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diff --git a/buch/.gitignore b/buch/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..86604da --- /dev/null +++ b/buch/.gitignore @@ -0,0 +1,19 @@ +*.aux +*.bbl +*.bib +*.blg +*.idx +*.ilg +*.ind +*.log +*.out +*.rpt +buch*.pdf +*.run.xml +*.toc +.build/ +*.synctex.gz +*.DS_Store + + +*.synctex(busy)
\ No newline at end of file diff --git a/buch/Makefile b/buch/Makefile index 00fcf42..af0e1e2 100755 --- a/buch/Makefile +++ b/buch/Makefile @@ -55,13 +55,13 @@ SeminarSpezielleFunktionen.ind: SeminarSpezielleFunktionen.idx # tests: test1.pdf test2.pdf test3.pdf -test1.pdf: common/test-common.tex common/test1.tex aufgaben1.tex +test1.pdf: common/test-common.tex common/test1.tex aufgaben1.tex $(TEXFILES) $(pdflatex) common/test1.tex test2.pdf: common/test-common.tex common/test1.tex aufgaben2.tex $(pdflatex) common/test2.tex -test3.pdf: common/test-common.tex common/test1.tex aufgaben3.tex +test3.pdf: common/test-common.tex common/test1.tex aufgaben3.tex $(CHAPTERFILES) $(pdflatex) common/test3.tex # 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/aufgaben3.tex b/buch/aufgaben3.tex index a39fc19..16288ec 100644 --- a/buch/aufgaben3.tex +++ b/buch/aufgaben3.tex @@ -4,6 +4,6 @@ % (c) 2022 Prof. Dr. Andreas Mueller, OST % -%\item -%\input chapters/60-gruppen/uebungsaufgaben/6001.tex +\item +\input chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/1.tex diff --git a/buch/chapters/000-einleitung/Makefile.inc b/buch/chapters/000-einleitung/Makefile.inc index a870448..2c4e046 100644 --- a/buch/chapters/000-einleitung/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/000-einleitung/Makefile.inc @@ -4,5 +4,8 @@ # (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ - chapters/000-einleitung/chapter.tex +CHAPTERFILES += \ + chapters/000-einleitung/chapter.tex \ + chapters/000-einleitung/funktionsbegriff.tex \ + chapters/000-einleitung/speziellefunktionen.tex \ + chapters/000-einleitung/inhalt.tex diff --git a/buch/chapters/000-einleitung/chapter.tex b/buch/chapters/000-einleitung/chapter.tex index 559a468..e53eafb 100644 --- a/buch/chapters/000-einleitung/chapter.tex +++ b/buch/chapters/000-einleitung/chapter.tex @@ -7,110 +7,8 @@ \lhead{Einleitung} \rhead{} \addcontentsline{toc}{chapter}{Einleitung} -Eine Polynomgleichung wie etwa -\begin{equation} -p(x) = ax^2+bx+c = 0 -\label{buch:einleitung:quadratisch} -\end{equation} -kann manchmal dadurch gelöst werden, dass man die Nullstellen errät -und damit eine Faktorisierung $p(x)=a(x-x_1)(x-x_2)$ konstruiert. -Doch im Allgemeinen wird man die Lösungsformel für quadratische -Gleichungen verwenden, die auf quadratischem Ergänzen basiert. -Es erlaubt die Gleichung~\eqref{buch:einleitung:quadratisch} umzwandeln in -\[ -\biggl(x + \frac{b}{2a}\biggr)^2 -= --\frac{c}{a} + \frac{b^2}{4a^2} -= -\frac{b^2-4ac}{4a^2}. -\] -Um diese Gleichung nach $x$ aufzulösen, muss man die inverse Funktion -der Quadratfunktion zur Verfügung haben, die Wurzelfunktion. -Dies ist wohl das älteste Beispiel einer speziellen Funktion, -die man zu dem Zweck eingeführt hat, spezielle algebraische Gleichungen -lösen zu können. -Sie liefert die bekannte Lösungsformel -\[ -x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} -\] -für die quadratische Gleichung. - -Durch die Definition der Wurzelfunktion ist das Problem der numerischen -Berechnung der Nullstelle natürlich noch nicht gelöst, aber man hat -ein handliches mathematisches Symbol gewonnen, mit dem man die Lösungen -übersichtlich beschreiben und algebraisch manipulieren kann. -Diese Idee steht hinter allen weiteren in diesem Buch diskutierten -Funktionen: wann immer ein wichtiges mathematisches Konzept sich nicht -direkt durch die bereits entwickelten Funktionen ausdrücken lässt, -erfindet man dafür eine neue Funktion oder Familie von Funktionen. -Beispielsweise hat sich die Darstellung von Zahlen $x$ als Potenzen -einer gemeinsamen Basis, zum Beispiel $x=10^y$, als sehr nützlich -herausgestellt, um Multiplikationen auf die von Hand leichter -ausführbaren Additionen zurückzuführen. -Man braucht also die Fähigkeit, die Abhängigkeit des Exponenten $y$ -von $x$ auszudrücken, mit anderen Worten, man braucht die Logarithmusfunktion. - -Spezielle Funktionen wie die Wurzelfunktion und die Logarithmusfunktion -werden also zu Bausteinen, die in der Lösung algebraischer oder auch -analytischer Probleme verwendet werden können. -Die Erfahrung zeigt, dass diese Funktionen immer wieder nützlich -sind, es lohnt sich also, ihre Berechnung zum Beispiel in einer -Bibliothek zu implementieren. -Spezielle Funktionen sind in diesem Sinn eine mathematische Form -des informatischen Prinzips des ``code reuse''. - -Die trigonometrischen Funktionen kann man als Lösungen des geometrischen -Problems der Parametrisierung eines Kreises verstehen. -Alternativ kann man $\sin x$ und $\cos x$ als spezielle Lösungen der -Differentialgleichung $y''=-y$ verstehen. -Viele andere Funktionen wie die hyperbolischen Funktionen oder die -Bessel-Funktionen sind ebenfalls Lösungen spezieller Differentialgleichungen. -Auch die Theorie der partiellen Differentialgleichungen gibt Anlass -zu interessanten Lösungsfunktionen. -Die Separation des Poisson-Problems in Kugelkoordinaten führt zum Beispiel -auf die Kugelfunktionen, mit denen sich beliebige Funktionen auf einer -Kugeloberfläche analysieren und synthetisieren lassen. - -Die Lösungen einer linearer gewöhnlicher Differentialgleichung können -oft mit Hilfe von Potenzreihen dargestellt werden. -So kann man zum Beispiel die Potenzreihenentwicklung der Exponentialfunktion -und der trigonometrischen Funktionen finden. -Die Konvergenz einer Potenzreihe wird aber durch Singularitäten -eingeschränkt. -Komplexe Potenzreihen ermöglichen aber, solche Stellen zu ``umgehen''. -Die Theorie der komplex differenzierbaren Funktionen bildet einen -allgemeinen Rahmen, mit solchen Funktionen umzugehen und ist zum -Beispiel nötig, um die Bessel-Funktionen der zweiten Art zu konstruieren, -die ebenfalls Lösungen ger Bessel-Gleichung sind, aber bei $x=0$ -eine Singularität aufweisen. - -Die Stammfunktion $F(x)$ einer gegebenen Funktion $f(x)$ ist natürlich -auch die Lösung der besonders einfachen Differentialgleichung $F'=f$. -Ein bekanntes Beispiel ist die Stammfunktion der Wahrscheinlichkeitsdichte -\[ -\varphi(x) -= -\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}, -\] -der Normalverteilung, für die aber keine geschlossene Darstellung -mit bekannten Funktionen bekannt ist. -Sie kann aber durch die Fehlerfunktion -\[ -\operatorname{erf}(x) -= -\frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^x e^{-t^2}\,dt -\] -dargestellt werden. -Mit dem Risch-Algorithmus kann man nachweisen, dass es tatsächlich -keine Möglichkeit gibt, die Stammfunktion in geschlossener Form durch -die bereits bekannten Funktionen darzustellen, die Definition einer -neuen speziellen Funktion ist also der einzige Ausweg. -Die Fehlerfunktion ist heute in der Standardbibliothek enthalten auf -gleicher Stufe wie Wurzeln, trigonometrische Funktionen, -Exponentialfunktionen oder Logarithmen. - -Die nachstehenden Kapitel sollen die vielfältigen Arten illustrieren, -wie diese Prinzipien zu neuen und nützlichen speziellen Funktionen -und ihren Anwendungen führen können. +\input{chapters/000-einleitung/funktionsbegriff.tex} +\input{chapters/000-einleitung/speziellefunktionen.tex} +\input{chapters/000-einleitung/inhalt.tex} diff --git a/buch/chapters/000-einleitung/funktionsbegriff.tex b/buch/chapters/000-einleitung/funktionsbegriff.tex new file mode 100644 index 0000000..e684f82 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/000-einleitung/funktionsbegriff.tex @@ -0,0 +1,74 @@ +% +% Der Funktionsbegriff +% +\subsection*{Der mathematische Funktionsbegriff} +Der moderne mathematische Funktionsbegriff ist die Krönungn einer +langen Entwicklung. +Erste Ansätze sind in der Darstellung voneinander abhängiger Grössen +in einem Koordinatensystem durch Nikolaus von Oresme im 14.~Jahrhundert +zu erkennen. +Dieser Ansatz, Funktionen einfach nur als Kurven zu betrachten, +war bis ins 17.~Jahrhundert verbreitet. +Der Begriff {\em Funktion} selbst geht wahrscheinlich auf Leibniz +zurück. + +Euler verwendete den Begriff oft austauschbar für zwei im Prinzip +verschiedene Vorstellungen. +Einerseits sah er jeden ``analytischen Ausdruck'' in einer Variablen +$x$ als eine Funktion an, andererseits betrachtete er eine in einem +Koordinatensystem freihändig gezeichnete Kurve als eine Funktion. +Heute unterscheiden wir zwischen der Funktion, also der Zuordnung +von $x$ zu den Funktionswerten $f(x)$ und dem Graphen, also der +von Paaren $(x,f(x))$ gebildeten Kurve in einem Koordinatensystem. +Nach letzterer Vorstellung ist auch die Wurzelfunktion, +die Umkehrfunktion der Quadratfunktion, $f(x)=x^2$ eine Funktion. +Da zu jedem Argument zwei verschiedene Werte $\pm\sqrt{x}$ +für die Wurzel möglich sind, lässt sich diese ``Funktion'' nicht +durch einen ``analytischen Ausdruck'' beschrieben. +Euler beschrieb diese Situation als {\em mehrdeutige Funktion}. + +Was ``analytische Ausdrücke'' alles umfassen sollen, ist ebenfalls +nicht scharf definiert. +Dahinter verbergen sich viele versteckte Annahmen, zum Beispiel +dass Funktionen automatisch stetig und möglicherweise sogar +differenzierbar sind. +Für Lagrange waren nur Funktionen akzeptabel, die durch Potenzreihen +definiert waren, solche Funktionen nennen wir heute {\em analytisch}. +Die Wahl von Potenzreihen zur Definition von Funktion ist einerseits +willkürlich, warum nicht Linearkombinationen von trigonometrischen +Funktionen? +Andererseits gibt es beliebig oft differenzierbare Funktionen, +deren Potenzreihe nicht gegen die Funktion konvergiert. + +Im 19.~Jahrhundert erfuhr die Analysis eine Reformierung. +Ausgehend vom nun präzis gefassten Grenzwertbegriff wurden Stetigkeit +und Differenzierbarkeit als eigenständige Eigenschaften von +Funktionen erkannt. +Eine Funktion war jetzt nur noch eine eindeutige Zuordnung +$x\mapsto f(x)$. +Stetigkeit ist die Eigenschaft, dass der Grenzwert in einem +Punkt des Definitionsbereichs existiert und mit dem Funktionswert +in diesem Punkt übereinstimmt. +Später wurden auch Differenzierbarkeit und Integrierbarkeit als +Eigenschaften von Funktionen erkannt, die vorhanden sein können, +aber nicht müssen. + +Der nun präzis gefasste Funktionsbegriff ist nur selten direkt anwendbar. +In der Physik treten Funktionen als Lösungen von Differentialgleichungen +auf. +Sie sind also immer mindestens differenzierbar, haben aber typischerweise +noch viele weitere Eigenschaften. +So sind zum Beispiel die Lösungen der Differentialgleichung +$y''=-n^2 y$ auf dem Intervall $[-\pi,\pi]$ die Funktionen +$\sin(nx)$ und $\cos(nx)$ für $n\in\mathbb{N}$. +Wie Fourier herausgefunden hat, lässt sich jede stetige $2\pi$-periodische +Funktion als Linearkombination dieser Funktionen approximieren. + +Eine Familie von Differentialgleichungen, die durch wenige Parameter +charakterisiert ist, führt auch zu einer Familie von Lösungsfunktionen, die +sich durch die gleichen Parameter beschreiben lassen. +Sie ist unmittelbar nützlich, da sie jedes Anwendungsproblem löst, +welches durch diese Differentialgleichung modelliert werden kann. +In diesem Sinne ist eine solche spezielle Funktionenfamilie interessanter +als eine beliebige differenzierbare Funktion. + diff --git a/buch/chapters/000-einleitung/inhalt.tex b/buch/chapters/000-einleitung/inhalt.tex new file mode 100644 index 0000000..1b9f35b --- /dev/null +++ b/buch/chapters/000-einleitung/inhalt.tex @@ -0,0 +1,153 @@ +% +% Was ist zu erwarten +% +\subsection*{Was ist zu erwarten?} +Spezielle Funktionen wie die eben angedeuteten werden also zu +Bausteinen, die in der Lösung algebraischer oder auch analytischer +Probleme verwendet werden können. +Die Erfahrung zeigt, dass diese Funktionen immer wieder nützlich +sind, es lohnt sich also, ihre Berechnung zum Beispiel in einer +Bibliothek zu implementieren. +Spezielle Funktionen sind in diesem Sinn eine mathematische Form +des informatischen Prinzips des ``code reuse''. + +Die nachstehenden Kapitel sollen die vielfältigen Arten illustrieren, +wie diese Prinzipien zu neuen und nützlichen speziellen Funktionen +und ihren Anwendungen führen können. +Hier eine kurze Übersicht über ihren Inhalt. +\begin{enumerate} +\item +Potenzen und Wurzeln: Potenzen und Polynome sind die einfachsten +Funktionen, die sich unmittelbar aus den arithmetischen Operationen +konstruieren lassen. +Die zugehörigen Umkehrfunktionen sind die Wurzelfunktionen, +sie lösen gewisse algebraische Gleichungen. +Aus den Polynomen lassen sich weiter rationale Funktionen und +Potenzreihen konstruieren, die als wichtige Werkzeuge zur Konstruktion +spezieller Funktionen in späteren Kapiteln sind. +\item +Exponentialfunktion und Exponentialgleichungen. +Die Exponentialfunktion entsteht aus dem Zinsproblem durch Grenzwert, +die Jost Bürgi zur Berechnung seiner Logarithmentabelle verwendet hat. +Hier zeigt sich die Nützlichkeit spezieller Funktionen als Grundlage +für die numerische Rechnung: Logarithmentafeln waren über Jahrhunderte +das zentrale Werkzeug für die Durchführung numerischer Rechnung. +Besonders nützlich ist aber auch die Potenzreihendarstellung der +Exponentialdarstellung, die meist für die numerische Berechnung +verwendet wird. +Die Lambert-$W$-schliesslich löst gewisse Exponentialgleichungen. +\item +Spezielle Funktionen aus der Geometrie. +Dieses Kapitel startet mit der langen Geschichte der trigonometrischen +Funktionen, den wahrscheinlich wichtigsten speziellen Funktionen für +geometrische Anwendungen. +Es führt aber auch die Kegelschnitte, die hyperbolischen Funktionen +und andere Parametrisierungen der Kegelschnitte ein, die später +wichtig werden. +Es beginnt auch die Diskussion einiger geometrischer Fragestellungen +die sich oft nur durch Definition neuer spezieller Funktionen lösen +lassen, wie zum Beispiel das Problem der Kurvenlänge auf einer +Ellipse. +\item +Spezielle Funktionen und Rekursion. +Viele Probleme lassen eine Lösung in rekursiver Form zu. +Zum Beispiel lässt sich die Fakultät durch eine Rekursionsbeziehung +vollständig definieren. +Dieses Kapitel zeigt, wie sich die Fakultät zur Gamma-Funktion +$\Gamma(x)$ erweitern lässt, die für beliebige reelle $x$ +definiert ist. +Sie ist aber nur die Spitze eines Eisbergs von weiteren wichtigen +Funktionen. +Die Beta-Integrale sind ebenfalls durch Rekursionsbeziehungen +charakterisiert, lassen sich durch Gamma-Funktionen ausdrücken und +haben als Anwendung die Verteilungsfunktionen der Ordnungsstatistiken. +Lineare Differenzengleichungen sind Rekursionsgleichungen, die sich +besonders leicht mit Potenzfunktionen lösen lassen. +Alle diese Funktionen sind Speziallfälle einer sehr viel grösseren +Klasse von Funktionen, den hypergeometrischen Funktionen, die sich +durch eine Rekursionsbeziehung der Koeffizienten ihrer +Potenzreihenentwicklung auszeichnen. +Es wird sich in nächsten Kapitel zeigen, dass sie besonders gut +geeignet sind, Lösungen von linearen Differentialgleichungen zu +beschreiben. +\item +Differentialgleichungen. +Lösungsfunktionen von Differentialgleichungen sind meistens die +erste Anwendung, in der man die klassschen speziellen Funktionen +kennenlernt. +Sie entstehen mit Hilfe der Potenzreihenmethode und können daher +als hypergeometrische Funktionen geschrieben werden. +Sie sind aber von derart grosser Bedeutung für die Anwendung, +dass viele dieser Funktionen als eigenständige Funktionenfamilien +definiert worden sind. +Die Bessel-Funktionen werden in diesem Zusammenhang eingehend +behandelt. +\item +Integrale können als Lösungen sehr spezieller Differentialgleichungen +betrachtet werden. +Eine Stammfunktion $F(x)$ der Funktion $f(x)$ hat als Ableitung die +ursprüngliche Funktion: $F'(x)=f(x)$. +Während Ableiten ein einfacher, algebraischer Prozess ist, +scheint das Finden einer Stammfunktion sehr viel anspruchsvoller +zu sein. +Spezielle Funktionen sinnvoll sein, wenn eine Stammfunktion sich nicht +mit den bereits definierten Funktionen ausdrücken lässt. +Es gibt eine systematische Methode zu entscheiden, ob eine Stammfunktion +sich durch ``elementare Funktionen'' ausdrücken lässt, sie wird oft +der Risch-Algorithmus genannt. +\item +Orthogonalität. +Mit dem Integral lassen sich auch für Funktionen Skalarprodukte +definieren. +Orthogonalität zwischen Funktionen zeichnet dann Funktionen aus, die +sich besonders gut zur Darstellung beliebiger stetiger oder +integrierbarer Funktionen eignen. +Die Fourier-Theorie und ihre vielen Varianten sind ein Resultat. +Besonders einfache orthogonale Funktionenfamilien sind die orthogonalen +Polynome, die ausserdem zu ausserordentlich genauen numerischen +Integrationsverfahren führen. +\item +Integraltransformationen. +Die trigonometrischen Funktionen sind die Grundlage der Fourier-Theorie. +Doch auch andere spezielle Funktionenfamilien können ähnlich +nützliche Integraltransformationen hergeben. +Die Bessel-Funktionen stellen sich in diesem Zusammenhang als die +Polarkoordinaten-Variante der Fourier-Theorie in der Ebene heraus. +\item +Funktionentheorie. +Einige Eigenschaften der Lösungen gewöhnlicher Differentialgleichung +sind allein mit der reellen Analysis nicht zu bewältigen. +In der Welt der speziellen Funktionen hat man aber strengere +Anforderungen an Funktionen, sie lassen sich immer als Funktionen +einer komplexen Variablen verstehen. +Dieses Kapitel stellt die wichtigsten Eigenschaften komplex +differenzierbarer Funktionen zusammen und wendet sie zum Beispiel +auf das Problem an, weitere Lösungen der Bessel-Differentialgleichung +zu finden. +\item +Partielle Differentialgleichungen sind eine der wichtigsten Quellen +der gewöhnlichen Differentialgleichungen, die nur mit speziellen +Funktionen gelöst werden können. +So führen rotationssymmetrische Wellenprobleme in der Ebene +ganz natürlich auf die Besselsche Differentialgleichung und damit +auf die Bessel-Funktionen als Lösungsfunktionen. +\item +Elliptische Funktionen. +Einige der in Kapitel~\ref{buch:chapter:geometrie} angesprochenen +Fragestellungen wie der Berechnung der Bogenlänge auf einer Ellipse +lassen sich mit keiner der bisher vorgestellten Technik lösen. +In diesem Kapitel werden die elliptischen Integrale und die +zugehörigen Umkehrfunktionen vorgestellt. +Die Jacobischen elliptischen Funktionen verallgemeinern +die trigonometrischen Funktionen und können gewisse nichtlineare +Differentialgleichungen lösen. +Sie finden auch Anwendungen im Design elliptischer Filter +(siehe Kapitel~\ref{chapter:ellfilter}). +\end{enumerate} + +Natürlich ist damit das weite Gebiet der speziellen Funktionen +nur ganz grob umrissen. +Weitere Aspekte und Anwendungen werden in den Artikeln im zweiten +Teil vorgestellt. +Eine Übersicht dazu findet der Leser auf Seite~\pageref{buch:uebersicht}. + diff --git a/buch/chapters/000-einleitung/speziellefunktionen.tex b/buch/chapters/000-einleitung/speziellefunktionen.tex new file mode 100644 index 0000000..8ca71bc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/000-einleitung/speziellefunktionen.tex @@ -0,0 +1,150 @@ +% +% Spezielle Funktionen +% +\subsection*{Spezielle Funktionen} +Der abstrakte Funktionsbegriff auferlegt einer Funktion nur ganz wenige +Einschränkungen. +Damit lässt sich zwar eine mathematische Theorie entwickeln, die +klärt, unter welchen Umständen zusätzliche Eigenschaften wie Stetigkeit +und Differenzierbarkeit zu erwarten sind. +Allgemeine Berechnungen kann man mit diesem Begriff aber nicht durchführen, +seine Anwendbarkeit ist beschränkt. +Praktisch nützlich wird der Funktionsbegriff also erst, wenn man ihn +einschränkt auf anwendungsrelevante Eigenschaften. +Die Mathematik hat in ihrer Geschichte genau dies immer wieder +getan, wie im Folgenden kurz skizziert werden soll. + +% +% Polynome und Wurzeln +% +\subsubsection{Polynome und Wurzeln} +Eine Polynomgleichung wie etwa +\begin{equation} +p(x) = ax^2+bx+c = 0 +\label{buch:einleitung:quadratisch} +\end{equation} +kann manchmal dadurch gelöst werden, dass man die Nullstellen errät +und damit eine Faktorisierung $p(x)=a(x-x_1)(x-x_2)$ konstruiert. +Doch im Allgemeinen wird man die Lösungsformel für quadratische +Gleichungen verwenden, die auf quadratischem Ergänzen basiert. +Es erlaubt die Gleichung~\eqref{buch:einleitung:quadratisch} umzwandeln in +\[ +\biggl(x + \frac{b}{2a}\biggr)^2 += +-\frac{c}{a} + \frac{b^2}{4a^2} += +\frac{b^2-4ac}{4a^2}. +\] +Um diese Gleichung nach $x$ aufzulösen, muss man die inverse Funktion +der Quadratfunktion zur Verfügung haben, die Wurzelfunktion. +Dies ist wohl das älteste Beispiel einer speziellen Funktion, +die man zu dem Zweck eingeführt hat, spezielle algebraische Gleichungen +lösen zu können. +Sie liefert die bekannte Lösungsformel +\[ +x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} +\] +für die quadratische Gleichung. + +% +% Exponential- und Logarithmusfunktion +% +\subsubsection{Exponential- und Logarithmusfunktion} +Durch die Definition der Wurzelfunktion ist das Problem der numerischen +Berechnung der Nullstelle natürlich noch nicht gelöst, aber man hat +ein handliches mathematisches Symbol gewonnen, mit dem man die Lösungen +übersichtlich beschreiben und algebraisch manipulieren kann. +Diese Idee steht hinter allen weiteren in diesem Buch diskutierten +Funktionen: wann immer ein wichtiges mathematisches Konzept sich nicht +direkt durch die bereits entwickelten Funktionen ausdrücken lässt, +erfindet man dafür eine neue Funktion oder Familie von Funktionen. +Beispielsweise hat sich die Darstellung von Zahlen $x$ als Potenzen +einer gemeinsamen Basis, zum Beispiel $x=10^y$, als sehr nützlich +herausgestellt, um Multiplikationen auf die von Hand leichter +ausführbaren Additionen zurückzuführen. +Man braucht also die Fähigkeit, die Abhängigkeit des Exponenten $y$ +von $x$ auszudrücken, mit anderen Worten, man braucht die +Logarithmusfunktion. + +Auch die Logarithmusfunktion erlaubt nicht, die Gleichungen $xe^x=y$ +nach $x$ aufzulösen. +Solche Exponentialgleichungen treten in verschiedenster Form auch in +Anwendungen auf. +Die Lambert-$W$-Funktion, die in Abschnitt~\ref{buch:section:lambertw} +eingeführt wird, löst genau diese Aufgabe. + + +% +% Geometrisch definierte spezielle Funktionen +% +\subsubsection{Geometrisch definierte spezielle Funktionen} +Die trigonometrischen Funktionen entstanden bereits im Altertum +um das Problem der Vermessung der Himmelskugel zu lösen. +Man kann sie aber auch zur Parametrisierung eines Kreises oder +zur Beschreibung von Drehungen mit Drehmatrizen verwenden. +Sie stellen auch eine Zusammenhang zwischen der Bogenlänge +entlang eines Kreises und der zugehörigen Sehne her. +Diese Ideen lassen sich auf eine grössere Klasse von Kurven, +nämlich die Kegelschnitte verallgemeinern. +Diese werden in Kapitel~\ref{buch:chapter:geometrie} eingeführt. +Die Parametrisierungen der Hyperbeln zum Beispiel führt auf +hyperbolische Funktion und macht eine Verbindung zu Exponential- +und Logarithmusfunktion sichtbar. + +% +% Lösungen von Differentialgleichungen +% +\subsubsection{Lösungen von Differentialgleichungen} +Alternativ kann man $\sin x$ und $\cos x$ als spezielle Lösungen der +Differentialgleichung $y''=-y$ verstehen. +Viele andere Funktionen wie die hyperbolischen Funktionen oder die +Bessel-Funktionen sind ebenfalls Lösungen spezieller Differentialgleichungen. + +Auch die Theorie der partiellen Differentialgleichungen, auf die +im Kapitel~\ref{buch:chapter:pde} eingegangen wird, gibt Anlass +zu interessanten Lösungsfunktionen. +Die Separation des Poisson-Problems in Kugelkoordinaten führt zum Beispiel +auf die Kugelfunktionen, mit denen sich beliebige Funktionen auf einer +Kugeloberfläche analysieren und synthetisieren lassen. +Die Lösungen einer linearer gewöhnlicher Differentialgleichung können +oft mit Hilfe von Potenzreihen dargestellt werden. +So kann man zum Beispiel die Potenzreihenentwicklung der Exponentialfunktion +und der trigonometrischen Funktionen finden. +Die Konvergenz einer Potenzreihe wird aber durch Singularitäten +eingeschränkt. +Komplexe Potenzreihen ermöglichen aber, solche Stellen zu ``umgehen''. +Die Theorie der komplex differenzierbaren Funktionen bildet einen +allgemeinen Rahmen, mit solchen Funktionen umzugehen und ist zum +Beispiel nötig, um die Bessel-Funktionen der zweiten Art zu konstruieren, +die ebenfalls Lösungen ger Bessel-Gleichung sind, aber bei $x=0$ +eine Singularität aufweisen. + +% +% Stammfunktionen +% +\subsubsection{Stammfunktionen} +Die Stammfunktion $F(x)$ einer gegebenen Funktion $f(x)$ ist natürlich +auch die Lösung der besonders einfachen Differentialgleichung $F'=f$. +Ein bekanntes Beispiel ist die Stammfunktion der Wahrscheinlichkeitsdichte +\[ +\varphi(x) += +\frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}, +\] +der Normalverteilung, für die aber keine geschlossene Darstellung +mit bekannten Funktionen bekannt ist. +Sie kann aber durch die Fehlerfunktion +\[ +\operatorname{erf}(x) += +\frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^x e^{-t^2}\,dt +\] +dargestellt werden. +Mit dem Risch-Algorithmus kann man nachweisen, dass es tatsächlich +keine Möglichkeit gibt, die Stammfunktion in geschlossener Form durch +die bereits bekannten Funktionen darzustellen, die Definition einer +neuen speziellen Funktion ist also der einzige Ausweg. +Die Fehlerfunktion ist heute in der Standardbibliothek enthalten auf +gleicher Stufe wie Wurzeln, trigonometrische Funktionen, +Exponentialfunktionen oder Logarithmen. + diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/Makefile.inc b/buch/chapters/010-potenzen/Makefile.inc index a4505cb..87afe38 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/010-potenzen/Makefile.inc @@ -4,10 +4,11 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex \ chapters/010-potenzen/polynome.tex \ chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex \ + chapters/010-potenzen/rational.tex \ chapters/010-potenzen/potenzreihen.tex \ chapters/010-potenzen/uebungsaufgaben/101.tex \ chapters/010-potenzen/uebungsaufgaben/102.tex \ diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/chapter.tex b/buch/chapters/010-potenzen/chapter.tex index 7dc30d4..a1cce60 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/chapter.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/chapter.tex @@ -18,10 +18,13 @@ Diskussion rechtfertigen. \begin{enumerate} \item Die Umkehrfunktion der Potenzfunktion sind viel schwieriger zu +\index{Potenzfunktion}% berechnen und können als eine besonders einfache Art von speziellen Funktionen betrachtet werden. Die in Abschnitt~\ref{buch:potenzen:section:loesungen} definierten Wurzelfunktionen sind der erste Schritt zur Lösung von Polynomgleichungen. +\index{Wurzelfunktion}% +\index{Polynomgleichung}% \item Es lassen sich interessante Familien von Funktionen definieren, die zum Teil aus Polynomen bestehen. @@ -32,6 +35,7 @@ Abschnitt~\ref{buch:polynome:section:tschebyscheff} vorgestellt. \item Alles speziellen Funktionen sind analytisch, sie haben eine konvergente Potenzreihenentwicklung. +\index{Potenzreihe}% Die Partialsummen einer Potenzreihenentwicklung sind Approximationen An die wichtigsten Eigenschaften von Potenzreihen wird in Abschnitt~\ref{buch:potenzen:section:potenzreihen} erinnert. @@ -40,6 +44,7 @@ Abschnitt~\ref{buch:potenzen:section:potenzreihen} erinnert. \input{chapters/010-potenzen/polynome.tex} \input{chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex} \input{chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex} +\input{chapters/010-potenzen/rational.tex} \input{chapters/010-potenzen/potenzreihen.tex} \section*{Übungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex b/buch/chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex index 692192d..a9f273a 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/loesbarkeit.tex @@ -20,8 +20,22 @@ für ein Polynome $p(x)$ und eine Konstante $c\in\mathbb{C}$. % Fundamentalsatz der Algebra % \subsection{Fundamentalsatz der Algebra} +In Abschnitt~\ref{buch:polynome:subsection:faktorisierung-und-nullstellen} +wurde gezeigt, dass sich jede Nullstellen $\alpha$ eines Polynoms als +Faktor $x-\alpha$ abspalten lässt. +Jedes Polynom liess sich in ein Produkt von Linearfaktoren und +einen Faktor zerlegen, der keine Nullstellen hat. +Zum Beispiel hat das Polynom $x^2+1\in\mathbb{R}[x]$ keine +Nullstellen in $\mathbb{R}$. +Eine solche Nullstelle müsste eine Quadratwurzel von $-1$ sein. +Die komplexen Zahlen $\mathbb{C}$ wurden genau mit dem Ziel konstruiert, +dass $i=\sqrt{-1}$ sinnvoll wird. +Der Fundamentalsatz der Algebra zeigt, dass $\mathbb{C}$ alle +Nullstellen von Polynomen enthält. \begin{satz}[Gauss] +\index{Satz!Fundamentalsatz der Algebra}% +\index{Fundamentalsatz der Algebra}% \label{buch:potenzen:satz:fundamentalsatz} Jedes Polynom $p(x)=a_nx^n+\dots + a_2x^2 + a_1x + a_0\in\mathbb{C}[x]$ zerfällt in ein Produkt @@ -34,6 +48,7 @@ a_n für Nullstellen $\alpha_k\in\mathbb{C}$. \end{satz} + % % Lösbarkeit durch Wurzelausdrücke % @@ -143,8 +158,63 @@ höheren Grades nicht mit einer Lösung durch Wurzelausdrücke rechnen kann. \begin{satz}[Abel] +\index{Satz!von Abel} \label{buch:potenzen:satz:abel} Für Polynomegleichungen vom Grad $n\ge 5$ gibt es keine allgemeine Lösung durch Wurzelausdrücke. \end{satz} + + +% +% Algebraische Zahlen +% +\subsection{Algebraische Zahlen} +Die Verwendung der komplexen Zahlen ist für numerische Rechnungen +zweckmässig. +In den Anwendungen der Computer-Algebra hingegen erwartet man zum +Beispiel exakte Formeln für eine Stammfunktion. +Nicht rationale Zahlen können nur exakt verarbeitet werden, wenn +Sie sich algebraisch in endlich vielen Schritten charakterisieren +lassen. +Dies ist zum Beispiel für rationale Zahlen $\mathbb{Q}$ möglich. +Gewisse irrationale Zahlen kann man charakterisieren durch +die Eigenschaft, Nullstelle eines Polynoms $p(x)\in\mathbb{Q}[x]$ +mit rationalen Koeffizienten zu sein. + +\begin{definition} +Eine Zahl $\alpha$ heisst {\em algebraisch} über $\mathbb{Q}$, +wenn es ein Polynom +\index{algebraische Zahl}% +$p(x)\in \mathbb{Q}[x]$ gibt, welches $\alpha$ als Nullstelle hat. +Eine Zahl heisst transzendent über $\mathbb{Q}$, wenn sie nicht algebraisch ist +über $\mathbb{Q}$. +\end{definition} + +Die Zahlen $i=\sqrt{-1}$ und $\sqrt{n\mathstrut}$ für $n\in\mathbb{N}$ +sind also algebraisch über $\mathbb{Z}$. +Es ist gezeigt worden, dass $\pi$ und $e$ nicht nur irrational +sind, sondern sogar transzendent. + +Eine Polynomgleichung $p(\alpha)=0$ mit $p(x)\in\mathbb{Q}[x]$ +hat eine Rechenregel für $\alpha$ zur Folge. +Dazu schreibt man +\[ +p_n\alpha^n + p_{n-1}\alpha^{n-1} + \dots + a_1\alpha + a_0 =0 +\qquad\Rightarrow\qquad +\alpha^n = -\frac{1}{p_n}\bigl( +p_{n-1}\alpha^{n-1}+\dots+a_1\alpha+a_0 +\bigr). +\] +Diese Regel erlaubt, jede Potenz $\alpha^k$ mit $k\ge n$ durch +Potenzen von $\alpha^l$ mit $l<n$ auszudrücken. +Die Zahlen, die sich durch arithmetische Operationen aus +$\alpha$ bilden lassen, lassen sich also sogar durch lineare +Operationen aus $1,\alpha,\alpha^2,\dots,\alpha^{n-1}$ +bilden. +Sie bilden einen endlichdimensionalen Vektorraum über $\mathbb{Q}$. +Rechnen mit algebraischen Zahlen ist also in einem CAS exakt möglich, +wie das in Abschnitt~\ref{buch:integrale:section:dkoerper} +für die Berechnung von Stammfunktionen illustriert wird. + + diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex b/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex index 5f119e5..ce5e521 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/polynome.tex @@ -13,20 +13,32 @@ 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}% +\index{Polynom!Grad}% 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. +\index{Polynomring}% +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 +47,14 @@ 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 @@ -52,7 +66,10 @@ Berechnungsverfahren für die speziellen Funktionen zu konstruieren. Dank des folgenden Satzes kann dies immer mit Polynomen geschehen. \begin{satz}[Weierstrass] +\index{Satz!Weierstrass}% +\index{Weierstrasse, Karl}% \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. @@ -60,7 +77,9 @@ approximieren. Der Satz sagt in dieser Form nichts darüber aus, wie die Approximationspolynome konstruiert werden sollen. +\index{Approximationspolynom}% Von Bernstein gibt es konstruktive Beweise dieses Satzes, +\index{Bernstein-Polynom}% welche auch explizit eine Folge von Approximationspolynomen konstruieren. In der späteren Entwicklung werden wir für die meisten @@ -69,19 +88,372 @@ ebenfalls als Approximationen dienen können. Weitere Möglichkeiten liefern Interpolationsmethoden der numerischen Mathematik. -\subsection{Faktorisierung und Nullstellen} +Diese Betrachtungsweise von Polynomen als Funktionen trägt +aber den zusätzlichen algebraischen Eigenschaften des Polynomringes +nicht ausreichend Rechnung. +Zum Beispiel bedeutet Gleichheit von zwei reellen Funktion $f(x)$ und +$g(x)$, dass man $f(x)=g(x)$ für alle $x\in\mathbb{R}$ nachprüfen +muss. +Für Polynome reicht es jedoch, die Funktionswerte in nur wenigen +Punkten zu vergleichen. +Dies äussert sich zum Beispiel auch im Prinzip des +Koeffizientenvergleichs von +Satz~\ref{buch:polynome:satz:koeffizientenvergleich}. +Im Gegensatz zu beliebigen Funktionen kann man daher Aussagen +über Polynomen immer mit endlich Algorithmen entscheiden. +Die nächsten Abschnitte sollen diese algebraischen Eigenschaften +zusammenfassen. + +% +% Polynomdivision, Teilbarkeit und ggT +% +\subsection{Polynomdivision, Teilbarkeit und grösster gemeinsamer Teiler} +Der schriftliche Divisionsalgorithmus für Zahlen funktioniert +auch für die Division von Polynomen. +\index{Polynome!Divisionsalgorithmus}% +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 +\index{teilbar}% +\index{Polynome!teilbar}% +$q(x)\mid p(x)$, wenn $r(x)=0$ ist. + +% +% Grösster gemeinsamer Teiler +% +\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 $b(x)$ +\index{gemeinsamer Teiler}% +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}% +\index{Polynome!grösster gemeinsamer Teiler}% +Ein Polynom $g(x)$ heisst {\em 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. + +% +% Der euklidische Algorithmus +% +\subsubsection{Der euklidische Algorithmus} +\index{Algorithmus!euklidisch}% +\index{euklidischer 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. + +% +% Der erweiterte euklidische Algorithmus +% +\subsubsection{Der erweiterte euklidische Algorithmus} +\index{Polynome!erweiterter euklidischer Algorithmus}% +\index{erweiterter euklidischer Algorithmus}% +\index{euklidischer Algorithmus!erweitert}% +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} + +% +% Faktorisierung und Nullstellen +% +\subsection{Faktorisierung und Nullstellen +\label{buch:polynome:subsection:faktorisierung-und-nullstellen}} % wird später gebraucht um bei der Definition der hypergeometrischen Reihe % die Zaehler- und Nenner-Polynome als Pochhammer-Symbole zu entwickeln +Ist $\alpha$ eine Nullstelle des Polynoms $a(x)$, also $a(\alpha)=0$. +Der Divisionsalgorithmus mit für die Polynome $a(x)$ und $b(x)=x-\alpha$ +liefert zwei Polynome $q(x)$ für den Quotienten und $r(x)$ für den Rest +mit den Eigenschaften +\[ +a(x) += +q(x) b(x) ++r(x) += +q(x)(x-\alpha)+r(x) +\qquad\text{mit}\qquad +\deg r < \deg b(x)=1. +\] +Der Rest $r(x)$ ist somit eine Konstante. +Setzt man $x=\alpha$ ein, folgt +\[ +0 += +a(\alpha) += +q(\alpha)(\alpha-\alpha)+r(\alpha) += +r(\alpha), +\] +der Rest $r(x)$ muss also verschwinden. +Für eine Nullstelle $\alpha$ von $a(x)$ ist $a(x)$ durch $(x-\alpha)$ +teilbar. +Daraus folgt auch, dass ein Polynom $a(x)$ vom Grad $n=\deg a(x)$ höchstens +$n$ verschiedene Nullstellen haben kann. + +Sind $\alpha_1,\dots,\alpha_k$ alle Nullstellen von $a(x)$, dann lässt +sich $a(x)$ zerlegen in Faktoren +\[ +a(x) += +(x-\alpha_1)^{m_1} +(x-\alpha_2)^{m_2} +\cdots +(x-\alpha_k)^{m_k} +b(x). +\] +Das Polynom $b(x)\in K[x]$ hat keine Nullstellen in $K$. +Wenn zwei Polynome $a(x)$ und $b(x)$ eine gemeinsame Nullstelle $\alpha$ +haben, dann ist $(x-\alpha)$ ein Teiler beider Polynome und somit auch +ein Teiler eines grössten gemeinsamer Teiler. +Insbesondere sind die Nullstellen des grössten gemeinsamen Teilers +gemeinsame Nullstellen von $a(x)$ und $b(x)$. + +% +% Koeffizienten-Vergleich +% \subsection{Koeffizienten-Vergleich} % Wird gebraucht für die Potenzreihen-Methode % Muss später ausgedehnt werden auf Potenzreihen +Wenn zwei Polynome $a(x)$ und $b(x)$ vom Grad $\le n$ die gleichen +Koeffizienten haben, dann sind sie selbstverständlich gleich. +Weniger klar ist, ob zwei Polynome, die die gleichen Werte für beliebige +$x$ haben, auch die gleichen Koeffizienten haben. +Wir nehmen also an, dass $a(x)=b(x)$ gilt für jedes $x\in K$ und +wollen daraus ableiten, dass die Koeffizienten übereinstimmen müssen. +Seien $x_1,\dots,x_n$ verschiedene Elemente in $K$, dann +hat das Polynom $p(x)=a(x)-b(x)$, welches Grad $\le n$ hat, +die $n$ Nullstellen $x_k$ für $k=1,\dots,n$. +$p(x)$ ist also durch alle Polynome $x-x_k$ teilbar. +Weil $\deg p\le n$ ist, muss +\[ +0 += +a(x)-b(x) += +p(x) += +p_n +(x-x_1)(x-x_2)\cdots (x-x_n) +\] +sein. +Ist $y\in K$ verschieden von den Nullstellen $x_i$, dann ist +in $y-x_i\ne 0$ für alle $i$. +Für das Produkt gilt dann +\[ +0 += +p(y) += +p_n +(\underbrace{x-x_1}_{\displaystyle \ne 0}) +\cdots +(\underbrace{x-x_n}_{\displaystyle \ne 0}), +\] +so dass $p_n=0$ sein muss, was schliesslich dazu führt, dass alle +Koeffizienten von $a(x)-b(x)$ verschwinden. +Daraus folgt das Prinzip des Koeffizientenvergleichs: +\index{Koeffizientenvergleich}% +\index{Polynome!Koeffizientenvergleich}% + +\begin{satz}[Koeffizientenvergleich] +\index{Satz!Koeffizientenvergleich}% +\label{buch:polynome:satz:koeffizientenvergleich} +Zwei Polynome $a(x)$ und $b(x)$ stimmen genau dann überein, wenn +sie die gleichen Koeffizienten haben. +\end{satz} + +Man beachte, dass dieses Prinzip nur funktioniert, wenn es genügend +viele verschiedene Elemente in $K$ gibt. +Für die endlichen Körper $\mathbb{F}_p$ gilt dies nicht, denn es gilt +\[ +a(x) += +x^p-x\equiv 0\mod p +\] +für jede Zahl $x\in\mathbb{F}_p$, das Polynom $a(x)$ mit Grad $p$ +hat also genau $p$ Nullstellen, es gibt aber keine weitere Nullstelle, +mit der man wie oben schliessen könnte, dass $a(x)$ das Nullpolynom ist. + +% +% Berechnung von Polynom-Werten +% +\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. -\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 +Die Anzahl nötiger Multiplikationen kann mit dem folgenden Vorgehen +reduziert werden, welches auch als das {\em Horner-Schema} bekannt ist. +\index{Horner-Schema}% +\index{Polynome!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 \[ a_nx^n + @@ -95,10 +467,10 @@ a_0 = ((\dots((a_nx+a_{n-1})x+a_{n-2})x+\dots )x+a_1)x+a_0 \] -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/010-potenzen/potenzreihen.tex b/buch/chapters/010-potenzen/potenzreihen.tex index a003fcb..994f99f 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/potenzreihen.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/potenzreihen.tex @@ -105,6 +105,7 @@ Für $|z|<1$ geht $z^n\to 0$ für $n\to\infty$, die Partialsummen konvergieren und wir erhalten das Resultat des folgenden Satzes. \begin{satz} +\index{Satz!geometrische Reihe}% \label{buch:polynome:satz:geometrischereihe} Die geometrische Reihe $a+az+az^2+\dots$ konvergiert für $|z|<1$ und hat die Summe @@ -124,6 +125,7 @@ als konvergent erkannten Reihen nachweisbar. Dies ist der Inhalt des folgenden, wohlbekannten Majorantenkriteriums. \begin{satz}[Majorantenkriterium] +\index{Satz!Majorantenkriterium}% \label{buch:polynome:satz:majorantenkriterium} \index{Majorantenkriterium} Seien $a_k$ und $b_k$ die Glieder zweier unendlicher Reihen. @@ -142,6 +144,7 @@ Potenzreihen mit der geometrischen Reihe zu vergleichen und liefert damit einfach anzuwende Kriterien für die Konvergenz. \begin{satz}[Quotientenkriterium] +\index{Satz!Quotientenkriterium}% \label{buch:polynome:satz:quotientenkriterium} \index{Quotientenkriterium}% Eine Reihe @@ -175,6 +178,7 @@ die unter der gegebenen Voraussetzung konvergiert. \end{proof} \begin{satz}[Wurzelkriterium] +\index{Satz!Wurzelkriterium}% \label{buch:polynome:satz:wurzelkriterium} \index{Wurzelkriterium} Falls @@ -203,6 +207,9 @@ das Reststück der Reihe ab Index $N$ ist daher wieder majorisiert durch eine konvergente geometrische Reihe. \end{proof} +% +% Konvergenzradius +% \subsubsection{Konvergenzradius} Das Quotienten- und das Wurzel-Kriterium ist auf beliebige Reihen anwendbar, es berücksichtigt nicht, dass in einer Potenzreihe @@ -224,6 +231,7 @@ um den Punkt $z_0$ ist \end{definition} \begin{satz} +\index{Satz!Konvergenzradius}% \label{buch:polynome:satz:konvergenzradius} Der Konvergenzradius $\varrho$ einer Potenzreihe $\sum_{k=0}^\infty a_k(z-z_0)^k$ ist @@ -420,7 +428,7 @@ $z_0$ ist die Summe \frac{f^{(k)}(z_0)}{k!} (z-z_0)^k \label{buch:polynome:eqn:taylor-polynom} \end{equation} -\index{Taylor-Reihe} +\index{Taylor-Reihe}% Die {\em Taylor-Reihe} der Funktion $f(z)$ ist die Reihe \begin{equation} \mathscr{T}_{z_0}f (z) @@ -431,7 +439,9 @@ Die {\em Taylor-Reihe} der Funktion $f(z)$ ist die Reihe \end{equation} \end{definition} - +% +% Analytische Funktionen +% \subsubsection{Analytische Funktionen} Das Taylor-Polynom $\mathscr{T}_{z_0}^nf(z)$ hat an der Stelle $z_0$ die gleichen Funktionswerte und Ableitungen wie die Funktion $f(z)$, diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/rational.tex b/buch/chapters/010-potenzen/rational.tex new file mode 100644 index 0000000..f1957ac --- /dev/null +++ b/buch/chapters/010-potenzen/rational.tex @@ -0,0 +1,61 @@ +% +% rational.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Rationale Funktionen +\label{buch:polynome:section:rationale-funktionen}} +\rhead{Rationale Funktionen} +Polynome sind sehr einfach auszuwerten und können auf einem +Interval jede stetige Funktion beliebig gut approximieren. +Auf einem unbeschränkten Definitionsbereich wachsen Polynome aber +immer unbeschränkt an. +Der führende Term $a_nx^n$ dominiert das Verhalten eines Polynoms +für $x\to\infty$ wegen +\[ +\lim_{x\to\infty} a_nx^n += +\operatorname{sgn} a_n \cdot\infty +\qquad\text{und}\qquad +\lim_{x\to-\infty} a_nx^n += +(-1)^n \operatorname{sgn} a_n\cdot \infty. +\] +Insbesondere kann man nicht erwarten, dass sich eine beschränkte +Funktion wie $\sin x$ durch Polynome auf dem ganzen Definitionsbereich +gut approximieren lässt. +Der Unterschied $p(x)-\sin x$ wird für jedes beliebige Polynome $p(x)$ +für $x\to\pm\infty$ unbeschränkt anwachsen. + +Eine weitere Einschränkung ist, dass die Menge der Polynome bezüglich +der arithmetischen Operationen nicht abgeschlossen ist. +Man kann zwar Polynome addieren und multiplizieren, aber der Quotient +ist nicht notwendigerweise ein Polynom. +Abhilfe schafft nur, wenn man Quotienten von Polynomen zulässt. + +\begin{definition} +Eine Funktion $f(x)$ heisst {\em rationale Funktion}, wenn sie Quotient +\index{rationale Funktion}% +zweier Polynome ist, wenn es also Polynome $p(x), q(x)\in K[x]$ gibt mit +\[ +f(x) = \frac{p(x)}{q(x)}. +\] +Die Menge der rationalen Funktione mit Koeffizienten in $K$ wird mit +$K(x)$ bezeichnet. +\end{definition} + +Polynome sind rationale Funktionen, deren Nennergrad $1$ ist. +Rationale Funktionen können ebenfalls zur Approximation von Funktionen +verwendet werden. +Da sie beschränkt sein können, haben sie das Potential, +beschränkte Funktionen besser zu approximieren, als dies mit +Polynomen allein möglich wäre. +Die Theorie der Padé-Approximation, wie sie zum Beispiel im Buch +\index{Pade-Approximation@Padé-Approximation}% +\cite{buch:pade} dargestellt ist, ist zum Beispiel auch in der +Regelungstechnik von Interesse, da sich rationale Funktionen mit +linearen Komponenten schaltungstechnisch realisieren lassen. +Weitere Anwendungen werden in Kapitel~\ref{chapter:transfer} +gezeigt. + + diff --git a/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex b/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex index 29d1d4b..6d21a68 100644 --- a/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex +++ b/buch/chapters/010-potenzen/tschebyscheff.tex @@ -102,7 +102,7 @@ die Sütztstellen so zu wählen, dass $l(x)$ kleine Funktionswerte hat. Stützstellen in gleichen Abständen erweisen sich dafür als ungeeignet, da $l(x)$ nahe $x_0$ und $x_n$ sehr stark oszilliert. -\subsection{Definition der Tschebyscheff-Polynome} +\subsection{Definition der Tschebyscheff-Polynome \label{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}} \begin{figure} \centering \includegraphics[width=\textwidth]{chapters/010-potenzen/images/lissajous.pdf} @@ -199,6 +199,7 @@ T_0(x)=1. \end{equation} Damit können die Tschebyscheff-Polynome sehr effizient berechnet werden: \begin{equation} +\label{eq:tschebyscheff-polynome} \begin{aligned} T_0(x) &=1 @@ -241,12 +242,16 @@ Die Rekursionsformel kann auch dazu verwendet werden, Werte der Tschebyscheff-Polynome sehr effizient zu berechnen. +% +% Multiplikationsformel +% \subsubsection{Multiplikationsformel} Aus der Definition mit Hilfe trigonometrischer Funktionen lässt sich auch eine Multiplikationsformel ableiten. \index{Multiplikationsformel}% \begin{satz} +\index{Satz!Multiplikationsformel für Tschebyscheff-Polynome}% Es gilt \begin{align} T_m(x)T_n(x)&=\frac12\bigl(T_{m+n}(x) + T_{m-n}(x)\bigr) @@ -300,4 +305,82 @@ T_{mn}(x). Damit ist auch \eqref{buch:potenzen:tschebyscheff:mult2} bewiesen. \end{proof} +% +% Differentialgleichung +% +\subsubsection{Tschebyscheff-Differentialgleichung} +Die Ableitungen der Tschebyscheff-Polynome sind +\begin{align*} +T_n(x) +&= +\cos (ny(x)) +&& +&& +\\ +\frac{d}{dx} T_n(x) +&= +\frac{d}{dx} \cos(ny(x)) += +n\sin(ny(x)) \cdot \frac{dy}{dx} +& +&\text{mit}& +\frac{dy}{dx} +&= +-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} +\\ +\frac{d^2}{dx^2} T_n(x) +&= +-n^2\cos(ny(x)) \biggl(\frac{dy}{dx}\biggr)^2 + n\sin(ny(x)) \frac{d^2y}{dx^2} +& +&\text{mit}& +\frac{d^2y}{dx^2} +&= +-\frac{x}{(1-x^2)^{\frac32}}. +\end{align*} +Wir suchen eine verschwindende Linearkombination dieser drei Terme +mit Funktionen von $x$ als Koeffizienten. +Wir setzen daher an +\begin{align*} +0 +&= +\alpha(x) T_n''(x) ++ +\beta(x) T_n'(x) ++ +\gamma(x) T_n(x) +\\ +&= +\biggl( +-\frac{n^2\alpha(x)}{1-x^2} ++ +\gamma(x) +\biggr) +\cos(ny(x)) ++ +\biggl( +-\frac{nx\alpha(x)}{(1-x^2)^{\frac32}} +-\frac{n\beta(x)}{\sqrt{1-x^2}} +\biggr) +\sin(ny(x)) +\end{align*} +Die grossen Klammern müssen verschwinden, was nur möglich ist, wenn zu +gegebenem $\alpha(x)$ die anderen beiden Koeffizienten +\begin{align*} +\beta(x) &= -\frac{x\alpha(x)}{1-x^2} \\ +\gamma(x) &= n^2 \frac{\alpha(x)}{1-x^2} +\end{align*} +sind. +Die Koeffizienten werden besonders einfach, wenn man $\alpha(x)=1-x^2$ wählt. +Die Tschebyscheff-Polynome sind Lösungen der Differentialgleichung +\begin{equation} +(1-x^2) T_n''(x) -x T_n'(x) +n^2 T_n(x) = 0. +\label{buch:potenzen:tschebyscheff:dgl} +\end{equation} +Die Differentialgleichung~\eqref{buch:potenzen:tschebyscheff:dgl} +heisst {\em Tschebyscheff-Differentialgleichung}. +\index{Tschebyscheff-Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Tschebyscheff-}% + + + diff --git a/buch/chapters/020-exponential/Makefile.inc b/buch/chapters/020-exponential/Makefile.inc index d6b3c7f..4d8f58b 100644 --- a/buch/chapters/020-exponential/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/020-exponential/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/020-exponential/zins.tex \ chapters/020-exponential/log.tex \ chapters/020-exponential/lambertw.tex \ diff --git a/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex b/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex index 1ab4769..eaa777d 100644 --- a/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex +++ b/buch/chapters/020-exponential/chapter.tex @@ -12,8 +12,8 @@ \input{chapters/020-exponential/zins.tex} \input{chapters/020-exponential/log.tex} \input{chapters/020-exponential/lambertw.tex} -\input{chapters/020-exponential/dilog.tex} -\input{chapters/020-exponential/eili.tex} +%\input{chapters/020-exponential/dilog.tex} +%\input{chapters/020-exponential/eili.tex} \section*{Übungsaufgaben} \rhead{Übungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex b/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex index 2b023cc..d78fdc3 100644 --- a/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex +++ b/buch/chapters/020-exponential/lambertw.tex @@ -17,6 +17,11 @@ der Unbekannten und der Exponentialfunktion, also $xe^x$ auftreten. Die Lambert $W$-Funktion ermöglicht, die Lösungen solcher Gleichungen darzustellen. +Als Anwendung der Theorie der Lambert-$W$-Funktion wird in +Kapitel~\ref{chapter:lambertw} +eine Parametrisierung einer Verfolgungskurve mit Hilfe von $W(x)$ +bestimmt. + % % Die Funktion xe^x % @@ -57,8 +62,10 @@ invertierbar. \begin{definition} Die inverse Funktion der Funktion $[-1,\infty)\to[-1/e,\infty):x\mapsto xe^x=y$ heisst die Lambert $W$-Funktion, geschrieben $W(y)$ oder $W_0(y)$. +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Definition}% Die inverse Funktion der Funktion $(-\infty,-1)\to[-1/e,0)$ wird mit $W_{-1}$ bezeichnet. +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Graph}% \end{definition} \begin{figure} @@ -78,7 +85,11 @@ erfüllen sie W(x) e^{W(x)} = x. \] +% +% Ableitung der W-Funktion +% \subsubsection{Ableitung der Funktionen $W(x)$ und $W_{-1}(x)$} +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Ableitung} Die Umkehrfunktion $f^{-1}(y)$ einer Funktion $f(x)$ erfüllt \( f^{-1}(f(x)) = x. @@ -204,7 +215,12 @@ P_{n+1}(t) \] mit $P_1(t)=1$. +% +% Differentialgleichung und Stammfunktion +% \subsubsection{Differentialgleichung und Stammfunktion} +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!der Lambert-$W$-Funktion}% Die Ableitungsformel \eqref{buch:lambert:eqn:ableitung} bedeutet auch, dass die $W$-Funktion eine Lösung der Differentialgleichung \[ @@ -223,6 +239,7 @@ Diese Gleichung kann separiert werden in \] Eine Stammfunktion +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Stammfunktion}% \[ F(y) = @@ -260,6 +277,8 @@ für die Stammfunktion von $W(y)$. \label{buch:subsection:loesung-von-exponentialgleichungen}} Die Lambert $W$-Funktion kann zur Lösung von Exponentialgleichungen verwendet werden. +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Exponentialgleichungen}% +\index{Exponentialgleichungen}% \begin{aufgabe} Gesucht ist eine Lösung der Gleichung @@ -319,7 +338,10 @@ W(-cbe^{ac}) Die Gleichung hat eine Lösung wenn $-cbe^{ac} > -1/e$ ist. \end{proof} -\subsection{Numerische Berechnung +% +% Numerische Berechnung +% +\subsection{Numerische Berechnung der Lambert-$W$-Funktion \label{buch:subsection:lambertberechnung}} Die $W$-Funktionen sind nur dann nützlich, wenn man sie effizient berechnen kann. @@ -327,13 +349,19 @@ Leider ist sie nicht Teil der C- oder C++-Standardbibliothek, man muss sich also mit einer spezialisierten Bibliothek oder einer eigenen Implementation behelfen. +% +% Berechnung mit dem Newton-Algorithmus +% \subsubsection{Berechnung mit dem Newton-Algorithmus} Für $x>-1$ ist die Funktion $W(x)$ ist die Umkehrfunktion der streng monoton wachsenden und konvexen Funktion $f(x)=xe^x$. In dieser Situation konvergiert der Newton-Algorithmus zur Bestimmung +\index{Newton-Algorithmus}% +\index{Algorithmus!Newton-}% der Nullstelle $x=W_0(y)$ von $f(x)-y$ für alle Werte von $y>-1/e$. Für $W_{-1}(y)$ ist die Situation etwas komplizierter, da für $x<-1$ die Funktion $f(x)$ nicht konvex ist. +\index{Lambert-W-Funktion@Lambert-$W$-Funktion!Newton-Algorithmus} Ausgehend vom Startwert $x_0$ ist die Iterationsfolge definiert durch @@ -361,12 +389,7 @@ bestimmt werden. \subsubsection{GNU scientific library} Die Lambert $W$-Funktionen $W_0(x)$ und $W_{-1}(x)$ sind auch in der GNU scientific library \cite{buch:library:gsl} implementiert. - -% -% Verfolgungskurven -% -\subsection{Verfolgungskurven -\label{buch:subsection:verfolgungskurven}} +\index{GNU scientifi library}% diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc b/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc index 0bf775f..d4940dc 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex \ chapters/030-geometrie/sphaerisch.tex \ chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex \ diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex index f3f1d39..24fc089 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex @@ -32,6 +32,7 @@ der Strahlensatz muss durch den Satz von Menelaos ersetzt werden. Es ergibt sich eine Methode, beliebige Dreiecke auf einer Kugeloberfläche ganz analog zum Vorgehen bei ebenen Dreiecken zu berechnen. Diese sphärische Trigonometrie ist die Basis der Navigation +(siehe Kapitel~\ref{chapter:nav}) und aller astrometrischer Berechnungen. Die Analysis hat die Möglichkeit geschaffen, die Länge von Kurven @@ -42,7 +43,7 @@ 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 +55,6 @@ 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/hyperbolisch.tex b/buch/chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex index 72c2cb4..d2d0da2 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex @@ -163,9 +163,9 @@ In der speziellen Relativitätstheorie spielt das Minkowski-Skalarprodukt eine besondere Rolle. Die Koordinaten $x_0$ hat darin die Bedeutung der Zeit, man weiss aus Experimenten wie dem Michelson-Morley-Experiment, -dass die Grösse $\langle x,x\rangle$ ist eine Invariante ist. +dass die Grösse $\langle x,x\rangle$ eine Invariante ist. Die Transformationen mit der Matrix $A$ beschreiben also zulässige -Koordinatentransformationenn, die Invariante erhalten. +Koordinatentransformationen, die Invariante erhalten. Für Transformationen, die zusätzlich die Zeitrichtung erhalten sollen, muss $a_{00}=a_{11}=c>0$ verlangt werden. @@ -174,7 +174,7 @@ muss $a_{00}=a_{11}=c>0$ verlangt werden. Unter der Annahme $c>0$ lässt sich die Matrix vollständig durch den Parameter $t=s/c$ beschreiben. Dividiert man \eqref{buch:geometrie:hyperbolish:eqn:cs} durch $c^2$, -kann $c$ durch $t$ ausdrücken: +kann man $c$ durch $t$ ausdrücken: \[ \frac{1}{c^2} = @@ -199,10 +199,10 @@ H_t t&1 \end{pmatrix}. \] -Diese Formeln erinnern natürlich and die Formeln, mit denen +Diese Formeln erinnern natürlich an die Formeln, mit denen der hyperbolische Sinus und Kosinus aus dem hyperbolischen -Tangens berechnet werden kann. -Dieser Zusammenhang und soll im nächsten Abschnitt hergestellt +Tangens berechnet werden können. +Dieser Zusammenhang soll im nächsten Abschnitt hergestellt werden. % @@ -355,6 +355,7 @@ heissen der {\em hyperbolische Tangens} und der {\em hyperbolische Kotangens}. \end{definition} \begin{satz} +\index{Satz!hyperbolische Gruppe}% \label{buch:geometrie:hyperbolisch:Hparametrisierung} Die orientierungserhaltenden $2\times 2$-Matrizen, die das Minkowski-Skalarprodukt invariant lassen und die Zeitrichtung 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/trigonometrisch.tex b/buch/chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex index dc1f46a..643c8f2 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex @@ -167,11 +167,11 @@ und umgekehrt: \[ \sin\alpha = -\sqrt{1-\cos^2\alpha\mathstrut} +\sqrt{1-{\cos\mathstrut\!}^2\,\alpha\mathstrut} \qquad\text{und}\qquad \cos\alpha = -\sqrt{1-\sin^2\alpha\mathstrut} +\sqrt{1-{\sin\mathstrut\!}^2\,\alpha\mathstrut} \] Da sich alle Funktionen durch $\cos\alpha$ und $\sin\alpha$ ausdrücken lassen, können alle auch nur durch eine ausgedrückt werden. @@ -197,7 +197,7 @@ Tabelle~\ref{buch:geometrie:tab:trigo} zusammengestellt ist. &\displaystyle\frac{\sqrt{\csc^2\alpha-1}}{\csc\alpha} \\ \cos\alpha - &\sqrt{1-\sin^2\alpha\mathstrut} + &\sqrt{1-\sin{\!}^2\,\alpha\mathstrut} &\cos\alpha &\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1+\tan^2\alpha}} &\displaystyle\frac{\cot\alpha}{\sqrt{1+\cot^2\alpha}} @@ -205,7 +205,7 @@ Tabelle~\ref{buch:geometrie:tab:trigo} zusammengestellt ist. &\displaystyle\frac{1}{\csc\alpha} \\ \tan\alpha - &\displaystyle\frac{\sin\alpha}{\sqrt{1-\sin^2\alpha\mathstrut}} + &\displaystyle\frac{\sin\alpha}{\sqrt{1-\sin{\!}^2\,\alpha\mathstrut}} &\displaystyle\frac{\sqrt{1-\cos^2\alpha\mathstrut}}{\cos\alpha} &\tan\alpha &\displaystyle\frac{1}{\cot\alpha} @@ -213,7 +213,7 @@ Tabelle~\ref{buch:geometrie:tab:trigo} zusammengestellt ist. &\displaystyle\sqrt{\csc^2\alpha-1} \\ \cot\alpha - &\displaystyle\frac{\sqrt{1-\sin^2\alpha\mathstrut}}{\sin\alpha} + &\displaystyle\frac{\sqrt{1-\sin{\!}^2\,\alpha\mathstrut}}{\sin\alpha} &\displaystyle\frac{\cos\alpha}{\sqrt{1-\cos^2\alpha\mathstrut}} &\displaystyle\frac{1}{\tan\alpha} &\cot\alpha @@ -229,7 +229,7 @@ Tabelle~\ref{buch:geometrie:tab:trigo} zusammengestellt ist. &\displaystyle\frac{\csc\alpha}{\sqrt{\csc^2\alpha-1}} \\ \csc\alpha - &\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-\sin^2\alpha\mathstrut}} + &\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1-\sin{\!}^2\,\alpha\mathstrut}} &\displaystyle\frac{1}{\cos\alpha} &\displaystyle\sqrt{1+\tan^2\alpha} &\displaystyle\frac{\sqrt{1+\cot^2\alpha}}{\cot\alpha} @@ -394,6 +394,7 @@ D_{\alpha}D_{\beta} Aus dem Vergleich der beiden Matrizen liest man die Additionstheoreme. \begin{satz} +\index{Satz!Drehmatrizen}% Für $\alpha,\beta\in\mathbb{R}$ gilt \begin{align*} \sin(\alpha\pm\beta) 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/Makefile.inc b/buch/chapters/040-rekursion/Makefile.inc index a222b1c..cd54c80 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/040-rekursion/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/040-rekursion/gamma.tex \ chapters/040-rekursion/bohrmollerup.tex \ chapters/040-rekursion/integral.tex \ diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/beta.tex b/buch/chapters/040-rekursion/beta.tex index ff59bad..20e3f0e 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/beta.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/beta.tex @@ -8,12 +8,14 @@ Die Eulersche Integralformel für die Gamma-Funktion in Definition~\ref{buch:rekursion:def:gamma} wurde in Abschnitt~\ref{buch:subsection:integral-eindeutig} -mit dem Satz von Mollerup gerechtfertigt. +mit dem Satz~\ref{buch:satz:bohr-mollerup} +von Bohr-Mollerup gerechtfertigt. Man kann Sie aber auch als Grenzfall der Beta-Funktion verstehen, die in diesem Abschnitt dargestellt wird. -\subsection{Beta-Integral} +\subsection{Beta-Integral +\label{buch:rekursion:gamma:subsection:integralbeweis}} In diesem Abschnitt wird das Beta-Integral eingeführt, eine Funktion von zwei Variablen, welches eine Integral-Definition mit einer reichaltigen Menge von Rekursionsbeziehungen hat, die sich direkt auf @@ -30,6 +32,7 @@ B(x,y) \int_0^1 t^{x-1} (1-t)^{y-1}\,dt \] für $\operatorname{Re}x>0$, $\operatorname{Re}y>0$. +\index{Beta-Integral}% \end{definition} Aus der Definition kann man sofort ablesen, dass $B(x,y)=B(y,x)$. @@ -231,6 +234,7 @@ Durch Einsetzen der Integralformel im Ausdruck Satz. \begin{satz} +\index{Satz!Beta-Funktion und Gamma-Funktion}% Die Beta-Funktion kann aus der Gamma-Funktion nach \begin{equation} B(x,y) = \frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)} @@ -320,6 +324,9 @@ $(-\frac12)!