgf @@ -0,0 +1,1083 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.288145in}{0.700353in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.319425in}{0.724803in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.350704in}{0.752636in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.381984in}{0.784247in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.413263in}{0.820066in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.444543in}{0.860565in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.475823in}{0.906258in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.507102in}{0.957706in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.538382in}{1.015520in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.569661in}{1.080363in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.600941in}{1.152955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.632220in}{1.234078in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.663500in}{1.324575in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{1.425362in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.726059in}{1.537424in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.757338in}{1.661827in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.788618in}{1.799717in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.819897in}{1.952328in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.851177in}{2.120989in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.882457in}{2.307124in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.883786in}{2.315844in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{3.727004in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{0.548769in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.800000}% +\pgfsetlinewidth{1.003750pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.800000,0.800000,0.800000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.800000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.727552in}{1.416153in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.553360in}{1.416153in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{1.581138in}{1.416153in}}{\pgfqpoint{1.581138in}{1.443930in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.581138in}{2.204733in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{1.581138in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{1.553360in}{2.232510in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.727552in}{2.232510in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.699774in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{0.699774in}{2.204733in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.699774in}{1.443930in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.699774in}{1.416153in}}{\pgfqpoint{0.727552in}{1.416153in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.727552in}{1.416153in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{stroke,fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.121569,0.466667,0.705882}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.755330in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.894219in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.033108in}{2.128344in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.144219in,y=2.079733in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=1\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,0.498039,0.054902}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.755330in}{1.934671in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.894219in}{1.934671in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.033108in}{1.934671in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.144219in,y=1.886060in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=2\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.172549,0.627451,0.172549}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.755330in}{1.740998in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.894219in}{1.740998in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.033108in}{1.740998in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.144219in,y=1.692387in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=3\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.839216,0.152941,0.156863}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.755330in}{1.547325in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.894219in}{1.547325in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.033108in}{1.547325in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.144219in,y=1.498714in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=4\)}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf new file mode 100644 index 0000000..72d5834 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf @@ -0,0 +1,1066 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.096674in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.501961,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{1.425362in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{1.425362in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.096674in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,0.647059,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.694779in}{1.425362in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{1.425362in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.727004in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{1.425362in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.096674in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.630330in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.630330in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.630330in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.00}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.630330in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.096674in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{1.146442in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.146442in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{1.146442in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% 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+\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.831751in}{1.330404in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.970640in}{1.330404in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.109529in}{1.330404in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.220640in,y=1.281793in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=1\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,0.498039,0.054902}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.831751in}{1.136732in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.970640in}{1.136732in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.109529in}{1.136732in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.220640in,y=1.088120in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=2\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.172549,0.627451,0.172549}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.831751in}{0.943059in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.970640in}{0.943059in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.109529in}{0.943059in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.220640in,y=0.894448in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=3\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.839216,0.152941,0.156863}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.831751in}{0.749386in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.970640in}{0.749386in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.109529in}{0.749386in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.220640in,y=0.700775in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=4\)}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf new file mode 100644 index 0000000..43ebb91 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf @@ -0,0 +1,1023 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{5.500000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.500000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.500000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.350000in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.350000in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{4.732046in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{1.012292in}{0.548769in}}% 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a/buch/papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf new file mode 100644 index 0000000..03084c6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/F_N_elliptic.pgf @@ -0,0 +1,847 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.733531in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.501961,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.262704in}{1.600680in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.247564in}{1.600680in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.247564in}{1.250043in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.262704in}{1.600680in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.776737in}{1.600680in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.776737in}{2.301962in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.262704in}{2.301962in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.262704in}{1.600680in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.733531in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% 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+\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.247564in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.247564in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% 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+\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{3.761597in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.761597in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {2.0}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.247564in,y=0.272534in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle w\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.733531in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.028066in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% 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+\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{0.011050in}{-0.041667in}}{\pgfqpoint{0.021649in}{-0.037276in}}{\pgfqpoint{0.029463in}{-0.029463in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{0.037276in}{-0.021649in}}{\pgfqpoint{0.041667in}{-0.011050in}}{\pgfqpoint{0.041667in}{0.000000in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{0.041667in}{0.011050in}}{\pgfqpoint{0.037276in}{0.021649in}}{\pgfqpoint{0.029463in}{0.029463in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{0.021649in}{0.037276in}}{\pgfqpoint{0.011050in}{0.041667in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.041667in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{-0.011050in}{0.041667in}}{\pgfqpoint{-0.021649in}{0.037276in}}{\pgfqpoint{-0.029463in}{0.029463in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{-0.037276in}{0.021649in}}{\pgfqpoint{-0.041667in}{0.011050in}}{\pgfqpoint{-0.041667in}{0.000000in}}% +\pgfpathcurveto{\pgfqpoint{-0.041667in}{-0.011050in}}{\pgfqpoint{-0.037276in}{-0.021649in}}{\pgfqpoint{-0.029463in}{-0.029463in}}% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.800000}% +\pgfsetlinewidth{1.003750pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.800000,0.800000,0.800000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.800000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.830753in}{1.997171in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.157621in}{1.997171in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{2.185399in}{1.997171in}}{\pgfqpoint{2.185399in}{2.024949in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.185399in}{2.204733in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{2.185399in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{2.157621in}{2.232510in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.830753in}{2.232510in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.802975in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{0.802975in}{2.204733in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.802975in}{2.024949in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.802975in}{1.997171in}}{\pgfqpoint{0.830753in}{1.997171in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.830753in}{1.997171in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{stroke,fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.003750pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.121569,0.466667,0.705882}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.858531in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.997420in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.136309in}{2.128344in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.247420in,y=2.079733in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=5, k=0.1\)}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/chebychef.py b/buch/papers/ellfilter/python/chebychef.py new file mode 100644 index 0000000..254ad4b --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/chebychef.py @@ -0,0 +1,66 @@ +# %% + +import matplotlib.pyplot as plt +import scipy.signal +import numpy as np + + +order = 5 +passband_ripple_db = 1 +omega_c = 1000 + +a, b = scipy.signal.cheby1( + order, + passband_ripple_db, + omega_c, + btype='low', + analog=True, + output='ba', + fs=None, +) + +w, mag, phase = scipy.signal.bode((a, b), w=np.linspace(0,2000,256)) +f, axs = plt.subplots(2,1, sharex=True) +axs[0].plot(w, 10**(mag/20)) +axs[0].set_ylabel("$|H(\omega)| /$ db") +axs[0].grid(True, "both") +axs[1].plot(w, phase) +axs[1].set_ylabel(r"$arg H (\omega) / $ deg") +axs[1].grid(True, "both") +axs[1].set_xlim([0, 2000]) +axs[1].set_xlabel("$\omega$") +plt.show() + + +# %% Cheychev filter F_N plot + +w = np.linspace(-1.1,1.1, 1000) +plt.figure(figsize=(5.5,2.5)) +for N in [3,6,11]: + # F_N = np.cos(N * np.arccos(w)) + F_N = scipy.special.eval_chebyt(N, w) + plt.plot(w, F_N, label=f"$N={N}$") +plt.xlim([-1.2,1.2]) +plt.ylim([-2,2]) +plt.grid() +plt.xlabel("$w$") +plt.ylabel("$T_N(w)$") +plt.legend() +plt.tight_layout() +plt.savefig("F_N_chebychev2.pgf") +plt.show() + +# %% Build Chebychev polynomials + +N = 11 + +zeros = (np.arange(N)+0.5) * np.pi +zeros = np.cos(zeros/N) + +x = np.linspace(-1.2,1.2,1000) +y = np.prod(x[:, None] - zeros[None, :], axis=-1)*2**(N-1) + +plt.plot(x, y) +plt.ylim([-1,1]) +plt.grid() +plt.show() diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.pgf new file mode 100644 index 0000000..31b77d4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.pgf @@ -0,0 +1,709 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.143642in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.501961,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{1.788459in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.189776in}{1.788459in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.189776in}{3.541645in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{3.541645in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{1.788459in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.143642in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,0.647059,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.189776in}{0.724087in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.205494in}{0.724087in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.205494in}{1.788459in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.189776in}{1.788459in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.189776in}{0.724087in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.143642in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetfillopacity{0.200000}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.200000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.205494in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.777315in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.777315in}{0.724087in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.205494in}{0.724087in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.205494in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.143642in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.690196,0.690196,0.690196}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% 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+\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}{\pgfqpoint{3.143642in}{1.753186in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.003750pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.121569,0.466667,0.705882}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.646254in}{2.300410in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.674554in}{2.295805in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.703640in}{2.287983in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.734298in}{2.276528in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.767315in}{2.260797in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.802690in}{2.240472in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.842781in}{2.213774in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.889947in}{2.178486in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.952050in}{2.127836in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.147791in}{1.965399in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.205963in}{1.922684in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.257846in}{1.888382in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.305012in}{1.860803in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.349034in}{1.838524in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.390698in}{1.820826in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.430003in}{1.807434in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.466950in}{1.798051in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.501539in}{1.792361in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.534555in}{1.790011in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.566000in}{1.790875in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.595872in}{1.794823in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.624172in}{1.801709in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.650899in}{1.811365in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.676841in}{1.824030in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.701996in}{1.839797in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.726365in}{1.858757in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.749949in}{1.880985in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.773532in}{1.907483in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.797115in}{1.938719in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.820698in}{1.975139in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.845068in}{2.018557in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.871009in}{2.071217in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.903240in}{2.144258in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.949620in}{2.249449in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.965342in}{2.277408in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.977134in}{2.292569in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.986567in}{2.299856in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.993642in}{2.301922in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.000717in}{2.300685in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.007792in}{2.295839in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.014867in}{2.287135in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.023514in}{2.271025in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.032947in}{2.246492in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.043953in}{2.209014in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.057317in}{2.152165in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.076183in}{2.056775in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.114702in}{1.858945in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.126494in}{1.815249in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.134355in}{1.796399in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.139858in}{1.790308in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.143002in}{1.790254in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.146147in}{1.793264in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.150077in}{1.802263in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.154794in}{1.822852in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.159510in}{1.857784in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.165013in}{1.924261in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.170516in}{2.030210in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.181521in}{2.301670in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.182308in}{2.299748in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.183880in}{2.267565in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.186238in}{2.135783in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.192527in}{1.496420in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.198816in}{1.001269in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.205105in}{0.731898in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.211393in}{0.583247in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.213752in}{0.552138in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.220827in}{0.630495in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.227902in}{0.675607in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.234977in}{0.701566in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.241266in}{0.714626in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.247554in}{0.721456in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.253843in}{0.723972in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.260918in}{0.723210in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.269565in}{0.718770in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.281357in}{0.708826in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.300224in}{0.688160in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.385123in}{0.590361in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.417354in}{0.559882in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.430717in}{0.549063in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.463734in}{0.574407in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.498323in}{0.597083in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.535270in}{0.617584in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.574575in}{0.635868in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.617811in}{0.652529in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.664977in}{0.667359in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.717646in}{0.680619in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.776604in}{0.692216in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.843424in}{0.702155in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.920462in}{0.710422in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.010864in}{0.716921in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.118561in}{0.721464in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.250627in}{0.723829in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.419640in}{0.723619in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.651542in}{0.720038in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.717600in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.717600in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{0.548769in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.617954in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.761597in}{2.301955in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.py