$ als Wert \] der Gamma-Funktion interpretiert. +% +% Alternative Parametrisierung +% \subsubsection{Alternative Parametrisierungen} Die Substitution $t=\sin^2 s$ hat im vorangegangenen Abschnitt ermöglicht, $\Gamma(\frac12)$ zu ermitteln. @@ -382,8 +389,10 @@ wobei wir \] verwendet haben. Diese Darstellung des Beta-Integrals wird später -% XXX Ort ergänzen +in Satz~\ref{buch:funktionentheorie:satz:spiegelungsformel} dazu verwendet, die Spiegelungsformel für die Gamma-Funktion +\index{Gamma-Funktion!Spiegelungsformel}% +\index{Spiegelungsformel der Gamma-Funktion}% herzuleiten. Eine weitere mögliche Parametrisierung verwendet $t = (1+s)/2$ @@ -407,17 +416,23 @@ B(x,y) \label{buch:rekursion:gamma:beta:symm} \end{equation} +% +% +% \subsubsection{Die Verdoppelungsformel von Legendre} Die trigonometrische Substitution kann dazu verwendet werden, die Legendresche Verdoppelungsformel für die Gamma-Funktion herzuleiten. \begin{satz}[Legendre] +\index{Satz!Verdoppelungsformel@Verdoppelungsformel für $\Gamma(x)$}% \[ \Gamma(x)\Gamma(x+{\textstyle\frac12}) = 2^{1-2x}\sqrt{\pi} \Gamma(2x) \] +\index{Verdoppelungsformel}% +\index{Gamma-Funktion!Verdoppelungsformel von Legendre}% \end{satz} \begin{proof}[Beweis] diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex b/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex new file mode 100644 index 0000000..77715ca --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/betaverteilung.tex @@ -0,0 +1,487 @@ +% +% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\subsection{Ordnungsstatistik und Beta-Funktion +\label{buch:rekursion:ordnung:section:ordnungsstatistik}} +\rhead{Ordnungsstatistik und Beta-Funktion} +In diesem Abschnitt ist $X$ eine Zufallsvariable mit der Verteilungsfunktion +$F_X(x)$, und $X_i$, $1\le i\le n$ sei ein Stichprobe von unabhängigen +Zufallsvariablen, die wie $X$ verteilt sind. +Ziel ist, die Verteilungsfunktion und die Wahrscheinlichkeitsdichte +des grössten, zweitgrössten, $k$-t-grössten Wertes in der Stichprobe +zu finden. +Wir schreiben $[n]=\{1,\dots,n\}$ für die Menge der natürlichen +Zahlen von zwischen $1$ und $n$. + +\subsubsection{Verteilung von $\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)$ und +$\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)$ +\label{buch:rekursion:ordnung:subsection:minmax}} +Die Verteilungsfunktion von $\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)$ hat +den Wert +\begin{align*} +F_{\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)}(x) +&= +P(\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n) \le x) +\\ +&= +P(X_1\le x\wedge \dots \wedge X_n\le x) +\\ +&= +P(X_1\le x) \cdot \ldots \cdot P(X_n\le x) +\\ +&= +P(X\le x)^n += +F_X(x)^n. +\end{align*} +Für die Gleichverteilung ist +\[ +F_{\text{equi}}(x) += +\begin{cases} +0&\qquad x< 0 +\\ +x&\qquad 0\le x\le 1 +\\ +1&\qquad 1<x. +\end{cases} +\] +In diesem Fall ist Verteilung des Maximums +\[ +F_{\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)}(x) += +\begin{cases} +0&\qquad x<0\\ +x^n&\qquad 0\le x\le 1\\ +1&\qquad 1 < x. +\end{cases} +\] +Mit der zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichte +\[ +\varphi_{\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)} += +\frac{d}{dx} +F_{\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)}(x) += +\begin{cases} +nx^{n-1}&\qquad 0\le x\le 1\\ +0 &\qquad \text{sonst} +\end{cases} +\] +kann man zum Beispiel den Erwartungswert +\[ +E(\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)) += +\int_{-\infty}^\infty +x +\varphi_{\operatorname{X_1,\dots,X_n}}(x) +\,dx += +\int_{0}^1 x\cdot nx^{n-1}\,dt += +\biggl[ +\frac{n}{n+1}x^{n+1} +\biggr]_0^1 += +\frac{n}{n+1} +\] +berechnen. + +Ganz analog kann man auch die Verteilungsfunktion von +$\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)$ bestimmen. +Sie ist +\begin{align*} +F_{\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)}(x) +&= +P(x\le X_1\vee \dots \vee x\le X_n) +\\ +&= +1- +P(x > X_1\wedge \dots \wedge x > X_n) +\\ +&= +1- +(1-P(x\le X_1)) \cdot\ldots\cdot (1-P(x\le X_n)) +\\ +&= +1-(1-F_X(x))^n, +\end{align*} +Im Speziellen für im Intervall $[0,1]$ gleichverteilte $X_i$ ist die +Verteilungsfunktion des Minimums +\[ +F_{\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)}(x) += +\begin{cases} +0 &\qquad x<0 \\ +1-(1-x)^n&\qquad 0\le x\le 1\\ +1 &\qquad 1 < x +\end{cases} +\] +mit Wahrscheinlichkeitsdichte +\[ +\varphi_{\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)} += +\frac{d}{dx} +F_{\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)} += +\begin{cases} +n(1-x)^{n-1}&\qquad 0\le x\le 1\\ +0 &\qquad \text{sonst} +\end{cases} +\] +und Erwartungswert +\begin{align*} +E(\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n) +&= +\int_{-\infty}^\infty x\varphi_{\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)}(x)\,dx += +\int_0^1 x\cdot n(1-x)^{n-1}\,dx +\\ +&= +\bigl[ -x(1-x)^n \bigr]_0^1 + \int_0^1 (1-x)^n\,dx += +\biggl[ +- +\frac{1}{n+1} +(1-x)^{n+1} +\biggr]_0^1 += +\frac{1}{n+1}. +\end{align*} +Es ergibt sich daraus als natürlich Verallgemeinerung die Frage nach +der Verteilung des zweitegrössten oder zweitkleinsten Wertes unter den +Werten $X_i$. + +\subsubsection{Der $k$-t-grösste Wert} +Sie wieder $X_i$ eine Stichprobe von $n$ unabhängigen wie $X$ verteilten +Zufallsvariablen. +Diese werden jetzt der Grösse nach sortiert, die sortierten Werte werden +mit +\[ +X_{1:n} \le X_{2:n} \le \dots \le X_{(n-1):n} \le X_{n:n} +\] +bezeichnet. +Die Grössen $X_{k:n}$ sind Zufallsvariablen, sie heissen die $k$-ten +Ordnungsstatistiken. +Die in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:ordnung:subsection:minmax} behandelten Zufallsvariablen +$\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)$ +und +$\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)$ +sind die Fälle +\begin{align*} +X_{1:n} &= \operatorname{min}(X_1,\dots,X_n) \\ +X_{n:n} &= \operatorname{max}(X_1,\dots,X_n). +\end{align*} + +Um den Wert der Verteilungsfunktion von $X_{k:n}$ zu berechnen, müssen wir +die Wahrscheinlichkeit bestimmen, dass $k$ der $n$ Werte $X_i$ $x$ nicht +übersteigen. +Der $k$-te Wert $X_{k:n}$ übersteigt genau dann $x$ nicht, wenn +mindestens $k$ der Zufallswerte $X_i$ $x$ nicht übersteigen, also +\[ +P(X_{k:n} \le x) += +P\left( +|\{i\in[n]\,|\, X_i\le x\}| \ge k +\right). +\] + +Das Ereignis $\{X_i\le x\}$ ist eine Bernoulli-Experiment, welches mit +Wahrscheinlichkeit $F_X(x)$ eintritt. +Die Anzahl der Zufallsvariablen $X_i$, die $x$ übertreffen, ist also +Binomialverteilt mit $p=F_X(x)$. +Damit haben wir gefunden, dass mit Wahrscheinlichkeit +\begin{equation} +F_{X_{k:n}}(x) += +P(X_{k:n}\le x) += +\sum_{i=k}^n \binom{n}{i}F_X(x)^i (1-F_X(x))^{n-i} +\label{buch:rekursion:ordnung:eqn:FXkn} +\end{equation} +mindestens $k$ der Zufallsvariablen den Wert $x$ überschreiten. + +\subsubsection{Wahrscheinlichkeitsdichte der Ordnungsstatistik} +Die Wahrscheinlichkeitsdichte der Ordnungsstatistik kann durch Ableitung +von \eqref{buch:rekursion:ordnung:eqn:FXkn} gefunden, werden, sie ist +\begin{align*} +\varphi_{X_{k:n}}(x) +&= +\frac{d}{dx} +F_{X_{k:n}}(x) +\\ +&= +\sum_{i=k}^n +\binom{n}{i} +\bigl( +iF_X(x)^{i-1}\varphi_X(x) (1-F_X(x))^{n-i} +- +F_X(x)^k +(n-i) +(1-F_X(x))^{n-i-1} +\varphi_X(x) +\bigr) +\\ +&= +\sum_{i=k}^n +\binom{n}{i} +\varphi_X(x) +F_X(x)^{i-1}(1-F_X(x))^{n-i-1} +\bigl( +iF_X(x)-(n-i)(1-F_X(x)) +\bigr) +\\ +&= +\varphi_X(x) +\biggl( +\sum_{i=k}^n i\binom{n}{i} F_X(x)^{i-1}(1-F_X(x))^{n-i} +- +\sum_{j=k}^n (n-j)\binom{n}{j} F_X(x)^{j}(1-F_X(x))^{n-j-1} +\biggr) +\\ +&= +\varphi_X(x) +\biggl( +\sum_{i=k}^n i\binom{n}{i} F_X(x)^{i-1}(1-F_X(x))^{n-i} +- +\sum_{i=k+1}^{n+1} (n-i+1)\binom{n}{i-1} F_X(x)^{i-1}(1-F_X(x))^{n-i} +\biggr) +\\ +&= +\varphi_X(x) +\biggl( +k\binom{n}{k}F_X(x)^{k-1}(1-F_X(x))^{n-k} ++ +\sum_{i=k+1}^{n+1} +\left( +i\binom{n}{i} +- +(n-i+1)\binom{n}{i-1} +\right) +F_X(x)^{i-1}(1-F_X(x))^{n-i} +\biggr) +\end{align*} +Mit den wohlbekannten Identitäten für die Binomialkoeffizienten +\begin{align*} +i\binom{n}{i} +- +(n-i+1)\binom{n}{i-1} +&= +n\binom{n-1}{i-1} +- +n +\binom{n-1}{i-1} += +0 +\end{align*} +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}. +\intertext{Im Speziellen für gleichverteilte Zufallsvariablen $X_i$ ist +} +\varphi_{X_{k:n}}(x) +&= +k\binom{n}{k} x^{k-1}(1-x)^{n-k}. +\end{align*} +Dies ist die Wahrscheinlichkeitsdichte einer Betaverteilung +\[ +\beta(k,n-k+1)(x) += +\frac{1}{B(k,n-k+1)} +x^{k-1}(1-x)^{n-k}. +\] +Tatsächlich ist die Normierungskonstante +\begin{align} +\frac{1}{B(k,n-k+1)} +&= +\frac{\Gamma(n+1)}{\Gamma(k)\Gamma(n-k+1)} += +\frac{n!}{(k-1)!(n-k)!}. +\label{buch:rekursion:ordnung:betaverteilung:normierung1} +\end{align} +Andererseits ist +\[ +k\binom{n}{k} += +k\frac{n!}{k!(n-k)!} += +\frac{n!}{(k-1)!(n-k)!}, +\] +in Übereinstimmung mit~\eqref{buch:rekursion:ordnung:betaverteilung:normierung1}. +Die Verteilungsfunktion und die Wahrscheinlichkeitsdichte der +Ordnungsstatistik sind in Abbildung~\ref{buch:rekursion:ordnung:fig:order} dargestellt. + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/040-rekursion/images/order.pdf} +\caption{Verteilungsfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte der +Ordnungsstatistiken $X_{k:n}$ einer gleichverteilung Zuvallsvariable +mit $n=10$. +\label{buch:rekursion:ordnung:fig:order}} +\end{figure} + +% +% Die Beta-Funktion +% +\subsection{Die Beta-Verteilung +\label{buch:rekursion:subsection:beta-verteilung}} +Die Wahrscheinlichkeitsdichte, die im +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:ordnung:section:ordnungsstatistik} +gefunden worden ist, ist nicht nur für ganzzahlige Exponenten +definiert. + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=0.92\textwidth]{chapters/040-rekursion/images/beta.pdf} +\caption{Wahrscheinlichkeitsdichte der Beta-Verteilung +$\beta(a,b,x)$ +für verschiedene Werte der Parameter $a$ und $b$. +Die Werte des Parameters für einen Graphen einer Beta-Verteilung +sind im kleinen Quadrat rechts im Graphen +als Punkt mit der gleichen Farbe dargestellt. +\label{buch:rekursion:ordnung:fig:betaverteilungn}} +\end{figure} + +\begin{definition} +Die Beta-Verteilung ist die Verteilung mit der Wahrscheinlichkeitsdichte +\[ +\beta_{a,b}(x) += +\begin{cases} +\displaystyle +\frac{1}{B(a,b)} +x^{a-1}(1-x)^{b-1}&\qquad 0\le x \le 1\\ +0&\qquad\text{sonst.} +\end{cases} +\] +\end{definition} + +Die Beta-Funktion ist also die Normierungskonstante der Beta-Verteilung. +Die wichtigsten Kennzahlen der Beta-Verteilung wie Erwartungswert und +Varianz lassen sich alle ebenfalls als Werte der Beta-Funktion ausdrücken. + +\subsubsection{Erwartungswert} +Mit der Wahrscheinlichkeitsdichte kann man jetzt auch den Erwartungswerte +der $k$-ten Ordnungsstatistik bestimmen. +Die Rechnung ergibt: +\begin{align*} +E(X_{k:n}) +&= +\int_0^1 x\cdot k\binom{n}{k} x^{k-1}(1-x)^{n-k}\,dx += +k +\binom{n}{k} +\int_0^1 +x^{k}(1-x)^{n-k}\,dx. +\intertext{Dies ist das Beta-Integral} +&= +k\binom{n}{k} +B(k+1,n-k+1) +\intertext{welches man durch Gamma-Funktionen bzw.~durch Fakultäten wie in} +&= +k\frac{n!}{k!(n-k)!} +\frac{\Gamma(k+1)\Gamma(n-k+1)}{n+2} += +k\frac{n!}{k!(n-k)!} +\frac{k!(n-k)!}{(n+1)!} += +\frac{k}{n+1} +\end{align*} +ausdrücken kann. +Die Erwartungswerte haben also regelmässige Abstände, sie sind in +Abbildung~\ref{buch:rekursion:ordnung:fig:order} als blaue vertikale Linien eingezeichnet. + +Für die Beta-Verteilung lässt sich die Rechnung noch allgemeiner +durchführen. +Der Erwartungswert einer $\beta_{a,b}$-verteilten Zufallsvariablen $X$ +ist +\begin{align*} +E(X) +&= +\int_0^1 x \beta_{a,b}(x)\,dx += +\frac{1}{B(a,b)} +\int_0^1 x\cdot x^{a-1}(1-x)^{b-1}\,dx += +\frac{B(a+1,b)}{B(a,b)} += +\frac{a}{a+b}. +\end{align*} +Durch Einsetzen von $a=k+1$ und $b=n-k+1$ lassen sich die für die +Ordnungsstatistik berechneten Werte wiederfinden. + +\subsubsection{Varianz} +Auch die Varianz lässt sich einfach berechnen, dazu muss zunächst +der Erwartungswert von $X_{k:n}^2$ bestimmt werden. +Er ist +\begin{align*} +E(X_{k:n}^2) +&= +\int_0^1 x^2\cdot k\binom{n}{k} x^{k-1}(1-x)^{n-k}\,dx += +k +\binom{n}{k} +\int_0^1 +x^{k+1}(1-x)^{n-k}\,dx. +\intertext{Auch dies ist ein Beta-Integral, nämlich} +&= +k\binom{n}{k} +B(k+2,n-k+1) += +k\frac{n!}{k!(n-k)!} +\frac{(k+1)!(n-k)!}{(n+2)!} += +\frac{k(k+1)}{(n+1)(n+2)}. +\end{align*} +Die Varianz wird damit +\begin{align} +\operatorname{var}(X_{k:n}) +&= +E(X_{k:n}^2) - E(X_{k:n})^2 +\notag +\\ +& += +\frac{k(k+1)}{(n+1)(n+2)}-\frac{k^2}{(n+1)^2} += +\frac{k(k+1)(n+1)-k^2(n+2)}{(n+1)^2(n+2)} += +\frac{k(n-k+1)}{(n+1)^2(n+2)}. +\label{buch:rekursion:ordnung:eqn:ordnungsstatistik:varianz} +\end{align} +In Abbildung~\ref{buch:rekursion:ordnung:fig:order} ist die Varianz der +Ordnungsstatistik $X_{k:n}$ für $k=7$ und $n=10$ als oranges +Rechteck dargestellt. + +Auch die Varianz kann ganz allgemein für die Beta-Verteilung +bestimmt werden. +Dazu berechnen wir zunächst +\begin{align*} +E(X^2) +&= +\frac{1}{B(a,b)} +\int_0^1 +x^2\cdot x^{a-1}(1-y)^{b-1}\,dx += +\frac{B(a+2,b)}{B(a,b)}. +\end{align*} +Daraus folgt dann +\[ +\operatorname{var}(X) += +E(X^2)-E(X)^2 += +\frac{B(a+2,b)B(a,b)-B(a+1,b)^2}{B(a,b)^2}. +\] + +Die Formel~\eqref{buch:rekursion:ordnung:eqn:ordnungsstatistik:varianz} +besagt auch, dass die Varianz der proportional ist zu $k((n+1)-k)$. +Dieser Ausdruck ist am grössten für $k=(n+1)/2$, die Varianz ist +also grösser für die ``mittleren'' Ordnungstatistiken als für die +extremen $X_{1:n}=\operatorname{min}(X_1,\dots,X_n)$ und +$X_{n:n}=\operatorname{max}(X_1,\dots,X_n)$. + diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/bohrmollerup.tex b/buch/chapters/040-rekursion/bohrmollerup.tex index cd9cadc..57e503a 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/bohrmollerup.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/bohrmollerup.tex @@ -5,12 +5,27 @@ % \subsection{Der Satz von Bohr-Mollerup \label{buch:rekursion:subsection:bohr-mollerup}} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.pdf} +\caption{Der Graph der Funktion $\log|\Gamma(x)|$ ist für $x>0$ konvex. +Die blau hinterlegten Bereiche zeigen an, wo die Gamma-Funktion +negative Werte annimmt. +\label{buch:rekursion:gamma:loggammaplot}} +\end{figure} Die Integralformel und die Grenzwertdefinition für die Gamma-Funktion zeigen beide, dass das Problem der Ausdehnung der Fakultät zu einer Funktion $\mathbb{C}\to\mathbb{C}$ eine Lösung hat, aber es ist noch nicht klar, in welchem Sinn dies die einzig mögliche Lösung ist. Der Satz von Bohr-Mollerup gibt darauf eine Antwort. +Der Graph +in Abbildung~\ref{buch:rekursion:gamma:loggammaplot} +zeigt, dass die Werte der Gamma-Funktion für $x>0$ so schnell +anwachsen, dass sogar die Funktion $\log|\Gamma(x)|$ konvex ist. +Der Satz von Bohr-Mollerup besagt, dass diese Eigenschaft zur +Charakterisierung der Gamma-Funktion verwendet werden kann. + \begin{satz} \label{buch:satz:bohr-mollerup} Eine Funktion $f\colon \mathbb{R}^+\to\mathbb{R}$ mit den Eigenschaften @@ -20,6 +35,8 @@ Eine Funktion $f\colon \mathbb{R}^+\to\mathbb{R}$ mit den Eigenschaften \item die Funktion $\log f(t)$ ist konvex \end{enumerate} ist die Gamma-Funktion: $f(t)=\Gamma(t)$. +\index{Satz!von Bohr-Mollerup}% +\index{Bohr-Mollerup, Satz von}% \end{satz} Für den Beweis verwenden wir die folgende Eigenschaft einer konvexen diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/chapter.tex b/buch/chapters/040-rekursion/chapter.tex index 165c48e..1771200 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/chapter.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/chapter.tex @@ -8,6 +8,25 @@ \label{buch:chapter:rekursion}} \lhead{Spezielle Funktionen und Rekursion} \rhead{} +Die Fakultät $n!=1\cdot 2\cdots n$ ist eine ersten Funktionen, für die +man normalerweise auch eine rekursive Definition kennenlernt. +Rekursion ist eine besonders gut der numerischen Berechnung zugängliche +Art, spezielle Funktionen zu definieren. +In diesem Kapitel sollen daher in +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:gamma} +zunächst die Gamma-Funktion als Verallgemeinerung konstruiert +und charakterisiert werden. +Die Beta-Funktion in +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:gamma:section:beta} +verallgemeinert diese Rekursionsbeziehungen. +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:linear} +erinnert an die Methoden, mit denen lineare Rekursionsgleichungen +gelöst werden können. +Erfüllten die Koeffizienten einer Potenzreihe eine spezielle +Rekursionsbeziehung, entsteht die besonders vielfältige Familie +der hypergeometrischen Funktionen, die in +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:hypergeometrische-funktion} +eingeführt werden. \input{chapters/040-rekursion/gamma.tex} \input{chapters/040-rekursion/beta.tex} diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex b/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex index 7d4453b..7f19637 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex @@ -20,6 +20,8 @@ für alle natürlichen Zahlen $x\in\mathbb{N}$ definiert werden. \end{equation} Kann man eine reelle oder komplexe Funktion finden, die die Funktionalgleichung~\eqref{buch:rekursion:eqn:gammadef} +\index{Gamma-Funktion!Funktionalgleichung}% +\index{Funktionalgleichung der Gamma-Funktion}% erfüllt und damit die Fakultät auf beliebige Argumente ausdehnt? \subsection{Definition als Grenzwert} @@ -71,6 +73,9 @@ gilt. Der Plan ist, dies so umzuformen, dass man für $x$ eine beliebige komplexe Zahl einsetzen kann. +% +% Pochhammer-Symbol +% \subsubsection{Pochhammer-Symbol} Die spezielle Form des Nenners und des zweiten Faktors im Zähler von \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:fakultaet} @@ -113,6 +118,9 @@ x! Der erste Faktor in diesem Ausdruck enthält jetzt nur noch Dinge, die für beliebige $x\in\mathbb{C}$ definiert sind. +% +% Grenwertdefinition +% \subsubsection{Grenzwertdefinition} Der zweite Bruch in \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:produkt3} besteht aus Termen, die zwar nur für natürliches $x$ definiert sind, @@ -141,8 +149,13 @@ $x\in\mathbb{C}\setminus\{0,-1,-2,-3,\dots\}$ ist der Grenzwert \[ \Gamma(x) = \lim_{n\to\infty} \frac{n!\,n^{x-1}}{(x)_n}. \] +\index{Grenzwertdefinition der Gamma-Funktion}% +\index{Gamma-Funktion!Grenzwertdefinition}% \end{definition} +% +% Rekursionsgleichung für Gamma(x) +% \subsubsection{Rekursionsgleichung für $\Gamma(x)$} Es ist aus der Herleitung klar, dass $\Gamma(n)=(n-1)!$ sein muss. Wir sollten dies aber auch direkt aus der @@ -195,15 +208,85 @@ x\lim_{n\to\infty} \frac{n^{x-1}}{(n+1)^{x-1}} \\ &= +x \Gamma(x) \lim_{n\to\infty} \biggl(\frac{n}{n+1}\biggr)^{x-1} = -\Gamma(x), +x\Gamma(x), \end{align*} Weil $n/(n+1)\to 1$ ist und die Funktion $z\mapsto z^{x-1}$ für alle nach der Definition zulässigen Werte von $x$ eine stetige Funktion ist. +% +% Gamma-Funktion und Pochhammer-Symbol +% +\subsubsection{Gamma-Funktion und Pochhammer-Symbol} +Durch Iteration der Rekursionsformel für $\Gamma(x)$ folgt jetzt +\begin{align*} +\Gamma(x+n) +&= +(x+n-1) \Gamma(x+n-1) +\\ +&= +(x+n-1)(x+n-2)\Gamma(x+n-2) +\\ +&= +\underbrace{ +(x+n-1)(x+n-2)\cdots(x-1)(x) +}_{\text{$n$ Faktoren}} \Gamma(x) +\\ +&=(x)_n \Gamma(x). +\end{align*} +Damit folgt + +\begin{satz} +\index{Satz!Pochhammer-Symbol@Pochhammer-Symbol und $\Gamma(x)$}% +\label{buch:rekursion:gamma:satz:gamma-pochhammer} +Die Rekursionsformel für die Gamma-Funktion kann geschrieben werden als +\[ +\Gamma(x+n) = (x)_n \Gamma(x). +\] +Das Pochhammer-Symbol $(x)_n$ ist für alle natürlichen $n$ gegeben durch +\[ +(x)_n = \frac{\Gamma(x+n)}{\Gamma(x)}. +\] +\end{satz} + +% +% Numerische Unzulänglichkeit der Grenzwertdefinition +% \subsubsection{Numerische Unzulänglichkeiten der Grenzwertdefinition} +\begin{table} +\centering +%\renewcommand{\arraystretch}{1.1} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}l<{$}|>{$}l<{$}|} +\hline +\log_{10} n& n&n!n^{x-1}/(x)_n\mathstrut & \text{Fehler% +\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} + 1& 10&1.\underline{7}947392559855804&0.0222854050800643\\ + 2& 100&1.\underline{77}46707942830697&0.0022169433775536\\ + 3& 1000&1.\underline{772}6754214755178&0.0002215705700017\\ + 4& 10000&1.\underline{7724}760067171375&0.0000221558116213\\ + 5& 100000&1.\underline{77245}60664742375&0.0000022155687214\\ + 6& 1000000&1.\underline{77245}40724623101&0.0000002215567940\\ + 7& 10000000&1.\underline{7724538}730613721&0.0000000221558560\\ + 8& 100000000&1.\underline{77245385}31233258&0.0000000022178097\\ + 9& 1000000000&1.\underline{77245385}11320680&0.0000000002265519\\ + 10& 10000000000&1.\underline{772453850}9261316&0.0000000000206155\\ + 11&100000000000&1.\underline{77245385}14549788&0.0000000005494627\\ + & \infty&1.\underline{7724538509055161}& +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Numerische Berechnung mit der Grenzwertdefinition +und rekursiver Berechnung von $n!/(x)_n$ mit Hilfe der Folge +\eqref{buch:rekursion:gamma:pnfolge}. +Die Konvergenz ist sehr langsam, die Anzahl korrekter Stellen +wächst logarithmisch mit $n$. +\label{buch:rekursion:gamma:produktberechnung}} +\end{table} Die Grenzwertdefinition~\ref{buch:rekursion:gamma:def:definition} ist zwar zweifellos richtig, kann aber nicht für die numerische Berechnung der Gamma-Funktion verwendet werden. @@ -237,6 +320,24 @@ ist. Die Approximation mit Hilfe der Grenzwertdefinition kann also grundsätzlich nicht mehr als zwei korrekte Nachkommastellen liefern. +Den Quotienten $n!/(x)_n$ kann man mit Hilfe der Rekursionsformel +\begin{equation} +p_n = p_{n-1}\cdot \frac{n}{x+n-1},\qquad +p_0 = 0 +\label{buch:rekursion:gamma:pnfolge} +\end{equation} +etwas effizienter berechnen. +Insbesondere umgeht man damit das Problem, dass $n!$ den Wertebereich +des \texttt{double} Datentyps sprengt. +Der Wert der Gamma-Funktion kann dann durch $p_nn^{x-1}$ approximiert +werden. +Die Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:produktberechnung} fasst die +Resultate zusammen und zeigt, dass die Konvergenz logarithmisch ist: +die Anzahl korrekter Nachkommastellen ist $\log_{10}n$. + +% +% Produktformel +% \subsection{Produktformel} Ein möglicher Ausweg aus den numerischen Schwierigkeiten mit der Grenzwertdefinition ist, den schnell wachsenden Faktor $n!$ @@ -244,6 +345,7 @@ in den Zähler zu bringen, so dass er der Konvergenz etwas nachhilft. Wir berechnen daher den Kehrwert $1/\Gamma(x)$. \begin{satz} +\index{Satz!Produktformel@Produktformel für $\Gamma(x)$}% \label{buch:rekursion:gamma:satz:produktformel} Der Kehrwert der Gamma-Funktion kann geschrieben werden als \begin{equation} @@ -253,8 +355,10 @@ xe^{\gamma x} \prod_{k=1}^\infty \biggl(1+\frac{x}k\biggr)\,e^{-\frac{x}{k}}, \label{buch:rekursion:gamma:eqn:produktformel} +\index{Gamma-Funktion!Produktformel}% \end{equation} wobei $\gamma$ die Euler-Mascheronische Konstante +\index{Euler-Mascheronische Konstante}% \[ \gamma = @@ -262,6 +366,8 @@ wobei $\gamma$ die Euler-Mascheronische Konstante \biggl(\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}-\log n\biggr) \] ist. +\index{Gamma-Funktion!Produktformel}% +\index{Produktformel für die Gamma-Funkion}% \end{satz} \begin{proof}[Beweis] @@ -368,16 +474,20 @@ vollständig bewiesen. \begin{table} \centering -\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} \hline -k & \Gamma(\frac12,n) & \Gamma(\frac12) - \Gamma(\frac12,n) \\ +k & n & \Gamma(\frac12,n) & \Gamma(\frac12) - \Gamma(\frac12,n)% +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline -1 & 1.\underline{7}518166478 & -0.0206372031 \\ -2 & 1.\underline{77}02543372 & -0.0021995137 \\ -3 & 1.\underline{772}2324556 & -0.0002213953 \\ -4 & 1.\underline{7724}316968 & -0.0000221541 \\ -5 & 1.\underline{77245}16354 & -0.0000022156 \\ -6 & 1.\underline{772453}6293 & -0.0000002216 \\ +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} + 1& 10& 1.\underline{7}518166478& -0.0206372031 \\ + 2& 100& 1.\underline{77}02543372& -0.0021995137 \\ + 3& 1000& 1.\underline{772}2324556& -0.0002213953 \\ + 4& 10000& 1.\underline{7724}316968& -0.0000221541 \\ + 5& 100000& 1.\underline{77245}16354& -0.0000022156 \\ + 6&1000000& 1.\underline{772453}6293& -0.0000002216 \\ +\infty& & 1.\underline{7724538509}& +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline \end{tabular} \caption{Werte $\Gamma(\frac12,n)$ von $\Gamma(\frac12)$ berechnet mit @@ -385,6 +495,9 @@ $n=10^k$ Faktoren der Produktformel~\eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:produktformel} und der zugehörige Fehler. Die korrekten Nachkommastellen sind unterstrichen. +Die Konvergenz ist genau gleich langsam wie in der Berechnung mit +Hilfe der Grenzwert-Definition in +Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:produktberechnung}. \label{buch:rekursion:gamma:gammatabelle}} \end{table} @@ -422,6 +535,8 @@ z \mapsto \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}\,dt \] +\index{Gamma-Funktion!Integraldefinition}% +\index{Integraldefinition der Gamma-Funktion}% \end{definition} Man beachte, dass das Integral für $x=0$ nicht definiert ist, eine @@ -436,6 +551,9 @@ die richtigen Werte für natürliche Argumente hat, es wird aber auch gezeigt, dass dies nicht ausreicht um zu schliessen, dass die Integralformel mit der früher definierten Gamma-Funktion übereinstimmt. +% +% Funktionalgleichung für die Integraldefinition +% \subsubsection{Funktionalgleichung für die Integraldefinition} Tatsächlich ist es einfach nachzuprüfen, dass die Funktionalgleichung der Gamma-Funktion auch für die Definition~\ref{buch:rekursion:def:gamma} @@ -480,8 +598,8 @@ ganzzahlige Argumente übereinstimmen. Der folgende Abschnitt macht deutlich, dass es sehr viele Funktionen gibt, die ebenfalls die Funktionalgleichung erfüllen. Eine vollständige Rechtfertigung für diese Definition wird später -in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:gamma:subsection:beta} -\eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} +in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:gamma:subsection:integralbeweis} +in Formel~\eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} auf Seite~\pageref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} gegeben. @@ -494,9 +612,13 @@ die Werte der Fakultät annimmt. \label{buch:rekursion:fig:gamma}} \end{figure} +% +% Der Wert Gamma(1/2) +% \subsubsection{Der Wert $\Gamma(\frac12)$} Die Integraldarstellung kann dazu verwendet werden, $\Gamma(\frac12)$ zu berechnen. +\index{Gamma-Funktion!WertGamma12@Wert von $\Gamma(\frac12)$}% Dazu verwendet man die Substition $t=s^2$ in der Integraldefinition der Gamma-Funktion und berechnen \begin{align} @@ -511,12 +633,16 @@ der Gamma-Funktion und berechnen \int_{-\infty}^\infty e^{-s^2}\,ds = \sqrt{\pi}. -\label{buch:rekursion:gamma:betagamma} +\label{buch:rekursion:gamma:wert12} \end{align} Der Integrand im letzten Integral ist die Wahrscheinlichkeitsdichte einer Normalverteilung, deren Integral wohlbekannt ist. -\subsubsection{Alternative Lösungen} +% +% Alternative Lösungen +% +\subsubsection{Alternative Lösungen der +Funktionalgleichung~\ref{buch:rekursion:eqn:gammadef}} Die Funktion $\Gamma(z)$ ist nicht die einzige Funktion, die natürlichen Zahlen die Werte $\Gamma(n+1) = n!$ der Fakultät annimmt. Indem man eine beliebige Funktion $f(z)$ addiert, die auf alle @@ -547,6 +673,8 @@ Von Wielandt stammt das folgende, noch etwas speziellere Resultat, welches hier nicht bewiesen wird. \begin{satz}[Wielandt] +\index{Satz!von Wielandt}% +\index{Wielandt, Satz von}% Ist $f(z)$ eine für $\operatorname{Re}z>0$ definiert Funktion mit den folgenden drei Eigenschaften \begin{enumerate} @@ -560,11 +688,16 @@ Dann ist $ f(z) = \Gamma(z) $. % XXX Gamma in the interval (1,2) %Man beachte, dass +% +% Laplace-Transformierte der Potenzfunktion +% \subsubsection{Laplace-Transformierte der Potenzfunktion} Die Integraldarstellung der Gamma-Funktion erlaubt jetzt auch, die Laplace-Transformation der Potenzfunktion zu berechnen. +\index{Laplace-Transformierte der Potenzfunktion}% \begin{satz} +\index{Satz!Laplace-Transformierte der Potenzfunktion}% Die Laplace-Transformierte der Potenzfunktion $f(t)=t^\alpha$ ist \[ (\mathscr{L}f)(s) @@ -594,7 +727,11 @@ Durch die Substitution $st = u$ oder $t=\frac{u}{s}$ wird daraus \] \end{proof} +% +% Pol erster Ordnung bei z=0 +% \subsubsection{Pol erster Ordnung bei $z=0$} +\index{Gamma-Funktion!Pol@Pol bei $z=0$}% Wir haben zu prüfen, dass sowohl der Wert $\Gamma(1)$ korrekt ist als auch die Rekursionsformel~\eqref{buch:rekursion:eqn:gammadef} gilt. Der Wert für $z=1$ ist @@ -644,7 +781,12 @@ Daraus ergibt sich für $\Gamma(z)$ der Ausdruck \] Die Gamma-Funktion hat daher an der Stelle $z=0$ einen Pol erster Ordnung. +% +% Ausdehnung auf Re(z) < 0 +% \subsubsection{Ausdehnung auf $\operatorname{Re}z<0$} +\index{Gamma-Funktion!analytische Fortsetzung}% +\index{analytische Fortsetzung der Gamma-Funktion}% Die Integralformel konvergiert nicht für $\operatorname{Re}z\le 0$. Durch analytische Fortsetzung, wie sie im Abschnitt~\ref{buch:funktionentheorie:section:fortsetzung} @@ -683,22 +825,29 @@ Somit hat $\Gamma(z)$ Pole erster Ordnung bei den negativen ganzen Zahlen und bei $0$, wie sie in Abbildung~\ref{buch:rekursion:fig:gamma} gezeigt werden. +% +% Numerische Berechnung +% \subsubsection{Numerische Berechnung} \begin{table} \centering -\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} \hline -k & y(10^k) & y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{2}) \\ +k & n=10^k & y(n) & y(n) - \Gamma(\frac{5}{3}) +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline -1 & 0.0000000000 & -0.9027452930 \\ -2 & 0.3319129461 & -0.5708323468 \\ -3 & 0.\underline{902}5209490 & -0.0002243440 \\ -4 & 0.\underline{902745}1207 & -0.0000001723 \\ -5 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ -6 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} +1 & 10 & 0.0000000000 & -0.9027452930 \\ +2 & 100 & 0.3319129461 & -0.5708323468 \\ +3 & 1000 & 0.\underline{902}5209490 & -0.0002243440 \\ +4 & 10000 & 0.\underline{902745}1207 & -0.0000001723 \\ +5 & 100000 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ +6 & 1000000 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ + & \infty & 0.\underline{9027452929} & +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline \end{tabular} -\caption{Resultate der Berechnung von $\Gamma(\frac{5}{2})$ mit Hilfe +\caption{Resultate der Berechnung von $\Gamma(\frac{5}{3})$ mit Hilfe der Differentialgleichung \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:gammadgl}. Die korrekten Stellen sind unterstrichen. Es sind immerhin sechs korrekte Stellen gefunden, wobei nur 337 @@ -708,19 +857,24 @@ Auswertungen des Integranden notwendig waren. Im Prinzip könnte die Integraldefinition der numerischen Berechnung entgegenkommen. Um diese Hypothese zu prüfen, berechnen wir das Integral für -$z=\frac52$ mit Hilfe der äquivalenten Differentialgleichungen +$z=\frac53$ mit Hilfe der äquivalenten Differentialgleichungen \begin{equation} \dot{y}(t) = t^{z-1}e^{-t} -\qquad\text{mit Anfangsbedingung $y(0)=0$}. +\qquad +\text{mit Anfangsbedingung $y(0)=0$}. \label{buch:rekursion:gamma:eqn:gammadgl} \end{equation} +\index{Gamma-Funktion!Loesung@Lösung mit Differentialgleichung} Der gesuchte Wert ist der Grenzwert $\lim_{t\to\infty} y(t)$. In der Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:table:gammaintegral} sind die Werte von $y(10^k)$ sowie die Differenzen -$y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{2})$ zusammengefasst. +$y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{3})$ zusammengefasst. Die Genauigkeit erreicht sechs korrekte Nachkommastellen mit nur 337 Auswertungen des Integranden. +Eine noch wesentlich effizientere Auswertung des $\Gamma$-Integrals +mit Hilfe der Gauss-Laguerre-Quadratur wird in Kapitel~\ref{chapter:laguerre} +von Patrick Müller dargestellt. % % diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/Makefile b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/Makefile new file mode 100644 index 0000000..0804e74 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/Makefile @@ -0,0 +1,11 @@ +# +# Makefile -- build gamma limit test programm +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +l: l.cpp + g++ -O2 -g -Wall `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` \ + -o l l.cpp + +test: l + ./l diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.cpp b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.cpp new file mode 100644 index 0000000..7a86800 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.cpp @@ -0,0 +1,26 @@ +/* + * l.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdlib> +#include <cmath> +#include <cstdio> + +int main(int argc, char *argv[]) { + double x = 0.5; + double g = tgamma(x); + printf("limit: %20.16f\n", g); + double p = 1; + long long N = 100000000000; + long long n = 10; + for (long long k = 1; k <= N; k++) { + p = p * k / (x + k - 1); + if (0 == k % n) { + double gval = p * pow(k, x-1); + printf("%12ld %20.16f %20.16f\n", k, gval, gval - g); + n = n * 10; + } + } + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.m b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.m new file mode 100644 index 0000000..32b6442 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/gammalimit/l.m @@ -0,0 +1,19 @@ +# +# l.m -- Berechnung der Gamma-Funktion +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +global N; +N = 10000; + +function retval = gamma(x, n) + p = 1; + for k = (1:n) + p = p * k / (x + k - 1); + end + retval = p * n^(x-1); +endfunction + +for n = (100:100:N) + printf("Gamma(%4d) = %10f\n", n, gamma(0.5, n)); +end diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/hypergeometrisch.tex b/buch/chapters/040-rekursion/hypergeometrisch.tex index d92e594..13ba3b2 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/hypergeometrisch.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/hypergeometrisch.tex @@ -16,22 +16,38 @@ n^3S_{n} mit Anfangswerten $S_0=1$ und $S_1=8$ angeben? Dies scheint auf den ersten Blick unmöglich kompliziert, man kann aber zeigen, dass -\[ +\begin{equation} S_n = \sum_{k=0}^n \binom{2n-2k}{n-k}^2 \binom{2k}{k}^2 -\] +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:Sn} +\end{equation} gilt (\cite[p.~xi]{buch:ab}). Die Lösung ist also eine Summe von Summanden, die sehr viel einfacher aussehen und vor allem die besondere Eigenschaft haben, dass die -Quotienten aufeinanderfolgender Terme rationale Funktionen von von $k$ +Quotienten aufeinanderfolgender Terme rationale Funktionen von $k$ sind. -% XXX Quotient berechnen -Eine besonders simple solche Funktion ist die geometrische Reihe, die -im Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:geometrisch} -in Erinnerung gerufen wird. +\begin{definition} +Ein Folge heisst {\em hypergeometrisch}, wenn der Quotient aufeinanderfolgender +\index{hypergeometrische Folge}% +\index{Folge, hypergeometrisch}% +Terme eine rationale Funktion des Folgenindex ist. +\end{definition} + +Die Terme der Reihenentwicklungen aller bisher behandelten speziellen +Funktionen waren hypergeometrisch. +Im aktuellen Abschnitt soll daher die Klasse der sogenannten +hypergeometrischen Funktionen untersucht werden, die durch diese +Eigenschaft charakterisiert sind. + +In Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:binomialkoeffizienten} +wird klar, dass Folgen, deren Terme aus Fakultäten und Binomialkoeffizienten +immer hypergeometrisch sind. +Die Untersuchung der geometrischen Reihe in +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:geometrisch} +motiviert die Namensgebung. Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:reihen} definiert den Begriff der hypergeometrischen Reihe und zeigt, wie sie in eine Standardform gebracht werden können. @@ -39,22 +55,101 @@ In Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:beispiele} schliesslich wird an Hand von Beispielen gezeigt, wie bekannte Funktionen als hypergeometrische Funktionen interpretiert werden können. +% +% Quotienten von Binomialkoeffizienten +% +\subsection{Quotienten von Binomialkoeffizienten +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:binomialkoeffizienten}} +Aufeinanderfolgende Terme der Summe +\eqref{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:Sn} +sollen als Quotienten eine rationale Funktion haben. +Dies ist eine allgemeine Eigenschaft von Folgen, die durch Fakultäten +oder Binomialkoeffizienten definiert sind, wie die beiden folgenden +Sätze zeigen. + +\begin{satz} +\index{Satz!Quotienten von Fakultäten}% +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:fakquo} +Der Quotient aufeinanderfolgender Folgenglieder +der Folge $c_k=(a+bk)!$ ist der ein Polynom vom Grad $b$. +\end{satz} +\begin{proof}[Beweis] +\begin{align*} +\frac{c_{k+1}}{c_k} +&= +\frac{(a+b(k+1))!}{(a+bk)!} += +\frac{(a+bk+b)!}{(a+b)!} +\\ +&= +(a+bk+1)(a+bk+2)\cdots(a+bk+b) += +(a+bk+1)_b +\end{align*} +Das Pochhammer-Symbol hat $b$ Faktoren, es ist ein Polynom vom Grad $b$. +\end{proof} + +\begin{satz} +\index{Satz!Quotienten von Binomialkoeffizienten}% +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:binomquo} +Die Quotienten aufeinanderfolgender Werte der Binomialkoeffizienten +\[ +f_k += +\binom{a+bk}{c+dk} +\] +ist eine rationale Funktion von $k$ mit Zähler- und Nennergrad $b$. +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Indem man die Binomialkoeffizienten mit Fakultäten als +\[ +\binom{a+bk}{c+dk} += +\frac{(a+bk)!}{(c+dk)!(a-c+(b-d)k)!} +\] +ausschreibt, findet man mit +Satz~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:fakquo} +für die Quotienten +\begin{align} +\frac{f_{k+1}}{f_k} +&= +\frac{(a+bk+1)_b}{(c+dk+1)_d\cdot(a-c+(b-d)k+1)_{b-d}} +\label{buch:rekursion:eqn:binomquotient} +\end{align} +Die Pochhammer-Symbole sind Polynome vom Grad $b$, $d$ bzw.~$b-d$. +Insbesondere ist auch das Nenner-Polynom vom Grad $d+(b-d)=b$. +\end{proof} + +Aus den Sätzen~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:fakquo} +und +\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:binomquo} +folgt jetzt sofort, dass auch der Quotient aufeinanderfolgender +Summanden der Summe~\eqref{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:Sn} +eine rationale Funktion von $k$ ist. + +% +% Die geometrische Reihe +% \subsection{Die geometrische Reihe \label{buch:rekursion:hypergeometrisch:geometrisch}} -Die besonders einfache Potenzreihe +Die Reihe \[ f(q) = \sum_{k=0}^\infty aq^k \] -heisst die {\em geometrische Reihe}. +heisst die {\em geometrische Reihe} ist besonders einfache +Reihe mit einer hypergeometrischen Folge von Termen. +\index{geometrische Reihe}% +\index{Reihe!geometrische}% Die Partialsummen \[ S_n = \sum_{k=0}^n aq^k \] -kann mit der Differenz +können aus der Differenz \begin{equation} (1-q)S_n = @@ -75,8 +170,7 @@ a\frac{1-q^{n+1}}{1-q} \label{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:geomsumme} \end{equation} auflösen kann. - -Fü $q<1$ geht $q^n\to 0$ und damit konvergiert +Für $q<1$ geht $q^n\to 0$ und damit konvergiert $S_n$ gegen \[ \sum_{k=0}^\infty aq^k @@ -97,6 +191,9 @@ Die Berechnung der Summe in beruht darauf, dass die Multiplikation mit $q$ einen ``anderen'' Teil der Summe ergibt, der sich in der Differenze weghebt. +% +% Hypergeometrische Reihen +% \subsection{Hypergeometrische Reihen \label{buch:rekursion:hypergeometrisch:reihen}} Es ist plausibel, dass eine etwas lockerere Bedingung an die @@ -105,11 +202,15 @@ ermöglichen wird, interessante Aussagen über die durch die Reihe beschriebenen Funktionen zu machen. \begin{definition} -Eine Reihe +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:def:allg} +Eine durch die Reihe \[ f(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k \] -heisst {\em hypergeometrisch}, wenn der Quotient aufeinanderfolgender +definierte Funktion $f(x)$ heisst {\em hypergeometrisch}, +wenn der Quotient aufeinanderfolgender +\index{hypergeometrisch} +\index{Reihe!hypergeometrisch} Koeffizienten eine rationale Funktion von $k$ ist, wenn also \[ @@ -120,9 +221,13 @@ wenn also mit Polynomen $p(k)$ und $q(k)$ ist. \end{definition} +% +% Beispiele von hypergeometrischen Funktionen +% +\subsubsection{Beispiele von hypergeometrischen Funktionen} Die geometrische Reihe ist natürlich eine hypergeometrische Reihe, wobei $p(k)/q(k)=1$ ist. -Etwas interessanter ist die Exponentialfunktion, durch die Taylor-Reihe +Etwas interessanter ist die Exponentialfunktion, die durch die Taylor-Reihe \[ e^x = \sum_{k=0}^\infty \frac{x^k}{k!} \] @@ -165,7 +270,30 @@ eine rationale Funktion mit Zählergrad $0$ und Nennergrad $2$. Es gibt also eine hypergeometrische Reihe $f(z)$ derart, dass $\cos x = f(x^2)$ ist. -Seien $p(k)$ und $q(k)$ zwei Polynome derart, dass +% +% Die hypergeometrischen Funktione pFq +% +\subsubsection{Die hypergeometrischen Funktionen $\mathstrut_pF_q$} +Die Definition~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:def:allg} +einer hypergeometrischen Funktion wie auch die Verschiedenartigkeit +der Beispiele kännen den Eindruck vermitteln, dass die diese Klasse +von Funktionen unübersichtlich gross sein könnte. +Dem ist jedoch nicht so. +In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, dass alle hypergeometrischen +Funktionen durch die in +Definition~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:def} definierten +Funktionen $\mathstrut_pF_q$ ausgedrückt werden. +Die hypergeometrischen Funktionen können also vollständig parametrisiert +werden. + +Zu diesem Zweick sie +\[ +f(x) += +\sum_{k=0}^\infty a_kx^k +\] +eine hypergeometrische Funktion und +seien $p(k)$ und $q(k)$ zwei Polynome derart, dass \[ \frac{a_{k+1}}{a_k} = \frac{p(k)}{q(k)}. \] @@ -201,12 +329,12 @@ Dazu nehmen wir an, dass $a_i$, $i=1,\dots,n$ die Nullstellen von $p(k)$ sind und $b_j$, $j=1,\dots,m$ die Nullstellen von $q(k)$, dass man also die Polynome als \begin{align*} -p(k) &= x(k-a_1)(k-a_2)\cdots(k-a_n) +p(k) &= s(k-a_1)(k-a_2)\cdots(k-a_n) \\ q(k) &= (k-b_1)(k-b_2)\cdots(k-b_m) \end{align*} schreiben kann. -Der Faktor $x$ ist nötig, weil die Polynome $p(k)$ und $q(k)$ nicht +Der Faktor $s$ ist nötig, weil die Polynome $p(k)$ und $q(k)$ nicht notwendigerweise normiert sind. Um das Produkt der Quotienten zu vereinfachen, nehmen wir für den Moment @@ -216,14 +344,14 @@ Dann ist nach \[ a_{k} = -x^{k} +s^{k} \frac{ (k-1-a_1) \cdots (2-a_1)(1-a_1)(0-a_1) }{ (k-1-b_1) \cdots (2-b_1)(1-b_1)(0-b_1) } = -\frac{(-a_1)_k}{(-b_1)_k} x^k. +\frac{(-a_1)_k}{(-b_1)_k} s^k. \] Die Koeffizienten können daher als Quotienten von Pochhammer-Symbolen geschrieben werden. @@ -233,13 +361,16 @@ von der Form a_k = \frac{(-a_1)_k(-a_2)_k\cdots (-a_n)_k}{(-b_1)_k(-b_2)_k\cdots(-b_m)_k} -x^ka_0. +s^ka_0. \] -Jede hypergeometrische Reihe kann daher in der Form +Jede hypergeometrische Funktion kann daher in der Form \[ +f(x) += a_0 \sum_{k=0}^\infty \frac{(-a_1)_k(-a_2)_k\cdots (-a_n)_k}{(-b_1)_k(-b_2)_k\cdots(-b_m)_k} +s^k x^k \] geschrieben werden. @@ -273,9 +404,10 @@ zusätzlichen Faktor $(1)_k$ im Zähler des Bruchs von Pochhammer-Symbolen kompensieren, wodurch sich der Grad $p$ des Zählers natürlich um $1$ erhöht. -Die oben analysierte Summe $S$ kann mit der Definition als +Die oben analysierte Summe für $f(x)$ kann mit der +Definition~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:def} als \[ -S +f(x) = a_0 \cdot @@ -283,11 +415,75 @@ a_0 \begin{matrix} -a_1,-a_2,\dots,-a_n,1\\ -b_1,-b_2,\dots,-a_m -\end{matrix}; x +\end{matrix}; sx \biggr) \] beschrieben werden. +% +% Elementare Rechenregeln +% +\subsubsection{Elementare Rechenregeln} +Die Funktionen $\mathstrut_pF_q$ sind nicht alle unabhängig. +In Abschnitt~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:stammableitung} +wird gezeigt werden, dass Ableitung und Stammfunktion einer hypergeometrischen +Funktion durch Manipulation der Parameter $a_k$ und $b_k$ bestimmt werden +können. +Viel einfacher sind jedoch die folgenden, aus +Definition~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:def} +offensichtlichen Regeln: + +\begin{satz}[Permutationsregel] +\index{Satz!Permutationsregel für hypergeometrische Funktionen}% +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:permuationsregel} +Sei $\pi$ eine beliebige Permutation der Zahlen $1,\dots,p$ und $\sigma$ eine +beliebige Permutation der Zahlen $1,\dots,q$, dann ist +\begin{equation} +\mathstrut_pF_q\biggl( +\begin{matrix} +a_1,\dots,a_p\\b_1,\dots,a_q +\end{matrix} +;x +\biggr) += +\mathstrut_pF_q\biggl( +\begin{matrix} +a_{\pi(1)},\dots,a_{\pi(p)}\\b_{\sigma(1)},\dots,b_{\sigma(q)} +\end{matrix} +;x +\biggr). +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:permuationsregel} +\end{equation} +\end{satz} + +\begin{satz}[Kürzungsformel] +\index{Satz!Kürzungsformel für hypergeometrische Funktionen}% +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:kuerzungsregel} +Stimmt einer der Koeffizienten $a_k$ mit einem der Koeffizienten $b_i$ +überein, dann können sie weggelassen werden: +\begin{equation} +\mathstrut_{p+1}F_{q+1}\biggl( +\begin{matrix} +c,a_1,\dots,a_p\\ +c,b_1,\dots,b_q +\end{matrix}; +x +\biggr) += +\mathstrut_{p}F_{q}\biggl( +\begin{matrix} +a_1,\dots,a_p\\ +b_1,\dots,b_q +\end{matrix}; +x +\biggr). +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:kuerzungsregel} +\end{equation} +\end{satz} + +% +% Beispiele von hypergeometrischen Funktionen +% \subsection{Beispiele von hypergeometrischen Funktionen \label{buch:rekursion:hypergeometrisch:beispiele}} Viele der bekannten Reihenentwicklungen häufig verwendeter Funktionen @@ -295,6 +491,9 @@ lassen sich durch die hypergeometrischen Funktionen von Definition~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:def} ausdrücken. In diesem Abschnitt werden einige Beispiel dazu gegeben. +% +% Die geometrische Reihe +% \subsubsection{Die geometrische Reihe} In der geometrischen Reihe fehlt der Nenner $k!$, es braucht daher einen Term $(1)_k$ im Zähler, um den Nenner zu kompensieren. @@ -312,6 +511,9 @@ a\sum_{k=0}^\infty a\cdot\mathstrut_1F_0(1,x). \] +% +% Die Exponentialfunktion +% \subsubsection{Exponentialfunktion} Die Exponentialfunktion ist die Reihe \[ @@ -323,7 +525,10 @@ benötigt, es ist daher e^x = \mathstrut_0F_0(x). \] -\subsubsection{Wurzelfunktion} +% +% Wurzelfunktionen +% +\subsubsection{Wurzelfunktionen} Die Wurzelfunktion $x\mapsto \sqrt{x}$ hat keine Taylor-Entwicklung in $x=0$, aber die Funktion $x\mapsto\sqrt{1+x}$ hat die Taylor-Reihe \[ @@ -412,11 +617,33 @@ Die Wurzelfunktion ist daher die hypergeometrische Funktion \sqrt{1\pm x} = \sum_{k=0}^\infty -\biggl(-\frac12\biggr)_k \frac{(-x)^k}{k!} +\biggl(-\frac12\biggr)_k \frac{(\pm x)^k}{k!} = \mathstrut_1F_0(-{\textstyle\frac12};\mp x). \] +Mit der Newtonschen Binomialreihe, die in +Abschnitt~\ref{buch:differentialgleichungen:subsection:newtonschereihe} +hergleitet wird, +kann man ganz analog jede beliebige Wurzelfunktion +\begin{align*} +(1+x)^\alpha +&= +1+\alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3+\dots +%\\ +%& += +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-\alpha)_k}{k!}x^k += +\mathstrut_1F_0\biggl(\begin{matrix}-\alpha\\\text{---}\end{matrix};-x\biggr) +\end{align*} +durch $\mathstrut_1F_0$ ausdrücken. +Dieses Resultat ist der Inhalt von +Satz~\ref{buch:differentialgleichungen:satz:newtonschereihe} + +% +% Logarithmusfunktion +% \subsubsection{Logarithmusfunktion} Für $x\in (-1,1)$ konvergiert die Taylor-Reihe \[ @@ -483,8 +710,11 @@ x\cdot \mathstrut_2F_1\biggl(\begin{matrix}1,1\\2\end{matrix};-x\biggr). \] - +% +% Trigonometrische Funktionen +% \subsubsection{Trigonometrische Funktionen} +\index{trigonometrische Funktionen!als hypergeometrische Funktionen}% Die Kosinus-Funktion wurde bereits als hypergeometrische Funktion erkannt, im Folgenden soll dies auch noch für die Sinus-Funktion durchgeführt werden. @@ -509,7 +739,7 @@ x f(-x^2). Die Funktion $f(z)$ soll jetzt als hypergeometrische Funktion geschrieben werden. Dazu muss zunächst wieder der Nenner $k!$ wiederhergestellt werden: -\[ +\begin{equation*} f(z) = 1 @@ -521,7 +751,7 @@ f(z) \frac{3!}{7!}\cdot \frac{z^3}{3!} + \dots -\] +\end{equation*} Die Koeffizienten $k!/(2k+1)!$ müssen jetzt durch Pochhammer-Symbole mit jeweils $k$ Faktoren ausgedrückt werden. Dazu muss die Fakultät $(2k+1)!$ in zwei Produkte @@ -561,15 +791,27 @@ müssen wird mit $2^{2k}$ kompensieren: (1)_k\cdot \biggl(\frac{3}{2}\biggr)_k \end{align*} Setzt man dies in die Reihe ein, wird -\[ +\begin{equation} f(z) = \sum_{k=0}^\infty \frac{(1)_k}{(1)_k\cdot (\frac{3}{2})_k\cdot 4^k} z^k = -\mathstrut_1F_2\biggl(1;1,\frac{3}{2};\frac{z}4\biggr). -\] +\mathstrut_1F_2\biggl( +\begin{matrix}1\\1,\frac{3}{2}\end{matrix};\frac{z}4 +\biggr) += +\mathstrut_0F_1\biggl( +\begin{matrix}\text{---}\\\frac{3}{2}\end{matrix};\frac{z}4 +\biggr). +\label{buch:rekursion:hyperbolisch:eqn:hilfsfunktionf} +\end{equation} +Im letzten Schritt wurde die Kürzungsregel +\eqref{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:kuerzungsregel} +von +Satz~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:satz:kuerzungsregel} +angewendet. Damit lässt sich die Sinus-Funktion als \begin{equation} \sin x @@ -585,28 +827,35 @@ x\cdot\mathstrut_0F_1\biggl( \end{equation} durch eine hypergeometrische Funktion ausdrücken. +% +% Hyperbolische Funktionen +% \subsubsection{Hyperbolische Funktionen} +\index{hyperbolische Funktionen!als hypergeometrische Funktionen}% Die für die Sinus-Funktion angewendete Methode lässt sich auch auf die Funktion \begin{align*} \sinh x &= \sum_{k=0}^\infty \frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!} -\\ -&= +%\\ +%& += x \, \biggl( 1+\frac{x^2}{3!} + \frac{x^4}{5!}+\frac{x^6}{7!}+\dots \biggr) -\\ +\intertext{Die Reihe in der Klammer lässt sich mit der Funktion +$f$ von \eqref{buch:rekursion:hyperbolisch:eqn:hilfsfunktionf} +schreiben als} &= -xf(-x^2) -= -x\,\mathstrut_1F_2\biggl( -\begin{matrix}1\\1,\frac{3}{2}\end{matrix} -;\frac{x^2}{4} -\biggr) +x\,f(-x^2) +%= +%x\cdot\mathstrut_1F_2\biggl( +%\begin{matrix}1\\1,\frac{3}{2}\end{matrix} +%;\frac{x^2}{4} +%\biggr) = x\cdot\mathstrut_0F_1\biggl( \begin{matrix}\text{---}\\\frac{3}{2}\end{matrix} @@ -618,18 +867,85 @@ ist diese Darstellung identisch mit der von $\sin x$. Dies illustriert die Rolle der hypergeometrischen Funktionen als ``grosse Vereinheitlichung'' der bekannten speziellen Funktionen. +% +% Tschebyscheff-Polynome +% \subsubsection{Tschebyscheff-Polynome} +\index{Tschebyscheff-Polynome}% +Man kann zeigen, dass auch die Tschebyscheff-Polynome sich durch die +hypergeometrischen Funktionen +\begin{equation} +T_n(x) += +\mathstrut_2F_1\biggl( +\begin{matrix}-n,n\\\frac12\end{matrix} +; +\frac12(1-x) +\biggr) +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:tschebyscheff2f1} +\end{equation} +ausdrücken lassen. +Beweisen kann man diese Beziehung zum Beispiel mit Hilfe der +Differentialgleichungen, denen die Funktionen genügen. +Diese Methode wird in +Abschnitt~\ref{buch:differentialgleichungen:section:hypergeometrisch} +von Kapitel~\ref{buch:chapter:differential} vorgestellt. + +Die Tschebyscheff-Polynome sind nicht die einzigen Familien von Polynomen, +\index{Tschebyscheff-Polynome!als hypergeometrische Funktion} +die sich durch $\mathstrut_pF_q$ ausdrücken lassen. +Für die zahlreichen Familien von orthogonalen Polynomen, die in +Kapitel~\ref{buch:chapter:orthogonalitaet} untersucht werden, +trifft dies auch zu. +Ein Funktion +\[ +\mathstrut_pF_q +\biggl( +\begin{matrix} +a_1,\dots,a_p\\ +b_1,\dots,b_q +\end{matrix} +;z +\biggr) +\] +ist genau dann ein Polynom, wenn mindestens einer der Parameter +$a_k$ eine negative ganze Zahl ist. +Der Grad des Polynoms ist der kleinste Betrag der negativ ganzzahligen +Werte unter den Parametern $a_k$. + +% +% Die Funktionen 0F1 +% +\subsubsection{Die Funktionen $\mathstrut_0F_1$} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/040-rekursion/images/0f1.pdf} +\caption{Graphen der Funktionen $\mathstrut_0F_1(;\alpha;x)$ für +verschiedene Werte von $\alpha$. +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:0f1}} +\end{figure} +Die Funktionen $\mathstrut_0F_1$ sind in den Beispielen mit der +beschränkten trigonometrischen Funktion $\sin x$ und mit der +exponentiell unbeschränkten Funktion $\sinh x$ mit dem gleichen +Wert des Parameters und nur einem Wechsel des Vorzeichens des +Arguments verbunden worden. +Die Graphen der Funktionen $\mathstrut_0F_1$, die in +Abbildung~\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:0f1} dargestellt sind, +machen dieses Verhalten plausibel. +Es wird sich später zeigen, dass $\mathstrut_0F_1$ auch mit den Bessel- +und den Airy-Funktionen verwandt sind. -TODO -\url{https://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_polynomials} % % Ableitung und Stammfunktion % -\subsection{Ableitung und Stammfunktion hypergeometrischer Funktionen} +\subsection{Ableitung und Stammfunktion hypergeometrischer Funktionen +\label{buch:rekursion:hypergeometrisch:stammableitung}} Sowohl Ableitung wie auch Stammfunktion einer hypergeometrischen Funktion lässt sich immer durch hypergeometrische Reihen ausdrücken. - +% +% Ableitung +% \subsubsection{Ableitung} Wir gehen aus von der Funktion \begin{equation} @@ -743,7 +1059,7 @@ Damit kann jetzt die Kosinus-Funktion als \frac{1}{(\frac12)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{-x^2}{4}\biggr)^k = -\mathstrut_0F_1\biggl(;\frac12;-\frac{x^2}4\biggr) +\mathstrut_0F_1\biggl(\begin{matrix}\text{---}\\\frac12\end{matrix};-\frac{x^2}4\biggr) \end{align*} geschrieben werden kann. @@ -752,16 +1068,22 @@ Die Ableitung der Kosinus-Funktion ist daher \frac{d}{dx} \cos x &= \frac{d}{dx} -\mathstrut_0F_1\biggl(;\frac12;-\frac{x^2}4\biggr) +\mathstrut_0F_1\biggl( +\begin{matrix}\text{---}\\\frac12\end{matrix};-\frac{x^2}4 +\biggr) = \frac{1}{\frac12} \, -\mathstrut_0F_1\biggl(;\frac32;-\frac{x^2}4\biggr) +\mathstrut_0F_1\biggl( +\begin{matrix}\text{---}\\\frac32\end{matrix};-\frac{x^2}4 +\biggr) \cdot\biggl(-\frac{x}2\biggr) = -x \cdot -\mathstrut_0F_1\biggl(;\frac32;-\frac{x^2}4\biggr) +\mathstrut_0F_1\biggl( +\begin{matrix}\text{---}\\\frac32\end{matrix};-\frac{x^2}4 +\biggr) \intertext{Dies stimmt mit der in \eqref{buch:rekursion:hypergeometrisch:eqn:sinhyper} gefundenen Darstellung der Sinusfunktion mit Hilfe der hypergeometrischen @@ -771,6 +1093,9 @@ Funktion $\mathstrut_0F_1$ überein, es ist also wie erwartet} \end{align*} \end{beispiel} +% +% Stammfunktion +% \subsubsection{Stammfunktion} Eine Stammfunktion kann man auf die gleiche Art und Weise wie die Ableitung finden. diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.cpp b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.cpp new file mode 100644 index 0000000..24ca3f1 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.cpp @@ -0,0 +1,94 @@ +/* + * 0f1.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstring> +#include <cstdio> +#include <cstdlib> +#include <cmath> +#include <string> +#include <iostream> +#include <fstream> + +static int N = 100; +static double xmin = -50; +static double xmax = 30; +static int points = 200; + +double f(double b, double x) { + double s = 1; + double p = 1; + for (int k = 1; k < N; k++) { + p = p * x / (k * (b + k - 1.)); + s += p; + } + return s; +} + +typedef std::pair<double, double> point_t; + +point_t F(double b, double x) { + return std::make_pair(x, f(b, x)); +} + +std::string ff(double f) { + if (f > 1000) { f = 1000; } + if (f < -1000) { f = -1000; } + char b[128]; + snprintf(b, sizeof(b), "%.4f", f); + return std::string(b); +} + +std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const point_t& p) { + char b[128]; + out << "({" << ff(p.first) << "*\\dx},{" << ff(p.second) << "*\\dy})"; + return out; +} + +void curve(std::ostream& out, double b, const std::string& name) { + double h = (xmax - xmin) / points; + out << "\\def\\kurve" << name << "{"; + out << std::endl << "\t" << F(b, xmin); + for (int i = 1; i <= points; i++) { + double x = xmin + h * i; + out << std::endl << "\t-- " << F(b, x); + } + out << std::endl; + out << "}" << std::endl; +} + +int main(int argc, char *argv[]) { + std::ofstream out("0f1data.tex"); + + double s = 13/(xmax-xmin); + out << "\\def\\dx{" << ff(s) << "}" << std::endl; + out << "\\def\\dy{" << ff(s) << "}" << std::endl; + out << "\\def\\xmin{" << ff(s * xmin) << "}" << std::endl; + out << "\\def\\xmax{" << ff(s * xmax) << "}" << std::endl; + + curve(out, 0.5, "one"); + curve(out, 1.5, "two"); + curve(out, 2.5, "three"); + curve(out, 3.5, "four"); + curve(out, 4.5, "five"); + curve(out, 5.5, "six"); + curve(out, 6.5, "seven"); + curve(out, 7.5, "eight"); + curve(out, 8.5, "nine"); + curve(out, 9.5, "ten"); + + curve(out,-0.5, "none"); + curve(out,-1.5, "ntwo"); + curve(out,-2.5, "nthree"); + curve(out,-3.5, "nfour"); + curve(out,-4.5, "nfive"); + curve(out,-5.5, "nsix"); + curve(out,-6.5, "nseven"); + curve(out,-7.5, "neight"); + curve(out,-8.5, "nnine"); + curve(out,-9.5, "nten"); + + out.close(); + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.pdf b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..2c35813 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.pdf diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.tex b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.tex new file mode 100644 index 0000000..1bc8b87 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/0f1.tex @@ -0,0 +1,86 @@ +% +% 0f1.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\input{0f1data.tex} +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\begin{scope} +\clip (\xmin,-1) rectangle (\xmax,5); +\draw[color=blue!5!red,line width=1.4pt] \kurveone; +\draw[color=blue!16!red,line width=1.4pt] \kurvetwo; +\draw[color=blue!26!red,line width=1.4pt] \kurvethree; +\draw[color=blue!37!red,line width=1.4pt] \kurvefour; +\draw[color=blue!47!red,line width=1.4pt] \kurvefive; +\draw[color=blue!57!red,line width=1.4pt] \kurvesix; +\draw[color=blue!68!red,line width=1.4pt] \kurveseven; +\draw[color=blue!78!red,line width=1.4pt] \kurveeight; +\draw[color=blue!89!red,line width=1.4pt] \kurvenine; +\draw[color=blue!100!red,line width=1.4pt] \kurveten; +\def\ds{0.4} +\begin{scope}[yshift=0.5cm] +\node[color=blue!5!red] at (\xmin,{1*\ds}) [right] {$\alpha=0.5$}; +\node[color=blue!16!red] at (\xmin,{2*\ds}) [right] {$\alpha=1.5$}; +\node[color=blue!26!red] at (\xmin,{3*\ds}) [right] {$\alpha=2.5$}; +\node[color=blue!37!red] at (\xmin,{4*\ds}) [right] {$\alpha=2.5$}; +\node[color=blue!47!red] at (\xmin,{5*\ds}) [right] {$\alpha=3.5$}; +\node[color=blue!57!red] at (\xmin,{6*\ds}) [right] {$\alpha=5.5$}; +\node[color=blue!68!red] at (\xmin,{7*\ds}) [right] {$\alpha=6.5$}; +\node[color=blue!78!red] at (\xmin,{8*\ds}) [right] {$\alpha=7.5$}; +\node[color=blue!89!red] at (\xmin,{9*\ds}) [right] {$\alpha=8.5$}; +\node[color=blue!100!red]at (\xmin,{10*\ds}) [right] {$\alpha=9.5$}; +\end{scope} +\node at (-1.7,4.5) {$\displaystyle +y=\mathstrut_0F_1\biggl(\begin{matrix}\text{---}\\\alpha\end{matrix};x\biggr)$}; +\end{scope} + +\draw[->] (\xmin-0.2,0) -- (\xmax+0.3,0) coordinate[label=$x$]; +\draw[->] (0,-0.5) -- (0,5.3) coordinate[label={right:$y$}]; + +\begin{scope}[yshift=-6.5cm] +\begin{scope} +\clip (\xmin,-5) rectangle (\xmax,5); + +\draw[color=darkgreen!5!red,line width=1.4pt] \kurvenone; +\draw[color=darkgreen!16!red,line width=1.4pt] \kurventwo; +\draw[color=darkgreen!26!red,line width=1.4pt] \kurventhree; +\draw[color=darkgreen!37!red,line width=1.4pt] \kurvenfour; +\draw[color=darkgreen!47!red,line width=1.4pt] \kurvenfive; +\draw[color=darkgreen!57!red,line width=1.4pt] \kurvensix; +\draw[color=darkgreen!68!red,line width=1.4pt] \kurvenseven; +\draw[color=darkgreen!78!red,line width=1.4pt] \kurveneight; +\draw[color=darkgreen!89!red,line width=1.4pt] \kurvennine; +\draw[color=darkgreen!100!red,line width=1.4pt] \kurventen; +\end{scope} + +\draw[->] (\xmin-0.2,0) -- (\xmax+0.3,0) coordinate[label=$x$]; +\draw[->] (0,-5.2) -- (0,5.3) coordinate[label={right:$y$}]; +\def\ds{-0.4} +\begin{scope}[yshift=-0.5cm] +\node[color=darkgreen!5!red] at (\xmax,{1*\ds}) [left] {$\alpha=-0.5$}; +\node[color=darkgreen!16!red] at (\xmax,{2*\ds}) [left] {$\alpha=-1.5$}; +\node[color=darkgreen!26!red] at (\xmax,{3*\ds}) [left] {$\alpha=-2.5$}; +\node[color=darkgreen!37!red] at (\xmax,{4*\ds}) [left] {$\alpha=-2.5$}; +\node[color=darkgreen!47!red] at (\xmax,{5*\ds}) [left] {$\alpha=-3.5$}; +\node[color=darkgreen!57!red] at (\xmax,{6*\ds}) [left] {$\alpha=-5.5$}; +\node[color=darkgreen!68!red] at (\xmax,{7*\ds}) [left] {$\alpha=-6.5$}; +\node[color=darkgreen!78!red] at (\xmax,{8*\ds}) [left] {$\alpha=-7.5$}; +\node[color=darkgreen!89!red] at (\xmax,{9*\ds}) [left] {$\alpha=-8.5$}; +\node[color=darkgreen!100!red]at (\xmax,{10*\ds}) [left] {$\alpha=-9.5$}; +\end{scope} +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/Makefile b/buch/chapters/040-rekursion/images/Makefile index 86dfa1e..54ed23b 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/images/Makefile +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/Makefile @@ -3,7 +3,8 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -all: gammaplot.pdf fibonacci.pdf order.pdf beta.pdf +all: gammaplot.pdf fibonacci.pdf order.pdf beta.pdf loggammaplot.pdf \ + 0f1.pdf gammaplot.pdf: gammaplot.tex gammapaths.tex pdflatex gammaplot.tex @@ -29,4 +30,17 @@ beta.pdf: beta.tex betapaths.tex betapaths.tex: betadist.m octave betadist.m +loggammaplot.pdf: loggammaplot.tex loggammadata.tex + pdflatex loggammaplot.tex +loggammadata.tex: loggammaplot.m + octave loggammaplot.m + +0f1: 0f1.cpp + g++ -O -Wall -g -o 0f1 0f1.cpp + +0f1data.tex: 0f1 + ./0f1 + +0f1.pdf: 0f1.tex 0f1data.tex + pdflatex 0f1.tex diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.m b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.m new file mode 100644 index 0000000..5456e4f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.m @@ -0,0 +1,43 @@ +# +# loggammaplot.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +xmax = 10; +xmin = 0.1; +N = 500; + +fn = fopen("loggammadata.tex", "w"); + +fprintf(fn, "\\def\\loggammapath{\n ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", + xmax, log(gamma(xmax))); +xstep = (xmax - 1) / N; +for x = (xmax:-xstep:1) + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", x, log(gamma(x))); +endfor +for k = (0:0.2:10) + x = exp(-k); + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", x, log(gamma(x))); +endfor +fprintf(fn, "\n}\n"); + +function retval = lgp(fn, x0, name) + fprintf(fn, "\\def\\loggammaplot%s{\n", name); + fprintf(fn, "\\draw[color=red,line width=1pt] "); + for k = (-7:0.1:7) + x = x0 + 0.5 * tanh(k); + if (k > -5) + fprintf(fn, "\n\t-- "); + end + fprintf(fn, "({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", x, log(gamma(x))); + endfor + fprintf(fn, ";\n}\n"); +endfunction + +lgp(fn, -0.5, "zero"); +lgp(fn, -1.5, "one"); +lgp(fn, -2.5, "two"); +lgp(fn, -3.5, "three"); +lgp(fn, -4.5, "four"); + +fclose(fn); diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.pdf b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..a2963f2 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.pdf diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.tex b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.tex new file mode 100644 index 0000000..8ca4e1c --- /dev/null +++ b/buch/chapters/040-rekursion/images/loggammaplot.tex @@ -0,0 +1,89 @@ +% +% tikztemplate.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\input{loggammadata.tex} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +% add image content here + +\def\dx{1} +\def\dy{0.6} +\def\xmax{8} +\def\xmin{-4.9} +\def\ymax{8} +\def\ymin{-3.1} + +\fill[color=blue!20] ({\xmin*\dx},{\ymin*\dy}) rectangle ({-4*\dx},{\ymax*\dy}); +\fill[color=blue!20] ({-3*\dx},{\ymin*\dy}) rectangle ({-2*\dx},{\ymax*\dy}); +\fill[color=blue!20] ({-1*\dx},{\ymin*\dy}) rectangle ({-0*\dx},{\ymax*\dy}); + +\draw[->] ({\xmin*\dx-0.1},0) -- ({\xmax*\dx+0.3},0) + coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,{\ymin*\dy-0.1}) -- (0,{\ymax*\dy+0.3}) + coordinate[label={right:$y$}]; + +\begin{scope} +\clip ({\xmin*\dx},{\ymin*\dy}) rectangle ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}); + +\foreach \x in {-1,-2,-3,-4}{ + \draw[color=blue,line width=0.3pt] + ({\x*\dx},{\ymin*\dy}) -- ({\x*\dx},{\ymax*\dy}); +} + +\draw[color=red,line width=1pt] \loggammapath; + +\loggammaplotzero +\loggammaplotone +\loggammaplottwo +\loggammaplotthree +\loggammaplotfour + +\end{scope} + +\foreach \y in {0.1,10,100,1000,1000}{ + \draw[line width=0.3pt] + ({\xmin*\dx},{ln(\y)*\dy}) + -- + ({\xmax*\dx},{ln(\y)*\dy}) ; +} + +\foreach \x in {1,...,8}{ + \draw ({\x*\dx},{-0.05}) -- ({\x*\dx},{0.05}); + \node at ({\x*\dx},0) [below] {$\x$}; +} + +\foreach \x in {-1,...,-4}{ + \draw ({\x*\dx},{-0.05}) -- ({\x*\dx},{0.05}); +} +\foreach \x in {-1,...,-3}{ + \node at ({\x*\dx},0) [below right] {$\x$}; +} +\node at ({-4*\dx},0) [below left] {$-4$}; + +\def\htick#1#2{ + \draw (-0.05,{ln(#1)*\dy}) -- (0.05,{ln(#1)*\dy}); + \node at (0,{ln(#1)*\dy}) [above right] {#2}; +} + +\htick{10}{$10^1$} +\htick{100}{$10^2$} +\htick{1000}{$10^3$} +\htick{0.1}{$10^{-1}$} + +\node[color=red] at ({3*\dx},{ln(30)*\dy}) {$y=\log|\Gamma(x)|$}; + + +\end{tikzpicture} +\end{document} + 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/040-rekursion/uebungsaufgaben/404.tex b/buch/chapters/040-rekursion/uebungsaufgaben/404.tex index f9d014e..5d76598 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/uebungsaufgaben/404.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/uebungsaufgaben/404.tex @@ -1,5 +1,5 @@ Finden Sie einen einfachen Ausdruck für $(\frac12)_n$, der nur -Fakultäten und andere elmentare Funktionen verwendet. +Fakultäten und andere elementare Funktionen verwendet. \begin{loesung} Das Pochhammer-Symbol $(\frac12)_n$ kann wie folgt durch bekanntere diff --git a/buch/chapters/050-differential/Makefile.inc b/buch/chapters/050-differential/Makefile.inc index b72a275..7151c07 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/050-differential/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/050-differential/beispiele.tex \ chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex \ chapters/050-differential/bessel.tex \ diff --git a/buch/chapters/050-differential/bessel.tex b/buch/chapters/050-differential/bessel.tex index 383c360..ac509ba 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/bessel.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/bessel.tex @@ -18,6 +18,9 @@ die sich durch bekannte Funktionen ausdrücken lassen, es ist also nötig, eine neue Familie von speziellen Funktionen zu definieren, die Bessel-Funktionen. +% +% Besselsche Differentialgleichung +% \subsection{Die Besselsche Differentialgleichung} % XXX Wo taucht diese Gleichung auf Die Besselsche Differentialgleichung ist die Differentialgleichung @@ -25,16 +28,22 @@ Die Besselsche Differentialgleichung ist die Differentialgleichung x^2\frac{d^2y}{dx^2} + x\frac{dy}{dx} + (x^2-\alpha^2)y = 0 \label{buch:differentialgleichungen:eqn:bessel} \end{equation} +\index{Differentialgleichung!Besselsche}% +\index{Besselsche Differentialgleichung}% zweiter Ordnung für eine auf dem Interval $[0,\infty)$ definierte Funktion $y(x)$. Der Parameter $\alpha$ ist eine beliebige komplexe Zahl $\alpha\in \mathbb{C}$, die Lösungsfunktionen hängen daher von $\alpha$ ab. +% +% Eigenwertproblem +% \subsubsection{Eigenwertproblem} Die Besselsche Differentialgleichung \eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:bessel} kann man auch als Eigenwertproblem für den Bessel-Operator \index{Bessel-Operator}% +\index{Operator!Bessel-}% \begin{equation} B = x^2\frac{d^2}{dx^2} + x\frac{d}{dx} + x^2 \label{buch:differentialgleichungen:bessel-operator} @@ -46,12 +55,15 @@ erfüllt \[ By = -x^2y''+xy+x^2y +x^2y''+xy'+x^2y =\alpha^2 y, \] ist also eine Eigenfunktion des Bessel-Operators zum Eigenwert $\alpha^2$. +% +% Indexgleichung +% \subsubsection{Indexgleichung} Die Besselsche Differentialgleichung ist eine Differentialgleichung der Art~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg} mit @@ -117,9 +129,11 @@ Nur eine Lösung kann man finden, wenn \] ist. - - -\subsection{Bessel-Funktionen erster Art} +% +% Bessel-Funktionen erster Art +% +\subsection{Bessel-Funktionen erster Art +\label{buch:differentialgleichungen:subsection:bessel1steart}} Für $\alpha \ge 0$ gibt es immer mindestens eine Lösung der Besselgleichung als verallgemeinerte Potenzreihe mit $\varrho=\alpha$. Die Funktion $q(x)=x^2-\alpha^2$ ist ein Polynom, die einzigen @@ -138,6 +152,9 @@ Da $F(\varrho+1)\ne 0$ ist, folgt dass $a_1=0$ sein muss. % Fall n=1 gesondert behandeln +% +% Der allgemeine Fall +% \subsubsection{Der allgemeine Fall} Für die höheren Potenzen $n>1$ wird die Rekursionsformel für die Koeffizienten $a_n$ der verallgemeinerten Potenzreihe @@ -201,10 +218,11 @@ x^\varrho\biggl( x^\varrho \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{(\varrho+1)_k} \frac{(-x^2/4)}{k!} = +x^\varrho +\cdot \mathstrut_0F_1\biggl(;\varrho+1;-\frac{x^2}{4}\biggr) \end{align*} -Falls also $\alpha$ kein ganzzahliges Vielfaches von $\frac12$ ist, finden -wir zwei Lösungsfunktionen +Wir finden also zwei Lösungsfunktionen \begin{align} y_1(x) %J_\alpha(x) @@ -214,8 +232,10 @@ x^{\alpha\phantom{-}} \frac{1}{(\alpha+1)_k} \frac{(-x^2/4)^k}{k!} = +x^\alpha +\cdot \mathstrut_0F_1\biggl(;\alpha+1;-\frac{x^2}{4}\biggr), -\label{buch:differentialgleichunge:bessel:erste} +\label{buch:differentialgleichunge:bessel:eqn:erste} \\ y_2(x) %J_{-\alpha}(x) @@ -223,32 +243,50 @@ y_2(x) x^{-\alpha} \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{(-\alpha+1)_k} \frac{(-x^2/4)^k}{k!} = +x^{-\alpha} +\cdot \mathstrut_0F_1\biggl(;-\alpha+1;-\frac{x^2}{4}\biggr). -\label{buch:differentialgleichunge:bessel:zweite} +\label{buch:differentialgleichunge:bessel:eqn:zweite} \end{align} +Man beachte, dass die zweite Lösung für ganzzahliges $\alpha>0$ nicht +definiert ist. +Man kann auch direkt nachrechnen, dass diese Funktionen Lösungen +der Besselschen Differentialgleichung sind. +% +% Bessel-Funktionen +% \subsubsection{Bessel-Funktionen} Da die Besselsche Differentialgleichung linear ist, ist auch jede Linearkombination der Funktionen -\eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:erste} +\eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:eqn:erste} und -\eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:zweite} +\eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:eqn:zweite} eine Lösung. -Man kann zum Beispiel das Pochhammer-Symbol im Nenner loswerden, -wenn man im Nenner mit $\Gamma(\alpha+1)$ -multipliziert: +Satz~\ref{buch:rekursion:gamma:satz:gamma-pochhammer} +ermöglicht, das Pochhammer-Symbol durch Werte der Gamma-Funktion +wie in \[ -\frac{(1/2)^\alpha}{\Gamma(\alpha+1)} +(\alpha+1)_n = \frac{\Gamma(\alpha+k+1)}{\Gamma(\alpha+1)} +\] +auszudrücken. +Damit wird +\begin{align} y_1(x) +&= +x^\alpha +\sum_{k=0}^\infty +\frac{\Gamma(\alpha+1)}{\Gamma(\alpha+k+1)} +\frac{(-x^2/4)^k}{k!} = +\Gamma(\alpha+1) 2^{\alpha} \biggl(\frac{x}{2}\biggr)^\alpha \sum_{k=0}^\infty -\frac{(-1)^k}{k!\,\Gamma(\alpha+k+1)} -\biggl(\frac{x}{2}\biggr)^{2k}. -\] -Dabei haben wir es durch -Multiplikation mit $(\frac12)^\alpha$ auch geschafft, die Funktion -einheitlich als Funktion von $x/2$ auszudrücken. +\frac{(-1)^k}{k!\,\Gamma(\alpha+k+1)} \biggl(\frac{x}{2}\biggr)^{2k} +\label{buch:differentialgleichungen:bessel:normierungsgleichung} +\end{align} +Nur gerade der Faktor $2^\alpha\Gamma(\alpha+1)$ ist von $k$ und $x$ +unabhängig, daher ist die folgende Definition sinnvoll: \begin{definition} \label{buch:differentialgleichungen:bessel:definition} @@ -262,12 +300,34 @@ J_{\alpha}(x) \biggl(\frac{x}{2}\biggr)^{2k} \] heisst {\em Bessel-Funktion erster Art der Ordnung $\alpha$}. +\index{Bessel-Funktion!erster Art}% \end{definition} +Die Bessel-Funktion $J_\alpha(x)$ der Ordnung $\alpha$ unterscheidet sich +nur durch einen Normierungsfaktor von der Lösung $y_1(x)$. +Dasselbe gilt für $J_{-\alpha}(x)$ und $y_2(x)$: +\begin{align*} +J_{\alpha}(x) +&= +\frac{1}{2^\alpha\Gamma(\alpha+1)} +\cdot +y_1(x) +\\ +J_{-\alpha}(x) +&= +\frac{1}{2^{-\alpha}\Gamma(-\alpha+1)} +\cdot +y_2(x). +\end{align*} + +% +% Ganzzahlige Ordnung +% +\subsubsection{Besselfunktionen ganzzahliger Ordnung} Man beachte, dass diese Definition für beliebige ganzzahlige $\alpha$ funktioniert. Ist $\alpha=-n<0$, $n\in\mathbb{N}$, dann hat der Nenner Pole -an den Stellen $k=0,1,\dots,n-$. +an den Stellen $k=0,1,\dots,n-1$. Die Summe beginnt also erst bei $k=n$ oder \begin{align*} J_{-n}(x) @@ -285,7 +345,22 @@ J_{-n}(x) (-1)^n J_{n}(x). \end{align*} +Insbesondere unterscheiden sich $J_n(x)$ und $J_{-n}(x)$ nur durch +ein Vorzeichen. + +Als lineare Differentialgleichung zweiter Ordnung erwarten wir noch +eine zweite, linear unabhängige Lösung. +Diese kann jedoch nicht allein mit der Potenzreihenmethode, +dazu sind die Methoden der Funktionentheorie nötig. +Im Abschnitt~\ref{buch:funktionentheorie:subsection:dglsing} +wird gezeigt, wie dies möglich ist und auf +Seite~\pageref{buch:funktionentheorie:subsubsection:bessel2art} +werden die damit zu findenden Bessel-Funktionen 0-ter Ordnung und +zweiter Art vorgestellt. +% +% Erzeugende Funktione +% \subsubsection{Erzeugende Funktion} \begin{figure} \centering @@ -388,11 +463,15 @@ Die beiden Exponentialreihen sind \notag \end{align} +% +% Additionstheorem +% \subsubsection{Additionstheorem} Die erzeugende Funktion kann dazu verwendet werden, das Additionstheorem für die Besselfunktionen zu beweisen. \begin{satz} +\index{Satz!Additionstheorem für Besselfunktionen}% Für $l\in\mathbb{Z}$ und $x,y\in\mathbb{R}$ gilt \[ J_l(x+y) = \sum_{m=-\infty}^\infty J_m(x)J_{l-m}(y). @@ -438,7 +517,9 @@ J_l(x+y) &= \sum_{m=-\infty}^\infty J_m(x)J_{l-m}(y) für alle $l$. \end{proof} - +% +% Der Fall \alpha=0 +% \subsubsection{Der Fall $\alpha=0$} Im Fall $\alpha=0$ hat das Indexpolynom eine doppelte Nullstelle, wir können daher nur eine Lösung erwarten. @@ -453,8 +534,10 @@ J_0(x) \] geschrieben werden kann. -% XXX Zweite Lösung explizit durchrechnen +% +% Der Fall \alpha=p, p\in \mathbb{N} +% \subsubsection{Der Fall $\alpha=p$, $p\in\mathbb{N}, p > 0$} In diesem Fall kann nur die erste Lösung~\eqref{buch:differentialgleichunge:bessel:erste} @@ -467,8 +550,9 @@ J_p(x) \frac{(-1)^k}{k!(p+k)!}\biggl(\frac{x}{2}\biggr)^{p+2k}. \] -TODO: Lösung für $\alpha=-n$ - +% +% Der Fall $\alpha=n+\frac12$ +% \subsubsection{Der Fall $\alpha=n+\frac12$, $n\in\mathbb{N}$} Obwohl $2\alpha$ eine Ganzzahl ist, sind die beiden Lösungen \label{buch:differentialgleichunge:bessel:erste} @@ -491,7 +575,7 @@ Es ist = \frac{1}{2^k}\bigl(3\cdot 5\cdot\ldots\cdot (2k+1)\bigr) = -\frac{(2k+1)!}{2^{2k+1}\cdot k!} +\frac{(2k+1)!}{2^{2k}\cdot k!} \\ \biggl(-\frac12 + 1\biggr)_k &= @@ -508,63 +592,181 @@ Es ist = \frac{1}{2^k}\bigl(1\cdot 3 \cdot\ldots\cdot (2(k-1)+1)\bigr) = -\frac{(2k-1)!}{2^{2k}\cdot (k-1)!} +\frac{(2k-1)!}{2^{2k-1}\cdot (k-1)!} \end{align*} Damit können jetzt die Reihenentwicklungen der Lösung wie folgt umgeformt werden \begin{align*} y_1(x) &= -\sqrt{x} +x^\alpha \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{(\alpha+1)_k} \frac{(-x^2/4)^k}{k!} = \sqrt{x} \sum_{k=0}^\infty -\frac{2^{2k+1}k!}{(2k+1)!} +\frac{2^{2k}k!}{(2k+1)!} \frac{(-x^2/4)^k}{k!} = \sqrt{x} \sum_{k=0}^\infty (-1)^k -\frac{2\cdot x^{2k}}{(2k+1)!} +\frac{x^{2k}}{(2k+1)!} \\ &= -\frac{1}{2\sqrt{x}} +\frac{1}{\sqrt{x}} \sum_{k=0}^\infty (-1)^k \frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!} = -\frac{1}{2\sqrt{x}} \sin x +\frac{1}{\sqrt{x}} \sin x \\ y_2(x) &= -\frac{1}{\sqrt{x}} +x^{-\alpha} \sum_{k=0}^\infty -\frac{2^{2k}\cdot (k-1)!}{(2k-1)!} +\frac{1}{(-\alpha+1)_k} \frac{(-x^2/4)^k}{k!} = -\frac{1}{\sqrt{x}} +x^{-\frac12} \sum_{k=0}^\infty -(-1)^k -\frac{x^{2k}}{(2k-1)!\cdot k} +\frac{2^{2k-1}\cdot (k-1)!}{(2k-1)!} +\frac{(-x^2/4)^k}{k!} \\ &= -\frac{2}{\sqrt{x}} +\frac{1}{\sqrt{x}} \sum_{k=0}^\infty (-1)^k \frac{x^{2k}}{(2k-1)!\cdot 2k} = -\frac{2}{\sqrt{x}} \cos x. +\frac{1}{\sqrt{x}} \cos x. \end{align*} -% XXX Nachrechnen, dass diese Funktionen -% XXX Lösungen der Differentialgleichung sind - -\subsection{Analytische Fortsetzung und Bessel-Funktionen zweiter Art} - - - +Die Bessel-Funktionen verwenden aber eine andere Normierung. +Die Gleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:bessel:normierungsgleichung} +zeigt, dass die Bessel-Funktionen durch Division +der Funktion $y_1(x)$ und $y_2(x)$ durch $2^\alpha \Gamma(\alpha+1)$ +erhalten werden können. +Dies ergibt +\begin{equation*} +\renewcommand{\arraycolsep}{1pt} +\begin{array}{rclclclcl} +J_{\frac12}(x) +&=& +\displaystyle\frac{1}{2^{\frac12}\Gamma(\frac12+1)} +y_1(x) +&=& +\displaystyle\frac{1}{2^{\frac12}\frac12\Gamma(\frac12)} +y_1(x) +&=& +\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{\Gamma(\frac12)} +y_1(x) +&=& +\displaystyle\frac{1}{\Gamma(\frac12)} +\sqrt{ \frac{2}{x}} +\sin x, +\\ +J_{-\frac12}(x) +&=& +\displaystyle\frac{1}{2^{-\frac12}\Gamma(-\frac12+1)} +y_2(x) +&=& +\displaystyle\frac{2^{\frac12}}{\Gamma(\frac12)} +y_2(x) +&=& +\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{\Gamma(\frac12)} +y_2(x) +&=& +\displaystyle\frac{1}{\Gamma(\frac12)} +\sqrt{\frac{2}{x}} +\cos x. +\end{array} +\end{equation*} +Wegen $\Gamma(\frac12)=\sqrt{\pi}$ sind die +halbzahligen Bessel-Funktionen daher +\begin{align*} +J_{\frac12}(x) +&= +\sqrt{\frac{2}{\pi x}} \sin x += +\sqrt{\frac{2}{\pi}} x^{-\frac12}\sin x +& +&\text{und}& +J_{-\frac12}(x) +&= +\sqrt{\frac{2}{\pi x}} \cos x += +\sqrt{\frac{2}{\pi}} x^{-\frac12}\cos x. +\end{align*} +% +% Direkte Verifikation der Lösungen +% +\subsubsection{Direkte Verifikation der Lösungen für $\alpha=\pm\frac12$} +Tatsächlich führt die Anwendung des Bessel-Operators auf die beiden +Funktionen auf +\begin{align*} +\sqrt{\frac{\pi}2} +BJ_{\frac12}(x) +&= +\sqrt{\frac{\pi}2} +\biggl( +x^2J_{\frac12}''(x) + xJ_{\frac12}'(x) + x^2J_{\frac12}(x) +\biggr) +\\ +&= +x^2(x^{-\frac12}\sin x)'' ++ +x(x^{-\frac12}\sin x)' ++ +x^2(x^{-\frac12}\sin x) +\\ +&= +x^2( +x^{-{\textstyle\frac12}}\cos x +-{\textstyle\frac12}x^{-\frac32}\sin x +)' ++ +x( +x^{-\frac12}\cos x +-{\textstyle\frac12}x^{-\frac32}\sin x +) ++ +x^{\frac32}\sin x +\\ +&= +x^2( +-x^{-\frac12}\sin x +-{\textstyle\frac12}x^{-\frac32}\cos x +-{\textstyle\frac12}x^{-\frac32}\cos x ++{\textstyle\frac{3}{4}}x^{-\frac52}\sin x +) ++ +x^{\frac12}\cos x ++ +x^{-\frac12}(x-{\textstyle\frac12})\sin x +\\ +&= +( +-x^{\frac32} ++{\textstyle\frac34}x^{-\frac12} ++x^{\frac32} +-{\textstyle\frac12}x^{-\frac12} +) +\sin x += +\frac14x^{-\frac12}\sin x += +\frac14 +\sqrt{\frac{\pi}2} +J_{\frac12}(x) +\\ +BJ_{\frac12}(x) +&= +\biggl(\frac12\biggr)^2 J_{\frac12}(x). +\end{align*} +Dies zeigt, dass $J_{\frac12}(x)$ tatsächlich eine Eigenfunktion +des Bessel-Operators zum Eigenwert $\alpha^2 = \frac14$ ist. +Analog kann man die Lösung $y_2(x)$ für $-\frac12$ verifizieren. diff --git a/buch/chapters/050-differential/besselhyper.maxima b/buch/chapters/050-differential/besselhyper.maxima new file mode 100644 index 0000000..0a67819 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/050-differential/besselhyper.maxima @@ -0,0 +1,37 @@ +/* + * besselhyper.maxima + */ +gradef(y(x), yp(x)); +gradef(yp(x), ypp(x)); + +w(x) := x^alpha * y(-x^2/4); + +/* Zusammenhang zwischen Y und W */ +Y: x^(-alpha) * W; + +/* erste Ableitung Yp ausgedrückt durch W und W' */ +e: Wp=diff(w(x),x) $ +e: ratsimp(e); +e: subst(W * x^(-alpha), y(-x^2/4), e) $ +e: subst(Yp, yp(-x^2/4), e) $ +s: solve(e, Yp) $ +Yp: rhs(s[1]) $ +Yp: ratsimp(Yp); +ratsimp(subst(0,W,Yp)); +ratsimp(subst(0,Wp,Yp)); + +/* zweite Ableitung Yp ausgedrückt durch W, W' und W'' */ +e: Wpp = ratsimp(diff(diff(w(x),x),x)); +e: subst(W * x^(-alpha), y(-x^2/4), e) $ +e: subst(Yp, yp(-x^2/4), e) $ +e: subst(Ypp, ypp(-x^2/4), e) $ +e: ratsimp(e) $ +Ypp: rhs(solve(e, Ypp)[1]) $ +Ypp: ratsimp(Ypp); +ratsimp(subst(0, W, subst(0, Wp, Ypp))); +ratsimp(subst(0, W, subst(0, Wpp, Ypp))); +ratsimp(subst(0, Wp, subst(0, Wpp, Ypp))); + + +B: (-x^2/4) * Ypp + (alpha+1)*Yp - Y; +expand(-x^(alpha+2) * B); diff --git a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex index e187b68..2fe43c1 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/hypergeometrisch.tex @@ -371,6 +371,7 @@ $c$ darf also kein natürliche Zahl $\ge 2$ sein. Wir fassen die Resultate dieses Abschnitts im folgenden Satz zusammen. \begin{satz} +\index{Satz!Lösung der eulerschen hypergeometrischen Differentialgleichung}% Die eulersche hypergeometrische Differentialgleichung \begin{equation} x(1-x)\frac{d^2y}{dx^2} @@ -906,6 +907,7 @@ Funktion wohldefiniert. Wir fassen diese Resultat zusammen: \begin{satz} +\index{Satz!1f1@Differentialgleichung von $\mathstrut_1F_1$}% \label{buch:differentialgleichungen:satz:1f1-dgl-loesungen} Die Differentialgleichung \[ @@ -1591,7 +1593,7 @@ x\cdot \end{align*} als Lösungen. Die Differentialgleichung von $\mathstrut_0F_1$ sollte sich in diesem -Fall also auf die Airy-Differentialgleichung reduzieren lassen. +Fall also auf die Airy-Dif\-fe\-ren\-tial\-glei\-chung reduzieren lassen. Bei der Substition der Parameter in die Differentialgleichung \eqref{buch:differentialgleichungen:0F1:dgl} beachten wird, dass @@ -1757,6 +1759,7 @@ T_n(x) \biggr). \end{equation} Auch die Tschebyscheff-Polynome lassen sich also mit Hilfe einer -hypergeometrischen Funktion schreiben. +hypergeometrischen Funktion schreiben, wie schon in +\eqref{buch:rekursion:hypergeometrisch:tschebyscheff2f1} +bemerkt wurde. -%\url{https://en.wikipedia.org/wiki/Chebyshev_polynomials} 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/050-differential/potenzreihenmethode.tex b/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex index 2d95fb2..9f2e0a6 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex +++ b/buch/chapters/050-differential/potenzreihenmethode.tex @@ -44,6 +44,7 @@ Tatsächlich gilt der folgende sehr viel allgemeinere Satz von Cauchy und Kowalevskaja: \begin{satz}[Cauchy-Kowalevskaja] +\index{Satz!von Cauchy-Kowalevskaja}% Eine partielle Differentialgleichung der Ordnung $k$ für eine Funktion $u(x_1,\dots,x_n,t)=u(x,t)$ in expliziter Form @@ -176,7 +177,8 @@ b_2\,2!\,a_{2+k} + b_1\, a_{1+k} + b_0\, a_k % % Die Newtonsche Reihe % -\subsection{Die Newtonsche Reihe} +\subsection{Die Newtonsche Reihe +\label{buch:differentialgleichungen:subsection:newtonschereihe}} Wir lösen die Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:wurzeldgl1} mit der Anfangsbedingung $y(t)=1$ mit der Potenzreihenmethode. @@ -289,7 +291,7 @@ Für ganzzahliges $\alpha$ wird daraus die binomische Formel \] % -% Lösung als hypergeometrische Riehe +% Lösung als hypergeometrische Reihe % \subsubsection{Lösung als hypergeometrische Funktion} Die Newtonreihe verwendet ein absteigendes Produkt im Zähler. @@ -333,6 +335,8 @@ wir die Darstellung Damit haben wir den folgenden Satz gezeigt. \begin{satz} +\index{Satz!Newtonsche Reihe}% +\label{buch:differentialgleichungen:satz:newtonschereihe} Die Newtonsche Reihe für $(1-t)^\alpha$ ist der Wert \[ (1-t)^\alpha @@ -370,7 +374,7 @@ entwickeln lassen. \subsubsection{Die Potenzreihenmethode funktioniert nicht} Für die Differentialgleichung \eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg} -funktioniert die Potenzreihenmethod oft nicht. +funktioniert die Potenzreihenmethode oft nicht. Sind die Funktionen $p(x)$ und $q(x)$ zum Beispiel Konstante $p(x)=p_0$ und $q(x)=q_0$, dann führt der Potenzreihenansatz \[ @@ -418,25 +422,43 @@ $a_k=0$ sein, die einzige Potenzreihe ist die triviale Funktion $y(x)=0$. Für Differentialgleichungen der Art \eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg} ist also ein anderer Ansatz nötig. -Die Schwierigkeit bestand darin, dass die Gleichungen für die einzelnen -Koeffizienten $a_k$ voneinander unabhängig waren. -Mit einem zusätzlichen Potenzfaktor $x^\varrho$ mit nicht -notwendigerweise ganzzahligen Wert kann die nötige Flexibilität -erreicht werden. -Wir verwenden daher den Ansatz -\[ +Ursache für das Versagen des Potenzreihenansatzes ist, dass die +Koeffizienten der Differentialgleichung bei $x=0$ eine +Singularität haben. +Ist ist daher damit zu rechnen, dass auch die Lösung $y(x)$ an dieser +Stelle singuläres Verhalten zeigen wird. +Die Terme einer Potenzreihe um den Punkt $x=0$ sind nicht singulär, +können eine solche Singularität also nicht wiedergeben. +Der neue Ansatz sollte ähnlich einfach sein, aber auch gewisse ``einfache'' +Singularitäten darstellen können. +Die Potenzfunktionen $x^\varrho$ mit $\varrho<1$ erfüllen beide +Anforderungen. + +\begin{definition} +\label{buch:differentialgleichungen:def:verallpotenzreihe} +Eine {\em verallgemeinerte Potenzreihe} ist eine Funktion der Form +\begin{equation} y(x) = x^\varrho \sum_{k=0}^\infty a_kx^k = \sum_{k=0}^\infty a_k x^{\varrho+k} -\] -und versuchen nicht nur die Koeffizienten $a_k$ sondern auch den -Exponenten $\varrho$ zu bestimmen. -Durch Modifikation von $\varrho$ können wir immer erreichen, dass -$a_0\ne 0$ ist. - -Die Ableitungen von $y(x)$ mit der zugehörigen Potenz von x sind +\label{buch:differentialgleichungen:eqn:verallpotenzreihe} +\end{equation} +mit $a_0\ne 0$. +\end{definition} + +Die Forderung $a_0\ne 0$ kann nötigenfalls durch Modifikation des +Exponenten $\varrho$ immer erreicht werden. + +Wir verwenden also eine verallgemeinerte Potenzreihe der Form +\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:verallpotenzreihe} +als Lösungsansatz für die +Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg}. +Wir berechnen die Ableitungen von $y(x)$ und um sie in der +Differentialgleichung einzusetzen, versehen wir sie auch gleich mit den +benötigten Potenzen von $x$. +So erhalten wir \begin{align*} xy'(x) &= @@ -451,8 +473,9 @@ x^2y''(x) \sum_{k=0}^\infty (\varrho+k)(\varrho+k-1)a_kx^{\varrho+k}. \end{align*} -Diese Ableitungen setzen wir jetzt in die Differentialgleichung ein, -die dadurch zu +Diese Ausdrücke setzen wir jetzt in die +Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg} +ein, die dadurch zu \begin{equation} \sum_{k=0}^\infty (\varrho+k)(\varrho+k-1) a_k x^{\varrho+k} + @@ -487,6 +510,7 @@ Ausgeschrieben geben die einzelnen Terme \bigl((\varrho +2)a_2p_0 + (\varrho+1)a_1p_1 + \varrho a_0 p_2\bigr) x^{\varrho+2} + \dots +\label{buch:differentialgleichungen:eqn:dglverallg} \\ &+ q_0a_0x^{\varrho} @@ -683,18 +707,17 @@ Kapitel~\ref{buch:chapter:funktionentheorie} dargestellt werden. \item -Fall 3: $\varrho_1-\varrho-2$ ist eine positive ganze Zahl. +Fall 3: $\varrho_1-\varrho_2$ ist eine positive ganze Zahl. In diesem Fall ist im Allgemeinen nur eine Lösung in Form einer verallgemeinerten Potenzreihe möglich. Auch hier müssen Techniken der Funktionentheorie aus Kapitel~\ref{buch:chapter:funktionentheorie} verwendet werden, um eine zweite Lösung zu finden. -\end{itemize} - Wenn $\varrho_1-\varrho_2$ eine negative ganze Zahl ist, kann man die beiden Nullstellen vertauschen. -Es folgt dann, dass es eine +\end{itemize} + diff --git a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp index e4df8e1..eb5c6be 100644 --- a/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp +++ b/buch/chapters/050-differential/uebungsaufgaben/airy.cpp @@ -44,8 +44,8 @@ double h0f1(double c, double x) { double f1(double x) { // unfortunately, gsl_sf_hyperg_0F1 does not work if c<1, because // it uses a relation to the bessel functions - //return gsl_sf_hyperg_0F1(2/3, x*x*x/9.); - return h0f1(2./3., x*x*x/9.); + return gsl_sf_hyperg_0F1(2/3, x*x*x/9.); + //return h0f1(2./3., x*x*x/9.); } double f2(double x) { diff --git a/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc b/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc index e19cb0c..e0dfc21 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/060-integral/Makefile.inc @@ -4,13 +4,16 @@ # (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +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/orthogonal.tex \ - chapters/060-integral/legendredgl.tex \ - chapters/060-integral/sturm.tex \ - chapters/060-integral/gaussquadratur.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/eulertransformation.tex b/buch/chapters/060-integral/eulertransformation.tex index a597892..65d48b2 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/eulertransformation.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/eulertransformation.tex @@ -93,6 +93,7 @@ Durch Auflösung nach der hypergeometrischen Funktion bekommt man die folgende Integraldarstellung. \begin{satz}[Euler] +\index{Satz!Eulertransformation}% \label{buch:integrale:eulertransformation:satz} Die hypergeometrische Funktion $\mathstrut_2F_1$ kann durch das Integral @@ -219,6 +220,7 @@ Funktionen $\mathstrut_{p+1}F_{q+1}$ durch ein Integral, dessen Integrand $\mathstrut_pF_q$ enthält, ausdrücken lässt. \begin{satz} +\index{Satz!Euler-Transformationformel}% Es gilt die sogennannte Euler-Transformationsformel \index{Euler-Transformation}% \[ diff --git a/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima b/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima new file mode 100644 index 0000000..0d5a56d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/060-integral/experiments/rxy.maxima @@ -0,0 +1,9 @@ +y: sqrt(a*x^2+b*x+c); + +F: log(x + b/(2 * a) + y/sqrt(a))/sqrt(a); + +f: diff(F, x); + +ratsimp(f); + +ratsimp(y*f); diff --git a/buch/chapters/060-integral/fehlerfunktion.tex b/buch/chapters/060-integral/fehlerfunktion.tex index 581e56a..6b87044 100644 --- a/buch/chapters/060-integral/fehlerfunktion.tex +++ b/buch/chapters/060-integral/fehlerfunktion.tex @@ -622,7 +622,9 @@ Resultat für die Laplace-Transformierte von $f(t)$, sie ist \frac1s\biggl(1-\frac12e^{-a\sqrt{s}} \biggr). \] -\begin{satz} Die Laplace-Transformierte der Fehlerfunktion mit Argument +\begin{satz} +\index{Satz!Laplace-Transformierte der Fehlerfunktion}% +Die Laplace-Transformierte der Fehlerfunktion mit Argument $a/2\sqrt{t}$ ist \begin{equation} f(t) = \operatorname{erf}\biggl(\frac{a}{2\sqrt{t}}\biggr) 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/070-orthogonalitaet/Makefile.inc b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc index 286ab2e..8f58489 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex \ chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex \ chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex \ diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex index 3e9412a..0ef28fd 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex @@ -1,7 +1,8 @@ % % Besselfunktionen also orthogonale Funktionenfamilie % -\section{Bessel-Funktionen als orthogonale Funktionenfamilie} +\section{Bessel-Funktionen als orthogonale Funktionenfamilie +\label{buch:orthogonalitaet:section:bessel}} \rhead{Bessel-Funktionen} Auch die Besselfunktionen sind eine orthogonale Funktionenfamilie. Sie sind Funktionen differenzierbaren Funktionen $f(r)$ für $r>0$ diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex index 4756844..fba1298 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/chapter.tex @@ -8,20 +8,66 @@ \label{buch:chapter:orthogonalitaet}} \lhead{Orthogonalität} \rhead{} +In der linearen Algebra lernt man, dass orthonormierte Basen für die +Lösung vektorgeometrischer Probleme, bei denen auch das Skalarprodukt +involviert ist, besonders günstig sind. +Die Zerlegung eines Vektors in einer Basis verlangt normalerweise nach +der Lösung eines linearen Gleichungssystems, für orthonormierte +Basisvektoren beschränkt sie sich auf die Berechnung von Skalarprodukten. + +Oft dienen spezielle Funktionen als Basis der Lösungen einer linearen +partiellen Differentialgleichung (siehe Kapitel~\ref{buch:chapter:pde}). +Die Randbedingungen müssen dazu in der gewählten Basis von Funktionen +zerlegt werden. +Fourier ist es gelungen, die Idee des Skalarproduktes und der Orthogonalität +auf Funktionen zu verallgemeinern und so zum Beispiel das Wärmeleitungsproblem +zu lösen. + +Der Orthonormalisierungsprozess von Gram-Schmidt wird damit auch auf +Funktionen anwendbar +(Abschnitt~\ref{buch:orthogonalitaet:section:orthogonale-funktionen}), +der Nutzen führt aber noch viel weiter. +Da $K[x]$ ein Vektorraum ist, führt er von der Basis der Monome +$\{1,x,x^2,\dots,x^n\}$ +auf orthonormierte Polynome. +Diese haben jedoch eine ganze Reihe weiterer nützlicher Eigenschaften. +So wird in Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:section:drei-term-rekursion} +gezeigt, dass sich die Werte aller Polynome einer solchen Familie mit +einer Rekursionsformel effizient berechnen lassen, die höchstens drei +Terme umfasst. +In Abschnitt~\ref{buch:orthogonalitaet:section:rodrigues} werden +die Rodrigues-Formeln vorgeführt, die Polynome durch Anwendung eines +Differentialoperators hervorbringen. +In Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:section:orthogonale-polynome-und-dgl} +schliesslich wird gezeigt, dass diese Polynome auch Eigenfunktionen +eines selbstadjungierten Operators sind. +Da man in der linearen Algebra auch lernt, dass die Eigenvektoren einer +symmetrischen Matrix zu verschiedenen Eigenwerten orthogonal sind, +ist die Orthogonalität plötzlich nicht mehr überraschend. + +Die Bessel-Funktionen von +Abschnitt~\ref{buch:differntialgleichungen:section:bessel} +sind auch Eigenfunktionen eines Differentialoperators. +Abschnitt~\ref{buch:orthogonalitaet:section:bessel} findet das zugehörige +Skalarprodukt, welches andeutet, dass auch für andere Funktionenfamilien +eine entsprechende Konstruktion möglich ist. +Das in Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} +präsentierte Sturm-Liouville-Problem führt sie durch. +Das Kapitel schliesst mit dem +Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:section:gauss-quadratur} +über die Gauss-Quadratur, welche die Eigenschaften orthogonaler Polynome +für einen besonders effizienten numerischen Integrationsalgorithmus +ausnutzt. + \input{chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex} -%\input{chapters/070-orthogonalitaet/jacobi.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/bessel.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex} \input{chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex} -%\section{TODO} -%\begin{itemize} -%\end{itemize} - -\section*{Übungsaufgaben} +\section*{Übungsaufgabe} \rhead{Übungsaufgaben} \aufgabetoplevel{chapters/070-orthogonalitaet/uebungsaufgaben} \begin{uebungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex index 55f9700..c7dfb31 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/gaussquadratur.tex @@ -1,7 +1,8 @@ % % Anwendung: Gauss-Quadratur % -\section{Anwendung: Gauss-Quadratur} +\section{Anwendung: Gauss-Quadratur +\label{buch:orthogonal:section:gauss-quadratur}} \rhead{Gauss-Quadratur} Orthogonale Polynome haben eine etwas unerwartet Anwendung in einem von Gauss erdachten numerischen Integrationsverfahren. @@ -19,7 +20,7 @@ Ein solches Polynom $p(x)$ hat $n+1$ Koeffizienten, die aus dem linearen Gleichungssystem der $n+1$ Gleichungen $p(x_i)=f(x_i)$ ermittelt werden können. -Das Interpolationspolynom $p(x)$ lässt sich abera uch direkt +Das Interpolationspolynom $p(x)$ lässt sich aber auch direkt angeben. Dazu konstruiert man zuerst die Polynome \[ @@ -135,12 +136,12 @@ p(x)&=x^2\colon& \frac23 &= A_0x_0^2 + A_1x_1^2\\ p(x)&=x^3\colon& 0 &= A_0x_0^3 + A_1x_1^3. \end{aligned} \] -Dividiert man die zweite und vierte Gleichung in der Form +Dividiert man die vierte durch die zweite Gleichung in der Form \[ \left. \begin{aligned} -A_0x_0 &= -A_1x_1\\ -A_0x_0^2 &= -A_1x_1^2 +A_0x_0^3 &= -A_1x_1^3 &\qquad&\text{(vierte Gleichung)}\\ +A_0x_0 &= -A_1x_1 &\qquad&\text{(zweite Gleichung)} \end{aligned} \quad \right\} @@ -155,7 +156,7 @@ x_1=-x_0. \] Indem wir dies in die zweite Gleichung einsetzen, finden wir \[ -0 = A_0x_0 + A_1x_1 = A_0x_1 -A_1x_0 = (A_0-A_1)x_0 +0 = A_0x_0 + A_1x_1 = A_0x_0 -A_1x_0 = (A_0-A_1)x_0 \quad\Rightarrow\quad A_0=A_1. \] @@ -229,6 +230,7 @@ Sei $R_n=\{p(X)\in\mathbb{R}[X] \mid \deg p\le n\}$ der Vektorraum der Polynome vom Grad $n$. \begin{satz} +\index{Satz!Gaussquadratur}% \label{buch:integral:satz:gaussquadratur} Sei $p$ ein Polynom vom Grad $n$, welches auf allen Polynomen in $R_{n-1}$ orthogonal sind. @@ -263,7 +265,7 @@ werden können, muss auch = \int_{-1}^1 q(x)p(x)\,dx = -\sum_{i=0}^n q(x_i)p(x_i) +\sum_{i=0}^n A_iq(x_i)p(x_i) \] für jedes beliebige Polynom $q\in R_{n-1}$ gelten. Da man für $q$ die Interpolationspolynome $l_j(x)$ verwenden @@ -272,9 +274,11 @@ kann, den Grad $n-1$ haben, folgt 0 = \sum_{i=0}^n -l_j(x_i)p(x_i) +A_il_j(x_i)p(x_i) = -\sum_{i=0}^n \delta_{ij}p(x_i), +\sum_{i=0}^n A_i\delta_{ij}p(x_i) += +A_jp(x_j), \] die Stützstellen $x_i$ müssen also die Nullstellen des Polynoms $p(x)$ sein. @@ -282,7 +286,7 @@ $p(x)$ sein. Der Satz~\ref{buch:integral:satz:gaussquadratur} begründet das {\em Gausssche Quadraturverfahren}. -Die in Abschnitt~\ref{buch:integral:section:orthogonale-polynome} +Die in Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:subsection:legendre-polynome} bestimmten Legendre-Polynome $P_n$ haben die im Satz verlangte Eigenschaft, dass sie auf allen Polynomen geringeren Grades orthogonal sind. @@ -304,6 +308,7 @@ Für eine beliebige Funktion kann man die folgende Fehlerabschätzung angeben \cite[theorem 7.3.4, p.~497]{buch:numal}. \begin{satz} +\index{Satz!Gausssche Quadraturformel und Fehler}% Seien $x_i$ die Stützstellen und $A_i$ die Gewichte einer Gaussschen Quadraturformel mit $n+1$ Stützstellen und sei $f$ eine auf dem Interval $[-1,1]$ $2n+2$-mal stetig differenzierbare @@ -549,7 +554,7 @@ w(x)=e^{-x} \text{ und } g(x)=f(x)e^x. \] -Dann approximiert $g(x)$ man durch ein Interpolationspolynom, +Dann approximiert man $g(x)$ durch ein Interpolationspolynom, so wie man das bei der Gauss-Quadratur gemacht hat. Als Stützstellen müssen dazu die Nullstellen der Laguerre-Polynome verwendet werden. diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex index de8f63f..f3dd53f 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/legendredgl.tex @@ -3,7 +3,8 @@ % % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Orthogonale Polynome und Differentialgleichungen} +\section{Orthogonale Polynome und Differentialgleichungen +\label{buch:orthogonal:section:orthogonale-polynome-und-dgl}} \rhead{Differentialgleichungen orthogonaler Polynome} Legendre hat einen ganz anderen Zugang zu den nach ihm benannten Polynomen gefunden. @@ -16,8 +17,13 @@ Die Orthogonalität wird dann aus einer Verallgemeinerung der bekannten Eingeschaft folgen, dass Eigenvektoren einer symmetrischen Matrix zu verschiedenen Eigenwerten orthogonal sind. +% +% Legendre-Differentialgleichung +% \subsection{Legendre-Differentialgleichung} Die {\em Legendre-Differentialgleichung} ist die Differentialgleichung +\index{Differentialgleichung!Legendre-}% +\index{Legendre-Differentialgleichung}% \begin{equation} (1-x^2) y'' - 2x y' + n(n+1) y = 0 \label{buch:integral:eqn:legendre-differentialgleichung} @@ -61,7 +67,10 @@ zerlegen, die als Linearkombinationen der beiden Lösungen $y(x)$ und $y_s(x)$ ebenfalls Lösungen der Differentialgleichung sind. -\subsection{Potenzreihenlösung} +% +% Potenzreihenlösungen +% +\subsubsection{Potenzreihenlösung} Wir suchen eine Lösung in Form einer Potenzreihe um $x=0$ und verwenden dazu den Ansatz \[ @@ -170,7 +179,10 @@ eine Polynomlösung $\bar{P}_n(x)$ vom Grad $n$ gibt. Dies kann aber nicht erklären, warum die so gefundenen Polynome orthogonal sind. -\subsection{Eigenfunktionen} +% +% Eigenfunktionen +% +\subsubsection{Eigenfunktionen} Die Differentialgleichung \eqref{buch:integral:eqn:legendre-differentialgleichung} Kann mit dem Differentialoperator @@ -198,7 +210,10 @@ des Operators $D$ zum Eigenwert $n(n+1)$ sind: D\bar{P}_n = -n(n+1) \bar{P}_n. \] -\subsection{Orthogonalität von $\bar{P}_n$ als Eigenfunktionen} +% +% Orthogonalität von P_n als Eigenfunktionen +% +\subsubsection{Orthogonalität von $\bar{P}_n$ als Eigenfunktionen} Ein Operator $A$ auf Funktionen heisst {\em selbstadjungiert}, wenn für zwei beliebige Funktionen $f$ und $g$ gilt \[ @@ -274,7 +289,10 @@ die $\bar{P}_n$ orthogonale Polynome vom Grad $n$ sind, die die gleiche Standardierdisierungsbedingung wie die Legendre-Polyonome erfüllen, also ist $\bar{P}_n(x)=P_n(x)$. -\subsection{Legendre-Funktionen zweiter Art} +% +% Legendre-Funktionen zweiter Art +% +\subsubsection{Legendre-Funktionen zweiter Art} %Siehe Wikipedia-Artikel \url{https://de.wikipedia.org/wiki/Legendre-Polynom} % Die Potenzreihenmethode liefert natürlich auch Lösungen der @@ -368,7 +386,7 @@ Q_1(x) = x \operatorname{artanh}x-1 verwendet werden. % -% +% Laguerre-Differentialgleichung % \subsection{Laguerre-Differentialgleichung \label{buch:orthogonal:subsection:laguerre-differentialgleichung}} @@ -427,11 +445,15 @@ schlägt eine zweite Lösung vor, im vorliegenden Fall mit $b=1$ ist die zweite Lösung jedoch identisch zu ersten, es muss daher ein anderer Weg zu einer zweiten Lösung gesucht werden. -XXX TODO: zweite Lösung der Differentialgleichung. +%XXX TODO: zweite Lösung der Differentialgleichung. +% +% +% \subsubsection{Die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung} \index{assoziierte Laguerre-Differentialgleichung}% \index{Laguerre-Differentialgleichung, assoziierte}% +\index{Differentialgleichung!assoziierte Laguerre-}% Die {\em assoziierte Laguerre-Differentialgleichung} ist die Differentialgleichung \begin{equation} diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex index a84248a..793b78d 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/orthogonal.tex @@ -11,9 +11,13 @@ Funktionenreihen mit Summanden zu bilden, die im Sinne eines Skalarproduktes orthogonal sind, welches mit Hilfe eines Integrals definiert sind. Solche Funktionenfamilien treten jedoch auch als Lösungen von -Differentialgleichungen. +Differentialgleichungen auf. Besonders interessant wird die Situation, wenn die Funktionen Polynome sind. +In diesem Abschnitt soll zunächst das Skalarprodukt definiert +und an Hand von Beispielen gezeigt werden, wie verschiedenartige +interessante Familien von orthogonalen Polynomen gewonnen werden +können. % % Skalarprodukt @@ -520,7 +524,7 @@ Tabelle~\ref{buch:integral:table:legendre-polynome}. Die Graphen sind in Abbildung~\ref{buch:integral:orthogonal:legendregraphen} dargestellt. Abbildung~\ref{buch:integral:orthogonal:legendreortho} illustriert, -dass die die beiden Polynome $P_4(x)$ und $P_7(x)$ orthogonal sind. +dass die beiden Polynome $P_4(x)$ und $P_7(x)$ orthogonal sind. Das Produkt $P_4(x)\cdot P_7(x)$ hat Integral $=0$. % @@ -634,9 +638,10 @@ Der Vektorraum $H_w$ von auf $(a,b)$ definierten Funktionen sei H_w = \biggl\{ -f:\colon(a,b) \to \mathbb{R} +f\colon(a,b) \to \mathbb{R} \;\bigg|\; \int_a^b |f(x)|^2 w(x)\,dx +<\infty \biggr\}. \] Die Funktionen $f\in H_w$ haben folgende Eigenschaften @@ -842,14 +847,14 @@ bei geeigneter Normierung die {\em Hermite-Polynome}. % % Laguerre-Gewichtsfunktion % -\subsection{Laguerre-Gewichtsfunktion} +\subsubsection{Laguerre-Gewichtsfunktion} Ähnlich wie die Hermite-Gewichtsfunktion ist die {\em Laguerre-Gewichtsfunktion} \index{Laguerre-Gewichtsfunktion}% \[ w_{\text{Laguerre}}(x) = -w^{-x} +e^{-x} \] auf ganz $\mathbb{R}$ definiert, und sie geht für $x\to\infty$ wieder sehr rasch gegen $0$. diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex index 5ec7fed..3dd9de5 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rekursion.tex @@ -30,10 +30,21 @@ Skalarproduktes $\langle\,\;,\;\rangle_w$, wenn für alle $n$, $m$. \end{definition} -\subsection{Allgemeine Drei-Term-Rekursion für orthogonale Polynome} -Der folgende Satz besagt, dass $p_n$ eine Rekursionsbeziehung erfüllt. +\subsubsection{Allgemeine Drei-Term-Rekursion für orthogonale Polynome} +Die Multiplikation mit $x$ macht aus einem Polynom vom Grad $n$ ein +Polynom vom Grad $n+1$. +Das Polynom $xp_n(x)$ lässt sich daher als Linearkombination der +Polynome $p_k(x)$ mit $k\le n+1$ schreiben. +Es muss also eine lineare Beziehung zwischen den Polynomen $p_k(x)$ und +$xp_n(x)$ geben, die man nach $p_{n+1}(x)$ auflösen kann, um eine lineare +Darstellung von $p_{n+1}(x)$ durch die $p_k(x)$ und $p_n(x)$ zu +bekommen. +A priori muss man damit rechnen, dass sehr viele Summanden nötig sind. +Der folgende Satz besagt, dass $p_n(x)$ eine Rekursionsbeziehung mit +nur drei Termen erfüllt. \begin{satz} +\index{Satz!Drei-Term-Rekursion}% \label{buch:orthogonal:satz:drei-term-rekursion} Eine Folge bezüglich $\langle\,\;,\;\rangle_w$ orthogonaler Polynome $p_n$ mit dem Grade $\deg p_n = n$ erfüllt eine Rekursionsbeziehung der Form @@ -55,9 +66,13 @@ C_{n+1} = \frac{A_{n+1}}{A_n}\frac{h_{n+1}}{h_n}. \end{equation} \end{satz} -\subsection{Multiplikationsoperator mit $x$} -Man kann die Relation auch nach dem Produkt $xp_n(x)$ auflösen, dann -wird sie +Die Rekursionsbeziehung~\eqref{buch:orthogonal:eqn:rekursion} bedeutet, +dass sich die Werte $p_n(x)$ für alle $n$ ausgehend von $p_1(x)$ und +$p_0(x)$ mit nur $O(n)$ Operationen ermitteln lassen. + +\subsubsection{Multiplikationsoperator mit $x$} +Man kann die Relation \eqref{buch:orthogonal:eqn:rekursion} +auch nach dem Produkt $xp_n(x)$ auflösen, dann wird sie \begin{equation} xp_n(x) = @@ -68,11 +83,14 @@ xp_n(x) \frac{C_n}{A_n}p_{n-1}(x). \label{buch:orthogonal:eqn:multixrelation} \end{equation} -Die Multiplikation mit $x$ ist eine lineare Abbildung im Raum der Funktionen. +Die Multiplikation mit $x$ ist eine lineare Abbildung im Raum der Funktionen, +die wir weiter unten auch $M_x$ abkürzen. Die Relation~\eqref{buch:orthogonal:eqn:multixrelation} besagt, dass diese Abbildung in der Basis der Polynome $p_k$ tridiagonale Form hat. +Ein Beispiel dafür ist im nächsten Abschnitt in +\eqref{buch:orthogonal:eqn:Mx} -\subsection{Drei-Term-Rekursion für die Tschebyscheff-Polynome} +\subsubsection{Drei-Term-Rekursion für die Tschebyscheff-Polynome} Eine Relation der Form~\eqref{buch:orthogonal:eqn:multixrelation} wurde bereits in Abschnitt~\ref{buch:potenzen:tschebyscheff:rekursionsbeziehungen} @@ -80,12 +98,28 @@ hergeleitet. In der Form~\eqref{buch:orthogonal:eqn:rekursion} geschrieben lautet sie \[ -T_{n+1}(x) = 2x\,T_n(x)-T_{n-1}(x). +T_{n+1}(x) = 2x\,T_n(x)-T_{n-1}(x), \] also $A_n=2$, $B_n=0$ und $C_n=1$. +Die Matrixdarstellung des Multiplikationsoperators $M_x$ in der +Basis der Tschebyscheff-Polynome hat wegen +\eqref{buch:orthogonal:eqn:multixrelation} die Form +\begin{equation} +M_x += +\begin{pmatrix} + 0&\frac12& 0& 0& 0&\dots \\ +\frac12& 0&\frac12& 0& 0&\dots \\ + 0&\frac12& 0&\frac12& 0&\dots \\ + 0& 0&\frac12& 0&\frac12&\dots \\ + 0& 0& 0&\frac12& 0&\dots \\ + \vdots& \vdots& \vdots& \vdots& \vdots&\ddots +\end{pmatrix}. +\label{buch:orthogonal:eqn:Mx} +\end{equation} -\subsection{Beweis von Satz~\ref{buch:orthogonal:satz:drei-term-rekursion}} +\subsubsection{Beweis von Satz~\ref{buch:orthogonal:satz:drei-term-rekursion}} Die Relation~\eqref{buch:orthogonal:eqn:multixrelation} zeigt auch, dass der Beweis die Koeffizienten $\langle xp_k,p_j\rangle_w$ berechnen muss. diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex index 9fded85..4852624 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/rodrigues.tex @@ -14,7 +14,8 @@ mit der Ableitung kann man den Grad aber auch senken, man könnte daher auch nach einer Rekursionsformel fragen, die bei einem Polynom hohen Grades beginnt und mit Hilfe von Ableitungen zu geringeren Graden absteigt. -Solche Formeln heissen Rodrigues-Formeln nach dem Entdecker Olinde +Solche Formeln heissen {\em Rodrigues-Formeln} nach dem Entdecker Olinde +\index{Rodriguez, Olinde}% Rodrigues, der eine solche Formal als erster für Legendre-Polynome gefunden hat. @@ -27,12 +28,17 @@ Die Skalarprodukte sollen \] sein. +% +% Pearsonsche Differentialgleichung +% \subsection{Pearsonsche Differentialgleichung} Die {\em Pearsonsche Differentialgleichung} ist die Differentialgleichung \begin{equation} B(x) y' - A(x) y = 0, \label{buch:orthogonal:eqn:pearson} \end{equation} +\index{Differentialgleichung!Pearsonsche}% +\index{Pearsonsche Differentialgleichung}% wobei $B(x)$ ein Polynom vom Grad höchstens $2$ ist und $A(x)$ ein höchstens lineares Polynom. Die Gleichung~\eqref{buch:orthogonal:eqn:pearson} @@ -45,33 +51,46 @@ Dann kann man die Gleichung umstellen in = \frac{A(x)}{B(x)} \qquad\Rightarrow\qquad -y = \exp\biggl( \int\frac{A(x)}{B(x)}\biggr)\,dx. +y += +\exp\biggl( +\int\frac{A(x)}{B(x)} +\,dx +\biggr) +. \] -Im folgenden nehmen wir zusätzlich an, dass +Im Folgenden nehmen wir zusätzlich an, dass an den Intervallenden \begin{equation} \lim_{x\to a+} w(x)B(x) = 0, \qquad\text{und}\qquad -\lim_{x\to b-} w(x)B(x) = 0. +\lim_{x\to b-} w(x)B(x) = 0 \end{equation} +gilt. + Falls $w(x)$ an den Intervallenden einen von $0$ verschiedenen Grenzwert hat, bedeutet dies, dass $B(a)=B(b)=0$ sein muss. Falls $w(x)$ am Intervallende divergiert, muss $B(x)$ dort eine Nullstelle höherer Ordnung haben, was aber für ein Polynom zweiten Grades nicht möglich ist. +% +% Rekursionsformel +% \subsection{Rekursionsformel} Multiplikation mit $B(x)$ wird den Grad eines Polynomes typischerweise um $2$ erhöhen, die Ableitung wird ihn wieder um $1$ reduzieren. Etwas formeller kann man dies wie folgt formulieren: \begin{satz} +\index{Satz!Rodrigues-Rekursionsformel}% Für alle $n\ge 0$ ist -\[ +\begin{equation} q_n(x) = \frac{1}{w(x)} \frac{d^n}{dx^n} B(x)^n w(x) -\] +\label{buch:orthogonalitaet:rodrigues:eqn:rekursion} +\end{equation} ein Polynom vom Grad höchstens $n$. \end{satz} @@ -85,51 +104,67 @@ r_0(x) B(x)^n w(x) \\ &= \frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}} -\bigl(r_0'(x)B(x)+ nB'(x)B(x)^{n-1}w(x) + B(x)^n w'(x) \bigr) +\bigl(r_0'(x)B(x)+ nr_0(x)B'(x)B(x)^{n-1}w(x) + r_0(x)B(x)^n w'(x) \bigr) \\ &= \frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}} -(r_0'(x)B(x)+nB'(x)+A(x)) B(x)^{n-1} w(x) -= +(\underbrace{r_0'(x)B(x)+nr_0(x)B'(x)+r_0(x)A(x)}_{\displaystyle = r_1(x)}) +B(x)^{n-1} w(x) +\\ +&= \frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}} r_1(x)B^{n-1}(x) w(x). \end{align*} -Für die Funktionen $r_k$ gilt die Rekursionsformel +Iterativ lässt sich eine Folge von +Funktionen $r_k(x)$ definieren, für die Rekursionsformel \begin{equation} -r_k(x) = r_{k-1}'(x)B(x) + kB'(x) + A(x). +r_k(x) = r_{k-1}'(x)B(x) + \bigl((n+1-k)B'(x) + A(x)\bigr)r_{k-1}(x) \label{buch:orthogonal:rodrigues:rekursion:beweis1} \end{equation} +gilt. Wenn $r_0(x)$ ein Polynom ist, dann sind alle Funktionen $r_k(x)$ ebenfalls Polynome. -Durch wiederholte Anwendung dieser Formel kann man schliessen, dass +Aus der Konstruktion kann man schliessen, dass \[ \frac{d^n}{dx^n} r_0(x) B(x)^n w(x) = r_n(x) w(x). \] -Insbesondere folgt für $r_0(x)=1$, dass man durch $w(x)$ dividieren kann -und dass $r_n(x)=q_n(x)$. +Insbesondere folgt für $r_0(x)=1$, dass die $n$-te Ableitung den +Faktor $w(x)$ enthält und dass somit $r_n(x)=q_n(x)$ ein Polynom ist. -Wir müssen auch noch den Grad von $r_k(x)$ bestimmen. -Dazu verwenden wir -\eqref{buch:orthogonal:rodrigues:rekursion:beweis1} und berechnen den -Grad: +Wir müssen auch noch den Grad von $r_k(x)$ bestimmen, wobei wir +wieder von $r_0(x)=1$ ausgehen. +Wir behaupten, dass $\deg r_k(x)\le k$ ist, und beweisen dies +mit vollständiger Induktion. +Für $k=0$ ist $\deg r_0(x) = 0 \le k$ die Induktionsverankerung. + +Wir nehmen jetzt also an, dass $\deg r_{k-1}(x)\le k-1$ ist und +verwenden +\eqref{buch:orthogonal:rodrigues:rekursion:beweis1} um den Grad zu berechnen: \begin{equation*} \deg r_k(x) = \max \bigl( -\underbrace{\deg(r_{k-1}'(x) B(x))}_{\displaystyle \deg r_{k-1}(x) -1 + 2} +\underbrace{\deg(r_{k-1}'(x) B(x))}_{\displaystyle (k-1) -1 + 2} , -\underbrace{\deg(B'(x))}_{\displaystyle \le 1} +\underbrace{\deg(r_{k-1}(x)B'(x))}_{\displaystyle \le (k-1)+1} , -\underbrace{\deg(A(x))}_{\displaystyle \le 1} +\underbrace{\deg(r_{k-1}(x)A(x))}_{\displaystyle \le (k-1)+1} \bigr) -\le \max r_{k-1}(x) + 1. +\le k. \end{equation*} -Aus $\deg r_0(x)=0$ kann man jetzt ablesen, dass $\deg r_k(x)\le k$ ist. -Damit ist gezeigt, dass $\deg q_n(x)\le n$. +Damit ist der Induktionsschritt und $\deg r_k(x)\le k$ bewiesen. +Damit ist auch gezeigt, dass $\deg q_n(x)\le n$. \end{proof} +Die Rodrigues-Formel~\eqref{buch:orthogonalitaet:rodrigues:eqn:rekursion} +produziert eine Folge von Polynomen aufsteigenden Grades, es ist aber +noch nicht klar, dass diese Polynome bezüglich des gewählten Skalarproduktes +orthogonal sind. +Dies ist der Inhalt des folgenden Satzes. + \begin{satz} +\index{Satz!Rodrigues-Formel für orthonormierte Polynome}% Es gibt Konstanten $c_n$ derart, dass \[ p_n(x) @@ -140,7 +175,7 @@ gilt. \end{satz} \begin{proof}[Beweis] -Wir müssen zeigen, dass die Polynome orthogonal sind auf allen Monomen +Wir zeigen, dass die Polynome orthogonal sind auf allen Monomen von geringerem Grad. \begin{align*} \langle q_n, x^k\rangle_w @@ -148,15 +183,17 @@ von geringerem Grad. \int_a^b q_n(x)x^kw(x)\,dx \\ &= -\int_a^b \frac{1}{w(x)}\frac{d^n}{dx^n}(B(x)^n w(x)) x^k w(x)\,dx +\int_a^b \frac{1}{w(x)} +\biggl(\frac{d^n}{dx^n}\bigl(B(x)^n w(x)\bigr)\biggr) +x^k w(x)\,dx \\ &= -\int_a^b \frac{d^n}{dx^n}(B(x)^n w(x)) x^k \,dx +\int_a^b \frac{d^n}{dx^n}\bigl(B(x)^n w(x)\bigr) x^k \,dx \\ &= -\biggl[\frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}}(B(x)^n w(x)) x^k \biggr]_a^b +\biggl[\frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}}\bigl(B(x)^n w(x)\bigr) x^k \biggr]_a^b - -\int_a^b \frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}}(B(x)^n w(x))kx^{k-1}\,dx +\int_a^b \frac{d^{n-1}}{dx^{n-1}}\bigl(B(x)^n w(x)\bigr)kx^{k-1}\,dx \end{align*} Durch $n$-fache Iteration wird das Integral auf $0$ reduziert. Es bleiben nur die eckigen Klammern stehen, doch wenn man die Produktregel @@ -164,9 +201,32 @@ auswertet, bleibt immer mindestens ein Produkt $B(x)w(x)$ stehen, nach den Voraussetzungen an den Grenzwert dieses Produktes an den Intervallenden verschwinden diese Terme alle. Damit sind die $q_n(x)$ Polynome, die $w$-orthogonal sind auf allen -$x^k$ mit $k<n$, also Vielfache der $w$-Orthgonalpolynome. +$x^k$ mit $k<n$. + +Die Polynome $q_k(x)$ mit $k< n$ haben Grad $<n$ und sind daher +Linearkombinationen von Monomen vom Grad $<n$. +Soeben wurde gezeigt, dass $q_n(x)$ orthogonal auf diesen Monomen +ist, also auch auf $q_k(x)$ mit $k<n$. +Damit ist gezeigt, dass Polynome $q_n(x)$ eine orthogonale Familie +von Polynomen bilden. +Durch Normierung müssen sich daraus die Polynome $p_n(x)$ ergeben. \end{proof} +\subsection{Differentialgleichung} +Man kann auch zeigen (siehe z.~B.~\cite{buch:pearsondgl}, +dass die orthogonalen Polynome, die die +Rodrigues-Formel liefert, einer Differentialgleichung zweiter +Ordnung genügen, deren möglicherweise nicht konstante Koeffizienten +sich direkt aus $A(x)$, $B(x)$ und $w(x)$ bestimmen lassen. + +\subsection{Beispiel} +Im folgenden zeigen wir, wie sich für viele der früher eingeführten +Gewichtsfunktionen Rodrigues-Formeln für die zugehörigen orthogonalen +Polynome konstruieren lassen. + +% +% Legendre-Polynome +% \subsubsection{Legendre-Polynome} Legendre-Polynome sind orthogonale Polynome zum Standardskalarprodukt mit $w(x)=1$. @@ -195,6 +255,9 @@ P_n(x) (x^2-1)^n. \] +% +% Hermite-Polynome +% \subsubsection{Hermite-Polynome} Die Hermite-Polynome sind auf ganz $\mathbb{R}$ definiert und verwenden die Gewichtsfunktion @@ -205,13 +268,13 @@ Für jedes beliebige Polynome $B(x)$, auch für höheren Grad als $2$, ist \[ \lim_{x\to-\infty} B(x) w(x) = -\lim_{x\to-\infty} B(x)^e{-x^2} +\lim_{x\to-\infty} B(x)e^{-x^2} = 0 \qquad\text{und}\qquad \lim_{x\to\infty} B(x) w(x) = -\lim_{x\to\infty} B(x)^e{-x^2} +\lim_{x\to\infty} B(x)e^{-x^2} = 0, \] @@ -222,7 +285,7 @@ Die Ableitung der Gewichtsfunktion ist \[ w'(x) = -2xe^{-x^2}. \] -Eingsetzt in die Pearsonsche Differentialgleichung findet man +Eingesetzt in die Pearsonsche Differentialgleichung findet man \[ \frac{w'(x)}{w(x)} = @@ -238,6 +301,8 @@ B(x) = 1. \] Die Gradbedingung ist also immer erfüllt und es folgt die Rodrigues-Formel für die Hermite-Polynome +\index{Hermite-Polynom}% +\index{Polynome!Hermite}% \begin{equation} H_n(x) = @@ -249,13 +314,15 @@ e^{x^2}\frac{d^n}{dx^n} e^{-x^2}. \label{buch:orthogonal:eqn:hermite-rodrigues} \end{equation} -Die Hermite-Polynome können mit der Rodrigues-Formel berechnen, aber die -Form~\eqref{buch:orthogonal:eqn:hermite-rodrigues} ist dazu nicht gut -geeignet. -Dazu dient die Berechnung +Die Hermite-Polynome können mit der Rodrigues-Formel berechnet werden, +aber die Form~\eqref{buch:orthogonal:eqn:hermite-rodrigues} ist dazu +nicht gut geeignet. +Zur Vereinfachung dient die Berechnung \[ -\frac{d}{dx} +\bigl( e^{-x^2}f(x) +\bigr) = 2xe^{-x^2}f(x) - @@ -270,15 +337,15 @@ vertauscht werden kann, wenn er durch die grosse Klammer auf der rechten Seite ersetzt wird. Die Rodrigues-Formel bekommt daher die Form \[ -H_n(x) = \biggl(\frac{d}{dx}-2x\biggr)^n \cdot 1 +H_n(x) = \biggl(2x-\frac{d}{dx}\biggr)^n \cdot 1. \] -TODO: Relation zu hypergeometrischen Funktionen $\mathstrut_1F_1$ +%TODO: Relation zu hypergeometrischen Funktionen $\mathstrut_1F_1$ %\url{https://en.wikipedia.org/wiki/Rodrigues%27_formula} % -% Jacoib-Gewichtsfunktion +% Jacobi-Gewichtsfunktion % \subsubsection{Jacobi-Gewichtsfunktion} %(%i1) w: (1-x)^a*(1+x)^b; @@ -303,6 +370,8 @@ TODO: Relation zu hypergeometrischen Funktionen $\mathstrut_1F_1$ % x - 1 % Die Jacobi-Gewichtsfunktion +\index{Jacobi-Gewichtsfunktion}% +\index{Gewichtsfunktion!Jacobi}% \[ w(x) = @@ -357,9 +426,14 @@ Die Konstanten $c_n$ werden durch die Normierung % XXX in welchem Abschnitt festgelegt. +% +% Tschebyscheff-Gewichtsfunktion +% \subsubsection{Die Tschebyscheff-Gewichtsfunktion} Die Tschebyscheff-Gewichtsfunktion ist der Spezialfall $a=b=-\frac12$ der Jacobi-Gewichtsfunktion. +\index{Tschebyscheff-Gewichtsfunktion}% +\index{Gewichtsfunktion!Tschebyscheff}% Die Rodrigues-Formel für die Tschebyscheff-Polynome lautet daher \[ T_n(x) @@ -373,8 +447,13 @@ c_n\sqrt{1-x^2} \frac{d^n}{dx^n} \] wobei wir den korrekten Wert von $c_n$ nicht nachgewiesen haben. +% +% Laguerre Gewichtsfunktion +% \subsubsection{Die Laguerre-Gewichtsfunktion} Die Laguerre-Gewichtsfunktion +\index{Laguerre-Gewichtsfunktion}% +\index{Gewichtsfunktion!Laguerre}% \[ w_{\text{Laguerre}}(x) = @@ -387,6 +466,8 @@ hat die Ableitung w'(x) = -e^{-x}, \] die Pearsonsche Differentialgleichung ist daher +\index{Pearsonsche Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Pearsonsche}% \[ \frac{w'(x)}{w(x)}=\frac{-1}{1}. \] @@ -485,6 +566,8 @@ an der Stelle $0$. Wir fassen die Resultate im folgenden Satz zusammen. \begin{satz} +\index{Satz!Laguerre-Polynome}% +\index{Polynome!Laguerre-}% Die Laguerre-Polynome vom Grad $n$ haben die Form \begin{equation} L_n(x) diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/saev.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/saev.tex index c667297..599d3a0 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/saev.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/saev.tex @@ -18,6 +18,7 @@ Der Beweis ist direkt übertragbar, wir halten das Resultat hier für spätere Verwendung fest. \begin{satz} +\index{Satz!orthogonale Eigenvektoren}% Sind $f$ und $g$ Eigenvektoren eines selbstadjungierten Operators $A$ zu verschiedenen Eigenwerten $\lambda$ und $\mu$, dann sind $f$ und $g$ orthogonal. diff --git a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex index c9c9cc6..80bd5f4 100644 --- a/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex +++ b/buch/chapters/070-orthogonalitaet/sturm.tex @@ -7,11 +7,15 @@ \label{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}} \rhead{Das Sturm-Liouville-Problem} Sowohl bei den Bessel-Funktionen wie bei den Legendre-Polynomen +\index{Bessel-Funktion}% konnte die Orthogonalität der Funktionen dadurch gezeigt werden, dass sie als Eigenfunktionen eines bezüglich eines geeigneten Skalarproduktes selbstadjungierten Operators erkannt wurden. -\subsection{Differentialgleichung} +% +% Differentialgleichungen +% +\subsection{Differentialgleichung \label{sub:differentailgleichung}} Das klassische Sturm-Liouville-Problem ist das folgende Eigenwertproblem. Gesucht sind Lösungen der Differentialgleichung \begin{equation} @@ -30,6 +34,9 @@ erfüllen, wobei $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ mit $i=a,b$. Weitere Bedingungen an die Funktionen $p(x)$, $q(x)$, $w(x)$ sowie die Lösungsfunktionen $y(x)$ sollen später geklärt werden. +% +% Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für symmetrische Matrizen +% \subsection{Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für symmetrische Matrizen} Ein zu \eqref{buch:integrale:eqn:sturm-liouville} analoges Eigenwertproblem für Matrizen ist das folgende verallgemeinerte Eigenwertproblem. @@ -51,6 +58,7 @@ Für symmetrische Matrizen lässt sich dieses Problem auf ein Optimierungsproblem reduzieren. \begin{satz} +\index{Satz!verallgemeinertes Eigenwertproblem}% Seien $A$ und $B$ symmetrische $n\times n$-Matrizen und sei ausserdem $B$ positiv definit. Ist $v$ ein Vektor, der die Grösse @@ -121,6 +129,7 @@ Eigenwert $\lambda$ ist. \end{proof} \begin{satz} +\index{Satz!Orthogonalität verallgemeinerter Eigenvektoren}% Verallgemeinerte Eigenvektoren $u$ und $v$ von $A$ und $B$ zu verschiedenen Eigenwerten erfüllen $u^tBv=0$. \end{satz} @@ -147,6 +156,8 @@ dass $u^tBv=0$ sein muss. Verallgemeinerte Eigenwerte und Eigenvektoren verhalten sich also ganz analog zu den gewöhnlichen Eigenwerten und Eigenvektoren. Da $B$ positiv definit ist, ist $B$ auch invertierbar. +\index{verallgemeinertes Skalarprodukt}% +\index{Skalarprodukt!verallgemeinertes}% Zudem kann $B$ zur Definition des verallgemeinerten Skalarproduktes \[ \langle u,v\rangle_B = u^tBv @@ -175,6 +186,9 @@ ist damit ein gewöhnliches Eigenwertproblem für selbstadjungierte Matrizen des Operators $\tilde{A}$ bezüglich des verallgemeinerten Skalarproduktes $\langle\,\;,\;\rangle_B$. +% +% Der Operator L_0 und die Randbedingung +% \subsection{Der Operator $L_0$ und die Randbedingung} Die Differentialgleichung kann auch in Operatorform geschrieben werden. Dazu schreiben wir @@ -192,6 +206,7 @@ Bezüglich des gewöhnlichen Skalarproduktes für Funktionen auf dem Intervall $[a,b]$ ist der Operator $L_0$ tatsächlich selbstadjungiert. Mit partieller Integration rechnet man nach: +\index{partielle Integration}% \begin{align} \langle f,L_0g\rangle &= @@ -275,6 +290,9 @@ Ausgeschrieben bedeutet dies, dass die Randbedingung \eqref{buch:integrale:sturm:randbedingung} erfüllt sein muss. +% +% Skalarprodukt +% \subsection{Skalarprodukt} Das Ziel der folgenden Abschnitte ist, das Sturm-Liouville-Problem als Eigenwertproblem für einen selbstadjungierten Operator in einem @@ -314,6 +332,9 @@ mit der Gewichtsfunktion $w(x)$ verwendet werden. Damit dies ein vernünftiges Skalarprodukt ist, muss $w(x)>0$ im Innerend es Intervalls sein. +% +% Der Vektorraum H +% \subsection{Der Vektorraum $H$} Damit können wir jetzt die Eigenschaften der in Frage kommenden Funktionen zusammenstellen. @@ -346,17 +367,23 @@ f\in L^2([a,b],w)\;\bigg|\; \biggr\}. \] -\subsection{Differentialoperator} +% +% Der Sturm-Liouville-Differentialoperator +% +\subsection{Der Sturm-Liouville-Differentialoperator} Das verallgemeinerte Eigenwertproblem für $A$ und $B$ ist ein gewöhnliches Eigenwertproblem für die Operator $\tilde{A}=B^{-1}A$ bezüglich des modifizierten Skalarproduktes. Das Sturm-Liouville-Problem ist also ein Eigenwertproblem im Vektorraum $H$ mit dem Skalarprodukt $\langle\,\;,\;\rangle_w$. Der Operator -\[ +\begin{equation} L = \frac{1}{w(x)} \biggl(-\frac{d}{dx} p(x)\frac{d}{dx} + q(x)\biggr) -\] +\label{buch:orthogonal:sturm-liouville:opL1} +\end{equation} heisst der {\em Sturm-Liouville-Operator}. +\index{Sturm-Liouville-Operator}% +\index{Operator!Sturm-Liouville-}% Eine Lösung des Sturm-Liouville-Problems ist eine Funktion $y(x)$ derart, dass \[ @@ -365,17 +392,32 @@ Ly = \lambda y, $\lambda$ ist der zu $y(x)$ gehörige Eigenwert. Der Operator ist definiert auf Funktionen des im vorangegangenen Abschnitt definierten Vektorraumes $H$. +Führt man die Differentiation aus, bekommt der Operator die Form +\begin{equation} +L += +-\frac{p(x)}{w(x)} \frac{d^2}{dx^2} +-\frac{p'(x)}{w(x)} \frac{d}{dx} ++\frac{q(x)}{w(x)}. +\label{buch:orthogonal:sturm-liouville:opL2} +\end{equation} -\subsection{Beispiele} +% +% Beispiele +% +\subsection{Beispiele\label{sub:beispiele_sturm_liouville_problem}} Die meisten der früher vorgestellten Funktionenfamilien stellen sich als Lösungen eines geeigneten Sturm-Liouville-Problems heraus. Alle Eigenschaften aus der Sturm-Liouville-Theorie gelten daher automatisch für diese Funktionenfamilien. +% +% Trignometrische Funktionen +% \subsubsection{Trigonometrische Funktionen} Die trigonometrischen Funktionen sind Eigenfunktionen des Operators $d^2/dx^2$, also eines Sturm-Liouville-Operators mit $p(x)=1$, $q(x)=0$ -und $w(x)=0$. +und $w(x)=1$. Auf dem Intervall $(-\pi,\pi)$ können wir die Randbedingungen \bgroup \renewcommand{\arraycolsep}{2pt} @@ -434,6 +476,9 @@ Dann ist wegen die Bedingung~\eqref{buch:integrale:sturm:sabedingung} ebenfalls erfüllt, $L_0$ ist in diesem Raum selbstadjungiert. +% +% Bessel-Funktionen J_n(x) +% \subsubsection{Bessel-Funktionen $J_n(x)$} Der Bessel-Operator \eqref{buch:differentialgleichungen:bessel-operator} kann wie folgt in die Form eines Sturm-Liouville-Operators gebracht @@ -478,6 +523,9 @@ Es folgt damit sofort, dass die Besselfunktionen orthogonale Funktionen bezüglich des Skalarproduktes mit der Gewichtsfunktion $w(x)=1/x$ sind. +% +% Bessel-Funktionen J_n(sx) +% \subsubsection{Bessel-Funktionen $J_n(s x)$} Das Sturm-Liouville-Problem mit den Funktionen \eqref{buch:orthogonal:sturm:bessel:n} @@ -489,7 +537,10 @@ Im Folgenden sollen hingegen die Funktionen $J_n(s x)$ für konstantes $n$, aber verschiedene $s$ untersucht und als orthogonal erkannt werden. -Die Funktion $y(x) = J_n(x)$ ist eine Lösung der Bessel-Differentialgleichung +Die Funktion $y(x) = J_n(x)$ ist eine Lösung der Besselschen +Differentialgleichung +\index{Besselsche Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Besselsche}% \[ x^2y'' + xy' + x^2y = n^2y. \] @@ -576,6 +627,7 @@ des Sturm-Liouville-Problems für den Eigenwert $\lambda = -s^2$. \begin{satz}[Orthogonalität der Bessel-Funktionen] +\index{Satz!Orthogonalität der Bessel-Funktionen}% Die Bessel-Funktionen $J_n(sx)$ für verschiedene $s$ sind orthogonal bezüglich des Skalarproduktes mit der Gewichtsfunktion $w(x)=x$, d.~h. @@ -608,6 +660,9 @@ Damit sind geeignete Randbedingungen für das Sturm-Liouville-Problem gefunden. \end{proof} +% +% Laguerre-Polynome +% \subsubsection{Laguerre-Polynome} Die Laguerre-Polynome sind orthogonal bezüglich des Skalarprodukts mit der Laguerre-Gewichtsfunktion $w(x)=e^{-x}$ und erfüllen die @@ -646,9 +701,15 @@ also die Laguerre-Differentialgleichung. Somit folgt, dass die Laguerre-Polynome orthogonal sind bezüglich des Skalarproduktes mit der Laguerre-Gewichtsfunktion. +% +% Tschebyscheff-Polynome +% \subsubsection{Tschebyscheff-Polynome} Die Tschebyscheff-Polynome sind Lösungen der -Tschebyscheff-Differentialgleichung +bereits in Kapitel~\ref{buch:chapter:potenzen} hergeleiteten +Tschebyscheff-Differentialgleichung~\eqref{buch:potenzen:tschebyscheff:dgl} +\index{Tschebyscheff-Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Tschebyscheff-}% \[ (1-x^2)y'' -xy' = n^2y \] @@ -680,19 +741,100 @@ xy'(x) \lambda y(x). \end{align*} Es folgt, dass die Tschebyscheff-Polynome orthogonal sind +\index{Tschebyscheff-Polynom}% bezüglich des Skalarproduktes \[ \langle f,g\rangle = \int_{-1}^1 f(x)g(x)\frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}. \] +% +% Jacobi-Polynome +% \subsubsection{Jacobi-Polynome} -TODO - +Die Jacobi-Polynome sind orthogonal bezüglich des Skalarproduktes +\index{Jacobi-Polynome}% +\index{Polynome!Jacobi-}% +mit der Gewichtsfunktion +\[ +w^{(\alpha,\beta)}(x) = (1-x)^\alpha(1+x)^\beta, +\] +definiert in Definition~\ref{buch:orthogonal:def:jacobi-gewichtsfunktion}. +%Bei der Herleitung der Rodrigues-Formel für die Jacobi-Polynome wurde erkannt, +%dass $B(x)=1-x^2$ und $A(x)=\beta-\alpha-(\alpha+\beta)x$ sein muss. +Man kann zeigen, dass sie Lösungen der +{\em Jacobi-Diffe\-ren\-tial\-gleichung} +\index{Jacobi-Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Jacobi}% +\begin{equation} +(1-x^2)y'' + (\beta-\alpha-(\alpha+\beta + 2)x)y' + n(n+\alpha+\beta+1)y=0 +\label{buch:orthogonal:jacobi:dgl} +\end{equation} +sind. +Es stellt sich die Frage, ob sich Funktionen $p(x)$ und $q(x)$ finden lassen +derart, dass die Differentialgleichung~\eqref{buch:orthogonal:jacobi:dgl} +eine Sturm-Liouville-Gleichung wird. +Gemäss der Form~\eqref{buch:orthogonal:sturm-liouville:opL2} muss +$p(x)$ so gefunden werden, dass +\begin{align*} +\frac{p(x)}{w^{(\alpha,\beta)}(x)} &= 1-x^2 \\ +\frac{p'(x)}{w^{(\alpha,\beta)}(x)} &= \beta-\alpha-(\alpha+\beta+2)x +\end{align*} +gilt. +Der Quotient der beiden Gleichungen ist die logarithmische Ableitung +\[ +(\log p(x))' += +\frac{p'(x)}{p(x)} += +\frac{1-x^2}{\beta-\alpha-(\alpha+\beta+2)x} +\] +von $p(x)$, +die sich in geschlossener Form integrieren lässt. +Man findet als Stammfunktion +\[ +p(x) += +(1-x)^{\alpha+1}(1+x)^{\beta+1}. +\] +Tatsächlich ist +\begin{align*} +\frac{p(x)}{w^{(\alpha,\beta)}(x)} +&= +\frac{(1-x)^{\alpha+1}(1+x)^{\beta+1}}{(1-x)^\alpha(1+x)^\beta} += +(1-x)(1+x)=1-x^2 +\\ +\frac{p'(x)}{w^{(\alpha,\beta)}(x)} +&= +\frac{ +-(\alpha+1) +(1-x)^{\alpha}(1+x)^{\beta+1} ++ +(\beta+1) +(1-x)^{\alpha+1}(1+x)^{\beta} +}{ +(1-x)^{\alpha}(1+x)^{\beta} +} +\\ +&= +-(\alpha+1)(1+x) + (\beta+1)(1-x) += +\beta-\alpha-(\alpha+\beta+2)x. +\end{align*} +Damit ist +die Jacobische Differentialgleichung +als Sturm-Liouville-Differentialgleichung erkannt. +% +% Hypergeometrische Differentialgleichungen +% \subsubsection{Hypergeometrische Differentialgleichungen} %\url{https://encyclopediaofmath.org/wiki/Hypergeometric_equation} Auch die Eulersche hypergeometrische Differentialgleichung +\index{Eulersche hypergeometrische Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Eulersche hypergeometrische}% lässt sich in die Form eines Sturm-Liouville-Operators +\index{Eulersche hypergeometrische Differentialgleichung!als Sturm-Liouville-Gleichung}% bringen. Dazu setzt man \begin{align*} diff --git a/buch/chapters/075-fourier/2d.tex b/buch/chapters/075-fourier/2d.tex new file mode 100644 index 0000000..cc019c7 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/075-fourier/2d.tex @@ -0,0 +1,19 @@ +% +% 2d.