b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.py new file mode 100644 index 0000000..b3336a1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.py @@ -0,0 +1,356 @@ + +# %% + +import scipy.special +import scipyx as spx +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt +from matplotlib.patches import Rectangle + +import plot_params + +def last_color(): + return plt.gca().lines[-1].get_color() + +# define elliptic functions + +def ell_int(k): + """ Calculate K(k) """ + m = k**2 + return scipy.special.ellipk(m) + +def sn(z, k): + return spx.ellipj(z, k**2)[0] + +def cn(z, k): + return spx.ellipj(z, k**2)[1] + +def dn(z, k): + return spx.ellipj(z, k**2)[2] + +def cd(z, k): + sn, cn, dn, ph = spx.ellipj(z, k**2) + return cn / dn + +# https://mathworld.wolfram.com/JacobiEllipticFunctions.html eq 3-8 + +def sn_inv(z, k): + m = k**2 + return scipy.special.ellipkinc(np.arcsin(z), m) + +def cn_inv(z, k): + m = k**2 + return scipy.special.ellipkinc(np.arccos(z), m) + +def dn_inv(z, k): + m = k**2 + x = np.sqrt((1-z**2) / k**2) + return scipy.special.ellipkinc(np.arcsin(x), m) + +def cd_inv(z, k): + m = k**2 + x = np.sqrt(((m - 1) * z**2) / (m*z**2 - 1)) + return scipy.special.ellipkinc(np.arccos(x), m) + + +k = 0.8 +z = 0.5 + +assert np.allclose(sn_inv(sn(z ,k), k), z) +assert np.allclose(cn_inv(cn(z ,k), k), z) +assert np.allclose(dn_inv(dn(z ,k), k), z) +assert np.allclose(cd_inv(cd(z ,k), k), z) + + +# %% Buttwerworth filter F_N plot + +w = np.linspace(0,1.5, 100) +plt.figure(figsize=(4,2.5)) + +for N in range(1,5): + F_N = w**N + plt.plot(w, F_N**2, label=f"$N={N}$") +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (0, 0), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1, 1), + 0.5, 1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.xlim([0,1.5]) +plt.ylim([0,2]) +plt.grid() +plt.xlabel("$w$") +plt.ylabel("$F^2_N(w)$") +plt.legend() +plt.tight_layout() +plt.savefig("F_N_butterworth.pgf") +plt.show() + +# %% Cheychev filter F_N plot + +w = np.linspace(0,1.5, 100) + +plt.figure(figsize=(4,2.5)) +for N in range(1,5): + # F_N = np.cos(N * np.arccos(w)) + F_N = scipy.special.eval_chebyt(N, w) + plt.plot(w, F_N**2, label=f"$N={N}$") +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (0, 0), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1, 1), + 0.5, 1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.xlim([0,1.5]) +plt.ylim([0,2]) +plt.grid() +plt.xlabel("$w$") +plt.ylabel("$F^2_N(w)$") +plt.legend() +plt.tight_layout() +plt.savefig("F_N_chebychev.pgf") +plt.show() + + +# %% plot arcsin + +def lattice(a1, b1, c1, a2, b2, c2): + r1 = np.logspace(a1, b1, c1) + x1 = np.concatenate((-np.flip(r1), [0], r1), axis=0) + x1 = x1.astype(np.complex128) + r2 = np.logspace(a2, b2, c2) + x2 = np.concatenate((-np.flip(r2), [0], r2), axis=0) + x2 = x2.astype(np.complex128) + x = (x1[:, None] + (x2[None, :] * 1j)) + return x + +plt.figure(figsize=(12,12)) +y = np.arcsin(lattice(-1,6,1000, -1,5,10)) +plt.plot(np.real(y), np.imag(y), "-", color="red", lw=0.5) +y = np.arcsin(lattice(-1,6,10, -1,5,100)).T +plt.plot(np.real(y), np.imag(y), "-", color="red", lw=0.5) +y = np.arcsin(lattice(-1,6,10, -1,5,10)) +plt.plot(np.real(y), np.imag(y), ".", color="red", lw=0.5) +plt.show() + +# %% plot cd^-1 TODO complex cd^-1 missing + + +r = np.logspace(-1,8, 50) + + + +x = np.concatenate((-np.flip(r), [0], r), axis=0) +y = cd_inv(x, 0.99) + +plt.figure(figsize=(12,12)) +plt.plot(np.real(y), np.imag(y), "-") +plt.show() + +# %%plot cd +plt.figure(figsize=(10,6)) +z = np.linspace(-4,4, 500) +for k in [0, 0.9, 0.99, 0.999, 0.99999]: + w = cd(z*ell_int(k), k) + plt.plot(z, w, label=f"$k={k}$") +plt.grid() +plt.legend() +# plt.xlim([-4,4]) +plt.xlabel("$u$") +plt.ylabel("$cd(uK, k)$") +plt.show() + +# %% Test ???? + +N = 5 +k = 0.9 +k1 = k**N + +assert np.allclose(k**(-N), k1**(-1)) + +K = ell_int(k) +Kp = ell_int(np.sqrt(1-k**2)) + +K1 = ell_int(k1) +Kp1 = ell_int(np.sqrt(1-k1**2)) + +print(Kp * (K1 / K) * N, Kp1) + + +# %% + + +k = 0.9 +k_prim = np.sqrt(1 - k**2) +K = ell_int(k) +Kp = ell_int(k_prim) + +print(K, Kp) + +zs = [ + 0 + (K + 0j) * np.linspace(0,1,25), + K + (Kp*1j) * np.linspace(0,1,25), + (K + Kp*1j) + (-K) * np.linspace(0,1,25), +] + + +for z in zs: + plt.plot(np.real(z), np.imag(z)) +plt.show() + + + +for z in zs: + w = cd(z, k) + plt.plot(np.real(w), np.imag(w)) +plt.show() + + + + + +# %% + +for i in range(10): + x = np.linspace(i*1,i*1+1,10, dtype=np.complex64) + w = np.arccos(x) + + x2 = np.cos(w) + x4 = np.cos(w+ 2*np.pi) + x3 = np.cos(np.conj(w)) + + assert np.allclose(x2, x4, rtol=0.001, atol=1e-5) + + assert np.allclose(x2, x3) + assert np.allclose(x2, x, rtol=0.001, atol=1e-5) + + plt.plot(np.real(w), np.imag(w), ".-") + +for i in range(10): + x = -np.linspace(i*1,i*1+1,100, dtype=np.complex64) + w = np.arccos(x) + plt.plot(np.real(w), np.imag(w), ".-") + +plt.grid() +plt.show() + + + + +# %% + +plt.plot(omega, np.abs(G)) +plt.show() + + +def cd_inv(u, m): + return K(1/2) - F(np.arcsin()) + +def K(m): + return scipy.special.ellipk(m) + +def L(n, xi): + return 1 #TODO + +def R(n, xi, x): + cn(n*K(1/L(n, xi))/K(1/xi) * cd_inv(x, 1/xi, 1/L(n, xi))) + +epsilon = 0.1 +n = 3 +omega = np.linspace(0, np.pi, 1000) +omega_0 = 1 +xi = 1.1 + +G = 1 / np.sqrt(1 + epsilon**2 * R(n, xi, omega/omega_0)**2) + + +plt.plot(omega, np.abs(G)) +plt.show() + + + +# %% Chebychef + +epsilon = 0.5 +omega = np.linspace(0, np.pi, 1000) +omega_0 = 1 +n = 4 + +def chebychef_poly(n, x): + x = x.astype(np.complex64) + y = np.cos(n* np.arccos(x)) + return np.real(y) + +F_omega = chebychef_poly + +for n in (1,2,3,4): + plt.plot(omega, F_omega(n, omega/omega_0)**2) +plt.ylim([0,5]) +plt.xlim([0,1.5]) +plt.grid() +plt.show() + +for n in (1,2,3,4): + G = 1 / np.sqrt(1 + epsilon**2 * F_omega(n, omega/omega_0)**2) + plt.plot(omega, np.abs(G)) +plt.grid() +plt.show() + + + + +# %% + + +k = np.concatenate(([0.00001,0.0001,0.001], np.linspace(0,1,101)[1:-1], [0.999,0.9999, 0.99999]), axis=0) +K = ell_int(k) +K_prime = ell_int(np.sqrt(1-k**2)) + + +f, axs = plt.subplots(1,2, figsize=(5,2.5)) +axs[0].plot(k, K, linewidth=0.1) +axs[0].text(k[30], K[30]+0.1, f"$K$") +axs[0].plot(k, K_prime, linewidth=0.1) +axs[0].text(k[30], K_prime[30]+0.1, f"$K^\prime$") +axs[0].set_xlim([0,1]) +axs[0].set_ylim([0,4]) +axs[0].set_xlabel("$k$") + +axs[1].axvline(x=np.pi/2, color="gray", linewidth=0.5) +axs[1].axhline(y=np.pi/2, color="gray", linewidth=0.5) +axs[1].text(0.1, np.pi/2 + 0.1, "$\pi/2$") +axs[1].text(np.pi/2+0.1, 0.1, "$\pi/2$") +axs[1].plot(K, K_prime, linewidth=1) + +k = np.array([0.1,0.2,0.4,0.6,0.9,0.99]) +K = ell_int(k) +K_prime = ell_int(np.sqrt(1-k**2)) + +axs[1].plot(K, K_prime, '.', color=last_color(), markersize=2) +for x, y, n in zip(K, K_prime, k): + axs[1].text(x+0.1, y+0.1, f"$k={n:.2f}$", rotation_mode="anchor") +axs[1].set_ylabel("$K^\prime$") +axs[1].set_xlabel("$K$") +axs[1].set_xlim([0,6]) +axs[1].set_ylim([0,5]) +plt.tight_layout() +plt.savefig("k.pgf") +plt.show() + +print(K[0], K[-1]) diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/elliptic2.py b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic2.py new file mode 100644 index 0000000..29c6f47 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic2.py @@ -0,0 +1,149 @@ +# %% + +import matplotlib.pyplot as plt +import scipy.signal +import numpy as np +import matplotlib +from matplotlib.patches import Rectangle + +import plot_params + +def ellip_filter(N): + + order = N + passband_ripple_db = 3 + stopband_attenuation_db = 20 + omega_c = 1 + + a, b = scipy.signal.ellip( + order, + passband_ripple_db, + stopband_attenuation_db, + omega_c, + btype='low', + analog=True, + output='ba', + fs=None + ) + + w, mag_db, phase = scipy.signal.bode((a, b), w=np.linspace(0*omega_c,2*omega_c, 4000)) + + mag = 10**(mag_db/20) + + passband_ripple = 10**(-passband_ripple_db/20) + epsilon2 = (1/passband_ripple)**2 - 1 + + FN2 = ((1/mag**2) - 1) + + return w/omega_c, FN2 / epsilon2, mag, a, b + + +plt.figure(figsize=(4,2.5)) + +for N in [5]: + w, FN2, mag, a, b = ellip_filter(N) + plt.semilogy(w, FN2, label=f"$N={N}, k=0.1$", linewidth=1) + +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (0, 0), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1, 1), + 0.01, 1e2-1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1.01, 100), + 1, 1e6, + fc ='red', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +zeros = [0,0.87,1] +poles = [1.01,1.155] + +import matplotlib.transforms +plt.plot( # mark errors as vertical bars + zeros, + np.zeros_like(zeros), + "o", + mfc='none', + color='black', + transform=matplotlib.transforms.blended_transform_factory( + plt.gca().transData, + plt.gca().transAxes, + ), +) +plt.plot( # mark errors as vertical bars + poles, + np.ones_like(poles), + "x", + mfc='none', + color='black', + transform=matplotlib.transforms.blended_transform_factory( + plt.gca().transData, + plt.gca().transAxes, + ), +) + +plt.xlim([0,2]) +plt.ylim([1e-4,1e6]) +plt.grid() +plt.xlabel("$w$") +plt.ylabel("$F^2_N(w)$") +plt.legend() +plt.tight_layout() +plt.savefig("F_N_elliptic.pgf") +plt.show() + + + +plt.figure(figsize=(4,2.5)) +plt.plot(w, mag, linewidth=1) + +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (0, np.sqrt(2)/2), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1, 0.1), + 0.01, np.sqrt(2)/2 - 0.1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +plt.gca().add_patch(Rectangle( + (1.01, 0), + 1, 0.1, + fc ='red', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +plt.grid() +plt.xlim([0,2]) +plt.ylim([0,1]) +plt.xlabel("$w$") +plt.ylabel("$|H(w)|$") +plt.tight_layout() +plt.savefig("elliptic.pgf") +plt.show() + +print("zeros", a) +print("poles", b) + + + + diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/k.pgf b/buch/papers/ellfilter/python/k.pgf new file mode 100644 index 0000000..95d61d4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/k.pgf @@ -0,0 +1,1157 @@ +%% Creator: Matplotlib, PGF backend +%% +%% To include the figure in your LaTeX document, write +%% \input{<filename>.pgf} +%% +%% Make sure the required packages are loaded in your preamble +%% \usepackage{pgf} +%% +%% Also ensure that all the required font packages are loaded; for instance, +%% the lmodern package is sometimes necessary when using math font. +%% \usepackage{lmodern} +%% +%% Figures using additional raster images can only be included by \input if +%% they are in the same directory as the main LaTeX file. For loading figures +%% from other directories you can use the `import` package +%% \usepackage{import} +%% +%% and then include the figures with +%% \import{<path to file>}{<filename>.pgf} +%% +%% Matplotlib used the following preamble +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{5.000000in}{2.500000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{2.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetstrokeopacity{0.000000}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.316407in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.256930in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.256930in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.316407in}{2.301955in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.316407in}{0.548769in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.316407in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.316407in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.00}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.801538in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.801538in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.25}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{1.286669in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.286669in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.50}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{1.771800in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.771800in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.75}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{-0.048611in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{2.256930in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.256930in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {1.00}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.286669in,y=0.272534in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle k\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.316407in}{0.548769in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.149740in, y=0.500544in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.316407in}{0.987065in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.149740in, y=0.938840in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {1}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.316407in}{1.425362in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.149740in, y=1.377137in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {2}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfsys@defobject{currentmarker}{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}{% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{-0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{-0.048611in}{0.000000in}}% +\pgfusepath{stroke,fill}% +}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsys@transformshift{0.316407in}{1.863658in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=0.149740in, y=1.815433in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {3}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% 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+\pgftext[x=3.644803in,y=1.164003in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle k=0.90\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.992820in,y=1.137383in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle k=0.99\)}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/ellfilter/python/plot_params.py b/buch/papers/ellfilter/python/plot_params.py new file mode 100644 index 0000000..4ddd1d8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/plot_params.py @@ -0,0 +1,9 @@ +import matplotlib + +matplotlib.rcParams.update({ + "pgf.texsystem": "pdflatex", + 'font.family': 'serif', + 'font.size': 9, + 'text.usetex': True, + 'pgf.rcfonts': False, +}) diff --git a/buch/papers/ellfilter/references.bib b/buch/papers/ellfilter/references.bib index 81b3577..8f21971 100644 --- a/buch/papers/ellfilter/references.bib +++ b/buch/papers/ellfilter/references.bib @@ -4,32 +4,19 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % -@online{ellfilter:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} -} - -@book{ellfilter:numerical-analysis, - title = {Numerical Analysis}, - author = {David Kincaid and Ward Cheney}, - publisher = {American Mathematical Society}, - year = {2002}, - isbn = {978-8-8218-4788-6}, - inseries = {Pure and applied undegraduate texts}, - volume = {2} -} - -@article{ellfilter:mendezmueller, - author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, - title = { Noncommutative harmonic analysis and image registration }, - journal = { Appl. Comput. Harmon. Anal.}, - year = 2019, - volume = 47, - pages = {607--627}, - url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} +@online{ellfilter:bib:orfanidis, + author = { Sophocles J. Orfanidis}, + title = { LECTURE NOTES ON ELLIPTIC FILTER DESIGN }, + year = 2006, + url = {https://www.ece.rutgers.edu/~orfanidi/ece521/notes.pdf} } +% Schwalm +% https://en.wikipedia.org/wiki/Elliptic_rational_functions +% https://en.wikipedia.org/wiki/Rational_function +% https://en.wikipedia.org/wiki/Jacobi_elliptic_functions +% https://de.wikipedia.org/wiki/Elliptisches_Integral +% https://de.wikipedia.org/wiki/Tschebyschow-Polynom +% https://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_filter +% https://mathworld.wolfram.com/JacobiEllipticFunctions.html +% https://mathworld.wolfram.com/EllipticIntegraloftheFirstKind.html diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil0.tex b/buch/papers/ellfilter/teil0.tex deleted file mode 100644 index fd04ba9..0000000 --- a/buch/papers/ellfilter/teil0.tex +++ /dev/null @@ -1,22 +0,0 @@ -% -% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 0\label{ellfilter:section:teil0}} -\rhead{Teil 0} -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua \cite{ellfilter:bibtex}. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. -Stet clita kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum -dolor sit amet. - -Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam -nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam -erat, sed diam voluptua. -At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita -kasd gubergren, no sea takimata sanctus est Lorem ipsum dolor sit -amet. - - diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil1.tex b/buch/papers/ellfilter/teil1.tex deleted file mode 100644 index 7e62a2f..0000000 --- a/buch/papers/ellfilter/teil1.tex +++ /dev/null @@ -1,55 +0,0 @@ -% -% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 1 -\label{ellfilter:section:teil1}} -\rhead{Problemstellung} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. -Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit aspernatur aut odit -aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores eos qui ratione -voluptatem sequi nesciunt -\begin{equation} -\int_a^b x^2\, dx -= -\left[ \frac13 x^3 \right]_a^b -= -\frac{b^3-a^3}3. -\label{ellfilter:equation1} -\end{equation} -Neque porro quisquam est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, -consectetur, adipisci velit, sed quia non numquam eius modi tempora -incidunt ut labore et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. - -Ut enim ad minima veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis -suscipit laboriosam, nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? -Quis autem vel eum iure reprehenderit qui in ea voluptate velit -esse quam nihil molestiae consequatur, vel illum qui dolorem eum -fugiat quo voluptas nulla pariatur? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{ellfilter:subsection:finibus}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga \eqref{000tempmlate:equation1}. - -Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio -\ref{ellfilter:section:loesung}. -Nam libero tempore, cum soluta nobis est eligendi optio cumque nihil -impedit quo minus id quod maxime placeat facere possimus, omnis -voluptas assumenda est, omnis dolor repellendus -\ref{ellfilter:section:folgerung}. -Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut rerum -necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae sint et -molestiae non recusandae. -Itaque earum rerum hic tenetur a sapiente delectus, ut aut reiciendis -voluptatibus maiores alias consequatur aut perferendis doloribus -asperiores repellat. - - diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil2.tex b/buch/papers/ellfilter/teil2.tex deleted file mode 100644 index 71fdc6d..0000000 --- a/buch/papers/ellfilter/teil2.tex +++ /dev/null @@ -1,40 +0,0 @@ -% -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 2 -\label{ellfilter:section:teil2}} -\rhead{Teil 2} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit -aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores -eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam -est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci -velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore -et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima -veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam, -nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure -reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae -consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla -pariatur? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{ellfilter:subsection:bonorum}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis -est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis -est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime -placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor -repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut -rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae -sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a -sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias -consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat. - - diff --git a/buch/papers/ellfilter/teil3.tex b/buch/papers/ellfilter/teil3.tex deleted file mode 100644 index 79a5f3d..0000000 --- a/buch/papers/ellfilter/teil3.tex +++ /dev/null @@ -1,40 +0,0 @@ -% -% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 3 -\label{ellfilter:section:teil3}} -\rhead{Teil 3} -Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem -accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa -quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae -dicta sunt explicabo. Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit -aspernatur aut odit aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores -eos qui ratione voluptatem sequi nesciunt. Neque porro quisquam -est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet, consectetur, adipisci -velit, sed quia non numquam eius modi tempora incidunt ut labore -et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem. Ut enim ad minima -veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis suscipit laboriosam, -nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur? Quis autem vel eum iure -reprehenderit qui in ea voluptate velit esse quam nihil molestiae -consequatur, vel illum qui dolorem eum fugiat quo voluptas nulla -pariatur? - -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{ellfilter:subsection:malorum}} -At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui -blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos -dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non -provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia -animi, id est laborum et dolorum fuga. Et harum quidem rerum facilis -est et expedita distinctio. Nam libero tempore, cum soluta nobis -est eligendi optio cumque nihil impedit quo minus id quod maxime -placeat facere possimus, omnis voluptas assumenda est, omnis dolor -repellendus. Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut -rerum necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae -sint et molestiae non recusandae. Itaque earum rerum hic tenetur a -sapiente delectus, ut aut reiciendis voluptatibus maiores alias -consequatur aut perferendis doloribus asperiores repellat. - - diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..2772620 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex @@ -0,0 +1,66 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \draw[gray, ->] (0,-2) -- (0,2) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + \begin{scope}[xscale=0.6] + + \clip(-7.5,-2) rectangle (7.5,2); + + \draw[thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (0,1.5); + \draw[thick, ->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[thick, ->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[thick, ->, blue] (2,1.5) -- (2, 0); + + \foreach \i in {-2,...,1} { + \begin{scope}[opacity=0.5, xshift=\i*4cm] + \draw[->, orange] (-1, 0) -- (0,0); + \draw[->, darkgreen] (0, 0) -- (0,1.5); + \draw[->, darkgreen] (0, 0) -- (0,-1.5); + \draw[->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[->, blue] (2,1.5) -- (2, 0); + \draw[->, blue] (2,-1.5) -- (2, 0); + \draw[->, red] (2, 0) -- (3,0); + + \node[zero] at (1,0) {}; + \node[zero] at (3,0) {}; + \end{scope} + } + + \node[gray, anchor=north] at (-6,0) {$-3\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (-4,0) {$-2\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (-2,0) {$-\pi$}; + % \node[gray, anchor=north] at (0,0) {$0$}; + \node[gray, anchor=north] at (2,0) {$\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (4,0) {$2\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (6,0) {$3\pi$}; + + \node[gray, anchor=east] at (0,-1.5) {$-\infty$}; + % \node[gray, anchor=south east] at (0, 0) {$0$}; + \node[gray, anchor=east] at (0, 1.5) {$\infty$}; + + \end{scope} + + \begin{scope}[yshift=-2.5cm] + + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[thick, ->, blue] (-4, 0) -- (-2, 0); + \draw[thick, ->, red] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[thick, ->, orange] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[thick, ->, darkgreen] (2, 0) -- (4, 0); + + \node[anchor=south] at (-4,0) {$-\infty$}; + \node[anchor=south] at (-2,0) {$-1$}; + \node[anchor=south] at (0,0) {$0$}; + \node[anchor=south] at (2,0) {$1$}; + \node[anchor=south] at (4,0) {$\infty$}; + + \end{scope} + + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..3fc3cc6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex @@ -0,0 +1,45 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=0.5] + + \draw[gray, ->] (0,-2) -- (0,2) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z_1$}; + \draw[gray, ->] (-10,0) -- (10,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z_1$}; + + \begin{scope} + + \draw[>->, line width=0.05, thick, blue] (2, 1.5) -- (2,0.05) -- node[anchor=south, pos=0.5]{$N=1$} (0.1,0.05) -- (0.1,1.5); + \draw[>->, line width=0.05, thick, orange] (4, 1.5) -- (4,0) -- node[anchor=south, pos=0.25]{$N=2$} (0,0) -- (0,1.5); + \draw[>->, line width=0.05, thick, red] (6, 1.5) node[anchor=north west]{$-\infty$} -- (6,-0.05) node[anchor=west]{$-1$} -- node[anchor=north]{$0$} node[anchor=south, pos=0.1666]{$N=3$} (-0.1,-0.05) node[anchor=east]{$1$} -- (-0.1,1.5) node[anchor=north east]{$\infty$}; + + + \node[zero] at (-7,0) {}; + \node[zero] at (-5,0) {}; + \node[zero] at (-3,0) {}; + \node[zero] at (-1,0) {}; + \node[zero] at (1,0) {}; + \node[zero] at (3,0) {}; + \node[zero] at (5,0) {}; + \node[zero] at (7,0) {}; + + + \end{scope} + + \node[gray, anchor=north] at (-8,0) {$-4\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (-6,0) {$-3\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (-4,0) {$-2\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (-2,0) {$-\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (2,0) {$\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (4,0) {$2\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (6,0) {$3\pi$}; + \node[gray, anchor=north] at (8,0) {$4\pi$}; + + + \node[gray, anchor=east] at (0,-1.5) {$-\infty$}; + \node[gray, anchor=east] at (0, 1.5) {$\infty$}; + + \end{scope} + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..7155a85 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex @@ -0,0 +1,87 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=1, yscale=2] + + \draw[gray, ->] (0,-1.5) -- (0,1.5) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + \draw[gray] ( 1,0) +(0,0.1) -- +(0, -0.1) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K$}; + + \draw[gray] (0, 0.5) +(0.1, 0) -- +(-0.1, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + + \begin{scope} + + \begin{scope}[xshift=0cm] + + \clip(-4.5,-1.25) rectangle (4.5,1.25); + + \fill[yellow!30] (0,0) rectangle (1, 0.5); + + + \draw[thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[thick, ->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[thick, ->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[thick, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[thick, ->, purple] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[thick, ->, cyan] (0, 0.5) -- (1,0.5); + + + + \foreach \i in {-2,...,1} { + \foreach \j in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm, yshift=\j*1cm] + \draw[opacity=0.5, ->, darkgreen] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[opacity=0.5, ->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[opacity=0.5, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[opacity=0.5, ->, purple] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, cyan] (0, 0.5) -- (1,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, darkgreen] (0,1) -- (0,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 1); + \draw[opacity=0.5, ->, purple] (3, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, cyan] (4, 0.5) -- (3,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, red] (2, 0) -- (3,0); + \draw[opacity=0.5, ->, orange] (3, 0) -- (4,0); + + \node[zero] at ( 1, 0) {}; + \node[zero] at ( 3, 0) {}; + \node[pole] at ( 1,0.5) {}; + \node[pole] at ( 3,0.5) {}; + + \end{scope} + } + } + + \end{scope} + + \end{scope} + + \end{scope} + + \begin{scope}[yshift=-3.5cm, xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (-6,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[thick, ->, purple] (-5, 0) -- (-3, 0); + \draw[thick, ->, blue] (-3, 0) -- (-2, 0); + \draw[thick, ->, red] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[thick, ->, orange] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[thick, ->, darkgreen] (2, 0) -- (3, 0); + \draw[thick, ->, cyan] (3, 0) -- (5, 0); + + \node[anchor=south] at (-5,0) {$-\infty$}; + \node[anchor=south] at (-3,0) {$-1/k$}; + \node[anchor=south] at (-2,0) {$-1$}; + \node[anchor=south] at (0,0) {$0$}; + \node[anchor=south] at (2,0) {$1$}; + \node[anchor=south] at (3,0) {$1/k$}; + \node[anchor=south] at (5,0) {$\infty$}; + + \end{scope} + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..0743f7d --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex @@ -0,0 +1,84 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + \tikzstyle{dot} = [fill, circle, inner sep =0, minimum height=0.1cm] + + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=1.25, yscale=2.5] + + \draw[gray, ->] (0,-0.75) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z_1$}; + \draw[gray, ->] (-1.5,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z_1$}; + + \draw[gray] ( 1,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K_1$}; + \draw[gray] ( 5,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $5K_1$}; + \draw[gray] (0, 0.5) +(0.1, 0) -- +(-0.1, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime_1$}; + + \begin{scope} + + \clip(-1.5,-0.75) rectangle (6.8,1.25); + + % \draw[>->, line width=0.05, thick, blue] (1, 0.45) -- (2, 0.45) -- (2, 0.05) -- ( 0.1, 0.05) -- ( 0.1,0.45) -- (1, 0.45); + % \draw[>->, line width=0.05, thick, orange] (2, 0.5 ) -- (4, 0.5 ) -- (4, 0 ) -- ( 0 , 0 ) -- ( 0 ,0.5 ) -- (2, 0.5 ); + % \draw[>->, line width=0.05, thick, red] (3, 0.55) -- (6, 0.55) -- (6,-0.05) -- (-0.1,-0.05) -- (-0.1,0.55) -- (3, 0.55); + % \node[blue] at (1, 0.25) {$N=1$}; + % \node[orange] at (3, 0.25) {$N=2$}; + % \node[red] at (5, 0.25) {$N=3$}; + + + + % \draw[line width=0.1cm, fill, red!50] (0,0) rectangle (3, 0.5); + % \draw[line width=0.05cm, fill, orange!50] (0,0) rectangle (2, 0.5); + % \fill[yellow!50] (0,0) rectangle (1, 0.5); + % \node[] at (0.5, 0.25) {\small $N=1$}; + % \node[] at (1.5, 0.25) {\small $N=2$}; + % \node[] at (2.5, 0.25) {\small $N=3$}; + + \fill[orange!30] (0,0) rectangle (5, 0.5); + \fill[yellow!30] (0,0) rectangle (1, 0.5); + \node[] at (2.5, 0.25) {\small $N=5$}; + + + \draw[decorate,decoration={brace,amplitude=3pt,mirror}, yshift=0.05cm] + (5,0.5) node(t_k_unten){} -- node[above, yshift=0.1cm]{$NK$} + (0,0.5) node(t_k_opt_unten){}; + + \draw[decorate,decoration={brace,amplitude=3pt,mirror}, xshift=0.1cm] + (5,0) node(t_k_unten){} -- node[right, xshift=0.1cm]{$K^\prime \frac{K_1N}{K} = K^\prime_1$} + (5,0.5) node(t_k_opt_unten){}; + + \foreach \i in {-2,...,1} { + \foreach \j in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm, yshift=\j*1cm] + + \node[zero] at ( 1, 0) {}; + \node[zero] at ( 3, 0) {}; + \node[pole] at ( 1,0.5) {}; + \node[pole] at ( 3,0.5) {}; + + \end{scope} + } + } + + + + + \draw[thick, ->, darkgreen] (5, 0) -- node[yshift=-0.5cm]{Durchlassbereich} (0,0); + \draw[thick, ->, orange] (-0, 0) -- node[align=center]{Übergangs-\\berech} (0,0.5); + \draw[thick, ->, red] (0,0.5) -- node[align=center, yshift=0.5cm]{Sperrbereich} (5, 0.5); + + \draw (4,0 ) node[dot]{} node[anchor=south] {\small $1$}; + \draw (2,0 ) node[dot]{} node[anchor=south] {\small $-1$}; + \draw (0,0 ) node[dot]{} node[anchor=south west] {\small $1$}; + \draw (0,0.5) node[dot]{} node[anchor=north west] {\small $1/k$}; + \draw (2,0.5) node[dot]{} node[anchor=north] {\small $-1/k$}; + \draw (4,0.5) node[dot]{} node[anchor=north] {\small $1/k$}; + + + + \end{scope} + + + \end{scope} + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..921dbfa --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/fundamental_rectangle.tikz.tex @@ -0,0 +1,26 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=2, yscale=2] + + \draw[gray, ->] (0,-0.25) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-0.25,0) -- (1.5,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + \draw[gray] ( 1,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K$}; + + \draw[gray] (0, 1) +(0.05, 0) -- +(-0.05, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + \fill[yellow!50] (0,0) rectangle (1, 1); + + \node[anchor=south east] at ( 1,0) {$c$}; + \node[anchor=north east] at ( 1,1) {$d$}; + \node[anchor=north west] at ( 0,1) {$n$}; + \node[anchor=south west] at ( 0,0) {$s$}; + + \end{scope} + + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..87c63c0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex @@ -0,0 +1,86 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=2cm, scale=1.2] + + \tikzstyle{zero} = [draw, circle, inner sep =0, minimum height=0.15cm] + + \tikzset{pole/.style={cross out, draw=black, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=1, yscale=2] + + \draw[gray, ->] (0,-1.5) -- (0,1.5) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + \begin{scope} + + \clip(-4.5,-1.25) rectangle (4.5,1.25); + + \fill[yellow!30] (0,0) rectangle (1, 0.5); + + \begin{scope}[xshift=-1cm] + + \draw[thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[thick, ->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[thick, ->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[thick, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[thick, ->, purple] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[thick, ->, cyan] (0, 0.5) -- (1,0.5); + + + \foreach \i in {-2,...,2} { + \foreach \j in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm, yshift=\j*1cm] + \draw[opacity=0.5, ->, darkgreen] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, orange] (1, 0) -- (0,0); + \draw[opacity=0.5, ->, red] (2, 0) -- (1,0); + \draw[opacity=0.5, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[opacity=0.5, ->, purple] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, cyan] (0, 0.5) -- (1,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, darkgreen] (0,1) -- (0,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 1); + \draw[opacity=0.5, ->, purple] (3, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, cyan] (4, 0.5) -- (3,0.5); + \draw[opacity=0.5, ->, red] (2, 0) -- (3,0); + \draw[opacity=0.5, ->, orange] (3, 0) -- (4,0); + + \node[zero] at ( 1, 0) {}; + \node[zero] at ( 3, 0) {}; + \node[pole] at ( 1,0.5) {}; + \node[pole] at ( 3,0.5) {}; + + \end{scope} + } + } + + \end{scope} + + \end{scope} + + \draw[gray] ( 1,0) +(0,0.1) -- +(0, -0.1) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K$}; + \draw[gray] (0, 0.5) +(0.1, 0) -- +(-0.1, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + + + \end{scope} + + \begin{scope}[yshift=-3.5cm, xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (-6,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[thick, ->, purple] (-5, 0) -- (-3, 0); + \draw[thick, ->, blue] (-3, 0) -- (-2, 0); + \draw[thick, ->, red] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[thick, ->, orange] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[thick, ->, darkgreen] (2, 0) -- (3, 0); + \draw[thick, ->, cyan] (3, 0) -- (5, 0); + + \node[anchor=south] at (-5,0) {$-\infty$}; + \node[anchor=south] at (-3,0) {$-1/k$}; + \node[anchor=south] at (-2,0) {$-1$}; + \node[anchor=south] at (0,0) {$0$}; + \node[anchor=south] at (2,0) {$1$}; + \node[anchor=south] at (3,0) {$1/k$}; + \node[anchor=south] at (5,0) {$\infty$}; + + \end{scope} + + +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex new file mode 100644 index 0000000..7d426b6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex @@ -0,0 +1,133 @@ +\section{Tschebyscheff-Filter} + +Als Einstieg betrachent Wir das Tschebyscheff-Filter, welches sehr verwand ist mit dem elliptischen Filter. +Genauer ausgedrückt sind die Tschebyscheff-1 und -2 Filter Spezialfälle davon. + +Der Name des Filters deutet schon an, dass die Tschebyscheff-Polynome $T_N$ für das Filter relevant sind: +\begin{align} + T_{0}(x)&=1\\ + T_{1}(x)&=x\\ + T_{2}(x)&=2x^{2}-1\\ + T_{3}(x)&=4x^{3}-3x\\ + T_{n+1}(x)&=2x~T_{n}(x)-T_{n-1}(x). +\end{align} +Bemerkenswert ist, dass die Polynome im Intervall $[-1, 1]$ mit der trigonometrischen Funktion +\begin{align} \label{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} + T_N(w) &= \cos \left( N \cos^{-1}(w) \right) \\ + &= \cos \left(N~z \right), \quad w= \cos(z) +\end{align} +übereinstimmt. +Der Zusammenhang lässt sich mit den Doppel- und Mehrfachwinkelfunktionen der trigonometrischen Funktionen erklären. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:chebychef_polynomials} zeigt einige Tschebyscheff-Polynome. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev2.pgf} + \caption{Die Tschebyscheff-Polynome $C_N$.} + \label{ellfilter:fig:chebychef_polynomials} +\end{figure} +Da der Kosinus begrenzt zwischen $-1$ und $1$ ist, sind auch die Tschebyscheff-Polynome begrenzt. +Geht man aber über das Intervall $[-1, 1]$ hinaus, divergieren die Funktionen mit zunehmender Ordnung immer steiler gegen $\pm \infty$. +Diese Eigenschaft ist sehr nützlich für ein Filter. +Wenn wir die Tschebyscheff-Polynome quadrieren, passen sie perfekt in die Voraussetzungen für Filterfunktionen, wie es Abbildung \ref{ellfiter:fig:chebychef} demonstriert. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/F_N_chebychev.pgf} + \caption{Die Tschebyscheff-Polynome füllen den erlaubten Bereich besser, und erhalten dadurch eine steilere Flanke im Sperrbereich.} + \label{ellfiter:fig:chebychef} +\end{figure} + + +Die analytische Fortsetzung von \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} über das Intervall $[-1,1]$ hinaus stimmt mit den Polynomen überein, wie es zu erwarten ist. +Die genauere Betrachtung wird uns dann helfen die elliptischen Filter besser zu verstehen. + +Starten wir mit der Funktion, die als erstes auf $w$ angewendet wird, dem Arcuscosinus. +Die invertierte Funktion des Kosinus kann als definites Integral dargestellt werden: +\begin{align} + \cos^{-1}(x) + &= + \int_{x}^{1} + \frac{ + dz + }{ + \sqrt{ + 1-z^2 + } + }\\ + &= + \int_{0}^{x} + \frac{ + -1 + }{ + \sqrt{ + 1-z^2 + } + } + ~dz + + \frac{\pi}{2} +\end{align} +Der Integrand oder auch die Ableitung +\begin{equation} + \frac{ + -1 + }{ + \sqrt{ + 1-z^2 + } + } +\end{equation} +bestimmt dabei die Richtung, in der die Funktion verläuft. +Der reelle Arcuscosinus is bekanntlich nur für $|z| \leq 1$ definiert. +Hier bleibt der Wert unter der Wurzel positiv und das Integral liefert reelle Werte. +Doch wenn $|z|$ über 1 hinausgeht, wird der Term unter der Wurzel negativ. +Durch die Quadratwurzel entstehen für den Integranden zwei rein komplexe Lösungen. +Der Wert des Arcuscosinus verlässt also bei $z= \pm 1$ den reellen Zahlenstrahl und knickt in die komplexe Ebene ab. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos} zeigt den $\arccos$ in der komplexen Ebene. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex} + \caption{Die Funktion $z = \cos^{-1}(w)$ dargestellt in der komplexen ebene.} + \label{ellfilter:fig:arccos} +\end{figure} +Wegen der Periodizität des Kosinus ist auch der Arcuscosinus $2\pi$-periodisch und es entstehen periodische Nullstellen. +% \begin{equation} +% \frac{ +% 1 +% }{ +% \sqrt{ +% 1-z^2 +% } +% } +% \in \mathbb{R} +% \quad +% \forall +% \quad +% -1 \leq z \leq 1 +% \end{equation} +% \begin{equation} +% \frac{ +% 1 +% }{ +% \sqrt{ +% 1-z^2 +% } +% } +% = i \xi \quad | \quad \xi \in \mathbb{R} +% \quad +% \forall +% \quad +% z \leq -1 \cup z \geq 1 +% \end{equation} + +Die Tschebyscheff-Polynome skalieren diese Nullstellen mit dem Ordnungsfaktor $N$, wie dargestellt in Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2}. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex} + \caption{ + $z_1=N \cos^{-1}(w)$-Ebene der Tschebyscheff-Funktion. + Die eingefärbten Pfade sind Verläufe von $w~\forall~[-\infty, \infty]$ für verschiedene Ordnungen $N$. + Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen werden passiert. + } + \label{ellfilter:fig:arccos2} +\end{figure} +Somit passert $\cos( N~\cos^{-1}(w))$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Nullstellen. +Durch die spezielle Anordnung der Nullstellen hat die Funktion Equirippel-Verhalten und ist dennoch ein Polynom, was sich perfekt für linear Filter eignet. diff --git a/buch/papers/kugel/images/Makefile b/buch/papers/kugel/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..4226dab --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/Makefile @@ -0,0 +1,30 @@ +# +# Makefile -- build images +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +all: curvature.jpg spherecurve.jpg + +curvature.inc: curvgraph.m + octave curvgraph.m + +curvature.png: curvature.pov curvature.inc + povray +A0.1 +W1920 +H1080 +Ocurvature.png curvature.pov + +curvature.jpg: curvature.png + convert curvature.png -density 300 -units PixelsPerInch curvature.jpg + +spherecurve2.inc: spherecurve.m + octave spherecurve.m + +spherecurve.png: spherecurve.pov spherecurve.inc + povray +A0.1 +W1080 +H1080 +Ospherecurve.png spherecurve.pov + +spherecurve.jpg: spherecurve.png + convert spherecurve.png -density 300 -units PixelsPerInch spherecurve.jpg + +spherecurve: spherecurve.cpp + g++ -o spherecurve -g -Wall -O spherecurve.cpp + +spherecurve.inc: spherecurve + ./spherecurve diff --git a/buch/papers/kugel/images/curvature.maxima b/buch/papers/kugel/images/curvature.maxima new file mode 100644 index 0000000..6313642 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/curvature.maxima @@ -0,0 +1,6 @@ + +f: exp(-r^2/sigma^2)/sigma; +laplacef: ratsimp(diff(r * diff(f,r), r) / r); +f: exp(-r^2/(2*sigma^2))/(sqrt(2)*sigma); +laplacef: ratsimp(diff(r * diff(f,r), r) / r); + diff --git a/buch/papers/kugel/images/curvature.pov b/buch/papers/kugel/images/curvature.pov new file mode 100644 index 0000000..3b15d77 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/curvature.pov @@ -0,0 +1,139 @@ +// +// curvature.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// + +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.09; + +camera { + location <10, 10, -40> + look_at <0, 0, 0> + right 16/9 * x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + <-10, 10, -40> color White + area_light <1,0,0> <0,0,1>, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color rgb<1,1,1> + } +} + +// +// draw an arrow from <from> to <to> with thickness <arrowthickness> with +// color <c> +// +#macro arrow(from, to, arrowthickness, c) +#declare arrowdirection = vnormalize(to - from); +#declare arrowlength = vlength(to - from); +union { + sphere { + from, 1.1 * arrowthickness + } + cylinder { + from, + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + arrowthickness + } + cone { + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + 2 * arrowthickness, + to, + 0 + } + pigment { + color c + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +arrow(<-3.1,0,0>, <3.1,0,0>, 0.01, White) +arrow(<0,-1,0>, <0,1,0>, 0.01, White) +arrow(<0,0,-2.1>, <0,0,2.1>, 0.01, White) + +#include "curvature.inc" + +#declare sigma = 1; +#declare s = 1.4; +#declare N0 = 0.4; +#declare funktion = function(r) { + (exp(-r*r/(sigma*sigma)) / sigma + - + exp(-r*r/(2*sigma*sigma)) / (sqrt(2)*sigma)) / N0 +}; +#declare hypot = function(xx, yy) { sqrt(xx*xx+yy*yy) }; + +#declare Funktion = function(x,y) { funktion(hypot(x+s,y)) - funktion(hypot(x-s,y)) }; +#macro punkt(xx,yy) + <xx, Funktion(xx, yy), yy> +#end + +#declare griddiameter = 0.006; +union { + #declare xmin = -3; + #declare xmax = 3; + #declare ymin = -2; + #declare ymax = 2; + + + #declare xstep = 0.2; + #declare ystep = 0.02; + #declare xx = xmin; + #while (xx < xmax + xstep/2) + #declare yy = ymin; + #declare P = punkt(xx, yy); + #while (yy < ymax - ystep/2) + #declare yy = yy + ystep; + #declare Q = punkt(xx, yy); + sphere { P, griddiameter } + cylinder { P, Q, griddiameter } + #declare P = Q; + #end + sphere { P, griddiameter } + #declare xx = xx + xstep; + #end + + #declare xstep = 0.02; + #declare ystep = 0.2; + #declare yy = ymin; + #while (yy < ymax + ystep/2) + #declare xx = xmin; + #declare P = punkt(xx, yy); + #while (xx < xmax - xstep/2) + #declare xx = xx + xstep; + #declare Q = punkt(xx, yy); + sphere { P, griddiameter } + cylinder { P, Q, griddiameter } + #declare P = Q; + #end + sphere { P, griddiameter } + #declare yy = yy + ystep; + #end + + pigment { + color rgb<0.8,0.8,0.8> + } + finish { + metallic + specular 0.8 + } +} + diff --git a/buch/papers/kugel/images/curvgraph.m b/buch/papers/kugel/images/curvgraph.m new file mode 100644 index 0000000..75effd6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/curvgraph.m @@ -0,0 +1,140 @@ +# +# curvature.