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Zweidimensionale Fourier-Transformation +\label{buch:fourier:section:2d}} +\rhead{Zweidimensionale Fourier-Transformation} + +\subsection{Fourier-Transformation und partielle Differentialgleichungen} + +\subsection{Fourier-Transformation in kartesischen Koordinaten} + +\subsection{Basisfunktionen in Polarkoordinaten} + + + + + diff --git a/buch/chapters/075-fourier/Makefile.inc b/buch/chapters/075-fourier/Makefile.inc index ee9641c..a762e63 100644 --- a/buch/chapters/075-fourier/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/075-fourier/Makefile.inc @@ -4,5 +4,7 @@ # (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ + chapters/075-fourier/bessel.tex \ + chapters/075-fourier/2d.tex \ chapters/075-fourier/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/075-fourier/bessel.tex b/buch/chapters/075-fourier/bessel.tex new file mode 100644 index 0000000..db7880b --- /dev/null +++ b/buch/chapters/075-fourier/bessel.tex @@ -0,0 +1,621 @@ +% +% bessel.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Fourier-Transformation und Bessel-Funktionen +\label{buch:fourier:section:fourier-und-bessel}} +\rhead{Fourier-Transformation und Bessel-Funktionen} + +Sei $f\colon \mathbb{R}^2\to\mathbb{C}$ eine auf $\mathbb{R}$ definierte +Funktion. +Die Fourier-Transformation von $f$ ist das Integral +\begin{equation} +(\mathscr{F}f)(u,v) += +F(u,v) += +\frac{1}{2\pi} +\int_{-\infty}^\infty +\int_{-\infty}^\infty +f(x,y) e^{i(xu+yv)} +\,dx\,dy. +\label{buch:fourier:eqn:2dfourier} +\end{equation} +Die Funktionen $e_{u,v}\colon (x,y)\mapsto e^{i(xu+yv)}$ +sind die Eigenfunktionen des Laplace-Operators in kartesischen Koordinaten, +sie erfüllen +\[ +\Delta e_{u,v} = (u^2+v^2) \Delta e_{u,v}. +\] +Die Fourier-Integrale sind die Skalarprodukte +\[ +(\mathscr{F}f)(u,v) += +\langle +e_{u,v}, +f +\rangle, +\] +wobei das Skalarprodukt durch +\[ +\langle f,g\rangle += +\int_{-\infty}^\infty +\int_{-\infty}^\infty +\overline{f(x)} g(x) +\,dx\,dy +\] +definiert ist. + +Jede Funktion in der Ebene kann auch in Polarkoordinaten ausgedrückt werden. +Die kartesischen Koordinaten können mittels +\begin{align*} +x&=r\cos\varphi +y&=r\sin\varphi +\end{align*} +durch die Polarkoordinaten $(r,\varphi)$ ausgedrückt werden. +Wir schreiben +\[ +\tilde{f}(r,\varphi) += +f(r\cos\varphi,r\sin\varphi) +\] +für die Funktion $f$ ausgedrückt in Polarkoordinaten. + +In Polarkoordinaten wird das Skalarprodukt +\[ +\langle f,g\rangle += +\int_0^\infty \int_{0}^{2\pi} e^{in\varphi} +\overline{ +\tilde{f}(r,\varphi) +} +\tilde{g}(r,\varphi) +r\,dr\,d\varphi. +\] +Auch die Fouriertransformation kann jetzt durch Berechnung eines +doppelten Integrals in Polarkoordinaten ermittelt werden. +Ziel dieses Abschnitts ist zu zeigen, dass auch diese Berechnung auf +Bessel-Funktionen führt. +Im Gegenzug werden sich neue Eigenschaften und Darstellungen derselben +ergeben. + + +\subsection{Berechnung der Fourier-Transformation in Polarkoordinaten} +Die Fourier-Transformation $(\mathscr{F}f)(u,v)$ ist eine Funktion +$\mathbb{R}^2\to\mathbb{C}$, die vom Wellenvektor $(u,v)$ abhängt. +Auch dieser Vektor kann in Polarkoordinaten ausgedrückt werden. +Für die Polarkoordinaten in der Wellenvektor-Ebene soll die Bezeichnung +$(R,\vartheta)$ verwendet werden, was auf die Transformationsgleichungen +\begin{align*} +u&=R\cos\vartheta\\ +v&=R\sin\vartheta +\end{align*} +führt. +Im Exponenten der Exponentialfunktion +des Fourier-Integrals~\eqref{buch:fourier:eqn:2dfourier} +steht der Ausdruck +\[ +xu+yv += +r\cos\varphi\cdot R\cos\vartheta ++ +r\sin\varphi\cdot R\sin\vartheta += +rR\cos(\varphi-\vartheta). +\] +Mit diesen Bezeichnungen wird das +Fourier-Integral~\eqref{buch:fourier:eqn:2dfourier} +zu +\begin{align} +\tilde{F}(R,\vartheta) +&= +\frac{1}{2\pi} +\int_{0}^{\infty} +\int_{0}^{2\pi} +f(r\cos\varphi,r\sin\varphi) +e^{irR\cos(\varphi-\vartheta)} +\,d\varphi\,r\, dr +\notag +\\ +&= +\frac{1}{2\pi} +\int_{0}^{\infty} +\int_{0}^{2\pi} +\tilde{f}(r,\varphi) +e^{irR\cos(\varphi-\vartheta)} +\,d\varphi\,r\, dr. +\label{buch:fourier:eqn:fouriertrafopolar} +\end{align} +Die partielle Funktion $\varphi\mapsto \tilde{f}(r,\varphi)$ +ist eine $2\pi$-periodische Funktion, sie lässt sich also als +komplexe Fourier-Reihe +\begin{equation} +\tilde{f}(r,\varphi) += +\sum_{n\in\mathbb{Z}} \hat{f}_n(r) e^{in\varphi} +\label{buch:fourier:eqn:fourierkoef} +\end{equation} +schreiben, die Funktionen $\hat{f}_n(r)$ sind die komplexen +Fourier-Koeffizienten. +Setzt man \eqref{buch:fourier:eqn:fourierkoef} in die Fourier-Transformation +\eqref{buch:fourier:eqn:fouriertrafopolar} ein, erhält man +\begin{align*} +\tilde{F}(R,\vartheta) +&= +\sum_{n\in\mathbb{Z}} +\int_0^\infty +\hat{f}_n(r) +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi+irR\cos(\varphi-\vartheta)} +\,d\varphi +\, +r\,dr. +\end{align*} +Der Exponent im inneren Integral kann als +\[ +in\varphi+irR\cos(\varphi-\vartheta) += +i(n(\varphi-\vartheta)+rR\cos(\varphi-\vartheta)) ++ +in\vartheta, +\] +oder im Integral als +\[ +\tilde{F}(R,\vartheta) += +\sum_{n\in\mathbb{Z}} +\int_0^\infty +\hat{f}_n(r) +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in(\varphi-\vartheta)+irR\cos(\varphi-\vartheta)} +e^{in\vartheta} +\,d\varphi +\, +r\,dr +\] +geschrieben werden. +Der zweite Exonentialfaktor hängt nicht von $\varphi$ ab und kann daher +aus dem Integral herausgezogen werden. +Der erste Exponentialfaktor hängt nur von $\varphi-\vartheta$ ab. +Da die Exponentialfunktion $2\pi$-periodisch ist, hat die Verschiebung +um $\vartheta$ keinen Einfluss auf den Wert des Integrals. +Die Fourier-Transformation ist daher auch +\[ +\tilde{F}(R,\vartheta) += +\sum_{n\in\mathbb{Z}} +\int_0^\infty +\hat{f}_n(r) +e^{in\vartheta} +\underbrace{ +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi+irR\cos\varphi} +\,d\varphi +}_{\displaystyle =:F_n(rR)} +\, +r\,dr. +\] +Die Beziehung zu den Besselfunktionen können wir daraus herstellen, +indem wir zunächst $\xi = rR$ abkürzen und dann das innere Integral +\begin{equation} +F_n(\xi) += +\frac{1}{2\pi} +\int_{0}^{2\pi} +e^{in\varphi+i\xi\cos\varphi} +\,d\varphi += +\frac{1}{2\pi} +\int_{0}^{2\pi} +e^{in\varphi}e^{i\xi\cos\varphi} +\,d\varphi +\label{buch:fourier:eqn:Fncosphi} +\end{equation} +auswerten. +Exponentialfunktion als Potenzreihe entwickeln: +\[ +F_n(\xi) += +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi} +\sum_{k=0}^\infty +\frac{ +i^k\xi^k \cos^k\varphi +}{k!} +\,d\varphi += +\sum_{k=0}^\infty +\frac{i^k\xi^k}{k!} +\underbrace{ +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi} +\cos^k\varphi +\,d\varphi}_{\displaystyle =c_{n,k}}. +\] +Das Integral auf der rechten Seite ist im Wesentlichen ein +Fourier-Koeffizient der Funktion $\varphi\mapsto \cos^k\varphi$. + +\subsubsection{Berechnung der Fourier-Koeffizienten von $\cos^k\varphi$} +Indem man die Kosinus-Funktion als die Linearkombination +\[ +\cos\varphi += +\frac{e^{i\varphi}+e^{-i\varphi}}2 +\] +von Exponentialfunktionen ausdrückt, kann man auch die $k$-te Potenz +mit Hilfe des binomischen Satzes als +\[ +\cos^k\varphi += +\sum_{m=0}^k +\frac{1}{2^k} +\binom{k}{m} +e^{im\varphi}e^{i(m-k)\varphi} += +\sum_{m=0}^k +\frac{1}{2^k} +\binom{k}{m} +e^{i(2m-k)\varphi} +\] +ausdrücken. +Der Fourier-Koeffizient von $\cos^k\varphi$ ist daher das Integral +\begin{align*} +c_{n,k} +&= +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi}\cos^k\varphi\,d\varphi +\\ +&= +\frac{1}{2^k} +\sum_{m=0}^k +\binom{k}{m} +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi}e^{i(2m-k)\varphi} +\,d\varphi +\\ +&= +\frac{1}{2^k} +\sum_{m=0}^k +\binom{k}{m} +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{i(2m-k+n)\varphi} +\,d\varphi. +\end{align*} +Für $2m-k+n=0$ ist das Integral ein Integral der Funktion $1$ über +ein Intervall der Länge $2\pi$, zusammen mit dem Faktor $1/2\pi$ hat +es daher den Wert $1$. +Für $2m-k+n\ne 0$ ist das Integral +\[ +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{i(2m-k+n)\varphi} +\,d\varphi += +\frac{1}{i} +\biggl[ +\frac{e^{i(2m-k+n)\varphi}}{2m-k+n} +\biggr]_0^{2\pi} += +0 +\] +weil die Exponentialfunktion $2\pi$-periodisch ist. +Nur für $k=2m+n$ ergibt sich ein nicht verschwindender +Fourier-Koeffizient. +Eine Summe über $k\in\mathbb{N}$ kann daher auch als Summe über +$m\in\mathbb{N}$ interpretiert werden, in der $k$ durch die Formel +$k=2m+n$ gegeben wird. +Mit dieser Konvention wird +\[ +c_{n,k} += +c_{n,2m+n} +%= +%\frac{1}{2\pi} +%\int_0^{2\pi} +%e^{-i(2m+n)\varphi} +%\cos^{2m+n}\varphi +%\,d\varphi += +\frac{1}{2^{2m+n}} +\binom{2m+n}{m} +\] +schreiben lässt. + +\subsubsection{Berechnung von $F_n(\xi)$} +Die Reihe für $F_n(\xi)$ lässt sich weiter vereinfachen. +Wir verwenden wieder die Tatsache, dass sich nur für $n=-2m-k$ +ein Beitrag ergibt. +Dies bedeutet, dass $k=2m+n$ sein muss, die Summe kann damit als +Summe über $m$ statt über $k$ geschrieben werden. +Somit ist +\begin{align*} +F_n(\xi) +&= +\sum_{k=0}^\infty +\frac{i^k\xi^k}{k!} +c_{n,k} += +\sum_{m=0}^\infty +\frac{i^{2m+n}\xi^{2m+n}}{(2m+n)!} +c_{n,2m+n} +\\ +&= +\sum_{m=0}^\infty +\frac{1}{2^{2m+n}} +\binom{2m+n}{m} +\frac{i^{2m+n}\xi^{2m+n}}{(2m+n)!} +\\ +&= +i^n +\sum_{m=0}^\infty +\frac{(-1)^m}{(2m+n)!} +\frac{(2m+n)!}{m!\,(2m+n-m)!} +\biggl(\frac{\xi}{2}\biggr)^{2m+n} +\\ +&= +i^n +\sum_{m=0}^\infty +\frac{(-1)^m} +{m!\,\Gamma(m+n+1)} +\biggl(\frac{\xi}{2}\biggr)^{2m+n} += +i^n J_n(\xi). +\end{align*} +Die Funktionen $F_n(\xi)$ sind daher bis auf einen Phasenfaktor der +Wert $J_n(\xi)$ einer Bessel-Funktion. + +\subsubsection{Berechnung der Fourier-Transformation mit Bessel-Funktionen} +Mit allen oben zusammengestellten Notationen kann die Fourier-Transformation +jetzt in Polarkoordinaten als +\[ +\tilde{F}(R,\vartheta) += +\sum_{n\in\mathbb{Z}} +e^{in\vartheta} +\int_0^\infty +\hat{f}_n(r) +i^n +J_n(rR) +r\,dr +\] +geschrieben werden. +Dies hat tatsächlich die Form eines Skalarproduktes der Funktion +$\tilde{f}(r,\varphi)$ mit einer Funktion der Form +\[ +\tilde{e}_{n,R}(r,\varphi) += +e^{in\varphi} +J_n(rR). +\] +Letzeres sind die in Abschnitt~\ref{buch:fourier:section:2d} +versprochenen Basisfunktionen. + +\subsubsection{Fourier-Reihe von $e^{i\xi\cos\varphi}$} +Die Funktionen $F_n(\xi)$ sind wegen +\[ +F_n(\xi) += +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi} +e^{i\xi\cos\varphi} +\,d\varphi, +\] +daraus kann man die Fourier-Reihe von $e^{i\xi\cos\varphi}$ +berechnen, dies wird im folgenden Satz durchgeführt. + + +\begin{satz} +\label{buch:fourier:satz:expinphi} +Die komplexe Fourier-Reihe der Funktion +$\varphi\mapsto \exp(i\xi\cos\varphi)$ +ist +\begin{align} +e^{i\xi\cos\varphi} +&= +J_0(\xi) ++ +2\sum_{n=1}^\infty i^n J_n(\xi) \cos n\varphi. +\label{buch:fourier:eqn:expinphicomplex}. +\intertext{Real- und Imaginärteil davon sind die Fourier-Reihen} +\cos(\xi\cos\varphi) +&= +J_0(\xi) + 2\sum_{m=1}^\infty (-1)^m J_{2m}(\xi) \cos2m\varphi +\label{buch:fourier:eqn:expinphireal} +\\ +\sin(\xi\cos\varphi) +&= +2\sum_{m=0}^\infty (-1)^m J_{2m+1}(\xi) \cos(2m+1)\varphi. +\label{buch:fourier:eqn:expinphiimaginary} +\end{align} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Die Fourier-Koeffizienten $F_n(\xi)$ der Funktion $e^{i\xi\cos\varphi}$ +führen auf die Fourier-Reihe +\begin{align*} +e^{i\xi\cos\varphi} +&= +\sum_{n\in\mathbb{Z}} F_n(\xi) e^{in\varphi} += +\sum_{n\in\mathbb{Z}} i^n J_n(\xi) e^{in\varphi}. +\end{align*} +Terme mit $\pm n$ können wegen +\[ +\left. +\begin{aligned} +J_{-n}(\xi) &= (-1)^n J_n(\xi) +\label{buch:fourier:eqn:symetrie} +\\ +i^{-n}&=(-1)^n i^n +\end{aligned} +\quad +\right\} +\qquad\Rightarrow\qquad +i^{-n}J_{-n}(\xi) = i^n J_n(\xi) +\] +zusammengefasst werden, auf diese Weise erhält man +\begin{align*} +e^{i\xi\cos\varphi} +&= +J_0(\xi) ++ +\sum_{n=1}^\infty i^n J_n(\xi) (e^{in\varphi}+e^{-in\varphi}) += +2\sum_{n=1}^\infty i^n J_n(\xi) \cos n\varphi. +\end{align*} +Dies beweist +\eqref{buch:fourier:eqn:expinphicomplex}. + +Indem man Real- und Imaginärteil trennt, kann man daraus auch +die Fourier-Reihen von $\cos(\xi\cos\varphi)$ und +$\sin(\xi\cos\varphi)$ gewinnen, sie sind +\begin{align*} +\exp(\xi\cos\varphi) +&= +J_0(\xi) + 2\sum_{n=1}^\infty i^{n} J_{n}(\xi) \cos n\varphi +\\ +&= +J_0(\xi) ++ +2\sum_{m=1}^\infty i^{2m}J_{2m}(\xi)\cos 2m\varphi ++ +2\sum_{m=0}^\infty i^{2m+1}J_{2m+1}(\xi)\cos(2m+1)\varphi +\\ +&= +J_0(\xi) ++ +2\sum_{m=1}^\infty (-1)^{m}J_{2m}(\xi)\cos 2m\varphi ++ +2i\sum_{m=0}^\infty (-1)^{m}J_{2m+1}(\xi)\cos(2m+1)\varphi +\\ +\cos(\xi\cos\varphi) +&= +J_0(\xi) ++ +2\sum_{m=1}^\infty (-1)^{m}J_{2m}(\xi)\cos 2m\varphi +\\ +\sin(\xi\cos\varphi) +&= +2\sum_{m=0}^\infty (-1)^m J_{2m+1}(\xi) \cos(2m+1)\varphi. +\end{align*} +Damit sind auch die Formeln +\eqref{buch:fourier:eqn:expinphireal} +und +\eqref{buch:fourier:eqn:expinphiimaginary} +für die reellen Fourier-Reihen bewiesen. +\end{proof} + +% +% Integraldarstellung der Bessel-Funktion +% +\subsection{Integraldarstellung der Bessel-Funktion} +Aus \eqref{buch:fourier:eqn:Fncosphi} kann jetzt die Integraldarstelltung +der Bessel-Funktionen gewonnen werden. +Dazu substituiert man $\varphi$ durch $\tau$ mit +$\varphi = \frac{\pi}2-\tau$ +oder +$\tau=\frac{\pi}2-\varphi$ +und $d\tau = -d\varphi$ +im Integral und berechnet +\begin{align*} +J_n(\xi) +&= +(-i)^n +\frac{1}{2\pi} +\int_0^{2\pi} +e^{in\varphi+i\xi \cos\varphi} +\,d\varphi +\\ +&= +- +(-i)^n +\frac{1}{2\pi} +\int_{\frac{\pi}2}^{-\frac{3\pi}2} +e^{in(\frac{\pi}2-\tau) + i\xi\cos(\frac{\pi}2-\tau)} +\,d\tau +\\ +&= +(-i)^n +\frac{1}{2\pi} +\int^{\frac{\pi}2}_{-\frac{3\pi}2} +i^n +e^{-in\tau + i\xi\sin\tau)} +\,d\tau. +\intertext{Da der Integrand $2\pi$-periodisch ist, kann das +Integrationsintervall auf $[-\pi,\pi]$ verschoben werden, was} +&= +\frac{1}{2\pi} +\int_{-\pi}^{\pi} +e^{-in\tau + i\xi\sin\tau)} +\,d\tau. +\intertext{ergibt. +Das Integral kann in zwei Integrale} +&= +\frac{1}{2\pi} +\int_0^\pi +e^{-in\tau + i\xi\sin\tau} +\,d\tau ++ +\frac{1}{2\pi} +\int_0^\pi +e^{in\tau - i\xi\sin\tau} +\,d\tau +\intertext{aufgeteilt werden, +} +&= +\frac{1}{\pi} +\int_0^\pi +\frac{ +e^{-in\tau + i\xi\sin\tau} ++ +e^{in\tau - i\xi\sin\tau} +}{2} +\,d\tau +\\ +&= +\frac{1}{\pi} +\int_0^\pi +\frac{ +e^{i(-n\tau + \xi\sin\tau)} ++ +e^{-i(-n\tau + \xi\sin\tau)} +}{2} +\,d\tau +\\ +&= +\frac{1}{\pi} +\int_0^\pi +\cos(n\tau - \xi\sin\tau) +\,d\tau. +\end{align*} +Damit haben wir den folgenden Satz bewiesen: + +\begin{satz}[Integraldarstelltung der Bessel-Funktionen] +\label{buch:fourier:satz:bessel-integraldarstellung} +Die Bessel-Funktionen $J_n$ mit ganzzahliger Ordnung $n$ haben +die Integraldarstellung +\begin{equation} +J_n(\xi) += +\frac{1}{\pi} +\int_0^\pi +\cos(n\tau - \xi\sin\tau) +\,d\tau. +\label{buch:fourier:eqn:bessel-integraldarstellung} +\end{equation} +\end{satz} + + + + diff --git a/buch/chapters/075-fourier/chapter.tex b/buch/chapters/075-fourier/chapter.tex index 341d8df..681a1c0 100644 --- a/buch/chapters/075-fourier/chapter.tex +++ b/buch/chapters/075-fourier/chapter.tex @@ -13,7 +13,8 @@ führen zu neuen speziellen Funktionen. In diesem Kapitel soll als Beispiel die Fourier-Transformation der Bessel-Funktionen untersucht werden. -%\input{chapters/075-fourier/bessel.tex} +\input{chapters/075-fourier/2d.tex} +\input{chapters/075-fourier/bessel.tex} %\section{TODO} %\begin{itemize} diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/Makefile.inc b/buch/chapters/080-funktionentheorie/Makefile.inc index 813865f..779cd80 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/080-funktionentheorie/holomorph.tex \ chapters/080-funktionentheorie/analytisch.tex \ chapters/080-funktionentheorie/cauchy.tex \ @@ -12,6 +12,7 @@ CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex \ chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex \ chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex \ + chapters/080-funktionentheorie/singularitaeten.tex \ chapters/080-funktionentheorie/uebungsaufgaben/1.tex \ chapters/080-funktionentheorie/uebungsaufgaben/2.tex \ chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/analytisch.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/analytisch.tex index 15ca2e4..08196f1 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/analytisch.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/analytisch.tex @@ -9,6 +9,9 @@ Holomorphe Funktionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch immer eine konvergente Reihenentwicklung haben, sie sind also analytisch. +% +% Definition +% \subsection{Definition} \index{Taylor-Reihe}% \index{Exponentialfunktion}% @@ -90,29 +93,29 @@ Damit ist gezeigt, dass alle Ableitungen $f^{(n)}(0)=0$ sind. Die Taylorreihe von $f(x)$ ist daher die Nullfunktion. \end{beispiel} -Die Klasse der Funktionen, die sich durch ihre Taylor-Reihe darstellen -lassen, zeichnet sich also durch besondere Eigenschaften aus, die in -der folgenden Definition zusammengefasst werden. - -\index{analytisch in einem Punkt}% -\index{analytisch}% -\begin{definition} -Eine auf einem offenen Intervall $I\subset \mathbb {R}$ definierte Funktion -$f\colon U\to\mathbb{R}$ heisst {\em analytisch im Punkt $x_0\in I$}, wenn -es eine in einer Umgebung von $x_0$ konvergente Potenzreihe -\[ -\sum_{k=0}^\infty a_k(x-x_0)^k = f(x) -\] -gibt. -Sie heisst {\em analytisch}, wenn sie analytisch ist in jedem Punkt von $I$. -\end{definition} +%Die Klasse der Funktionen, die sich durch ihre Taylor-Reihe darstellen +%lassen, zeichnet sich also durch besondere Eigenschaften aus, die in +%der folgenden Definition zusammengefasst werden. +% +%\index{analytisch in einem Punkt}% +%\index{analytisch}% +%\begin{definition} +%Eine auf einem offenen Intervall $I\subset \mathbb {R}$ definierte Funktion +%$f\colon U\to\mathbb{R}$ heisst {\em analytisch im Punkt $x_0\in I$}, wenn +%es eine in einer Umgebung von $x_0$ konvergente Potenzreihe +%\[ +%\sum_{k=0}^\infty a_k(x-x_0)^k = f(x) +%\] +%gibt. +%Sie heisst {\em analytisch}, wenn sie analytisch ist in jedem Punkt von $I$. +%\end{definition} -Es ist wohlbekannt aus der elementaren Theorie der Potenzreihen, dass +Es ist bekannt aus der elementaren Theorie der Potenzreihen +in Kapitel~\ref{buch:potenzen:section:potenzreihen}, dass eine analytische Funktion beliebig oft differenzierbar ist und dass die Potenzreihe im Punkt $x_0$ die Taylor-Reihe sein muss. -Ausserdem sidn Summen, Differenzen und Produkte von analytischen Funktionen +Ausserdem sind Summen, Differenzen und Produkte von analytischen Funktionen wieder analytisch. - Für eine komplexe Funktion lässt sich der Begriff der analytischen Funktion genau gleich definieren. @@ -131,8 +134,8 @@ Die Verwendung einer offenen Teilmenge $U\subset\mathbb{C}$ ist wesentlich, denn die Funktion $f\colon z\mapsto \overline{z}$ kann in jedem Punkt $x_0\in\mathbb{R}$ der reellen Achse $\mathbb{R}\subset\mathbb{C}$ durch die Potenzreihe -$f(x) = x_0 + (x-x_0)$ dargestellt werden. -Es gibt aber keine Potenzreihe, die $f(z)$ in einer offenen Teilmenge +$f(x) = x_0 + (x-x_0)$ dargestellt werden, +es gibt aber keine Potenzreihe, die $f(z)$ in einer offenen Teilmenge von $\mathbb{C}$ gegen $f(z)=\overline{z}$ konvergiert. % @@ -140,7 +143,40 @@ von $\mathbb{C}$ gegen $f(z)=\overline{z}$ konvergiert. % \subsection{Konvergenzradius \label{buch:funktionentheorie:subsection:konvergenzradius}} +In der Theorie der Potenzreihen, wie sie in Kapitel~\ref{buch:chapter:potenzen} +zusammengefasst wurde, wird auch untersucht, wie gross +eine Umgebung des Punktes $z_0$ ist, in der die Potenzreihe +im Punkt $z_0$ einer analytischen Funktion konvergiert. +Die Definition des Konvergenzradius gilt auch für komplexe Funktionen. -% XXX auf dem Rand des Konvergenzkreises gibt es immer eine Singularität +\begin{satz} +\index{Satz!Konvergenzradius}% +\label{buch:funktionentheorie:satz:konvergenzradius} +Die Potenzreihe +\[ +f(z) = \sum_{k=0}^\infty a_0(z-z_0)^k +\] +ist konvergent auf einem Kreis um $z_0$ mit Radius $\varrho$ und +\[ +\frac{1}{\varrho} += +\limsup_{n\to\infty} \sqrt[k]{|a_k|}. +\] +Falls $a_k\ne 0$ für alle $k$ und der folgende Grenzwert existiert, +dann gilt auch +\[ +\varrho = \lim_{n\to\infty} \biggl| \frac{a_n}{a_{n+1}}\biggr|. +\] +\end{satz} + +\begin{definition} +\label{buch:funktionentheorie:definition:konvergenzradius} +\index{Konvergenzradius}% +Der in Satz~\ref{buch:funktionentheorie:satz:konvergenzradius} +Radius $\varrho$ des Konvergenzkreises heisst {\em Konvergenzradius}. +\end{definition} +Man kann auch zeigen, dass der Konvergenzkreis immer so gross ist, +dass auf seinem Rand ein Wert $z$ liegt, für den die Potenzreihe nicht +konvergiert. diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex index e02fb3e..440d2d3 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex @@ -5,6 +5,11 @@ % \section{Anwendungen \label{buch:funktionentheorie:section:anwendungen}} +\rhead{Anwendungen} +In diesem Abschnitt wird die Theorie der komplex differenzierbaren +Funktionen dazu verwendet, einige früher bereits verwendete oder +angedeutete Resultate herzuleiten. \input{chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex} \input{chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex} +\input{chapters/080-funktionentheorie/singularitaeten.tex} diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex index 1923351..41fb5e8 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/carlson.tex @@ -24,6 +24,8 @@ beschränkt ist und an den Stellen $z=1,2,3,\dots$ verschwindet. Dann ist $f(z)=0$. \end{satz} +\index{Satz!von Carlson}% +\index{Carlson, Satz von}% \begin{figure} \centering \includegraphics{chapters/080-funktionentheorie/images/carlsonpath.pdf} diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/cauchy.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/cauchy.tex index 21d8dcf..bd07a2f 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/cauchy.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/cauchy.tex @@ -6,6 +6,16 @@ \section{Cauchy-Integral \label{buch:funktionentheorie:section:cauchy}} \rhead{Cauchy-Integral} +In Abschnitt~\ref{buch:funktionentheorie:section:holomorph} hat sich +bereits gezeigt, dass komplexe Differenzierbarkeit einer komplexen +Funktion weit mehr Einschränkungen auferlegt als reelle Differenzierbarkeit. +Sowohl der Real- wie auch der Imaginärteil müssenharmonische Funktionen +sein. +In diesem Abschnitt wird die Cauchy-In\-te\-gral\-formel etabliert, die +sogar zeigt, dass eine komplex differenzierbare Funktion bereits durch +die Werte auf dem Rand eines einfach zusammenhängenden Gebietes +gegeben ist, beliebig oft differenzierbar ist und ausserdem immer +analytisch ist. % % Wegintegrale und die Cauchy-Formel @@ -125,6 +135,7 @@ Wie Wahl der Parametrisierung der Kurve hat keinen Einfluss auf den Wert des Wegintegrals. \begin{satz} +\index{Satz!Kurvenparametrisierung}% Seien $\gamma_1(t), t\in[a,b],$ und $\gamma_2(s),s\in[c,d]$ verschiedene Parametrisierungen \index{Parametrisierung}% diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex index b7b5325..aa1041a 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/chapter.tex @@ -37,11 +37,6 @@ auf der rellen Achse hinaus fortsetzen. \input{chapters/080-funktionentheorie/fortsetzung.tex} \input{chapters/080-funktionentheorie/anwendungen.tex} -\section{TODO} -\begin{itemize} -\item Aurgument-Prinzip -\end{itemize} - \section*{Übungsaufgaben} \rhead{Übungsaufgaben} \aufgabetoplevel{chapters/080-funktionentheorie/uebungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex index 537fd96..4a8f41f 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/gammareflektion.tex @@ -12,12 +12,15 @@ die durch Spiegelung an der Geraden $\operatorname{Re}x=\frac12$ auseinander hervorgehen, und einem speziellen Beta-Integral her. \begin{satz} +\index{Satz!Spiegelungsformel für $\Gamma(x)$}% +\label{buch:funktionentheorie:satz:spiegelungsformel} Für $0<x<1$ gilt \begin{equation} \Gamma(x)\Gamma(1-x) = \frac{\pi}{\sin\pi x}. \end{equation} +\index{Gamma-Funktion!Spiegelungsformel}% \end{satz} \begin{figure} diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/holomorph.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/holomorph.tex index c87b083..b2bacae 100644 --- a/buch/chapters/080-funktionentheorie/holomorph.tex +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/holomorph.tex @@ -83,6 +83,7 @@ Der Term $x-x_0$ und die Gleichung \eqref{komplex:abldef} sind aber auch für komplexe Argument sinnvoll, wir definieren daher \begin{definition} +\label{buch:funktionentheorie:definition:differenzierbar} Die komplexe Funktion $f(z)$ heisst im Punkt $z_0$ komplex differenzierbar und hat die komplexe Ableitung $f'(z_0)\in\mathbb C$, wenn \index{komplex differenzierbar}% @@ -107,10 +108,10 @@ Differenzenquotienten finden: &= \frac{z^n-z_0^n}{z-z_0} = -\frac{(z-z_0)(z^{n-1}+z^{n-2}z_0+z^{n-3}z_0^2+\dots+z^{n-1})}{z-z_0} +\frac{(z-z_0)(z^{n-1}+z^{n-2}z_0+z^{n-3}z_0^2+\dots+z_0^{n-1})}{z-z_0} \\ &= -\underbrace{z^{n-1}+z^{n-2}z_0+z^{n-3}z_0^2+\dots+z^{n-1} +\underbrace{z^{n-1}+z^{n-2}z_0+z^{n-3}z_0^2+\dots+z_0^{n-1} }_{\displaystyle \text{$n$ Summanden}}. \end{align*} Lassen wir jetzt $z$ gegen $z_0$ gehen, wird die rechte Seite @@ -191,6 +192,7 @@ Dies ist nur möglich, wenn Real- und Imaginärteile übereinstimmen. Es folgt also \begin{satz} +\index{Satz!Cauchy-Riemann Differentialgleichungen}% \label{komplex:satz:cauchy-riemann} Real- und Imaginärteil $u(x,y)$ und $v(x,y)$ einer komplex differenzierbaren Funktion $f(z)$ mit $f(x+iy)=u(x,y)+iv(x,y)$ @@ -258,11 +260,12 @@ Der Operator \frac{\partial^2}{\partial y^2} \] heisst der {\em Laplace-Operator} in zwei Dimensionen. - \index{Laplace-Operator}% +\index{Operator!Laplace-}% \end{definition} \begin{definition} +\label{buch:funktionentheorie:definition:harmonisch} Eine Funktion $h(x,y)$ von zwei Variablen heisst {\em harmonisch}, wenn sie die Gleichung \[ diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator-1.pdf b/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator-1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4ba1346 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator-1.pdf diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator.mp b/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator.mp new file mode 100644 index 0000000..35f4303 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/images/operator.mp @@ -0,0 +1,46 @@ +% +% operatormp -- Seitz-Kull-Operator in Metapost +% +% (c) 2016 Prof Dr Andreas Mueller, Hochschule Rapperswil +% +verbatimtex +\documentclass{book} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{txfonts} +\begin{document} +etex; + +beginfig(1) + +label(btex $A$ etex, (0,0)); + +path circle; + +numeric r; +r := 4.7; +numeric b; +b := 0.45; + +circle := r * (cosd(40), sind(40)); + +for alpha = 41 step 1 until 370: + circle := circle--(r * (cosd(alpha), sind(alpha))); +endfor; + +path head; +head := (0,0)--(5,-3)--(0,6)--(-5,-3)--cycle; + +z1 = (-0.3,-0.4); + +pickup pencircle scaled b; +draw circle shifted z1; +fill head scaled 0.2 rotated 10 shifted (r,0) rotated 10 shifted z1; + +endfig; + +end + + diff --git a/buch/chapters/080-funktionentheorie/singularitaeten.tex b/buch/chapters/080-funktionentheorie/singularitaeten.tex new file mode 100644 index 0000000..2a5c62c --- /dev/null +++ b/buch/chapters/080-funktionentheorie/singularitaeten.tex @@ -0,0 +1,609 @@ +% +% singularitaeten.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\newcommand*\sk{\vcenter{\hbox{\includegraphics[scale=0.8]{chapters/080-funktionentheorie/images/operator-1.pdf}}}} + +% +% Löesung linearer Differentialgleichunge mit Singularitäten +% +\subsection{Lösungen von linearen Differentialgleichungen mit Singularitäten +\label{buch:funktionentheorie:subsection:dglsing}} +Die Potenzreihenmethode hat ermöglicht, mindestens eine Lösung gewisser +linearer Differentialgleichungen zu finden. +Bei Differentialgleichungen wie der Besselschen Differentialgleichung, +deren Koeffizienten Singularitäten aufweisen, konnte aber nur eine +Lösung gefunden werden, während die Theorie verlangt, dass eine +Differentialgleichung zweiter Ordnung zwei linear unabhängige Lösungen +haben muss. + +Ziel dieses Abschnitts ist zu zeigen, warum dies nicht möglich war und +wie diese Schwierigkeit mit Hilfe der analytischen Fortsetzung überwunden +werden kann. + +% +% Differentialgleichungen mit Singularitäten +% +\subsubsection{Differentialgleichungen mit Singularitäten} +Mit der Besselschen +Differentialgleichung~\eqref{buch:differentialgleichungen:eqn:bessel} +ist es nicht möglich, die zweite Ableitung $y''(0)$ an der Stelle $x=0$ +zu bestimmen. +Die Differentialgleichung kann an der Stelle $x=0$ nicht nach $y''$ +aufgelöst werden. +Wenn man die Differentialgleichung in ein Differntialgleichungssystem +\[ +\frac{d}{dx} +\begin{pmatrix} +y_1\\y_2 +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +0&1\\ +1-\frac{\alpha^2}{x^2} +& +-\frac{1}{x} +\end{pmatrix} +\begin{pmatrix} +y_1\\y_2 +\end{pmatrix} +\] +erster Ordnung umwandelt, zeigt sich an der Stelle $x=0$ eine +Singularität in der Matrix, die Ableitung kann also für $x=0$ +nicht bestimmt werden. +In einer Umgebung von $x=0$ erfüllt die Differentialgleichung +die Voraussetzungen bekannter Existenz- und Eindeutigkeitssätze +für gewöhnliche Differentialgleichungen nicht. + +Ein ähnliches Problem tritt bei jeder hypergeometrischen +Differentialgleichung auf. +Diese werden gemäss Abschnitt +\ref{buch:differentialgleichungen:section:hypergeometrisch} +aus den Differentialoperatoren +\[ +D_a=z\frac{d}{dz} + a +\] +zusammengesetzt. +Die Ableitung höchster Ordnung eines Produktes solcher Operationen ist +\[ +D_{a_1} +\cdots +D_{a_p} += +z^p\frac{d^p}{dz^p} + \text{Ableitungen niedrigerer Ordnung}. +\] +Dies zeigt, dass für $p>0$ oder $q>0$ ein Faktor $x$ bei der +Ableitung höchster Ordnung unvermeidlich ist, die Differentialgleichung +kann also wieder nicht nach dieser Ableitung aufgelöst werden und +erfüllt die Voraussetzungen der Existenz- und Eindeutigkeitssätze +in einer Umgebung von $x=0$ wieder nicht. + +Die Besselsche Differentialgleichung +hat auch nicht die Form $y''+p(x)xy'+q(x)=0$, die der Theorie der +Indexgleichung zugrunde lag. +\index{Besselsche Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Besselsche}% +Daher kann es auch keine Garantie geben, dass die Methode der +verallgemeinerten Potenzreihen zwei linear unabhängige Lösungen +liefern kann. +Tatsächlich wurde für ganzzahlige $n$ wegen $J_n(x) = (-1)^n J_{-n}(x)$ +nur eine Lösung statt der erwarteten zwei linear unabhängigen +Lösungen gefunden. + +Sind die Koeffizienten einer linearen Differentialgleichungen wie +in den genannten Beispielen singulär bei $x=0$, kann man auch nicht +erwarten, dass die Lösungen singulär sind. +Dies war schliesslich die Motivation, einen Lösungsansatz mit einer +verallgemeinerten Potenzreihe zu versuchen. +Mit den Funktion $x^\varrho$ lässt sich bereits eine recht grosse +Klasse von Singularitäten beschreiben, aber es ist nicht klar, +welche weiteren Arten von Singularitäten berücksichtigt werden sollten. +Dies soll im Folgenden geklärt werden. + +% +% Der Lösungsraum einer Differentialgleichung zweiter Ordnung +% +\subsubsection{Der Lösungsraum einer Differentialgleichung zweiter Ordnung} +Eine Differentialgleichung $n$-ter Ordnung hat lokal einen $n$-dimensionalen +Vektorraum als Lösungsraum. + +\begin{definition} +\label{buch:funktionentheorie:singularitaeten:def:loesungsraum} +Sei +\begin{equation} +\sum_{k=0}^n a_k(x) y^{(n)}(x) = 0 +\label{buch:funktionentheorie:singularitaeten:eqn:defdgl} +\end{equation} +eine Differentialgleichung $n$-ter Ordnung mit analytischen Koeffizienten +und $x_0\in \mathbb{C}$. +Dann ist +\[ +\mathbb{L}_{x_0} += +\left\{ +y(x) +\;\left|\; +\begin{minipage}{6cm} +$y$ ist Lösung der Differentialgleichung +\eqref{buch:funktionentheorie:singularitaeten:eqn:defdgl} +in einer Umgebung von $x_0$ +\end{minipage} +\right. +\right\} +\] +der Lösungsraum der Differentialgleichung +\eqref{buch:funktionentheorie:singularitaeten:eqn:defdgl}. +Wenn der Punkt $x_0$ aus dem Kontext klar ist, kann er auch weggelassen +werden: $\mathbb{L}_{x_0}=\mathbb{L}$. +\index{Lösungsraum einer Differentialgleichung}% +\index{Differentialgleichung!Lösungsraum}% +\end{definition} + +% +% Analytische Fortsetzung auf dem Weg um 0 +% +\subsubsection{Analytische Fortsetzung auf einem Weg um $0$} +Die betrachteten Differentialgleichungen haben holomorphe +Koeffizienten, Lösungen der Differentialgleichung lassen sich +daher immer in die komplexe Ebene fortsetzen, solange man die +Singularitäten der Koeffizienten vermeidet. +Hat eine Funktion $y(z)$ eine Laurent-Reihe +\[ +y(z) = \sum_{k=-\infty}^\infty a_kz^k, +\] +dann ist sie automatisch in einer Umgebung von $0$ definiert +ausser in $0$. +Die analytische Fortsetzung entlang eines Pfades, der $0$ +umschliesst, ist die Funktion $y(z)$ selbst. + +Für die Wurzelfunktion $y(z)=z^{\frac1n}$ ist dies nicht möglich. +Die analytische Fortsetzung von $\sqrt[n]{x}$ auf der positiven reellen +Achse entlang einer Kurve, die $0$ umschliesst, +produziert die Funktion +\[ +\sqrt[n]{z} += +\sqrt[n]{re^{i\varphi}} += +\sqrt[n]{r}e^{i\frac{\varphi}n}, +\] +die für $\varphi=2\pi$ zu $e^{i\frac{2\pi}n}\sqrt{x}$ wird. +Verallgemeinerte Potenzreihen als Lösungen zeigen daher, dass +die analytische Fortsetzung der Lösung entlang eines Pfades um +eine Singularität nicht mit der Lösung übereinstimmen muss. +Das Studium dieser analytischen Fortsetzung dürfte daher zusätzliche +Informationen über die Lösung hervorbringen. + +\begin{definition} +\label{buch:funktionentheorie:def:fortsetzungsoperator} +\index{Fortsetzungsoperator}% +Der {\em Fortsetzungsoperator} $\sk$ ist der lineare Operator, der eine +in einem Punkt $x\in\mathbb{R}^+$ analytische Funktion $f(x)$ entlang eines +geschlossenen Weges fortsetzt, der $0$ im Gegenuhrzeigersinn umläuft. +Die Einschränkung der analytischen Fortsetzung auf $\mathbb{R}^+$ wird +mit $\sk f(x)$ bezeichnet. +\index{analytische Fortsetzung}% +\index{Fortsetzung, analytisch}% +\end{definition} + +Die obengenannten Beispiele lassen sich mit dem Operator $\sk$ als +\[ +\begin{aligned} +\sk z^n +&= +z^n +&\qquad& n \in \mathbb{Z} +\\ +\sk +\sum_{k=-\infty}^\infty a_kz^k +&= +\sum_{k=-\infty}^\infty a_kz^k +\\ +\sk z^\varrho +&= +e^{2\pi i\varrho} z^\varrho +\end{aligned} +\] +schreiben. + +% +% Rechenregeln für die analytische Fortsetzung +% +\subsubsection{Rechenregeln für die analytische Fortsetzung} +Der Operator $\sk$ ist ein Algebrahomomorphismus, d.~h.~für zwei analytische +Funktionen $f$ und $g$ gilt +\[ +\begin{aligned} +\sk(\lambda f + \mu g) +&= +\lambda \sk f + \mu \sk g +\\ +\sk(fg) +&= +(\sk f)(\sk g) +\end{aligned} +\] +für beliebige $\lambda,\mu\in\mathbb{C}$. +Ist $f$ eine in ganz $\mathbb{C}$ holomorphe Funktion, dann lässt sie +sich mit Hilfe einer Potenzreihe berechnen. +Der Wert $f(g(z))$ entsteht durch Einsetzen von $g(z)$ in die Potenzreihe. +Analytische Fortsetzung mit $\sk$ reproduziert jeden einzelnen Term +der Potenzreihe, es folgt +$\sk f(g(z)) = f(\sk g(z))$. +Ebenso folgt auch, dass der Operator $\sk$ mit der Ableitung +vertauscht, dass also +\[ +\frac{d^n}{dz^n}(\sk f) += +\sk(f^{(n)}). +\] + +% +% Analytische Fortsetzung von Lösungen einer Differentialgleichung +% +\subsubsection{Analytische Fortsetzung von Lösungen einer Differentialgleichung} +Wir untersuchen jetzt die Wirkung des Operators $\sk$ auf +den Lösungsraum $\mathbb{L}$ einer Differentialgleichung mit +analytischen Koeffizienten, die in einer Umgebung von $0$ +definiert sind. +Auf den Koeffizienten wirkt $\sk$ als die Identität. +Ist $y(x)$ eine Lösung der Differentialgleichung, dann gilt +\[ +0 += +\sk\biggl( +\sum_{k=0}^n a_k(x) y^{(n)}(x) +\biggr) += +\sum_{k=0}^n (\sk a_k)(x) \cdot (\sk y)^{(n)}(x) += +\sum_{k=0}^n a_k(x) \cdot (\sk y)^{(n)}(x), +\] +somit ist $\sk y$ ebenfalls eine Lösung. +Wir schliessen daraus, dass $\sk$ eine lineare Abbildung +$\mathbb{L}\to\mathbb{L}$ ist. + +Der Lösungsraum einer Differentialgleichung $n$-ter Ordnung +ist $n$-dimensional. +Nach Wahl einer Basis des Lösungsraums kann der Operator $\sk$ +mit Hilfe einer Matrix $A\in M_{n\times n}(\mathbb{C})$ beschrieben werden. +Sei $\mathscr{W}=\{w_1,\dots,w_n\}$ eine Basis des Lösungsraums, dann +kann $\sk w_j$ wieder eine Lösung der Differentialgleichung +und kann daher geschrieben werden als Linearkombination +\begin{equation} +\sk w_j += +\sum_{k=1}^n +a_{jk} w_k +\end{equation} +der Funktionen in $\mathscr{W}$. + +Die Matrix $A$ mit den Einträgen $a_{jk}$ kann durch Wahl einer +geeigneten Basis in besonders einfache Form gebracht. +Wir führen diese Diskussion im folgenden nur für eine Differentialgleichung +zweiter Ordnung $n=2$. + +% +% Fall A diagonalisierbar +% +\subsubsection{Fall $A$ diagonalisierbar: verallgemeinerte Potenzreihen} +In diesem Fall kann man die Lösungsfunktionen $w_1$ und $w_2$ so +wählen, dass die Matrix +\[ +A=\begin{pmatrix}\lambda_1&0\\0&\lambda_2\end{pmatrix} +\] +diagonal wird mit Eigenwerten $\lambda_j$, $j=1,2$. +Dies bedeutet, dass $\sk w_j = \lambda_j w_j$. +Wir schreiben +\[ +\varrho_j = \frac{1}{2\pi i} \log\lambda_j. +\] +Der Logarithmus ist nicht eindeutig, er ist nur bis auf ein Vielfaches +von $2\pi i$ bestimmt. +Folglich aus auch $\varrho_j$ nicht eindeutig bestimmt, eine +andere Wahl des Logarithmus ändert $\varrho_j$ aber um eine ganze Zahl. + +Die Funktion $z^{\varrho_j}$ wird unter der Wirkung von $\sk$ zu +\[ +\sk z^{\varrho_j} += +e^{2\pi i\varrho_j} z^{\varrho_j} += +e^{\log \lambda_j} z^{\varrho_j} += +\lambda_j z^{\varrho_j}. +\] +Auf den Funktionen $z^{\varrho_j}$ und $w_j$ wirkt der Operator $\sk$ +also die gleich durch Multiplikation mit $\lambda_j$. +Deren Quotient +\[ +f(z) = \frac{w_j(z)}{z^{\varrho_j}} +\qquad\text{erfüllt}\qquad +\sk f += +\frac{\sk w_j}{\sk z^{\varrho_j}} += +\frac{\lambda_j w_j}{\lambda_j z^{\varrho_j}} += +\frac{w_j}{z^{\varrho_j}} += +f. +\] +Die Funktion $f$ kann daher als Laurent-Reihe +\[ +f(z) += +\sum_{k=-\infty}^\infty a_kz^k +\] +geschrieben werden. +Die Lösung $w_2(z)$ muss daher die Form +\begin{equation} +w_j(z) += +z^{\varrho_j} f(z) += +z^{\varrho_j} \sum_{k=-\infty}^\infty a_kz^k +\end{equation} +haben, also die einer verallgemeinerten Potenzreihe. +Auch hier zeigt sich, dass die Wahl des Logarithmus in der Definition +von $\varrho_j$ unbedeutend ist, sie äussert sich nur in einer +Verschiebung der Koeffizienten $a_k$. + +Falls der Operator $\sk$ also diagonalisierbar ist, dann gibt es +zwei linear unabhängige Lösungen der Differentialgleichung in der +Form einer verallgemeinerten Potenzreihe. + +% +% Fall $A$ nicht diagonalisierbar +% +\subsubsection{Fall $A$ nicht diagonalisierbar: logarithmische Lösungen} +Falls die Matrix $A$ nicht diagonalisierbar ist, hat sie nur einen +Eigenwert $\lambda$ und kann durch geeignete Wahl einer Basis in +Jordansche Normalform +\[ +A += +\begin{pmatrix} +\lambda & 1 \\ + 0 & \lambda +\end{pmatrix} +\] +gebracht werden. +Dies bedeutet, dass +\begin{align*} +\sk w_1 &= \lambda w_1 + w_2 +\\ +\sk w_2 &= \lambda w_2. +\end{align*} +Die Funktion $w_2$ hat unter $\sk$ die gleichen Eigenschaften +wie im diagonalisierbaren Fall, man kann also wieder schliessen, +dass $w_2$ durch eine verallgemeinerte Potenzreihe mit +\[ +\varrho=\frac{1}{2\pi i} \log \lambda +\] +dargestellt werden kann. + +Für den Quotienten $w_1/w_2$ findet man jetzt das Bild +\begin{equation} +\sk \frac{w_1}{w_2} += +\frac{\sk w_1}{\sk w_2} += +\frac{\lambda w_1+w_2}{\lambda w_2} += +\frac{w_1}{w_2} + \frac{1}{\lambda} +\label{buch:funktionentheorie:singularitaeten:sklog} +\end{equation} +Das Verhalten von $w_1$ unter $\sk$ in +\eqref{buch:funktionentheorie:singularitaeten:sklog} +ist dasselbe wie bei $\log(z)/\lambda$, denn +\[ +\sk \frac{\log(z)}{\lambda} += +\frac{\log(z)}{\lambda} + 1. +\] +Die Differenz $w_1-\log(z)/\lambda$ wird bei der analytischen +Fortsetzung zu +\[ +\sk\biggl( +\frac{w_1}{w_2}-\frac{\log(z)}{\lambda} +\biggr) += +\sk \frac{w_1}{w_2} - \sk\frac{\log(z)}{\lambda} += +\frac{w_1}{w_2} + \frac{1}{\lambda} +- +\frac{\log(z)}{\lambda} +-\frac{1}{\lambda} += +\frac{w_1}{w_2}-\frac{\log(z)}{\lambda}. +\] +Die Differenz ist daher wieder als Laurent-Reihe +\[ +\frac{w_1}{w_2}-\frac{\log(z)}{\lambda} += +\sum_{k=-\infty}^\infty b_kz^k +\] +darstellbar, was nach $w_1$ aufgelöst +\[ +w_1(z) += +\frac{1}{\lambda} \log(z) w_2(z) ++ +w_2(z) \sum_{k=-\infty}^\infty b_kz^k +\] +ergibt. +Da $w_2$ eine verallgemeinerte Potenzreihe ist, kann man dies auch +als +\begin{equation} +w_1(z) += +c \log(z) w_2(z) ++ +z^{\varrho} +\sum_{k=-\infty}^{\infty} c_kz^k +\label{buch:funktionentheorie:singularitäten:eqn:w1} +\end{equation} +schreiben, wobei Konstanten $c$ und $c_k$ noch bestimmt werden müssen. +Setzt man +\eqref{buch:funktionentheorie:singularitäten:eqn:w1} +in die ursprüngliche Differentialgleichung ein, verschwindet der +$\log(z)$-Term und für die verbleibenden Koeffizienten kann die +bekannte Methode des Koeffizientenvergleichs verwendet werden. + +% +% Bessel-Funktionen zweiter Art +% +\subsubsection{Bessel-Funktionen zweiter Art +\label{buch:funktionentheorie:subsubsection:bessel2art}} +Im Abschnitt~\ref{buch:differentialgleichungen:subsection:bessel1steart} +waren wir nicht in der Lage, für ganzahlige $\alpha$ zwei linear unabhängige +Lösungen der Besselschen Differentialgleichung zu finden. +Die vorangegangenen Ausführungen erklären dies: der Ansatz als +verallgemeinerte Potenzreihe konnte die Singularität nicht wiedergeben. +Inzwischen wissen wir, dass wir nach einer Lösung mit einer logarithmischen +Singularität suchen müssen. + +Um dies nachzuprüfen, setzen wir den Ansatz +\[ +y(x) = \log(x) J_n(x) + z(x) +\] +in die Besselsche Differentialgleichung ein. +Dazu benötigen wir erst die Ableitungen von $y(x)$: +\begin{align*} +y'(x) +&= +\frac{1}{x} J_n(x) + \log(x)J_n'(x) + z'(x) +\\ +xy'(x) +&= +J_n(x) + x\log(x)J_n'(x) + xz'(x) +\\ +y''(x) +&= +-\frac{1}{x^2} J_n(x) ++\frac2x J_n'(x) ++\log(x) J_n''(x) ++z''(x) +\\ +x^2y''(x) +&= +-J_n(x) + 2xJ'_n(x)+x^2\log(x)J_n''(x) + x^2z''(x). +\end{align*} +Die Wirkung des Bessel-Operators auf $y(x)$ ist +\begin{align*} +By +&= +x^2y''+xy'+x^2y +\\ +&= +\log(x) \bigl( +\underbrace{ +x^2J_n''(x) ++xJ_n'(x) ++x^2J_n(x) +}_{\displaystyle = n^2J_n(x)} +\bigr) +-J_n(x)+2xJ_n'(x) ++J_n(x) ++ +xz'(x) ++ +x^2z''(x) +\\ +&= +n^2 \log(x)J_n(x) ++ +2xJ_n(x) ++ +x^2z(x) ++ +xz'(x) ++ +x^2z''(x) +\end{align*} +Damit $y(x)$ eine Eigenfunktion zum Eigenwert $n^2$ wird, muss +dies mit $n^2y(x)$ übereinstimmen, also +\begin{align*} +n^2 \log(x)J_n(x) ++ +2xJ_n(x) ++ +x^2z(x) ++ +xz'(x) ++ +x^2z''(x) +&= +n^2\log(x)J_n(x) + n^2z(x). +\intertext{Die logarithmischen Terme heben sich weg und es bleibt} +x^2z''(x) ++ +xz'(x) ++ +(x^2-n^2)z(x) +&= +-2xJ_n(x). +\end{align*} +Eine Lösung für $z(x)$ kann mit Hilfe eines Potenzreihenansatzes +gefunden werden. +Sie ist aber nur bis auf einen Faktor festgelegt. +Tatsächlich kann man aber auch eine direkte Definition geben. + +\begin{definition} +Die Bessel-Funktionen zweiter Art der Ordnung $\alpha$ sind die Funktionen +\begin{equation} +Y_\alpha(x) += +\frac{J_\alpha(x) \cos \alpha\pi - J_{-\alpha}(x)}{\sin \alpha\pi }. +\label{buch:funktionentheorie:bessel:2teart} +\end{equation} +Für ganzzahliges $\alpha$ verschwindet der Nenner in +\eqref{buch:funktionentheorie:bessel:2teart}, +daher ist +\[ +Y_n(x) += +\lim_{\alpha\to n} Y_{\alpha}(x) += +\frac{1}{\pi}\biggl( +\frac{d}{d\alpha}J_{\alpha}(x)\bigg|_{\alpha=n} ++ +(-1)^n +\frac{d}{d\alpha}J_{\alpha}(x)\bigg|_{\alpha=-n} +\biggr). +\] +\end{definition} + +Die Funktionen $Y_\alpha(x)$ sind Linearkombinationen der Lösungen +$J_\alpha(x)$ und $J_{-\alpha}(x)$ und damit automatisch auch Lösungen +der Besselschen Differentialgleichung. +Dies gilt auch für den Grenzwert im Falle ganzahliger Ordnung $\alpha$. +Da $J_{\alpha}(x)$ durch eine Reihenentwicklung definiert ist, kann man +diese Termweise nach $\alpha$ ableiten und damit auch eine +Reihendarstellung von $Y_n(x)$ finden. +Nach einiger Rechnung findet man: +\begin{align*} +Y_n(x) +&= +\frac{2}{\pi}J_n(x)\log\frac{x}2 +- +\frac1{\pi} +\sum_{k=0}^{n-1} \frac{(n-k-1)!}{k!}\biggl(\frac{x}2\biggr)^{2k-n} +\\ +&\qquad\qquad +- +\frac1{\pi} +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{k!\,(n+k)!} +\biggl( +\frac{\Gamma'(n+k+1)}{\Gamma(n+k+1)} ++ +\frac{\Gamma'(k+1)}{\Gamma(k+1)} +\biggr) +\biggl( +\frac{x}2 +\biggr)^{2k+n} +\end{align*} +(siehe auch \cite[p.~200]{buch:specialfunctions}). + diff --git a/buch/chapters/090-pde/Makefile.inc b/buch/chapters/090-pde/Makefile.inc index c64af06..5b52d27 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/090-pde/Makefile.inc @@ -4,7 +4,7 @@ # (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/090-pde/gleichung.tex \ chapters/090-pde/separation.tex \ chapters/090-pde/rechteck.tex \ diff --git a/buch/chapters/090-pde/gleichung.tex b/buch/chapters/090-pde/gleichung.tex index 7f65f06..271dc44 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/gleichung.tex +++ b/buch/chapters/090-pde/gleichung.tex @@ -5,10 +5,27 @@ % \section{Gleichungen und Randbedingungen \label{buch:pde:section:gleichungen-und-randbedingungen}} +\rhead{Gebiete, Gleichungen und Randbedingungen} +Gewöhnliche Differentialgleichungen sind immer auf einem +Intervall als Definitionsgebiet definiert. +Partielle Differentialgleichungen sind Gleichungen, die verschiedene +partielle Ableitungen einer Funktion mehrerer Variablen involvieren, +das Definitionsgebiet ist daher immer eine höherdimensionale Teilmenge +von $\mathbb{R}^n$. +Sowohl das Gebiet wie auch dessen Rand können wesentlich komplexer sein. +Eine sorgfältige Definition ist unabdingbar, um Widersprüchen vorzubeugen. +% +% Gebiete, Differentialoperatoren, Randbedingungen +% \subsection{Gebiete, Differentialoperatoren, Randbedingungen} +In diesem Abschnitt sollen die Begriffe geklärt werden, die zur +korrekten Formulierung eines partiellen Differentialgleichungsproblems +notwendig sind. - +% +% Gebiete +% \subsubsection{Gebiete} Gewöhnliche Differentialgleichungen haben nur eine unabhängige Variable, die gesuchte Lösungsfunktion ist auf eine @@ -19,6 +36,7 @@ ermöglicht wesentlich vielfältigere und kompliziertere Situationen. \begin{definition} +\label{buch:pde:definition:gebiet} Ein Gebiet $G\subset\mathbb{R}^n$ ist eine offene Teilmenge von $\mathbb{R}^n$, d.~h.~für jeden Punkt $x\in G$ gibt es eine kleine Umgebung @@ -28,8 +46,12 @@ U_{\varepsilon}(x) \{y\in\mathbb{R}^n\mid |x-y|<\varepsilon\} \), die ebenfalls in $G$ in enthalten ist, also $U_{\varepsilon}(x)\subset G$. +\index{Gebiet}% \end{definition} +% +% Differentialoperatoren +% \subsubsection{Differentialoperatoren} Eine gewöhnliche Differentialgleichung für eine Funktion ist eine Beziehung zwischen den Werten der Funktion und ihrer @@ -65,9 +87,13 @@ schreiben. Die Koeffizienten $a$, $b_i$, $c_{ij}$ können dabei durchaus auch Funktionen der unabhängigen Variablen sein. +% +% Laplace-Operator +% \subsubsection{Laplace-Operator} -Der Laplace-Operator hat in einem karteischen Koordinatensystem die +Der {\em Laplace-Operator} hat in einem karteischen Koordinatensystem die Form +\index{Laplace-Operator}% \[ \Delta = @@ -85,28 +111,109 @@ nicht ändert. Man könnte sagen, der Laplace-Operator ist symmetrisch bezüglich aller Bewegungen des Raumes. +% +% Wellengleichung +% \subsubsection{Wellengleichung} +Da die physikalischen Gesetze invariant sein müssen unter solchen +Bewegungen, ist zu erwarten, dass der Laplace-Operator in partiellen +Differentialgleichungen +Als Beispiel betrachten wir die Ausbreitung einer Welle, welche sich +in einem Medium mit der Geschwindigkeit $c$ ausbreitet. +Ist $u(x,t)$ die Auslenkung der Welle im Punkt $x\in\mathbb{R}^n$ +zur Zeit $t\in\mathbb{R}$, dann erfüllt die Funktion $u(x,t)$ +die partielle Differentialgleichung +\begin{equation} +\frac{1}{c^2} +\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} += +\Delta u. +\label{buch:pde:eqn:waveequation} +\end{equation} +In dieser Gleichung treten nicht nur die partiellen Ableitungen +nach den Ortskoordinaten auf, die der Laplace-Operator miteinander +verknüpft. +Die Funktion $u(x,t)$ ist definiert auf einem Gebiet in +$\mathbb{R}^{n}\times\mathbb{R}=\mathbb{R}^{n+1}$ mit den Koordinaten +$(x_1,\dots,x_n,t)$. +Der Gleichung~\eqref{buch:pde:eqn:waveequation} ist daher eigentlich +die Gleichung +\[ +\square u = 0 +\qquad\text{mit}\quad +\square += +\frac{1}{c^2}\frac{^2}{\partial t^2} +- +\Delta += +\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2} +- +\frac{\partial^2}{\partial x_1^2} +- +\frac{\partial^2}{\partial x_2^2} +-\dots- +\frac{\partial^2}{\partial x_n^2} +\] +wird. +Der Operator $\square$ heisst auch d'Alembert-Operator. +\index{dAlembertoperator@d'Alembert-Operator}% -\subsubsection{Eigenfunktionen} -Eine besonders einfache - -\subsubsection{Trigonometrische Funktionen} -Die trigonometrischen Funktionen - -\subsection{Orthogonalität} -In der linearen Algebra lernt man, dass die Eigenvektoren einer -symmetrischen Matrix zu verschiedenen Eigenwerten orthgonal sind. -Dies hat zur Folge, dass die Transformation in eine Eigenbasis -mit einer orthogonalen Matrix möglich ist, was wiederum die Basis -von Diagonalisierungsverfahren wie dem Jacobi-Verfahren ist. - -Das Separationsverfahren wird zeigen, wie sich das Finden einer -Lösung der Wellengleichung auf Lösungen des Eigenwertproblems -$\Delta u = \lambda u$ zurückführen lässt. -Damit stellt sich die Frage, welche Eigenschaften - +% +% Randbedingungen +% +\subsubsection{Randbedingungen} +Die Differentialgleichung oder der Differentialoperator legen die +Lösung nicht fest. +Wie bei gewöhnlichen Differentialgleichungen ist dazu die Spezifikation +geeigneter Randbedingungen nötig. -\subsubsection{Gewöhnliche Differentialglichung} +\begin{definition} +\label{buch:pde:definition:randbedingungen} +Eine {\em Randbedingung} für das Gebiet $\Omega$ ist eine Teilmenge +$F\subset\partial\Omega$ sowie eine auf $F$ definierte Funktion +$f\colon F\to\mathbb{R}$. +Eine Funktion $u\colon \overline{\Omega} \to\mathbb{R}$ erfüllt eine +{\em Dirichlet-Randbedingung}, wenn +\index{Dirichlet-Randbedingung}% +\index{Randbedingung!Dirichlet-}% +\( +u(x) = f(x) +\) +für $x\in F$. +Sie erfüllt eine {\em Neumann-Randbedingung}, wenn +\index{Neumann-Randbedingung}% +\index{Randbedingung!Neumann-}% +\[ +\frac{\partial u}{\partial n} += +f(x)\qquad\text{für $x\in F$}. +\] +Dabei ist +\[ +\frac{\partial u}{\partial n} += +\frac{d}{dt} +u(x+tn) +\bigg|_{t=0} += +\operatorname{grad}u\cdot n +\] +\index{Normalableitung}% +die {\em Normalableitung}, die Richtungsableitung in Richtung des +Vektors $n$, der senkrecht ist auf dem Rand $\partial\Omega$ von +$\Omega$. +\end{definition} +Die Vorgabe nur von Ableitungen kann natürlich die Lösung $u(x)$ +einer linearen partiellen Differentialgleichung nicht eindeutig +festlegen, dazu ist noch mindestens ein Funktionswert notwendig. +Die Vorgabe von anderen Ableitungen in Richtungen tangential an den +Rand liefert keine neue Information, denn ausgehend von dem einen +Funktionswert auf dem Rand kann man durch Integration entlang +einer Kurve auf dem Rand eine Neumann-Randbedingung konstruieren, +die die gleiche Information beinhaltet wie Anforderungen an die +tangentialen Ableitungen. +Dirichlet- und Neumann-Randbedingungen sind daher die einzigen +sinnvollen linearen Randbedingungen. -\subsubsection{$n$-dimensionaler Fall} diff --git a/buch/chapters/090-pde/kreis.tex b/buch/chapters/090-pde/kreis.tex index b4ce8d7..a8cab3e 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/kreis.tex +++ b/buch/chapters/090-pde/kreis.tex @@ -5,6 +5,7 @@ % \section{Kreisförmige Membran \label{buch:pde:section:kreis}} +\rhead{Kreisförmige Membran} In diesem Abschnitt soll die Differentialgleichung einer kreisförmigen Membran mit Hilfe der Separationsmethode gelöst werden. Dabei werden die Bessel-Funktionen als Lösungsfunktionen @@ -32,7 +33,7 @@ Der Laplace-Operator hat in Polarkoordinaten die Form \frac1r \frac{\partial}{\partial r} + -\frac{1}{r 2} +\frac{1}{r^2} \frac{\partial^2}{\partial\varphi^2}. \label{buch:pde:kreis:laplace} \end{equation} diff --git a/buch/chapters/090-pde/kugel.tex b/buch/chapters/090-pde/kugel.tex index 0e3524f..ee56316 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/kugel.tex +++ b/buch/chapters/090-pde/kugel.tex @@ -5,4 +5,386 @@ % \section{Kugelfunktionen \label{buch:pde:section:kugel}} +\rhead{Kugelfunktionen} +Kugelsymmetrische Probleme können oft vorteilhaft in Kugelkoordinaten +beschrieben werden. +Die Separationsmethode kann auf partielle Differentialgleichungen +mit dem Laplace-Operator angewendet werden. +Die daraus resultierenden gewöhnlichen Differentialgleichungen führen +einerseits auf die Laguerre-Differentialgleichung für den radialen +Anteil sowie auf Kugelfunktionen für die Koordinaten der +geographischen Länge und Breite. + +\subsection{Kugelkoordinaten} +Wir verwenden Kugelkoordinaten $(r,\vartheta,\varphi)$, wobei $r$ +der Radius ist, $\vartheta$ die geographische Breite gemessen vom +Nordpol der Kugel und $\varphi$ die geographische Breite. +Der Definitionsbereich für Kugelkoordinaten ist +\[ +\Omega += +\{(r,\vartheta,\varphi) +\;|\; +r\ge 0\wedge +0\le \vartheta\le \pi\wedge +0\le \varphi< 2\pi +\}. +\] +Die Entfernung eines Punktes von der $z$-Achse ist $r\sin\vartheta$. +Daraus lassen sich die karteischen Koordinaten eines Punktes mit Hilfe +von +\[ +\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +r\cos\vartheta\\ +r\sin\vartheta\cos\varphi\\ +r\sin\vartheta\sin\varphi +\end{pmatrix}. +\] +Man beachte, dass die Punkte auf der $z$-Achse keine eindeutigen +Kugelkoordinaten haben. +Sie sind charakterisiert durch $r\sin\vartheta=0$, was $\cos\vartheta=\pm1$ +impliziert. +Entsprechend führen alle Werte von $\varphi$ auf den gleichen Punkt +$(0,0,\pm r)$. + +\subsection{Der Laplace-Operator in Kugelkoordinaten} +Der Laplace-Operator in Kugelkoordinaten lautet +\begin{align} +\Delta +&= +\frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r}r^2\frac{\partial}{\partial r} ++ +\frac{1}{r^2\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta} +\sin\vartheta\frac{\partial}{\partial\vartheta} ++ +\frac{1}{r^2\sin^2\vartheta}\frac{\partial^2}{\partial\varphi^2}. +\label{buch:pde:kugel:laplace1} +\intertext{Dies kann auch geschrieben werden als} +&= +\frac{\partial^2}{\partial r^2} ++ +\frac{2}{r}\frac{\partial}{\partial r} ++ +\frac{1}{r^2\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta} +\sin\vartheta\frac{\partial}{\partial\vartheta} ++ +\frac{1}{r^2\sin^2\vartheta}\frac{\partial^2}{\partial\varphi^2} +\label{buch:pde:kugel:laplace2} +\intertext{oder} +&= +\frac{1}{r} +\frac{\partial^2}{\partial r^2} r ++ +\frac{1}{r^2\sin\vartheta}\frac{\partial}{\partial\vartheta} +\sin\vartheta\frac{\partial}{\partial\vartheta} ++ +\frac{1}{r^2\sin^2\vartheta}\frac{\partial^2}{\partial\varphi^2}. +\label{buch:pde:kugel:laplace3} +\end{align} +Dabei ist zu berücksichtigen, dass mit der Notation gemeint ist, +dass ein Ableitungsoperator auf alles wirkt, was rechts im gleichen +Term steht. +Der Operator +\[ +\frac{1}{r} +\frac{\partial^2}{\partial r^2}r +\quad\text{wirkt daher als}\quad +\frac{1}{r} +\frac{\partial^2}{\partial r^2}rf += +\frac{1}{r} +\frac{\partial}{\partial r}\biggl(f + r\frac{\partial f}{\partial r}\biggr) += +\frac{1}{r} +\frac{\partial f}{\partial r} ++ +\frac{1}{r} +\frac{\partial f}{\partial r} ++ +\frac{\partial^2f}{\partial r^2}. += +\frac{2}{r}\frac{\partial f}{\partial r} ++ +\frac{\partial^2f}{\partial r^2}, +\] +was die Äquivalenz der beiden Formen +\eqref{buch:pde:kugel:laplace2} +und +\eqref{buch:pde:kugel:laplace3} +rechtfertigt. +Auch die Äquivalenz mit +\eqref{buch:pde:kugel:laplace1} +kann auf ähnliche Weise verstanden werden. + +Die Herleitung dieser Formel ist ziemlich aufwendig und soll hier +nicht dargestellt werden. +Es sei aber darauf hingewiesen, dass sich für $\vartheta=\frac{\pi}2$ +wegen $\sin\vartheta=\sin\frac{\pi}2=1$ +der eingeschränkte Operator +\[ +\Delta += +\frac{1}{r^2}\frac{\partial }{\partial r} r^2\frac{\partial}{\partial r} ++ +\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2}{\partial\varphi^2} +\] +ergibt. +Wendet man wie oben die Produktregel auf den ersten Term an, entsteht die +Form +\[ +\frac{\partial^2}{\partial r^2} ++ +\frac{2}{r} +\frac{\partial}{\partial r} ++ +\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2}{\partial\varphi^2} +\] +die {\em nicht} übereinstimmt mit dem Laplace-Operator in +Polarkoordinaten~\eqref{buch:pde:kreis:laplace}. +Der Unterschied rührt daher, dass der Laplace-Operator die Krümmung +der Koordinatenlinien berücksichtigt, in diesem Fall der Meridiane. + +\subsection{Separation} +In Abschnitt~\ref{buch:pde:subsection:eigenwertproblem} +wurde bereits gzeigt, wie die Wellengleichung +\[ +\frac{1}{c^2} +\frac{\partial^2 U}{\partial t^2} +-\Delta U += +0 +\] +durch Separation der Zeit auf ein Eigenwertproblem für eine +Funktion $u$ reduziert werden kann, die nur von den Ortskoordinaten +abhängt. +Es geht also nur noch darum, dass Eigenwertproblem +\[ +\Delta u = -\lambda^2 u +\] +mit geeigneten Randbedingungen zu lösen. +Dazu gehören einerseits eventuelle Gebietsränder, die im Moment +nicht interessieren. +Andererseits muss sichergestellt sein, dass die Lösungsfunktionen +stetig und differentierbar sind an den Orten, wo das Koordinatensystem +singulär ist. +So müssen $u(r,\vartheta,\varphi)$ $2\pi$-periodisch in $\varphi$ sein. +% XXX Ableitungen + +\subsubsection{Separation des radialen Anteils} +Für das Eigenwertproblem verwenden wir den Ansatz +\[ +u(r,\vartheta,\varphi) += +R(r) \Theta(\vartheta) \Phi(\varphi), +\] +den wir in die Differentialgleichung einsetzen. +So erhalten wir +\[ +\biggl(\frac{1}{r^2}R''(r)+\frac{2}{r}R'(r) \biggr) +\Theta(\vartheta)\Phi(\varphi) ++ +R(r) +\frac{1}{r^2\sin\vartheta} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}(\sin\vartheta \Theta'(\vartheta)) +\Phi(\varphi) ++ +R(r)\Theta(\vartheta) +\frac{1}{r^2\sin\vartheta} \Phi''(\varphi) += +-\lambda^2 R(r)\Theta(\vartheta)\Phi(\varphi). +\] +Die Gleichung lässt sich nach Multiplikation mit $r^2$ und +Division durch $u$ separieren in +\begin{equation} +\frac{R''(r)+2rR'(r)+\lambda^2r^2}{R(r)} ++ +\frac{1}{\Theta(\vartheta) \sin\vartheta} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}\sin\vartheta\Theta'(\vartheta) ++ +\frac{1}{\sin^2\vartheta}\frac{\Phi''(\varphi)}{\Phi(\varphi)} += +0 +\label{buch:pde:kugel:separiert2} +\end{equation} +Der erste Term hängt nur von $r$ ab, die anderen nur von $\vartheta$ und +$\varphi$, daher muss der erste Term konstant sein. +Damit ergbit sich für den Radialanteil die gewöhnliche Differentialgleichung +\[ +R''(r) + 2rR'(r) +\lambda^2 r^2 = \mu^2 R(r), +\] +die zum Beispiel mit der Potenzreihenmethode gelöst werden kann. +Sie kann aber durch eine geeignete Substition nochmals auf die +Laguerre-Differentialgleichung reduziert werden, wie in +Kapitel~\ref{chapter:laguerre} dargelegt wird. + +\subsubsection{Kugelflächenanteil} +Für die Separation der verbleibenden winkelabhängigen Teile muss die +Gleichung +\[ +\frac{1}{\Theta(\vartheta) \sin\vartheta} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}\sin\vartheta\Theta'(\vartheta) ++ +\frac{1}{\sin^2\vartheta}\frac{\Phi''(\varphi)}{\Phi(\varphi)} += +-\mu^2 +\] +mit $\sin^2\vartheta$ multipliziert werden, was auf +\[ +\frac{\sin\vartheta}{\Theta(\vartheta)} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}\sin\vartheta\Theta'(\vartheta) ++ +\frac{\Phi''(\varphi)}{\Phi(\varphi)} += +-\mu^2\sin^2\vartheta +\quad\Rightarrow\quad +\frac{\sin\vartheta}{\Theta(\vartheta)} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}\sin\vartheta\Theta'(\vartheta) ++ +\mu^2\sin^2\vartheta += +- +\frac{\Phi''(\varphi)}{\Phi(\varphi)} +\] +führt. +Die linke Seite der letzten Gleichung hängt nur von $\vartheta$ +ab, die rechte nur von $\varphi$, beide Seiten müssen daher +konstant sein, wir bezeichnen diese Konstante mit $\alpha^2$. +So ergibt sich die Differentialgleichung +\[ +\alpha^2 += +-\frac{\Phi''(\varphi)}{\Phi(\varphi)} +\] +für die Abhängigkeit von $\varphi$, mit der allgemeinen Lösung +\[ +\Phi(\varphi) += +A\cos\alpha \varphi ++ +B\sin\alpha \varphi. +\] +Die Randbedingungen verlangen, dass $\Phi(\varphi)$ eine $2\pi$-periodische +Funktion ist, was genau dann möglich ist, wenn $\alpha=m$ ganzzahlig ist. +Damit ergibt sich für die $\vartheta$-Abhängigkeit die Differentialgleichung +\begin{equation} +\frac{\sin\vartheta}{\Theta(\vartheta)} +\frac{\partial}{\partial\vartheta}\sin\vartheta\Theta'(\vartheta) ++ +\mu^2\sin^2\vartheta += +m^2. +\label{buch:pde:kugel:eqn:thetaanteil} +\end{equation} + +\subsubsection{Abhängigkeit von $\vartheta$} +Die Differentialgleichung~\eqref{buch:pde:kugel:eqn:thetaanteil} +ist etwas unhandlich, daher verwenden wir die Substitution $z=\cos\vartheta$, +um die trigonometrischen Funktionen los zu werden. +Wegen +\[ +\frac{dz}{d\vartheta} = -\sin\vartheta =-\sqrt{1-z^2} +\] +können die Ableitungen nach $\vartheta$ auch durch Ableitungen nach $z$ +ausgedrückt werden. +Wir schreiben dazu $Z(z)=\Theta(\vartheta)$ und berechnen +\[ +\Theta'(\vartheta) += +\frac{d\Theta}{d\vartheta} += +\frac{dZ}{dz}\frac{dz}{d\vartheta} += +- +\sqrt{1-z^2} +Z'(z). +\] +Dies bedeutet auch, dass +\[ +\sin\vartheta\frac{d}{d\vartheta} += +- +(1-z^2)\frac{d}{dz}, +\] +damit lässt sich die Differentialgleichung für $\Theta(\vartheta)$ umschreiben +in eine Differentialgleichung für $Z(z)$, nämlich +\[ +(1-z^2)\frac{d}{dz}(1-z^2)\frac{d}{dz} Z(z) ++ +\mu^2 +(1-z^2) +Z(z) += +m^2 +Z(z). +\] +Indem man die Ableitung im ersten Term mit Hilfe der Produktregel +ausführt, kann man die Gleichung +\[ +(1-z^2)\biggl( +-2zZ'(z) + (1-z^2)Z''(z) +\biggr) ++ +\mu^2(1-z^2)Z(z) += +-m^2 Z(z) +\] +bekommen. +Division durch $1-z^2$ ergibt die +{\em Legendre-Differentialgleichung} +\begin{equation} +(1-z^2)Z''(z) +-2zZ'(z) ++ +\biggl( +\mu^2 - \frac{m^2}{1-z^2} +\biggr) +Z(z) += +0. +\label{buch:pde:kugel:eqn:legendre-dgl} +\end{equation} +Eine Diskussion der Lösungen dieser Differentialgleichung erfolgt im +Kapitel~\ref{chapter:kugel}. + +\subsection{Kugelfunktionen} +Die Legendre-Differentialgleichung~\eqref{buch:pde:kugel:eqn:legendre-dgl} +hat Lösungen für Werte von $\mu$ derart, dass $\mu^2=l(l+1)$ für natürliche +Zahlen $l$. +Die Lösungen sind sogar Polynome, die wir mit $P_l^{(m)}(z)$ +bezeichnen, dabei ist $m$ eine ganze Zahl mit $-l\le m\le l$. +Die Funktionen $P_l^{(m)}(\cos\vartheta)e^{im\varphi}$ +sind daher alle Lösungen des von $\vartheta$ und $\varphi$ +abhängigen Teils der Lösungen des Eigenwertproblems. +Mit einer geeigneten Normierung kann man zudem eine Familie von +bezüglich des Skalarproduktes +\[ +\langle f,g\rangle_{S^2} += +\int_{-\pi}^{\pi} +\int_{0}^{\pi} +\overline{f(\vartheta,\varphi)} +g(\vartheta,\varphi) +\sin\vartheta +\,d\vartheta +\,d\varphi +\] +orthonormiete Funktionen auf der Kugeloberfläche erhalten, die +man normalerweise als +\[ +Y_{lm}(\vartheta,\varphi) += +\frac{1}{\sqrt{2\pi}} +\sqrt{ +\frac{2l+1}{2}\cdot +\frac{(l-m)!}{(l+m)!} +} +P_{l}^{(m)}(\cos\vartheta)e^{im\varphi} +\] +bezeichnet. + + + + diff --git a/buch/chapters/090-pde/rechteck.tex b/buch/chapters/090-pde/rechteck.tex index 72e2806..b7dfe11 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/rechteck.tex +++ b/buch/chapters/090-pde/rechteck.tex @@ -5,6 +5,7 @@ % \section{Rechteckige Membran \label{buch:pde:section:rechteck}} +\rhead{Rechteckige Membran} Als Beispiel für die Lösung des in Abschnitt~\ref{buch:pde:subsection:eigenwertproblem} aus der Wellengleichung abgeleiteten Eigenwertproblems diff --git a/buch/chapters/090-pde/separation.tex b/buch/chapters/090-pde/separation.tex index 6faceaa..e5e144a 100644 --- a/buch/chapters/090-pde/separation.tex +++ b/buch/chapters/090-pde/separation.tex @@ -5,6 +5,7 @@ % \section{Separationsmethode \label{buch:pde:section:separation}} +\rhead{Separationsmethode} Die Existenz der Lösung einer gewöhnlichen Differentialgleichung ist unter einigermassen milden Bedingungen in der Nähe der Anfangsbedingung garantiert. diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc index 0ca1392..4e2644c 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc @@ -4,8 +4,16 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ +CHAPTERFILES += \ chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex \ chapters/110-elliptisch/jacobi.tex \ + chapters/110-elliptisch/elltrigo.tex \ + chapters/110-elliptisch/dglsol.tex \ + chapters/110-elliptisch/mathpendel.tex \ chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex \ - chapters/110-geometrie/chapter.tex + chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/1.tex \ + chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/2.tex \ + chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/3.tex \ + chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/4.tex \ + chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/5.tex \ + chapters/110-elliptisch/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/agm/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/Makefile new file mode 100644 index 0000000..8dab511 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/Makefile @@ -0,0 +1,15 @@ +# +# Makefile +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +all: sn + +sn: sn.cpp + g++ -O -Wall -g -std=c++11 sn.cpp -o sn `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` + + +agm: agm.cpp + g++ -O -Wall -g -std=c++11 agm.cpp -o agm `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` + ./agm + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.cpp new file mode 100644 index 0000000..8abb4b2 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.cpp @@ -0,0 +1,75 @@ +/* + * agm.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdlib> +#include <cstdio> +#include <cmath> +#include <iostream> +#include <gsl/gsl_sf_ellint.h> + +inline long double sqrl(long double x) { + return x * x; +} + +long double Xn(long double a, long double b, long double x) { + double long epsilon = fabsl(a - b); + if (epsilon > 0.001) { + return (a - sqrtl(sqrl(a) - sqrl(x) * (a + b) * (a - b))) + / (x * (a - b)); + } + long double d = a + b; + long double x1 = 0; + long double y2 = sqrl(x/a); + long double c = 1; + long double s = 0; + int k = 1; + while (c > 0.0000000000001) { + c *= (0.5 - (k - 1)) / k; + c *= (d - epsilon) * y2; + s += c; + c *= epsilon; + c = -c; + k++; + } + return s * a / x; +} + +int main(int argc, char *argv[]) { + long double a = 1; + long double b = sqrtl(2.)/2; + long double x = 0.7; + if (argc >= 3) { + a = std::stod(argv[1]); + b = std::stod(argv[2]); + } + if (argc >= 4) { + x = std::stod(argv[3]); + } + + { + long double an = a; + long double bn = b; + long double xn = x; + for (int i = 0; i < 10; i++) { + printf("%d %24.18Lf %24.18Lf %24.18Lf %24.18Lf\n", + i, an, bn, xn, a * asin(xn) / an); + long double A = (an + bn) / 2; + xn = Xn(an, bn, xn); + bn = sqrtl(an * bn); + an = A; + } + } + + { + double k = b/a; + k = sqrt(1 - k*k); + double K = gsl_sf_ellint_Kcomp(k, GSL_PREC_DOUBLE); + printf(" %24.18f %24.18f\n", k, K); + double F = gsl_sf_ellint_F(asinl(x), k, GSL_PREC_DOUBLE); + printf(" %24.18f %24.18f\n", k, F); + } + + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.m b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.m new file mode 100644 index 0000000..dcb3ad8 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.m @@ -0,0 +1,20 @@ +# +# agm.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +format long + +n = 10; +a = 1; +b = sqrt(0.5); + +for i = (1:n) + printf("%20.16f %20.16f\n", a, b); + A = (a+b)/2; + b = sqrt(a*b); + a = A; +end + +K = pi / (2 * a) + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.maxima b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.maxima new file mode 100644 index 0000000..c7facd4 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/agm.maxima @@ -0,0 +1,26 @@ +/* + * agm.maxima + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ + +S: 2*a*sin(theta1) / (a+b+(a-b)*sin(theta1)^2); + +C2: ratsimp(diff(S, theta1)^2 / (1 - S^2)); +C2: ratsimp(subst(sqrt(1-sin(theta1)^2), cos(theta1), C2)); +C2: ratsimp(subst(S, sin(theta), C2)); +C2: ratsimp(subst(sqrt(1-S^2), cos(theta), C2)); + +D2: (a^2 * cos(theta)^2 + b^2 * sin(theta)^2) + / + (a1^2 * cos(theta1)^2 + b1^2 * sin(theta1)^2); +D2: subst((a+b)/2, a1, D2); +D2: subst(sqrt(a*b), b1, D2); +D2: ratsimp(subst(1-S^2, cos(theta)^2, D2)); +D2: ratsimp(subst(S, sin(theta), D2)); +D2: ratsimp(subst(1-sin(theta1)^2, cos(theta1)^2, D2)); + +Q: D2/C2; +Q: ratsimp(subst(x, sin(theta1), Q)); + +Q: ratsimp(expand(ratsimp(Q))); diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/agm/sn.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/sn.cpp new file mode 100644 index 0000000..9e1b047 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/agm/sn.cpp @@ -0,0 +1,52 @@ +/* + * sn.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdlib> +#include <cstdio> +#include <cmath> +#include <iostream> +#include <gsl/gsl_sf_ellint.h> +#include <gsl/gsl_sf_elljac.h> + +static const int N = 10; + +inline long double sqrl(long double x) { + return x * x; +} + +int main(int argc, char *argv[]) { + long double u = 0.6; + long double k = 0.9; + long double kprime = sqrt(1 - sqrl(k)); + + long double a[N], b[N], x[N+1]; + a[0] = 1; + b[0] = kprime; + + for (int n = 0; n < N-1; n++) { + printf("a[%d] = %22.18Lf b[%d] = %22.18Lf\n", n, a[n], n, b[n]); + a[n+1] = (a[n] + b[n]) / 2; + b[n+1] = sqrtl(a[n] * b[n]); + } + + x[N] = sinl(u * a[N-1]); + printf("x[%d] = %22.18Lf\n", N, x[N]); + + for (int n = N - 1; n >= 0; n--) { + x[n] = 2 * a[n] * x[n+1] / (a[n] + b[n] + (a[n] - b[n]) * sqrl(x[n+1])); + printf("x[%2d] = %22.18Lf\n", n, x[n]); + } + + printf("sn(%7.4Lf, %7.4Lf) = %20.24Lf\n", u, k, x[0]); + + double sn, cn, dn; + double m = sqrl(k); + gsl_sf_elljac_e((double)u, m, &sn, &cn, &dn); + printf("sn(%7.4Lf, %7.4Lf) = %20.24f\n", u, k, sn); + printf("cn(%7.4Lf, %7.4Lf) = %20.24f\n", u, k, cn); + printf("dn(%7.4Lf, %7.4Lf) = %20.24f\n", u, k, dn); + + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex index a03ce24..21fc986 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex @@ -10,21 +10,40 @@ \rhead{} Der Versuch, die Länge eines Ellipsenbogens zu berechnen, hat -in Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +in Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:kegelschnitte} zu Integralen geführt, die nicht in geschlossener Form ausgewertet werden können. Neben den dort gefundenen Integralen sind noch weitere, ähnlich aufgebaute Integrale in dieser Familie zu finden. +Auf die trigonometrischen Funktionen stösst man, indem man Funktion +der Bogenlänge umkehrt. +Ein analoges Vorgehen bei den elliptischen Integralen führt auf +die Jacobischen elliptischen Funktionen, die in +Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:section:jacobi} allerdings auf +eine eher geometrische Art eingeführt werden. +Die Verbindung zu den elliptischen Integralen wird dann in +Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:differentialgleichungen} +wieder hergestellt. + \input{chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex} + \input{chapters/110-elliptisch/jacobi.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/elltrigo.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/dglsol.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/mathpendel.tex} + \input{chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex} -%\section*{Übungsaufgaben} -%\rhead{Übungsaufgaben} -%\aufgabetoplevel{chapters/020-exponential/uebungsaufgaben} -%\begin{uebungsaufgaben} +\section*{Übungsaufgaben} +\rhead{Übungsaufgaben} +\aufgabetoplevel{chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben} +\begin{uebungsaufgaben} %\uebungsaufgabe{0} -%\uebungsaufgabe{1} -%\end{uebungsaufgaben} +\uebungsaufgabe{1} +\uebungsaufgabe{2} +\uebungsaufgabe{3} +\uebungsaufgabe{4} +\uebungsaufgabe{5} +\end{uebungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex new file mode 100644 index 0000000..c5b3a5c --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/dglsol.tex @@ -0,0 +1,712 @@ +% +% dglsol.tex -- Lösung von Differentialgleichungen +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +% +% Lösung von Differentialgleichungen +% +\subsection{Lösungen von Differentialgleichungen +\label{buch:elliptisch:subsection:differentialgleichungen}} +Die elliptischen Funktionen ermöglichen die Lösung gewisser nichtlinearer +Differentialgleichungen in geschlossener Form. +Ziel dieses Abschnitts ist, Differentialgleichungen der Form +\( +\dot{x}(t)^2 += +P(x(t)) +\) +mit einem Polynom $P$ vierten Grades oder +\( +\ddot{x}(t) += +p(x(t)) +\) +mit einem Polynom dritten Grades als rechter Seite lösen zu können. + +% +% Die Differentialgleichung der elliptischen Funktionen +% +\subsubsection{Die Differentialgleichungen der elliptischen Funktionen} +Um Differentialgleichungen mit elliptischen Funktion lösen zu +können, muss man als erstes die Differentialgleichungen derselben +finden. +Quadriert man die Ableitungsregel für $\operatorname{sn}(u,k)$, erhält +man +\[ +\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k)\biggr)^2 += +\operatorname{cn}(u,k)^2 \operatorname{dn}(u,k)^2. +\] +Die Funktionen auf der rechten Seite können durch $\operatorname{sn}(u,k)$ +ausgedrückt werden, dies führt auf die Differentialgleichung +\begin{align*} +\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k)\biggr)^2 +&= +\bigl( +1-\operatorname{sn}(u,k)^2 +\bigr) +\bigl( +1-k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2 +\bigr) +\\ +&= +k^2\operatorname{sn}(u,k)^4 +-(1+k^2) +\operatorname{sn}(u,k)^2 ++1. +\end{align*} +Für die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ ergibt die analoge Rechnung +\begin{align*} +\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) +&= +-\operatorname{sn}(u,k) \operatorname{dn}(u,k) +\\ +\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k)\biggr)^2 +&= +\operatorname{sn}(u,k)^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 +\\ +&= +\bigl(1-\operatorname{cn}(u,k)^2\bigr) +\bigl(k^{\prime 2}+k^2 \operatorname{cn}(u,k)^2\bigr) +\\ +&= +-k^2\operatorname{cn}(u,k)^4 ++ +(k^2-k^{\prime 2})\operatorname{cn}(u,k)^2 ++ +k^{\prime 2} +\intertext{und weiter für $\operatorname{dn}(u,k)$:} +\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) +&= +-k^2\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}(u,k) +\\ +\biggl( +\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) +\biggr)^2 +&= +\bigl(k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2\bigr) +\bigl(k^2 \operatorname{cn}(u,k)^2\bigr) +\\ +&= +\bigl( +1-\operatorname{dn}(u,k)^2 +\bigr) +\bigl( +\operatorname{dn}(u,k)^2-k^{\prime 2} +\bigr) +\\ +&= +-\operatorname{dn}(u,k)^4 ++ +(1+k^{\prime 2})\operatorname{dn}(u,k)^2 +-k^{\prime 2}. +\end{align*} + +\begin{table} +\centering +\renewcommand{\arraystretch}{1.7} +\begin{tabular}{|>{$}l<{$}|>{$}l<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline +\text{Funktion $y=$}&\text{Differentialgleichung}&\alpha&\beta&\gamma\\ +\hline +\operatorname{sn}(u,k) + & y'^2 = \phantom{-}(1-y^2)(1-k^2y^2) + &k^2&1+k^2&1 +\\ +\operatorname{cn}(u,k) &y'^2 = \phantom{-}(1-y^2)(k^{\prime2}+k^2y^2) + &-k^2 &k^2-k^{\prime 2}=2k^2-1&k^{\prime2} +\\ +\operatorname{dn}(u,k) + & y'^2 = -(1-y^2)(k^{\prime 2}-y^2) + &-1 &1+k^{\prime 2}=2-k^2 &-k^{\prime2} +\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Elliptische Funktionen als Lösungsfunktionen für verschiedene +nichtlineare Differentialgleichungen der Art +\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell}. +Die Vorzeichen der Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ +entscheidet darüber, welche Funktion für die Lösung verwendet werden +muss. +\label{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen}} +\end{table} + +Die drei grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen genügen also alle +einer nichtlinearen Differentialgleichung erster Ordnung der selben Art. +Das Quadrat der Ableitung ist ein Polynom vierten Grades der Funktion. +Die Differentialgleichungen sind in der +Tabelle~\ref{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen} zusammengefasst. + +% +% Differentialgleichung der abgeleiteten elliptischen Funktionen +% +\subsubsection{Die Differentialgleichung der abgeleiteten elliptischen +Funktionen} +Da auch die Ableitungen der abgeleiteten Jacobischen elliptischen +Funktionen Produkte von genau zwei Funktionen sind, die sich wieder +durch die ursprüngliche Funktion ausdrücken lassen, darf man erwarten, +dass alle elliptischen Funktionen einer ähnlichen Differentialgleichung +genügen. +Um dies besser einzufangen, schreiben wir $\operatorname{pq}(u,k)$, +wenn wir eine beliebige abgeleitete Jacobische elliptische Funktion. +Für +$\operatorname{pq}=\operatorname{sn}$ +$\operatorname{pq}=\operatorname{cn}$ +und +$\operatorname{pq}=\operatorname{dn}$ +wissen wir bereits und erwarten für jede andere Funktion dass +$\operatorname{pq}(u,k)$ auch, dass sie Lösung einer Differentialgleichung +der Form +\begin{equation} +\operatorname{pq}'(u,k)^2 += +\alpha \operatorname{pq}(u,k)^4 + \beta \operatorname{pq}(u,k)^2 + \gamma +\label{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +\end{equation} +erfüllt, +wobei wir mit $\operatorname{pq}'(u,k)$ die Ableitung von +$\operatorname{pq}(u,k)$ nach dem ersten Argument meinen. +Die Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ hängen von $k$ ab, +ihre Werte für die grundlegenden Jacobischen elliptischen +sind in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:table:differentialgleichungen} +zusammengestellt. + +Die Koeffizienten müssen nicht für jede Funktion wieder neu bestimmt +werden, denn für den Kehrwert einer Funktion lässt sich die +Differentialgleichung aus der Differentialgleichung der ursprünglichen +Funktion ermitteln. + +% +% Differentialgleichung der Kehrwertfunktion +% +\subsubsection{Differentialgleichung für den Kehrwert einer elliptischen Funktion} +Aus der Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +für die Funktion $\operatorname{pq}(u,k)$ kann auch eine +Differentialgleichung für den Kehrwert +$\operatorname{qp}(u,k)=\operatorname{pq}(u,k)^{-1}$ +ableiten. +Dazu rechnet man +\[ +\operatorname{qp}'(u,k) += +\frac{d}{du}\frac{1}{\operatorname{pq}(u,k)} += +\frac{\operatorname{pq}'(u,k)}{\operatorname{pq}(u,k)^2} +\qquad\Rightarrow\qquad +\left\{ +\quad +\begin{aligned} +\operatorname{pq}(u,k) +&= +\frac{1}{\operatorname{qp}(u,k)} +\\ +\operatorname{pq}'(u,k) +&= +\frac{\operatorname{qp}'(u,k)}{\operatorname{qp}(u,k)^2} +\end{aligned} +\right. +\] +und setzt in die Differentialgleichung ein: +\begin{align*} +\biggl( +\frac{ +\operatorname{qp}'(u,k) +}{ +\operatorname{qp}(u,k) +} +\biggr)^2 +&= +\alpha \frac{1}{\operatorname{qp}(u,k)^4} ++ +\beta \frac{1}{\operatorname{qp}(u,k)^2} ++ +\gamma. +\end{align*} +Nach Multiplikation mit $\operatorname{qp}(u,k)^4$ erhält man den +folgenden Satz. + +\begin{satz} +\index{Satz!Differentialgleichung von $1/\operatorname{pq}(u,k)$}% +Wenn die Jacobische elliptische Funktion $\operatorname{pq}(u,k)$ +der Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +genügt, dann genügt der Kehrwert +$\operatorname{qp}(u,k) = 1/\operatorname{pq}(u,k)$ der Differentialgleichung +\begin{equation} +(\operatorname{qp}'(u,k))^2 += +\gamma \operatorname{qp}(u,k)^4 ++ +\beta \operatorname{qp}(u,k)^2 ++ +\alpha +\label{buch:elliptisch:eqn:kehrwertdgl} +\end{equation} +\end{satz} + +\begin{table} +\centering +\def\lfn#1{\multicolumn{1}{|l|}{#1}} +\def\rfn#1{\multicolumn{1}{r|}{#1}} +\renewcommand{\arraystretch}{1.3} +\begin{tabular}{l|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|r} +\cline{1-4} +\lfn{Funktion} + & \alpha & \beta & \gamma &\\ +\hline +\lfn{sn}& k^2 & -(1+k^2) & 1 &\rfn{ns}\\ +\lfn{cn}& -k^2 & -(1-2k^2) & 1-k^2 &\rfn{nc}\\ +\lfn{dn}& 1 & 2-k^2 & -(1-k^2) &\rfn{nd}\\ +\hline +\lfn{sc}& 1-k^2 & 2-k^2 & 1 &\rfn{cs}\\ +\lfn{sd}&-k^2(1-k^2)&-(1-2k^2) & 1 &\rfn{ds}\\ +\lfn{cd}& k^2 &-(1+k^2) & 1 &\rfn{dc}\\ +\hline + & \gamma & \beta & \alpha &\rfn{Reziproke}\\ +\cline{2-5} +\end{tabular} +\caption{Koeffizienten der Differentialgleichungen für die Jacobischen +elliptischen Funktionen. +Der Kehrwert einer Funktion hat jeweils die Differentialgleichung der +ursprünglichen Funktion, in der die Koeffizienten $\alpha$ und $\gamma$ +vertauscht worden sind. +\label{buch:elliptisch:table:differentialgleichungen}} +\end{table} + +% +% Differentialgleichung zweiter Ordnung +% +\subsubsection{Differentialgleichung zweiter Ordnung} +Leitet man die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +nochmals nach $u$ ab, erhält man die Differentialgleichung +\[ +2\operatorname{pq}''(u,k)\operatorname{pq}'(u,k) += +4\alpha \operatorname{pq}(u,k)^3\operatorname{pq}'(u,k) + 2\beta \operatorname{pq}'(u,k)\operatorname{pq}(u,k). +\] +Teilt man auf beiden Seiten durch $2\operatorname{pq}'(u,k)$, +bleibt die nichtlineare +Differentialgleichung +\[ +\frac{d^2\operatorname{pq}}{du^2} += +\beta \operatorname{pq} + 2\alpha \operatorname{pq}^3. +\] +Dies ist die Gleichung eines harmonischen Oszillators mit einer +Anharmonizität der Form $2\alpha z^3$. + + + +% +% Jacobischen elliptische Funktionen und elliptische Integrale +% +\subsubsection{Jacobische elliptische Funktionen als elliptische Integrale} +Die in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen} +zusammengestellten Differentialgleichungen ermöglichen nun, den +Zusammenhang zwischen den Funktionen +$\operatorname{sn}(u,k)$, $\operatorname{cn}(u,k)$ und $\operatorname{dn}(u,k)$ +und den unvollständigen elliptischen Integralen herzustellen. +Die Differentialgleichungen sind alle von der Form +\begin{equation} +\biggl( +\frac{d y}{d u} +\biggr)^2 += +p(u), +\label{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} +\end{equation} +wobei $p(u)$ ein Polynom vierten Grades in $y$ ist. +Diese Differentialgleichung lässt sich mit Separation lösen. +Dazu zieht man aus~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} die +Wurzel +\begin{align} +\frac{dy}{du} += +\sqrt{p(y)} +\notag +\intertext{und trennt die Variablen. Man erhält} +\int\frac{dy}{\sqrt{p(y)}} = u+C. +\label{buch:elliptisch:eqn:yintegral} +\end{align} +Solange $p(y)>0$ ist, ist der Integrand auf der linken Seite +von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:yintegral} ebenfalls positiv und +das Integral ist eine monoton wachsende Funktion $F(y)$. +Insbesondere ist $F(y)$ invertierbar. +Die Lösung $y(u)$ der Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} +ist daher +\[ +y(u) = F^{-1}(u+C). +\] +Die Jacobischen elliptischen Funktionen sind daher inverse Funktionen +der unvollständigen elliptischen Integrale. + +\begin{beispiel} +Die Differentialgleichung der Funktion $y=\operatorname{sn}(u,k)$ ist +\[ +(y')^2 += +(1-y^2)(1-k^2y^2). +\] +Aus \eqref{buch:elliptisch:eqn:yintegral} folgt daher, dass +\[ +u+C += +\int\frac{dy}{(1-y^2)(1-k^2y^2)}. +\] +Das Integral ist das unvollständige elliptische Integral erster Art. +Mit der Wahl der Konstanten $C$ so, dass $y(0)=0$ ist, ist +$y(u)=\operatorname{sn}(u,k)$ daher die Umkehrfunktion von +$y\mapsto F(y,k)=u$. +\end{beispiel} + +% +% Numerische Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +% +\subsubsection{Numerische Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +\label{buch:elliptisch:jacobi:agm}} +\begin{table} +\centering +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +\begin{scope}[xshift=-2.4cm,yshift=1.2cm] +\fill[color=red!20] + (-1.0,0) -- (-1.0,-2.1) -- (-1.8,-2.1) -- (0,-3.0) + -- (1.8,-2.1) -- (1.0,-2.1) -- (1.0,0) -- cycle; +\node[color=white] at (0,-1.2) [scale=7] {\sf 1}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=2.9cm,yshift=-1.8cm] +\fill[color=blue!20] + (0.8,0) -- (0.8,2.1) -- (1.4,2.1) -- (0,3.0) -- (-1.4,2.1) + -- (-0.8,2.1) -- (-0.8,0) -- cycle; +\node[color=white] at (0,1.2) [scale=7] {\sf 2}; +\end{scope} + +\node at (0,0) { +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}l<{$}|} +\hline +n & a_n & b_n & x_n & +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +0 & 1.0000000000000000 & 0.4358898943540673 & 0.5422823228691580 & = \operatorname{sn}(u,k)% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}\\ +1 & 0.7179449471770336 & 0.6602195804079634 & 0.4157689781689663 & \mathstrut\\ +2 & 0.6890822637924985 & 0.6884775317911533 & 0.4017521410983242 & \mathstrut\\ +3 & 0.6887798977918259 & 0.6887798314243237 & 0.4016042867931862 & \mathstrut\\ +4 & 0.6887798646080748 & 0.6887798646080740 & 0.4016042705654757 & \mathstrut\\ +5 & 0.6887798646080744 & 0.6887798646080744 & 0.4016042705654755 & \mathstrut\\ +6 & & & 0.4016042705654755 & = \sin(a_5u) +\mathstrut\text{\vrule height0pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\end{tabular} +}; +\end{tikzpicture} +\caption{Berechnung von $\operatorname{sn}(u,k)$ für $u=0.6$ und $k=0.$2 +mit Hilfe des arithmetisch-geo\-me\-tri\-schen Mittels. +In der ersten Phase des Algorithmus (rot) wird die Folge der arithmetischen +\index{Algorithmus!arithmetisch-geometrisches Mittel}% +und geometrischen Mittel berechnet, in der zweiten Phase werden die +Approximationen von $x_0=\operatorname{sn}(u,k)$. +Bei $n=5$ erreicht die Iteration des arithmetisch-geometrischen Mittels +Maschinengenauigkeit, was sich auch darin äussert, dass sich $x_5$ und +$x_6=\sin(a_5u)$ nicht unterscheiden. +\label{buch:elliptisch:agm:table:snberechnung}} +\end{table} +In Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:agm} auf +Seite~\pageref{buch:elliptisch:subsubection:berechnung-fxk-agm} +wurde erklärt, wie das unvollständige elliptische Integral $F(x,k)$ mit +Hilfe des arithmetisch-geometrischen Mittels berechnet werden kann. +\index{Algorithmus!arithmetisch-geometrisches Mittel}% +\index{arithmetisch-geometrisches Mittel!Algorithmus}% +Da $\operatorname{sn}^{-1}(x,k) = F(x,k)$ die Umkehrfunktion ist, kann +man den Algorithmus auch zur Berechnung von $\operatorname{sn}(u,k)$ +verwenden. +Dazu geht man wie folgt vor: +\begin{enumerate} +\item +$k'=\sqrt{1-k^2}$. +\item +Berechne die Folgen des arithmetisch-geometrischen Mittels +$a_n$ und $b_n$ mit $a_0=1$ und $b_0=k'$, bis zum Folgenindex $N$, +bei dem ausreichende Konvergenz eintegreten ist. +\item +Setze $x_N = \sin(a_N \cdot u)$. +\item +Berechnet für absteigende $n=N-1,N-2,\dots$ die Folge $x_n$ mit Hilfe +der Rekursionsformel +\begin{equation} +x_{n} += +\frac{2a_nx_{n+1}}{a_n+b_n+(a_n-b_n)x_{n+1}^2}, +\label{buch:elliptisch:agm:xnrek} +\end{equation} +die aus \eqref{buch:elliptisch:agm:subst} +durch die Substitution $x_n = \sin t_n$ entsteht. +\item +Setze $\operatorname{sn}(u,k) = x_0$. +\end{enumerate} +Da die Formel \eqref{buch:elliptisch:agm:xnrek} nicht unter den +numerischen Stabilitätsproblemen leidet, die früher auf +Seite~\pageref{buch:elliptisch:agm:ellintegral-stabilitaet} +diskutiert wurden, ist die Berechnung stabil und sehr schnell. +Tabelle~\ref{buch:elliptisch:agm:table:snberechnung} +zeigt die Berechnung am Beispiel $u=0.6$ und $k=0.2$. + +% +% Pole und Nullstellen der Jacobischen elliptischen Funktionen +% +\subsubsection{Pole und Nullstellen der Jacobischen elliptischen Funktionen} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.pdf} +\caption{Werte der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen +$\operatorname{sn}(u,k)$, +$\operatorname{cn}(u,k)$ +und +$\operatorname{dn}(u,k)$ +in den Ecken des Rechtecks mit Ecken $(0,0)$ und $(K,K+iK')$. +Links der Definitionsbereich, rechts die Werte der drei Funktionen. +Pole sind mit einem Kreuz ($\times$) bezeichnet, Nullstellen mit einem +Kreis ($\ocircle$). +\label{buch:elliptisch:fig:ellpolnul}} +\end{figure} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellall.pdf} +\caption{Pole und Nullstellen aller Jacobischen elliptischen Funktionen +mit den gleichen Darstellungskonventionen wie in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellpolnul} +\label{buch:elliptisch:fig:ellall}} +\end{figure} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellselection.pdf} +\caption{Auswahl einer Jacobischen elliptischen Funktion mit bestimmten +Nullstellen und Polen. +Nullstellen und Pole können in jeder der vier Ecken des fundamentalen +Rechtecks (gelb, oberer rechter Viertel des Periodenrechtecks) liegen. +Der erste Buchstabe des Namens der gesuchten Funktion ist der Buchstabe +der Ecke der Nullstelle, der zweite Buchstabe ist der Buchstabe der +Ecke des Poles. +Im Beispiel die Funktion $\operatorname{cd}(u,k)$, welche eine +Nullstelle in $K$ hat und einen Pol in $K+iK'$. +\label{buch:elliptisch:fig:selectell}} +\end{figure} +Für die Funktion $y=\operatorname{sn}(u,k)$ erfüllt die Differentialgleichung +\[ +\frac{dy}{du} += +\sqrt{(1-y^2)(1-k^2y^2)}, +\] +welche mit dem unbestimmten Integral +\begin{equation} +u + C = \int\frac{dy}{\sqrt{(1-y^2)(1-k^2y^2)}} +\label{buch:elliptisch:eqn:uyintegral} +\end{equation} +gelöst werden kann. +Der Wertebereich des Integrals in \eqref{buch:elliptisch:eqn:uyintegral} +wurde bereits in +Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:unvollstintegral} +auf Seite~\pageref{buch:elliptische:subsubsection:wertebereich} +diskutiert. +Daraus können jetzt Nullstellen und Pole der Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ +und mit Hilfe von Tabelle~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen} +auch für $\operatorname{cn}(u,k)$ und $\operatorname{dn}(u,k)$ +abgelesen werden: +\begin{equation} +\begin{aligned} +\operatorname{sn}(0,k)&=0 +&&\qquad& +\operatorname{cn}(0,k)&=1 +&&\qquad& +\operatorname{dn}(0,k)&=1 +\\ +\operatorname{sn}(iK',k)&=\infty +&&\qquad& +\operatorname{cn}(iK',k)&=\infty +&&\qquad& +\operatorname{dn}(iK',k)&=\infty +\\ +\operatorname{sn}(K,k)&=1 +&&\qquad& +\operatorname{cn}(K,k)&=0 +&&\qquad& +\operatorname{dn}(K,k)&=k' +\\ +\operatorname{sn}(K+iK',k)&=\frac{1}{k} +&&\qquad& +\operatorname{cn}(K+iK',k)&=\frac{k'}{ik} +&&\qquad& +\operatorname{dn}(K+iK',k)&=0 +\end{aligned} +\label{buch:elliptische:eqn:eckwerte} +\end{equation} +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellpolnul} zeigt diese Werte +an einer schematischen Darstellung des Definitionsbereiches auf. +Daraus lassen sich jetzt auch die Werte der abgeleiteten Jacobischen +elliptischen Funktionen ablesen, Pole und Nullstellen sind in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellall} +zusammengestellt. + + + + + +% +% Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators +% +\subsubsection{Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators} +Wir möchten die nichtlineare Differentialgleichung +\index{Differentialgleichung!das anharmonischen Oszillators}% +\begin{equation} +\biggl( +\frac{dx}{dt} +\biggr)^2 += +Ax^4+Bx^2 + C +\label{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} +\end{equation} +mit Hilfe elliptischer Funktionen lösen. +Wir nehmen also an, dass die gesuchte Lösung eine Funktion der Form +\begin{equation} +x(t) = a\operatorname{zn}(bt,k) +\label{buch:elliptisch:eqn:loesungsansatz} +\end{equation} +ist. +Die erste Ableitung von $x(t)$ ist +\[ +\dot{x}(t) += +a\operatorname{zn}'(bt,k). +\] + +Indem wir diesen Lösungsansatz in die +Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} +einsetzen, erhalten wir +\begin{equation} +a^2b^2 \operatorname{zn}'(bt,k)^2 += +a^4A\operatorname{zn}(bt,k)^4 ++ +a^2B\operatorname{zn}(bt,k)^2 ++C +\label{buch:elliptisch:eqn:dglx} +\end{equation} +Andererseits wissen wir, dass $\operatorname{zn}(u,k)$ einer +Differentilgleichung der Form~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} +erfüllt. +Wenn wir \eqref{buch:elliptisch:eqn:dglx} durch $a^2b^2$ teilen, können wir +die rechte Seite von \eqref{buch:elliptisch:eqn:dglx} mit der rechten +Seite von \eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} vergleichen: +\[ +\frac{a^2A}{b^2}\operatorname{zn}(bt,k)^4 ++ +\frac{B}{b^2}\operatorname{zn}(bt,k)^2 ++\frac{C}{a^2b^2} += +\alpha\operatorname{zn}(bt,k)^4 ++ +\beta\operatorname{zn}(bt,k)^2 ++ +\gamma\operatorname{zn}(bt,k). +\] +Daraus ergeben sich die Gleichungen +\begin{align} +\alpha &= \frac{a^2A}{b^2}, +& +\beta &= \frac{B}{b^2} +&&\text{und} +& +\gamma &= \frac{C}{a^2b^2} +\label{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} +\intertext{oder aufgelöst nach den Koeffizienten der ursprünglichen +Differentialgleichung} +A&=\frac{\alpha b^2}{a^2} +& +B&=\beta b^2 +&&\text{und}& +C &= \gamma a^2b^2 +\label{buch:elliptisch:eqn:koeffABC} +\end{align} +für die Koeffizienten der Differentialgleichung der zu verwendenden +Funktion. + +Man beachte, dass nach \eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} die +Koeffizienten $A$, $B$ und $C$ die gleichen Vorzeichen haben wie +$\alpha$, $\beta$ und $\gamma$, da in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} nur mit Quadraten multipliziert +wird, die immer positiv sind. +Diese Vorzeichen bestimmen, welche der Funktionen gewählt werden muss. + +In den Differentialgleichungen für die elliptischen Funktionen gibt +es nur den Parameter $k$, der angepasst werden kann. +Es folgt, dass die Gleichungen +\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} +auch $a$ und $b$ bestimmen. +Zum Beispiel folgt aus der letzten Gleichung, dass +\[ +b = \pm\sqrt{\frac{B}{\beta}}. +\] +Damit folgt dann aus der zweiten +\[ +a=\pm\sqrt{\frac{\beta C}{\gamma B}}. +\] +Die verbleibende Gleichung legt $k$ fest. +Das folgende Beispiel illustriert das Vorgehen am Beispiel einer +Gleichung, die Lösungsfunktion $\operatorname{sn}(u,k)$ verlangt. + +\begin{beispiel} +Wir nehmen an, dass die Vorzeichen von $A$, $B$ und $C$ gemäss +Tabelle~\ref{buch:elliptische:tabelle:loesungsfunktionen} verlangen, +dass die Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ für die Lösung verwendet +werden muss. +Die Tabelle sagt dann auch, dass +$\alpha=k^2$, $\beta=1$ und $\gamma=1$ gewählt werden müssen. +Aus dem Koeffizientenvergleich~\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} +folgt dann der Reihe nach +\begin{align*} +b&=\pm \sqrt{B} +\\ +a&=\pm \sqrt{\frac{C}{B}} +\\ +k^2 +&= +\frac{AC}{B^2}. +\end{align*} +Man beachte, dass man $k^2$ durch Einsetzen von +\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffABC} +auch direkt aus den Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ +erhalten kann, nämlich +\[ +\frac{AC}{B^2} += +\frac{\frac{\alpha b^2}{a^2} \gamma a^2b^2}{\beta^2 b^4} += +\frac{\alpha\gamma}{\beta^2}. +\qedhere +\] +\end{beispiel} + +Da alle Parameter im +Lösungsansatz~\eqref{buch:elliptisch:eqn:loesungsansatz} bereits +festgelegt sind stellt sich die Frage, woher man einen weiteren +Parameter nehmen kann, mit dem Anfangsbedingungen erfüllen kann. +Die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} ist +autonom, die Koeffizienten der rechten Seite der Differentialgleichung +sind nicht von der Zeit abhängig. +Damit ist eine zeitverschobene Funktion $x(t-t_0)$ ebenfalls eine +Lösung der Differentialgleichung. +Die allgmeine Lösung der +Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:anhdgl} hat +also die Form +\[ +x(t) = a\operatorname{zn}(b(t-t_0)), +\] +wobei die Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ auf Grund der Vorzeichen +von $A$, $B$ und $C$ gewählt werden müssen. + +Die Übungsaufgaben~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:1} ist als +Lernaufgabe konzipiert, mit der die Lösung der Differentialgleichung +des harmonischen Oszillators beispielhaft durchgearbeitet +werden kann. diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex index 46659cd..466aeb7 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex @@ -7,7 +7,7 @@ \label{buch:elliptisch:section:integral}} \rhead{Elliptisches Integral} Bei der Berechnung des Ellipsenbogens in -Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:kegelschnitte} sind wir auf ein Integral gestossen, welches sich nicht in geschlossener Form ausdrücken liess. Um solche Integrale in den Griff zu bekommen, ist es nötig, sie als @@ -172,11 +172,193 @@ die {\em Jacobi-Normalform} heisst. \subsubsection{Vollständige elliptische Integrale als hypergeometrische Funktionen} -XXX Als hypergeometrische Funktionen \url{https://www.youtube.com/watch?v=j0t1yWrvKmE} \\ - +%XXX Als hypergeometrische Funktionen \url{https://www.youtube.com/watch?v=j0t1yWrvKmE} \\ +Das vollständige elliptische Integral $K(k)$ kann mit Hilfe der +Binomialreihe umgeformt werden in eine hypergeometrische Reihe. +Da im Integral nur $k^2$ auftaucht, wird sich $K(k)$ als +hypergeometrische Funktion von $k^2$ ausdrücken lassen. +\begin{satz} +\index{Satz!vollständiges elliptisches Integral als hypergeometrische Funktion}% +\label{buch:elliptisch:satz:hyperK} +Das vollständige elliptische Integral $K(k)$ lässt sich durch die +hypergeometrische Funktion $\mathstrut_2F_1$ als +\[ +K(k) += +\frac{\pi}2 +\cdot +\mathstrut_2F_1\biggl( +\begin{matrix}\frac12,\frac12\\1\end{matrix};1;k^2 +\biggr) +\] +ausdrücken. +\end{satz} +\begin{proof}[Beweis] +Zunächst ist das vollständige elliptische Integral in der Legendre-Form +\begin{align} +K(k) +&= +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{d\vartheta}{\sqrt{1-k^2\sin^2\vartheta}} +%\notag +%\\ +%& += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\bigl( +1-(k\sin\vartheta)^2 +\bigr)^{-\frac12}\,d\vartheta. +\notag +\intertext{Die Wurzel im letzten Integral kann mit Hilfe der binomischen +Reihe vereinfacht werden zu} +&= +\sum_{n=0}^\infty +(-1)^n k^2\binom{-\frac12}{n} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{2n}\vartheta +\,d\vartheta. +\label{buch:elliptisch:beweis:ellharm2} +\end{align} +Der verallgemeinerte Binomialkoeffizient lässt sich nach +\begin{align*} +\binom{-\frac12}{n} +&= +\frac{(-\frac12)(-\frac32)(-\frac52)\cdot\ldots\cdot(-\frac12-n+1)}{n!} += +(-1)^n +\cdot +\frac{1}{n!} +\cdot +\frac12\cdot\frac32\cdot\frac52\cdot\ldots\cdot\biggl(\frac12+n-1\biggr) += +(-1)^n\frac{(\frac12)_n}{n!} +\end{align*} +vereinfachen. +Setzt man dies in \eqref{buch:elliptisch:beweis:ellharm2} ein, erhält +man +\begin{align*} +K(k) +&= +\sum_{n=0}^\infty +(-1)^n k^{2n} +\cdot +(-1)^n +\frac{(\frac12)_n}{n!} +\cdot +\int_0^{\frac{\pi}2} \sin^{2n}\vartheta\,d\vartheta += +\sum_{n=0}^\infty +\frac{(\frac12)_n}{n!} +\int_0^{\frac{\pi}2} \sin^{2n}\vartheta\,d\vartheta +\cdot (k^2)^n. +\end{align*} +Es muss jetzt also nur noch das Integral von $\sin^{2n}\vartheta$ +berechnet werden. +Mit partieller Integration kann man +\begin{align*} +\int \sin^m\vartheta\,d\vartheta +&= +\int +\underbrace{\sin \vartheta}_{\uparrow} +\underbrace{\sin^{m-1}\vartheta}_{\downarrow} +\,d\vartheta +\\ +&= +-\cos\vartheta\sin^{m-1}\vartheta ++ +\int \cos^2\vartheta (m-1)\sin^{m-2}\vartheta\,d\vartheta +\\ +&= +-\cos\vartheta \sin^{m-1}\vartheta ++ +(m-1) +\int +(1-\sin^2\vartheta) +\sin^{m-2}\vartheta\,d\vartheta. +\end{align*} +Wegen $\sin 0=0$ und +$\cos\frac{\pi}2=0$ verschwindet der erste Term im bestimmten Integral +und der zweite wird +\begin{align*} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m} \vartheta +\,d\vartheta +&= +(m-1) +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m-2}\vartheta\,d\vartheta +- +(m-1) +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^m \vartheta\,d\vartheta +\\ +m +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m} \vartheta\,d\vartheta +&= +(m-1) +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m-2} \vartheta\,d\vartheta +\\ +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m} \vartheta\,d\vartheta +&= +\frac{m-1}{m} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{m-2} \vartheta\,d\vartheta. +\end{align*} +Mit dieser Rekursionsformel kann jetzt das Integral berechnet werden. +Es folgt +\begin{align*} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{2n}\vartheta\,d\vartheta +&= +\frac{2n-1}{2n} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{2n-2}\vartheta\,d\vartheta +\\ +&= +\frac{2n-1}{2n} +\frac{2n-3}{2n-2} +\frac{2n-5}{2n-4} +\cdots +\frac{2n-(2n-1)}{2(n-1)} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\sin^{2n-4}\vartheta\,d\vartheta +\\ +&= +\frac{ +(n-\frac12)(n-\frac32)(n-\frac52)\cdot\ldots\cdot\frac32\cdot\frac12 +}{ +n! +} +\int_0^{\frac{\pi}2} 1\,d\vartheta +\\ +&= +\frac{(\frac12)_n}{n!} +\cdot +\frac{\pi}2. +\end{align*} +Damit wird die Reihenentwicklung für $K(k)$ jetzt zu +\[ +K(k) += +\frac{\pi}2 +\sum_{n=0}^\infty +\frac{(\frac12)_n(\frac12)_n}{n!} \cdot \frac{(k^2)^n}{n!} += +\frac{\pi}2 +\cdot +\mathstrut_2F_1\biggl(\begin{matrix}\frac12,\frac12\\1\end{matrix};k^2\biggr), +\] +dies beweist die Behauptung. +\end{proof} +% +% Umfang einer Ellipse +% \subsubsection{Umfang einer Ellipse} \begin{figure} \centering @@ -247,13 +429,354 @@ Für den extremen Wert $\varepsilon=0$ entsteht der Umfang einer Ellipse, also $E(0)=\frac{\pi}2$. Für $\varepsilon=1$ ist $a=0$, es entsteht eine Strecke mit Länge $E(1)=1$. -\subsubsection{Komplementäre Integrale} +\begin{satz} +\label{buch:elliptisch:satz:hyperE} +Das vollständige elliptische Integral $E(k)$ ist +\[ +E(k) += +\int_0^{\frac{\pi}2} \sqrt{1-k^2\sin^2\vartheta}\,d\vartheta += +\frac{\pi}2 +\cdot +\mathstrut_2F_1\biggl( +\begin{matrix}-\frac12,\frac12\\1\end{matrix}; +k^2 +\biggr). +\] +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Die Identität kann wie im Satz~\ref{buch:elliptisch:satz:hyperK} mit +Hilfe einer Entwicklung der Wurzel mit der Binomialreihe gefunden +werden. +\end{proof} + +Die Darstellung von $E(k)$ als hypergeometrische Reihe ermöglicht +jetzt zum Beispiel auch die Berechnung der Ableitung nach dem +Parameter $k$ mit der Ableitungsformel für die Funktion $\mathstrut_2F_1$. + + +% +% Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +% +\subsection{Berechnung mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel +\label{buch:elliptisch:subsection:agm}} +Die numerische Berechnung von elliptischer Integrale mit gewöhnlichen +numerischen Integrationsroutinen ist nicht sehr effizient. +Das in diesem Abschnitt vorgestellte arithmetisch-geometrische Mittel +\index{arithmetisch-geometrisches Mittel}% +liefert einen Algorithmus mit sehr viel besserer Konvergenz. +Die Methode lässt sich auch auf die unvollständigen elliptischen +Integrale von Abschnitt~\eqref{buch:elliptisch:subsection:unvollstintegral} +verallgemeinern. +Sie ist ein Speziallfall der sogenannten Landen-Transformation, +\index{Landen-Transformation}% +welche ausser für die elliptischen Integrale auch für die +Jacobischen elliptischen Funktionen formuliert werden kann und +für letztere ebenfalls sehr schnelle numerische Algorithmen liefert +(siehe dazu auch die +Aufgaben~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:2}--\ref{buch:elliptisch:aufgabe:4}). +Sie kann auch verwendet werden, um die Werte der Jacobischen elliptischen +Funktionen für komplexe Argument zu berechnen. +Eine weiter Anwendung ist die Berechnung einer grossen Zahl von +Stellen der Kreiszahl $\pi$, siehe Aufgaben~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:5}. + +% +% Das arithmetisch-geometrische Mittel +% +\subsubsection{Das arithmetisch-geometrische Mittel} +Seien $a$ und $b$ zwei nichtnegative reelle Zahlen. +Aus $a$ und $b$ werden jetzt zwei Folgen konstruiert, deren Glieder +durch +\begin{align*} +a_0&=a &&\text{und}& a_{n+1} &= \frac{a_n+b_n}2 &&\text{arithmetisches Mittel} +\\ +b_0&=b &&\text{und}& b_{n+1} &= \sqrt{a_nb_n} &&\text{geometrisches Mittel} +\end{align*} +definiert sind. + +\begin{satz} +\index{Satz!arithmetisch-geometrisches Mittel}% +Falls $a>b>0$ ist, nimmt die Folge $(a_k)_{k\ge 0}$ monoton ab und +$(b_k)_{k\ge 0}$ nimmt monoton zu. +Beide konvergieren quadratisch gegen einen gemeinsamen Grenzwert. +\end{satz} + +\begin{definition} +Der gemeinsame Grenzwert von $a_n$ und $b_n$ heisst das +{\em arithmetisch-geometrische Mittel} und wird mit +\[ +M(a,b) += +\lim_{n\to\infty} a_n += +\lim_{n\to\infty} b_n +\] +bezeichnet. +\index{arithmetisch-geometrisches Mittel}% +\end{definition} + +\begin{proof}[Beweis] +Zunächst ist zu zeigen, dass die Folgen monoton sind. +Dies folgt sofort aus der Definition der Folgen: +\begin{align*} +a_{n+1} &= \frac{a_n+b_n}{2} \ge \frac{a_n+a_n}{2} = a_n +\\ +b_{n+1} &= \sqrt{a_nb_n} \ge \sqrt{b_nb_n} = b_n. +\end{align*} +Die Konvergenz folgt aus +\[ +a_{n+1}-b_{n+1} +\le +a_{n+1}-b_n += +\frac{a_n+b_n}{2}-b_n += +\frac{a_n-b_n}2 +\le +\frac{a-b}{2^{n+1}}. +\] +Dies zeigt jedoch nur, dass die Konvergenz mindestens ein +Bit in jeder Iteration ist. +Aus +\[ +a_{n+1}^2 - b_{n+1}^2 += +\frac{(a_n+b_n)^2}{4} - a_nb_n += +\frac{a_n^2 -2a_nb_n+b_n^2}{4} += +\frac{(a_n-b_n)^2}{4} +\] +folgt +\[ +a_{n+1}-b_{n+1} += +\frac{(a_n-b_n)^2}{2(a_{n+1}+b_{n+1})}. +\] +Da der Nenner gegen $2M(a,b)$ konvergiert, wird der Fehler für in +jeder Iteration quadriert, die Zahl korrekter Stellen verdoppelt sich +in jeder Iteration, es liegt also quadratische Konvergenz vor. +\end{proof} -\subsubsection{Ableitung} -XXX Ableitung \\ -XXX Stammfunktion \\ +% +% Transformation des elliptischen Integrals +% +\subsubsection{Transformation des elliptischen Integrals} +In diesem Abschnitt soll das Integral +\[ +I(a,b) += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{\sqrt{a^2\cos^2 t + b^2\sin^2t}} +\] +berechnet werden. +Es ist klar, dass +\[ +I(sa,sb) += +\frac{1}{s} I(a,b). +\] -\subsection{Unvollständige elliptische Integrale} +Gauss hat gefunden, dass die Substitution +\begin{equation} +\sin t += +\frac{2a\sin t_1}{a+b+(a-b)\sin^2 t_1} +\label{buch:elliptisch:agm:subst} +\end{equation} +zu +\begin{equation} +\frac{dt}{\sqrt{a^2_{\phantom{1}}\cos^2 t + b^2_{\phantom{1}} \sin^2 t}} += +\frac{dt_1}{\sqrt{a_1^2\cos^2 t_1 + b_1^2 \sin^2 t_1}} +\label{buch:elliptisch:agm:dtdt1} +\end{equation} +führt. +Um dies nachzuprüfen, muss man zunächst +\eqref{buch:elliptisch:agm:subst} +nach $t_1$ ableiten, was +\[ +\frac{d}{dt_1}\sin t += +\cos t +\frac{dt}{dt_1} +\qquad\Rightarrow\qquad +\biggl( +\frac{d}{dt_1}\sin t +\biggr)^2 += +(1-\sin^2t)\biggl(\frac{dt}{dt_1}\biggr)^2 +\] +ergibt. +Die Ableitung von $t$ nach $t_1$ kann auch aus +\eqref{buch:elliptisch:agm:dtdt1} +ableiten, es ist +\[ +\biggl( +\frac{dt}{dt_1} +\biggr)^2 += +\frac{a^2_{\phantom{1}} \cos^2 t + b^2_{\phantom{1}} \sin^2 t}{a_1^2 \cos^2 t_1 + b_1^2 \sin^2 t_1}. +\] +Man muss also nachprüfen, dass +\begin{equation} +\frac{1}{1-\sin^2 t} +\frac{d}{dt_1}\sin t += +\frac{a^2 \cos^2 t + b^2 \sin^2 t}{a_1^2 \cos^2 t_1 + b_1^2 \sin^2 t_1}. +\label{buch:elliptisch:agm:deq} +\end{equation} +Dazu muss man zunächst $a_1=(a+b)/2$, $b_1=\!\sqrt{ab}$ setzen. +Ausserdem muss man $\cos^2 t$ durch $1-\sin^2t$ ersetzen und +$\sin t$ durch \eqref{buch:elliptisch:agm:subst}. +Auch $\cos^2 t_1$ muss man durch $1-\sin^2t_1$ ersetzt werden. +Dann kann man nach einer langwierigen Rechnung, die sich am leichtesten +mit einem Computer-Algebra-System ausführen lässt finden, dass +\eqref{buch:elliptisch:agm:deq} +tatsächlich korrekt ist. + +\begin{satz} +\index{Satz!Gauss-Integrale}% +\label{buch:elliptisch:agm:integrale} +Für $a_1=(a+b)/2$ und $b_1=\sqrt{ab}$ gilt +\[ +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{a^2\cos^2 t + b^2 \sin^2 t} += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt_1}{a_1^2\cos^2 t_1 + b_1^2 \sin^2 t_1}. +\] +\end{satz} + +Der Satz~\ref{buch:elliptisch:agm:integrale} zeigt, dass die Ersetzung +von $a$ und $b$ durch $a_1$ und $b_1$ das Integral $I(a,b)$ nicht ändert. +Dies gilt natürlich für alle Glieder der Folge zur Bestimmung des +arithmetisch-geometrischen Mittels. + +\begin{satz} +\index{Satz!Iab@$I(a,b)$ und arithmetisch geometrisches Mittel}% +Für $a\ge b>0$ gilt +\begin{equation} +I(a,b) += +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{a^2\cos^2 t + b^2\sin^2t} += +\frac{\pi}{2M(a,b)} +\end{equation} +\end{satz} + +\begin{proof}[Beweis] +Zunächst folgt aus Satz~\ref{buch:elliptisch:agm:integrale}, dass +\[ +I(a,b) += +I(a_1,b_1) += +\dots += +I(a_n,b_n). +\] +Ausserdem ist $a_n\to M(a,b)$ und $b_n\to M(a,b)$, +damit wird +\[ +I(a,b) += +\frac{1}{M(a,b)} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{\sqrt{\cos^2 t + \sin^2 t}} += +\frac{\pi}{2M(a,b)}. +\qedhere +\] +\end{proof} + +% +% Berechnung des elliptischen Integrals +% +\subsubsection{Berechnung des elliptischen Integrals} +Das elliptische Integral erster Art hat eine Form, die dem Integral +$I(a,b)$ bereits sehr ähnlich ist. +Im die Verbindung herzustellen, berechnen wir +\begin{align*} +I(a,b) +&= +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{\sqrt{a^2\cos^2 t + b^2 \sin^2 t}} +\\ +&= +\frac{1}{a} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{\sqrt{1-\sin^2 t + \frac{b^2}{a^2} \sin^2 t}} +\\ +&= +\frac{1}{a} +\int_0^{\frac{\pi}2} +\frac{dt}{\sqrt{1-(1-\frac{b^2}{a^2})\sin^2 t}} += +K(k) +\qquad\text{mit}\qquad +k'=\frac{b^2}{a^2},\; +k=\sqrt{1-k^{\prime 2}} +\end{align*} + +\begin{satz} +\index{Satz!vollständige elliptische Integrale und arithmetisch-geometrisches Mittel}% +\label{buch:elliptisch:agm:satz:Ek} +Für $0<k\le 1$ ist +\[ +K(k) = I(1,\sqrt{1-k^2}) = \frac{\pi}{2M(1,\sqrt{1-k^2})} +\] +\end{satz} + +% +% Numerisches Beispiel +% +\subsubsection{Numerisches Beispiel} +\begin{table} +\centering +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline +n& a_n & b_n & \pi/2a_n \mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}% +0 & 1.0000000000000000000 & 0.7071067811865475243 & 1.5707963267948965579 \\ +1 & 0.8535533905932737621 & 0.8408964152537145430 & 1.\underline{8}403023690212201581 \\ +2 & 0.8472249029234941526 & 0.8472012667468914603 & 1.\underline{8540}488143993356315 \\ +3 & 0.8472130848351928064 & 0.8472130847527653666 & 1.\underline{854074677}2111781089 \\ +4 & 0.8472130847939790865 & 0.8472130847939790865 & 1.\underline{854074677301371}8463 \\ +\infty& & & 1.8540746773013719184% +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Die Berechnung des arithmetisch-geometrischen Mittels für +$a=1$ und $b=\sqrt{2}/2$ zeigt die sehr rasche Konvergenz. +\label{buch:elliptisch:agm:numerisch}} +\end{table} +In diesem Abschnitt soll als Zahlenbeispiel $E(k)$ für $k=\sqrt{2}/2$ +berechnet werden. +In diesem speziellen Fall ist $k'=k$. +Tabelle~\ref{buch:elliptisch:agm:numerisch} zeigt die sehr rasche +Konvergenz der Berechnung des arithmetisch-geometrischen Mittels +von $1$ und $\sqrt{2}/2$. +Mit Satz~\ref{buch:elliptisch:agm:satz:Ek} folgt jetzt +\[ +K(\!\sqrt{2}/2) += +\frac{\pi}{2M(1,\!\sqrt{2}/2)} += +1.854074677301372. +\] +Die Berechnung hat nur 4 Mittelwerte, 4 Produkte, 4 Quadratwurzeln und +eine Division erfordert. + +% +% Unvollständige elliptische Integrale +% +\subsection{Unvollständige elliptische Integrale +\label{buch:elliptisch:subsection:unvollstintegral}} Die Funktionen $K(k)$ und $E(k)$ sind als bestimmte Integrale über ein festes Intervall definiert. Die {\em unvollständigen elliptischen Integrale} entstehen, indem die @@ -318,12 +841,18 @@ Die Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:unvollstaendigeintegrale} zeigt Graphen der unvollständigen elliptischen Integrale für verschiedene Werte des Parameters. +% +% Symmetrieeigenschaften +% \subsubsection{Symmetrieeigenschaften} Die Integranden aller drei unvollständigen elliptischen Integrale sind gerade Funktionen der reellen Variablen $t$. Die Funktionen $F(x,k)$, $E(x,k)$ und $\Pi(n,x,k)$ sind daher ungeraden Funktionen von $x$. +% +% Elliptische Integrale als komplexe Funktionen +% \subsubsection{Elliptische Integrale als komplexe Funktionen} Die unvollständigen elliptischen Integrale $F(x,k)$, $F(x,k)$ und $\Pi(n,x,k)$ in Jacobi-Form lassen sich auch für komplexe Argumente interpretieren. @@ -334,10 +863,14 @@ Die Faktoren, die in den Integranden der unvollständigen elliptischen Integrale vorkommen, haben Nullstellen bei $\pm1$, $\pm1/k$ und $\pm 1/\sqrt{n}$ -XXX Additionstheoreme \\ -XXX Parameterkonventionen \\ +% XXX Additionstheoreme \\ +% XXX Parameterkonventionen \\ +% +% Wertebereich +% \subsubsection{Wertebereich} +\label{buch:elliptische:subsubsection:wertebereich} Die unvollständigen elliptischen Integrale betrachtet als reelle Funktionen haben nur positive relle Werte. Zum Beispiel nimmt das unvollständige elliptische Integral erster Art @@ -427,6 +960,9 @@ l({\textstyle\frac{1}{k}})=\int_1^{\frac1{k}} \end{equation} ausgewertet werden. +% +% Komplementärmodul +% \subsubsection{Komplementärmodul} Im vorangegangen Abschnitt wurde gezeigt, dass der Wertebereicht des unvollständigen elliptischen Integrals der ersten Art als komplexe @@ -447,7 +983,7 @@ werden, dass $1-k'^2=k^2$ ist. \begin{definition} Ist $0\le k\le 1$ der Modul eines elliptischen Integrals, dann heisst -$k' = \sqrt{1-k^2}$ er {\em Komplementärmodul} oder {\em Komplement +$k' = \sqrt{1-k^2}$ der {\em Komplementärmodul} oder {\em Komplement des Moduls}. Es ist $k^2+k'^2=1$. \end{definition} @@ -530,6 +1066,9 @@ in das blaue. \label{buch:elliptisch:fig:rechteck}} \end{figure} +% +% Reelle Argument > 1/k +% \subsubsection{Reelle Argument $> 1/k$} Für Argument $x> 1/k$ sind beide Faktoren im Integranden des unvollständigen elliptischen Integrals negativ, das Integral kann @@ -576,7 +1115,141 @@ F(x,k) = iK(k') - F\biggl(\frac1{kx},k\biggr) für die Werte des elliptischen Integrals erster Art für grosse Argumentwerte fest. -\subsection{Potenzreihe} -XXX Potenzreihen \\ -XXX Als hypergeometrische Funktionen \url{https://www.youtube.com/watch?v=j0t1yWrvKmE} \\ -XXX Berechnung mit der Landen-Transformation https://en.wikipedia.org/wiki/Landen%27s_transformation +% +% AGM und Berechnung von F(x,k) +% +\subsubsection{Berechnung von $F(x,k)$ mit dem arithmetisch-geometrischen +Mittel\label{buch:elliptisch:subsubection:berechnung-fxk-agm}} +Wie das vollständige elliptische Integral $K(k)$ kann auch das +unvollständige elliptische Integral +\begin{align*} +F(x,k) +&= +\int_0^x \frac{d\xi}{\sqrt{(1-\xi^2)(1-k^{\prime 2}\xi^2)}} += +\int_0^{\varphi} +\frac{dt}{\sqrt{1-k^2 \sin^2 t}} +&&\text{mit $x=\sin\varphi$} +\\ +&= +a +\int_0^{\varphi} \frac{dt}{a^2 \cos^2 t + b^2 \sin^2 t} +&&\text{mit $k=b/a$} +\end{align*} +mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel berechnet werden. +Dazu muss die Substitution +\eqref{buch:elliptisch:agm:subst} +verwendet werden, um auch den Winkel $\varphi_1$ zu berechnen. +Zunächst wird \eqref{buch:elliptisch:agm:subst} nach $x_1=\sin t_1$ +aufgelöst. +Durch Multiplikation mit dem Nenner erhält man mit der Abkürzung +$x=\sin t$ %und $x_1=\sin t_1$ +die quadratische Gleichung +\[ +(a-b)x x_1^2 +- +2ax_1 ++ +(a+b)x += +0, +\] +mit der Lösung +\begin{equation} +x_1 += +\frac{a-\sqrt{a^2-(a^2-b^2)x^2}}{(a-b)x}. +\label{buch:elliptisch:unvollstagm:xrek} +\end{equation} +Der Algorithmus zur Berechnung des arithmetisch-geometrischen Mittels +muss daher verallgemeinert werden zu +\begin{equation} +\left. +\begin{aligned} +a_{n+1} &= \frac{a_n+b_n}2, &\qquad a_0 &= a +\\ +b_{n+1} &= \sqrt{a_nb_n}, & b_0 &= b +\\ +x_{n+1} &= \frac{a_n-\sqrt{a_n^2-(a_n^2-b_n^2)x_n^2}}{(a_n-b_n)x_n}, & x_0 &= x +\end{aligned} +\quad +\right\} +\label{buch:elliptisch:unvollstagm:rek} +\end{equation} +Die Folge $x_n$ konvergiert gegen einen Wert $x_{\infty} = \lim_{n\to\infty} x_n$. +Der Wert des unvollständigen elliptischen Integrals ist dann der Grenzwert +\[ +F(x,k) += +\lim_{n\to\infty} +\frac{\arcsin x_n}{M(a_n,b_n)} += +\frac{\arcsin x_{\infty}}{M(1,\sqrt{1-k^2})}. +\] + +In dieser Form ist die Berechnung allerdings nicht praktisch durchführbar. +Das Problem ist, dass die Differenz $a_n-b_n$, die in +\eqref{buch:elliptisch:unvollstagm:rek} +im Nenner vorkommt, sehr schnell gegen Null geht. +Ausserdem ist die Quadratwurzel im Zähler fast gleich gross wie +$a_n$, was zu Auslöschung und damit ungenauen Resultaten führt. +\label{buch:elliptisch:agm:ellintegral-stabilitaet} + +Eine Möglichkeit, das Problem zu entschärfen, ist, die Rekursionsformel +nach $\varepsilon = a-b$ zu entwickeln. +Mit $a+b=2a+\varepsilon$ kann man $b$ aus der Formel elimineren und erhält +mit Hilfe der binomischen Reihe +\begin{align*} +x_1 +&= +\frac{a}{x\varepsilon} +\left(1-\sqrt{1-\varepsilon(2a-\varepsilon)x^2/a^2}\right) +\\ +&= +\frac{a}{x\varepsilon} +\biggl( +1-\sum_{k=0}^\infty +(-1)^k +\frac{(\frac12)_k}{k!} \varepsilon^k(2a-\varepsilon)^k\frac{x^{2k}}{a^{2k}} +\biggr) +\\ +&= +\sum_{k=1}^\infty +(-1)^{k-1} +\frac{(\frac12)_k}{k!} \varepsilon^{k-1}(2a-\varepsilon)^k\frac{x^{2k-1}}{a^{2k-1}} +\\ +&= +\frac{\frac12}{1!}(2a-\varepsilon)\frac{x}{a} +- +\frac{\frac12\cdot(\frac12-1)}{2!}\varepsilon(2a-\varepsilon)^2\frac{x^3}{a^3} ++ +\frac{\frac12\cdot(\frac12-1)(\frac12-2)}{3!}\varepsilon^2(2a-\varepsilon)^3\frac{x^5}{a^5} +- +\dots +\\ +&= +x\biggl(1-\frac{\varepsilon}{2a}\biggr) +\biggl( +1 +- +\frac{\frac12-1}{2!}\varepsilon(2a-\varepsilon)\frac{x^2}{a^2} ++ +\frac{(\frac12-1)(\frac12-2)}{3!}\varepsilon^2(2a-\varepsilon)^2\frac{x^4}{a^4} +- +\dots +\biggr) +\\ +&= +x\biggl(1-\frac{\varepsilon}{2a}\biggr) +\cdot +\mathstrut_2F_1\biggl( +\begin{matrix}-\frac12,1\\2\end{matrix};-\varepsilon(2a-\varepsilon)\frac{x^2}{a^2} +\biggr). +\end{align*} +Diese Form ist wesentlich besser, aber leider kann es bei der numerischen +Rechnung passieren, dass $\varepsilon < 0$ wird. + +%\subsection{Potenzreihe} +%XXX Potenzreihen \\ +%XXX Als hypergeometrische Funktionen \url{https://www.youtube.com/watch?v=j0t1yWrvKmE} \\ +%XXX Berechnung mit der Landen-Transformation https://en.wikipedia.org/wiki/Landen%27s_transformation diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/elltrigo.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/elltrigo.tex new file mode 100644 index 0000000..49e6686 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/elltrigo.tex @@ -0,0 +1,1076 @@ +% +% elltrigo.