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +global N; +N = 10; + +global sigma2; +sigma2 = 1; + +global s; +s = 1.4; + +global cmax; +cmax = 0.9; +global cmin; +cmin = -0.9; + +global Cmax; +global Cmin; +Cmax = 0; +Cmin = 0; + +xmin = -3; +xmax = 3; +xsteps = 200; +hx = (xmax - xmin) / xsteps; + +ymin = -2; +ymax = 2; +ysteps = 200; +hy = (ymax - ymin) / ysteps; + +function retval = f0(r) + global sigma2; + retval = exp(-r^2/sigma2)/sqrt(sigma2) - exp(-r^2/(2*sigma2))/(sqrt(2*sigma2)); +end + +global N0; +N0 = f0(0) +N0 = 0.4; + +function retval = f1(x,y) + global N0; + retval = f0(hypot(x, y)) / N0; +endfunction + +function retval = f(x, y) + global s; + retval = f1(x+s, y) - f1(x-s, y); +endfunction + +function retval = curvature0(r) + global sigma2; + retval = ( + -4*(sigma2-r^2)*exp(-r^2/sigma2) + + + (2*sigma2-r^2)*exp(-r^2/(2*sigma2)) + ) / (sigma2^(5/2)); +endfunction + +function retval = curvature1(x, y) + retval = curvature0(hypot(x, y)); +endfunction + +function retval = curvature(x, y) + global s; + retval = curvature1(x+s, y) - curvature1(x-s, y); +endfunction + +function retval = farbe(x, y) + global Cmax; + global Cmin; + global cmax; + global cmin; + c = curvature(x, y); + if (c < Cmin) + Cmin = c + endif + if (c > Cmax) + Cmax = c + endif + u = (c - cmin) / (cmax - cmin); + if (u > 1) + u = 1; + endif + if (u < 0) + u = 0; + endif + color = [ u, 0.5, 1-u ]; + color = color/max(color); + color(1,4) = c/2; + retval = color; +endfunction + +function dreieck(fn, A, B, C) + fprintf(fn, "\ttriangle {\n"); + fprintf(fn, "\t <%.4f,%.4f,%.4f>,\n", A(1,1), A(1,3), A(1,2)); + fprintf(fn, "\t <%.4f,%.4f,%.4f>,\n", B(1,1), B(1,3), B(1,2)); + fprintf(fn, "\t <%.4f,%.4f,%.4f>\n", C(1,1), C(1,3), C(1,2)); + fprintf(fn, "\t}\n"); +endfunction + +function viereck(fn, punkte) + color = farbe(mean(punkte(:,1)), mean(punkte(:,2))); + fprintf(fn, " mesh {\n"); + dreieck(fn, punkte(1,:), punkte(2,:), punkte(3,:)); + dreieck(fn, punkte(2,:), punkte(3,:), punkte(4,:)); + fprintf(fn, "\tpigment { color rgb<%.4f,%.4f,%.4f> } // %.4f\n", + color(1,1), color(1,2), color(1,3), color(1,4)); + fprintf(fn, " }\n"); +endfunction + +fn = fopen("curvature.inc", "w"); +punkte = zeros(4,3); +for ix = (0:xsteps-1) + x = xmin + ix * hx; + punkte(1,1) = x; + punkte(2,1) = x; + punkte(3,1) = x + hx; + punkte(4,1) = x + hx; + for iy = (0:ysteps-1) + y = ymin + iy * hy; + punkte(1,2) = y; + punkte(2,2) = y + hy; + punkte(3,2) = y; + punkte(4,2) = y + hy; + for i = (1:4) + punkte(i,3) = f(punkte(i,1), punkte(i,2)); + endfor + viereck(fn, punkte); + end +end +#fprintf(fn, " finish { metallic specular 0.5 }\n"); +fclose(fn); + +printf("Cmax = %.4f\n", Cmax); +printf("Cmin = %.4f\n", Cmin); diff --git a/buch/papers/kugel/images/spherecurve.cpp b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.cpp new file mode 100644 index 0000000..8ddf5e5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.cpp @@ -0,0 +1,292 @@ +/* + * spherecurve.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdio> +#include <cstdlib> +#include <cmath> +#include <string> +#include <iostream> + +inline double sqr(double x) { return x * x; } + +/** + * \brief Class for 3d vectors (also used as colors) + */ +class vector { + double X[3]; +public: + vector() { X[0] = X[1] = X[2] = 0; } + vector(double a) { X[0] = X[1] = X[2] = a; } + vector(double x, double y, double z) { + X[0] = x; X[1] = y; X[2] = z; + } + vector(double theta, double phi) { + double s = sin(theta); + X[0] = cos(phi) * s; + X[1] = sin(phi) * s; + X[2] = cos(theta); + } + vector(const vector& other) { + for (int i = 0; i < 3; i++) { + X[i] = other.X[i]; + } + } + vector operator+(const vector& other) const { + return vector(X[0] + other.X[0], + X[1] + other.X[1], + X[2] + other.X[2]); + } + vector operator*(double l) const { + return vector(X[0] * l, X[1] * l, X[2] * l); + } + double operator*(const vector& other) const { + double s = 0; + for (int i = 0; i < 3; i++) { + s += X[i] * other.X[i]; + } + return s; + } + double norm() const { + double s = 0; + for (int i = 0; i < 3; i++) { + s += sqr(X[i]); + } + return sqrt(s); + } + vector normalize() const { + double l = norm(); + return vector(X[0]/l, X[1]/l, X[2]/l); + } + double max() const { + return std::max(X[0], std::max(X[1], X[2])); + } + double l0norm() const { + double l = 0; + for (int i = 0; i < 3; i++) { + if (fabs(X[i]) > l) { + l = fabs(X[i]); + } + } + return l; + } + vector l0normalize() const { + double l = l0norm(); + vector result(X[0]/l, X[1]/l, X[2]/l); + return result; + } + const double& operator[](int i) const { return X[i]; } + double& operator[](int i) { return X[i]; } +}; + +/** + * \brief Derived 3d vector class implementing color + * + * The constructor in this class converts a single value into a + * color on a suitable gradient. + */ +class color : public vector { +public: + static double utop; + static double ubottom; + static double green; +public: + color(double u) { + u = (u - ubottom) / (utop - ubottom); + if (u > 1) { + u = 1; + } + if (u < 0) { + u = 0; + } + u = pow(u,2); + (*this)[0] = u; + (*this)[1] = green * u * (1 - u); + (*this)[2] = 1-u; + double l = l0norm(); + for (int i = 0; i < 3; i++) { + (*this)[i] /= l; + } + } +}; + +double color::utop = 12; +double color::ubottom = -31; +double color::green = 0.5; + +/** + * \brief Surface model + * + * This class contains the definitions of the functions to plot + * and the parameters to + */ +class surfacefunction { + static vector axes[6]; + + double _a; + double _A; + + double _umin; + double _umax; +public: + double a() const { return _a; } + double A() const { return _A; } + + double umin() const { return _umin; } + double umax() const { return _umax; } + + surfacefunction(double a, double A) : _a(a), _A(A), _umin(0), _umax(0) { + } + + double f(double z) { + return A() * exp(a() * (sqr(z) - 1)); + } + + double g(double z) { + return -f(z) * 2*a() * ((2*a()*sqr(z) + (3-2*a()))*sqr(z) - 1); + } + + double F(const vector& v) { + double s = 0; + for (int i = 0; i < 6; i++) { + s += f(axes[i] * v); + } + return s / 6; + } + + double G(const vector& v) { + double s = 0; + for (int i = 0; i < 6; i++) { + s += g(axes[i] * v); + } + return s / 6; + } +protected: + color farbe(const vector& v) { + double u = G(v); + if (u < _umin) { + _umin = u; + } + if (u > _umax) { + _umax = u; + } + return color(u); + } +}; + +static double phi = (1 + sqrt(5)) / 2; +static double sl = sqrt(sqr(phi) + 1); +vector surfacefunction::axes[6] = { + vector( 0. , -1./sl, phi/sl ), + vector( 0. , 1./sl, phi/sl ), + vector( 1./sl, phi/sl, 0. ), + vector( -1./sl, phi/sl, 0. ), + vector( phi/sl, 0. , 1./sl ), + vector( -phi/sl, 0. , 1./sl ) +}; + +/** + * \brief Class to construct the plot + */ +class surface : public surfacefunction { + FILE *outfile; + + int _phisteps; + int _thetasteps; + double _hphi; + double _htheta; +public: + int phisteps() const { return _phisteps; } + int thetasteps() const { return _thetasteps; } + double hphi() const { return _hphi; } + double htheta() const { return _htheta; } + void phisteps(int s) { _phisteps = s; _hphi = 2 * M_PI / s; } + void thetasteps(int s) { _thetasteps = s; _htheta = M_PI / s; } + + surface(const std::string& filename, double a, double A) + : surfacefunction(a, A) { + outfile = fopen(filename.c_str(), "w"); + phisteps(400); + thetasteps(200); + } + + ~surface() { + fclose(outfile); + } + +private: + void triangle(const vector& v0, const vector& v1, const vector& v2) { + fprintf(outfile, " mesh {\n"); + vector c = (v0 + v1 + v2) * (1./3.); + vector color = farbe(c.normalize()); + vector V0 = v0 * (1 + F(v0)); + vector V1 = v1 * (1 + F(v1)); + vector V2 = v2 * (1 + F(v2)); + fprintf(outfile, "\ttriangle {\n"); + fprintf(outfile, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>,\n", + V0[0], V0[2], V0[1]); + fprintf(outfile, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>,\n", + V1[0], V1[2], V1[1]); + fprintf(outfile, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>\n", + V2[0], V2[2], V2[1]); + fprintf(outfile, "\t}\n"); + fprintf(outfile, "\tpigment { color rgb<%.4f,%.4f,%.4f> }\n", + color[0], color[1], color[2]); + fprintf(outfile, "\tfinish { metallic specular 0.5 }\n"); + fprintf(outfile, " }\n"); + } + + void northcap() { + vector v0(0, 0, 1); + for (int i = 1; i <= phisteps(); i++) { + fprintf(outfile, " // northcap i = %d\n", i); + vector v1(htheta(), (i - 1) * hphi()); + vector v2(htheta(), i * hphi()); + triangle(v0, v1, v2); + } + } + + void southcap() { + vector v0(0, 0, -1); + for (int i = 1; i <= phisteps(); i++) { + fprintf(outfile, " // southcap i = %d\n", i); + vector v1(M_PI - htheta(), (i - 1) * hphi()); + vector v2(M_PI - htheta(), i * hphi()); + triangle(v0, v1, v2); + } + } + + void zone() { + for (int j = 1; j < thetasteps() - 1; j++) { + for (int i = 1; i <= phisteps(); i++) { + fprintf(outfile, " // zone j = %d, i = %d\n", + j, i); + vector v0( j * htheta(), (i-1) * hphi()); + vector v1((j+1) * htheta(), (i-1) * hphi()); + vector v2( j * htheta(), i * hphi()); + vector v3((j+1) * htheta(), i * hphi()); + triangle(v0, v1, v2); + triangle(v1, v2, v3); + } + } + } +public: + void draw() { + northcap(); + southcap(); + zone(); + } +}; + +/** + * \brief main function + */ +int main(int argc, char *argv[]) { + surface S("spherecurve.inc", 5, 10); + color::green = 1.0; + S.draw(); + std::cout << "umin: " << S.umin() << std::endl; + std::cout << "umax: " << S.umax() << std::endl; + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/papers/kugel/images/spherecurve.m b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.m new file mode 100644 index 0000000..99d5c9a --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.m @@ -0,0 +1,160 @@ +# +# spherecurve.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +global a; +a = 5; +global A; +A = 10; + +phisteps = 400; +hphi = 2 * pi / phisteps; +thetasteps = 200; +htheta = pi / thetasteps; + +function retval = f(z) + global a; + global A; + retval = A * exp(a * (z^2 - 1)); +endfunction + +function retval = g(z) + global a; + retval = -f(z) * 2 * a * (2 * a * z^4 + (3 - 2*a) * z^2 - 1); + # 2 + # - a 2 4 2 2 a z + #(%o6) - %e (4 a z + (6 a - 4 a ) z - 2 a) %e +endfunction + +phi = (1 + sqrt(5)) / 2; + +global axes; +axes = [ + 0, 0, 1, -1, phi, -phi; + 1, -1, phi, phi, 0, 0; + phi, phi, 0, 0, 1, 1; +]; +axes = axes / (sqrt(phi^2+1)); + +function retval = kugel(theta, phi) + retval = [ + cos(phi) * sin(theta); + sin(phi) * sin(theta); + cos(theta) + ]; +endfunction + +function retval = F(v) + global axes; + s = 0; + for i = (1:6) + z = axes(:,i)' * v; + s = s + f(z); + endfor + retval = s / 6; +endfunction + +function retval = F2(theta, phi) + v = kugel(theta, phi); + retval = F(v); +endfunction + +function retval = G(v) + global axes; + s = 0; + for i = (1:6) + s = s + g(axes(:,i)' * v); + endfor + retval = s / 6; +endfunction + +function retval = G2(theta, phi) + v = kugel(theta, phi); + retval = G(v); +endfunction + +function retval = cnormalize(u) + utop = 11; + ubottom = -30; + retval = (u - ubottom) / (utop - ubottom); + if (retval > 1) + retval = 1; + endif + if (retval < 0) + retval = 0; + endif +endfunction + +global umin; +umin = 0; +global umax; +umax = 0; + +function color = farbe(v) + global umin; + global umax; + u = G(v); + if (u < umin) + umin = u; + endif + if (u > umax) + umax = u; + endif + u = cnormalize(u); + color = [ u, 0.5, 1-u ]; + color = color/max(color); +endfunction + +function dreieck(fn, v0, v1, v2) + fprintf(fn, " mesh {\n"); + c = (v0 + v1 + v2) / 3; + c = c / norm(c); + color = farbe(c); + v0 = v0 * (1 + F(v0)); + v1 = v1 * (1 + F(v1)); + v2 = v2 * (1 + F(v2)); + fprintf(fn, "\ttriangle {\n"); + fprintf(fn, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>,\n", v0(1,1), v0(3,1), v0(2,1)); + fprintf(fn, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>,\n", v1(1,1), v1(3,1), v1(2,1)); + fprintf(fn, "\t <%.6f,%.6f,%.6f>\n", v2(1,1), v2(3,1), v2(2,1)); + fprintf(fn, "\t}\n"); + fprintf(fn, "\tpigment { color rgb<%.4f,%.4f,%.4f> }\n", + color(1,1), color(1,2), color(1,3)); + fprintf(fn, "\tfinish { metallic specular 0.5 }\n"); + fprintf(fn, " }\n"); +endfunction + +fn = fopen("spherecurve2.inc", "w"); + + for i = (1:phisteps) + # Polkappe nord + v0 = [ 0; 0; 1 ]; + v1 = kugel(htheta, (i-1) * hphi); + v2 = kugel(htheta, i * hphi); + fprintf(fn, " // i = %d\n", i); + dreieck(fn, v0, v1, v2); + + # Polkappe sued + v0 = [ 0; 0; -1 ]; + v1 = kugel(pi-htheta, (i-1) * hphi); + v2 = kugel(pi-htheta, i * hphi); + dreieck(fn, v0, v1, v2); + endfor + + for j = (1:thetasteps-2) + for i = (1:phisteps) + v0 = kugel( j * htheta, (i-1) * hphi); + v1 = kugel((j+1) * htheta, (i-1) * hphi); + v2 = kugel( j * htheta, i * hphi); + v3 = kugel((j+1) * htheta, i * hphi); + fprintf(fn, " // i = %d, j = %d\n", i, j); + dreieck(fn, v0, v1, v2); + dreieck(fn, v1, v2, v3); + endfor + endfor + +fclose(fn); + +umin +umax diff --git a/buch/papers/kugel/images/spherecurve.maxima b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.maxima new file mode 100644 index 0000000..1e9077c --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.maxima @@ -0,0 +1,13 @@ +/* + * spherecurv.maxima + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +f: exp(-a * sin(theta)^2); + +g: ratsimp(diff(sin(theta) * diff(f, theta), theta)/sin(theta)); +g: subst(z, cos(theta), g); +g: subst(sqrt(1-z^2), sin(theta), g); +ratsimp(g); + +f: ratsimp(subst(sqrt(1-z^2), sin(theta), f)); diff --git a/buch/papers/kugel/images/spherecurve.pov b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.pov new file mode 100644 index 0000000..b1bf4b8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/images/spherecurve.pov @@ -0,0 +1,73 @@ +// +// curvature.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// + +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.13; + +camera { + location <10, 10, -40> + look_at <0, 0, 0> + right x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + <-10, 10, -40> color White + area_light <1,0,0> <0,0,1>, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color rgb<1,1,1> + } +} + +// +// draw an arrow from <from> to <to> with thickness <arrowthickness> with +// color <c> +// +#macro arrow(from, to, arrowthickness, c) +#declare arrowdirection = vnormalize(to - from); +#declare arrowlength = vlength(to - from); +union { + sphere { + from, 1.1 * arrowthickness + } + cylinder { + from, + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + arrowthickness + } + cone { + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + 2 * arrowthickness, + to, + 0 + } + pigment { + color c + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +arrow(<-2.7,0,0>, <2.7,0,0>, 0.03, White) +arrow(<0,-2.7,0>, <0,2.7,0>, 0.03, White) +arrow(<0,0,-2.7>, <0,0,2.7>, 0.03, White) + +#include "spherecurve.inc" + diff --git a/buch/papers/nav/beispiel.txt b/buch/papers/nav/beispiel.txt new file mode 100644 index 0000000..12d9e9e --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/beispiel.txt @@ -0,0 +1,40 @@ +Datum: 28. 5. 2022 +Zeit: 15:29:49 UTC +Sternzeit: 7h 54m 26.593s 7.90738694h + +Deneb + +RA 20h 42m 12.14s 20.703372h +DEC 45g 21' 40.3" 45.361194 + +H 50g 15' 21.7" 50.256027 +Azi 59g 36' 02.0" 59.600555 + +Altair + +RA 19h 51' 53.39" 19.864831h +DEC 8g 55' 42.3 8.928416 + +H 45g 27' 48.1" 45.463361 +Azi 117g 16' 14.1" 117.270583 + +Arktur + +RA 14h 16' 42.14" 14.278372 +DEC 19g 03' 47.6 19.063222 + +H 47g 25' 38.8" 47.427444 +Azi 259g 09' 38.4" 259.160666 + +Spica + +RA 13h 26m 23.44s 13.439844h +DEC -11g 16' 46.8" -11.279666 + +H 18g 27' 30.0" 18.458333 +Azi 240g 23' 52.5" 240.397916 + +Position: + +l = 140 14' 00.01" E 140.233336 E +b = 35 43' 00.02" N 35.716672 N diff --git a/buch/papers/nav/bilder/ephe.png b/buch/papers/nav/bilder/ephe.png Binary files differindex 0aeef6f..3f99a36 100644 --- a/buch/papers/nav/bilder/ephe.png +++ b/buch/papers/nav/bilder/ephe.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/recht.jpg b/buch/papers/nav/bilder/recht.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3f60370 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/recht.jpg diff --git a/buch/papers/nav/bilder/sextant.jpg b/buch/papers/nav/bilder/sextant.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..472e61f --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/sextant.jpg diff --git a/buch/papers/nav/einleitung.tex b/buch/papers/nav/einleitung.tex index 8d8c5c1..8eb4481 100644 --- a/buch/papers/nav/einleitung.tex +++ b/buch/papers/nav/einleitung.tex @@ -3,7 +3,7 @@ \section{Einleitung} Heutzutage ist die Navigation ein Teil des Lebens. Man sendet dem Kollegen seinen eigenen Standort, um sich das ewige Erklären zu sparen oder gibt die Adresse des Ziels ein, damit man seinen Aufenthaltsort zum Beispiel auf einer riesigen Wiese am See findet. -Dies wird durch Technologien wie Funknavigation, welches ein auf Langzeitmessung beruhendes Hyperbelverfahren mit Langwellen ist oder die verbreitete Satellitennavigation, welche vier Satelliten für eine Messung zur Standortbestimmung nutzt. -Vor all diesen technologischen Fortschritten gab es lediglich die Astronavigation, welche heute noch auf kleineren Schiffen benötigt wird im Falle eines Stromausfalls. +Dies wird durch Technologien wie Funknavigation, welches ein auf Laufzeitmessung beruhendes Hyperbelverfahren mit Langwellen ist, oder die verbreitete Satellitennavigation, welche vier Satelliten für eine Messung zur Standortbestimmung nutzt. +Vor all diesen technologischen Fortschritten gab es lediglich die Astronavigation, welche heute noch auf Schiffen verwendet wird im Falle eines Stromausfalls. Aber wie funktioniert die Navigation mit den Sternen? Welche Hilfsmittel benötigt man, welche Rolle spielt die Mathematik und weshalb kann die Erde nicht flach sein? In diesem Kapitel werden genau diese Fragen mithilfe des nautischen Dreiecks, der sphärischen Trigonometrie und einigen Hilfsmitteln und Messgeräten beantwortet.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/nav/flatearth.tex b/buch/papers/nav/flatearth.tex index bec242e..3b08e8d 100644 --- a/buch/papers/nav/flatearth.tex +++ b/buch/papers/nav/flatearth.tex @@ -9,19 +9,19 @@ \end{center} \end{figure} -Es gibt heut zu Tage viele Beweise dafür, dass die Erde eine Kugel ist. +Es gibt heutzutage viele Beweise dafür, dass die Erde eine Kugel ist. Die Fotos von unserem Planeten oder die Berichte der Astronauten. -Aber schon vor ca. 2300 Jahren hat Aristotoles bemerkt, dass Schiffe im Horizont verschwinden und die einzige Erklärung dafür die Kugelgestalt der Erde ist oder der Erdschatten bei einer Mondfinsternis immer rund ist. +Aber schon vor ca. 2300 Jahren hat Aristoteles bemerkt, dass Schiffe im Horizont verschwinden und die einzige Erklärung dafür die Kugelgestalt der Erde ist. +Auch der Erdschatten bei einer Mondfinsternis ist immer rund. Eratosthenes konnte etwa 100 Jahre später den Erdumfang berechnen. Er beobachtete, dass die Sonne in Syene mittags im Zenit steht und gleichzeitig in Alexandria unter einem Winkel einfällt. Mithilfe der Trigonometrie konnte er mit dem Abstand der Städte und dem Einfallswinkel den Umfang berechnen. -Auch in der Navigation würden grobe Fehler passieren, wenn man davon ausgeht, dass die Erde eine Scheibe ist. -Man sieht es zum Beispiel sehr gut, wenn man die Anwendung Google Earth und eine Weltkarte vergleicht. +Der Kartograph Gerhard Mercator projizierte die Erdkugel wie in Abbildung 21.1 dargestellt auf ein Papier und erstellte so eine winkeltreue Karte. +Jedoch wurden die Länder, die einen grösseren Abstand zum Äquator haben vergrössert, damit die Winkel stimmen können. +Wurde man also nun davon ausgehen, dass die Erde flach ist so würden wir nie dort ankommen wo wir es wollen. +Dies sieht man zum Beispiel sehr gut, wenn man die Anwendung Google Earth und eine Weltkarte vergleicht. Grönland ist auf der Weltkarte so gross wie Afrika. In der Anwendung Google Earth jedoch ist Grönland etwa so gross wie Algerien. Das liegt daran, das man die 3D – Weltkarte nicht einfach auslegen kann. -Der Kartograph Gerhard Mercator projizierte die Erdkugel auf ein Papier und erstellte so eine winkeltreue Karte. -Jedoch wurden die Länder, die einen grösseren Abstand zum Äquator haben vergrössert, damit die Winkel stimmen können. -Wurde man also nun davon ausgehen, dass die Erde flach ist so würden wir nie dort ankommen wo wir es wollen.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/nav/images/2k_earth_daymap.png b/buch/papers/nav/images/2k_earth_daymap.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4d55da8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/2k_earth_daymap.png diff --git a/buch/papers/nav/images/Makefile b/buch/papers/nav/images/Makefile index da4defa..39bfbcf 100644 --- a/buch/papers/nav/images/Makefile +++ b/buch/papers/nav/images/Makefile @@ -51,73 +51,80 @@ DREIECKE3D = \ dreieck3d5.pdf \ dreieck3d6.pdf \ dreieck3d7.pdf \ - dreieck3d8.pdf + dreieck3d8.pdf dreiecke3d: $(DREIECKE3D) POVRAYOPTIONS = -W1080 -H1080 #POVRAYOPTIONS = -W480 -H480 -dreieck3d1.png: dreieck3d1.pov common.inc +dreieck3d1.png: dreieck3d1.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d1.png dreieck3d1.pov dreieck3d1.jpg: dreieck3d1.png convert dreieck3d1.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d1.jpg dreieck3d1.pdf: dreieck3d1.tex dreieck3d1.jpg pdflatex dreieck3d1.tex -dreieck3d2.png: dreieck3d2.pov common.inc +dreieck3d2.png: dreieck3d2.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d2.png dreieck3d2.pov dreieck3d2.jpg: dreieck3d2.png convert dreieck3d2.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d2.jpg dreieck3d2.pdf: dreieck3d2.tex dreieck3d2.jpg pdflatex dreieck3d2.tex -dreieck3d3.png: dreieck3d3.pov common.inc +dreieck3d3.png: dreieck3d3.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d3.png dreieck3d3.pov dreieck3d3.jpg: dreieck3d3.png convert dreieck3d3.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d3.jpg dreieck3d3.pdf: dreieck3d3.tex dreieck3d3.jpg pdflatex dreieck3d3.tex -dreieck3d4.png: dreieck3d4.pov common.inc +dreieck3d4.png: dreieck3d4.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d4.png dreieck3d4.pov dreieck3d4.jpg: dreieck3d4.png convert dreieck3d4.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d4.jpg dreieck3d4.pdf: dreieck3d4.tex dreieck3d4.jpg pdflatex dreieck3d4.tex -dreieck3d5.png: dreieck3d5.pov common.inc +dreieck3d5.png: dreieck3d5.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d5.png dreieck3d5.pov dreieck3d5.jpg: dreieck3d5.png convert dreieck3d5.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d5.jpg dreieck3d5.pdf: dreieck3d5.tex dreieck3d5.jpg pdflatex dreieck3d5.tex -dreieck3d6.png: dreieck3d6.pov common.inc +dreieck3d6.png: dreieck3d6.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d6.png dreieck3d6.pov dreieck3d6.jpg: dreieck3d6.png convert dreieck3d6.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d6.jpg dreieck3d6.pdf: dreieck3d6.tex dreieck3d6.jpg pdflatex dreieck3d6.tex -dreieck3d7.png: dreieck3d7.pov common.inc +dreieck3d7.png: dreieck3d7.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d7.png dreieck3d7.pov dreieck3d7.jpg: dreieck3d7.png convert dreieck3d7.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d7.jpg dreieck3d7.pdf: dreieck3d7.tex dreieck3d7.jpg pdflatex dreieck3d7.tex -dreieck3d8.png: dreieck3d8.pov common.inc +dreieck3d8.png: dreieck3d8.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d8.png dreieck3d8.pov dreieck3d8.jpg: dreieck3d8.png convert dreieck3d8.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d8.jpg dreieck3d8.pdf: dreieck3d8.tex dreieck3d8.jpg pdflatex dreieck3d8.tex -dreieck3d9.png: dreieck3d9.pov common.inc +dreieck3d9.png: dreieck3d9.pov common.inc macros.inc povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d9.png dreieck3d9.pov dreieck3d9.jpg: dreieck3d9.png convert dreieck3d9.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d9.jpg dreieck3d9.pdf: dreieck3d9.tex dreieck3d9.jpg pdflatex dreieck3d9.tex +dreieck3d10.png: dreieck3d10.pov common.inc macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Odreieck3d10.png dreieck3d10.pov +dreieck3d10.jpg: dreieck3d10.png + convert dreieck3d10.png -density 300 -units PixelsPerInch dreieck3d10.jpg +dreieck3d10.pdf: dreieck3d10.tex dreieck3d10.jpg macros.inc + pdflatex dreieck3d10.tex + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/2k_earth_daymap.png b/buch/papers/nav/images/beispiele/2k_earth_daymap.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4d55da8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/2k_earth_daymap.png diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/Makefile b/buch/papers/nav/images/beispiele/Makefile new file mode 100644 index 0000000..9546c8e --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/Makefile @@ -0,0 +1,38 @@ +# +# Makefile to build images +# +# (c) 2022 +# +all: beispiele + +POSITION = \ + beispiele1.pdf \ + beispiele2.pdf \ + beispiele3.pdf + +beispiele: $(POSITION) + +POVRAYOPTIONS = -W1080 -H1080 +#POVRAYOPTIONS = -W480 -H480 + +beispiele1.png: beispiele1.pov common.inc geometrie.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Obeispiele1.png beispiele1.pov +beispiele1.jpg: beispiele1.png + convert beispiele1.png -density 300 -units PixelsPerInch beispiele1.jpg +beispiele1.pdf: beispiele1.tex common.tex beispiele1.jpg + pdflatex beispiele1.tex + +beispiele2.png: beispiele2.pov common.inc geometrie.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Obeispiele2.png beispiele2.pov +beispiele2.jpg: beispiele2.png + convert beispiele2.png -density 300 -units PixelsPerInch beispiele2.jpg +beispiele2.pdf: beispiele2.tex common.tex beispiele2.jpg + pdflatex beispiele2.tex + +beispiele3.png: beispiele3.pov common.inc geometrie.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Obeispiele3.png beispiele3.pov +beispiele3.jpg: beispiele3.png + convert beispiele3.png -density 300 -units PixelsPerInch beispiele3.jpg +beispiele3.pdf: beispiele3.tex common.tex beispiele3.jpg + pdflatex beispiele3.tex + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pdf b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..d0fe3dc --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pov b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pov new file mode 100644 index 0000000..7fb3de2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.pov @@ -0,0 +1,12 @@ +// +// beispiele1.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +#declare Stern1 = Deneb; +#declare Stern2 = Arktur; + +#include "geometrie.inc" + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.tex b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.tex new file mode 100644 index 0000000..5666ba6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele1.tex @@ -0,0 +1,49 @@ +% +% beispiele1.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{beispiele1.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelP +\labelDeneb +\labelArktur +\labelhDeneb +\labelhArktur +\labellone +\labeldDeneb +\labeldArktur + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pdf b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..8579ee5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pov b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pov new file mode 100644 index 0000000..b69f0f9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.pov @@ -0,0 +1,12 @@ +// +// beispiele1.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +#declare Stern1 = Altair; +#declare Stern2 = Spica; + +#include "geometrie.inc" + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.tex b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.tex new file mode 100644 index 0000000..c9b70bd --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele2.tex @@ -0,0 +1,50 @@ +% +% beispiele2.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{beispiele2.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelP +\labelAltair +\labelSpica +\labelhAltair +\labelhSpica +\labelltwo +\labeldAltair +\labeldSpica + + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pdf b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..a7189dd --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pov b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pov new file mode 100644 index 0000000..af9a468 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.pov @@ -0,0 +1,12 @@ +// +// beispiele1.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +#declare Stern1 = Deneb; +#declare Stern2 = Altair; + +#include "geometrie.inc" + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.tex b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.tex new file mode 100644 index 0000000..2573199 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/beispiele3.tex @@ -0,0 +1,49 @@ +% +% beispiele3.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{beispiele3.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelP +\labelDeneb +\labelAltair +\labelhDeneb +\labelhAltair +\labellone +%\labeldDeneb +%\labeldAltair + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/common.inc b/buch/papers/nav/images/beispiele/common.inc new file mode 100644 index 0000000..51fbd1f --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/common.inc @@ -0,0 +1,50 @@ +// +// common.inc -- 3d Darstellung +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" +#include "../macros.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.034; + +camera { + location <40, 20, -20> + look_at <0, 0.24, -0.20> + right x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + <30, 10, -40> color White + area_light <1,0,0> <0,0,1>, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color rgb<1,1,1> + } +} + +erde(0) +achse(fein, White) +koordinatennetz(gitterfarbe, 9, 0.001) + +union { + punkt(Sakura, fett) + pigment { + color rot + } + finish { + metallic + specular 0.9 + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/common.tex b/buch/papers/nav/images/beispiele/common.tex new file mode 100644 index 0000000..b7b3dac --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/common.tex @@ -0,0 +1,79 @@ +% +% common.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +\def\labelA{\node at (0.7,3.8) {$A$};} + +\def\labelSpica{ + \node at (-3.6,-2.8) {Spica}; +} +\def\labelAltair{ + \node at (3.0,-2.3) {Altair}; +} +\def\labelArktur{ + \node at (-3.3,-0.7) {Arktur}; +} +\def\labelDeneb{ + \node at (3.4,0.9) {Deneb}; +} + +\def\labelP{\node at (0,-0.2) {$P$};} + +\def\labellone{\node at (0.1,1.9) {$l$};} +\def\labelltwo{\node at (0.1,2.0) {$l$};} + +\def\labelhSpica{ + \coordinate (Spica) at (-1.8,-0.3); + \node at (Spica) {$h_{\text{Spica}}\mathstrut$}; +} +\def\labelhAltair{ + \coordinate (Altair) at (1.1,-1.0); + \node at (Altair) {$h_{\text{Altair}}\mathstrut$}; +} +\def\labelhArktur{ + \coordinate (Arktur) at (-1.3,-0.3); + \node at (Arktur) {$h_{\text{Arktur}}\mathstrut$}; +} +\def\labelhDeneb{ + \coordinate (Deneb) at (1.6,0.45); + \node at (Deneb) {$h_{\text{Deneb}}\mathstrut$}; +} + +\def\labeldSpica{ + \coordinate (dSpica) at (-1.5,2.6); + \fill[color=white,opacity=0.5] + ($(dSpica)+(-1.8,0.08)$) + rectangle + ($(dSpica)+(-0.06,0.55)$); + \node at (dSpica) [above left] + {$90^\circ-\delta_{\text{Spica}}\mathstrut$}; +} +\def\labeldAltair{ + \coordinate (dAltair) at (2.0,2.1); + \fill[color=white,opacity=0.5] + ($(dAltair)+(0.10,0.05)$) + rectangle + ($(dAltair)+(1.8,0.5)$); + \node at (dAltair) [above right] + {$90^\circ-\delta_{\text{Altair}}\mathstrut$}; +} +\def\labeldArktur{ + \coordinate (dArktur) at (-1.2,2.5); + \fill[color=white,opacity=0.5] + ($(dArktur)+(-1.8,0.05)$) + rectangle + ($(dArktur)+(-0.06,0.5)$); + \node at (dArktur) [above left] + {$90^\circ-\delta_{\text{Arktur}}\mathstrut$}; +} +\def\labeldDeneb{ + \coordinate (dDeneb) at (2.0,2.8); + \fill[color=white,opacity=0.5] + ($(dDeneb)+(0.05,0.5)$) + rectangle + ($(dDeneb)+(1.87,0.05)$); + \node at (dDeneb) [above right] + {$90^\circ-\delta_{\text{Deneb}}\mathstrut$}; +} diff --git a/buch/papers/nav/images/beispiele/geometrie.inc b/buch/papers/nav/images/beispiele/geometrie.inc new file mode 100644 index 0000000..2f6084e --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/beispiele/geometrie.inc @@ -0,0 +1,41 @@ +union { + punkt(A, fett) + punkt(Stern1, fein) + punkt(Stern2, fein) + seite(Stern1, Stern2, fein) + pigment { + color kugelfarbe + } + finish { + metallic + specular 0.9 + } +} + +union { + seite(A, Stern1, fein) + seite(A, Stern2, fein) + seite(Stern1, Sakura, fein) + seite(Stern2, Sakura, fein) + winkel(A, Stern1, Stern2, 0.5*fein, gross) + pigment { + color bekannt + } + finish { + metallic + specular 0.9 + } +} + +union { + seite(A, Sakura, fein) + winkel(A, Sakura, Stern1, 0.5*fett, klein) + pigment { + color unbekannt + } + finish { + metallic + specular 0.9 + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/common.inc b/buch/papers/nav/images/common.inc index 2c0ae6e..7b861de 100644 --- a/buch/papers/nav/images/common.inc +++ b/buch/papers/nav/images/common.inc @@ -5,6 +5,7 @@ // #version 3.7; #include "colors.inc" +#include "macros.inc" global_settings { assumed_gamma 1 @@ -12,12 +13,6 @@ global_settings { #declare imagescale = 0.034; -#declare O = <0, 0, 0>; -#declare A = vnormalize(< 0, 1, 0>); -#declare B = vnormalize(< 1, 2, -8>); -#declare C = vnormalize(< 5, 1, 0>); -#declare P = vnormalize(< 5, -1, -7>); - camera { location <40, 20, -20> look_at <0, 0.24, -0.20> @@ -26,7 +21,7 @@ camera { } light_source { - <10, 10, -40> color White + <30, 10, -40> color White area_light <1,0,0> <0,0,1>, 10, 10 adaptive 1 jitter @@ -38,150 +33,3 @@ sky_sphere { } } -// -// draw an arrow from <from> to <to> with thickness <arrowthickness> with -// color <c> -// -#macro arrow(from, to, arrowthickness, c) -#declare arrowdirection = vnormalize(to - from); -#declare arrowlength = vlength(to - from); -union { - sphere { - from, 1.1 * arrowthickness - } - cylinder { - from, - from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, - arrowthickness - } - cone { - from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, - 2 * arrowthickness, - to, - 0 - } - pigment { - color c - } - finish { - specular 0.9 - metallic - } -} -#end - -#macro grosskreis(normale, staerke) -union { - #declare v1 = vcross(normale, <normale.x, normale.z, normale.y>); - #declare v1 = vnormalize(v1); - #declare v2 = vnormalize(vcross(v1, normale)); - #declare phisteps = 100; - #declare phistep = pi / phisteps; - #declare phi = 0; - #declare p1 = v1; - #while (phi < 2 * pi - phistep/2) - sphere { p1, staerke } - #declare phi = phi + phistep; - #declare p2 = v1 * cos(phi) + v2 * sin(phi); - cylinder { p1, p2, staerke } - #declare p1 = p2; - #end -} -#end - -#macro seite(p, q, staerke) - #declare n = vcross(p, q); - intersection { - grosskreis(n, staerke) - plane { -vcross(n, q) * vdot(vcross(n, q), p), 0 } - plane { -vcross(n, p) * vdot(vcross(n, p), q), 0 } - } -#end - -#macro winkel(w, p, q, staerke, r) - #declare n = vnormalize(w); - #declare pp = vnormalize(p - vdot(n, p) * n); - #declare qq = vnormalize(q - vdot(n, q) * n); - intersection { - sphere { O, 1 + staerke } - cone { O, 0, 1.2 * vnormalize(w), r } - plane { -vcross(n, qq) * vdot(vcross(n, qq), pp), 0 } - plane { -vcross(n, pp) * vdot(vcross(n, pp), qq), 0 } - } -#end - -#macro punkt(p, staerke) - sphere { p, 1.5 * staerke } -#end - -#macro dreieck(p, q, r, farbe) - #declare n1 = vnormalize(vcross(p, q)); - #declare n2 = vnormalize(vcross(q, r)); - #declare n3 = vnormalize(vcross(r, p)); - intersection { - plane { n1, 0 } - plane { n2, 0 } - plane { n3, 0 } - sphere { <0, 0, 0>, 1 + 0.001 } - pigment { - color farbe - } - finish { - metallic - specular 0.4 - } - } -#end - -#macro ebenerwinkel(a, p, q, s, r, farbe) - #declare n = vnormalize(-vcross(p, q)); - #declare np = vnormalize(-vcross(p, n)); - #declare nq = -vnormalize(-vcross(q, n)); -// arrow(a, a + n, 0.02, White) -// arrow(a, a + np, 0.01, Red) -// arrow(a, a + nq, 0.01, Blue) - intersection { - cylinder { a - (s/2) * n, a + (s/2) * n, r } - plane { np, vdot(np, a) } - plane { nq, vdot(nq, a) } - pigment { - farbe - } - finish { - metallic - specular 0.5 - } - } -#end - -#macro komplement(a, p, q, s, r, farbe) - #declare n = vnormalize(-vcross(p, q)); -// arrow(a, a + n, 0.015, Orange) - #declare m = vnormalize(-vcross(q, n)); -// arrow(a, a + m, 0.015, Pink) - ebenerwinkel(a, p, m, s, r, farbe) -#end - -#declare fett = 0.015; -#declare fein = 0.010; - -#declare klein = 0.3; -#declare gross = 0.4; - -#declare dreieckfarbe = rgb<0.6,0.6,0.6>; -#declare rot = rgb<0.8,0.2,0.2>; -#declare gruen = rgb<0,0.6,0>; -#declare blau = rgb<0.2,0.2,0.8>; - -#declare kugelfarbe = rgb<0.8,0.8,0.8>; -#declare kugeltransparent = rgbt<0.8,0.8,0.8,0.5>; - -#macro kugel(farbe) -sphere { - <0, 0, 0>, 1 - pigment { - color farbe - } -} -#end - diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf Binary files differindex 015bce7..fecaece 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov index e491075..336161c 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov @@ -3,8 +3,11 @@ // // (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule // +#version 3.7; #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, B, fett) seite(B, C, fett) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d10.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d10.pov new file mode 100644 index 0000000..2dd7c79 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d10.pov @@ -0,0 +1,46 @@ +// +// dreiecke3d10.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +erde() + +#declare Stern1 = Deneb; +#declare Stern2 = Spica; + +koordinatennetz(gitterfarbe, 9, 0.001) + +union { + seite(A, Stern1, 0.5*fein) + seite(A, Stern2, 0.5*fein) + seite(A, Sakura, 0.5*fein) + seite(Stern1, Sakura, 0.5*fein) + seite(Stern2, Sakura, 0.5*fein) + seite(Stern1, Stern2, 0.5*fein) + + punkt(A, fein) + punkt(Sakura, fett) + punkt(Deneb, fein) + punkt(Spica, fein) + punkt(Altair, fein) + punkt(Arktur, fein) + pigment { + color Red + } +} + +//arrow(<-1.3,0,0>, <1.3,0,0>, fein, White) +arrow(<0,-1.3,0>, <0,1.3,0>, fein, White) +//arrow(<0,0,-1.3>, <0,0,1.3>, fein, White) + +#declare imagescale = 0.044; + +camera { + location <40, 20, -20> + look_at <0, 0.24, -0.20> + right x * imagescale + up y * imagescale +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pdf Binary files differindex 6b3f09d..28af5fe 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov index c0625ce..9e57d22 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, B, fett) seite(B, C, fett) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf Binary files differindex 7d79455..4fc4fc1 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov index b6f64d5..bde780b 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, B, fett) seite(B, C, fett) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf Binary files differindex e1ea757..0d57fc2 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov index b6f17e3..08f266b 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugelfarbe) + union { seite(A, B, fein) seite(A, C, fein) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf Binary files differindex 0c86d36..a5dd0ae 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov index 188f181..1aac0dc 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, B, fein) seite(A, C, fein) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.pov index 191a1e7..6bbd1a9 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, B, fett) seite(A, C, fett) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov index aae5c6c..45dc5d6 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov @@ -5,6 +5,8 @@ // #include "common.inc" +kugel(kugeldunkel) + union { seite(A, C, fett) seite(A, P, fett) diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg Binary files differindex 52bd25e..f24ea33 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pdf Binary files differindex 9d630aa..da3b110 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pdf +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov index 9e9921a..dae7f67 100644 --- a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov @@ -93,4 +93,5 @@ object { dreieck(A, B, C, White) +kugel(kugeldunkel) diff --git a/buch/papers/nav/images/macros.inc b/buch/papers/nav/images/macros.inc new file mode 100644 index 0000000..20cb2ff --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/macros.inc @@ -0,0 +1,345 @@ +// +// macros.inc -- 3d Darstellung +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +// +// Dimensions +// +#declare fett = 0.015; +#declare fein = 0.010; + +#declare klein = 0.3; +#declare gross = 0.4; + +// +// colors +// +#declare dreieckfarbe = rgb<0.6,0.6,0.6>; +#declare rot = rgb<0.8,0.2,0.2>; +#declare gruen = rgb<0,0.6,0>; +#declare blau = rgb<0.2,0.2,0.8>; + +#declare bekannt = rgb<0.2,0.6,1>; +#declare unbekannt = rgb<1.0,0.6,0.8>; + +#declare kugelfarbe = rgb<0.8,0.8,0.8>; +#declare kugeldunkel = rgb<0.4,0.4,0.4>; +#declare kugeltransparent = rgbt<0.8,0.8,0.8,0.5>; + +#declare gitterfarbe = rgb<0.2,0.6,1>; +#declare gitterfarbe = rgb<1.0,0.8,0>; + +// +// Points Points +// +#declare O = <0, 0, 0>; +#declare Nordpol = vnormalize(< 0, 1, 0>); +#declare A = vnormalize(< 0, 1, 0>); +#declare B = vnormalize(< 1, 2, -8>); +#declare C = vnormalize(< 5, 1, 0>); +#declare P = vnormalize(< 5, -1, -7>); + +// +// \brief convert spherical coordinates to recctangular coordinates +// +// \param phi +// \param theta +// +#macro kugelpunkt(phi, theta) + < sin(theta) * cos(phi - pi), cos(theta), sin(theta) * sin(phi - pi) > +#end + +#declare Sakura = kugelpunkt(radians(140.2325498), radians(90 - 35.71548014)); +#declare Deneb = kugelpunkt(radians(191.9397759), radians(90 - 45.361194)); +#declare Spica = kugelpunkt(radians(82.9868559), radians(90 - (-11.279666))); +#declare Altair = kugelpunkt(radians(179.3616609), radians(90 - 8.928416)); +#declare Arktur = kugelpunkt(radians(95.5647759), radians(90 - 19.063222)); + +// +// draw an arrow from <from> to <to> with thickness <arrowthickness> with +// color <c> +// +#macro arrow(from, to, arrowthickness, c) +#declare arrowdirection = vnormalize(to - from); +#declare arrowlength = vlength(to - from); +union { + sphere { + from, 1.1 * arrowthickness + } + cylinder { + from, + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + arrowthickness + } + cone { + from + (arrowlength - 5 * arrowthickness) * arrowdirection, + 2 * arrowthickness, + to, + 0 + } + pigment { + color c + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare ntsteps = 100; + +// +// \brief Draw a circle +// +// \param b1 basis vector for a coordinate system of the plane containing +// the circle +// \param b2 the other basis vector +// \param o center of the circle +// \param thick diameter of the circular tube +// +#macro kreis(b1, b2, o, thick, maxwinkel) + #declare tpstep = pi / ntsteps; + #declare tp = tpstep; + #declare p1 = b1 + o; + sphere { p1, thick } + #declare tpstep = pi/ntsteps; + #while (tp < (maxwinkel - tpstep/2)) + #declare p2 = cos(tp) * b1 + sin(tp) * b2 + o; + cylinder { p1, p2, thick } + sphere { p2, thick } + #declare p1 = p2; + #declare tp = tp + tpstep; + #end + #if ((tp - tpstep) < maxwinkel) + #declare p2 = cos(maxwinkel) * b1 + sin(maxwinkel) * b2 + o; + cylinder { p1, p2, thick } + sphere { p2, thick } + #end +#end + +// +// \brief Draw a great circle +// +// \param normale the normal of the plane containing the great circle +// \param thick diameter +// +#macro grosskreis(normale, thick) + #declare other = < normale.y, -normale.x, normale.z >; + #declare b1 = vnormalize(vcross(other, normale)); + #declare b2 = vnormalize(vcross(normale, b1)); + kreis(b1, b2, <0,0,0>, thick, 2*pi) +#end + +// +// \brief Draw a circle of latitude +// +// \param theta latitude +// \param thick diameter +// +#macro breitenkreis(theta, thick) + #declare b1 = sin(theta) * kugelpunkt(0, pi/2); + #declare b2 = sin(theta) * kugelpunkt(pi/2, pi/2); + #declare o = < 0, cos(theta), 0 >; + kreis(b1, b2, o, thick, 2*pi) +#end + +// +// \brief Draw the great circle connecting the two points +// +// \param p first point +// \param q second point +// \param staerke diameter +// + +#macro seite(p, q, staerke) + #declare s1 = vnormalize(p); + #declare s2 = vnormalize(q); + #declare w = acos(vdot(s1, s2)); + #declare n = vnormalize(vcross(p, q)); + #declare s2 = vnormalize(vcross(n, s1)); + kreis(s1, s2, O, staerke, w) +#end + +// +// \brief Draw an angle +// +// \param w the edge where the angle is located +// \param p point on the first leg +// \param q point on the second leg +// \param r diameter of the angle +// +#macro winkel(w, p, q, staerke, r) + #declare n = vnormalize(w); + #declare pp = vnormalize(p - vdot(n, p) * n); + #declare qq = vnormalize(q - vdot(n, q) * n); + intersection { + sphere { O, 1 + staerke } + cone { O, 0, 1.2 * vnormalize(w), r } + plane { -vcross(n, qq) * vdot(vcross(n, qq), pp), 0 } + plane { -vcross(n, pp) * vdot(vcross(n, pp), qq), 0 } + } +#end + +// +// \brief Draw a point on the sphere as a circle +// +// \param p the point +// \param staerke the diameter of the point +// +#macro punkt(p, staerke) + sphere { p, 1.5 * staerke } +#end + +// +// \brief Draw a circle as a part of the differently colored cutout from +// the sphere +// +// \param p first point of the triangle +// \param q second point of the triangle +// \param r third point of the triangle +// \param farbe color +// +#macro dreieck(p, q, r, farbe) + #declare n1 = vnormalize(vcross(p, q)); + #declare n2 = vnormalize(vcross(q, r)); + #declare n3 = vnormalize(vcross(r, p)); + intersection { + plane { n1, 0 } + plane { n2, 0 } + plane { n3, 0 } + sphere { <0, 0, 0>, 1 + 0.001 } + pigment { + color farbe + } + finish { + metallic + specular 0.4 + } + } +#end + +// +// \brief +// +// \param a axis of the angle +// \param p first leg +// \param q second leg +// \param s thickness of the angle disk +// \param r radius of the angle disk +// \param farbe color +// +#macro ebenerwinkel(a, p, q, s, r, farbe) + #declare n = vnormalize(-vcross(p, q)); + #declare np = vnormalize(-vcross(p, n)); + #declare nq = -vnormalize(-vcross(q, n)); +// arrow(a, a + n, 0.02, White) +// arrow(a, a + np, 0.01, Red) +// arrow(a, a + nq, 0.01, Blue) + intersection { + cylinder { a - (s/2) * n, a + (s/2) * n, r } + plane { np, vdot(np, a) } + plane { nq, vdot(nq, a) } + pigment { + farbe + } + finish { + metallic + specular 0.5 + } + } +#end + +// +// \brief Show the complement angle +// +// +#macro komplement(a, p, q, s, r, farbe) + #declare n = vnormalize(-vcross(p, q)); +// arrow(a, a + n, 0.015, Orange) + #declare m = vnormalize(-vcross(q, n)); +// arrow(a, a + m, 0.015, Pink) + ebenerwinkel(a, p, m, s, r, farbe) +#end + +// +// \brief Show a coordinate grid on the sphere +// +// \param farbe the color of the grid +// \param thick the line thickness +// +#macro koordinatennetz(farbe, netzschritte, thick) +union { + // circles of latitude + #declare theta = pi/(2*netzschritte); + #declare thetastep = pi/(2*netzschritte); + #while (theta < pi - thetastep/2) + breitenkreis(theta, thick) + #declare theta = theta + thetastep; + #end + // cirles of longitude + #declare phi = 0; + #declare phistep = pi/(2*netzschritte); + #while (phi < pi-phistep/2) + grosskreis(kugelpunkt(phi, pi/2), thick) + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +// +// \brief Display a color of given color +// +// \param farbe the color +// +#macro kugel(farbe) +sphere { + <0, 0, 0>, 1 + pigment { + color farbe + } +} +#end + +// +// \brief Display the earth +// +#macro erde(winkel) +sphere { + <0, 0, 0>, 1 + pigment { + image_map { + png "2k_earth_daymap.png" gamma 1.0 + map_type 1 + } + } + rotate <0,winkel,0> +} +#end + +// +// achse +// +#macro achse(durchmesser, farbe) + cylinder { + < 0, -1.2, 0 >, <0, 1.2, 0 >, durchmesser + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + } +#end diff --git a/buch/papers/nav/images/position/2k_earth_daymap.png b/buch/papers/nav/images/position/2k_earth_daymap.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4d55da8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/2k_earth_daymap.png diff --git a/buch/papers/nav/images/position/Makefile b/buch/papers/nav/images/position/Makefile new file mode 100644 index 0000000..eed2e56 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/Makefile @@ -0,0 +1,69 @@ +# +# Makefile to build images +# +# (c) 2022 +# +all: position + +POSITION = \ + position1.pdf position1-small.pdf \ + position2.pdf position2-small.pdf \ + position3.pdf position3-small.pdf \ + position4.pdf position4-small.pdf \ + position5.pdf position5-small.pdf + +position: $(POSITION) + +POVRAYOPTIONS = -W1080 -H1080 +#POVRAYOPTIONS = -W480 -H480 + +position1.png: position1.pov common.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Oposition1.png position1.pov +position1.jpg: position1.png + convert position1.png -density 300 -units PixelsPerInch position1.jpg +position1.pdf: position1.tex common.tex position1.jpg + pdflatex position1.tex + +position2.png: position2.pov common.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Oposition2.png position2.pov +position2.jpg: position2.png + convert position2.png -density 300 -units PixelsPerInch position2.jpg +position2.pdf: position2.tex common.tex position2.jpg + pdflatex position2.tex + +position3.png: position3.pov common.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Oposition3.png position3.pov +position3.jpg: position3.png + convert position3.png -density 300 -units PixelsPerInch position3.jpg +position3.pdf: position3.tex common.tex position3.jpg + pdflatex position3.tex + +position4.png: position4.pov common.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Oposition4.png position4.pov +position4.jpg: position4.png + convert position4.png -density 300 -units PixelsPerInch position4.jpg +position4.pdf: position4.tex common.tex position4.jpg + pdflatex position4.tex + +position5.png: position5.pov common.inc ../macros.inc + povray +A0.1 $(POVRAYOPTIONS) -Oposition5.png position5.pov +position5.jpg: position5.png + convert position5.png -density 300 -units PixelsPerInch position5.jpg +position5.pdf: position5.tex common.tex position5.jpg + pdflatex position5.tex + +position1-small.pdf: position1-small.tex common.tex position1.jpg + pdflatex position1-small.tex +position2-small.pdf: position2-small.tex common.tex position2.jpg + pdflatex position2-small.tex +position3-small.pdf: position3-small.tex common.tex position3.jpg + pdflatex position3-small.tex +position4-small.pdf: position4-small.tex common.tex position4.jpg + pdflatex position4-small.tex +position5-small.pdf: position5-small.tex common.tex position5.jpg + pdflatex position5-small.tex + +test: test.pdf + +test.pdf: test.tex $(POSITION) + pdflatex test.tex diff --git a/buch/papers/nav/images/position/common-small.tex b/buch/papers/nav/images/position/common-small.tex new file mode 100644 index 0000000..9430608 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/common-small.tex @@ -0,0 +1,32 @@ +% +% common.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +\def\labelA{\node at (0.7,3.8) {$A$};} +\def\labelB{\node at (-3.4,-0.8) {$B$};} +\def\labelC{\node at (3.3,-2.1) {$C$};} +\def\labelP{\node at (-1.4,-3.5) {$P$};} + +\def\labelc{\node at (-1.9,2.1) {$c$};} +\def\labela{\node at (-0.2,-1.2) {$a$};} +\def\labelb{\node at (2.6,1.5) {$b$};} + +\def\labelhb{\node at (-2.6,-2.2) {$h_B$};} +\def\labelhc{\node at (1,-2.9) {$h_C$};} +\def\labell{\node at (-0.7,0.3) {$l$};} + +\def\labelalpha{\node at (0.6,2.85) {$\alpha$};} +\def\labelbeta{\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$};} +\def\labelgamma{\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$};} +\def\labelomega{\node at (0.85,3.3) {$\omega$};} + +\def\labelgammaone{\node at (2.1,-2.0) {$\gamma_1$};} +\def\labelgammatwo{\node at (2.3,-1.3) {$\gamma_2$};} +\def\labelbetaone{\node at (-2.4,-1.4) {$\beta_1$};} +\def\labelbetatwo{\node at (-2.5,-0.8) {$\beta_2$};} + +\def\labelomegalinks{\node at (0.25,3.25) {$\omega$};} +\def\labelomegarechts{\node at (0.85,3.1) {$\omega$};} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/common.inc b/buch/papers/nav/images/position/common.inc new file mode 100644 index 0000000..56e2836 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/common.inc @@ -0,0 +1,39 @@ +// +// common.inc -- 3d Darstellung +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" +#include "../macros.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.034; + +camera { + location <40, 20, -20> + look_at <0, 0.24, -0.20> + right x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + <30, 10, -40> color White + area_light <1,0,0> <0,0,1>, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color rgb<1,1,1> + } +} + +//kugel(kugeldunkel) +erde(-100) +koordinatennetz(gitterfarbe, 9, 0.001) +achse(fein, White) diff --git a/buch/papers/nav/images/position/common.tex b/buch/papers/nav/images/position/common.tex new file mode 100644 index 0000000..9430608 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/common.tex @@ -0,0 +1,32 @@ +% +% common.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +\def\labelA{\node at (0.7,3.8) {$A$};} +\def\labelB{\node at (-3.4,-0.8) {$B$};} +\def\labelC{\node at (3.3,-2.1) {$C$};} +\def\labelP{\node at (-1.4,-3.5) {$P$};} + +\def\labelc{\node at (-1.9,2.1) {$c$};} +\def\labela{\node at (-0.2,-1.2) {$a$};} +\def\labelb{\node at (2.6,1.5) {$b$};} + +\def\labelhb{\node at (-2.6,-2.2) {$h_B$};} +\def\labelhc{\node at (1,-2.9) {$h_C$};} +\def\labell{\node at (-0.7,0.3) {$l$};} + +\def\labelalpha{\node at (0.6,2.85) {$\alpha$};} +\def\labelbeta{\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$};} +\def\labelgamma{\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$};} +\def\labelomega{\node at (0.85,3.3) {$\omega$};} + +\def\labelgammaone{\node at (2.1,-2.0) {$\gamma_1$};} +\def\labelgammatwo{\node at (2.3,-1.3) {$\gamma_2$};} +\def\labelbetaone{\node at (-2.4,-1.4) {$\beta_1$};} +\def\labelbetatwo{\node at (-2.5,-0.8) {$\beta_2$};} + +\def\labelomegalinks{\node at (0.25,3.25) {$\omega$};} +\def\labelomegarechts{\node at (0.85,3.1) {$\omega$};} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position1-small.pdf b/buch/papers/nav/images/position/position1-small.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ba7755f --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position1-small.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position1-small.tex b/buch/papers/nav/images/position/position1-small.tex new file mode 100644 index 0000000..05fad44 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position1-small.tex @@ -0,0 +1,55 @@ +% +% position1-small.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common-small.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=0.625] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=5cm]{position1.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelB +\labelC +\labelP + +\labelc +\labela +\labelb +\labell + +\labelhb +\labelhc + +\labelalpha +\labelomega + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position1.pdf b/buch/papers/nav/images/position/position1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fc4f760 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position1.pov b/buch/papers/nav/images/position/position1.pov new file mode 100644 index 0000000..a79a9f1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position1.pov @@ -0,0 +1,71 @@ +// +// position1.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "common.inc" + +union { + seite(B, C, fett) + punkt(A, fett) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +union { + seite(A, P, fett) + pigment { + color rot + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + + +union { + seite(A, B, fett) + seite(A, C, fett) + seite(B, P, fett) + seite(C, P, fett) + pigment { + color bekannt + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, B, C, fein, gross) + pigment { + color bekannt + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, P, C, fett, klein) + pigment { + color rot + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position1.tex b/buch/papers/nav/images/position/position1.tex new file mode 100644 index 0000000..d6c21c3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position1.tex @@ -0,0 +1,55 @@ +% +% dreieck3d1.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{position1.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelB +\labelC +\labelP + +\labelc +\labela +\labelb +\labell + +\labelhb +\labelhc + +\labelalpha +\labelomega + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position2-small.pdf b/buch/papers/nav/images/position/position2-small.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3333dd4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position2-small.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position2-small.tex b/buch/papers/nav/images/position/position2-small.tex new file mode 100644 index 0000000..e5c33cf --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position2-small.tex @@ -0,0 +1,53 @@ +% +% position2-small.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common-small.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=0.625] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=5cm]{position2.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelA +\labelB +\labelC + +\labelc +\labela +\labelb + +\begin{scope}[yshift=0.3cm,xshift=0.1cm] +\labelalpha +\end{scope} +\labelbeta +\labelgamma + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position2.pdf b/buch/papers/nav/images/position/position2.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 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Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{txfonts} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage{graphics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usepackage{ifthen} +\begin{document} + +\input{common-small.tex} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=0.625] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=5cm]{position3.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw[step=0.5,line width=0.4pt] (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\draw (-\breite,-\hoehe) grid (\breite, \hoehe); +\fill (0,0) circle[radius=0.05]; +}{} + +\labelB +\labelC +\labelP + +\labela + +\labelhb +\labelhc + +\labelbetaone +\labelgammaone + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position3.pdf 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+Aenean +commodo ligula eget dolor. +Aenean massa. +Cum sociis natoque penatibus +et magnis dis parturient montes, nascetur ridiculus mus. +Donec quam +felis, ultricies nec, pellentesque eu, pretium quis, sem. +Nulla +consequat massa quis enim. +Donec pede justo, fringilla vel, aliquet +nec, vulputate eget, arcu. +In enim justo, rhoncus ut, imperdiet a, +venenatis vitae, justo. +Nullam dictum felis eu pede mollis pretium. +Integer tincidunt. +Cras dapibus. +Vivamus elementum semper nisi. +Aenean vulputate eleifend tellus. +Aenean leo ligula, porttitor eu, +consequat vitae, eleifend ac, enim. +Aliquam lorem ante, dapibus in, +viverra quis, feugiat a, tellus. + +\begin{wrapfigure}{R}{5.2cm} +\includegraphics{position2-small.pdf} +\end{wrapfigure} +Maecenas tempus, tellus eget condimentum rhoncus, sem quam semper +libero, sit amet adipiscing sem neque sed ipsum. Nam quam nunc, +blandit vel, luctus pulvinar, hendrerit id, lorem. Maecenas nec +odio et ante tincidunt tempus. Donec vitae sapien ut libero venenatis +faucibus. Nullam quis ante. Etiam sit amet orci eget eros faucibus +tincidunt. Duis leo. Sed fringilla mauris sit amet nibh. Donec +sodales sagittis magna. Sed consequat, leo eget bibendum sodales, +augue velit cursus nunc, quis gravida magna mi a libero. Fusce +vulputate eleifend sapien. Vestibulum purus quam, scelerisque ut, +mollis sed, nonummy id, metus. Nullam accumsan lorem in dui. Cras +ultricies mi eu turpis hendrerit fringilla. Vestibulum ante ipsum +primis in faucibus orci luctus et ultrices posuere cubilia Curae; + +\pagebreak + +\begin{wrapfigure}{R}{5.2cm} +\includegraphics{position3-small.pdf} +\end{wrapfigure} +Integer ante arcu, accumsan a, consectetuer eget, posuere ut, mauris. +Praesent adipiscing. Phasellus ullamcorper ipsum rutrum nunc. Nunc +nonummy metus. Vestibulum volutpat pretium libero. 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Pellentesque ut +neque. Pellentesque habitant morbi tristique senectus et netus et +malesuada fames ac turpis egestas. In dui magna, posuere eget, +vestibulum et, tempor auctor, justo. In ac felis quis tortor malesuada +pretium. Pellentesque auctor neque nec urna. + +\pagebreak + +\begin{wrapfigure}{R}{5.2cm} +\includegraphics{position5-small.pdf} +\end{wrapfigure} +Proin sapien ipsum, porta a, auctor quis, euismod ut, mi. Aenean +viverra rhoncus pede. Pellentesque habitant morbi tristique senectus +et netus et malesuada fames ac turpis egestas. Ut non enim eleifend +felis pretium feugiat. Vivamus quis mi. Phasellus a est. Phasellus +magna. In hac habitasse platea dictumst. Curabitur at lacus ac velit +ornare lobortis. Curabitur a felis in nunc fringilla tristique. +Morbi mattis ullamcorper velit. Phasellus gravida semper nisi. +Nullam vel sem. Pellentesque libero tortor, tincidunt et, tincidunt +eget, semper nec, quam. Sed hendrerit. Morbi ac felis. 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Etiam feugiat lorem non metus. Vestibulum dapibus +nunc ac augue. Curabitur vestibulum aliquam leo. Praesent egestas +neque eu enim. In hac habitasse platea dictumst. Fusce a quam. Etiam +ut purus mattis mauris + +\end{document} diff --git a/buch/papers/nav/main.tex b/buch/papers/nav/main.tex index 47764e8..4c52547 100644 --- a/buch/papers/nav/main.tex +++ b/buch/papers/nav/main.tex @@ -3,7 +3,7 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Spährische Navigation\label{chapter:nav}} +\chapter{Sphärische Navigation\label{chapter:nav}} \lhead{Sphärische Navigation} \begin{refsection} \chapterauthor{Enez Erdem und Marc Kühne} @@ -19,3 +19,4 @@ \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} + diff --git a/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex b/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex index c1ad38a..d8a14af 100644 --- a/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex +++ b/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex @@ -1,53 +1,29 @@ \section{Das Nautische Dreieck} \subsection{Definition des Nautischen Dreiecks} -Ursprünglich ist das nautische Dreieck ein Hilfsmittel der sphärischen Astronomie um die momentane Position eines Fixsterns oder Planeten an der Himmelskugel. Die Himmelskugel ist eine gedachte Kugel, welche die Erde und dessen Beobachter umgibt und als Rechenfläche für Koordinaten in der Astronomie und Geodäsie dient. -Das nautische Dreieck definiert sich durch folgende Ecken: Zenit, Gestirn und Himmelspol. - Der Zenit ist jener Punkt, der vom Erdmittelpunkt durch denn eigenen Standort an die Himmelskugel verlängert wird. Ein Gestirn ist ein Planet oder ein Fixstern, zu welchen es diverse Jahrbücher mit allen astronomischen Eigenschaften gibt. Der Himmelspol ist der Nordpol an die Himmelskugel projiziert. +Das nautische Dreieck hat die Ecken Zenit, Gestirn und Himmelspol, wie man in der Abbildung 21.5 sehen kann. -Zur Anwendung der Formeln der sphärischen Trigonometrie gelten folgende einfache Zusammenhänge: -\begin{itemize} - \item Seitenlänge Zenit zu Himmelspol $= \frac{\pi}{2} - \phi $ - \item Seitenlänge Himmelspol zu Gestirn $= \frac{\pi}{2} - \delta$ - \item Seitenlänge Zenit zu Gestirn $= \frac{\pi}{2} - h$ - \item Winkel von Zenit zu Himmelsnordpol zu Gestirn$=\pi - \alpha$ - \item Winkel von Himmelsnordpol zu Zenit und Gestirn$= \tau$ -\end{itemize} -Um mit diesen Zusammenhängen zu rechnen benötigt man folgende Legende: -\begin{center} - \begin{tabular}{ c c c } - Winkel && Name / Beziehung \\ - \hline - $\alpha$ && Rektaszension \\ - $\delta$ && Deklination \\ - $\theta$ && Sternzeit von Greenwich\\ - $\phi$ && Geographische Breite\\ - $\tau=\theta-\alpha$ && Stundenwinkel und Längengrad des Gestirns. \\ - $a$ && Azimut\\ - $h$ && Höhe - \end{tabular} -\end{center} +Ursprünglich ist das nautische Dreieck ein Hilfsmittel der sphärischen Astronomie um die momentane Position eines Fixsterns oder Planeten an der Himmelskugel zu bestimmen. -\subsection{Zusammenhang des nautischen Dreiecks und des Kugeldreiecks auf der Erdkugel} +\subsection{Das Bilddreieck} \begin{figure} \begin{center} - \includegraphics[height=5cm,width=8cm]{papers/nav/bilder/kugel3.png} + \includegraphics[width=8cm]{papers/nav/bilder/kugel3.png} \caption[Nautisches Dreieck]{Nautisches Dreieck} \end{center} \end{figure} - -Wie man im oberen Bild sieht, liegt das nautische Dreieck auf der Himmelskugel mit den Ecken Zenit, Gestirn und Himmelsnordpol. -Das selbe Dreieck kann man aber auch auf die Erdkugel projizieren und es hat dann die Ecken Standort, Bildpunkt und Nordpol. -Als Bildpunkt wird in der astronomischen Navigation der Punkt bezeichnet, an dem eine gedachte Linie vom Mittelpunkt eines beobachteten Gestirns zum Mittelpunkt der Erde die Erdoberfläche schneidet. - + Man kann das nautische Dreieck auf die Erdkugel projizieren. +Dieses Dreieck nennt man dann Bilddreieck. +Als Bildpunkt wird in der astronomischen Navigation der Punkt bezeichnet, an dem eine gedachte Linie vom Mittelpunkt eines beobachteten Gestirns zum Mittelpunkt der Erde die Erdoberfläche schneidet. +Die Projektion auf der Erdkugel hat die Ecken Nordpol, Standort und Bildpunkt. \section{Standortbestimmung ohne elektronische Hilfsmittel} -Um den eigenen Standort herauszufinden, wird in diesem Kapitel die Projektion Nautische Dreieck auf der Erdkugel zur Hilfe genommen. -Mithilfe einiger Hilfsmittel und der Sphärischen Trigonometrie kann man dann die Längen- und Breitengrade des eigenen Standortes bestimmen. - +Um den eigenen Standort herauszufinden, wird in diesem Kapitel die Projektion des nautische Dreiecks auf die Erdkugel zur Hilfe genommen. +Mithilfe eines Sextanten, einem Jahrbuch und der sphärischen Trigonometrie kann man dann die Längen- und Breitengrade des eigenen Standortes bestimmen. +Was ein Sextant und ein Jahrbuch ist, wird im Abschnitt 21.6.3 erklärt. \begin{figure} \begin{center} \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/dreieck.pdf} @@ -60,57 +36,63 @@ Mithilfe einiger Hilfsmittel und der Sphärischen Trigonometrie kann man dann di \subsection{Ecke $P$ und $A$} Unser eigener Standort ist der gesuchte Ecke $P$ und die Ecke $A$ ist in unserem Fall der Nordpol. -Der Vorteil ander Idee des Nautischen