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +% +% elliptische Funktionen als Trigonometrie +% +\subsection{Elliptische Funktionen als Trigonometrie} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/ellipse.pdf} +\caption{Kreis und Ellipse zum Vergleich und zur Herleitung der +elliptischen Funktionen von Jacobi als ``trigonometrische'' Funktionen +auf einer Ellipse. +\label{buch:elliptisch:fig:ellipse}} +\end{figure} +% based on Willliam Schwalm, Elliptic functions and elliptic integrals +% https://youtu.be/DCXItCajCyo +Die Ellipse wurde in Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:kegelschnitte} +als Kegelschnitt erkannt und auf verschiedene Arten parametrisiert. +In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, wie man die Parametrisierung +eines Kreises mit trigonometrischen Funktionen verallgemeinern kann +auf eine Parametrisierung einer Ellipse mit den drei +Funktionen $\operatorname{sn}(u,k)$, +$\operatorname{cn}(u,k)$ und $\operatorname{dn}(u,k)$, +die ähnliche Eigenschaften haben wie die trigonometrischen Funktionen. + +Die nachstehende Darstellung ist stark inspiriert von William Schwalms +sehr zielorientierten Einführung +\cite{buch:schwalm}, welche auch als Youtube-Videovorlesung +\cite{buch:schwalm-youtube} zur Verfügung steht. + +% +% Geometrie einer Ellipse +% +\subsubsection{Geometrie einer Ellipse} +Eine {\em Ellipse} ist die Menge der Punkte der Ebene, für die die Summe +\index{Ellipse}% +der Entfernungen von zwei festen Punkten $F_1$ und $F_2$, +den {\em Brennpunkten}, konstant ist. +\index{Brennpunkt}% +In Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellipse} eine Ellipse +mit Brennpunkten in $F_1=(-e,0)$ und $F_2=(e,0)$ dargestellt, +die durch die Punkte $(\pm a,0)$ und $(0,\pm b)$ auf den Achsen geht. +Der Punkt $(a,0)$ hat die Entfernungen $a+e$ und $a-e$ von den beiden +Brennpunkten, also die Entfernungssumme $a+e+a-e=2a$. +Jeder andere Punkt auf der Ellipse muss ebenfalls diese Entfernungssumme +haben, insbesondere auch der Punkt $(0,b)$. +Seine Entfernung zu jedem Brennpunkt muss aus Symmetriegründen gleich gross, +also $a$ sein. +Aus dem Satz von Pythagoras liest man daher ab, dass +\[ +b^2+e^2=a^2 +\qquad\Rightarrow\qquad +e^2 = a^2-b^2 +\] +sein muss. +Die Strecke $e$ heisst auch {\em (lineare) Exzentrizität} der Ellipse. +Das Verhältnis $\varepsilon= e/a$ heisst die {\em numerische Exzentrizität} +der Ellipse. + +% +% Die Ellipsengleichung +% +\subsubsection{Ellipsengleichung} +Der Punkt $P=(x,y)$ auf der Ellipse hat die Entfernungen +\begin{equation} +\begin{aligned} +\overline{PF_1}^2 +&= +y^2 + (x+e)^2 +\\ +\overline{PF_2}^2 +&= +y^2 + (x-e)^2 +\end{aligned} +\label{buch:elliptisch:eqn:wurzelausdruecke} +\end{equation} +von den Brennpunkten, für die +\begin{equation} +\overline{PF_1}+\overline{PF_2} += +2a +\label{buch:elliptisch:eqn:pf1pf2a} +\end{equation} +gelten muss. +Man kann nachrechnen, dass ein Punkt $P$, der die Gleichung +\[ +\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}=1 +\] +erfüllt, auch die Eigenschaft~\eqref{buch:elliptisch:eqn:pf1pf2a} +erfüllt. +Zur Vereinfachung setzen wir $l_1=\overline{PF_1}$ und $l_2=\overline{PF_2}$. +$l_1$ und $l_2$ sind Wurzeln aus der rechten Seite von +\eqref{buch:elliptisch:eqn:wurzelausdruecke}. +Das Quadrat von $l_1+l_2$ ist +\[ +l_1^2 + 2l_1l_2 + l_2^2 = 4a^2. +\] +Um die Wurzeln ganz zu eliminieren, bringt man das Produkt $l_1l_2$ alleine +auf die rechte Seite und quadriert. +Man muss also verifizieren, dass +\[ +(l_1^2 + l_2^2 -4a^2)^2 = 4l_1^2l_2^2. +\] +In den entstehenden Ausdrücken muss man ausserdem $e=\sqrt{a^2-b^2}$ und +\[ +y=b\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}} +\] +substituieren. +Diese Rechnung führt man am einfachsten mit Hilfe eines +Computeralgebraprogramms durch, welches obige Behauptung bestätigt. + +% +% Normierung +% +\subsubsection{Normierung} +Die trigonometrischen Funktionen sind definiert als Verhältnisse +von Seiten rechtwinkliger Dreiecke. +Dadurch, dass man den die Hypothenuse auf Länge $1$ normiert, +kann man die Sinus- und Kosinus-Funktion als Koordinaten eines +Punktes auf dem Einheitskreis interpretieren. + +Für die Koordinaten eines Punktes auf der Ellipse ist dies nicht so einfach, +weil es nicht nur eine Ellipse gibt, sondern für jede numerische Exzentrizität +mindestens eine mit Halbachse $1$. +Wir wählen die Ellipsen so, dass $a$ die grosse Halbachse ist, also $a>b$. +Als Normierungsbedingung verwenden wir, dass $b=1$ sein soll, wie in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef}. +Dann ist $a=1/\varepsilon>1$. +In dieser Normierung haben Punkte $(x,y)$ auf der Ellipse $y$-Koordinaten +zwischen $-1$ und $1$ und $x$-Koordinaten zwischen $-a$ und $a$. + +Im Zusammenhang mit elliptischen Funktionen wird die numerische Exzentrizität +$\varepsilon$ auch mit +\[ +k += +\varepsilon += +\frac{e}{a} += +\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a} += +\frac{\sqrt{a^2-1}}{a}, +\] +die Zahl $k$ heisst auch der {\em Modulus}. +Man kann $a$ auch durch $k$ ausdrücken, durch Quadrieren und Umstellen +findet man +\[ +k^2a^2 = a^2-1 +\quad\Rightarrow\quad +1=a^2(k^2-1) +\quad\Rightarrow\quad +a=\frac{1}{\sqrt{k^2-1}}. +\] + +Die Gleichung der ``Einheitsellipse'' zu diesem Modulus ist +\[ +\frac{x^2}{a^2}+y^2=1 +\qquad\text{oder}\qquad +x^2(k^2-1) + y^2 = 1. +\] + +% +% Definition der elliptischen Funktionen +% +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/jacobidef.pdf} +\caption{Definition der elliptischen Funktionen als Trigonometrie +an einer Ellipse mit Halbachsen $a$ und $1$. +\label{buch:elliptisch:fig:jacobidef}} +\end{figure} +\subsubsection{Definition der Jacobischen elliptischen Funktionen} +Die elliptischen Funktionen für einen Punkt $P$ auf der Ellipse mit Modulus $k$ +können jetzt als Verhältnisse der Koordinaten des Punktes definieren. +Es stellt sich aber die Frage, was man als Argument verwenden soll. +Es soll so etwas wie den Winkel $\varphi$ zwischen der $x$-Achse und dem +Radiusvektor zum Punkt $P$ +darstellen, aber wir haben hier noch eine Wahlfreiheit, die wir später +ausnützen möchten. +Im Moment müssen wir die Frage noch nicht beantworten und nennen das +noch unbestimmte Argument $u$. +Wir kümmern uns später um die Frage, wie $u$ von $\varphi$ abhängt. + +Die Funktionen, die wir definieren wollen, hängen ausserdem auch +vom Modulus ab. +Falls der verwendete Modulus aus dem Zusammenhang klar ist, lassen +wir das $k$-Argument weg. + +Die Punkte auf dem Einheitskreis haben alle den gleichen Abstand vom +Nullpunkt, dies ist gleichzeitig die definierende Gleichung $r^2=x^2+y^2=1$ +des Kreises. +Die Punkte auf der Ellipse erfüllen die Gleichung $x^2/a^2+y^2=1$, +die Entfernung der Punkte $r=\sqrt{x^2+y^2}$ vom Nullpunkt variert aber. + +In Analogie zu den trigonometrischen Funktionen setzen wir jetzt für +die Funktionen +\[ +\begin{aligned} +&\text{sinus amplitudinis:}& +{\color{red}\operatorname{sn}(u,k)}&= y \\ +&\text{cosinus amplitudinis:}& +{\color{blue}\operatorname{cn}(u,k)}&= \frac{x}{a} \\ +&\text{delta amplitudinis:}& +{\color{darkgreen}\operatorname{dn}(u,k)}&=\frac{r}{a}, +\end{aligned} +\] +die auch in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef} +dargestellt sind. +Aus der Gleichung der Ellipse folgt sofort, dass +\[ +\operatorname{sn}(u,k)^2 + \operatorname{cn}(u,k)^2 = 1 +\] +ist. +Der Satz von Pythagoras kann verwendet werden, um die Entfernung zu +berechnen, also gilt +\begin{equation} +r^2 += +a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 += +x^2 + y^2 += +a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 + \operatorname{sn}(u,k)^2 +\quad +\Rightarrow +\quad +a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 += +a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 + \operatorname{sn}(u,k)^2. +\label{buch:elliptisch:eqn:sncndnrelation} +\end{equation} +Ersetzt man +$ +a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 += +a^2-a^2\operatorname{sn}(u,k)^2 +$, ergibt sich +\[ +a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 += +a^2-a^2\operatorname{sn}(u,k)^2 ++ +\operatorname{sn}(u,k)^2 +\quad +\Rightarrow +\quad +\operatorname{dn}(u,k)^2 ++ +\frac{a^2-1}{a^2}\operatorname{sn}(u,k)^2 += +1, +\] +woraus sich die Identität +\[ +\operatorname{dn}(u,k)^2 + k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2 = 1 +\] +ergibt. +Ebenso kann man aus~\eqref{buch:elliptisch:eqn:sncndnrelation} +die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ eliminieren, was auf +\[ +a^2\operatorname{dn}(u,k)^2 += +a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 ++1-\operatorname{cn}(u,k)^2 += +(a^2-1)\operatorname{cn}(u,k)^2 ++1. +\] +Nach Division durch $a^2$ ergibt sich +\begin{align*} +\operatorname{dn}(u,k)^2 +- +k^2\operatorname{cn}(u,k)^2 +&= +\frac{1}{a^2} += +\frac{a^2-a^2+1}{a^2} += +1-k^2 =: k^{\prime 2}. +\end{align*} +Wir stellen die hiermit gefundenen Relationen zwischen den grundlegenden +Jacobischen elliptischen Funktionen für später zusammen in den Formeln +\begin{equation} +\begin{aligned} +\operatorname{sn}^2(u,k) ++ +\operatorname{cn}^2(u,k) +&= +1 +\\ +\operatorname{dn}^2(u,k) + k^2\operatorname{sn}^2(u,k) +&= +1 +\\ +\operatorname{dn}^2(u,k) -k^2\operatorname{cn}^2(u,k) +&= +k^{\prime 2}. +\end{aligned} +\label{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +\end{equation} +zusammen. +So wie es möglich ist, $\sin\alpha$ durch $\cos\alpha$ auszudrücken, +ist es mit +\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +jetzt auch möglich jede grundlegende elliptische Funktion durch +jede anderen auszudrücken. +Die Resultate sind in der Tabelle~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen} +zusammengestellt. + +\begin{table} +\centering +\renewcommand{\arraystretch}{2.1} +\begin{tabular}{|>{$\displaystyle}c<{$}|>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}|} +\hline +&\operatorname{sn}(u,k) +&\operatorname{cn}(u,k) +&\operatorname{dn}(u,k)\\ +\hline +\operatorname{sn}(u,k) +&\operatorname{sn}(u,k) +&\sqrt{1-\operatorname{cn}^2(u,k)} +&\frac1k\sqrt{1-\operatorname{dn}^2(u,k)} +\\ +\operatorname{cn}(u,k) +&\sqrt{1-\operatorname{sn}^2(u,k)} +&\operatorname{cn}(u,k) +&\frac{1}{k}\sqrt{\operatorname{dn}^2(u,k)-k^{\prime2}} +\\ +\operatorname{dn}(u,k) +&\sqrt{1-k^2\operatorname{sn}^2(u,k)} +&\sqrt{k^{\prime2}+k^2\operatorname{cn}^2(u,k)} +&\operatorname{dn}(u,k) +\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Jede der Jacobischen elliptischen Funktionen lässt sich +unter Verwendung der Relationen~\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +durch jede andere ausdrücken. +\label{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen}} +\end{table} + +% +% Ableitungen der Jacobi-ellpitischen Funktionen +% +\subsubsection{Ableitung} +Die trigonometrischen Funktionen sind deshalb so besonders nützlich +für die Lösung von Schwingungsdifferentialgleichungen, weil sie die +Beziehungen +\[ +\frac{d}{d\varphi} \cos\varphi = -\sin\varphi +\qquad\text{und}\qquad +\frac{d}{d\varphi} \sin\varphi = \cos\varphi +\] +erfüllen. +So einfach können die Beziehungen natürlich nicht sein, sonst würde sich +durch Integration ja wieder nur die trigonometrischen Funktionen ergeben. +Durch geschickte Wahl des Arguments $u$ kann man aber erreichen, dass +sie ähnlich nützliche Beziehungen zwischen den Ableitungen ergeben. + +Gesucht ist jetzt also eine Wahl für das Argument $u$ zum Beispiel in +Abhängigkeit von $\varphi$, dass sich einfache und nützliche +Ableitungsformeln ergeben. +Wir setzen daher $u(\varphi)$ voraus und beachten, dass $x$ und $y$ +ebenfalls von $\varphi$ abhängen, es ist +$y=\sin\varphi$ und $x=a\cos\varphi$. +Die Ableitungen von $x$ und $y$ nach $\varphi$ sind +\begin{align*} +\frac{dy}{d\varphi} +&= +\cos\varphi += +\frac{1}{a} x += +\operatorname{cn}(u,k) +\\ +\frac{dx}{d\varphi} +&= +-a\sin\varphi += +-a y += +-a\operatorname{sn}(u,k). +\end{align*} +Daraus kann man jetzt die folgenden Ausdrücke für die Ableitungen der +elliptischen Funktionen nach $\varphi$ ableiten: +\begin{align*} +\frac{d}{d\varphi} \operatorname{sn}(u,z) +&= +\frac{d}{d\varphi} y(\varphi) += +\cos\varphi += +\frac{x}{a} += +\operatorname{cn}(u,k) +&&\Rightarrow& +\frac{d}{du} +\operatorname{sn}(u,k) +&= +\operatorname{cn}(u,k) \frac{d\varphi}{du} +\\ +\frac{d}{d\varphi} \operatorname{cn}(u,z) +&= +\frac{d}{d\varphi} \frac{x(\varphi)}{a} += +-\sin\varphi += +-\operatorname{sn}(u,k) +&&\Rightarrow& +\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) +&= +-\operatorname{sn}(u,k) \frac{d\varphi}{du} +\\ +\frac{d}{d\varphi} \operatorname{dn}(u,z) +&= +\frac{1}{a}\frac{dr}{d\varphi} += +\frac{1}{a}\frac{d\sqrt{x^2+y^2}}{d\varphi} +%\\ +%& +\rlap{$\displaystyle\mathstrut += +\frac{x}{ar} \frac{dx}{d\varphi} ++ +\frac{y}{ar} \frac{dy}{d\varphi} +%\\ +%& += +\frac{x}{ar} (-a\operatorname{sn}(u,k)) ++ +\frac{y}{ar} \operatorname{cn}(u,k) +$} +\\ +& +\rlap{$\displaystyle\mathstrut += +\frac{x}{ar}(-ay) ++ +\frac{y}{ar} \frac{x}{a} +%\rlap{$\displaystyle += +\frac{xy(-1+\frac{1}{a^2})}{r} +%$} +%\\ +%& += +-\frac{xy(a^2-1)}{a^2r} +$} +\\ +&= +-\frac{a^2-1}{ar} +\operatorname{cn}(u,k) \operatorname{sn}(u,k) +%\\ +%& +\rlap{$\displaystyle\mathstrut += +-k^2 +\frac{a}{r} +\operatorname{cn}(u,k) \operatorname{sn}(u,k) +$} +\\ +&= +-k^2\frac{\operatorname{cn}(u,k)\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} +&&\Rightarrow& +\frac{d}{du} \operatorname{dn}(u,k) +&= +-k^2\frac{\operatorname{cn}(u,k) +\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} +\frac{d\varphi}{du}. +\end{align*} +Die einfachsten Beziehungen ergeben sich offenbar, wenn man $u$ so +wählt, dass +\[ +\frac{d\varphi}{du} += +\operatorname{dn}(u,k) += +\frac{r}{a}. +\] +Damit haben wir die grundlegenden Ableitungsregeln + +\begin{satz} +\index{Satz!Ableitungen der Jacobischen elliptischen Funktionen}% +\label{buch:elliptisch:satz:ableitungen} +Die Jacobischen elliptischen Funktionen haben die Ableitungen +\begin{equation} +\begin{aligned} +\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k) +&= +\phantom{-}\operatorname{cn}(u,k)\operatorname{dn}(u,k) +\\ +\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) +&= +-\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{dn}(u,k) +\\ +\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) +&= +-k^2\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}(u,k). +\end{aligned} +\label{buch:elliptisch:eqn:ableitungsregeln} +\end{equation} +\end{satz} + +% +% Der Grenzfall $k=1$ +% +\subsubsection{Der Grenzwert $k\to1$} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/sncnlimit.pdf} +\caption{Grenzfälle der Jacobischen elliptischen Funktionen +für die Werte $0$ und $1$ des Parameters $k$. +\label{buch:elliptisch:fig:sncnlimit}} +\end{figure} +Für $k=1$ ist $k^{\prime2}=1-k^2=$ und es folgt aus den +Relationen~\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +\[ +\operatorname{cn}^2(u,k) +- +k^2 +\operatorname{dn}^2(u,k) += +k^{\prime2} += +0 +\qquad\Rightarrow\qquad +\operatorname{cn}^2(u,1) += +\operatorname{dn}^2(u,1), +\] +die beiden Funktionen +$\operatorname{cn}(u,k)$ +und +$\operatorname{dn}(u,k)$ +fallen also zusammen. +Die Ableitungsregeln werden dadurch vereinfacht: +\begin{align*} +\operatorname{sn}'(u,1) +&= +\operatorname{cn}(u,1) +\operatorname{dn}(u,1) += +\operatorname{cn}^2(u,1) += +1-\operatorname{sn}^2(u,1) +&&\Rightarrow& y'&=1-y^2 +\\ +\operatorname{cn}'(u,1) +&= +- +\operatorname{sn}(u,1) +\operatorname{dn}(u,1) += +- +\operatorname{sn}(u,1)\operatorname{cn}(u,1) +&&\Rightarrow& +\frac{z'}{z}&=(\log z)' = -y +\end{align*} +Die erste Differentialgleichung für $y$ lässt sich separieren, man findet +die Lösung +\[ +\frac{y'}{1-y^2} += +1 +\quad\Rightarrow\quad +\int \frac{dy}{1-y^2} = \int \,du +\quad\Rightarrow\quad +\operatorname{artanh}(y) = u +\quad\Rightarrow\quad +\operatorname{sn}(u,1)=\tanh u. +\] +Damit kann man jetzt auch $z$ berechnen: +\begin{align*} +(\log \operatorname{cn}(u,1))' +&= +\tanh u +&&\Rightarrow& +\log\operatorname{cn}(u,1) +&= +-\int\tanh u\,du += +-\log\cosh u +\\ +& +&&\Rightarrow& +\operatorname{cn}(u,1) +&= +\frac{1}{\cosh u} += +\operatorname{sech}u. +\end{align*} +Die Grenzfunktionen sind in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:sncnlimit} +dargestellt. + +% +% Das Argument u +% +\subsubsection{Das Argument $u$} +Die Gleichung +\begin{equation} +\frac{d\varphi}{du} += +\operatorname{dn}(u,k) +\label{buch:elliptisch:eqn:uableitung} +\end{equation} +ermöglicht, $\varphi$ in Abhängigkeit von $u$ zu berechnen, ohne jedoch +die geometrische Bedeutung zu klären. +Das beginnt bereits damit, dass der Winkel $\varphi$ nicht nicht der +Polarwinkel des Punktes $P$ in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef} +ist, diesen nennen wir $\vartheta$. +Der Zusammenhang zwischen $\varphi$ und $\vartheta$ ist +\begin{equation} +\frac1{a}\tan\varphi = \tan\vartheta +\label{buch:elliptisch:eqn:phitheta} +\end{equation} + +Um die geometrische Bedeutung besser zu verstehen, nehmen wir jetzt an, +dass die Ellipse mit einem Parameter $t$ parametrisiert ist, dass also +$\varphi(t)$, $\vartheta(t)$ und $u(t)$ Funktionen von $t$ sind. +Die Ableitung von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:phitheta} ist +\[ +\frac1{a}\cdot \frac{1}{\cos^2\varphi}\cdot \dot{\varphi} += +\frac{1}{\cos^2\vartheta}\cdot \dot{\vartheta}. +\] +Daraus kann die Ableitung von $\vartheta$ nach $\varphi$ bestimmt +werden, sie ist +\[ +\frac{d\vartheta}{d\varphi} += +\frac{\dot{\vartheta}}{\dot{\varphi}} += +\frac{1}{a} +\cdot +\frac{\cos^2\vartheta}{\cos^2\varphi} += +\frac{1}{a} +\cdot +\frac{(x/r)^2}{(x/a)^2} += +\frac{1}{a}\cdot +\frac{a^2}{r^2} += +\frac{1}{a}\cdot\frac{1}{\operatorname{dn}^2(u,k)}. +\] +Damit kann man jetzt mit Hilfe von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:uableitung} +Die Ableitung von $\vartheta$ nach $u$ ermitteln, sie ist +\[ +\frac{d\vartheta}{du} += +\frac{d\vartheta}{d\varphi} +\cdot +\frac{d\varphi}{du} += +\frac{1}{a}\cdot\frac{1}{\operatorname{dn}^2(u,k)} +\cdot +\operatorname{dn}(u,k) += +\frac{1}{a} +\cdot +\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} += +\frac{1}{a} +\cdot\frac{a}{r} += +\frac{1}{r}, +\] +wobei wir auch die Definition der Funktion $\operatorname{dn}(u,k)$ +verwendet haben. + +In der Parametrisierung mit dem Parameter $t$ kann man jetzt die Ableitung +von $u$ nach $t$ berechnen als +\[ +\frac{du}{dt} += +\frac{du}{d\vartheta} +\frac{d\vartheta}{dt} += +r +\dot{\vartheta}. +\] +Darin ist $\dot{\vartheta}$ die Winkelgeschwindigkeit des Punktes um +das Zentrum $O$ und $r$ ist die aktuelle Entfernung des Punktes $P$ +von $O$. +$r\dot{\vartheta}$ ist also die Geschwindigkeitskomponenten des Punktes +$P$ senkrecht auf den aktuellen Radiusvektor. +Der Parameter $u$, der zum Punkt $P$ gehört, ist also das Integral +\[ +u(P) = \int_0^P r\,d\vartheta. +\] +Für einen Kreis ist die Geschwindigkeit von $P$ immer senkrecht +auf dem Radiusvektor und der Radius ist konstant, so dass +$u(P)=\vartheta(P)$ ist. + +% +% Die abgeleiteten elliptischen Funktionen +% +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/jacobi12.pdf} +\caption{Die Verhältnisse der Funktionen +$\operatorname{sn}(u,k)$, +$\operatorname{cn}(u,k)$ +udn +$\operatorname{dn}(u,k)$ +geben Anlass zu neun weitere Funktionen, die sich mit Hilfe +des Strahlensatzes geometrisch interpretieren lassen. +\label{buch:elliptisch:fig:jacobi12}} +\end{figure} +\begin{table} +\centering +\renewcommand{\arraystretch}{2.5} +\begin{tabular}{|>{$\displaystyle}c<{$}|>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}|} +\hline +\cdot & +\frac{1}{1} & +\frac{1}{\operatorname{sn}(u,k)} & +\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} & +\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} +\\[5pt] +\hline +1& +&%\operatorname{nn}(u,k)=\frac{1}{1} & +\operatorname{ns}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{sn}(u,k)} & +\operatorname{nc}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} & +\operatorname{nd}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} +\\ +\operatorname{sn}(u,k) & +\operatorname{sn}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{1}& +&%\operatorname{ss}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& +\operatorname{sc}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& +\operatorname{sd}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} +\\ +\operatorname{cn}(u,k) & +\operatorname{cn}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{1} & +\operatorname{cs}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& +&%\operatorname{cc}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& +\operatorname{cd}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} +\\ +\operatorname{dn}(u,k) & +\operatorname{dn}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{1} & +\operatorname{ds}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& +\operatorname{dc}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& +%\operatorname{dd}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} +\\[5pt] +\hline +\end{tabular} +\caption{Zusammenstellung der abgeleiteten Jacobischen elliptischen +Funktionen in hinteren drei Spalten als Quotienten der grundlegenden +Jacobischen elliptischen Funktionen. +Die erste Spalte zum Nenner $1$ enthält die grundlegenden +Jacobischen elliptischen Funktionen. +\label{buch:elliptisch:table:abgeleitetjacobi}} +\end{table} + +% +% Die abgeleiteten elliptischen Funktionen +% +\subsubsection{Die abgeleiteten elliptischen Funktionen} +Zusätzlich zu den grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktioenn +lassen sich weitere elliptische Funktionen bilden, die unglücklicherweise +die {\em abgeleiteten elliptischen Funktionen} genannt werden. +Ähnlich wie die trigonometrischen Funktionen $\tan\alpha$, $\cot\alpha$, +$\sec\alpha$ und $\csc\alpha$ als Quotienten von $\sin\alpha$ und +$\cos\alpha$ definiert sind, sind die abgeleiteten elliptischen Funktionen +die in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:table:abgeleitetjacobi} zusammengestellten +Quotienten der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen. +Die Bezeichnungskonvention ist, dass die Funktion $\operatorname{pq}(u,k)$ +ein Quotient ist, dessen Zähler durch den Buchstaben p bestimmt ist, +der Nenner durch den Buchstaben q. +Der Buchstabe n steht für eine $1$, die Buchstaben s, c und d stehen für +die Anfangsbuchstaben der grundlegenden Jacobischen elliptischen +Funktionen. +Meint man irgend eine der Jacobischen elliptischen Funktionen, schreibt +man manchmal auch $\operatorname{zn}(u,k)$. + +In Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi12} sind die Quotienten auch +geometrisch interpretiert. +Der Wert der Funktion $\operatorname{nq}(u,k)$ ist die auf dem Strahl +mit Polarwinkel $\varphi$ abgetragene Länge bis zu den vertikalen +Geraden, die den verschiedenen möglichen Nennern entsprechen. +Entsprechend ist der Wert der Funktion $\operatorname{dq}(u,k)$ die +Länge auf dem Strahl mit Polarwinkel $\vartheta$. + +Die Relationen~\ref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +ermöglichen, jede Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ durch jede +andere auszudrücken. +Die schiere Anzahl solcher Beziehungen macht es unmöglich, sie +übersichtlich in einer Tabelle zusammenzustellen, daher soll hier +nur an einem Beispiel das Vorgehen gezeigt werden: + +\begin{beispiel} +Die Funktion $\operatorname{sc}(u,k)$ soll durch $\operatorname{cd}(u,k)$ +ausgedrückt werden. +Zunächst ist +\[ +\operatorname{sc}(u,k) += +\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} +\] +nach Definition. +Im Resultat sollen nur noch $\operatorname{cn}(u,k)$ und +$\operatorname{dn}(u,k)$ vorkommen. +Daher eliminieren wir zunächst die Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ +mit Hilfe von \eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} und erhalten +\begin{equation} +\operatorname{sc}(u,k) += +\frac{\sqrt{1-\operatorname{cn}^2(u,k)}}{\operatorname{cn}(u,k)}. +\label{buch:elliptisch:eqn:allgausdruecken} +\end{equation} +Nun genügt es, die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ durch +$\operatorname{cd}(u,k)$ auszudrücken. +Aus der Definition und der +dritten Relation in \eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} +erhält man +\begin{align*} +\operatorname{cd}^2(u,k) +&= +\frac{\operatorname{cn}^2(u,k)}{\operatorname{dn}^2(u,k)} += +\frac{\operatorname{cn}^2(u,k)}{k^{\prime2}+k^2\operatorname{cn}^2(u,k)} +\\ +\Rightarrow +\qquad +k^{\prime 2} +\operatorname{cd}^2(u,k) ++ +k^2\operatorname{cd}^2(u,k)\operatorname{cn}^2(u,k) +&= +\operatorname{cn}^2(u,k) +\\ +\operatorname{cn}^2(u,k) +- +k^2\operatorname{cd}^2(u,k)\operatorname{cn}^2(u,k) +&= +k^{\prime 2} +\operatorname{cd}^2(u,k) +\\ +\operatorname{cn}^2(u,k) +&= +\frac{ +k^{\prime 2} +\operatorname{cd}^2(u,k) +}{ +1 - k^2\operatorname{cd}^2(u,k) +} +\end{align*} +Für den Zähler brauchen wir $1-\operatorname{cn}^2(u,k)$, also +\[ +1-\operatorname{cn}^2(u,k) += +\frac{ +1 +- +k^2\operatorname{cd}^2(u,k) +- +k^{\prime 2} +\operatorname{cd}^2(u,k) +}{ +1 +- +k^2\operatorname{cd}^2(u,k) +} += +\frac{1-\operatorname{cd}^2(u,k)}{1-k^2\operatorname{cd}^2(u,k)} +\] +Einsetzen in~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgausdruecken} gibt +\begin{align*} +\operatorname{sc}(u,k) +&= +\frac{ +\sqrt{1-\operatorname{cd}^2(u,k)} +}{\sqrt{1-k^2\operatorname{cd}^2(u,k)}} +\cdot +\frac{ +\sqrt{1 - k^2\operatorname{cd}^2(u,k)} +}{ +k' +\operatorname{cd}(u,k) +} += +\frac{ +\sqrt{1-\operatorname{cd}^2(u,k)} +}{ +k' +\operatorname{cd}(u,k) +}. +\qedhere +\end{align*} +\end{beispiel} + +\subsubsection{Ableitung der abgeleiteten elliptischen Funktionen} +Aus den Ableitungen der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen +können mit der Quotientenregel nun auch beliebige Ableitungen der +abgeleiteten Jacobischen elliptischen Funktionen gefunden werden. +Als Beispiel berechnen wir die Ableitung von $\operatorname{sc}(u,k)$. +Sie ist +\begin{align*} +\frac{d}{du} +\operatorname{sc}(u,k) +&= +\frac{d}{du} +\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} += +\frac{ +\operatorname{sn}'(u,k)\operatorname{cn}(u,k) +- +\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}'(u,k)}{ +\operatorname{cn}^2(u,k) +} +\\ +&= +\frac{ +\operatorname{cn}^2(u,k)\operatorname{dn}(u,k) ++ +\operatorname{sn}^2(u,k)\operatorname{dn}(u,k) +}{ +\operatorname{cn}^2(u,k) +} += +\frac{( +\operatorname{sn}^2(u,k) ++ +\operatorname{cn}^2(u,k) +)\operatorname{dn}(u,k)}{ +\operatorname{cn}^2(u,k) +} +\\ +&= +\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} +\cdot +\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} += +\operatorname{nc}(u,k) +\operatorname{dc}(u,k). +\end{align*} +Man beachte, dass das Quadrat der Nennerfunktion im Resultat +der Quotientenregel zur Folge hat, dass die +beiden Funktionen im Resultat beide den gleichen Nenner haben wie +die Funktion, die abgeleitet wird. + +Mit etwas Fleiss kann man nach diesem Muster alle Ableitungen +\begin{equation} +%\small +\begin{aligned} +\operatorname{sn}'(u,k) +&= +\phantom{-} +\operatorname{cn}(u,k)\,\operatorname{dn}(u,k) +&&\qquad& +\operatorname{ns}'(u,k) +&= +- +\operatorname{cs}(u,k)\,\operatorname{ds}(u,k) +\\ +\operatorname{cn}'(u,k) +&= +- +\operatorname{sn}(u,k)\,\operatorname{dn}(u,k) +&&& +\operatorname{nc}'(u,k) +&= +\phantom{-} +\operatorname{sc}(u,k)\,\operatorname{dc}(u,k) +\\ +\operatorname{dn}'(u,k) +&= +-k^2 +\operatorname{sn}(u,k)\,\operatorname{cn}(u,k) +&&& +\operatorname{nd}'(u,k) +&= +\phantom{-} +k^2 +\operatorname{sd}(u,k)\,\operatorname{cd}(u,k) +\\ +\operatorname{sc}'(u,k) +&= +\phantom{-} +\operatorname{dc}(u,k)\,\operatorname{nc}(u,k) +&&& +\operatorname{cs}'(u,k) +&= +- +\operatorname{ds}(u,k)\,\operatorname{ns}(u,k) +\\ +\operatorname{cd}'(u,k) +&= +-k^{\prime2} +\operatorname{sd}(u,k)\,\operatorname{nd}(u,k) +&&& +\operatorname{dc}'(u,k) +&= +\phantom{-} +k^{\prime2} +\operatorname{dc}(u,k)\,\operatorname{nc}(u,k) +\\ +\operatorname{ds}'(d,k) +&= +- +\operatorname{cs}(u,k)\,\operatorname{ns}(u,k) +&&& +\operatorname{sd}'(d,k) +&= +\phantom{-} +\operatorname{cd}(u,k)\,\operatorname{nd}(u,k) +\end{aligned} +\label{buch:elliptisch:eqn:alleableitungen} +\end{equation} +finden. +Man beachte, dass in jeder Identität alle Funktionen den gleichen +zweiten Buchstaben haben. + +\subsubsection{Weitere Beziehungen} +Für die Jacobischen elliptischen Funktionen lässt sich eine grosse +Zahl weiterer Eigenschaften und Identitäten beweisen. +Zum Beispiel gibt es Aditionstheoreme, die im Grenzfall $k\to 0$ zu +den Additionstheoremen für die trigonometrischen Funktionen werden. +\index{Additionstheorem}% +Ebenso kann man weitere algebraische Identitäten finden. +So lässt sich zum Beispiel die einzige reelle Nullstelle von $x^5+x=w$ +mit Jacobischen elliptischen Funktionen darstellen, während es +nicht möglich ist, diese Lösung als Wurzelausdruck zu schreiben. + +Die Jacobischen elliptischen Funktionen lassen sich statt auf dem +hier gewählten trigonometrischen Weg auch mit Hilfe der Jacobischen +Theta-Funktionen definieren, die Lösungen einer Wärmeleitungsgleichung +\index{Theta-Funktionen}% +\index{Wärmeleitungs-Gleichung}% +mit geeigneten Randbedingungen sind. +Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, ziemlich direkt zu +Reihen- und Produktentwicklungen für die Funktionen zu führen. +Auch die Additionstheorem ergeben sich vergleichsweise leicht. +Dieser Zugang zu den Jacobischen elliptischen Funktionen wird in der +Standardreferenz~\cite{buch:ellfun-applications} gewählt. + +Bei anderen speziellen Funktionen waren Reihenentwicklungen ein +wichtiges Hilfsmittel zu deren numerischer Berechnung. +Bei den Jacobischen elliptischen Funktionen ist diese Methode +nicht zielführend. +Im Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:differentialgleichungen} +wird gezeigt, dass Jacobische elliptische Funktionen gewisse nichtlineare +Differentialgleichungen zu lösen ermöglichen. +Dies zeigt auch, dass Jacobischen elliptischen Funktionen +Umkehrfunktionen der elliptischen Integrale sind, die in +Abschnitt~\ref{buch:elliptisch:subsection:agm} mit dem +arithmetisch-geometrischen Mittel berechnet wurden. +Die dort angetroffenen numerischen Schwierigkeiten treten bei der +Berechnung der Umkehrfunktion jedoch nicht auf. + +Die grundlegende Mechanik dieser Berechnungsmethode wird auf +Seite~\pageref{buch:elliptisch:jacobi:agm} dargestellt und +und in den Übungsaufgaben +\ref{buch:elliptisch:aufgabe:2} bis \ref{buch:elliptisch:aufgabe:5} +etwas näher untersucht wird. + +Aus der Theorie das arithmetisch-geometrischen Mittels lässt sich +die sogenannte Landen-Trans\-formation herleiten. +\index{Landen-Transformation}% +Sie stellt eine Verbindung zwischen +den Werten der elliptischen Funktionen zu verschiedenen Moduli $k$ her. +Sie ist die Basis aller effizienten Berechnungsmethoden. + + +% algebraische Beziehungen \\ +% Additionstheoreme \\ +% Perioden +% use https://math.stackexchange.com/questions/3013692/how-to-show-that-jacobi-sine-function-is-doubly-periodic + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..13a2739 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.tex new file mode 100644 index 0000000..a3ae425 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KK.tex @@ -0,0 +1,66 @@ +% +% KK.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\dx{10} +\def\dy{3} +\input{KKpath.tex} + +\draw[->] (-0.1,0) -- (10.3,0) coordinate[label={$k$}]; +\draw[->] (0,-0.1) -- (0,{2*\dy+0.3}) coordinate[label={right:$y$}]; + +\node at (3,{1.2*\dy}) {$\displaystyle y = \frac{K(k)}{K(\!\sqrt{1-k^2})}$}; + +\begin{scope} +\clip (0,0) rectangle (10,{2*\dy}); +\draw[color=red,line width=1.4pt] \KKpath; +\end{scope} + +\draw[line width=0.2pt] (10,0) -- (10,{2*\dy}); + +\foreach \y in {0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0}{ + \draw (-0.05,{\y*\dy}) -- (0.05,{\y*\dy}); + \node at (0,{\y*\dy}) [left] {$\y\mathstrut$}; +} + +\foreach \k in {1,...,9}{ + \draw ({\k*\dx/10},-0.05) -- ({\k*\dx/10},0.05); + \node at ({\k*\dx/10},0) [below] {$0.\k\mathstrut$}; +} +\node at (0,0) [below] {$0\mathstrut$}; +\node at (10,0) [below] {$1\mathstrut$}; + +\draw[color=blue] ({\knull*\dx},0) -- ({\knull*\dx},{\KKnull*\dy}); +\foreach \y in {1,2,3,4}{ + \draw[color=blue] + ({\knull*\dx-0.05},{\y*\KKnull*\dy/5}) + -- + ({\knull*\dx+0.05},{\y*\KKnull*\dy/5}); +} +\draw[color=black,line width=0.1pt] (0,{\KKnull*\dy}) -- ({\knull*\dx},{\KKnull*\dy}); +\draw[color=black,line width=0.1pt] (0,{\KKnull*\dy/5}) -- ({\kone*\dx},{\KKnull*\dy/5}); +\node at ({0.6*\dx},{\KKnull*\dy}) [above] {$y=1.7732$}; +\node at ({0.6*\dx},{\KKnull*\dy/5}) [above] {$y=0.3546$}; +\draw[color=blue] ({\kone*\dx},0) -- ({\kone*\dx},{\KKnull*\dy/5}); +\draw[color=blue] ({\kone*\dx},{\KKnull*\dy/5}) -- ({\knull*\dx},{\KKnull*\dy/5}); +\fill[color=blue] ({\kone*\dx},{\KKnull*\dy/5}) circle[radius=0.05]; +\fill[color=blue] ({\knull*\dx},{\KKnull*\dy/5}) circle[radius=0.05]; +\fill[color=blue] ({\knull*\dx},{\KKnull*\dy}) circle[radius=0.05]; +\node[color=blue] at ({\knull*\dx},0) [left,rotate=90] {$k=0.97\mathstrut$}; +\node[color=blue] at ({\kone*\dx},0) [left,rotate=90] {$k_1=0.0477$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KN.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KN.cpp new file mode 100644 index 0000000..1dcca9e --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/KN.cpp @@ -0,0 +1,177 @@ +/* + * KN.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdlib> +#include <cstdio> +#include <cmath> +#include <iostream> +#include <fstream> +#include <sstream> +#include <getopt.h> +#include <vector> +#include <gsl/gsl_sf_elljac.h> +#include <gsl/gsl_sf_ellint.h> + +namespace KN { + +bool debug = false; + +static struct option longopts[] { +{ "debug", no_argument, NULL, 'd' }, +{ "N", required_argument, NULL, 'N' }, +{ "outfile", required_argument, NULL, 'o' }, +{ "min", required_argument, NULL, 'm' }, +{ NULL, 0, NULL, 0 } +}; + +double KprimeK(double k) { + double kprime = sqrt(1-k*k); + if (debug) + printf("%s:%d: k = %f, k' = %f\n", __FILE__, __LINE__, k, kprime); + double v + = + gsl_sf_ellint_Kcomp(k, GSL_PREC_DOUBLE) + / + gsl_sf_ellint_Kcomp(kprime, GSL_PREC_DOUBLE) + ; + if (debug) + printf("%s:%d: KprimeK(k = %f) = %f\n", __FILE__, __LINE__, k, v); + return v; +} + +static const int L = 100000000; +static const double h = 1. / L; + +double Kd(double k) { + double m = 0; + if (k < h) { + m = 2 * (KprimeK(k) - KprimeK(k / 2)) / k; + } else if (k > 1-h) { + m = 2 * (KprimeK((1 + k) / 2) - KprimeK(k)) / (1 - k); + + } else { + m = L * (KprimeK(k + h) - KprimeK(k)); + } + if (debug) + printf("%s:%d: Kd(%f) = %f\n", __FILE__, __LINE__, k, m); + return m; +} + +double k1(double y) { + if (debug) + printf("%s:%d: Newton for y = %f\n", __FILE__, __LINE__, y); + double kn = 0.5; + double delta = 1; + int n = 0; + while ((fabs(delta) > 0.000001) && (n < 10)) { + double yn = KprimeK(kn); + if (debug) + printf("%s:%d: k%d = %f, y%d = %f\n", __FILE__, __LINE__, n, kn, n, yn); + delta = (yn - y) / Kd(kn); + if (debug) + printf("%s:%d: delta = %f\n", __FILE__, __LINE__, delta); + double kneu = kn - delta; + if (kneu <= 0) { + kneu = kn / 4; + } + if (kneu >= 1) { + kneu = (3 + kn) / 4; + } + kn = kneu; + if (debug) + printf("%s:%d: kneu = %f, kn = %f\n", __FILE__, __LINE__, kneu, kn); + n++; + } + if (debug) + printf("%s:%d: Newton result: k = %f\n", __FILE__, __LINE__, kn); + return kn; +} + +double k1(int N, double k) { + return k1(KprimeK(k) / N); +} + +/** + * \brief Main function for the slcl program + */ +int main(int argc, char *argv[]) { + int longindex; + int c; + int N = 5; + double kmin = 0.01; + std::string outfilename; + while (EOF != (c = getopt_long(argc, argv, "d:N:o:m:", + longopts, &longindex))) + switch (c) { + case 'd': + debug = true; + break; + case 'N': + N = std::stoi(optarg); + break; + case 'o': + outfilename = std::string(optarg); + break; + case 'm': + kmin = std::stod(optarg); + break; + } + + double d = 0.01; + if (outfilename.size() > 0) { + FILE *fn = fopen(outfilename.c_str(), "w"); + fprintf(fn, "\\def\\KKpath{ "); + double k = d; + fprintf(fn, " (0,0)"); + double k0 = k/16; + while (k0 < k) { + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", k0, KprimeK(k0)); + k0 *= 2; + } + while (k < 1-0.5*d) { + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", k, KprimeK(k)); + k += d; + } + fprintf(fn, "}\n"); + + k0 = 0.97; + fprintf(fn, "\\def\\knull{%.4f}\n", k0); + double KK = KprimeK(k0); + fprintf(fn, "\\def\\KKnull{%.4f}\n", KK); + fprintf(fn, "\\def\\kone{%.4f}\n", k1(N, k0)); + + fclose(fn); + return EXIT_SUCCESS; + } + + for (double k = kmin; k < (1 - d/2); k += d) { + if (debug) + printf("%s:%d: k = %f\n", __FILE__, __LINE__, k); + double y = KprimeK(k); + double k0 = k1(y); + double kone = k1(N, k0); + printf("g(%4.2f) = %10.6f,", k, y); + printf(" g'(%.2f) = %10.6f,", k, Kd(k)); + printf(" g^{-1} = %10.6f,", k0); + printf(" k1 = %10.6f,", kone); + printf(" g(k1) = %10.6f\n", KprimeK(kone)); + } + + return EXIT_SUCCESS; +} + +} // namespace KN + +int main(int argc, char *argv[]) { + try { + return KN::main(argc, argv); + } catch (const std::exception& e) { + std::cerr << "terminated by exception: " << e.what(); + std::cerr << std::endl; + } catch (...) { + std::cerr << "terminated by unknown exception" << std::endl; + } + return EXIT_FAILURE; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/Makefile new file mode 100644 index 0000000..fac4fbc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/experiments/Makefile @@ -0,0 +1,15 @@ +# +# Makefile +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +# +all: KK.pdf + +KN: KN.cpp + g++ -O -Wall -std=c++11 KN.cpp -o KN `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` + +KKpath.tex: KN + ./KN --outfile KKpath.tex + +KK.pdf: KK.tex KKpath.tex + pdflatex KK.tex diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile index 68322b6..7636e65 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/Makefile @@ -5,7 +5,8 @@ # all: lemniskate.pdf ellipsenumfang.pdf unvollstaendig.pdf rechteck.pdf \ ellipse.pdf pendel.pdf jacobiplots.pdf jacobidef.pdf jacobi12.pdf \ - sncnlimit.pdf + sncnlimit.pdf slcl.pdf torusschnitt.pdf kegelpara.pdf lemnispara.pdf \ + ellpolnul.pdf ellall.pdf ellselection.pdf lemniskate.pdf: lemniskate.tex pdflatex lemniskate.tex @@ -71,3 +72,59 @@ jacobi12.pdf: jacobi12.tex sncnlimit.pdf: sncnlimit.tex pdflatex sncnlimit.tex +slcl: slcl.cpp + g++ -O -Wall -std=c++11 slcl.cpp -o slcl `pkg-config --cflags gsl` `pkg-config --libs gsl` + +slcldata.tex: slcl + ./slcl --outfile=slcldata.tex --a=0 --b=13.4 --steps=200 +slcl.pdf: slcl.tex slcldata.tex + pdflatex slcl.tex + +KEGELSIZE = -W256 -H256 +KEGELSIZE = -W128 -H128 +KEGELSIZE = -W1080 -H1080 +kegelpara.png: kegelpara.pov + povray +A0.1 $(KEGELSIZE) -Okegelpara.png kegelpara.pov + +kegelpara.jpg: kegelpara.png Makefile + convert -extract 1080x1040+0+0 kegelpara.png \ + -density 300 -units PixelsPerInch kegelpara.jpg + +kegelpara.pdf: kegelpara.tex kegelpara.jpg + pdflatex kegelpara.tex + +torusschnitt.png: torusschnitt.pov + povray +A0.1 -W1920 -H1080 -Otorusschnitt.png torusschnitt.pov + +torusschnitt.jpg: torusschnitt.png Makefile + convert -extract 1640x1080+140+0 torusschnitt.png \ + -density 300 -units PixelsPerInch torusschnitt.jpg + +torusschnitt.pdf: torusschnitt.tex torusschnitt.jpg + pdflatex torusschnitt.tex + +lemnispara: lemnispara.cpp + g++ -O2 -Wall -g -o lemnispara `pkg-config --cflags gsl` \ + lemnispara.cpp `pkg-config --libs gsl` + +lemnisparadata.tex: lemnispara + ./lemnispara + +lemnispara.pdf: lemnispara.tex lemnisparadata.tex + pdflatex lemnispara.tex + +ltest: lemnispara.pdf + +ellpolnul.pdf: ellpolnul.tex ellcommon.tex + pdflatex ellpolnul.tex +ellall.pdf: ellall.tex ellcommon.tex + pdflatex ellall.tex + +rechteckpfade2.tex: rechteck Makefile + ./rechteck --outfile rechteckpfade2.tex --k 0.87 --vsteps=1 +ellselection.pdf: ellselection.tex rechteckpfade2.tex + pdflatex ellselection.tex + +rechteckpfade3.tex: rechteck + ./rechteck --outfile rechteckpfade3.tex --k 0.70710678118654752440 \ + --vsteps=4 diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fd0a5dd --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.tex new file mode 100644 index 0000000..b37fe12 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellall.tex @@ -0,0 +1,215 @@ +% +% ellpolnul.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} +\input{ellcommon.tex} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +%\draw (-1,-1) rectangle (1,1); +%\node at (-1,-1) [below left] {$0$}; +%\node at (1,-1) [below right] {$K$}; +%\node at (1,1) [above right] {$K+iK'$}; +%\node at (-1,1) [above left] {$iK'$}; +%\node at (0,0) {$u$}; + +\fill[color=rot!10,opacity=0.5] (-5.5,-4.3) rectangle (7.3,-1.7); +\fill[color=blau!10,opacity=0.5] (-5.5,-7.3) rectangle (7.3,-4.7); +\fill[color=gruen!10,opacity=0.5] (-5.5,-10.3) rectangle (7.3,-7.7); + +\fill[color=rot!10,opacity=0.5] (-1.3,-10.5) rectangle (1.3,2.5); +\fill[color=blau!10,opacity=0.5] (1.7,-10.5) rectangle (4.3,2.5); +\fill[color=gruen!10,opacity=0.5] (4.7,-10.5) rectangle (7.3,2.5); + +\begin{scope}[xshift=1.5cm,yshift=2cm] +\node at (0,0) {Zähler}; +\draw[<-] (-4.5,0) -- (-1,0); +\draw[->] (1,0) -- (4.5,0); +\node[color=black] at (-4.5,-0.4) {\Large n}; +\node[color=rot] at (-1.5,-0.4) {\Large s}; +\node[color=blau] at (1.5,-0.4) {\Large c}; +\node[color=gruen] at (4.5,-0.4) {\Large d}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=-5.1cm,yshift=-4.5cm] +\node at (0,0) [rotate=90] {Nenner}; +\draw[<-] (0,-4.5) -- (0,-1); +\draw[->] (0,1) -- (0,4.5); +\node[color=gruen] at (0.4,-4.5) [rotate=90] {\Large d}; +\node[color=blau] at (0.4,-1.5) [rotate=90] {\Large c}; +\node[color=rot] at (0.4,1.5) [rotate=90] {\Large s}; +\node[color=black] at (0.4,4.5) [rotate=90] {\Large n}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=-3cm,yshift=0cm] +\node at (0,0) {$1$}; +\draw[color=gray!20] (-1,-1) rectangle (1,1); +\end{scope} + +\definecolor{sccolor}{rgb}{0.8,0.0,1.0} +\definecolor{sdcolor}{rgb}{0.6,0.6,0.0} +\definecolor{cdcolor}{rgb}{0.0,0.6,1.0} + +\begin{scope}[xshift=0cm] +\rechteck{rot}{\operatorname{sn}(u,k)} +\nullstelle{(-1,-1)}{rot} +\pol{(-1,1)}{rot} +\node at (-1,-1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$1$}; +\node at (1,1) {$\frac1k$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=3cm] +\rechteck{blau}{\operatorname{cn}(u,k)} +\nullstelle{(1,-1)}{blau} +\pol{(-1,1)}{blau} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (1,-1) {$0$}; +\node at (1,1) {$\frac{k'}{ik}$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=6cm] +\rechteck{gruen}{\operatorname{dn}(u,k)} +\nullstelle{(1,1)}{gruen} +\pol{(-1,1)}{gruen} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (1,-1) {$k'$}; +\node at (1,1) {$0$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +% +% start row with denominator sn(u,k) +% + +\begin{scope}[xshift=-3cm,yshift=-3cm] +\rechteck{rot}{\operatorname{ns}(u,k)} +\pol{(-1,-1)}{rot} +\nullstelle{(-1,1)}{rot} +\node at (-1,-1) {$\infty$}; +\node at (1,-1) {$1$}; +\node at (1,1) {$k$}; +\node at (-1,1) {$0$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=0cm,yshift=-3cm] +%\rechteck{gray}{1} +\fill[color=white] (-1,-1) rectangle (1,1); +\node[color=gray] at (0,0) {$1$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=3cm,yshift=-3cm] +\rechteck{sccolor}{\operatorname{cs}(u,k)} +\pol{(-1,-1)}{sccolor} +\nullstelle{(1,-1)}{sccolor} +\node at (-1,-1) {$\infty$}; +\node at (1,-1) {$0$}; +\node at (1,1) {$\frac{k'}{i}$}; +\node at (-1,1) {$ $}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=6cm,yshift=-3cm] +\rechteck{sdcolor}{\operatorname{ds}(u,k)} +\pol{(-1,-1)}{sdcolor} +\nullstelle{(1,1)}{sdcolor} +\node at (-1,-1) {$\infty$}; +\node at (1,-1) {$k'$}; +\node at (1,1) {$0$}; +\node at (-1,1) {$ $}; +\end{scope} + +% +% start row with denominator cn(u,k) +% + +\begin{scope}[xshift=-3cm,yshift=-6cm] +\rechteck{blau}{\operatorname{nc}(u,k)} +\pol{(1,-1)}{blau} +\nullstelle{(-1,1)}{blau} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (-1,1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$\infty$}; +\node at (1,1) {$\frac{ik}{k'}$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=0cm,yshift=-6cm] +\rechteck{sccolor}{\operatorname{sc}(u,k)} +\nullstelle{(-1,-1)}{sccolor} +\pol{(1,-1)}{sccolor} +\node at (-1,-1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$\infty$}; +\node at (-1,1) {$ $}; +\node at (1,1) {$\frac{i}{k'}$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=3cm,yshift=-6cm] +%\rechteck{gray}{1} +\fill[color=white] (-1,-1) rectangle (1,1); +\node[color=gray] at (0,0) {$1$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=6cm,yshift=-6cm] +\rechteck{cdcolor}{\operatorname{dc}(u,k)} +\nullstelle{(1,1)}{cdcolor} +\pol{(1,-1)}{cdcolor} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (1,-1) {$\infty$}; +\node at (-1,1) {$k$}; +\node at (1,1) {$0$}; +\end{scope} + +% +% start row with denominator dn(u,k) +% + +\begin{scope}[xshift=-3cm,yshift=-9cm] +\rechteck{gruen}{\operatorname{nd}(u,k)} +\pol{(1,1)}{gruen} +\nullstelle{(-1,1)}{gruen} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (-1,1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$\frac{1}{k'}$}; +\node at (1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=0cm,yshift=-9cm] +\rechteck{sdcolor}{\operatorname{sd}(u,k)} +\nullstelle{(-1,-1)}{sdcolor} +\pol{(1,1)}{sdcolor} +\node at (-1,-1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$\frac{1}{k'}$}; +\node at (-1,1) {$ $}; +\node at (1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=3cm,yshift=-9cm] +\rechteck{cdcolor}{\operatorname{cd}(u,k)} +\pol{(1,1)}{cdcolor} +\nullstelle{(1,-1)}{cdcolor} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (-1,1) {$\frac1k $}; +\node at (1,-1) {$0$}; +\node at (1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=6cm,yshift=-9cm] +%\rechteck{gray}{1} +\fill[color=white] (-1,-1) rectangle (1,1); +\node[color=gray] at (0,0) {$1$}; +\end{scope} + + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellcommon.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellcommon.tex new file mode 100644 index 0000000..cd3245d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellcommon.tex @@ -0,0 +1,24 @@ +% +% ellcommon.tex -- common macros/definitions for elliptic function +% values display +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\definecolor{rot}{rgb}{0.8,0,0} +\definecolor{blau}{rgb}{0,0,1} +\definecolor{gruen}{rgb}{0,0.6,0} +\def\l{0.2} + +\def\pol#1#2{ + \draw[color=#2!50,line width=3.0pt] + ($#1+(-\l,-\l)$) -- ($#1+(\l,\l)$); + \draw[color=#2!50,line width=3.0pt] + ($#1+(-\l,\l)$) -- ($#1+(\l,-\l)$); +} +\def\nullstelle#1#2{ + \draw[color=#2!50,line width=3.0pt] #1 circle[radius=\l]; +} +\def\rechteck#1#2{ + \fill[color=#1!20] (-1,-1) rectangle (1,1); + \node[color=#1] at (0,0) {$#2\mathstrut$}; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..d798169 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.tex new file mode 100644 index 0000000..dfa04d3 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellpolnul.tex @@ -0,0 +1,69 @@ +% +% ellpolnul.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} +\input{ellcommon.tex} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input rechteckpfade3.tex + +\pgfmathparse{2/\xmax} +\xdef\dx{\pgfmathresult} +\xdef\dy{\dx} + +\begin{scope}[xshift=-1cm,yshift=-1cm] +\clip (0,0) rectangle (2,2); +\netz{0.4pt} +\draw[line width=0.4pt] (-1,0) -- (1,0); +\end{scope} +\fill[color=white,opacity=0.7] (-1,-1) rectangle (1,1); +\draw (-1,-1) rectangle (1,1); +\node at (-1,-1) [below left] {$0$}; +\node at (1,-1) [below right] {$K$}; +\node at (1,1) [above right] {$K+iK'$}; +\node at (-1,1) [above left] {$iK'$}; +\node at (0,0) {$u$}; + +\begin{scope}[xshift=4cm] +\rechteck{rot}{\operatorname{sn}(u,k)} +\nullstelle{(-1,-1)}{rot} +\pol{(-1,1)}{rot} +\node at (-1,-1) {$0$}; +\node at (1,-1) {$1$}; +\node at (1,1) {$\frac1k$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=7cm] +\rechteck{blau}{\operatorname{cn}(u,k)} +\nullstelle{(1,-1)}{blau} +\pol{(-1,1)}{blau} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (1,-1) {$0$}; +\node at (1,1) {$\frac{k'}{ik}$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=10cm] +\rechteck{gruen}{\operatorname{dn}(u,k)} +\nullstelle{(1,1)}{gruen} +\pol{(-1,1)}{gruen} +\node at (-1,-1) {$1$}; +\node at (1,-1) {$k'$}; +\node at (1,1) {$0$}; +\node at (-1,1) {$\infty$}; +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7c98db1 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.tex new file mode 100644 index 0000000..d8afeb1 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/ellselection.tex @@ -0,0 +1,141 @@ +% +% ellselection.tex -- Wahl einer elliptischen Funktion +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{rechteckpfade2.tex} + +\def\l{0.45} +\pgfmathparse{\l*72/2.54} +\xdef\L{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{4.1/\xmax} +\xdef\dx{\pgfmathresult} +\xdef\dy{\dx} + +\def\sx{4.1} +\pgfmathparse{\sx*72/2.54} +\xdef\Sx{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{\dx*\ymax} +\xdef\sy{\pgfmathresult} +\pgfmathparse{\sy*72/2.54} +\xdef\Sy{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{\sx/2-\l} +\xdef\linksx{\pgfmathresult} +\pgfmathparse{\sy/2-\l} +\xdef\linksy{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{\sx/2+2*\l} +\xdef\rechtsx{\pgfmathresult} +\pgfmathparse{\sy/2} +\xdef\rechtsy{\pgfmathresult} + +\begin{scope} + \clip (-\sx,-\sy) rectangle (\sx,\sy); + \begin{scope}[xshift={-\Sx}] + \hintergrund + \netz{0.7pt} + \end{scope} + \begin{scope}[xshift={\Sx}] + \hintergrund + \netz{0.7pt} + \end{scope} +\end{scope} + +\fill[color=red!14,opacity=0.7] ({-\sx},0) rectangle (\sx,\sy); +\fill[color=blue!14,opacity=0.7] ({-\sx},{-\sy}) rectangle (\sx,0); +\fill[color=yellow!40,opacity=0.5] (0,0) rectangle (\sx,\sy); + +\draw (-\sx,-\sy) rectangle (\sx,\sy); + +\draw[->] ({-1.4*\sx},0) -- ({1.4*\sx},0) coordinate[label={$\Re u$}]; +\draw[->] (0,{-\sy-1}) -- (0,{\sy+1}) coordinate[label={right:$\Im u$}]; + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\draw[->,line width=1.9pt,color=darkgreen] + (\sx,0) to[out=180,in=-79] (\linksx,\linksy); +\draw[->,line width=1.9pt,color=darkgreen] + (\sx,{\sy-\l}) to[out=-90,in=0] (\rechtsx,\rechtsy); + +\def\rect#1#2{ + \fill[color=white] (-\l,-\l) rectangle (\l,\l); + #2 + \draw (-\l,-\l) rectangle (\l,\l); + \node at (0,0) {\Huge #1\strut}; +} + +\def\kreuz{ + \begin{scope} + \clip ({-\l},{-\l}) rectangle ({\l},{\l}); + \fill[color=white] ({-2*\l},{-2*\l}) rectangle ({2*\l},{2*\l}); + \draw[color=darkgreen!30,line width=3pt] (-\l,-\l) -- (\l,\l); + \draw[color=darkgreen!30,line width=3pt] (-\l,\l) -- (\l,-\l); + \end{scope} +} + +\def\kreis{ + \begin{scope} + \clip ({-\l},{-\l}) rectangle ({\l},{\l}); + \fill[color=white] ({-2*\l},{-2*\l}) rectangle ({2*\l},{2*\l}); + \draw[color=darkgreen!30,line width=3pt] + (0,0) circle[radius={\l*(\L-1.5)/\L}]; + \end{scope} +} + +\begin{scope}[xshift={0},yshift={0}] + \rect{s}{} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift={\Sx},yshift={0}] + \rect{c}{\kreis} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift={\Sx},yshift={\Sy}] + \rect{d}{\kreuz} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift={0},yshift={\Sy}] + \rect{n}{} +\end{scope} + +\node at ({-\l+0.1},{\sy+\l-0.1}) [above left] {$iK'\mathstrut$}; +\node at ({-\l+0.1},{-\l+0.1}) [below left] {$0\mathstrut$}; +\node at ({\sx+\l-0.1},{-\l+0.1}) [below right] {$K\mathstrut$}; +\node at ({\sx+\l-0.1},{\sy+\l-0.1}) [above right] {$K+iK'\mathstrut$}; +\node at ({-\sx},0) [below left] {$-K\mathstrut$}; +\node at (0,{-\sy+0.05}) [below left] {$-iK'\mathstrut$}; +\node at ({\sx-0.1},{-\sy+0.1}) [below right] {$K-iK'\mathstrut$}; +\node at ({-\sx+0.1},{-\sy+0.1}) [below left] {$-K-iK'\mathstrut$}; +\node at ({-\sx+0.1},{\sy-0.1}) [above left] {$-K+iK'\mathstrut$}; + +\begin{scope}[xshift={-\L+0.5*\Sx},yshift={0.5*\Sy}] + \node at ({-\l},{\l-0.1}) [above] {Nullstelle\strut}; + \kreis + \node[color=darkgreen] at (0,0) {\Huge c\strut}; + \draw[line width=0.2pt] (-\l,-\l) rectangle (\l,\l); +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift={\L+0.5*\Sx},yshift={0.5*\Sy}] + \node at ({\l},{\l-0.1}) [above] {Pol\strut}; + \kreuz + \node[color=darkgreen] at (0,0) {\Huge d\strut}; + \draw[line width=0.2pt] (-\l,-\l) rectangle (\l,\l); +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf Binary files differindex d11bde8..eb9d7f1 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.tex index 4fc572e..fec04fc 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.tex @@ -31,7 +31,7 @@ \fill[color=gray!50] (-0.2,1.65) rectangle (7.0,2.3); \draw[line width=0.5pt] (-0.2,-6) rectangle (7.0,2.3); \begin{scope}[scale=0.5] -\node at (6.5,{\dy+2}) {$m = #1$}; +\node at (6.5,{\dy+2}) {$k^2 = #1$}; \end{scope} } \def\jacobiplot#1#2#3#4{ diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..2bbd428 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pov b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pov new file mode 100644 index 0000000..13b66cc --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pov @@ -0,0 +1,329 @@ +// +// kegelpara.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +#declare O = <0,0,0>; + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.08; + +camera { + location <28, 20, -40> + look_at <0, 0.1, 0> + 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> + } +} + + +// +// 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(<-2.6,0,0>,<2.5,0,0>,0.02,White) +arrow(<0,-2,0>,<0,2.3,0>,0.02,White) +arrow(<0,0,-3.2>,<0,0,3.7>,0.02,White) + +#declare epsilon = 0.0001; +#declare l = 1.5; + +#macro Kegel(farbe) +union { + difference { + cone { O, 0, <l, 0, 0>, l } + cone { O + <epsilon, 0,0>, 0, <l+epsilon, 0, 0>, l } + } + difference { + cone { O, 0, <-l, 0, 0>, l } + cone { O + <-epsilon, 0, 0>, 0, <-l-epsilon, 0, 0>, l } + } + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Kegelpunkt(xx, phi) + < xx, xx * sin(phi), xx * cos(phi) > +#end + +#macro Kegelgitter(farbe, r) +union { + #declare s = 0; + #declare smax = 2 * pi; + #declare sstep = pi / 6; + #while (s < smax - sstep/2) + cylinder { Kegelpunkt(l, s), Kegelpunkt(-l, s), r } + #declare s = s + sstep; + #end + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #declare xxstep = 0.5; + #declare xxmax = 2; + #declare xx = xxstep; + #while (xx < xxmax - xxstep/2) + #declare phi = 0; + #while (phi < phimax - phistep/2) + cylinder { + Kegelpunkt(xx, phi), + Kegelpunkt(xx, phi + phistep), + r + } + sphere { Kegelpunkt(xx, phi), r } + cylinder { + Kegelpunkt(-xx, phi), + Kegelpunkt(-xx, phi + phistep), + r + } + sphere { Kegelpunkt(-xx, phi), r } + #declare phi = phi + phistep; + #end + #declare xx = xx + xxstep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro F(w, r) + <r * cos(w), r * r/sqrt(2), r * sin(w) > +#end + +#macro Paraboloid(farbe) +mesh { + #declare phi = 0; + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = pi / phisteps; + #declare rsteps = 100; + #declare rmax = 1.5; + #declare rstep = rmax / rsteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + #declare r = rstep; + #declare h = r * r / sqrt(2); + triangle { + O, F(phi, r), F(phi + phistep, r) + } + #while (r < rmax - rstep/2) + // ring + triangle { + F(phi, r), + F(phi + phistep, r), + F(phi + phistep, r + rstep) + } + triangle { + F(phi, r), + F(phi + phistep, r + rstep), + F(phi, r + rstep) + } + #declare r = r + rstep; + #end + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Paraboloidgitter(farbe, gr) +union { + #declare phi = 0; + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phistep = pi / 6; + + #declare rmax = 1.5; + #declare rsteps = 100; + #declare rstep = rmax / rsteps; + + #while (phi < phimax - phistep/2) + #declare r = rstep; + #while (r < rmax - rstep/2) + cylinder { F(phi, r), F(phi, r + rstep), gr } + sphere { F(phi, r), gr } + #declare r = r + rstep; + #end + #declare phi = phi + phistep; + #end + + #declare rstep = 0.2; + #declare r = rstep; + + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #while (r < rmax) + #declare phi = 0; + #while (phi < phimax - phistep/2) + cylinder { F(phi, r), F(phi + phistep, r), gr } + sphere { F(phi, r), gr } + #declare phi = phi + phistep; + #end + #declare r = r + rstep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare a = sqrt(2); +#macro G(phi,sg) + < a*sg*sqrt(cos(2*phi))*cos(phi), a*cos(2*phi), a*sqrt(cos(2*phi))*sin(phi)> +#end + +#macro Lemniskate3D(s, farbe) +union { + #declare phi = -pi / 4; + #declare phimax = pi / 4; + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + sphere { G(phi,1), s } + cylinder { G(phi,1), G(phi+phistep,1), s } + sphere { G(phi,-1), s } + cylinder { G(phi,-1), G(phi+phistep,-1), s } + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare a = sqrt(2); +#macro G2(phi,sg) + a * sqrt(cos(2*phi)) * < sg * cos(phi), 0, sin(phi)> +#end + +#macro Lemniskate(s, farbe) +union { + #declare phi = -pi / 4; + #declare phimax = pi / 4; + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + sphere { G2(phi,1), s } + cylinder { G2(phi,1), G2(phi+phistep,1), s } + sphere { G2(phi,-1), s } + cylinder { G2(phi,-1), G2(phi+phistep,-1), s } + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Projektion(s, farbe) +union { + #declare phistep = pi / 16; + #declare phi = -pi / 4 + phistep; + #declare phimax = pi / 4; + #while (phi < phimax - phistep/2) + cylinder { G(phi, 1), G2(phi, 1), s } + cylinder { G(phi, -1), G2(phi, -1), s } + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare kegelfarbe = rgbf<0.2,0.6,0.2,0.2>; +#declare kegelgitterfarbe = rgb<0.2,0.8,0.2>; +#declare paraboloidfarbe = rgbf<0.2,0.6,1.0,0.2>; +#declare paraboloidgitterfarbe = rgb<0.4,1,1>; + +//intersection { +// union { + Paraboloid(paraboloidfarbe) + Paraboloidgitter(paraboloidgitterfarbe, 0.004) + + Kegel(kegelfarbe) + Kegelgitter(kegelgitterfarbe, 0.004) +// } +// plane { <0, 0, -1>, 0.6 } +//} + + +Lemniskate3D(0.02, rgb<0.8,0.0,0.8>) +Lemniskate(0.02, Red) +Projektion(0.01, Yellow) diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.tex new file mode 100644 index 0000000..8fcefbf --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% +% kegelpara.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{kegelpara.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]; +}{} + +\node at (4.1,-1.4) {$X$}; +\node at (0.2,3.8) {$Z$}; +\node at (4.0,1.8) {$Y$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf Binary files differindex 063a3e1..9e02c3c 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex index f74a81f..fe90631 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.tex @@ -27,13 +27,16 @@ \draw[color=red,line width=2.0pt] plot[domain=45:\a,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); -\draw[->] (-1.5,0) -- (1.5,0) coordinate[label={$x$}]; -\draw[->] (0,-0.7) -- (0,0.7) coordinate[label={right:$y$}]; +\draw[->] (-1.5,0) -- (1.7,0) coordinate[label={$X$}]; +\draw[->] (0,-0.7) -- (0,0.7) coordinate[label={right:$Y$}]; \fill[color=white] (1,0) circle[radius=0.02]; \draw (1,0) circle[radius=0.02]; +\node at ({1},0) [below] {$\displaystyle a\mathstrut$}; + \fill[color=white] (-1,0) circle[radius=0.02]; \draw (-1,0) circle[radius=0.02]; +\node at ({-1},0) [below] {$\displaystyle\llap{$-$}a\mathstrut$}; \node[color=blue] at (\a:{0.6*sqrt(2*cos(2*\a))}) [below] {$r$}; \node[color=red] at ({\b}:{sqrt(2*cos(2*\b))}) [above] {$s$}; @@ -41,6 +44,14 @@ \fill[color=white] (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}) circle[radius=0.02]; \draw[color=red] (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}) circle[radius=0.02]; +\draw ({sqrt(2)},{-0.1/\skala}) -- ({sqrt(2)},{0.1/\skala}); +\node at ({sqrt(2)},0) [below right] + {$\displaystyle a\mathstrut\sqrt{2}$}; +\draw ({-sqrt(2)},{-0.1/\skala}) -- ({-sqrt(2)},{0.1/\skala}); +\node at ({-sqrt(2)},0) [below left] + {$\displaystyle -a\mathstrut\sqrt{2}$}; + + \end{tikzpicture} \end{document} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.cpp new file mode 100644 index 0000000..6f4d55d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.cpp @@ -0,0 +1,126 @@ +/* + * lemnispara.cpp -- Display parametrisation of the lemniskate + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdio> +#include <cstdlib> +#include <cmath> +#include <gsl/gsl_sf_elljac.h> +#include <iostream> +#include <fstream> +#include <map> +#include <string.h> +#include <string> + +const static double s = sqrt(2); +const static double k = 1 / s; +const static double m = k * k; + +typedef std::pair<double, double> point_t; + +point_t operator*(const point_t& p, double s) { + return point_t(s * p.first, s * p.second); +} + +static double norm(const point_t& p) { + return hypot(p.first, p.second); +} + +static point_t normalize(const point_t& p) { + return p * (1/norm(p)); +} + +static point_t normal(const point_t& p) { + return std::make_pair(p.second, -p.first); +} + +class lemniscate : public point_t { + double sn, cn, dn; +public: + lemniscate(double t) { + gsl_sf_elljac_e(t, m, &sn, &cn, &dn); + first = s * cn * dn; + second = cn * sn; + } + point_t tangent() const { + return std::make_pair(-s * sn * (1.5 - sn * sn), + dn * (1 - 2 * sn * sn)); + } + point_t unittangent() const { + return normalize(tangent()); + } + point_t normal() const { + return ::normal(tangent()); + } + point_t unitnormal() const { + return ::normal(unittangent()); + } +}; + +std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const point_t& p) { + char b[1024]; + snprintf(b, sizeof(b), "({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", p.first, p.second); + out << b; + return out; +} + +int main(int argc, char *argv[]) { + std::ofstream out("lemnisparadata.tex"); + + // the curve + double tstep = 0.01; + double tmax = 4.05; + out << "\\def\\lemnispath{ "; + out << lemniscate(0); + for (double t = tstep; t < tmax; t += tstep) { + out << std::endl << "\t" << "-- " << lemniscate(t); + } + out << std::endl; + out << "}" << std::endl; + + out << "\\def\\lemnispathmore{ "; + out << lemniscate(tmax); + double tmax2 = 7.5; + for (double t = tmax + tstep; t < tmax2; t += tstep) { + out << std::endl << "\t" << "-- " << lemniscate(t); + } + out << std::endl; + out << "}" << std::endl; + + // individual points + tstep = 0.2; + int i = 0; + char name[3]; + strcpy(name, "L0"); + for (double t = 0; t <= tmax; t += tstep) { + char c = 'A' + i++; + char buffer[128]; + lemniscate l(t); + name[0] = 'L'; + name[1] = c; + out << "\\coordinate (" << name << ") at "; + out << l << ";" << std::endl; + name[0] = 'T'; + out << "\\coordinate (" << name << ") at "; + out << l.unittangent() << ";" << std::endl; + name[0] = 'N'; + out << "\\coordinate (" << name << ") at "; + out << l.unitnormal() << ";" << std::endl; + name[0] = 'C'; + out << "\\def\\" << name << "{ "; + out << "\\node[color=red] at ($(L" << c << ")+0.06*(N" << c << ")$) "; + out << "[rotate={"; + double w = 180 * atan2(l.unitnormal().second, + l.unitnormal().first) / M_PI; + snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%.1f", w); + out << buffer; + out << "-90}]"; + snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%.1f", t); + out << " {$\\scriptstyle " << buffer << "$};" << std::endl; + out << "}" << std::endl; + } + + out.close(); + return EXIT_SUCCESS; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..16731d3 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex new file mode 100644 index 0000000..c6e32d7 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.tex @@ -0,0 +1,94 @@ +% +% lemnispara.tex -- parametrization of the lemniscate +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} +\def\skala{1} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] +\def\dx{4} +\def\dy{4} +\input{lemnisparadata.tex} + +% add image content here +\draw[color=red!20,line width=1.4pt] \lemnispathmore; +\draw[color=red,line width=1.4pt] \lemnispath; + +\draw[->] ({-1.6*\dx},0) -- ({1.8*\dx},0) coordinate[label={$X$}]; +\draw[->] (0,{-0.7*\dy}) -- (0,{0.7*\dy}) coordinate[label={right:$Y$}]; + +\draw ({1.5*\dx},-0.05) -- ({1.5*\dx},0.05); +\draw ({\dx},-0.05) -- ({\dx},0.05); +\draw ({0.5*\dx},-0.05) -- ({0.5*\dx},0.05); +\draw ({-0.5*\dx},-0.05) -- ({-0.5*\dx},0.05); +\draw ({-\dx},-0.05) -- ({-\dx},0.05); +\draw ({-1.5*\dx},-0.05) -- ({-1.5*\dx},0.05); +\draw (-0.05,{0.5*\dy}) -- (0.05,{0.5*\dy}); +\draw (-0.05,{-0.5*\dy}) -- (0.05,{-0.5*\dy}); + +\node at ({\dx},0) [above] {$1$}; +\node at ({-\dx},0) [above] {$-1$}; +\node at ({-0.5*\dx},0) [above] {$-\frac12$}; +\node at ({0.5*\dx},0) [above] {$\frac12$}; +\node at (0,{0.5*\dy}) [left] {$\frac12$}; +\node at (0,{-0.5*\dy}) [left] {$-\frac12$}; + +\def\s{0.02} + +\draw[color=red] ($(LA)-\s*(NA)$) -- ($(LA)+\s*(NA)$); +\draw[color=red] ($(LB)-\s*(NB)$) -- ($(LB)+\s*(NB)$); +\draw[color=red] ($(LC)-\s*(NC)$) -- ($(LC)+\s*(NC)$); +\draw[color=red] ($(LD)-\s*(ND)$) -- ($(LD)+\s*(ND)$); +\draw[color=red] ($(LE)-\s*(NE)$) -- ($(LE)+\s*(NE)$); +\draw[color=red] ($(LF)-\s*(NF)$) -- ($(LF)+\s*(NF)$); +\draw[color=red] ($(LG)-\s*(NG)$) -- ($(LG)+\s*(NG)$); +\draw[color=red] ($(LH)-\s*(NH)$) -- ($(LH)+\s*(NH)$); +\draw[color=red] ($(LI)-\s*(NI)$) -- ($(LI)+\s*(NI)$); +\draw[color=red] ($(LJ)-\s*(NJ)$) -- ($(LJ)+\s*(NJ)$); +\draw[color=red] ($(LK)-\s*(NK)$) -- ($(LK)+\s*(NK)$); +\draw[color=red] ($(LL)-\s*(NL)$) -- ($(LL)+\s*(NL)$); +\draw[color=red] ($(LM)-\s*(NM)$) -- ($(LM)+\s*(NM)$); +\draw[color=red] ($(LN)-\s*(NN)$) -- ($(LN)+\s*(NN)$); +\draw[color=red] ($(LO)-\s*(NO)$) -- ($(LO)+\s*(NO)$); +\draw[color=red] ($(LP)-\s*(NP)$) -- ($(LP)+\s*(NP)$); +\draw[color=red] ($(LQ)-\s*(NQ)$) -- ($(LQ)+\s*(NQ)$); +\draw[color=red] ($(LR)-\s*(NR)$) -- ($(LR)+\s*(NR)$); +\draw[color=red] ($(LS)-\s*(NS)$) -- ($(LS)+\s*(NS)$); +\draw[color=red] ($(LT)-\s*(NT)$) -- ($(LT)+\s*(NT)$); +\draw[color=red] ($(LU)-\s*(NU)$) -- ($(LU)+\s*(NU)$); + +\CB +\CC +\CD +\CE +\CF +\CG +\CH +\CI +\CJ +\CK +\CL +\CM +\CN +\CO +\CP +\CQ +\CR +\CS +\CT +\CU + +\fill[color=blue] (LA) circle[radius=0.07]; +\node[color=blue] at (LA) [above right] {$S$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp index c65ae0f..b5ad0ec 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.cpp @@ -163,7 +163,7 @@ curvetracer::curve_t curvetracer::trace(const std::complex<double>& startz, } catch (const toomanyiterations& x) { std::cerr << "iterations exceeded after "; std::cerr << result.size(); - std::cerr << " points"; + std::cerr << " points" << std::endl; maxsteps = 0; } } @@ -230,7 +230,7 @@ void curvedrawer::operator()(const curvetracer::curve_t& curve) { double first = true; for (auto z : curve) { if (first) { - *_out << "\\draw[color=" << _color << "] "; + *_out << "\\draw[color=" << _color << ",line width=#1] "; first = false; } else { *_out << std::endl << " -- "; @@ -244,6 +244,7 @@ static struct option longopts[] = { { "outfile", required_argument, NULL, 'o' }, { "k", required_argument, NULL, 'k' }, { "deltax", required_argument, NULL, 'd' }, +{ "vsteps", required_argument, NULL, 'v' }, { NULL, 0, NULL, 0 } }; @@ -252,7 +253,8 @@ static struct option longopts[] = { */ int main(int argc, char *argv[]) { double k = 0.625; - double deltax = 0.2; + double Deltax = 0.2; + int vsteps = 4; int c; int longindex; @@ -261,7 +263,7 @@ int main(int argc, char *argv[]) { &longindex))) switch (c) { case 'd': - deltax = std::stod(optarg); + Deltax = std::stod(optarg); break; case 'o': outfilename = std::string(optarg); @@ -269,6 +271,9 @@ int main(int argc, char *argv[]) { case 'k': k = std::stod(optarg); break; + case 'v': + vsteps = std::stoi(optarg); + break; } double kprime = integrand::kprime(k); @@ -293,15 +298,21 @@ int main(int argc, char *argv[]) { curvetracer ct(f); // fill + (*cdp->out()) << "\\def\\hintergrund{" << std::endl; (*cdp->out()) << "\\fill[color=red!10] ({" << (-xmax) << "*\\dx},0) " << "rectangle ({" << xmax << "*\\dx},{" << ymax << "*\\dy});" << std::endl; (*cdp->out()) << "\\fill[color=blue!10] ({" << (-xmax) << "*\\dx},{" << (-ymax) << "*\\dy}) rectangle ({" << xmax << "*\\dx},0);" << std::endl; + (*cdp->out()) << "}" << std::endl; + + // macro for grid + (*cdp->out()) << "\\def\\netz#1{" << std::endl; // "circles" std::complex<double> dir(0.01, 0); + double deltax = Deltax; for (double im = deltax; im < 3; im += deltax) { std::complex<double> startz(0, im); std::complex<double> startw = ct.startpoint(startz); @@ -316,9 +327,9 @@ int main(int argc, char *argv[]) { } // imaginary axis - (*cdp->out()) << "\\draw[color=red] (0,0) -- (0,{" << ymax + (*cdp->out()) << "\\draw[color=red,line width=#1] (0,0) -- (0,{" << ymax << "*\\dy});" << std::endl; - (*cdp->out()) << "\\draw[color=blue] (0,0) -- (0,{" << (-ymax) + (*cdp->out()) << "\\draw[color=blue,line width=#1] (0,0) -- (0,{" << (-ymax) << "*\\dy});" << std::endl; // arguments between 0 and 1 @@ -353,7 +364,8 @@ int main(int argc, char *argv[]) { // arguments between 1 and 1/k { - for (double x0 = 1 + deltax; x0 < 1/k; x0 += deltax) { + deltax = (1/k - 1) / vsteps; + for (double x0 = 1 + deltax; x0 < 1/k + 0.00001; x0 += deltax) { double y0 = sqrt(1-1/(x0*x0))/kprime; //std::cout << "y0 = " << y0 << std::endl; double y = gsl_sf_ellint_F(asin(y0), kprime, @@ -389,8 +401,9 @@ int main(int argc, char *argv[]) { // arguments larger than 1/k { + deltax = Deltax; dir = std::complex<double>(0, 0.01); - double x0 = 1; + double x0 = 1/k; while (x0 <= 1/k + 0.0001) { x0 += deltax; } for (; x0 < 4; x0 += deltax) { std::complex<double> startz(x0); @@ -407,6 +420,8 @@ int main(int argc, char *argv[]) { } } + (*cdp->out()) << "}" << std::endl; + // border (*cdp->out()) << "\\def\\xmax{" << xmax << "}" << std::endl; (*cdp->out()) << "\\def\\ymax{" << ymax << "}" << std::endl; diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf Binary files differindex 6209897..46f2376 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex index 622a9e9..12535ba 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/rechteck.tex @@ -18,6 +18,8 @@ \def\dy{3} \input{rechteckpfade.tex} +\hintergrund +\netz{0.7pt} \begin{scope} \clip ({-\xmax*\dx},{-\ymax*\dy}) rectangle ({\xmax*\dx},{\ymax*\dy}); diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.cpp b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.cpp new file mode 100644 index 0000000..8584e94 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.cpp @@ -0,0 +1,128 @@ +/* + * slcl.cpp + * + * (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule + */ +#include <cstdlib> +#include <cstdio> +#include <cmath> +#include <iostream> +#include <fstream> +#include <sstream> +#include <getopt.h> +#include <vector> +#include <gsl/gsl_sf_elljac.h> + +namespace slcl { + +static struct option longopts[] { +{ "outfile", required_argument, NULL, 'o' }, +{ "a", required_argument, NULL, 'a' }, +{ "b", required_argument, NULL, 'b' }, +{ "steps", required_argument, NULL, 'n' }, +{ NULL, 0, NULL, 0 } +}; + +class plot { + typedef std::pair<double, double> point_t; + typedef std::vector<point_t> curve_t; + curve_t _sl; + curve_t _cl; + double _a; + double _b; + int _steps; +public: + double a() const { return _a; } + double b() const { return _b; } + int steps() const { return _steps; } +public: + plot(double a, double b, int steps) : _a(a), _b(b), _steps(steps) { + double l = sqrt(2); + double k = 1 / l; + double m = k * k; + double h = (b - a) / steps; + for (int i = 0; i <= steps; i++) { + double x = a + h * i; + double sn, cn, dn; + gsl_sf_elljac_e(x, m, &sn, &cn, &dn); + _sl.push_back(std::make_pair(l * x, k * sn / dn)); + _cl.push_back(std::make_pair(l * x, cn)); + } + } +private: + std::string point(const point_t p) const { + char buffer[128]; + snprintf(buffer, sizeof(buffer), "({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", + p.first, p.second); + return std::string(buffer); + } + std::string path(const curve_t& curve) const { + std::ostringstream out; + auto i = curve.begin(); + out << point(*(i++)); + do { + out << std::endl << " -- " << point(*(i++)); + } while (i != curve.end()); + out.flush(); + return out.str(); + } +public: + std::string slpath() const { + return path(_sl); + } + std::string clpath() const { + return path(_cl); + } +}; + +/** + * \brief Main function for the slcl program + */ +int main(int argc, char *argv[]) { + int longindex; + int c; + double a = 0; + double b = 10; + int steps = 100; + std::ostream *out = &std::cout; + while (EOF != (c = getopt_long(argc, argv, "a:b:o:n:", + longopts, &longindex))) + switch (c) { + case 'a': + a = std::stod(optarg); + break; + case 'b': + b = std::stod(optarg) / sqrt(2); + break; + case 'n': + steps = std::stol(optarg); + break; + case 'o': + out = new std::ofstream(optarg); + break; + } + + plot p(a, b, steps); + (*out) << "\\def\\slpath{ " << p.slpath(); + (*out) << std::endl << " }" << std::endl; + (*out) << "\\def\\clpath{ " << p.clpath(); + (*out) << std::endl << " }" << std::endl; + + out->flush(); + //out->close(); + return EXIT_SUCCESS; +} + +} // namespace slcl + +int main(int argc, char *argv[]) { + try { + return slcl::main(argc, argv); + } catch (const std::exception& e) { + std::cerr << "terminated by exception: " << e.what(); + std::cerr << std::endl; + } catch (...) { + std::cerr << "terminated by unknown exception" << std::endl; + } + return EXIT_FAILURE; +} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..71645e3 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.tex new file mode 100644 index 0000000..0af1027 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/slcl.tex @@ -0,0 +1,88 @@ +% +% tikztemplate.