Dreiecks ist, dass eine Ecke immer der Nordpol ist. -Somit ist diese Ecke immer bekannt und nur deswegen sind die Zusammenhänge von Rektaszension, Sternzeit und Deklination so simpel. +Der Vorteil an der Idee des nautischen Dreiecks ist, dass eine Ecke immer der Nordpol ist. +Somit ist diese Ecke immer bekannt und nur deswegen sind die Zusammenhänge von Rektaszension, Sternzeit und Deklination so einfach. -\subsection{Ecke $B$ und $C$ - Bildpunkt X und Y} +\subsection{Ecke $B$ und $C$ - Bildpunkt von $X$ und $Y$} Für die Standortermittlung benötigt man als weiteren Punkt ein Gestirn bzw. seinen Bildpunkt auf der Erdkugel. Damit das trigonometrische Rechnen einfacher wird, werden hier zwei Gestirne zur Hilfe genommen. Es gibt diverse Gestirne, die man nutzen kann wie zum Beispiel die Sonne, der Mond oder die vier Navigationsplaneten Venus, Mars, Jupiter und Saturn. +Die Bildpunkte von den beiden Gestirnen $X$ und $Y$ bilden die beiden Ecken $B$ und $C$ im Dreieck der Abbildung 21.5. \subsection{Ephemeriden} -Zu all diesen Gestirnen gibt es Ephemeriden, die man auch Jahrbücher nennt. -In diesen findet man Begriffe wie Rektaszension, Deklination und Sternzeit. -Da diese Angaben in Stundenabständen gegeben sind, muss man für die minutengenaue Bestimmung zwischen den Stunden interpolieren. -Was diese Begriffe bedeuten, wird in den kommenden beiden Abschnitten erklärt. +Zu all diesen Gestirnen gibt es Ephemeriden. +Diese enthalten die Rektaszensionen und Deklinationen in Abhängigkeit von der Zeit. \begin{figure} \begin{center} - \includegraphics[width=18cm]{papers/nav/bilder/ephe.png} - \caption[Astrodienst - Ephemeriden Januar 2022]{Astrodienst - Ephemeriden Januar 2022} + \includegraphics[width=\textwidth]{papers/nav/bilder/ephe.png} + \caption[Nautical Almanac Mai 2002]{Nautical Almanac Mai 2002} \end{center} \end{figure} \subsubsection{Deklination} -Die Deklination $\delta$ beschreibt den Winkel zwischen dem Himmelsäquator und Gestirn und ergibt schlussendlich den Breitengrad. +Die Deklination $\delta$ beschreibt den Winkel zwischen dem Himmelsäquator und Gestirn und entspricht dem Breitengrad des Gestirns. + +\subsubsection{Rektaszension und Sternzeit} +Die Rektaszension $\alpha$ gibt an, in welchem Winkel das Gestirn zum Frühlingspunkt, welcher der Nullpunkt auf dem Himmelsäquator ist, steht und geht vom Koordinatensystem der Himmelskugel aus. -\subsubsection{Sternzeit und Rektaszension} -Die Rektaszension $\alpha$ gibt an, in welchem Winkel das Gestirn zum Frühlingspunkt steht und geht vom Koordinatensystem der Himmelskugel aus. -Der Frühlungspunkt ist der Nullpunkt auf dem Himmelsäquator. Die Tatsache, dass sich die Himmelskugel ca. vier Minuten schneller um die eigene Achse dreht als die Erdkugel, stellt hier ein kleines Problem dar. Die Lösung ist die Sternzeit. -Mit dieser können wir die schnellere Drehung der Himmelskugel ausgleichen und können die -Am Frühlingspunkt (21. März) 12:00 Uhr ist die Sternzeit -$\theta = 0$. +Mit dieser können wir die schnellere Drehung der Himmelskugel ausgleichen und können die am Frühlingspunkt (21. März) 12:00 Uhr ist die Sternzeit $\theta = 0$. Die Sternzeit geht vom Frühlungspunkt aus, an welchem die Sonne den Himmelsäquator schneidet. Für die Standortermittlung auf der Erdkugel ist es am einfachsten, wenn man die Sternzeit von Greenwich berechnet. -Für die Sternzeit von Greenwich $\theta $braucht man als erstes das Julianische Datum $T$ vom aktuellen Tag, welches sich leicht recherchieren lässt. +Für die Sternzeit von Greenwich $\theta$ braucht man als erstes das Julianische Datum $T$ vom aktuellen Tag, welches sich leicht nachschlagen lässt. Im Anschluss berechnet man die Sternzeit von Greenwich -$\theta = 6^h 41^m 50^s,54841 + 8640184^s,812866 \cdot T + 0^s,093104 \cdot T^2 - 0^s,0000062 \cdot T^3$. +\[\theta = 6^h 41^m 50^s,54841 + 8640184^s,812866 \cdot T + 0^s,093104 \cdot T^2 - 0^s,0000062 \cdot T^3.\] -Wenn mann die Sternzeit von Greenwich ausgerechnet hat, kann man den Längengrad des Gestirns $\lambda = \theta - \alpha$ mithilfe der Rektaszension und Sternzeit von Greenwich bestimmen. +Wenn man die Sternzeit von Greenwich ausgerechnet hat, kann man den Längengrad des Gestirns $\lambda = \theta - \alpha$ bestimmen, wobei $\alpha$ die Rektaszension und $\theta$ die Sternzeit von Greenwich ist. Dies gilt analog auch für das zweite Gestirn. +\subsubsection{Sextant} +Ein Sextant ist ein nautisches Messinstrument, mit dem man den Winkel zwischen der Blickrichtung zu weit entfernten Objekten bestimmen kann. Es wird vor allem der Winkelabstand zu Gestirnen gemessen. +Man benutzt ihn vor allem für die astronomische Navigation auf See. -\subsection{Bestimmung des eigenen Standortes P} +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/sextant.jpg} + \caption[Sextant]{Sextant} + \end{center} +\end{figure} +\subsection{Bestimmung des eigenen Standortes $P$} Nun hat man die Koordinaten der beiden Gestirne und man weiss die Koordinaten des Nordpols. Damit wir unseren Standort bestimmen können, bilden wir zuerst das Dreieck $ABC$, dann das Dreieck $BPC$ und zum Schluss noch das Dreieck $ABP$. Mithilfe dieser Dreiecken können wir die einfachen Sätze der sphärischen Trigonometrie anwenden und benötigen lediglich ein Ephemeride zu den Gestirnen und einen Sextant. \begin{figure} \begin{center} - \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/dreieck.pdf} + \includegraphics[width=8cm]{papers/nav/bilder/dreieck.pdf} \caption[Dreieck für die Standortbestimmung]{Dreieck für die Standortbestimmung} \end{center} \end{figure} @@ -128,15 +110,15 @@ Mithilfe dieser Dreiecken können wir die einfachen Sätze der sphärischen Trig \end{tabular} \end{center} -Mithilfe des sphärischen Trigonometrie und den darausfolgenden Zusammenhängen des Nautischen Dreiecks können wir nun alle Seiten des Dreiecks $ABC$ berechnen. +Mit unserem erlangten Wissen können wir nun alle Seiten des Dreiecks $ABC$ berechnen. -Die Seitenlänge der Seite "Nordpol zum Bildpunkt X" sei $c$. +Die Seite vom Nordpol zum Bildpunkt $X$ sei $c$. Dann ist $c = \frac{\pi}{2} - \delta_1$. -Die Seitenlänge der Seite "Nordpol zum Bildpunkt Y" sei $b$. +Die Seite vom Nordpol zum Bildpunkt $Y$ sei $b$. Dann ist $b = \frac{\pi}{2} - \delta_2$. -Der Innenwinkel beim der Ecke "Nordpol" sei $\alpha$. +Der Innenwinkel bei der Ecke, wo der Nordpol ist sei $\alpha$. Dann ist $ \alpha = |\lambda_1 - \lambda_2|$. mit @@ -144,55 +126,49 @@ mit \begin{tabular}{ c c c } Ecke && Name \\ \hline - $\delta_1$ && Deklination Bildpunkt $X$ \\ - $\delta_2$ && Deklination Bildpunk $Y$ \\ - $\lambda_1 $&& Längengrad Bildpunkt $X$\\ - $\lambda_2$ && Längengrad Bildpunkt $Y$ + $\delta_1$ && Deklination vom Bildpunkt $X$ \\ + $\delta_2$ && Deklination vom Bildpunk $Y$ \\ + $\lambda_1 $&& Längengrad vom Bildpunkt $X$\\ + $\lambda_2$ && Längengrad vom Bildpunkt $Y$ \end{tabular} \end{center} -Wichtig ist: Die Differenz der Längengrade ist gleich der Innenwinkel Alpha, deswegen der Betrag! - -Nun haben wir die beiden Seiten $c\ und\ b$ und den Winkel $\alpha$, der sich zwischen diesen Seiten befindet. +Nun haben wir die beiden Seiten $c$ und $b$ und den Winkel $\alpha$, der sich zwischen diesen Seiten befindet. Mithilfe des Seiten-Kosinussatzes $\cos(a) = \cos(b)\cdot \cos(c) + \sin(b) \cdot \sin(c)\cdot \cos(\alpha)$ können wir nun die dritte Seitenlänge bestimmen. Es ist darauf zu achten, dass hier natürlich die Seitenlängen in Bogenmass sind und dementsprechend der Kosinus und Sinus verwendet wird. -Jetzt fehlen noch die beiden anderen Innenwinkel $\beta \ und\ \gamma$. -Diese bestimmen wir mithilfe des Sinussatzes $\frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)}$. +Jetzt fehlen noch die beiden anderen Innenwinkel $\beta$ und\ $\gamma$. +Diese bestimmen wir mithilfe des Sinussatzes \[\frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)}.\] Hier muss man aufpassen, dass man Seite von Winkel unterscheiden kann. Im Zähler sind die Seiten, im Nenner die Winkel. -Somit ist $\beta =\sin^{-1} [\sin(b) \cdot \frac{\sin(\alpha)}{\sin(a)}] $. +Somit ist \[\beta =\sin^{-1} [\sin(b) \cdot \frac{\sin(\alpha)}{\sin(a)}].\] -Schlussendlich haben wir die Seiten $a,b\ und \ c$, die Ecken A,B und C und die Winkel $\alpha, \beta \ und \ \gamma$ bestimmt und somit das ganze erste Kugeldreieck berechnet. +Schlussendlich haben wir die Seiten $a,b\ und \ c$, die Ecken A,B und C und die Winkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ bestimmt und somit das ganze Kugeldreieck $ABC$ berechnet. \subsubsection{Dreieck $BPC$} -Wir bilden nun ein zweites Dreieck, welches die Ecken B und C des ersten Dreiecks besitzt. -Die dritte Ecke ist der eigene Standort P. +Wir bilden nun ein zweites Dreieck, welches die Ecken $B$ und $C$ des ersten Dreiecks besitzt. +Die dritte Ecke ist der eigene Standort $P$. Unser Standort definiere sich aus einer geographischen Breite $\delta$ und einer geographischen Länge $\lambda$. -Die Seite von P zu B sei $pb$ und die Seite von P zu C sei $pc$. +Die Seite von $P$ zu $B$ sei $pb$ und die Seite von $P$ zu $C$ sei $pc$. Die beiden Seitenlängen kann man mit dem Sextant messen und durch eine einfache Formel bestimmen, nämlich $pb=\frac{\pi}{2} - h_{B}$ und $pc=\frac{\pi}{2} - h_{C}$ -mit $h_B=$ Höhe von Gestirn in B und $h_C=$ Höhe von Gestirn in C mit Sextant gemessen. +mit $h_B=$ Höhe von Gestirn in $B$ und $h_C=$ Höhe von Gestirn in $C$ mit Sextant gemessen. -Zum Schluss müssen wir noch den Winkel $\beta1$ mithilfe des Seiten-Kosinussatzes mit den bekannten Seiten $pc$, $pb$ und $a$ bestimmen. +Zum Schluss müssen wir noch den Winkel $\beta_1$ mithilfe des Seiten-Kosinussatzes \[\cos(pb)=\cos(pc)\cdot\cos(a)+\sin(pc)\cdot\sin(a)\cdot\cos(\beta_1)\] mit den bekannten Seiten $pc$, $pb$ und $a$ bestimmen. \subsubsection{Dreieck $ABP$} -Nun muss man eine Verbindungslinie ziehen zwischen P und A. Die Länge $l$ dieser Linie entspricht der gesuchten geographischen Breite $\delta$. Diese lässt sich mithilfe des Dreiecks $ABP$, den bekannten Seiten $c\ und \ pb$ und des Seiten-Kosinussatzes berechnen. - -Für den Seiten-Kosinussatz benötigt es noch $\kappa=\beta + \beta1$. - -Somit ist $\cos(l) = \cos(c)\cdot \cos(pb) + \sin(c) \cdot \sin(pb) \cdot \cos(\kappa)$ - +Nun muss man eine Verbindungslinie ziehen zwischen $P$ und $A$. Die Länge $l$ dieser Linie entspricht der gesuchten geographischen Breite $\delta$. Diese lässt sich mithilfe des Dreiecks $ABP$, den bekannten Seiten $c$ und $pb$ und des Seiten-Kosinussatzes berechnen. +Für den Seiten-Kosinussatz benötigt es noch $\kappa=\beta + \beta_1$. +Somit ist \[\cos(l) = \cos(c)\cdot \cos(pb) + \sin(c) \cdot \sin(pb) \cdot \cos(\kappa)\] und - \[ \delta =\cos^{-1} [\cos(c) \cdot \cos(pb) + \sin(c) \cdot \sin(pb) \cdot \cos(\kappa)]. \] -Für die Geographische Länge $\lambda$ des eigenen Standortes muss man den Winkel $\omega$, welcher sich im Dreieck $ACP$ in der Ecke bei $A$ befindet mithilfe des Sinussatzes $\frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)}$ bestimmen. - +Für die Geographische Länge $\lambda$ des eigenen Standortes muss man den Winkel $\omega$, welcher sich im Dreieck $ACP$ in der Ecke bei $A$ befindet. +Mithilfe des Sinussatzes \[\frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)}\] können wir das bestimmen. Somit ist \[ \omega=\sin^{-1}[\sin(pc) \cdot \frac{\sin(\gamma)}{\sin(l)}] \]und unsere gesuchte geographische Länge schlussendlich \[\lambda=\lambda_1 - \omega\] -mit $\lambda_1$=Längengrad Bildpunkt $X$ +wobei $\lambda_1$ die Länge des Bildpunktes $X$ von $C$ ist. diff --git a/buch/papers/nav/packages.tex b/buch/papers/nav/packages.tex index 5b87303..f2e6132 100644 --- a/buch/papers/nav/packages.tex +++ b/buch/papers/nav/packages.tex @@ -8,4 +8,5 @@ % following example %\usepackage{packagename} -\usepackage{amsmath}
\ No newline at end of file +\usepackage{amsmath} +\usepackage{cancel}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/nav/sincos.tex b/buch/papers/nav/sincos.tex index bb7f1e4..a1653e8 100644 --- a/buch/papers/nav/sincos.tex +++ b/buch/papers/nav/sincos.tex @@ -6,14 +6,18 @@ Es gibt Hinweise, dass sich schon die Babylonier und Ägypter vor 4000 Jahren si Jedoch konnten sie dieses Problem nicht lösen. Die Geschichte der sphärischen Trigonometrie ist daher eng mit der Astronomie verknüpft. Ca. 350 vor Christus dachten die Griechen über Kugelgeometrie nach und sie wurde zu einer Hilfswissenschaft der Astronomen. -In Folge werden auch die ersten Sätze aufgestellt und wenige Jahrhunderte später wurden Berechnungen mithilfe des Sternkataloges von Hipparchos angestellt und darauffolgend Kartenmaterial erstellt. -In dieser Zeit wurden auch die ersten Sternenkarten angefertigt, jedoch kannte man damals die Sinusfunktion noch nicht. +Zwischen 190 v. Chr. und 120 v. Chr. lebte ein griechischer Astronom names Hipparchos. +Dieser entwickelte unter anderem die Chordentafeln, welche die Chord - Funktionen, auch Chord genannt, beinhalten und im Abschnitt 3.1.1 beschrieben sind. +Chord ist der Vorgänger der Sinusfunktion und galt damals als wichtigste Grundlage der Trigonometrie. +In dieser Zeit wurden auch die ersten Sternenkarten angefertigt. Damals kannte man die Sinusfunktionen noch nicht. + Aus Indien stammten die ersten Ansätze zu den Kosinussätzen. Aufbauend auf den indischen und griechischen Forschungen entwickeln die Araber um das 9. Jahrhundert den Sinussatz. +Die Definition der trigonometrischen Funktionen ermöglicht nur, rechtwinklige Dreiecke zu berechnen. +Die Beziehung zwischen Seiten und Winkeln sind komplizierter und als Sinus- und Kosinussätze bekannt. Doch ein paar weitere Jahrhunderte vergingen bis zu diesem Thema wieder verstärkt Forschung betrieben wurde, da im 15. Jahrhundert grosse Entdeckungsreisen, hauptsächlich per Schiff, erfolgten und die Orientierung mit Sternen vermehrt an Wichtigkeit gewann. Man nutzte für die Kartographie nun die Kugelgeometrie, um die Genauigkeit zu erhöhen. Der Sinussatz, die Tangensfunktion und der neu entwickelte Seitenkosinussatz wurden in dieser Zeit bereits verwendet und im darauffolgenden Jahrhundert folgte der Winkelkosinussatz. - Durch weitere mathematische Entwicklungen wie den Logarithmus wurden im Laufe des nächsten Jahrhunderts viele neue Methoden und kartographische Anwendungen der Kugelgeometrie entdeckt. Im 19. und 20. Jahrhundert wurden weitere nicht-euklidische Geometrien entwickelt und die sphärische Trigonometrie fand auch ihre Anwendung in der Relativitätstheorie.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/nav/trigo.tex b/buch/papers/nav/trigo.tex index cf2f242..fa53189 100644 --- a/buch/papers/nav/trigo.tex +++ b/buch/papers/nav/trigo.tex @@ -1,34 +1,21 @@ \section{Sphärische Trigonometrie} -In der sphärischen Trigonometrie gibt es eine Symetrie zwischen Seiten und Winkel, also zu jedem Satz über Seiten und Winkel gibt es einen entsprechenden Satz, mit dem man Winkel durch Seiten und Seiten durch Winkel ersetzt hat. -Dabei gibt es folgenden Zusammenhang zwischen der ebenen- und sphärischen Trigonometrie: -\begin{center} - - -\begin{tabular}{ccc} - Eben & $\leftrightarrow$ & sphärisch \\ - \hline - $a$ & $\leftrightarrow$ & $\sin \ a$ \\ - - $a^2$ & $\leftrightarrow$ & $-\cos \ a$ \\ -\end{tabular} -\end{center} - \subsection{Das Kugeldreieck} +Damit man die Definition des Kugeldreiecks versteht, müssen wir zuerst Begriffe wie Grosskreisebene und Grosskreisbögen verstehen. +Ein Grosskreis ist ein grösstmöglicher Kreis auf einer Kugeloberfläche. +Sein Mittelpunkt fällt immer mit dem Mittelpunkt der Kugel zusammen und ein Schnitt auf dem Großkreis teilt die Kugel in jedem Fall in zwei gleich grosse Hälften. +Da es unendlich viele Möglichkeiten gibt, eine Kugel so zu zerschneiden, dass die Schnittebene den Kugelmittelpunkt trifft, gibt es auch unendlich viele Grosskreise. +Grosskreisbögen sind die kürzesten Verbindungslinien zwischen zwei Punkten auf der Kugel. -Werden drei voneinander verschiedene Punkte, die sich nicht auf derselben Grosskreisebene befinden, mit Grosskreisbögen verbunden, so entsteht ein Kugeldreieck $ABC$. +Werden drei voneinander verschiedene Punkte, die sich nicht auf derselben Grosskreisebene befinden, mit Grosskreisbögen verbunden werden, so entsteht ein Kugeldreieck $ABC$. Für ein Kugeldreieck gilt, dass die Summe der drei Seiten kleiner als $2\pi$ aber grösser als 0 ist. -$A$, $B$ und $C$ sind die Ecken des Dreiecks und dessen Seiten sind die Grosskreisbögen zwischen den Eckpunkten. -Ein Grosskreis ist ein größtmöglicher Kreis auf einer Kugeloberfläche. -Sein Mittelpunkt fällt immer mit dem Mittelpunkt der Kugel zusammen und ein Schnitt auf dem Großkreis teilt die Kugel in jedem Fall in zwei gleich grosse Hälften. +$A$, $B$ und $C$ sind die Ecken des Dreiecks und dessen Seiten sind die Grosskreisbögen zwischen den Eckpunkten (siehe Abbildung 21.2). -Da es unendlich viele Möglichkeiten gibt, eine Kugel so zu zerschneiden, dass die Schnittebene den Kugelmittelpunkt trifft, gibt es auch unendlich viele Grosskreise. Da die Länge der Grosskreisbögen wegen der Abhängigkeit vom Kugelradius ungeeignet ist, wird die Grösse einer Seite mit dem zugehörigen Mittelpunktwinkel des Grosskreisbogens angegeben. -Laut dieser Definition ist die Seite $c$ der Winkel $AMB$. +Laut dieser Definition ist die Seite $c$ der Winkel $AMB$, wobei der Punkt $M$ die Erdmitte ist. Man kann bei Kugeldreiecken nicht so einfach unterscheiden, was Innen oder Aussen ist. Wenn man drei Eckpunkte miteinander verbindet, ergeben sich immer 16 Kugeldreiecke. -Jenes Kugeldreieck mit den Seitenlängen $a, b, c < \pi$ und den Winkeln $\alpha, \beta, \gamma < \pi$ nennt man Eulersche Dreiecke. \begin{figure} \begin{center} @@ -38,11 +25,21 @@ Jenes Kugeldreieck mit den Seitenlängen $a, b, c < \pi$ und den Winkeln $\alpha \end{figure} -\subsection{Rechtwinkliges Dreieck und Rechtseitiges Dreieck} -Wie auch im uns bekannten Dreieck gibt es beim Kugeldreieck auch ein Rechtwinkliges Kugeldreieck, bei dem ein Winkel $\frac{\pi}{2}$ ist. -Ein Rechtseitiges Dreieck gibt es jedoch nur beim Kugeldreieck, weil dort eine Seitenlänge $\frac{\pi}{2}$ lang sein muss. +\subsection{Rechtwinkliges Dreieck und rechtseitiges Dreieck} +In der sphärischen Trigonometrie gibt es eine Symetrie zwischen Seiten und Winkel, also zu jedem Satz über Seiten und Winkel gibt es einen entsprechenden Satz, mit dem man Winkel durch Seiten und Seiten durch Winkel ersetzt hat. + +Wie auch im ebenen Dreieck gibt es beim Kugeldreieck auch ein rechtwinkliges Kugeldreieck, bei dem ein Winkel $\frac{\pi}{2}$ ist. +Ein Rechtseitiges Dreieck gibt es jedoch nur beim Kugeldreieck, weil dort eine Seitenlänge $\frac{\pi}{2}$ lang sein muss, wie man in der Abbildung 21.3 sehen kann. + +\begin{figure} + + \begin{center} + \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/recht.jpg} + \caption[Rechtseitiges Kugeldreieck]{Rechtseitiges Kugeldreieck} + \end{center} +\end{figure} -\subsection{Winkelsumme} +\subsection{Winkelsumme und Flächeninhalt} \begin{figure} \begin{center} @@ -55,8 +52,9 @@ Ein Rechtseitiges Dreieck gibt es jedoch nur beim Kugeldreieck, weil dort eine S Die Winkel eines Kugeldreiecks sind die, welche die Halbtangenten in den Eckpunkten einschliessen. Für die Summe der Innenwinkel gilt \begin{align} - \alpha+\beta+\gamma &= \frac{A}{r^2} + \pi \ \text{und} \ \alpha+\beta+\gamma > \pi. \nonumber + \alpha+\beta+\gamma &= \frac{F}{r^2} + \pi \quad \text{und} \quad \alpha+\beta+\gamma > \pi, \nonumber \end{align} +wobei $F$ der Flächeninhalt des Kugeldreiecks ist. \subsubsection{Sphärischer Exzess} Der sphärische Exzess \begin{align} @@ -65,34 +63,71 @@ Der sphärische Exzess beschreibt die Abweichung der Innenwinkelsumme von $\pi$ und ist proportional zum Flächeninhalt des Kugeldreiecks. \subsubsection{Flächeninnhalt} -Der Flächeninhalt $A$ lässt sich aus den Winkeln $\alpha,\ \beta, \ \gamma$ und dem Kugelradius $r$ berechnen. -\subsection{Sphärischer Sinussatz} -In jedem Dreieck ist das Verhältnis des Sinus einer Seite zum Sinus des Gegenwinkels konstant. +Mithilfe des Radius $r$ und dem sphärischen Exzess $\epsilon$ gilt für den Flächeninhalt +\[ F=\frac{\pi \cdot r^2}{\frac{\pi}{2}} \cdot \epsilon\]. + +\subsection{Seiten und Winkelberechnung} +Es gibt in der sphärischen Trigonometrie eigentlich gar keinen Satz des Pythagoras, wie man ihn aus der zweidimensionalen Geometrie kennt. +Es gibt aber auch einen Satz, der alle drei Seiten eines rechtwinkligen Kugeldreiecks, nicht aber für das rechtseitige Kugeldreieck, in eine Beziehung bringt und zum jetzigen Punkt noch unklar ist, weshalb dieser Satz so aussieht. +Die Approximation folgt noch. +Es gilt nämlich: +\begin{align} + \cos c = \cos a \cdot \cos b \quad \text{wenn} \nonumber & + \quad \alpha = \frac{\pi}{2} \nonumber +\end{align} + +\subsubsection{Approximation von kleinen Dreiecken} +Die Sätze in der ebenen Trigonometrie sind eigentlich Approximationen der sphärischen Trigonometrie. +So ist der Sinussatz in der Ebene nur eine Annäherung des sphärischen Sinussatzes. Das Gleiche gilt für den Kosinussatz und dem Satz des Pythagoras. +So kann mit dem Taylorpolynom 2. Grades den Sinus und den Kosinus vom Sphärischen in die Ebene approximieren: +\begin{align} + \sin(a) &\approx a \nonumber \intertext{und} + \cos(a)&\approx 1-\frac{a^2}{2}.\nonumber +\end{align} +Es gibt ebenfalls folgende Approximierung der Seiten von der Sphäre in die Ebene: +\begin{align} + a &\approx \sin(a) \nonumber \intertext{und} + \frac{a^2}{2} &\approx 1-\cos(a). \nonumber +\end{align} +Die Korrespondenzen zwischen der ebenen- und sphärischen Trigonometrie werden in den kommenden Abschnitten erläutert. -Das bedeutet, dass +\subsubsection{Sphärischer Satz des Pythagoras} +Die Korrespondenz \[ a^2 \approx 1- \cos(a)\] liefert unter Anderem einen entsprechenden Satz des Pythagoras, nämlich \begin{align} - \frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)} \nonumber \ \text{auch beim Kugeldreieck gilt.} + \cos(a)\cdot \cos(b) &= \cos(c) \\ + \bigg[1-\frac{a^2}{2}\bigg] \cdot \bigg[1-\frac{b^2}{2}\bigg] &= 1-\frac{c^2}{2} \intertext{Höhere Potenzen vernachlässigen} + \xcancel{1}- \frac{a^2}{2} - \frac{b^2}{2} + \xcancel{\frac{a^2b^2}{4}}&= \xcancel{1}- \frac{c^2}{2} \\ + -a^2-b^2 &=-c^2\\ + a^2+b^2&=c^2 \end{align} +Dies ist der wohlbekannte ebener Satz des Pythagoras. -\subsection{Sphärischer Kosinussätze} -Auch in der sphärischen Trigonometrie gibt es den Seitenkosinussatz +\subsubsection{Sphärischer Sinussatz} +Den sphärischen Sinussatz \begin{align} - cos \ a = \cos b \cdot \cos c + \sin b \cdot \sin c \cdot \cos \alpha \nonumber + \frac{\sin (a)}{\sin (\alpha)} =\frac{\sin (b)}{\sin (\beta)} = \frac{\sin (c)}{\sin (\gamma)} \nonumber +\end{align} +kann man ebenfalls mit der Korrespondenz \[a \approx \sin(a) \] zum entsprechenden ebenen Sinussatz \[\frac{a}{\sin (\alpha)} =\frac{b}{\sin (\beta)} = \frac{c}{\sin (\gamma)}\] approximieren. + + +\subsubsection{Sphärische Kosinussätze} +In der sphärischen Trigonometrie gibt es den Seitenkosinussatz +\begin{align} + \cos \ a = \cos b \cdot \cos c + \sin b \cdot \sin c \cdot \cos \alpha \nonumber \end{align} %Seitenkosinussatz und den Winkelkosinussatz +\begin{align} + \cos \gamma = -\cos \alpha \cdot \cos \beta + \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \cos c, \nonumber +\end{align} der nur in der sphärischen Trigonometrie vorhanden ist. +Analog gibt es auch beim Seitenkosinussatz eine Korrespondenz zu \[ a^2 \leftrightarrow 1-\cos(a),\] die den ebenen Kosinussatz herleiten lässt, nämlich \begin{align} - \cos \gamma = -\cos \alpha \cdot \cos \beta + \sin \alpha \cdot \sin \beta \cdot \cos c \nonumber + \cos(a)&= \cos(b)\cdot \cos(c) + \sin(b) \cdot \sin(c)\cdot \cos(\alpha) \\ + 1-\frac{a^2}{2} &= \bigg[1-\frac{b^2}{2}\bigg]\bigg[1-\frac{c^2}{2}\bigg]+bc\cdot\cos(\alpha) \intertext{Höhere Potenzen vernachlässigen} + \xcancel{1}-\frac{a^2}{2} &= \xcancel{1}-\frac{b^2}{2}-\frac{c^2}{2} \xcancel{+\frac{b^2c^2}{4}}+bc \cdot \cos(\alpha)\\ + a^2&=b^2+c^2-2bc \cdot \cos(\alpha) \end{align} -\subsection{Sphärischer Satz des Pythagoras für das rechtwinklige Kugeldreieck} -Es gibt in der sphärischen Trigonometrie eigentlich garkeinen "Satz des Pythagoras", wie man ihn aus der zweidimensionalen Geometrie kennt. -In der sphärischen Trigonometrie gibt es aber auch einen Satz, der alle drei Seiten eines rechtwinkligen Kugeldreiecks in eine Beziehung bringt. -Es gilt nämlich: -\begin{align} - \cos c = \cos a \cdot \cos b \ \text{wenn} \nonumber & - \alpha = \frac{\pi}{2} \nonumber -\end{align}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex b/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex index bb95b92..0ccc116 100644 --- a/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex +++ b/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex @@ -1,7 +1,26 @@ \section{Analytische Fortsetzung} \label{zeta:section:analytische_fortsetzung} \rhead{Analytische Fortsetzung} -%TODO missing Text +Die analytische Fortsetzung der Riemannschen Zetafunktion ist äusserst interessant. +Sie ermöglicht die Berechnung von $\zeta(-1)$ und weiterer spannender Werte. +So liegen zum Beispiel unendlich viele Nullstellen der Zetafunktion bei $\Re(s) = 0.5$. +Diese sind relevant für die Primzahlverteilung und sind Gegenstand der Riemannschen Vermutung. + +Es werden zwei verschiedene Fortsetzungen benötigt. +Die erste erweitert die Zetafunktion auf $\Re(s) > 0$. +Die zweite verwendet eine Spiegelung an der $\Re(s) = 0.5$ Linie und erschliesst damit die ganze komplexe Ebene. +Eine grafische Darstellung dieses Plans ist in Abbildung \ref{zeta:fig:continuation_overview} zu sehen. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/zeta/continuation_overview.tikz.tex} + \caption{ + Die verschiedenen Abschnitte der Riemannschen Zetafunktion. + Die originale Definition von \eqref{zeta:equation1} ist im grünen Bereich gültig. + Für den blauen Bereich gilt \eqref{zeta:equation:fortsetzung1}. + Um den roten Bereich zu bekommen verwendet die Funktionalgleichung \eqref{zeta:equation:functional} eine Spiegelung an $\Re(s) = 0.5$. + } + \label{zeta:fig:continuation_overview} +\end{figure} \subsection{Fortsetzung auf $\Re(s) > 0$} \label{zeta:subsection:auf_bereich_ge_0} Zuerst definieren die Dirichletsche Etafunktion als @@ -14,8 +33,8 @@ Zuerst definieren die Dirichletsche Etafunktion als wobei die Reihe bis auf die alternierenden Vorzeichen die selbe wie in der Zetafunktion ist. Diese Etafunktion konvergiert gemäss dem Leibnitz-Kriterium im Bereich $\Re(s) > 0$, da dann die einzelnen Glieder monoton fallend sind. -Wenn wir es nun schaffen, die sehr ähnliche Zetafunktion mit der Etafunktion auszudrücken, dann haben die gesuchte Fortsetzung. -Die folgenden Schritte zeigen, wie man dazu kommt: +Wenn wir es nun schaffen, die sehr ähnliche Zetafunktion durch die Etafunktion auszudrücken, dann haben die gesuchte Fortsetzung. +Zuerst wiederholen wir zweimal die Definition der Zetafunktion \eqref{zeta:equation1}, wobei wir sie einmal durch $2^{s-1}$ teilen \begin{align} \zeta(s) &= @@ -26,8 +45,10 @@ Die folgenden Schritte zeigen, wie man dazu kommt: \zeta(s) &= \sum_{n=1}^{\infty} - \frac{2}{(2n)^s} \label{zeta:align2} - \\ + \frac{2}{(2n)^s}. \label{zeta:align2} +\end{align} +Durch Subtraktion der beiden Gleichungen \eqref{zeta:align1} minus \eqref{zeta:align2}, ergibt sich +\begin{align} \left(1 - \frac{1}{2^{s-1}} \right) \zeta(s) &= @@ -36,14 +57,15 @@ Die folgenden Schritte zeigen, wie man dazu kommt: + \frac{1}{3^s} \underbrace{-\frac{2}{4^s} + \frac{1}{4^s}}_{-\frac{1}{4^s}} \ldots - && \text{\eqref{zeta:align1}} - \text{\eqref{zeta:align2}} - \\ - &= \eta(s) \\ + &= \eta(s). +\end{align} +Dies ist die Fortsetzung auf den noch unbekannten Bereich $0 < \Re(s) < 1$ +\begin{equation} \label{zeta:equation:fortsetzung1} \zeta(s) - &= + := \left(1 - \frac{1}{2^{s-1}} \right)^{-1} \eta(s). -\end{align} +\end{equation} \subsection{Fortsetzung auf ganz $\mathbb{C}$} \label{zeta:subsection:auf_ganz} Für die Fortsetzung auf den Rest von $\mathbb{C}$, verwenden wir den Zusammenhang von Gamma- und Zetafunktion aus \ref{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion}. @@ -54,125 +76,198 @@ Wir beginnen damit, die Gammafunktion für den halben Funktionswert zu berechnen \int_0^{\infty} t^{\frac{s}{2}-1} e^{-t} dt. \end{equation} Nun substituieren wir $t$ mit $t = \pi n^2 x$ und $dt=\pi n^2 dx$ und erhalten -\begin{align} +\begin{equation} \Gamma \left( \frac{s}{2} \right) - &= + = \int_0^{\infty} (\pi n^2)^{\frac{s}{2}} x^{\frac{s}{2}-1} e^{-\pi n^2 x} - dx - && \text{Division durch } (\pi n^2)^{\frac{s}{2}} - \\ + \,dx. +\end{equation} +Analog zum Abschnitt \ref{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion} teilen wir durch $(\pi n^2)^{\frac{s}{2}}$ +\begin{equation} \frac{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)}{\pi^{\frac{s}{2}} n^s} - &= + = \int_0^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} e^{-\pi n^2 x} - dx - && \text{Zeta durch Summenbildung } \sum_{n=1}^{\infty} - \\ + \,dx, +\end{equation} +und finden Zeta durch die Summenbildung $\sum_{n=1}^{\infty}$ +\begin{equation} \frac{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)}{\pi^{\frac{s}{2}}} \zeta(s) - &= + = \int_0^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} \sum_{n=1}^{\infty} e^{-\pi n^2 x} - dx. \label{zeta:equation:integral1} -\end{align} + \,dx. \label{zeta:equation:integral1} +\end{equation} Die Summe kürzen wir ab als $\psi(x) = \sum_{n=1}^{\infty} e^{-\pi n^2 x}$. -%TODO Wieso folgendes -> aus Fourier Signal -Es gilt +Im Abschnitt \ref{zeta:subsec:poisson_summation} wird die poissonsche Summenformel $\sum f(n) = \sum F(n)$ bewiesen. +In unserem Problem ist $f(n) = e^{-\pi n^2 x}$ und die zugehörige Fouriertransformation $F(n)$ ist +\begin{equation} + F(n) + = + \mathcal{F} + ( + e^{-\pi n^2 x} + ) + = + \frac{1}{\sqrt{x}} + e^{\frac{-n^2 \pi}{x}}. +\end{equation} +Dadurch ergibt sich \begin{equation}\label{zeta:equation:psi} - \psi(x) + \sum_{n=-\infty}^{\infty} + e^{-\pi n^2 x} = + \frac{1}{\sqrt{x}} + \sum_{n=-\infty}^{\infty} + e^{\frac{-n^2 \pi}{x}}, +\end{equation} +wobei wir die Summen so verändern müssen, dass sie bei $n=1$ beginnen und wir $\psi(x)$ erhalten als +\begin{align} + 2 + \sum_{n=1}^{\infty} + e^{-\pi n^2 x} + + + 1 + &= + \frac{1}{\sqrt{x}} + \left( + 2 + \sum_{n=1}^{\infty} + e^{\frac{-n^2 \pi}{x}} + + + 1 + \right) + \\ + 2 + \psi(x) + + + 1 + &= + \frac{1}{\sqrt{x}} + \left( + 2 + \psi\left(\frac{1}{x}\right) + + + 1 + \right) + \\ + \psi(x) + &= - \frac{1}{2} + \frac{\psi\left(\frac{1}{x} \right)}{\sqrt{x}} - + \frac{1}{2 \sqrt{x}}. -\end{equation} + + \frac{1}{2 \sqrt{x}}.\label{zeta:equation:psi} +\end{align} +Diese Gleichung wird später wichtig werden. Zunächst teilen wir nun das Integral aus \eqref{zeta:equation:integral1} auf als \begin{equation}\label{zeta:equation:integral2} \int_0^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx = + \underbrace{ \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx + }_{I_1} + + \underbrace{ \int_1^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx, + \,dx + }_{I_2} + = + I_1 + I_2, \end{equation} -wobei wir uns nun auf den ersten Teil konzentrieren werden. -Dabei setzen wir das Wissen aus \eqref{zeta:equation:psi} ein und erhalten +wobei wir uns nun auf den ersten Teil $I_1$ konzentrieren werden. +Dabei setzen wir die Definition von $\psi(x)$ aus \eqref{zeta:equation:psi} ein und erhalten \begin{align} + I_1 + = \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx &= \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \left( - \frac{1}{2} + \frac{\psi\left(\frac{1}{x} \right)}{\sqrt{x}} - + \frac{1}{2 \sqrt{x}}. + + \frac{1}{2 \sqrt{x}} \right) - dx + \,dx \\ &= \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} \psi \left( \frac{1}{x} \right) + \frac{1}{2} - \left( + \biggl( x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} - x^{\frac{s}{2}-1} - \right) - dx + \biggl) + \,dx \\ &= + \underbrace{ \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} \psi \left( \frac{1}{x} \right) - dx - + \frac{1}{2} + \,dx + }_{I_3} + + + \underbrace{ + \frac{1}{2} \int_0^1 x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} - x^{\frac{s}{2}-1} - dx. \label{zeta:equation:integral3} + \,dx + }_{I_4}. \label{zeta:equation:integral3} \end{align} -Dabei kann das zweite Integral gelöst werden als +Dabei kann das zweite Integral $I_4$ gelöst werden als \begin{equation} + I_4 + = \frac{1}{2} \int_0^1 x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} - x^{\frac{s}{2}-1} - dx + \,dx = \frac{1}{s(s-1)}. \end{equation} -Das erste Integral aus \eqref{zeta:equation:integral3} mit $\psi \left(\frac{1}{x} \right)$ ist nicht lösbar in dieser Form. +Das erste Integral $I_3$ aus \eqref{zeta:equation:integral3} mit $\psi \left(\frac{1}{x} \right)$ ist nicht lösbar in dieser Form. Deshalb substituieren wir $x = \frac{1}{u}$ und $dx = -\frac{1}{u^2}du$. Die untere Integralgrenze wechselt ebenfalls zu $x_0 = 0 \rightarrow u_0 = \infty$. Dies ergibt \begin{align} + I_3 + = \int_{\infty}^{1} - {\frac{1}{u}}^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \left( + \frac{1}{u} + \right)^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} \psi(u) \frac{-du}{u^2} &= \int_{1}^{\infty} - {\frac{1}{u}}^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \left( + \frac{1}{u} + \right)^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} \psi(u) \frac{du}{u^2} \\ @@ -180,21 +275,23 @@ Dies ergibt \int_{1}^{\infty} x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} \psi(x) - dx, + \,dx, \end{align} wobei wir durch Multiplikation mit $(-1)$ die Integralgrenzen tauschen dürfen. Es ist zu beachten das diese Grenzen nun identisch mit den Grenzen des zweiten Integrals von \eqref{zeta:equation:integral2} sind. Wir setzen beide Lösungen ein in Gleichung \eqref{zeta:equation:integral3} und erhalten \begin{equation} + I_1 + = \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx = \int_{1}^{\infty} x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} \psi(x) - dx + \,dx + \frac{1}{s(s-1)}. \end{equation} @@ -206,12 +303,12 @@ Dieses Resultat setzen wir wiederum ein in \eqref{zeta:equation:integral2}, um s \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx + \int_1^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx \nonumber \\ &= @@ -220,12 +317,12 @@ Dieses Resultat setzen wir wiederum ein in \eqref{zeta:equation:integral2}, um s \int_{1}^{\infty} x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} \psi(x) - dx + \,dx + \int_1^{\infty} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) - dx + \,dx \\ &= \frac{1}{s(s-1)} @@ -237,7 +334,7 @@ Dieses Resultat setzen wir wiederum ein in \eqref{zeta:equation:integral2}, um s x^{\frac{s}{2}-1} \right) \psi(x) - dx + \,dx \\ &= \frac{-1}{s(1-s)} @@ -249,7 +346,7 @@ Dieses Resultat setzen wir wiederum ein in \eqref{zeta:equation:integral2}, um s x^{\frac{s}{2}} \right) \frac{\psi(x)}{x} - dx, + \,dx, \end{align} zu erhalten. Wenn wir dieses Resultat genau anschauen, erkennen wir dass sich nichts verändert wenn $s$ mit $1-s$ ersetzt wird. @@ -261,4 +358,120 @@ Somit haben wir die analytische Fortsetzung gefunden als \frac{\Gamma \left( \frac{1-s}{2} \right)}{\pi^{\frac{1-s}{2}}} \zeta(1-s). \end{equation} +%TODO Definitionen und Gleichungen klarer unterscheiden + +\subsection{Poissonsche Summenformel} \label{zeta:subsec:poisson_summation} + +Der Beweis für Gleichung \ref{zeta:equation:psi} folgt direkt durch die poissonsche Summenformel. +Um diese zu beweisen, berechnen wir zunächst die Fourierreihe der Dirac Delta Funktion. + +\begin{lemma} + Die Fourierreihe der periodischen Dirac Delta Funktion $\sum \delta(x - 2\pi k)$ ist + \begin{equation} \label{zeta:equation:fourier_dirac} + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \delta(x - 2\pi k) + = + \frac{1}{2\pi} + \sum_{n=-\infty}^{\infty} + e^{i n x}. + \end{equation} +\end{lemma} + +\begin{proof}[Beweis] + Eine Fourierreihe einer beliebigen periodischen Funktion $f(x)$ berechnet sich als + \begin{align} + f(x) + &= + \sum_{n=-\infty}^{\infty} + c_n + e^{i n x} \\ + c_n + &= + \frac{1}{2\pi} + \int_{-\pi}^{\pi} + f(x) + e^{-i n x} + \, dx. + \end{align} + Wenn $f(x)=\delta(x)$ eingesetz wird ergeben sich konstante Koeffizienten + \begin{equation} + c_n + = + \frac{1}{2\pi} + \int_{-\pi}^{\pi} + \delta(x) + e^{-i n x} + \, dx + = + \frac{1}{2\pi}, + \end{equation} + womit die sehr einfache Fourierreihe der Dirac Delta Funktion berechnet wäre. +\end{proof} + +\begin{satz}[Poissonsche Summernformel] + Die Summe einer Funktion $f(n)$ über alle ganzen Zahlen $n$ ist äquivalent zur Summe ihrer Fouriertransformation $F(k)$ über alle ganzen Zahlen $k$ + \begin{equation} + \sum_{n=-\infty}^{\infty} + f(n) + = + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + F(k). + \end{equation} +\end{satz} +\begin{proof}[Beweis] + Wir schreiben die Summe über die Fouriertransformation aus + \begin{align} + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + F(k) + &= + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \int_{-\infty}^{\infty} + f(x) + e^{-i 2\pi x k} + \, dx + \\ + &= + \int_{-\infty}^{\infty} + f(x) + \underbrace{ + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + e^{-i 2\pi x k} + }_{\text{\eqref{zeta:equation:fourier_dirac}}} + \, dx, + \end{align} + und verwenden die Fouriertransformation der Dirac Funktion aus \eqref{zeta:equation:fourier_dirac} + \begin{align} + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + e^{-i 2\pi x k} + &= + 2 \pi + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \delta(-2\pi x - 2\pi k) + \\ + &= + \frac{2 \pi}{2 \pi} + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \delta(x + k). + \end{align} + Wenn wir dies einsetzen und erhalten wir den gesuchten Beweis für die poissonsche Summenformel + \begin{equation} + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + F(k) + = + \int_{-\infty}^{\infty} + f(x) + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \delta(x + k) + \, dx + = + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + \int_{-\infty}^{\infty} + f(x) + \delta(x + k) + \, dx + = + \sum_{k=-\infty}^{\infty} + f(k). + \end{equation} +\end{proof} diff --git a/buch/papers/zeta/continuation_overview.tikz.tex b/buch/papers/zeta/continuation_overview.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..836ab1d --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/continuation_overview.tikz.tex @@ -0,0 +1,18 @@ +\begin{tikzpicture}[>=stealth', auto, node distance=0.9cm, scale=2, + dot/.style={fill, circle, inner sep=0, minimum size=0.1cm}] + + \draw[->] (-2,0) -- (-1,0) node[dot]{} node[anchor=north]{$-1$} -- (0,0) node[anchor=north west]{$0$} -- (0.5,0) node[anchor=north west]{$0.5$}-- (1,0) node[anchor=north west]{$1$} -- (2,0) node[anchor=west]{$\Re(s)$}; + + \draw[->] (0,-1.2) -- (0,1.2) node[anchor=south]{$\Im(s)$}; + \begin{scope}[yscale=0.1] + \draw[] (1,-1) -- (1,1); + \end{scope} + \draw[dotted] (0.5,-1) -- (0.5,1); + + \begin{scope}[] + \fill[opacity=0.2, red] (-1.8,1) rectangle (0, -1); + \fill[opacity=0.2, blue] (0,1) rectangle (1, -1); + \fill[opacity=0.2, green] (1,1) rectangle (1.8, -1); + \end{scope} + +\end{tikzpicture} diff --git a/buch/papers/zeta/euler_product.tex b/buch/papers/zeta/euler_product.tex new file mode 100644 index 0000000..a6ed512 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/euler_product.tex @@ -0,0 +1,85 @@ +\section{Eulerprodukt} \label{zeta:section:eulerprodukt} +\rhead{Eulerprodukt} + +Das Eulerprodukt stellt die Verbindung der Zetafunktion und der Primzahlen her. +Diese Verbindung ist sehr wichtig, da durch sie eine Aussage zur Primzahlverteilung gemacht werden kann. +Die Verteilung der Primzahlen ist Gegenstand der Riemannschen Vermutung, welche eines der grössten ungelösten Probleme der Mathematik ist. + +\begin{satz} + Für alle Zahlen $s$ mit $\Re(s) > 1$ ist die Zetafunktion identisch mit dem unendlichen Eulerprodukt + \begin{equation}\label{zeta:eq:eulerprodukt} + \zeta(s) + = + \sum_{n=1}^\infty + \frac{1}{n^s} + = + \prod_{p \in P} + \frac{1}{1-p^{-s}} + \end{equation} + wobei $P$ die Menge aller Primzahlen darstellt. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] + Der Beweis startet mit dem Eulerprodukt und stellt dieses so um, dass die Zetafunktion erscheint. + Als erstes ersetzen wir die Faktoren durch geometrische Reihen + \begin{equation} + \prod_{i=1}^{\infty} + \frac{1}{1-p^{-s}} + = + \prod_{p \in P} + \sum_{k_i=0}^{\infty} + \left( + \frac{1}{p_i^s} + \right)^{k_i} + = + \prod_{p \in P} + \sum_{k_i=0}^{\infty} + \frac{1}{p_i^{s k_i}}, + \end{equation} + dabei iteriert der Index $i$ über alle Primzahlen $p_i$. + Durch Ausschreiben der Multiplikation und Ausklammern der Summen erhalten wir + \begin{align} + \prod_{p \in P} + \sum_{k_i=0}^{\infty} + \frac{1}{p_i^{s k_i}} + &= + \sum_{k_1=0}^{\infty} + \frac{1}{p_1^{s k_1}} + \sum_{k_2=0}^{\infty} + \frac{1}{p_2^{s k_2}} + \ldots + \nonumber \\ + &= + \sum_{k_1=0}^{\infty} + \sum_{k_2=0}^{\infty} + \ldots + \left( + \frac{1}{p_1^{k_1}} + \frac{1}{p_2^{k_2}} + \ldots + \right)^s. + \label{zeta:equation:eulerprodukt2} + \end{align} + Der Fundamentalsatz der Arithmetik (Primfaktorzerlegung) besagt, dass jede beliebige Zahl $n \in \mathbb{N}$ durch eine eindeutige Primfaktorzerlegung beschrieben werden kann + \begin{equation} + n = \prod_i p_i^{k_i} \quad \forall \quad n \in \mathbb{N}. + \end{equation} + Jeder Summand der Summen in \eqref{zeta:equation:eulerprodukt2} ist somit eine Zahl $n$. + Da die Summen alle möglichen Kombinationen von Exponenten und Primzahlen in \eqref{zeta:equation:eulerprodukt2} enthält haben wir + \begin{equation} + \sum_{k_1=0}^{\infty} + \sum_{k_2=0}^{\infty} + \ldots + \left( + \frac{1}{p_1^{k_1}} + \frac{1}{p_2^{k_2}} + \ldots + \right)^s + = + \sum_{n=1}^\infty + \frac{1}{n^s} + = + \zeta(s) + \end{equation} +\end{proof} + diff --git a/buch/papers/zeta/main.tex b/buch/papers/zeta/main.tex index e0ea8e1..caddace 100644 --- a/buch/papers/zeta/main.tex +++ b/buch/papers/zeta/main.tex @@ -11,6 +11,7 @@ %TODO Einleitung \input{papers/zeta/einleitung.tex} +\input{papers/zeta/euler_product.tex} \input{papers/zeta/zeta_gamma.tex} \input{papers/zeta/analytic_continuation.tex} diff --git a/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex index 59c8744..db41676 100644 --- a/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex +++ b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex @@ -1,38 +1,46 @@ -\section{Zusammenhang mit Gammafunktion} \label{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion} -\rhead{Zusammenhang mit Gammafunktion} +\section{Zusammenhang mit der Gammafunktion} \label{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion} +\rhead{Zusammenhang mit der Gammafunktion} -Dieser Abschnitt stellt die Verbindung zwischen der Gamma- und der Zetafunktion her. +In diesem Abschnitt wird gezeigt, wie sich die Zetafunktion durch die Gammafunktion $\Gamma(s)$ ausdrücken lässt. +Dieser Zusammenhang der Art $\zeta(s) = f(\Gamma(s))$ ist nicht nur interessant, er wird später auch für die Herleitung der analytischen Fortsetzung gebraucht. -%TODO ref Gamma -Wenn in der Gammafunkion die Integrationsvariable $t$ substituieren mit $t = nu$ und $dt = n du$, dann können wir die Gleichung umstellen und erhalten den Zusammenhang mit der Zetafunktion -\begin{align} +Wir erinnern uns an die Definition der Gammafunktion in \eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} +\begin{equation*} + \Gamma(s) + = + \int_0^{\infty} t^{s-1} e^{-t} \,dt, +\end{equation*} +wobei die Notation an die Zetafunktion angepasst ist. +Durch die Substitution von $t$ mit $t = nu$ und $dt = n\,du$ wird daraus +\begin{align*} \Gamma(s) &= - \int_0^{\infty} t^{s-1} e^{-t} dt - \\ + \int_0^{\infty} n^{s-1}u^{s-1} e^{-nu} n \,du \\ &= - \int_0^{\infty} n^{s\cancel{-1}}u^{s-1} e^{-nu} \cancel{n}du - && - \text{Division durch }n^s - \\ + \int_0^{\infty} n^s u^{s-1} e^{-nu} \,du. +\end{align*} +Durch Division mit durch $n^s$ ergibt sich die Quotienten +\begin{equation*} \frac{\Gamma(s)}{n^s} - &= - \int_0^{\infty} u^{s-1} e^{-nu}du - && - \text{Zeta durch Summenbildung } \sum_{n=1}^{\infty} - \\ + = + \int_0^{\infty} u^{s-1} e^{-nu} \,du, +\end{equation*} +welche sich zur Zetafunktion summieren +\begin{equation} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\Gamma(s)}{n^s} + = \Gamma(s) \zeta(s) - &= + = \int_0^{\infty} u^{s-1} \sum_{n=1}^{\infty}e^{-nu} - du. + \,du. \label{zeta:equation:zeta_gamma1} -\end{align} +\end{equation} Die Summe über $e^{-nu}$ können wir als geometrische Reihe schreiben und erhalten \begin{align} - \sum_{n=1}^{\infty}e^{-u^n} + \sum_{n=1}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n &= - \sum_{n=0}^{\infty}e^{-u^n} + \sum_{n=0}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n - 1 \\ @@ -42,12 +50,12 @@ Die Summe über $e^{-nu}$ können wir als geometrische Reihe schreiben und erhal &= \frac{1}{e^u - 1}. \end{align} -Wenn wir dieses Resultat einsetzen in \eqref{zeta:equation:zeta_gamma1} und durch $\Gamma(s)$ teilen, erhalten wir +Wenn wir dieses Resultat einsetzen in \eqref{zeta:equation:zeta_gamma1} und durch $\Gamma(s)$ teilen, erhalten wir den gewünschten Zusammenhang \begin{equation}\label{zeta:equation:zeta_gamma_final} \zeta(s) = \frac{1}{\Gamma(s)} \int_0^{\infty} \frac{u^{s-1}}{e^u -1} - du. + du \qed \end{equation} |