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\input{slcldata.tex} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +% add image content here +\def\lemniscateconstant{2.6220575542} +\pgfmathparse{(3.1415926535/2)/\lemniscateconstant} +\xdef\scalechange{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{\scalechange*(180/3.1415926535)} +\xdef\ts{\pgfmathresult} + +\def\dx{1} +\def\dy{3} + +\draw[line width=0.3pt] + ({\lemniscateconstant*\dx},0) + -- + ({\lemniscateconstant*\dx},{1*\dy}); +\draw[line width=0.3pt] + ({2*\lemniscateconstant*\dx},0) + -- + ({2*\lemniscateconstant*\dx},{-1*\dy}); +\draw[line width=0.3pt] + ({3*\lemniscateconstant*\dx},0) + -- + ({3*\lemniscateconstant*\dx},{-1*\dy}); +\draw[line width=0.3pt] + ({4*\lemniscateconstant*\dx},0) + -- + ({4*\lemniscateconstant*\dx},{1*\dy}); +\draw[line width=0.3pt] + ({5*\lemniscateconstant*\dx},0) + -- + ({5*\lemniscateconstant*\dx},{1*\dy}); + +\draw[color=red!40,line width=1.4pt] + plot[domain=0:13,samples=200] ({\x},{\dy*sin(\ts*\x)}); +\draw[color=blue!40,line width=1.4pt] + plot[domain=0:13,samples=200] ({\x},{\dy*cos(\ts*\x)}); + +\draw[color=red,line width=1.4pt] \slpath; +\draw[color=blue,line width=1.4pt] \clpath; + +\draw[->] (0,{-1*\dy-0.1}) -- (0,{1*\dy+0.4}) coordinate[label={right:$r$}]; +\draw[->] (-0.1,0) -- (13.6,0) coordinate[label={$s$}]; + +\foreach \i in {1,2,3,4,5}{ + \draw ({\lemniscateconstant*\i},-0.1) -- ({\lemniscateconstant*\i},0.1); +} +\node at ({\lemniscateconstant*\dx},0) [below left] {$\frac{\varpi}2\mathstrut$}; +\node at ({2*\lemniscateconstant*\dx},0) [below left] {$\varpi\mathstrut$}; +\node at ({3*\lemniscateconstant*\dx},0) [below right] {$\frac{3\varpi}2\mathstrut$}; +\node at ({4*\lemniscateconstant*\dx},0) [below right] {$2\varpi\mathstrut$}; +\node at ({5*\lemniscateconstant*\dx},0) [below left] {$\frac{5\varpi}2\mathstrut$}; + +\node[color=red] at ({1.6*\lemniscateconstant*\dx},{0.6*\dy}) + [below left] {$\operatorname{sl}(s)$}; +\node[color=red!50] at ({1.5*\lemniscateconstant*\dx},{sin(1.5*90)*\dy*0.90}) + [above right] {$\sin \bigl(\frac{\pi}{\varpi}s\bigr)$}; + +\node[color=blue] at ({1.4*\lemniscateconstant*\dx},{-0.6*\dy}) + [above right] {$\operatorname{cl}(s)$}; +\node[color=blue!50] at ({1.5*\lemniscateconstant*\dx},{cos(1.5*90)*\dy*0.90}) + [below left] {$\cos\bigl(\frac{\pi}{\varpi}s\bigr)$}; + +\draw (-0.1,{1*\dy}) -- (0.1,{1*\dy}); +\draw (-0.1,{-1*\dy}) -- (0.1,{-1*\dy}); +\node at (0,{1*\dy}) [left] {$1\mathstrut$}; +\node at (0,0) [left] {$0\mathstrut$}; +\node at (0,{-1*\dy}) [left] {$-1\mathstrut$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..9b64ab2 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pov b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pov new file mode 100644 index 0000000..e5602df --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pov @@ -0,0 +1,308 @@ +// +// kegelpara.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +#declare O = <0,0,0>; + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.060; + +camera { + location <28, 20, -40> + look_at <0, 0.55, 0> + right (16/9) * 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> + } +} + + +// +// 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 Ticks(tl, tr) +union { + #declare s = 1; + #while (s <= 3.1) + cylinder { <-0.5*s-tl, 0, 0>, <-0.5*s+tl, 0, 0>, tr } + cylinder { < 0.5*s-tl, 0, 0>, < 0.5*s+tl, 0, 0>, tr } + #declare s = s + 1; + #end + + #declare s = 1; + #while (s <= 4.1) + cylinder { <0, 0.5*s-tl, 0>, <0, 0.5*s+tl, 0>, tr } + #declare s = s + 1; + #end + #declare s = 1; + #while (s <= 2.1) + cylinder { <0,-0.5*s-tl, 0>, <0,-0.5*s+tl, 0>, tr } + #declare s = s + 1; + #end + + #declare s = 1; + #while (s <= 4) + cylinder { <0, 0, 0.5*s-tl>, <0, 0, 0.5*s+tl>, tr } + #declare s = s + 1; + #end + #declare s = 1; + #while (s <= 3) + cylinder { <0, 0, -0.5*s-tl>, <0, 0, -0.5*s+tl>, tr } + #declare s = s + 1; + #end + + pigment { + color White + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare epsilon = 0.001; +#declare l = 1.5; + +#declare a = sqrt(2); +#macro G2(phi,sg) + a * sqrt(cos(2*phi)) * < sg * cos(phi), 0, sin(phi)> +#end + +#macro Lemniskate(s, farbe) +union { + #declare phi = -pi / 4; + #declare phimax = pi / 4; + #declare phisteps = 100; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + sphere { G2(phi,1), s } + cylinder { G2(phi,1), G2(phi+phistep,1), s } + sphere { G2(phi,-1), s } + cylinder { G2(phi,-1), G2(phi+phistep,-1), s } + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Projektion(s, farbe) +union { + #declare phistep = pi / 16; + #declare phi = -pi / 4 + phistep; + #declare phimax = pi / 4; + #while (phi < phimax - phistep/2) + cylinder { G(phi, 1), G2(phi, 1), s } + cylinder { G(phi, -1), G2(phi, -1), s } + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Ebene(l, b, farbe) +mesh { + triangle { <-l, 0, -b>, < l, 0, -b>, < l, 0, b> } + triangle { <-l, 0, -b>, < l, 0, b>, <-l, 0, b> } + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Ebenengitter(l, b, s, r, farbe) +union { + #declare lmax = floor(l / s); + #declare ll = -lmax; + #while (ll <= lmax) + cylinder { <ll * s, 0, -b>, <ll * s, 0, b>, r } + #declare ll = ll + 1; + #end + #declare bmax = floor(b / s); + #declare bb = -bmax; + #while (bb <= bmax) + cylinder { <-l, 0, bb * s>, <l, 0, bb * s>, r } + #declare bb = bb + 1; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare b = 0.5; +#macro T(phi, theta) + b * < (2 + cos(theta)) * cos(phi), (2 + cos(theta)) * sin(phi) + 1, sin(theta) > +#end + +#macro breitenkreis(theta, r) + #declare phi = 0; + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phisteps = 200; + #declare phistep = phimax / phisteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + cylinder { T(phi, theta), T(phi + phistep, theta), r } + sphere { T(phi, theta), r } + #declare phi = phi + phistep; + #end +#end + +#macro laengenkreis(phi, r) + #declare theta = 0; + #declare thetamax = 2 * pi; + #declare thetasteps = 200; + #declare thetastep = thetamax / thetasteps; + #while (theta < thetamax - thetastep/2) + cylinder { T(phi, theta), T(phi, theta + thetastep), r } + sphere { T(phi, theta), r } + #declare theta = theta + thetastep; + #end +#end + +#macro Torusgitter(farbe, r) +union { + #declare phi = 0; + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phistep = pi / 6; + #while (phi < phimax - phistep/2) + laengenkreis(phi, r) + #declare phi = phi + phistep; + #end + #declare thetamax = pi; + #declare thetastep = pi / 6; + #declare theta = thetastep; + #while (theta < thetamax - thetastep/2) + breitenkreis(theta, r) + breitenkreis(thetamax + theta, r) + #declare theta = theta + thetastep; + #end + breitenkreis(0, 1.5 * r) + breitenkreis(pi, 1.5 * r) + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#macro Torus(farbe) +mesh { + #declare phi = 0; + #declare phimax = 2 * pi; + #declare phisteps = 200; + #declare phistep = phimax/phisteps; + #while (phi < phimax - phistep/2) + #declare theta = 0; + #declare thetamax = 2 * pi; + #declare thetasteps = 200; + #declare thetastep = thetamax / thetasteps; + #while (theta < thetamax - thetastep/2) + triangle { + T(phi, theta), + T(phi + phistep, theta), + T(phi + phistep, theta + thetastep) + } + triangle { + T(phi, theta), + T(phi + phistep, theta + thetastep), + T(phi, theta + thetastep) + } + #declare theta = theta + thetastep; + #end + #declare phi = phi + phistep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} +#end + +#declare torusfarbe = rgbt<0.2,0.6,0.2,0.2>; +#declare ebenenfarbe = rgbt<0.2,0.6,1.0,0.2>; + +arrow(<-2,0,0>,<2,0,0>,0.02,White) +arrow(<0,-1.1,0>,<0,2.2,0>,0.02,White) +arrow(<0,0,-1.7>,<0,0,2.4>,0.02,White) +Ticks(0.007,0.036) + +Lemniskate(0.02, Red) +Ebene(1.8, 1.6, ebenenfarbe) +Ebenengitter(1.8, 1.6, 0.5, 0.005, rgb<0.4,1,1>) +Torus(torusfarbe) +Torusgitter(Yellow, 0.005) + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.tex new file mode 100644 index 0000000..63351ad --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% +% torusschnitt.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{6} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=11.98cm]{torusschnitt.jpg}}; + +% Gitter +\ifthenelse{\boolean{showgrid}}{ +\draw[step=0.1,line width=0.1pt] (-\breite,-\hoehe) grid 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-\label{buch:elliptisch:fig:ellipse}} -\end{figure} -% based on Willliam Schwalm, Elliptic functions and elliptic integrals -% https://youtu.be/DCXItCajCyo - -% -% Geometrie einer Ellipse -% -\subsubsection{Geometrie einer Ellipse} -Eine {\em Ellipse} ist die Menge der Punkte der Ebene, für die die Summe -\index{Ellipse}% -der Entfernungen von zwei festen Punkten $F_1$ und $F_2$, -den {\em Brennpunkten}, konstant ist. -\index{Brennpunkt}% -In Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:ellipse} eine Ellipse -mit Brennpunkten in $F_1=(-e,0)$ und $F_2=(e,0)$ dargestellt, -die durch die Punkte $(\pm a,0)$ und $(0,\pm b)$ auf den Achsen geht. -Der Punkt $(a,0)$ hat die Entfernungen $a+e$ und $a-e$ von den beiden -Brennpunkten, also die Entfernungssumme $a+e+a-e=2a$. -Jeder andere Punkt auf der Ellipse muss ebenfalls diese Entfernungssumme -haben, insbesondere auch der Punkt $(0,b)$. -Seine Entfernung zu jedem Brennpunkt muss aus Symmetriegründen gleich gross, -also $a$ sein. -Aus dem Satz von Pythagoras liest man daher ab, dass -\[ -b^2+e^2=a^2 -\qquad\Rightarrow\qquad -e^2 = a^2-b^2 -\] -sein muss. -Die Strecke $e$ heisst auch {\em (lineare) Exzentrizität} der Ellipse. -Das Verhältnis $\varepsilon= e/a$ heisst die {\em numerische Exzentrizität} -der Ellipse. - -% -% Die Ellipsengleichung -% -\subsubsection{Ellipsengleichung} -Der Punkt $P=(x,y)$ auf der Ellipse hat die Entfernungen -\begin{equation} -\begin{aligned} -\overline{PF_1}^2 -&= -y^2 + (x+e)^2 -\\ -\overline{PF_2}^2 -&= -y^2 + (x-e)^2 -\end{aligned} -\label{buch:elliptisch:eqn:wurzelausdruecke} -\end{equation} -von den Brennpunkten, für die -\begin{equation} -\overline{PF_1}+\overline{PF_2} -= -2a -\label{buch:elliptisch:eqn:pf1pf2a} -\end{equation} -gelten muss. -Man kann nachrechnen, dass ein Punkt $P$, der die Gleichung -\[ -\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}=1 -\] -erfüllt, auch die Eigenschaft~\eqref{buch:elliptisch:eqn:pf1pf2a} -erfüllt. -Zur Vereinfachung setzen wir $l_1=\overline{PF_1}$ und $l_2=\overline{PF_2}$. -$l_1$ und $l_2$ sind Wurzeln aus der rechten Seite von -\eqref{buch:elliptisch:eqn:wurzelausdruecke}. -Das Quadrat von $l_1+l_2$ ist -\[ -l_1^2 + 2l_1l_2 + l_2^2 = 4a^2. -\] -Um die Wurzeln ganz zu eliminieren, bringt man das Produkt $l_1l_2$ alleine -auf die rechte Seite und quadriert. -Man muss also verifizieren, dass -\[ -(l_1^2 + l_2^2 -4a^2)^2 = 4l_1^2l_2^2. -\] -In den entstehenden Ausdrücken muss man ausserdem $e=\sqrt{a^2-b^2}$ und -\[ -y=b\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}} -\] -substituieren. -Diese Rechnung führt man am einfachsten mit Hilfe eines -Computeralgebraprogramms durch, welches obige Behauptung bestätigt. - -% -% Normierung -% -\subsubsection{Normierung} -Die trigonometrischen Funktionen sind definiert als Verhältnisse -von Seiten rechtwinkliger Dreiecke. -Dadurch, dass man den die Hypothenuse auf Länge $1$ normiert, -kann man die Sinus- und Kosinus-Funktion als Koordinaten eines -Punktes auf dem Einheitskreis interpretieren. - -Für die Koordinaten eines Punktes auf der Ellipse ist dies nicht so einfach, -weil es nicht nur eine Ellipse gibt, sondern für jede numerische Exzentrizität -mindestens eine mit Halbeachse $1$. -Wir wählen die Ellipsen so, dass $a$ die grosse Halbachse ist, also $a>b$. -Als Normierungsbedingung verwenden wir, dass $b=1$ sein soll, wie in -Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef}. -Dann ist $a=1/\varepsilon>1$. -In dieser Normierung haben Punkte $(x,y)$ auf der Ellipse $y$-Koordinaten -zwischen $-1$ und $1$ und $x$-Koordinaten zwischen $-a$ und $a$. - -Im Zusammenhang mit elliptischen Funktionen wird die numerische Exzentrizität -$\varepsilon$ auch mit -\[ -k -= -\varepsilon -= -\frac{e}{a} -= -\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a} -= -\frac{\sqrt{a^2-1}}{a}, -\] -die Zahl $k$ heisst auch der {\em Modulus}. -Man kann $a$ auch durch $k$ ausdrücken, durch Quadrieren und Umstellen -findet man -\[ -k^2a^2 = a^2-1 -\quad\Rightarrow\quad -1=a^2(k^2-1) -\quad\Rightarrow\quad -a=\frac{1}{\sqrt{k^2-1}}. -\] - -Die Gleichung der ``Einheitsellipse'' zu diesem Modulus ist -\[ -\frac{x^2}{a^2}+y^2=1 -\qquad\text{oder}\qquad -x^2(k^2-1) + y^2 = 1. -\] - -% -% Definition der elliptischen Funktionen -% -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/jacobidef.pdf} -\caption{Definition der elliptischen Funktionen als Trigonometrie -an einer Ellipse mit Halbachsen $a$ und $1$. -\label{buch:elliptisch:fig:jacobidef}} -\end{figure} -\subsubsection{Definition der elliptischen Funktionen} -Die elliptischen Funktionen für einen Punkt $P$ auf der Ellipse mit Modulus $k$ -können jetzt als Verhältnisse der Koordinaten des Punktes definieren. -Es stellt sich aber die Frage, was man als Argument verwenden soll. -Es soll so etwas wie den Winkel $\varphi$ zwischen der $x$-Achse und dem -Radiusvektor zum Punkt $P$ -darstellen, aber wir haben hier noch eine Wahlfreiheit, die wir später -ausnützen möchten. -Im Moment müssen wir die Frage noch nicht beantworten und nennen das -noch unbestimmte Argument $u$. -Wir kümmern uns später um die Frage, wie $u$ von $\varphi$ abhängt. - -Die Funktionen, die wir definieren wollen, hängen ausserdem auch -vom Modulus ab. -Falls der verwendete Modulus aus dem Zusammenhang klar ist, lassen -wir das $k$-Argument weg. - -Die Punkte auf dem Einheitskreis haben alle den gleichen Abstand vom -Nullpunkt, dies ist gleichzeitig die definierende Gleichung $r^2=x^2+y^2=1$ -des Kreises. -Die Punkte auf der Ellipse erfüllen die Gleichung $x^2/a^2+y^2=1$, -die Entfernung der Punkte $r=\sqrt{x^2+y^2}$ vom Nullpunkt variert aber. - -In Analogie zu den trigonometrischen Funktionen setzen wir jetzt für -die Funktionen -\[ -\begin{aligned} -&\text{sinus amplitudinis:}& -{\color{red}\operatorname{sn}(u,k)}&= y \\ -&\text{cosinus amplitudinis:}& -{\color{blue}\operatorname{cn}(u,k)}&= \frac{x}{a} \\ -&\text{delta amplitudinis:}& -{\color{darkgreen}\operatorname{dn}(u,k)}&=\frac{r}{a}, -\end{aligned} -\] -die auch in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef} -dargestellt sind. -Aus der Gleichung der Ellipse folgt sofort, dass -\[ -\operatorname{sn}(u,k)^2 + \operatorname{cn}(u,k)^2 = 1 -\] -ist. -Der Satz von Pythagoras kann verwendet werden, um die Entfernung zu -berechnen, also gilt -\begin{equation} -r^2 -= -a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 -= -x^2 + y^2 -= -a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 + \operatorname{sn}(u,k)^2 -\quad -\Rightarrow -\quad -a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 -= -a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 + \operatorname{sn}(u,k)^2. -\label{buch:elliptisch:eqn:sncndnrelation} -\end{equation} -Ersetzt man -$ -a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 -= -a^2-a^2\operatorname{sn}(u,k)^2 -$, ergibt sich -\[ -a^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 -= -a^2-a^2\operatorname{sn}(u,k)^2 -+ -\operatorname{sn}(u,k)^2 -\quad -\Rightarrow -\quad -\operatorname{dn}(u,k)^2 -+ -\frac{a^2-1}{a^2}\operatorname{sn}(u,k)^2 -= -1, -\] -woraus sich die Identität -\[ -\operatorname{dn}(u,k)^2 + k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2 = 1 -\] -ergibt. -Ebenso kann man aus~\eqref{buch:elliptisch:eqn:sncndnrelation} -die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ eliminieren, was auf -\[ -a^2\operatorname{dn}(u,k)^2 -= -a^2\operatorname{cn}(u,k)^2 -+1-\operatorname{cn}(u,k)^2 -= -(a^2-1)\operatorname{cn}(u,k)^2 -+1. -\] -Nach Division durch $a^2$ ergibt sich -\begin{align*} -\operatorname{dn}(u,k)^2 -- -k^2\operatorname{cn}(u,k)^2 -&= -\frac{1}{a^2} -= -\frac{a^2-a^2+1}{a^2} -= -1-k^2 =: k^{\prime 2}. -\end{align*} -Wir stellen die hiermit gefundenen Relationen zwischen den grundlegenden -Jacobischen elliptischen Funktionen für später zusammen in den Formeln -\begin{equation} -\begin{aligned} -\operatorname{sn}^2(u,k) -+ -\operatorname{cn}^2(u,k) -&= -1 -\\ -\operatorname{dn}^2(u,k) + k^2\operatorname{sn}^2(u,k) -&= -1 -\\ -\operatorname{dn}^2(u,k) -k^2\operatorname{cn}^2(u,k) -&= -k^{\prime 2}. -\end{aligned} -\label{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -\end{equation} -zusammen. -So wie es möglich ist, $\sin\alpha$ durch $\cos\alpha$ auszudrücken, -ist es mit -\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -jetzt auch möglich jede grundlegende elliptische Funktion durch -jede anderen auszudrücken. -Die Resultate sind in der Tabelle~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen} -zusammengestellt. - -\begin{table} -\centering -\renewcommand{\arraystretch}{2.1} -\begin{tabular}{|>{$\displaystyle}c<{$}|>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}|} -\hline -&\operatorname{sn}(u,k) -&\operatorname{cn}(u,k) -&\operatorname{dn}(u,k)\\ -\hline -\operatorname{sn}(u,k) -&\operatorname{sn}(u,k) -&\sqrt{1-\operatorname{cn}^2(u,k)} -&\frac1k\sqrt{1-\operatorname{dn}^2(u,k)} -\\ -\operatorname{cn}(u,k) -&\sqrt{1-\operatorname{sn}^2(u,k)} -&\operatorname{cn}(u,k) -&\frac{1}{k}\sqrt{\operatorname{dn}^2(u,k)-k^{\prime2}} -\\ -\operatorname{dn}(u,k) -&\sqrt{1-k^2\operatorname{sn}^2(u,k)} -&\sqrt{k^{\prime2}+k^2\operatorname{cn}^2(u,k)} -&\operatorname{dn}(u,k) -\\ -\hline -\end{tabular} -\caption{Jede der Jacobischen elliptischen Funktionen lässt sich -unter Verwendung der Relationen~\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -durch jede andere ausdrücken. -\label{buch:elliptisch:fig:jacobi-relationen}} -\end{table} - -% -% Ableitungen der Jacobi-ellpitischen Funktionen -% -\subsubsection{Ableitung} -Die trigonometrischen Funktionen sind deshalb so besonders nützlich -für die Lösung von Schwingungsdifferentialgleichungen, weil sie die -Beziehungen -\[ -\frac{d}{d\varphi} \cos\varphi = -\sin\varphi -\qquad\text{und}\qquad -\frac{d}{d\varphi} \sin\varphi = \cos\varphi -\] -erfüllen. -So einfach können die Beziehungen natürlich nicht sein, sonst würde sich -durch Integration ja wieder nur die trigonometrischen Funktionen ergeben. -Durch geschickte Wahl des Arguments $u$ kann man aber erreichen, dass -sie ähnlich nützliche Beziehungen zwischen den Ableitungen ergeben. - -Gesucht ist jetzt also eine Wahl für das Argument $u$ zum Beispiel in -Abhängigkeit von $\varphi$, dass sich einfache und nützliche -Ableitungsformeln ergeben. -Wir setzen daher $u(\varphi)$ voraus und beachten, dass $x$ und $y$ -ebenfalls von $\varphi$ abhängen, es ist -$y=\sin\varphi$ und $x=a\cos\varphi$. -Die Ableitungen von $x$ und $y$ nach $\varphi$ sind -\begin{align*} -\frac{dy}{d\varphi} -&= -\cos\varphi -= -\frac{1}{a} x -= -\operatorname{cn}(u,k) -\\ -\frac{dx}{d\varphi} -&= --a\sin\varphi -= --a y -= --a\operatorname{sn}(u,k). -\end{align*} -Daraus kann man jetzt die folgenden Ausdrücke für die Ableitungen der -elliptischen Funktionen nach $\varphi$ ableiten: -\begin{align*} -\frac{d}{d\varphi} \operatorname{sn}(u,z) -&= -\frac{d}{d\varphi} y(\varphi) -= -\cos\varphi -= -\frac{x}{a} -= -\operatorname{cn}(u,k) -&&\Rightarrow& -\frac{d}{du} -\operatorname{sn}(u,k) -&= -\operatorname{cn}(u,k) \frac{d\varphi}{du} -\\ -\frac{d}{d\varphi} \operatorname{cn}(u,z) -&= -\frac{d}{d\varphi} \frac{x(\varphi)}{a} -= --\sin\varphi -= --\operatorname{sn}(u,k) -&&\Rightarrow& -\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) -&= --\operatorname{sn}(u,k) \frac{d\varphi}{du} -\\ -\frac{d}{d\varphi} \operatorname{dn}(u,z) -&= -\frac{1}{a}\frac{dr}{d\varphi} -= -\frac{1}{a}\frac{d\sqrt{x^2+y^2}}{d\varphi} -\\ -&= -\frac{x}{ar} \frac{dx}{d\varphi} -+ -\frac{y}{ar} \frac{dy}{d\varphi} -\\ -&= -\frac{x}{ar} (-a\operatorname{sn}(u,k)) -+ -\frac{y}{ar} \operatorname{cn}(u,k) -\\ -&= -\frac{x}{ar}(-ay) -+ -\frac{y}{ar} \frac{x}{a} -= -\frac{xy(-1+\frac{1}{a^2})}{r} -\\ -&= --\frac{xy(a^2-1)}{a^2r} -\\ -&= --\frac{a^2-1}{ar} -\operatorname{cn}(u,k) \operatorname{sn}(u,k) -\\ -&=-k^2 -\frac{a}{r} -\operatorname{cn}(u,k) \operatorname{sn}(u,k) -\\ -&= --k^2\frac{\operatorname{cn}(u,k)\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} -&&\Rightarrow& -\frac{d}{du} \operatorname{dn}(u,k) -&= --k^2\frac{\operatorname{cn}(u,k) -\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} -\frac{d\varphi}{du} -\end{align*} -Die einfachsten Beziehungen ergeben sich offenbar, wenn man $u$ so -wählt, dass -\[ -\frac{d\varphi}{du} -= -\operatorname{dn}(u,k) -= -\frac{r}{a} -\] -Damit haben wir die grundlegenden Ableitungsregeln -\begin{align*} -\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k) -&= -\phantom{-}\operatorname{cn}(u,k)\operatorname{dn}(u,k) -\\ -\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) -&= --\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{dn}(u,k) -\\ -\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) -&= --k^2\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}(u,k) -\end{align*} -der elliptischen Funktionen nach Jacobi. - -% -% Der Grenzfall $k=1$ -% -\subsubsection{Der Grenzwert $k\to1$} -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/sncnlimit.pdf} -\caption{Grenzfälle der Jacobischen elliptischen Funktionen -für die Werte $0$ und $1$ des Parameters $k$. -\label{buch:elliptisch:fig:sncnlimit}} -\end{figure} -Für $k=1$ ist $k^{\prime2}=1-k^2=$ und es folgt aus den -Relationen~\eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -\[ -\operatorname{cn}^2(u,k) -- -k^2 -\operatorname{dn}^2(u,k) -= -k^{\prime2} -= -0 -\qquad\Rightarrow\qquad -\operatorname{cn}^2(u,1) -= -\operatorname{dn}^2(u,1), -\] -die beiden Funktionen -$\operatorname{cn}(u,k)$ -und -$\operatorname{dn}(u,k)$ -fallen also zusammen. -Die Ableitungsregeln werden dadurch vereinfacht: -\begin{align*} -\operatorname{sn}'(u,1) -&= -\operatorname{cn}(u,1) -\operatorname{dn}(u,1) -= -\operatorname{cn}^2(u,1) -= -1-\operatorname{sn}^2(u,1) -&&\Rightarrow& y'&=1-y^2 -\\ -\operatorname{cn}'(u,1) -&= -- -\operatorname{sn}(u,1) -\operatorname{dn}(u,1) -= -- -\operatorname{sn}(u,1)\operatorname{cn}(u,1) -&&\Rightarrow& -\frac{z'}{z}&=(\log z)' = -y -\end{align*} -Die erste Differentialgleichung für $y$ lässt sich separieren, man findet -die Lösung -\[ -\frac{y'}{1-y^2} -= -1 -\quad\Rightarrow\quad -\int \frac{dy}{1-y^2} = \int \,du -\quad\Rightarrow\quad -\operatorname{artanh}(y) = u -\quad\Rightarrow\quad -\operatorname{sn}(u,1)=\tanh u. -\] -Damit kann man jetzt auch $z$ berechnen: -\begin{align*} -(\log \operatorname{cn}(u,1))' -&= -\tanh u -&&\Rightarrow& -\log\operatorname{cn}(u,1) -&= --\int\tanh u\,du -= --\log\cosh u -\\ -& -&&\Rightarrow& -\operatorname{cn}(u,1) -&= -\frac{1}{\cosh u} -= -\operatorname{sech}u. -\end{align*} -Die Grenzfunktionen sind in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:sncnlimit} -dargestellt. - -% -% Das Argument u -% -\subsubsection{Das Argument $u$} -Die Gleichung -\begin{equation} -\frac{d\varphi}{du} -= -\operatorname{dn}(u,k) -\label{buch:elliptisch:eqn:uableitung} -\end{equation} -ermöglicht, $\varphi$ in Abhängigkeit von $u$ zu berechnen, ohne jedoch -die geometrische Bedeutung zu klären. -Das beginnt bereits damit, dass der Winkel $\varphi$ nicht nicht der -Polarwinkel des Punktes $P$ in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobidef} -ist, diesen nennen wir $\vartheta$. -Der Zusammenhang zwischen $\varphi$ und $\vartheta$ ist -\begin{equation} -\frac1{a}\tan\varphi = \tan\vartheta -\label{buch:elliptisch:eqn:phitheta} -\end{equation} - -Um die geometrische Bedeutung besser zu verstehen, nehmen wir jetzt an, -dass die Ellipse mit einem Parameter $t$ parametrisiert ist, dass also -$\varphi(t)$, $\vartheta(t)$ und $u(t)$ Funktionen von $t$ sind. -Die Ableitung von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:phitheta} ist -\[ -\frac1{a}\cdot \frac{1}{\cos^2\varphi}\cdot \dot{\varphi} -= -\frac{1}{\cos^2\vartheta}\cdot \dot{\vartheta}. -\] -Daraus kann die Ableitung von $\vartheta$ nach $\varphi$ bestimmt -werden, sie ist -\[ -\frac{d\vartheta}{d\varphi} -= -\frac{\dot{\vartheta}}{\dot{\varphi}} -= -\frac{1}{a} -\cdot -\frac{\cos^2\vartheta}{\cos^2\varphi} -= -\frac{1}{a} -\cdot -\frac{(x/r)^2}{(x/a)^2} -= -\frac{1}{a}\cdot -\frac{a^2}{r^2} -= -\frac{1}{a}\cdot\frac{1}{\operatorname{dn}^2(u,k)}. -\] -Damit kann man jetzt mit Hilfe von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:uableitung} -Die Ableitung von $\vartheta$ nach $u$ ermitteln, sie ist -\[ -\frac{d\vartheta}{du} -= -\frac{d\vartheta}{d\varphi} -\cdot -\frac{d\varphi}{du} -= -\frac{1}{a}\cdot\frac{1}{\operatorname{dn}^2(u,k)} -\cdot -\operatorname{dn}(u,k) -= -\frac{1}{a} -\cdot -\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} -= -\frac{1}{a} -\cdot\frac{a}{r} -= -\frac{1}{r}, -\] -wobei wir auch die Definition der Funktion $\operatorname{dn}(u,k)$ -verwendet haben. - -In der Parametrisierung mit dem Parameter $t$ kann man jetzt die Ableitung -von $u$ nach $t$ berechnen als -\[ -\frac{du}{dt} -= -\frac{du}{d\vartheta} -\frac{d\vartheta}{dt} -= -r -\dot{\vartheta}. -\] -Darin ist $\dot{\vartheta}$ die Winkelgeschwindigkeit des Punktes um -das Zentrum $O$ und $r$ ist die aktuelle Entfernung des Punktes $P$ -von $O$. -$r\dot{\vartheta}$ ist also die Geschwindigkeitskomponenten des Punktes -$P$ senkrecht auf den aktuellen Radiusvektor. -Der Parameter $u$, der zum Punkt $P$ gehört, ist also das Integral -\[ -u(P) = \int_0^P r\,d\vartheta. -\] -Für einen Kreis ist die Geschwindigkeit von $P$ immer senkrecht -auf dem Radiusvektor und der Radius ist konstant, so dass -$u(P)=\vartheta(P)$ ist. - -% -% Die abgeleiteten elliptischen Funktionen -% -\begin{figure} -\centering -\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/jacobi12.pdf} -\caption{Die Verhältnisse der Funktionen -$\operatorname{sn}(u,k)$, -$\operatorname{cn}(u,k)$ -udn -$\operatorname{dn}(u,k)$ -geben Anlass zu neun weitere Funktionen, die sich mit Hilfe -des Strahlensatzes geometrisch interpretieren lassen. -\label{buch:elliptisch:fig:jacobi12}} -\end{figure} -\begin{table} -\centering -\renewcommand{\arraystretch}{2.5} -\begin{tabular}{|>{$\displaystyle}c<{$}|>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}>{$\displaystyle}c<{$}|} -\hline -\cdot & -\frac{1}{1} & -\frac{1}{\operatorname{sn}(u,k)} & -\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} & -\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} -\\[5pt] -\hline -1& -&%\operatorname{nn}(u,k)=\frac{1}{1} & -\operatorname{ns}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{sn}(u,k)} & -\operatorname{nc}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} & -\operatorname{nd}(u,k)=\frac{1}{\operatorname{dn}(u,k)} -\\ -\operatorname{sn}(u,k) & -\operatorname{sn}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{1}& -&%\operatorname{ss}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& -\operatorname{sc}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& -\operatorname{sd}(u,k)=\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} -\\ -\operatorname{cn}(u,k) & -\operatorname{cn}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{1} & -\operatorname{cs}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& -&%\operatorname{cc}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& -\operatorname{cd}(u,k)=\frac{\operatorname{cn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} -\\ -\operatorname{dn}(u,k) & -\operatorname{dn}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{1} & -\operatorname{ds}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{sn}(u,k)}& -\operatorname{dc}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)}& -%\operatorname{dd}(u,k)=\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{dn}(u,k)} -\\[5pt] -\hline -\end{tabular} -\caption{Zusammenstellung der abgeleiteten Jacobischen elliptischen -Funktionen in hinteren drei Spalten als Quotienten der grundlegenden -Jacobischen elliptischen Funktionen. -Die erste Spalte zum Nenner $1$ enthält die grundlegenden -Jacobischen elliptischen Funktionen. -\label{buch:elliptisch:table:abgeleitetjacobi}} -\end{table} -\subsubsection{Die abgeleiteten elliptischen Funktionen} -Zusätzlich zu den grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktioenn -lassen sich weitere elliptische Funktionen bilden, die unglücklicherweise -die {\em abgeleiteten elliptischen Funktionen} genannt werden. -Ähnlich wie die trigonometrischen Funktionen $\tan\alpha$, $\cot\alpha$, -$\sec\alpha$ und $\csc\alpha$ als Quotienten von $\sin\alpha$ und -$\cos\alpha$ definiert sind, sind die abgeleiteten elliptischen Funktionen -die in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:table:abgeleitetjacobi} zusammengestellten -Quotienten der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen. -Die Bezeichnungskonvention ist, dass die Funktion $\operatorname{pq}(u,k)$ -ein Quotient ist, dessen Zähler durch den Buchstaben p bestimmt ist, -der Nenner durch den Buchstaben q. -Der Buchstabe n steht für eine $1$, die Buchstaben s, c und d stehen für -die Anfangsbuchstaben der grundlegenden Jacobischen elliptischen -Funktionen. -Meint man irgend eine der Jacobischen elliptischen Funktionen, schreibt -man manchmal auch $\operatorname{zn}(u,k)$. - -In Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobi12} sind die Quotienten auch -geometrisch interpretiert. -Der Wert der Funktion $\operatorname{nq}(u,k)$ ist die auf dem Strahl -mit Polarwinkel $\varphi$ abgetragene Länge bis zu den vertikalen -Geraden, die den verschiedenen möglichen Nennern entsprechen. -Entsprechend ist der Wert der Funktion $\operatorname{dq}(u,k)$ die -Länge auf dem Strahl mit Polarwinkel $\vartheta$. - -Die Relationen~\ref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -ermöglichen, jede Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ durch jede -andere auszudrücken. -Die schiere Anzahl solcher Beziehungen macht es unmöglich, sie -übersichtlich in einer Tabelle zusammenzustellen, daher soll hier -nur an einem Beispiel das Vorgehen gezeigt werden: - -\begin{beispiel} -Die Funktion $\operatorname{sc}(u,k)$ soll durch $\operatorname{cd}(u,k)$ -ausgedrückt werden. -Zunächst ist -\[ -\operatorname{sc}(u,k) -= -\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} -\] -nach Definition. -Im Resultat sollen nur noch $\operatorname{cn}(u,k)$ und -$\operatorname{dn}(u,k)$ vorkommen. -Daher eliminieren wir zunächst die Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ -mit Hilfe von \eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} und erhalten -\begin{equation} -\operatorname{sc}(u,k) -= -\frac{\sqrt{1-\operatorname{cn}^2(u,k)}}{\operatorname{cn}(u,k)}. -\label{buch:elliptisch:eqn:allgausdruecken} -\end{equation} -Nun genügt es, die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ durch -$\operatorname{cd}(u,k)$ auszudrücken. -Aus der Definition und der -dritten Relation in \eqref{buch:elliptisch:eqn:jacobi-relationen} -erhält man -\begin{align*} -\operatorname{cd}^2(u,k) -&= -\frac{\operatorname{cn}^2(u,k)}{\operatorname{dn}^2(u,k)} -= -\frac{\operatorname{cn}^2(u,k)}{k^{\prime2}+k^2\operatorname{cn}^2(u,k)} -\\ -\Rightarrow -\qquad -k^{\prime 2} -\operatorname{cd}^2(u,k) -+ -k^2\operatorname{cd}^2(u,k)\operatorname{cn}^2(u,k) -&= -\operatorname{cn}^2(u,k) -\\ -\operatorname{cn}^2(u,k) -- -k^2\operatorname{cd}^2(u,k)\operatorname{cn}^2(u,k) -&= -k^{\prime 2} -\operatorname{cd}^2(u,k) -\\ -\operatorname{cn}^2(u,k) -&= -\frac{ -k^{\prime 2} -\operatorname{cd}^2(u,k) -}{ -1 - k^2\operatorname{cd}^2(u,k) -} -\end{align*} -Für den Zähler brauchen wir $1-\operatorname{cn}^2(u,k)$, also -\[ -1-\operatorname{cn}^2(u,k) -= -\frac{ -1 -- -k^2\operatorname{cd}^2(u,k) -- -k^{\prime 2} -\operatorname{cd}^2(u,k) -}{ -1 -- -k^2\operatorname{cd}^2(u,k) -} -= -\frac{1-\operatorname{cd}^2(u,k)}{1-k^2\operatorname{cd}^2(u,k)} -\] -Einsetzen in~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgausdruecken} gibt -\begin{align*} -\operatorname{sc}(u,k) -&= -\frac{ -\sqrt{1-\operatorname{cd}^2(u,k)} -}{\sqrt{1-k^2\operatorname{cd}^2(u,k)}} -\cdot -\frac{ -\sqrt{1 - k^2\operatorname{cd}^2(u,k)} -}{ -k' -\operatorname{cd}(u,k) -} -= -\frac{ -\sqrt{1-\operatorname{cd}^2(u,k)} -}{ -k' -\operatorname{cd}(u,k) -}. -\qedhere -\end{align*} -\end{beispiel} - -\subsubsection{Ableitung der abgeleiteten elliptischen Funktionen} -Aus den Ableitungen der grundlegenden Jacobischen elliptischen Funktionen -können mit der Quotientenregel nun auch beliebige Ableitungen der -abgeleiteten Jacobischen elliptischen Funktionen gefunden werden. -Als Beispiel berechnen wir die Ableitung von $\operatorname{sc}(u,k)$. -Sie ist -\begin{align*} -\frac{d}{du} -\operatorname{sc}(u,k) -&= -\frac{d}{du} -\frac{\operatorname{sn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} -= -\frac{ -\operatorname{sn}'(u,k)\operatorname{cn}(u,k) -- -\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}'(u,k)}{ -\operatorname{cn}^2(u,k) -} -\\ -&= -\frac{ -\operatorname{cn}^2(u,k)\operatorname{dn}(u,k) -+ -\operatorname{sn}^2(u,k)\operatorname{dn}(u,k) -}{ -\operatorname{cn}^2(u,k) -} -= -\frac{( -\operatorname{sn}^2(u,k) -+ -\operatorname{cn}^2(u,k) -)\operatorname{dn}(u,k)}{ -\operatorname{cn}^2(u,k) -} -\\ -&= -\frac{1}{\operatorname{cn}(u,k)} -\cdot -\frac{\operatorname{dn}(u,k)}{\operatorname{cn}(u,k)} -= -\operatorname{nc}(u,k) -\operatorname{dc}(u,k). -\end{align*} -Man beachte, dass das Quadrat der Nennerfunktion im Resultat -der Quotientenregel zur Folge hat, dass die -beiden Funktionen im Resultat beide den gleichen Nenner haben wie -die Funktion, die abgeleitet wird. - -Mit etwas Fleiss kann man nach diesem Muster alle Ableitungen -\begin{equation} -%\small -\begin{aligned} -\operatorname{sn}'(u,k) -&= -\phantom{-} -\operatorname{cn}(u,k)\,\operatorname{dn}(u,k) -&&\qquad& -\operatorname{ns}'(u,k) -&= -- -\operatorname{cs}(u,k)\,\operatorname{ds}(u,k) -\\ -\operatorname{cn}'(u,k) -&= -- -\operatorname{sn}(u,k)\,\operatorname{dn}(u,k) -&&& -\operatorname{nc}'(u,k) -&= -\phantom{-} -\operatorname{sc}(u,k)\,\operatorname{dc}(u,k) -\\ -\operatorname{dn}'(u,k) -&= --k^2 -\operatorname{sn}(u,k)\,\operatorname{cn}(u,k) -&&& -\operatorname{nd}'(u,k) -&= -\phantom{-} -k^2 -\operatorname{sd}(u,k)\,\operatorname{cd}(u,k) -\\ -\operatorname{sc}'(u,k) -&= -\phantom{-} -\operatorname{dc}(u,k)\,\operatorname{nc}(u,k) -&&& -\operatorname{cs}'(u,k) -&= -- -\operatorname{ds}(u,k)\,\operatorname{ns}(u,k) -\\ -\operatorname{cd}'(u,k) -&= --k^{\prime2} -\operatorname{sd}(u,k)\,\operatorname{nd}(u,k) -&&& -\operatorname{dc}'(u,k) -&= -\phantom{-} -k^{\prime2} -\operatorname{dc}(u,k)\,\operatorname{nc}(u,k) -\\ -\operatorname{ds}'(d,k) -&= -- -\operatorname{cs}(u,k)\,\operatorname{ns}(u,k) -&&& -\operatorname{sd}'(d,k) -&= -\phantom{-} -\operatorname{cd}(u,k)\,\operatorname{nd}(u,k) -\end{aligned} -\label{buch:elliptisch:eqn:alleableitungen} -\end{equation} -finden. -Man beachte, dass in jeder Identität alle Funktionen den gleichen -zweiten Buchstaben haben. - -\subsubsection{TODO} -XXX algebraische Beziehungen \\ -XXX Additionstheoreme \\ -XXX Perioden -% use https://math.stackexchange.com/questions/3013692/how-to-show-that-jacobi-sine-function-is-doubly-periodic - - -XXX Ableitungen \\ -XXX Werte \\ - -% -% Lösung von Differentialgleichungen -% -\subsection{Lösungen von Differentialgleichungen} -Die elliptischen Funktionen ermöglichen die Lösung gewisser nichtlinearer -Differentialgleichungen in geschlossener Form. -Ziel dieses Abschnitts ist, Differentialgleichungen der Form -\( -\ddot{x}(t) -= -p(x(t)) -\) -mit einem Polynom dritten Grades als rechter Seite lösen zu können. - -% -% Die Differentialgleichung der elliptischen Funktionen -% -\subsubsection{Die Differentialgleichungen der elliptischen Funktionen} -Um Differentialgleichungen mit elliptischen Funktion lösen zu -können, muss man als erstes die Differentialgleichungen derselben -finden. -Quadriert man die Ableitungsregel für $\operatorname{sn}(u,k)$, erhält -man -\[ -\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k)\biggr)^2 -= -\operatorname{cn}(u,k)^2 \operatorname{dn}(u,k)^2. -\] -Die Funktionen auf der rechten Seite können durch $\operatorname{sn}(u,k)$ -ausgedrückt werden. -\begin{align*} -\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{sn}(u,k)\biggr)^2 -&= -\biggl( -1-\operatorname{sn}(u,k)^2 -\biggr) -\biggl( -1-k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2 -\biggr) -\\ -&= -k^2\operatorname{sn}(u,k)^4 --(1+k^2) -\operatorname{sn}(u,k)^2 -+1. -\end{align*} -Für die Funktion $\operatorname{cn}(u,k)$ ergibt analoge Rechnung -\begin{align*} -\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k) -&= --\operatorname{sn}(u,k) \operatorname{dn}(u,k) -\\ -\biggl(\frac{d}{du}\operatorname{cn}(u,k)\biggr)^2 -&= -\operatorname{sn}(u,k)^2 \operatorname{dn}(u,k)^2 -\\ -&= -\biggl(1-\operatorname{cn}(u,k)^2\biggr) -\biggl(1-k^2+k^2 \operatorname{cn}(u,k)^2\biggr) -\\ -&= --k^2\operatorname{cn}(u,k)^4 -- -(1-k^2-k^2)\operatorname{cn}(u,k)^2 -+ -(1-k^2) -\\ -\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) -&= --k^2\operatorname{sn}(u,k)\operatorname{cn}(u,k) -\\ -\biggl( -\frac{d}{du}\operatorname{dn}(u,k) -\biggr)^2 -&= -\bigl(k^2 \operatorname{sn}(u,k)^2\bigr) -\bigl(k^2 \operatorname{cn}(u,k)^2\bigr) -\\ -&= -\biggl( -1-\operatorname{dn}(u,k)^2 -\biggr) -\biggl( -\operatorname{dn}(u,k)^2-k^2+1 -\biggr) -\\ -&= --\operatorname{dn}(u,k)^4 -- -2\operatorname{dn}(u,k)^2 --k^2+1. -\end{align*} -\begin{table} -\centering -\renewcommand{\arraystretch}{2} -\begin{tabular}{|>{$}l<{$}|>{$}l<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} -\hline -\text{Funktion $y=$}&\text{Differentialgleichung}&\alpha&\beta&\gamma&\multicolumn{3}{c|}{Signatur}\\ -\hline -\operatorname{sn}(u,k) - & y'^2 = \phantom{-}(1-y^2)(1-k^2y^2) - &k^2&1&1 &+&+&+ -\\ -\operatorname{cn}(u,k) - &y'^2 = \phantom{-}(1-y^2)(1-k^2+k^2y^2) - &-k^2 &2k^2-1&1-k^2 &-&&+ -\\ -\operatorname{dn}(u,k) - & y'^2 = -(1-y^2)(1-k^2-y^2) - &1 &1-k^2 &-(1-k^2)&+&+&- -\\ -\hline -\end{tabular} -\caption{Elliptische Funktionen als Lösungsfunktionen für verschiedene -nichtlineare Differentialgleichungen der Art -\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell}. -Die Vorzeichen der Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ -entscheidet darüber, welche Funktion für die Lösung verwendet werden -muss. -\label{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen}} -\end{table} - -Die elliptischen Funktionen genügen also alle einer nichtlinearen -Differentialgleichung erster Ordnung der selben Art. -Das Quadrat der Ableitung ist ein Polynom vierten Grades der Funktion. -Um dies besser einzufangen, schreiben wir $\operatorname{zn}(u,k)$, -wenn wir eine beliebige der drei Funktionen -$\operatorname{sn}(u,k)$, -$\operatorname{cn}(u,k)$ -oder -$\operatorname{dn}(u,k)$ -meinen. -Die Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ ist also Lösung der -Differentialgleichung -\begin{equation} -\operatorname{zn}'(u,k)^2 -= -\alpha \operatorname{zn}(u,k)^4 + \beta \operatorname{zn}(u,)^2 + \gamma, -\label{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} -\end{equation} -wobei wir mit $\operatorname{zn}'(u,k)$ die Ableitung von -$\operatorname{zn}(u,k)$ nach dem ersten Argument meinen. -Die Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ hängen von $k$ ab, -vor allem aber haben Sie verschiedene Vorzeichen. -Je nach Vorzeichen sind also eine andere elliptische Funktion als -Lösung zu verwenden. - -% -% Jacobischen elliptische Funktionen und elliptische Integrale -% -\subsubsection{Jacobische elliptische Funktionen als elliptische Integrale} -Die in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen} -zusammengestellten Differentialgleichungen ermöglichen nun, den -Zusammenhang zwischen den Funktionen -$\operatorname{sn}(u,k)$, $\operatorname{cn}(u,k)$ und $\operatorname{dn}(u,k)$ -und den unvollständigen elliptischen Integralen herzustellen. -Die Differentialgleichungen sind alle von der Form -\begin{equation} -\biggl( -\frac{d y}{d u} -\biggr)^2 -= -p(u), -\label{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} -\end{equation} -wobei $p(u)$ ein Polynom vierten Grades in $y$ ist. -Diese Differentialgleichung lässt sich mit Separation lösen. -Dazu zieht man aus~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} die -Wurzel -\begin{align} -\frac{dy}{du} -= -\sqrt{p(y)} -\notag -\intertext{und trennt die Variablen. Man erhält} -\int\frac{dy}{\sqrt{p(y)}} = u+C. -\label{buch:elliptisch:eqn:yintegral} -\end{align} -Solange $p(y)>0$ ist, ist der Integrand auf der linken Seite -von~\eqref{buch:elliptisch:eqn:yintegral} ebenfalls positiv und -das Integral ist eine monoton wachsende Funktion $F(y)$. -Insbesondere ist $F(y)$ invertierbar. -Die Lösung $y(u)$ der Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} -ist daher -\[ -y(u) = F^{-1}(u+C). -\] -Die Jacobischen elliptischen Funktionen sind daher inverse Funktionen -der unvollständigen elliptischen Integrale. - -\subsubsection{Differentialgleichung zweiter Ordnung} -Leitet die Differentialgleichung ~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} -man dies nochmals nach $u$ ab, erhält man die Differentialgleichung -\[ -2\operatorname{zn}''(u,k)\operatorname{zn}'(u,k) -= -4\alpha \operatorname{zn}(u,k)^3\operatorname{zn}'(u,k) + 2\beta \operatorname{zn}'(u,k)\operatorname{zn}(u,k). -\] -Teilt man auf beiden Seiten durch $2\operatorname{zn}'(u,k)$, -bleibt die nichtlineare -Differentialgleichung -\[ -\frac{d^2\operatorname{zn}}{du^2} -= -\beta \operatorname{zn} + 2\alpha \operatorname{zn}^3. -\] -Dies ist die Gleichung eines harmonischen Oszillators mit einer -Anharmonizität der Form $2\alpha z^3$. - -% -% Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators -% -\subsubsection{Differentialgleichung des anharmonischen Oszillators} -Wir möchten die nichtlineare Differentialgleichung -\begin{equation} -\biggl( -\frac{dx}{dt} -\biggr)^2 -= -Ax^4+Bx^2 + C -\label{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} -\end{equation} -mit Hilfe elliptischer Funktionen lösen. -Wir nehmen also an, dass die gesuchte Lösung eine Funktion der Form -\begin{equation} -x(t) = a\operatorname{zn}(bt,k) -\label{buch:elliptisch:eqn:loesungsansatz} -\end{equation} -ist. -Die erste Ableitung von $x(t)$ ist -\[ -\dot{x}(t) -= -a\operatorname{zn}'(bt,k). -\] - -Indem wir diesen Lösungsansatz in die -Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} -einsetzen, erhalten wir -\begin{equation} -a^2b^2 \operatorname{zn}'(bt,k)^2 -= -a^4A\operatorname{zn}(bt,k)^4 -+ -a^2B\operatorname{zn}(bt,k)^2 -+C -\label{buch:elliptisch:eqn:dglx} -\end{equation} -Andererseits wissen wir, dass $\operatorname{zn}(u,k)$ einer -Differentilgleichung der Form~\eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} -erfüllt. -Wenn wir \eqref{buch:elliptisch:eqn:dglx} durch $a^2b^2$ teilen, können wir -die rechte Seite von \eqref{buch:elliptisch:eqn:dglx} mit der rechten -Seite von \eqref{buch:elliptisch:eqn:1storderdglell} vergleichen: -\[ -\frac{a^2A}{b^2}\operatorname{zn}(bt,k)^4 -+ -\frac{B}{b^2}\operatorname{zn}(bt,k)^2 -+\frac{C}{a^2b^2} -= -\alpha\operatorname{zn}(bt,k)^4 -+ -\beta\operatorname{zn}(bt,k)^2 -+ -\gamma\operatorname{zn}(bt,k). -\] -Daraus ergeben sich die Gleichungen -\begin{align} -\alpha &= \frac{a^2A}{b^2}, -& -\beta &= \frac{B}{b^2} -&&\text{und} -& -\gamma &= \frac{C}{a^2b^2} -\label{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} -\intertext{oder aufgelöst nach den Koeffizienten der ursprünglichen -Differentialgleichung} -A&=\frac{\alpha b^2}{a^2} -& -B&=\beta b^2 -&&\text{und}& -C &= \gamma a^2b^2 -\label{buch:elliptisch:eqn:koeffABC} -\end{align} -für die Koeffizienten der Differentialgleichung der zu verwendenden -Funktion. - -Man beachte, dass nach \eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} die -Koeffizienten $A$, $B$ und $C$ die gleichen Vorzeichen haben wie -$\alpha$, $\beta$ und $\gamma$, da in -\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} nur mit Quadraten multipliziert -wird, die immer positiv sind. -Diese Vorzeichen bestimmen, welche der Funktionen gewählt werden muss. - -In den Differentialgleichungen für die elliptischen Funktionen gibt -es nur den Parameter $k$, der angepasst werden kann. -Es folgt, dass die Gleichungen -\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} -auch $a$ und $b$ bestimmen. -Zum Beispiel folgt aus der letzten Gleichung, dass -\[ -b = \pm\sqrt{\frac{B}{\beta}}. -\] -Damit folgt dann aus der zweiten -\[ -a=\pm\sqrt{\frac{\beta C}{\gamma B}}. -\] -Die verbleibende Gleichung legt $k$ fest. -Das folgende Beispiel illustriert das Vorgehen am Beispiel einer -Gleichung, die Lösungsfunktion $\operatorname{sn}(u,k)$ verlangt. - -\begin{beispiel} -Wir nehmen an, dass die Vorzeichen von $A$, $B$ und $C$ gemäss -Tabelle~\ref{buch:elliptische:tabelle:loesungsfunktionen} verlangen, -dass die Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ für die Lösung verwendet -werden muss. -Die Tabelle sagt dann auch, dass -$\alpha=k^2$, $\beta=1$ und $\gamma=1$ gewählt werden müssen. -Aus dem Koeffizientenvergleich~\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffvergl} -folgt dann der Reihe nach -\begin{align*} -b&=\pm \sqrt{B} -\\ -a&=\pm \sqrt{\frac{C}{B}} -\\ -k^2 -&= -\frac{AC}{B^2}. -\end{align*} -Man beachte, dass man $k^2$ durch Einsetzen von -\eqref{buch:elliptisch:eqn:koeffABC} -auch direkt aus den Koeffizienten $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ -erhalten kann, nämlich -\[ -\frac{AC}{B^2} -= -\frac{\frac{\alpha b^2}{a^2} \gamma a^2b^2}{\beta^2 b^4} -= -\frac{\alpha\gamma}{\beta^2}. -\qedhere -\] -\end{beispiel} - -Da alle Parameter im -Lösungsansatz~\eqref{buch:elliptisch:eqn:loesungsansatz} bereits -festgelegt sind stellt sich die Frage, woher man einen weiteren -Parameter nehmen kann, mit dem Anfangsbedingungen erfüllen kann. -Die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} ist -autonom, die Koeffizienten der rechten Seite der Differentialgleichung -sind nicht von der Zeit abhängig. -Damit ist eine zeitverschobene Funktion $x(t-t_0)$ ebenfalls eine -Lösung der Differentialgleichung. -Die allgmeine Lösung der -Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:allgdgl} hat -also die Form -\[ -x(t) = a\operatorname{zn}(b(t-t_0)), -\] -wobei die Funktion $\operatorname{zn}(u,k)$ auf Grund der Vorzeichen -von $A$, $B$ und $C$ gewählt werden müssen. - -% -% Das mathematische Pendel -% -\subsection{Das mathematische Pendel -\label{buch:elliptisch:subsection:mathpendel}} -\begin{figure} -\centering -\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/pendel.pdf} -\caption{Mathematisches Pendel -\label{buch:elliptisch:fig:mathpendel}} -\end{figure} -Das in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:mathpendel} dargestellte -Mathematische Pendel besteht aus einem Massepunkt der Masse $m$ -im Punkt $P$, -der über eine masselose Stange der Länge $l$ mit dem Drehpunkt $O$ -verbunden ist. -Das Pendel bewegt sich unter dem Einfluss der Schwerebeschleunigung $g$. - -Das Trägheitsmoment des Massepunktes um den Drehpunkt $O$ ist -\( -I=ml^2 -\). -Das Drehmoment der Schwerkraft ist -\(M=gl\sin\vartheta\). -Die Bewegungsgleichung wird daher -\[ -\begin{aligned} -\frac{d}{dt} I\dot{\vartheta} -&= -M -= -gl\sin\vartheta -\\ -ml^2\ddot{\vartheta} -&= -gl\sin\vartheta -&&\Rightarrow& -\ddot{\vartheta} -&=\frac{g}{l}\sin\vartheta -\end{aligned} -\] -Dies ist eine nichtlineare Differentialgleichung zweiter Ordnung, die -wir nicht unmittelbar mit den Differentialgleichungen erster Ordnung -der elliptischen Funktionen vergleichen können. - -Die Differentialgleichungen erster Ordnung der elliptischen Funktionen -enthalten das Quadrat der ersten Ableitung. -In unserem Fall entspricht das einer Gleichung, die $\dot{\vartheta}^2$ -enthält. -Der Energieerhaltungssatz kann uns eine solche Gleichung geben. -Die Summe von kinetischer und potentieller Energie muss konstant sein. -Dies führt auf -\[ -E_{\text{kinetisch}} -+ -E_{\text{potentiell}} -= -\frac12I\dot{\vartheta}^2 -+ -mgl(1-\cos\vartheta) -= -\frac12ml^2\dot{\vartheta}^2 -+ -mgl(1-\cos\vartheta) -= -E -\] -Durch Auflösen nach $\dot{\vartheta}$ kann man jetzt die -Differentialgleichung -\[ -\dot{\vartheta}^2 -= -- -\frac{2g}{l}(1-\cos\vartheta) -+\frac{2E}{ml^2} -\] -finden. -In erster Näherung, d.h. wenn man die rechte Seite bis zu vierten -Potenzen in eine Taylor-Reihe in $\vartheta$ entwickelt, ist dies -tatsächlich eine Differentialgleichung der Art, wie wir sie für -elliptische Funktionen gefunden haben, wir möchten aber eine exakte -Lösung konstruieren. - -Die maximale Energie für eine Bewegung, bei der sich das Pendel gerade -über den höchsten Punkt hinweg zu bewegen vermag, ist -$E=2lmg$. -Falls $E<2mgl$ ist, erwarten wir Schwingungslösungen, bei denen -der Winkel $\vartheta$ immer im offenen Interval $(-\pi,\pi)$ -bleibt. -Für $E>2mgl$ wird sich das Pendel im Kreis bewegen, für sehr grosse -Energie ist die kinetische Energie dominant, die Verlangsamung im -höchsten Punkt wird immer weniger ausgeprägt sein. - -% -% Koordinatentransformation auf elliptische Funktionen -% -\subsubsection{Koordinatentransformation auf elliptische Funktionen} -Wir verwenden als neue Variable -\[ -y = \sin\frac{\vartheta}2 -\] -mit der Ableitung -\[ -\dot{y}=\frac12\cos\frac{\vartheta}{2}\cdot \dot{\vartheta}. -\] -Man beachte, dass $y$ nicht eine Koordinate in -Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:mathpendel} ist. - -Aus den Halbwinkelformeln finden wir -\[ -\cos\vartheta -= -1-2\sin^2 \frac{\vartheta}2 -= -1-2y^2. -\] -Dies können wir zusammen mit der -Identität $\cos^2\vartheta/2 = 1-\sin^2\vartheta/2 = 1-y^2$ -in die Energiegleichung einsetzen und erhalten -\[ -\frac12ml^2\dot{\vartheta}^2 + mgly^2 = E -\qquad\Rightarrow\qquad -\frac14 \dot{\vartheta}^2 = \frac{E}{2ml^2} - \frac{g}{2l}y^2. -\] -Der konstante Term auf der rechten Seite ist grösser oder kleiner als -$1$ je nachdem, ob das Pendel sich im Kreis bewegt oder nicht. - -Durch Multiplizieren mit $\cos^2\frac{\vartheta}{2}=1-y^2$ -erhalten wir auf der linken Seite einen Ausdruck, den wir -als Funktion von $\dot{y}$ ausdrücken können. -Wir erhalten -\begin{align*} -\frac14 -\cos^2\frac{\vartheta}2 -\cdot -\dot{\vartheta}^2 -&= -\frac14 -(1-y^2) -\biggl(\frac{E}{2ml^2} -\frac{g}{2l}y^2\biggr) -\\ -\dot{y}^2 -&= -\frac{1}{4} -(1-y^2) -\biggl(\frac{E}{2ml^2} -\frac{g}{2l}y^2\biggr) -\end{align*} -Die letzte Gleichung hat die Form einer Differentialgleichung -für elliptische Funktionen. -Welche Funktion verwendet werden muss, hängt von der Grösse der -Koeffizienten in der zweiten Klammer ab. -Die Tabelle~\ref{buch:elliptisch:tabelle:loesungsfunktionen} -zeigt, dass in der zweiten Klammer jeweils einer der Terme -$1$ sein muss. - -% -% Der Fall E < 2mgl -% -\subsubsection{Der Fall $E<2mgl$} -\begin{figure} -\centering -\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf} -\caption{% -Abhängigkeit der elliptischen Funktionen von $u$ für -verschiedene Werte von $k^2=m$. -Für $m=0$ ist $\operatorname{sn}(u,0)=\sin u$, -$\operatorname{cn}(u,0)=\cos u$ und $\operatorname{dn}(u,0)=1$, diese -sind in allen Plots in einer helleren Farbe eingezeichnet. -Für kleine Werte von $m$ weichen die elliptischen Funktionen nur wenig -von den trigonometrischen Funktionen ab, -es ist aber klar erkennbar, dass die anharmonischen Terme in der -Differentialgleichung die Periode mit steigender Amplitude verlängern. -Sehr grosse Werte von $m$ nahe bei $1$ entsprechen der Situation, dass -die Energie des Pendels fast ausreicht, dass es den höchsten Punkt -erreichen kann, was es für $m$ macht. -\label{buch:elliptisch:fig:jacobiplots}} -\end{figure} - - -Wir verwenden als neue Variable -\[ -y = \sin\frac{\vartheta}2 -\] -mit der Ableitung -\[ -\dot{y}=\frac12\cos\frac{\vartheta}{2}\cdot \dot{\vartheta}. -\] -Man beachte, dass $y$ nicht eine Koordinate in -Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:mathpendel} ist. - -Aus den Halbwinkelformeln finden wir -\[ -\cos\vartheta -= -1-2\sin^2 \frac{\vartheta}2 -= -1-2y^2. -\] -Dies können wir zusammen mit der -Identität $\cos^2\vartheta/2 = 1-\sin^2\vartheta/2 = 1-y^2$ -in die Energiegleichung einsetzen und erhalten -\[ -\frac12ml^2\dot{\vartheta}^2 + mgly^2 = E. -\] -Durch Multiplizieren mit $\cos^2\frac{\vartheta}{2}=1-y^2$ -erhalten wir auf der linken Seite einen Ausdruck, den wir -als Funktion von $\dot{y}$ ausdrücken können. -Wir erhalten -\begin{align*} -\frac12ml^2 -\cos^2\frac{\vartheta}2 -\dot{\vartheta}^2 -&= -(1-y^2) -(E -mgly^2) -\\ -\frac{1}{4}\cos^2\frac{\vartheta}{2}\dot{\vartheta}^2 -&= -\frac{1}{2} -(1-y^2) -\biggl(\frac{E}{ml^2} -\frac{g}{l}y^2\biggr) -\\ -\dot{y}^2 -&= -\frac{E}{2ml^2} -(1-y^2)\biggl( -1-\frac{2gml}{E}y^2 -\biggr). -\end{align*} -Dies ist genau die Form der Differentialgleichung für die elliptische -Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ -mit $k^2 = 2gml/E< 1$. - -% -% Der Fall E > 2mgl -% -\subsection{Der Fall $E > 2mgl$} -In diesem Fall hat das Pendel im höchsten Punkte immer noch genügend -kinetische Energie, so dass es sich im Kreise dreht. -Indem wir die Gleichung - -XXX Differentialgleichung \\ -XXX Mathematisches Pendel \\ -\subsection{Soliton-Lösungen der Sinus-Gordon-Gleichung} -\subsection{Nichtlineare Differentialgleichung vierter Ordnung} -XXX Möbius-Transformation \\ -XXX Reduktion auf die Differentialgleichung elliptischer Funktionen diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex index 7083b63..04c137d 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -12,33 +12,70 @@ veröffentlich hat. In diesem Abschnitt soll die Verbindung zu den Jacobischen elliptischen Funktionen hergestellt werden. +% +% Lemniskate +% \subsection{Lemniskate \label{buch:gemotrie:subsection:lemniskate}} +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} +\end{equation} +Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} +dargestellt. +Der Fall $a=1/\!\sqrt{2}$ ist eine Kurve mit der Gleichung +\[ +(x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, +\] +wir nennen sie die {\em Standard-Lemniskate}. + +\subsubsection{Scheitelpunkte} +Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\!\sqrt{2}$. +Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht +\begin{equation} +\biggl( +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 ++ +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggr)^2 += +2\frac{a^2}{2a^2}\biggl( +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 +- +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggr). +\qquad +\Leftrightarrow +\qquad +(x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert} +\end{equation} +wobei wir $x=X/a\!\sqrt{2}$ und $y=Y/a\!\sqrt{2}$ gesetzt haben. +In dieser Normierung, der Standard-Lemniskaten, liegen die Scheitel +bei $\pm 1$. +Dies ist die Skalierung, die für die Definition des lemniskatischen +Sinus und Kosinus verwendet werden soll. \begin{figure} \centering \includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/lemniskate.pdf} \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 -\begin{equation} -(x^2+y^2)^2 = 2a^2(x^2-y^2). -\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} -\end{equation} -Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} -dargestellt. -Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $x=\pm a/\sqrt{2}$. +\subsubsection{Polarkoordinaten} In Polarkoordinaten $x=r\cos\varphi$ und $y=r\sin\varphi$ -gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert} \begin{equation} r^4 = -2a^2r^2(\cos^2\varphi-\sin^2\varphi) +r^2(\cos^2\varphi-\sin^2\varphi) = -2a^2r^2\cos2\varphi +r^2\cos2\varphi \qquad\Rightarrow\qquad -r^2 = 2a^2\cos 2\varphi +r^2 = \cos 2\varphi \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatepolar} \end{equation} als Darstellung der Lemniskate in Polardarstellung. @@ -46,20 +83,180 @@ Sie gilt für Winkel $\varphi\in[-\frac{\pi}4,\frac{\pi}4]$ für das rechte Blatt und $\varphi\in[\frac{3\pi}4,\frac{5\pi}4]$ für das linke Blatt der Lemniskate. -Für die Definition des lemniskatischen Sinus wird eine Skalierung -verwendet, die den rechten Scheitel im Punkt $(1,0)$. -Dies ist der Fall für $a=1/\sqrt{2}$, die Gleichung der Lemniskate -wird dann zu +% +% Schnitt eines Kegels mit einem Paraboloid +% +\subsubsection{Schnitt eines Kegels mit einem Paraboloid} +\begin{figure} +\center +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/kegelpara.pdf} +\caption{Leminiskate (rot) als Projektion (gelb) der Schnittkurve (pink) +eines geraden +Kreiskegels (grün) mit einem Rotationsparaboloid (hellblau). +\label{buch:elliptisch:lemniskate:kegelpara}} +\end{figure}% +\index{Kegel}% +\index{Paraboloid}% +Schreibt man in der Gleichung~\eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +für die Klammer auf der rechten Seite $Z^2 = X^2 - Y^2$, dann wird die +Lemniskate die Projektion in die $X$-$Y$-Ebene der Schnittkurve der Flächen, +die durch die Gleichungen +\begin{equation} +X^2-Y^2 = Z^2 +\qquad\text{und}\qquad +(X^2+Y^2) = R^2 = \!\sqrt{2}aZ +\label{buch:elliptisch:eqn:kegelparabolschnitt} +\end{equation} +beschrieben wird. +Die linke Gleichung in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:kegelparabolschnitt} +beschreibt einen geraden Kreiskegel, die rechte ist ein Rotationsparaboloid. +Die Schnittkurve ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:kegelpara} +dargestellt. + +\subsubsection{Schnitt eines Torus mit einer Ebene} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/torusschnitt.pdf} +\caption{Die Schnittkurve (rot) eines Torus (grün) +mit einer zur Torusachse parallelen Ebene (blau), +die den inneren Äquator des Torus berührt, ist eine Lemniskate. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}} +\end{figure} +\index{Torus}% +Schneidet man einen Torus mit einer Ebene, die zur Achse des Torus +parallel ist und den inneren Äquator des Torus berührt, wie in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt}, +entsteht ebenfalls eine Lemniskate, wie in diesem Abschnitt nachgewiesen +werden soll. + +Der in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:torusschnitt} +dargestellte Torus mit den Radien $2$ und $1$ hat als Achse die +um eine Einheit in $Z$-Richtung verschobene $Y$-Achse und die +$X$-$Z$-Ebene als Äquatorebene. +Der Torus kann mit +\[ +(u,v) +\mapsto +\begin{pmatrix} +(2+\cos u) \cos v \\ + \sin u \\ +(2+\cos u) \sin v + 1 +\end{pmatrix} +\] +parametrisiert werden, die $u$- und $v$-Koordinatenlinien sind +in der Abbildung gelb eingezeichnet. +Die $v$-Koordinatenlinien sind Breitenkreise um die Achse des Torus. +Aus $u=0$ und $u=\pi$ ergeben sich die Äquatoren des Torus. + +Die Gleichung $Z=0$ beschreibt eine achsparallele Ebene, die den +inneren Äquator berührt. +Die Schnittkurve erfüllt daher \[ -(x^2+y^2)^2 = 2(x^2-y^2). +(2+\cos u)\sin v + 1 = 0, \] +was wir auch als $2 +\cos u = -1/\sin v$ schreiben können. +Wir müssen nachprüfen, dass die Koordinaten +$X=(2+\cos u)\cos v$ und $Y=\sin u$ die Gleichung einer Lemniskate +erfüllen. -\subsubsection{Bogelänge} +Zunächst können wir in der $X$-Koordinate den Klammerausdruck durch +$\sin v$ ausdrücken und erhalten +\begin{equation} +X += +(2+\cos u) \cos v += +-\frac{1}{\sin v}\cos v += +-\frac{\cos v}{\sin v} +\qquad\Rightarrow\qquad +X^2 += +\frac{\cos^2v}{\sin^2 v} += +\frac{1-\sin^2v}{\sin^2 v}. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin} +\end{equation} +Auch die $Y$-Koordinaten können wir durch $v$ ausdrücken, +nämlich +\begin{equation} +Y^2=\sin^2 u = 1-\cos^2 u += +1- +\biggl( +\frac{1}{\sin v} +-2 +\biggr)^2 += +\frac{-3\sin^2 v+4\sin v-1}{\sin^2 v}. +\label{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin} +\end{equation} +Die Gleichungen +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Xsin} +und +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:Ysin} +zeigen, dass man $X^2$ und $Y^2$ sogar einzig durch $\sin v$ +parametrisieren kann. +Um die Ausdrücke etwas zu vereinfachen, schreiben wir $S=\sin v$ +und erhalten zusammenfassend +\begin{equation} +\begin{aligned} +X^2 +&= +\frac{1-S^2}{S^2} +\\ +Y^2 +&= +\frac{-3S^2+4S-1}{S^2}. +\end{aligned} +\end{equation} +Daraus kann man jetzt die Summen und Differenzen der Quadrate +berechnen, sie sind +\begin{equation} +\begin{aligned} +X^2+Y^2 +&= +\frac{-4S^2+4S}{S^2} += +\frac{4S(1-S)}{S^2} += +\frac{4(1-S)}{S} += +4\frac{1-S}{S} +\\ +X^2-Y^2 +&= +\frac{2-4S+2S^2}{S^2} += +\frac{2(1-S)^2}{S^2} += +2\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2. +\end{aligned} +\end{equation} +Die Berechnung des Quadrates von $X^2+Y^2$ ergibt die Gleichung +\[ +(X^2+Y^2)^2 += +16 +\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2 += +8 \cdot 2 +\biggl(\frac{1-S}{S}\biggr)^2 += +2\cdot 2^2\cdot (X^2-Y^2). +\] +Sie ist eine Lemniskaten-Gleichung für $a=2$. + +% +% Bogenlänge der Lemniskate +% +\subsection{Bogenlänge} Die Funktionen \begin{equation} -x(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, +x(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, \quad -y(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} +y(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} \label{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} \end{equation} erfüllen @@ -74,9 +271,9 @@ r^4 = (x(r)^2 + y(r)^2)^2, \end{align*} -sie stellen also eine Parametrisierung der Lemniskate dar. +sie stellen also eine Parametrisierung der Standard-Lemniskate dar. -Mit Hilfe der Parametrsierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} +Mit Hilfe der Parametrisierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} kann man die Länge $s$ des in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} dargestellten Bogens der Lemniskate berechnen. Dazu benötigt man die Ableitungen nach $r$, die man mit der Produkt- und @@ -84,9 +281,9 @@ Kettenregel berechnen kann: \begin{align*} \dot{x}(r) &= -\frac{\sqrt{1+r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1+r^2}}{\!\sqrt{2}} + -\frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} +\frac{r^2}{\!\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} &&\Rightarrow& \dot{x}(r)^2 &= @@ -94,13 +291,13 @@ Kettenregel berechnen kann: \\ \dot{y}(r) &= -\frac{\sqrt{1-r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1-r^2}}{\!\sqrt{2}} - \frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1-r^2}} &&\Rightarrow& \dot{y}(r)^2 &= -\frac{1-r^2}{2} -r^2 + \frac{r^4}{2(1-r^2)} +\frac{1-r^2}{2} -r^2 + \frac{r^4}{2(1-r^2)}. \end{align*} Die Summe der Quadrate ist \begin{align*} @@ -119,53 +316,371 @@ Durch Einsetzen in das Integral für die Bogenlänge bekommt man s(r) = \int_0^r -\frac{1}{\sqrt{1-t^4}}\,dt. +\frac{1}{\!\sqrt{1-t^4}}\,dt. \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} \end{equation} -\subsubsection{Darstellung als elliptisches Integral} +% +% Als elliptisches Integral +% +\subsection{Darstellung als elliptisches Integral} Das unvollständige elliptische Integral erster Art mit Parameter -$m=-1$ ist +$k^2=-1$ oder $k=i$ ist \[ -K(r,-1) +K(r,i) += +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-i^2 t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{1-t^4}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{1-t^4}} = s(r). \] Der lemniskatische Sinus ist also eine Umkehrfunktion des -ellptischen Integrals erster Art für einen speziellen Wert des -Parameters $m$ +elliptischen Integrals erster Art für den speziellen Wert $i$ des +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 +$\varpi/2$. -\subsubsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} -Berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des Kreises. +% +% Bogenlängenparametrisierung +% +\subsection{Bogenlängenparametrisierung} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/lemnispara.pdf} +\caption{Parametrisierung der Lemniskate mit Jacobischen elliptischen +Funktion wie in \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara}} +\end{figure} +Die Lemniskate mit der Gleichung +\[ +(X^2+Y^2)^2=2(X^2-Y^2) +\] +(der Fall $a=1$ in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate}) +kann mit Jacobischen elliptischen Funktionen +parametrisiert werden. +Dazu schreibt man +\begin{equation} +\left. +\begin{aligned} +X(t) +&= +\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k) \operatorname{dn}(t,k) +\\ +Y(t) +&= +\phantom{\sqrt{2}} +\operatorname{cn}(t,k) \operatorname{sn}(t,k) +\end{aligned} +\quad\right\} +\qquad\text{mit $k=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}.$} +\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +\end{equation} +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara} zeigt die +Parametrisierung. +Dem Parameterwert $t=0$ entspricht der Scheitelpunkt +$S=(\!\sqrt{2},0)$ der Lemniskate. + +% +% Lemniskatengleichung +% +\subsubsection{Verfikation der Lemniskatengleichung} +Dass \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} +tatsächlich eine Parametrisierung ist, kann dadurch nachgewiesen werden, +dass man die beiden Seiten der definierenden Gleichung der +Lemniskate berechnet. +Zunächst sind die Quadrate von $X(t)$ und $Y(t)$ +\begin{align*} +X(t)^2 +&= +2\operatorname{cn}(t,k)^2 +\operatorname{dn}(t,k)^2 +\\ +Y(t)^2 +&= +\operatorname{cn}(t,k)^2 +\operatorname{sn}(t,k)^2. +\intertext{Für Summe und Differenz der Quadrate findet man jetzt} +X(t)^2+Y(t)^2 +&= +2\operatorname{cn}(t,k)^2 +\bigl( +\underbrace{ +\operatorname{dn}(t,k)^2 ++{\textstyle\frac12} +\operatorname{sn}(t,k)^2 +}_{\displaystyle =1} +\bigr) +%\\ +%& += +2\operatorname{cn}(t,k)^2 +\\ +X(t)^2-Y(t)^2 +&= +\operatorname{cn}(t,k)^2 +\bigl( +2\operatorname{dn}(t,k)^2 - \operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr) +\\ +&= +\operatorname{cn}(t,k)^2 +\bigl( +2\bigl({\textstyle\frac12}+{\textstyle\frac12}\operatorname{cn}(t,k)^2\bigr) +- +\bigl(1-\operatorname{cn}(t,k)^2\bigr) +\bigr) +\\ +&= +2\operatorname{cn}(t,k)^4. +\intertext{Beide lassen sich also durch $\operatorname{cn}(t,k)^2$ +ausdrücken. +Zusammengefasst erhält man} +\Rightarrow\qquad +(X(t)^2+Y(t)^2)^2 +&= +4\operatorname{cn}(t,k)^4 += +2(X(t)^2-Y(t)^2), +\end{align*} +eine Lemniskaten-Gleichung. + +% +% Berechnung der Bogenlänge +% +\subsubsection{Berechnung der Bogenlänge} +Wir zeigen jetzt, dass dies tatsächlich eine Bogenlängenparametrisierung +der Lemniskate ist. +Dazu berechnen wir die Ableitungen +\begin{align*} +\dot{X}(t) +&= +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{dn}(t,k) ++ +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{dn}'(t,k) +\\ +&= +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{dn}(t,k)^2 +-\frac12\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{cn}(t,k)^2 +\\ +&= +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\bigl( +1-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 ++{\textstyle\frac12}-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr) +\\ +&= +\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k) +\bigl( +{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr) +\\ +\dot{Y}(t) +&= +\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{sn}(t,k) ++ +\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{sn}'(t,k) +\\ +&= +-\operatorname{sn}(t,k)^2 +\operatorname{dn}(t,k) ++\operatorname{cn}(t,k)^2 +\operatorname{dn}(t,k) +\\ +&= +\operatorname{dn}(t,k)\bigl(1-2\operatorname{sn}(t,k)^2\bigr) +\intertext{und davon die Quadrate} +\dot{X}(t)^2 +&= +2\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigl( +{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr)^2 +\\ +&= +{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 +- +6\operatorname{sn}(t,k)^4 ++2\operatorname{sn}(t,k)^6 +\\ +\dot{Y}(t)^2 +&= +\bigl(1-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2\bigr) +\bigl(1-2\operatorname|{sn}(t,k)^2\bigr)^2 +\\ +&= +1-{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 ++6\operatorname{sn}(t,k)^4 +-2\operatorname{sn}(t,k)^6. +\intertext{Für das Bogenlängenintegral wird die Quadratsumme der Ableitungen +benötigt, diese ist} +\dot{X}(t)^2 + \dot{Y}(t)^2 +&= +1. +\intertext{Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den +Parameterwerten $0$ und $t$} +\int_0^t +\sqrt{\dot{X}(\tau)^2 + \dot{Y}(\tau)^2} +\,d\tau +&= +\int_0^s\,d\tau += +t, +\end{align*} +der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter. + +% +% Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate +% +\subsubsection{Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate} +Die mit dem Faktor $1/\sqrt{2}$ skalierte Standard-Lemniskate mit der +Gleichung +\[ +(x^2+y^2)^2 = x^2-y^2 +\] +hat daher eine Bogenlängenparametrisierung mit +\begin{equation} +\left. +\begin{aligned} +x(t) +&= +\phantom{\frac{1}{\!\sqrt{2}}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k) +\\ +y(t) +&= +\frac{1}{\!\sqrt{2}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k) +\end{aligned} +\quad +\right\} +\qquad +\text{mit $\displaystyle k=\frac{1}{\!\sqrt{2}}.$} +\label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} +\end{equation} +Der Punkt $t=0$ entspricht dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$ der Lemniskate. +Der Parameter misst also die Bogenlänge entlang der Lemniskate ausgehend +vom Scheitel. + +% +% der lemniskatische Sinus und Kosinus +% +\subsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} +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 -$r=\operatorname{sl} s$. +\index{lemniskatischer Sinus}% +\index{Sinus, lemniskatischer}% +$r=r(s)=\operatorname{sl} s$. +\index{komplementäre Bogenlänge} +% +% die komplementäre Bogenlänge +% +\subsubsection{Die komplementäre Bogenlänge} 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 $(1,0)$. -Die Länge des rechten Blattes der Lemniskate wird mit $\varpi$ bezeichnet -und hat den numerischen Wert +komplementäre Bogenlänge $t$ definieren, nämlich die Bogenlänge +zwischen dem Punkt $(x(r), y(r))$ und dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$. +Dies ist der Parameter der Parametrisierung +\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} +des vorangegangenen Abschnittes. +Die Bogenlänge zwischen $O=(0,0)$ und $S=(1,0)$ wurde in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:varpi} bereits bereichnet, +sie ist $\varpi/2$. +Damit folgt für die beiden Parameter $s$ und $t$ die Beziehung +$t = \varpi/2 - s$. + +\subsubsection{Der lemniskatische Kosinus} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/slcl.pdf} +\caption{ +Lemniskatischer Sinus und Kosinus sowie Sinus und Kosinus +mit derart skaliertem Argument, dass die Funktionen die +gleichen Nullstellen haben. +\label{buch:elliptisch:figure:slcl}} +\end{figure} +Der {\em lemniskatische Kosinus} ist daher +$\operatorname{cl}(s) = \operatorname{sl}(\varpi/2-s)$. +Graphen des lemniskatische Sinus und Kosinus sind in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. + +Die Parametrisierung~\eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} +ist eine Bogenlängenparametrisierung der Standard-Lemniskate. +Man kann sie verwenden, um $r(t)$ zu berechnen. +Es ist \[ -\varphi +r(t)^2 = -2\int_0^1\sqrt{\frac{1}{1-t^4}}\,dt +x(t)^2 + y(t)^2 = -2.6220575542. +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 +\biggl( +\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 ++ +\frac12 +\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 +\biggr) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2. \] -Lemniskatenbogens zwischen dem Nullpunkt und $(1,0)$ hat die Länge -$\varpi/2$. +Die Wurzel ist +\[ +r(t) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,{\textstyle\frac{1}{\!\sqrt{2}}}) +. +\] +Der lemniskatische Sinus wurde aber in Abhängigkeit von +$s=\varpi/2-t$ mittels +\[ +\operatorname{sl}s += +r(s) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}(\varpi/2-s),k)^2 +\] +definiert. +Der lemniskatische Kosinus ist definiert als der lemniskatische Sinus +\index{lemniskatischer Kosinus}% +\index{Kosinus, lemniskatischer}% +der komplementären Bogenlänge, also +\[ +\operatorname{cl}(s) += +\operatorname{sl}(\varpi/2-s) += +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)^2. +\] +Die Funktion $\operatorname{sl}(s)$ und $\operatorname{cl}(s)$ sind +in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. +Sie sind beide $2\varpi$-periodisch. +Die Abbildung zeigt ausserdem die Funktionen $\sin (\pi s/\varpi)$ +und $\cos(\pi s/\varpi)$, die ebenfalls $2\varpi$-periodisch sind. + +Die Darstellung des lemniskatischen Sinus und Kosinus durch die +Jacobische elliptische Funktion $\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)$ +zeigt einmal mehr den Nutzen der Jacobischen elliptischen Funktionen. + -Der {\em lemniskatische Kosinus} von $s$ ist derjenige Radiuswert $r$, -für den der Lemniskatenbogen zwischen $(x(r), y(r))$ und $(1,0)$ -die Länge $s$ hat. -XXX Algebraische Beziehungen \\ -XXX Ableitungen \\ diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/mathpendel.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/mathpendel.tex new file mode 100644 index 0000000..e029ffd --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/mathpendel.tex @@ -0,0 +1,325 @@ +% +% mathpendel.tex -- Das mathematische Pendel +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% + +\subsection{Das mathematische Pendel +\label{buch:elliptisch:subsection:mathpendel}} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/images/pendel.pdf} +\caption{Mathematisches Pendel +\label{buch:elliptisch:fig:mathpendel}} +\end{figure} +Das in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:mathpendel} dargestellte +Mathematische Pendel besteht aus einem Massepunkt der Masse $m$ +im Punkt $P$, +der über eine masselose Stange der Länge $l$ mit dem Drehpunkt $O$ +verbunden ist. +Das Pendel bewegt sich unter dem Einfluss der Schwerebeschleunigung $g$. + +Das Trägheitsmoment des Massepunktes um den Drehpunkt $O$ ist +\( +I=ml^2 +\). +Das Drehmoment der Schwerkraft ist +\(M=gl\sin\vartheta\). +Die Bewegungsgleichung wird daher +\[ +\begin{aligned} +\frac{d}{dt} I\dot{\vartheta} +&= +M += +gl\sin\vartheta +\\ +ml^2\ddot{\vartheta} +&= +gl\sin\vartheta +&&\Rightarrow& +\ddot{\vartheta} +&=\frac{g}{l}\sin\vartheta +\end{aligned} +\] +Dies ist eine nichtlineare Differentialgleichung zweiter Ordnung, die +wir nicht unmittelbar mit den Differentialgleichungen erster Ordnung +der elliptischen Funktionen vergleichen können. + +Die Differentialgleichungen erster Ordnung der elliptischen Funktionen +enthalten das Quadrat der ersten Ableitung. +In unserem Fall entspricht das einer Gleichung, die $\dot{\vartheta}^2$ +enthält. +Der Energieerhaltungssatz kann uns eine solche Gleichung geben. +Die Summe von kinetischer und potentieller Energie muss konstant sein. +Dies führt auf +\begin{equation} +E_{\text{kinetisch}} ++ +E_{\text{potentiell}} += +\frac12I\dot{\vartheta}^2 ++ +mgl(1-\cos\vartheta) += +\frac12ml^2\dot{\vartheta}^2 ++ +mgl(1-\cos\vartheta) += +E. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:energiegleichung} +\end{equation} +Durch Auflösen nach $\dot{\vartheta}$ kann man jetzt die +Differentialgleichung +\[ +\dot{\vartheta}^2 += +- +\frac{2g}{l}(1-\cos\vartheta) ++\frac{2E}{ml^2} +\] +finden. +In erster Näherung, d.h. wenn man die rechte Seite bis zu vierten +Potenzen in eine Taylor-Reihe in $\vartheta$ entwickelt, ist dies +tatsächlich eine Differentialgleichung der Art, wie wir sie für +elliptische Funktionen gefunden haben, wir möchten aber eine exakte +Lösung konstruieren. + +Die maximale Energie für eine Bewegung, bei der sich das Pendel gerade +über den höchsten Punkt hinweg zu bewegen vermag, ist +$E=2lmg$. +Falls $E<2mgl$ ist, erwarten wir Schwingungslösungen, bei denen +der Winkel $\vartheta$ immer im offenen Interval $(-\pi,\pi)$ +bleibt. +Für $E>2mgl$ wird sich das Pendel im Kreis bewegen, für sehr grosse +Energie ist die kinetische Energie dominant, die Verlangsamung im +höchsten Punkt wird immer weniger ausgeprägt sein. + + +% +% Koordinatentransformation auf elliptische Funktionen +% +\subsubsection{Koordinatentransformation auf elliptische Funktionen} +Wir verwenden als neue Variable +\begin{align} +y +&= +\sin\frac{\vartheta}2 +&&\Rightarrow& +\cos^2\frac{\vartheta}2 +&= +1-y^2. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:ydef} +\intertext{Die Ableitung ist} +\dot{y} +&= +\frac12\cos\frac{\vartheta}{2}\cdot \dot{\vartheta} +&&\Rightarrow& +\dot{y}^2 +&= +\frac14\cos^2\frac{\vartheta}2\cdot\dot{\vartheta}^2. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:yabl} +\intertext{% +Man beachte, dass die Koordinate senkrecht zur $x$-Achse in +Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:mathpendel} die Auslenkung +$l\sin\vartheta$ ist, $y$ ist also nicht die Auslenkung senkrecht +zur $x$-Achse! +Aus den Halbwinkelformeln finden wir ausserdem +} +\cos\vartheta +&= +1-2\sin^2 \frac{\vartheta}2 += +1-2y^2 +&&\Rightarrow& +1-\cos\vartheta +&= +2y^2. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:halbwinkel} +\end{align} +Die Grösse $1-\cos\vartheta$ haben wir in der Energiegleichung +\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:energiegleichung} +bereits angetroffen. + +Die Identitäten +\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:halbwinkel} +%und +%\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:ydef} +können wir jetzt in die +Energiegleichung~\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:energiegleichung} +einsetzen und erhalten +\begin{align} +\frac12ml^2\dot{\vartheta}^2 + 2mgly^2 +&= +E +\intertext{und nach Division durch $2ml^2$} +\frac14 \dot{\vartheta}^2 +&= +\frac{E}{2ml^2} - \frac{g}{l}y^2. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:thetadgl} +\end{align} +%Der konstante Term auf der rechten Seite ist grösser oder kleiner als +%$1$ je nachdem, ob das Pendel sich im Kreis bewegt oder nicht. +Durch Multiplizieren mit der rechten Gleichung von +\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:ydef} +erhalten wir auf der linken Seite einen Ausdruck, den wir +mit Hilfe von \eqref{buch:elliptisch:mathpendel:yabl} +als Funktion von $\dot{y}$ ausdrücken können. +Wir erhalten +\begin{align} +\underbrace{\frac14 +\cos^2\frac{\vartheta}2 +\cdot +\dot{\vartheta}^2}_{\displaystyle=\dot{y}^2} +&= +(1-y^2) +\biggl(\frac{E}{2ml^2} -\frac{g}{l}y^2\biggr) +\notag +\\ +\dot{y}^2 +&= +(1-y^2) +\biggl(\frac{E}{2ml^2} -\frac{g}{l}y^2\biggr) +\label{buch:elliptisch:mathpendel:ydgl} +\end{align} +Die letzte Gleichung hat die Form einer Differentialgleichung +für elliptische Funktionen. +Welche Funktion verwendet werden muss, hängt von der relativen +Grösse der Koeffizienten in der zweiten Klammer ab. + +% +% Zeittransformation zur Elimination des konstanten Faktors +% +\subsubsection{Zeittransformation} +Die Gleichung~\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:ydgl} kann auch in +die Form +\begin{equation} +\frac{2ml^2}{E}\dot{y}^2 += +(1-y^2)\biggl(1-\frac{2mgl}{E}y^2\biggr) +\label{buch:elliptisch:mathpendel:ydgl2} +\end{equation} +gebracht werden. +Der konstante Faktor auf der linken Seite kann wie in der Diskussion +des anharmonischen Oszillators durch eine lineare +Transformation der Zeit zum Verschwinden gebracht werden. +Dazu setzt man $z(t) = y(bt)$ und bekommt +\[ +\frac{d}{dt}z(t) += +\frac{d}{dt}y(bt) \frac{d\,bt}{dt} += +b\,\dot{y}(bt). +\] +Die Zeit muss also mit dem Faktor $\sqrt{2ml^2/E}$ skaliert werden. + +% +% Nullstellen der rechten Seite der Differentialgleichung +% +\subsubsection{Nullstellen der rechten Seite} +Die rechte Seite von \eqref{buch:elliptisch:mathpendel:ydgl2} +hat die beiden Nullstellen $1$ und +\begin{equation} +y_0=\sqrt{\frac{E}{2mgl}}. +\label{buch:elliptisch:mathpendel:y0} +\end{equation} +Die Differentialgleichung kann damit als +\begin{equation} +\dot{y}^2 += +(1-y^2)\biggl(1-\frac{1}{y_0^2}y^2\biggr) +\label{buch:elliptisch:mathpendel:y0dgl} +\end{equation} +geschrieben werden. +Da die linke Seite $\ge 0$ sein muss, muss +\( +y\le \min(1,y_0) +\) +sein. +Damit ergeben sich zwei Fälle. +Wenn $y_0<1$ ist, dann schwingt das Pendel. +Der Fall $y_0>1$ entspricht einer Bewegung, bei der das Pendel +um den Punkt $O$ rotiert. +In den folgenden zwei Abschnitten werden die beiden Fälle ausführlicher +diskutiert. + + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=\textwidth]{chapters/110-elliptisch/images/jacobiplots.pdf} +\caption{% +Abhängigkeit der elliptischen Funktionen von $u$ für +verschiedene Werte von $k^2=m$. +Für $m=0$ ist $\operatorname{sn}(u,0)=\sin u$, +$\operatorname{cn}(u,0)=\cos u$ und $\operatorname{dn}(u,0)=1$, diese +sind in allen Plots in einer helleren Farbe eingezeichnet. +Für kleine Werte von $m$ weichen die elliptischen Funktionen nur wenig +von den trigonometrischen Funktionen ab, +es ist aber klar erkennbar, dass die anharmonischen Terme in der +Differentialgleichung die Periode mit steigender Amplitude verlängern. +Sehr grosse Werte von $m$ nahe bei $1$ entsprechen der Situation, dass +die Energie des Pendels fast ausreicht, dass es den höchsten Punkt +erreichen kann, was es für $m$ macht. +\label{buch:elliptisch:fig:jacobiplots}} +\end{figure} + +\subsubsection{Der Fall $E>2mgl$} +In diesem Fall ist die zweite Nullstelle $y_0>1$ oder $1/y_0^2 < 1$. +Die Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:y0dgl} +sieht ganz ähnlich aus wie die Differentialgleichung der +Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$, tatsächlich wird sie zur +Differentialgleichung von $\operatorname{sn}(u,k)$ wenn man +\[ +k^2 += +1/y_0^2 += +\frac{2mgl}{E} +\] +wählt. +In diesem Fall ist also $y=\operatorname{sn}(u,1/y_0)$ eine Lösung +der Differentialgleichung, wobei $u$ eine lineare Funktion der Zeit +ist. + +Wenn $y_0 \gg 1$ ist, dann ist $k\approx 0$ und die Bewegung ist +entspricht einer gleichförmigen Kreisbewegung. +Je näher $y_0$ an $1$ liegt, desto näher an $1$ ist auch $k$ und +desto grösser wird die Verlangsamung der Bewgung in der Nähe des +Scheitels, das Pendel verweilt sehr lange. +Dies äussert sich in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobiplots} +durch die lange Verweildauer der Funktion nahe der Extrema. + +% +% Der Fall E < 2mgl +% +\subsubsection{Der Fall $E<2mgl$} +In diesem Fall ist $y_0<1$ und die +Differentialgleichung~\eqref{buch:elliptisch:mathpendel:y0dgl} +sieht zwar immer noch wie eine Differentialgleichung für +$\operatorname{sn}(u,k)$ aus, aber die Lage der Nullstellen +der rechten Seite ist verkehrt. +Indem wir $y=y_0z$ schreiben, erhalten wir +\begin{equation} +\dot{y}^2 += +y_0^2 \dot{z}^2 += +(1-y_0^2z^2)(1-z^2). +\end{equation} +Wieder kann durch eine lineare Transformation der Zeit der Faktor $y_0^2$ +auf der linken Seite zum Verschwinden gebracht werden, es bleibt +die Differentialgleichung der Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ +mit $k=y_0$. +Daraus liest man ab, dass $y_0\operatorname{sn}(u,k)$ die Bewegung +des Pendels im oszillatorischen Fall beschreibt, wobei $u$ wieder +eine lineare Funktion der Zeit ist. + +Wenn $y_0\ll 1$ ist, dann ist auch $k$ sehr klein und die lineare +Näherung ist sehr gut, das Pendel verhält sich wie ein harmonischer +Oszillator mit einer Sinus-Schwingung als Lösung. +Für $y_0=k$ nahe an $1$ dagegen erreicht die Schwingung fast den +die maximale Höhe und wird dort sehr langsam. +Dies äussert sich in Abbildung~ +Dies äussert sich in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:jacobiplots} +wiederum durch die lange Verweildauer der Funktion nahe der Extrema. + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/1.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/1.tex new file mode 100644 index 0000000..2d08e56 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/1.tex @@ -0,0 +1,324 @@ +\label{buch:elliptisch:aufgabe:1} +In einem anharmonische Oszillator oszilliert eine Masse $m$ unter dem +Einfluss einer Kraft, die nach dem Gesetz +\[ +F(x) = -\kappa x + \delta x^3 +\] +von der Auslenkung aus der Ruhelage abhängt. +Nehmen Sie im Folgenden an, dass $\delta >0$ ist, +dass also die rücktreibende Kraft $F(x)$ kleiner ist als bei einem +harmonischen Oszillator. +Ziel der folgenden Teilaufgaben ist, die Lösung $x(t)$ schrittweise +dadurch zu bestimmen, dass die Bewegungsgleichung in die Differentialgleichung +der Jacobischen elliptischen Funktion $\operatorname{sn}(u,k)$ umgeformt +wird. +\begin{teilaufgaben} +\item +Berechnen Sie die Auslenkung $x_0$, bei der die rücktreibende Kraft +verschwindet. +Eine beschränkte Schwingung kann diese Amplitude nicht überschreiten. +\item +Berechnen Sie die potentielle Energie in Abhängigkeit von der +Auslenkung. +\item +\label{buch:1101:basic-dgl} +Formulieren Sie den Energieerhaltungssatz für die Gesamtenergie $E$ +dieses Oszillators. +Leiten Sie daraus eine nichtlineare Differentialgleichung erster Ordnung +für den anharmonischen Oszillator ab, die sie in der Form +$\frac12m\dot{x}^2 = f(x)$ schreiben. +\item +Die Amplitude der Schwingung ist derjenige $x$-Wert, für den die +Geschwindigkeit $\dot{x}(t)$ verschwindet. +Leiten Sie die Amplitude aus der Differentialgleichung von +%\ref{buch:1101:basic-dgl} +Teilaufgabe c) +ab. +Sie erhalten zwei Werte $x_{\pm}$, wobei der kleinere $x_-$ +die Amplitude einer beschränkten Schwingung beschreibt, +während die $x_+$ die minimale Ausgangsamplitude einer gegen +$\infty$ divergenten Lösung ist. +\item +Rechnen Sie nach, dass +\[ +\frac{x_+^2+x_-^2}{2} += +x_0^2 +\qquad\text{und}\qquad +x_-^2x_+^2 += +\frac{4E}{\delta}. +\] +\item +Faktorisieren Sie die Funktion $f(x)$ in der Differentialgleichung +von Teilaufgabe c) mit Hilfe der in Teilaufgabe d) bestimmten +Nullstellen $x_{\pm}^2$. +\item +Dividieren Sie die Differentialgleichung durch $x_-^2$, schreiben +Sie $X=x/x_-$ und bringen Sie die Differentialgleichung in die +Form +\begin{equation} +A \dot{X}^2 += +(1-X^2) +(1-k^2X^2), +\label{buch:1101:eqn:dgl3} +\end{equation} +wobei $k^2=x_-^2/x_+^2$ und $A$ geeignet gewählt werden müssen. +\item +\label{buch:1101:teilaufgabe:dgl3} +Verwenden Sie $t(\tau) = \alpha\tau$ +und +$Y(\tau)=X(t(\tau))=X(\alpha\tau)$ um eine Differentialgleichung für +die Funktion $Y(\tau)$ zu gewinnen, die die Form der Differentialgleichung +von $\operatorname{sn}(u,k)$ hat (Abschnitt +\ref{buch:elliptisch:subsection:differentialgleichungen}), +für die also $A=0$ in \eqref{buch:1101:eqn:dgl3} ist. +\item +Verwenden Sie die Lösung $\operatorname{sn}(u,k)$ der in +Teilaufgabe h) +%\ref{buch:1101:teilaufgabe:dgl3} +erhaltenen Differentialgleichung, +um die Lösung $x(t)$ der ursprünglichen Gleichung aufzuschreiben. +\end{teilaufgaben} + +\begin{loesung} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.pdf} +\caption{Rechte Seite der Differentialgleichung +\eqref{buch:1101:eqn:dglf}. +Eine beschränkte Lösung bewegt sich im Bereich $x<x_-$ +während im Bereich $x>x_+$ die Kraft abstossend ist und zu einer +divergenten Lösung führt. +\label{buch:1101:fig:potential} +} +\end{figure} +\begin{teilaufgaben} +\item +Wegen +\[ +F(x) += +-\kappa x\biggl(1-\frac{\delta}{\kappa}x^2\biggr) += +-Ix +\biggl(1-\sqrt{\frac{\delta}{\kappa}}x\biggr) +\biggl(1+\sqrt{\frac{\delta}{\kappa}}x\biggr) +\] +folgt, dass die rücktreibende Kraft bei der Auslenkung $\pm x_0$ mit +\[ +x_0^2 += +\frac{\kappa}{\delta} +\qquad\text{oder}\qquad +x_0 = \sqrt{\frac{\kappa}{\delta}} +\] +verschwindet. +\item +Die potentielle Energie ist die Arbeit, die gegen die rücktreibende Kraft +geleistet wird, um die Auslenkung $x$ zu erreichen. +Sie entsteht durch Integrieren der Kraft über +das Auslenkungsinterval, also +\[ +E_{\text{pot}} += +- +\int_0^x F(\xi) \,d\xi += +\int_0^x \kappa\xi-\delta\xi^3\,d\xi += +\biggl[ +\kappa\frac{\xi^2}{2} +- +\delta +\frac{\xi^4}{4} +\biggr]_0^x += +\kappa\frac{x^2}{2} +- +\delta\frac{x^4}{4}. +\] +\item +Die kinetische Energie ist gegeben durch +\[ +E_{\text{kin}} += +\frac12m\dot{x}^2. +\] +Die Gesamtenergie ist damit +\[ +E += +\frac12m\dot{x}^2 ++ +\kappa +\frac{x^2}{2} +- +\delta +\frac{x^4}{4}. +\] +Die verlangte Umformung ergibt +\begin{align} +\frac12m\dot{x}^2 +&= +E +- +\kappa\frac{x^2}{2} ++ +\delta\frac{x^4}{4} +\label{buch:1101:eqn:dglf} +\end{align} +als Differentialgleichung für $x$. +Die Ableitung $\dot{x}$ hat positives Vorzeichen wenn die Kraft +abstossend ist und negatives Vorzeichen dort, wo die Kraft anziehend ist. +% +\item +Die Amplitude der Schwingung ist derjenige $x$-Wert, für den +die Geschwindigkeit verschwindet, also eine Lösung der Gleichung +\[ +0 += +\frac{2E}{m} -\frac{\kappa}{m}x^2 + \frac{\delta}{2m}x^4. +\] +Der gemeinsame Nenner $m$ spielt offenbar keine Rolle. +Die Gleichung hat die zwei Lösungen +\[ +x_{\pm}^2 += +\frac{\kappa \pm \sqrt{\kappa^2-4E\delta}}{\delta} += +\frac{\kappa}{\delta} +\pm +\sqrt{ +\biggl(\frac{\kappa}{\delta}\biggr)^2 +- +\frac{4E}{\delta} +}. +\] +Die Situation ist in Abbildung~\ref{buch:1101:fig:potential} +Für $x>x_+$ ist die Kraft abstossend, die Lösung divergiert. +Die Lösung mit dem negativen Zeichen $x_-$ bleibt dagegen beschränkt, +dies ist die Lösung, die wir suchen. + +\item +Die beiden Formeln ergeben sich aus den Regeln von Vieta für die +Lösungen einer quadratischen Gleichungg der Form $x^4+px^2+q$. +Die Nullstellen haben den Mittelwert $-p/2$ und das Produkt $q$. + +\item +Die rechte Seite der Differentialgleichung lässt sich mit Hilfe +der beiden Nullstellen $x_{\pm}^2$ faktorisieren und bekommt die Form +\[ +\frac12m\dot{x}^2 += +\frac{\delta}{4}(x_+^2-x^2)(x_-^2-x^2). +\] + +\item +Indem die ganze Gleichung durch $x_-^2$ dividiert wird, entsteht +\[ +\frac12m +\biggl(\frac{\dot{x}}{x_-}\biggr)^2 += +\frac{\delta}{4} +(x_+^2-x^2) +\biggl(1-\frac{x^2}{x_-^2}\biggr). +\] +Schreiben wir $X=x/x_-$ wird daraus +\[ +\frac1{2}m\dot{X}^2 += +\frac{\delta}{4} +\biggl(x_+^2-x_-^2 X^2\biggr) +(1-X^2). +\] +Durch Ausklammern von $x_+^2$ im ersten Faktor wir daraus +\[ +\frac1{2}m\dot{X}^2 += +\frac{\delta}{4} +x_+^2 +\biggl(1-\frac{x_-^2}{x_+^2} X^2\biggr) +(1-X^2). +\] +Mit der Schreibweise $k^2 = x_-^2/x_+^2$ wird die Differentialgleichung +zu +\begin{equation} +\frac{2m}{\delta x_+^2} \dot{X}^2 += +(1-X^2)(1-k^2X^2), +\label{buch:1101:eqn:dgl2} +\end{equation} +was der Differentialgleichung für die Jacobische elliptische Funktion +$\operatorname{sn}(u,k)$ bereits sehr ähnlich sieht. +\item +Bis auf den Faktor vor $\dot{X}^2$ ist +\eqref{buch:1101:eqn:dgl2} +die Differentialgleichung +von +$\operatorname{sn}(u,k)$. +Um den Faktor zum Verschwinden zu bringen, schreiben wir +$t(\tau) = \alpha\tau$. +Die Ableitung von $Y(\tau)=X(t(\tau))$ nach $\tau$ ist +\[ +\frac{dY}{d\tau} += +\dot{X}(t(\tau))\frac{dt}{d\tau} += +\alpha +\dot{X}(t(\tau)) +\quad\Rightarrow\quad +\frac{1}{\alpha}\frac{dY}{d\tau} += +\dot{X}(t(\tau)) +\quad\Rightarrow\quad +\frac{1}{\alpha^2}\biggl(\frac{dY}{d\tau}\biggr)^2 += +\dot{X}(t(\tau))^2. +\] +Die Differentialgleichung für $Y(\tau)$ ist +\[ +\frac{2m}{\delta x_+^2\alpha^2} +\biggl( +\frac{dY}{d\tau} +\biggr)^2 += +(1-Y^2)(1-k^2Y^2). +\] +Der Koeffizient vor der Ableitung wird $1$, wenn man +\[ +\alpha^2 += +\frac{2m}{\delta x_+^2} +\] +wählt. +Diese Differentialgleichug hat die Lösung +\[ +Y(\tau) = \operatorname{sn}(\tau,k). +\] +\item +Indem man die gefunden Grössen einsetzt kann man jetzt die Lösung +der Differentialgleichung in geschlossener Form als +\begin{align*} +x(t) +&= +x_- X(t) += +x_- \operatorname{sn}\biggl( +t\sqrt{\frac{\delta x_+^2}{2m} } +,k +\biggr). +\end{align*} +Das Produkt $\delta x_+^2$ kann auch als +\[ +\delta x_+^2 += +\kappa+\sqrt{\kappa -4\delta E} +\] +geschrieben werden. +\qedhere +\end{teilaufgaben} +\end{loesung} + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/2.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/2.tex new file mode 100644 index 0000000..dbf184a --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/2.tex @@ -0,0 +1,65 @@ +\label{buch:elliptisch:aufgabe:2}% +Die Landen-Transformation basiert auf der Iteration +\begin{equation} +\begin{aligned} +k_{n+1} +&= +\frac{1-k_n'}{1+k_n'} +& +&\text{und}& +k_{n+1}' +&= +\sqrt{1-k_{n+1}^2} +\end{aligned} +\label{buch:elliptisch:aufgabe:2:iteration} +\end{equation} +mit den Startwerten $k_0 = k$ und $k_0' = \sqrt{1-k_0^2}$. +Zeigen Sie, dass $k_n\to 0$ und $k_n'\to 1$ mit quadratischer Konvergenz. + +\begin{loesung} +\begin{table} +\centering +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline +n & k & k'% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}% +\\ +\hline +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}% +0 & 0.200000000000000 & 0.979795897113271 \\ +1 & 0.010205144336438 & 0.999947926158694 \\ +2 & 0.000026037598592 & 0.999999999661022 \\ +3 & 0.000000000169489 & 1.000000000000000 \\ +4 & 0.000000000000000 & 1.000000000000000% +\mathstrut\text{\vrule height0pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Numerisches Experiment zur Folge $(k_n,k_n')$ +gemäss \eqref{buch:elliptisch:aufgabe:2:iteration} +mit $k_0=0.2$ +\label{buch:ellptisch:aufgabe:2:numerisch}} +\end{table} +Es ist klar, dass $k'_n\to 1$ folgt, wenn man zeigen kann, dass +$k_n\to 0$ gilt. +Wir berechnen daher +\begin{align*} +k_{n+1} +&= +\frac{1-k_n'}{1+k_n'} += +\frac{1-\sqrt{1-k_n^2}}{1+\sqrt{1-k_n^2}} +\intertext{und erweitern mit dem Nenner $1+\sqrt{1-k_n^2}$ um} +&= +\frac{1-(1-k_n^2)}{(1+\sqrt{1-k_n^2})^2} += +\frac{ k_n^2 }{(1+\sqrt{1-k_n^2})^2} +\le +k_n^2 +\end{align*} +zu erhalten. +Daraus folgt jetzt sofort die quadratische Konvergenz von $k_n$ gegen $0$. + +Ein einfaches numerisches Experiment (siehe +Tabelle~\ref{buch:ellptisch:aufgabe:2:numerisch}) +bestätigt die quadratische Konvergenz der Folgen. +\end{loesung} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/3.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/3.tex new file mode 100644 index 0000000..a5d118f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/3.tex @@ -0,0 +1,135 @@ +\label{buch:elliptisch:aufgabe:3}% +Aus der in Aufgabe~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:2} konstruierten Folge +$k_n$ kann zu einem vorgegebenen $u$ ausserdem die Folge $u_n$ +mit der Rekursionsformel +\[ +u_{n+1} = \frac{u_n}{1+k_{n+1}} +\] +und Anfangswert $u_0=u$ konstruiert werden. +Die Landen-Transformation (siehe \cite[80]{buch:ellfun-applications}) +\index{Landen-Transformation}% +führt auf die folgenden Formeln für die Jacobischen elliptischen Funktionen: +\begin{equation} +\left.\qquad +\begin{aligned} +\operatorname{sn}(u_n,k_n) +&= +\frac{ +(1+k_{n+1})\operatorname{sn}(u_{n+1},k_{n+1}) +}{ +1 + k_{n+1} \operatorname{sn}(u_{n+1},k_{n+1})^2 +} +\\ +\operatorname{cn}(u_n,k_n) +&= +\frac{ +\operatorname{cn}(u_{n+1},k_{n+1}) +\operatorname{dn}(u_{n+1},k_{n+1}) +}{ +1 + k_{n+1} \operatorname{sn}(u_{n+1},k_{n+1})^2 +} +\\ +\operatorname{dn}(u_n,k_n) +&= +\frac{ +1 - k_{n+1} \operatorname{sn}(u_{n+1},k_{n+1})^2 +}{ +1 + k_{n+1} \operatorname{sn}(u_{n+1},k_{n+1})^2 +} +\end{aligned} +\qquad\right\} +\label{buch:elliptisch:aufgabe:3:gauss} +\end{equation} +Die Transformationsformeln +\eqref{buch:elliptisch:aufgabe:3:gauss} +sind auch als Gauss-Transformation bekannt. +\index{Gauss-Transformation}% +Konstruieren Sie daraus einen numerischen Algorithmus, mit dem sich +gleichzeitig die Werte aller drei Jacobischen elliptischen Funktionen +für vorgegebene Parameterwerte $u$ und $k$ berechnen lassen. + +\begin{loesung} +In der ersten Phase des Algorithmus werden die Folgen $k_n$ und $k_n'$ +sowie $u_n$ bis zum Folgenindex $N$ berechnet, bis $k_N\approx 0$ +angenommen werden darf. +Dann gilt +\begin{align*} +\operatorname{sn}(u_N, k_N) &= \operatorname{sn}(u_N,0) = \sin u_N +\\ +\operatorname{cn}(u_N, k_N) &= \operatorname{cn}(u_N,0) = \cos u_N +\\ +\operatorname{dn}(u_N, k_N) &= \operatorname{dn}(u_N,0) = 1. +\end{align*} +In der zweiten Phase des Algorithmus können für absteigende +$n$ jeweils die Formeln~\eqref{buch:elliptisch:aufgabe:3:gauss} +angewendet werden um nacheinander die Werte der Jacobischen +elliptischen Funktionen für Argument $u_n$ und Parameter $k_n$ +für $n=N-1,N-2,\dots,0$ zu bekommen. +\end{loesung} +\begin{table} +\centering +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] +\def\pfeil#1#2{ + \fill[color=#1!30] (-0.5,1) -- (-0.5,-1) -- (-0.8,-1) + -- (0,-1.5) -- (0.8,-1) -- (0.5,-1) -- (0.5,1) -- cycle; + \node[color=white] at (0,-0.2) [scale=5] {\sf #2\strut}; +} +\begin{scope}[xshift=-4.9cm,yshift=0.2cm] +\pfeil{red}{1} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=-2.3cm,yshift=0.2cm] +\pfeil{red}{1} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=0.35cm,yshift=-0.3cm,yscale=-1] +\pfeil{blue}{2} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=2.92cm,yshift=-0.3cm,yscale=-1] +\pfeil{blue}{2} +\end{scope} + +\begin{scope}[xshift=5.60cm,yshift=-0.3cm,yscale=-1] +\pfeil{blue}{2} +\end{scope} + +\node at (0,0) { +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline +n & k_n & u_n & \operatorname{sn}(u_n,k_n) & \operatorname{cn}(u_n,k_n) & \operatorname{dn}(u_n,k_n)% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}% +%\small +0 & 0.90000000000 & 0.60000000000 & 0.54228232286 & 0.84019633556 & 0.87281338478 \\ +1 & 0.39286445838 & 0.43076696830 & 0.41576897816 & 0.90947026163 & 0.98656969610 \\ +2 & 0.04188568608 & 0.41344935827 & 0.40175214109 & 0.91574844642 & 0.99985840483 \\ +3 & 0.00043898784 & 0.41326793867 & 0.40160428679 & 0.91581329801 & 0.99999998445 \\ +4 & 0.00000004817 & 0.41326791876 & 0.40160427056 & 0.91581330513 & 1.00000000000 \\ +5 & 0.00000000000 & 0.41326791876 & 0.40160427056 & 0.91581330513 & 1.00000000000 \\ +%N & 0.00000000000 & 0.41326791876 & 0.40160427056 & 0.91581330513 & 1.00000000000% +N & & 0.41326791876 & \sin u_N & \cos u_N & 1% +%0 & 0.900000000000000 & 0.600000000000000 & 0.542282322869158 & 0.840196335569032 & 0.872813384788490 \\ +%1 & 0.392864458385019 & 0.430766968306220 & 0.415768978168966 & 0.909470261631645 & 0.986569696107075 \\ +%2 & 0.041885686080039 & 0.413449358275499 & 0.401752141098324 & 0.915748446421239 & 0.999858404836479 \\ +%3 & 0.000438987841605 & 0.413267938675096 & 0.401604286793186 & 0.915813298019491 & 0.999999984459261 \\ +%4 & 0.000000048177586 & 0.413267918764845 & 0.401604270565476 & 0.915813305135699 & 1.000000000000000 \\ +%5 & 0.000000000000001 & 0.413267918764845 & 0.401604270565476 & 0.915813305135699 & 1.000000000000000 \\ +%N & 0.000000000000000 & 0.413267918764845 & 0.401604270565476 & 0.915813305135699 & 1.000000000000000 \\ +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\end{tabular} +}; +\end{tikzpicture} +\caption{Durchführung des auf der Landen-Transformation basierenden +Algorithmus zur Berechnung der Jacobischen elliptischen Funktionen +für $u=0.6$ und $k=0.9$. +Die erste Phase (rot) berechnet die Folgen $k_n$ und $u_n$, die zweite +(blau) +transformiert die Wert der trigonometrischen Funktionen in die Werte +der Jacobischen elliptischen Funktionen. +\label{buch:elliptisch:aufgabe:3:resultate}} +\end{table} + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/4.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/4.tex new file mode 100644 index 0000000..8814090 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/4.tex @@ -0,0 +1,75 @@ +\label{buch:elliptisch:aufgabe:4} +Es ist bekannt, dass $\operatorname{sn}(K+iK', k) = 1/k$ gilt. +Verwenden Sie den Algorithmus von Aufgabe~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:3}, +um dies für $k=\frac12$ nachzurechnen. + +\begin{loesung} +\begin{table} +\centering +\renewcommand{\tabcolsep}{5pt} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline + n & k_n & u_n & \operatorname{sn}(u_n,k_n)% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}% +\\ +\hline +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}% + 0 & 0.500000000000000 & 1.685750354812596 + 2.156515647499643i & 2.000000000000000 \\ + 1 & 0.071796769724491 & 1.572826493259468 + 2.012056490946491i & 3.732050807568877 \\ + 2 & 0.001292026239995 & 1.570796982340579 + 2.009460215619685i & 3.796651109009551 \\ + 3 & 0.000000417333300 & 1.570796326794965 + 2.009459377005374i & 3.796672364209438 \\ + 4 & 0.000000000000044 & 1.570796326794897 + 2.009459377005286i & 3.796672364211658 \\ + N & 0.000000000000000 & 1.570796326794897 + 2.009459377005286i & 3.796672364211658% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}% +\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Berechnung von $\operatorname{sn}(K+iK',k)=1/k$ mit Hilfe der Landen-Transformation. +Konvergenz der Folge $k_n$ ist bei $N=5$ eintegreten. +\label{buch:elliptisch:aufgabe:4:table}} +\end{table} +Zunächst müssen wir mit dem Algorithmus des arithmetisch-geometrischen +Mittels +\[ +K(k) +\approx +1.685750354812596 +\qquad\text{und}\qquad +K(k') +\approx +2.156515647499643 +\] +berechnen. +Aus $k=\frac12$ kann man jetzt die Folgen $k_n$ und $u_n$ berechnen, die innert +$N=5$ Iterationen konvergiert. +Sie führt auf +\[ +u_N += +\frac{\pi}2 + 2.009459377005286i += +\frac{\pi}2 + bi. +\] +Jetzt muss der Sinus von $u_N$ berechnet werden. +Dazu verwenden wir die komplexe Darstellung: +\[ +\sin u_N += +\frac{e^{i\frac{\pi}2-b} - e^{-i\frac{\pi}2+b}}{2i} += +\frac{ie^{-b}+ie^{b}}{2i} += +\cosh b += +3.796672364211658. +\] +Da der Wert $\operatorname{sn}(u_N,k_N) = \sin u_N$ reell ist, wird auch +die daraus wie in Aufgabe~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:3} +konstruierte Folge $\operatorname{sn}(u_n,k_n)$ reell sein. +Die Werte von $\operatorname{cn}(u_n,k_n)$ und $\operatorname{dn}(u_n,k_n)$ +werden für die Iterationsformeln~\eqref{buch:elliptisch:aufgabe:3:gauss} +für $\operatorname{sn}(u_n,k_n)$ nicht benötigt. +Die Berechnung ist in Tabelle~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:4:table} +zusammengefasst. +Man liest ab, dass $\operatorname{sn}(K+iK',k)=2 = 1/k$, wie erwartet. +\end{loesung} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/5.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/5.tex new file mode 100644 index 0000000..fa018ca --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/5.tex @@ -0,0 +1,59 @@ +\label{buch:elliptisch:aufgabe:5} +Die sehr schnelle Konvergenz des arithmetisch-geometrische Mittels +kann auch dazu ausgenutzt werden, eine grosse Zahl von Stellen der +Kreiszahl $\pi$ zu berechnen. +Almkvist und Berndt haben gezeigt \cite{buch:almkvist-berndt}, dass +\[ +\pi += +\frac{4 M(1,\!\sqrt{2}/2)^2}{ +\displaystyle 1-\sum_{n=1}^\infty 2^{n+1}(a_n^2-b_n^2) +}. +\] +Verwenden Sie diese Formel, um Approximationen von $\pi$ zu berechnen. + +\begin{loesung} +\begin{table} +\centering +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\hline +n & a_n & b_n & \pi_n% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}% +0 & 1.000000000000000 & 0.707106781186548 & +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt}\\ +1 & 0.853553390593274 & 0.840896415253715 & 3.\underline{1}87672642712106 \\ +2 & 0.847224902923494 & 0.847201266746892 & 3.\underline{141}680293297648 \\ +3 & 0.847213084835193 & 0.847213084752765 & 3.\underline{141592653}895451 \\ +4 & 0.847213084793979 & 0.847213084793979 & 3.\underline{141592653589}822 \\ +5 & 0.847213084793979 & 0.847213084793979 & 3.\underline{141592653589}871% +\mathstrut\text{\vrule height0pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\infty & & & 3.141592653589793% +\mathstrut\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt}\\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Approximationen der Kreiszahl $\pi$ mit Hilfe des Algorithmus +des arithmetisch-geometrischen Mittels. +In nur 4 Schritten werden 12 Stellen Genauigkeit erreicht. +\label{buch:elliptisch:aufgabe:5:table}} +\end{table} +Wir schreiben +\[ +\pi_n += +\frac{4 a_k^2}{ +\displaystyle +1-\sum_{k=1}^\infty 2^{k+1}(a_k^2-b_k^2) +} +\] +für die Approximationen von $\pi$, +wobei $a_k$ und $b_k$ die Folgen der arithmetischen und geometrischen +Mittel von $1$ und $\!\sqrt{2}/2$ sind. +Die Tabelle~\ref{buch:elliptisch:aufgabe:5:table} zeigt die Resultat. +In nur 4 Schritten können 12 Stellen Genauigkeit erreicht werden, +dann beginnen jedoch bereits Rundungsfehler das Resultat zu beinträchtigen. +Für die Berechnung einer grösseren Zahl von Stellen muss daher mit +grösserer Präzision gerechnet werden. +\end{loesung} diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/Makefile b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/Makefile new file mode 100644 index 0000000..0ca5234 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/Makefile @@ -0,0 +1,8 @@ +# +# Makefile +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +anharmonisch.pdf: anharmonisch.tex + pdflatex anharmonisch.tex diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.pdf b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4b00f4d --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.pdf diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.tex new file mode 100644 index 0000000..a00c393 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/anharmonisch.tex @@ -0,0 +1,62 @@ +% +% anharmonisch.tex -- Potential einer anharmonischen Schwingung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\E{3} +\def\K{0.2} +\def\D{0.0025} + +\pgfmathparse{sqrt(\K/\D)} +\xdef\xnull{\pgfmathresult} + +\pgfmathparse{sqrt((\K+sqrt(\K*\K-4*\E*\D))/\D)} +\xdef\xplus{\pgfmathresult} +\pgfmathparse{sqrt((\K-sqrt(\K*\K-4*\E*\D))/\D)} +\xdef\xminus{\pgfmathresult} + +\def\xmax{13} + +\fill[color=darkgreen!20] (0,-1.5) rectangle (\xminus,4.7); +\node[color=darkgreen] at ({0.5*\xminus},4.7) [below] {anziehende Kraft\strut}; + +\fill[color=orange!20] (\xplus,-1.5) rectangle (\xmax,4.7); +\node[color=orange] at ({0.5*(\xplus+\xmax)},4.7) [below] {abstossende\strut}; +\node[color=orange] at ({0.5*(\xplus+\xmax)},4.3) [below] {Kraft\strut}; + +\node[color=gray] at (\xnull,4.7) [below] {verbotener Bereich\strut}; + +\draw (-0.1,\E) -- (0.1,\E); +\node at (-0.1,\E) [left] {$E$}; + +\draw[color=red,line width=1pt] + plot[domain=0:13,samples=100] + ({\x},{\E-(0.5*\K-0.25*\D*\x*\x)*\x*\x}); + +\draw[->] (-0.1,0) -- ({\xmax+0.3},0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-1.5) -- (0,5) coordinate[label={right:$f(x)$}]; + +\fill[color=blue] (\xminus,0) circle[radius=0.08]; +\node[color=blue] at (\xminus,0) [below left] {$x_-\mathstrut$}; + +\fill[color=blue] (\xplus,0) circle[radius=0.08]; +\node[color=blue] at (\xplus,0) [below right] {$x_+\mathstrut$}; + +\fill[color=blue] (\xnull,0) circle[radius=0.08]; +\node[color=blue] at (\xnull,0) [below] {$x_0\mathstrut$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/landen.m b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/landen.m new file mode 100644 index 0000000..bba5549 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/uebungsaufgaben/landen.m @@ -0,0 +1,60 @@ +# +# landen.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +N = 10; + +function retval = M(a,b) + for i = (1:10) + A = (a+b)/2; + b = sqrt(a*b); + a = A; + endfor + retval = a; +endfunction; + +function retval = EllipticKk(k) + retval = pi / (2 * M(1, sqrt(1-k^2))); +endfunction + +k = 0.5; +kprime = sqrt(1-k^2); + +EK = EllipticKk(k); +EKprime = EllipticKk(kprime); + +u = EK + EKprime * i; + +K = zeros(N,3); +K(1,1) = k; +K(1,2) = kprime; +K(1,3) = u; + +format long + +for n = (2:N) + K(n,1) = (1-K(n-1,2)) / (1+K(n-1,2)); + K(n,2) = sqrt(1-K(n,1)^2); + K(n,3) = K(n-1,3) / (1 + K(n,1)); +end + +K(:,[1,3]) + +pi / 2 + +scd = zeros(N,3); +scd(N,1) = sin(K(N,3)); +scd(N,2) = cos(K(N,3)); +scd(N,3) = 1; + +for n = (N:-1:2) + nenner = 1 + K(n,1) * scd(n, 1)^2; + scd(n-1,1) = (1+K(n,1)) * scd(n, 1) / nenner; + scd(n-1,2) = scd(n, 2) * scd(n, 3) / nenner; + scd(n-1,3) = (1 - K(n,1) * scd(n,1)^2) / nenner; +end + +scd(:,1) + +cosh(2.009459377005286) diff --git a/buch/chapters/part1.tex b/buch/chapters/part1.tex index bee4416..52b18a0 100644 --- a/buch/chapters/part1.tex +++ b/buch/chapters/part1.tex @@ -35,6 +35,7 @@ %\end{appendices} \vfill \pagebreak + \ifodd\value{page}\else\null\clearpage\fi \lhead{Literatur} \rhead{} diff --git a/buch/chapters/references.bib b/buch/chapters/references.bib index 17ef273..d14a3d2 100644 --- a/buch/chapters/references.bib +++ b/buch/chapters/references.bib @@ -111,3 +111,62 @@ 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} +} +@article{buch:pearsondgl, + title = {Orthogonal matrix polynomials, scalar-type Rordigues' formulas and Pearson equations}, + author = { Antonio J. Dur\'an and F. Alberto Grünbaum }, + year = 2005, + journal = { Journal of Approximation theory }, + volume = 134, + pages = {267-280} +} + +@book{buch:specialfunctions, + author = { George E. Andrews and Richard Askey and Ranjan Roy }, + title = { Special Functions }, + series = { Encyclopedia of Mathematics and its applications }, + volume = { 71 }, + publisher = { Cambridge University Press }, + ISBN = { 0-521-78988-5 }, + year = 2004 +} + +@book{buch:ellfun-applications, + author = { Derek F. Lawden }, + title = { Elliptic Functions and Applications }, + series = { Applied Mathematical Sciences }, + volume = { 80 }, + publisher = { Springer-Verlag }, + year = 2010, + ISBN = { 978-1-4419-3090-3 } +} + +@article{buch:almkvist-berndt, + author = { Gert Almkvist und Bruce Berndt }, + title = { Gauss, Landen, Ramanjujan, the Arithmetic-Geometric Mean, Ellipses $\pi$, and the {\em Ladies Diary} }, + journal = { The American Mathematical Monthly }, + volume = { 95 }, + pages = { 585--608 }, + year = 1988 +} + +@book{buch:schwalm, + author = { William A. Schwalm }, + title = { Lectures on Selected Topics in Mathematical Physics: Elliptic Functions and Elliptic Integrals }, + publisher = { IOP Science }, + year = 2015, + ISBN = { 978-1-6817-4166-6 } +} + +@misc{buch:schwalm-youtube, + author = { William A. Schwalm }, + title = { Elliptic Functions and Elliptic Integrals }, + howpublished = { \url{https://youtu.be/DCXItCajCyo} }, + year = 2018 +} diff --git a/buch/common/macros.tex b/buch/common/macros.tex index 7c82180..e37698e 100644 --- a/buch/common/macros.tex +++ b/buch/common/macros.tex @@ -23,7 +23,9 @@ \vfill\pagebreak} \newenvironment{teilaufgaben}{ \begin{enumerate} -\renewcommand{\labelenumi}{\alph{enumi})} +\renewcommand{\theenumi}{\alph{enumi})} +%\renewcommand{\labelenumi}{\alph{enumi})} +\renewcommand{\labelenumi}{\theenumi} }{\end{enumerate}} % Aufgabe \newcounter{problemcounter}[chapter] @@ -109,6 +111,10 @@ \newtheorem{forderung}{Forderung}[chapter] \newtheorem{konsequenz}[satz]{Konsequenz} \newtheorem{algorithmus}[satz]{Algorithmus} + +% English variants +\newtheorem{theorem}[satz]{Theorem} + \renewcommand{\floatpagefraction}{0.7} \definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} 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/common/test-common.tex b/buch/common/test-common.tex index 289e59c..3f49701 100644 --- a/buch/common/test-common.tex +++ b/buch/common/test-common.tex @@ -30,6 +30,7 @@ \usepackage{standalone} \usepackage{environ} \usepackage{tikz} +\usepackage{xr} \input{../common/linsys.tex} \newcounter{beispiel} \newenvironment{beispiele}{ diff --git a/buch/common/test3.tex b/buch/common/test3.tex index 8b24262..22d6b63 100644 --- a/buch/common/test3.tex +++ b/buch/common/test3.tex @@ -4,6 +4,7 @@ % (c) 2021 Prof. Dr. Andreas Mueller, OST % \input{common/test-common.tex} +\externaldocument{buch} \begin{document} {\parindent0pt\hbox to\hsize{% diff --git a/buch/papers/000template/main.tex b/buch/papers/000template/main.tex index 87a5685..91b6d6e 100644 --- a/buch/papers/000template/main.tex +++ b/buch/papers/000template/main.tex @@ -1,7 +1,10 @@ % % main.tex -- Paper zum Thema <000template> % -% (c) 2020 Hochschule Rapperswil +% (c) 2020 Autor, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +% !TEX root = ../../buch.tex +% !TEX encoding = UTF-8 % \chapter{Thema\label{chapter:000template}} \lhead{Thema} diff --git a/buch/papers/000template/teil0.tex b/buch/papers/000template/teil0.tex index 7b9f088..65d7ae1 100644 --- a/buch/papers/000template/teil0.tex +++ b/buch/papers/000template/teil0.tex @@ -3,6 +3,9 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % +% !TEX root = ../../buch.tex +% !TEX encoding = UTF-8 +% \section{Teil 0\label{000template:section:teil0}} \rhead{Teil 0} Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam diff --git a/buch/papers/000template/teil1.tex b/buch/papers/000template/teil1.tex index 00d3058..0f8dfae 100644 --- a/buch/papers/000template/teil1.tex +++ b/buch/papers/000template/teil1.tex @@ -3,6 +3,9 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % +% !TEX root = ../../buch.tex +% !TEX encoding = UTF-8 +% \section{Teil 1 \label{000template:section:teil1}} \rhead{Problemstellung} diff --git a/buch/papers/000template/teil2.tex b/buch/papers/000template/teil2.tex index 471adae..496557f 100644 --- a/buch/papers/000template/teil2.tex +++ b/buch/papers/000template/teil2.tex @@ -3,6 +3,9 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % +% !TEX root = ../../buch.tex +% !TEX encoding = UTF-8 +% \section{Teil 2 \label{000template:section:teil2}} \rhead{Teil 2} diff --git a/buch/papers/000template/teil3.tex b/buch/papers/000template/teil3.tex index 4697813..ef2aa75 100644 --- a/buch/papers/000template/teil3.tex +++ b/buch/papers/000template/teil3.tex @@ -3,6 +3,9 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % +% !TEX root = ../../buch.tex +% !TEX encoding = UTF-8 +% \section{Teil 3 \label{000template:section:teil3}} \rhead{Teil 3} diff --git a/buch/papers/0f1/images/konvergenzAiry.pdf b/buch/papers/0f1/images/konvergenzAiry.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..206cd3a --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/images/konvergenzAiry.pdf diff --git a/buch/papers/0f1/images/konvergenzNegativ.pdf b/buch/papers/0f1/images/konvergenzNegativ.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..07d2a44 --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/images/konvergenzNegativ.pdf diff --git a/buch/papers/0f1/images/konvergenzPositiv.pdf b/buch/papers/0f1/images/konvergenzPositiv.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..8e1e7e4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/images/konvergenzPositiv.pdf diff --git a/buch/papers/0f1/images/stabilitaet.pdf b/buch/papers/0f1/images/stabilitaet.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..13dea39 --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/images/stabilitaet.pdf diff --git a/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchIterativ.c b/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchIterativ.c new file mode 100644 index 0000000..3caaf43 --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchIterativ.c @@ -0,0 +1,27 @@ +/**
+ * @brief Calculates the Hypergeometric Function 0F1(;c;z)
+ * @param c in 0F1(;c;z)
+ * @param z in 0F1(;c;z)
+ * @param k number of itertions (precision)
+ * @return Result
+ */
+static double fractionIter0f1(const double c, const double z, unsigned int k)
+{
+ //declaration
+ double a = 0.0;
+ double b = 0.0;
+ double abk = 0.0;
+ double temp = 0.0;
+
+ for (; k > 0; --k)
+ {
+ abk = z / (k * ((k - 1) + c)); //abk = ak, bk
+
+ a = k > 1 ? (1 + abk) : 1; //a0, a1
+ b = k > 1 ? -abk : abk; //b1
+
+ temp = b / (a + temp); //bk / (ak + last result)
+ }
+
+ return a + temp; //a0 + temp
+}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchRekursion.c b/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchRekursion.c new file mode 100644 index 0000000..d897b8f --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/listings/kettenbruchRekursion.c @@ -0,0 +1,53 @@ +/**
+ * @brief Calculates the Hypergeometric Function 0F1(;b;z)
+ * @param b0 in 0F1(;b0;z)
+ * @param z in 0F1(;b0;z)
+ * @param n number of itertions (precision)
+ * @return Result
+ */
+static double fractionRekursion0f1(const double c, const double z, unsigned int n)
+{
+ //declaration
+ double a = 0.0;
+ double b = 0.0;
+ double Ak = 0.0;
+ double Bk = 0.0;
+ double Ak_1 = 0.0;
+ double Bk_1 = 0.0;
+ double Ak_2 = 0.0;
+ double Bk_2 = 0.0;
+
+ for (unsigned int k = 0; k <= n; ++k)
+ {
+ if (k == 0)
+ {
+ a = 1.0; //a0
+ //recursion fomula for A0, B0
+ Ak = a;
+ Bk = 1.0;
+ }
+ else if (k == 1)
+ {
+ a = 1.0; //a1
+ b = z/c; //b1
+ //recursion fomula for A1, B1
+ Ak = a * Ak_1 + b * 1.0;
+ Bk = a * Bk_1;
+ }
+ else
+ {
+ a = 1 + (z / (k * ((k - 1) + c)));//ak
+ b = -(z / (k * ((k - 1) + c))); //bk
+ //recursion fomula for Ak, Bk
+ Ak = a * Ak_1 + b * Ak_2;
+ Bk = a * Bk_1 + b * Bk_2;
+ }
+ //save old values
+ Ak_2 = Ak_1;
+ Bk_2 = Bk_1;
+ Ak_1 = Ak;
+ Bk_1 = Bk;
+ }
+ //approximation fraction
+ return Ak/Bk;
+}
diff --git a/buch/papers/0f1/listings/potenzreihe.c b/buch/papers/0f1/listings/potenzreihe.c new file mode 100644 index 0000000..23fdfea --- /dev/null +++ b/buch/papers/0f1/listings/potenzreihe.c @@ -0,0 +1,69 @@ +#include <math.h>
+
+/**
+ * @brief Calculates pochhammer
+ * @param (a+n-1)!
+ * @return Result
+ */
+static double pochhammer(const double x, double n)
+{
+ double temp = x;
+
+ if (n > 0)
+ {
+ while (n > 1)
+ {
+ temp *= (x + n - 1);
+ --n;
+ }
+
+ return temp;
+ }
+ else
+ {
+ return 1;
+ }
+}
+
+/**
+ * @brief Calculates the Factorial
+ * @param n!
+ * @return Result
+ */
+static double fac(int n)
+{
+ double temp = n;
+
+ if (n > 0)
+ {
+ while (n > 1)
+ {
+ --n;
+ temp *= n;
+ }
+ return temp;
+ }
+ else
+ {
+ return 1;
+ }
+}
+
+/**
+ * @brief Calculates the Hypergeometric Function 0F1(;b;z)
+ * @param c in 0F1(;c;z)
+ * @param z in 0F1(;c;z)
+ * @param n number of itertions (precision)
+ * @return Result
+ */
+static double powerseries(const double c, const double z, unsigned int n)
+{
+ double temp = 0.0;
+
+ for (unsigned int k = 0; k < n; ++k)
+ {
+ temp += pow(z, k) / (factorial(k) * pochhammer(c, k));
+ }
+
+ return temp;
+}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/0f1/main.tex b/buch/papers/0f1/main.tex index 264ad56..0b1020f 100644 --- a/buch/papers/0f1/main.tex +++ b/buch/papers/0f1/main.tex @@ -1,36 +1,24 @@ -% -% main.tex -- Paper zum Thema <0f1> -% -% (c) 2020 Hochschule Rapperswil -% -\chapter{Thema\label{chapter:0f1}} -\lhead{Thema} -\begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} - -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/0f1/teil0.tex} -\input{papers/0f1/teil1.tex} -\input{papers/0f1/teil2.tex} -\input{papers/0f1/teil3.tex} - -\printbibliography[heading=subbibliography] -\end{refsection} +%
+% main.tex -- Paper zum Thema <0f1>
+%
+% (c) 2020 Hochschule Rapperswil
+%
+%
+
+
+
+\chapter{Algorithmus zur Berechnung von $\mathstrut_0F_1$\label{chapter:0f1}}
+\lhead{Algorithmus zur Berechnung von $\mathstrut_0F_1$}
+\begin{refsection}
+\chapterauthor{Fabian Dünki}
+
+
+
+
+\input{papers/0f1/teil0.tex}
+\input{papers/0f1/teil1.tex}
+\input{papers/0f1/teil2.tex}
+\input{papers/0f1/teil3.tex}
+
+\printbibliography[heading=subbibliography]
+\end{refsection}
diff --git a/buch/papers/0f1/references.bib b/buch/papers/0f1/references.bib index fb9cd8b..47555da 100644 --- a/buch/papers/0f1/references.bib +++ b/buch/papers/0f1/references.bib @@ -4,32 +4,82 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % -@online{0f1:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} -} - -@book{0f1: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{0f1: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{0f1:library-gsl, + title = {GNU Scientific Library}, + url ={https://www.gnu.org/software/gsl/}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} } +@online{0f1:wiki-airyFunktion, + title = {Airy-Funktion}, + url ={https://de.wikipedia.org/wiki/Airy-Funktion}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} +} + +@online{0f1:wiki-kettenbruch, + title = {Kettenbruch}, + url ={https://de.wikipedia.org/wiki/Kettenbruch}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {25} +} + +@online{0f1:double, + title = {C - Data Types}, + url ={https://www.tutorialspoint.com/cprogramming/c_data_types.htm}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} +} + +@online{0f1:wolfram-0f1, + title = {Hypergeometric 0F1}, + url ={https://functions.wolfram.com/webMathematica/FunctionEvaluation.jsp?name=Hypergeometric0F1}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} +} + +@online{0f1:wiki-fraction, + title = {Gauss continued fraction}, + url ={https://en.wikipedia.org/wiki/Gauss%27s_continued_fraction}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} +} + +@online{0f1:code, + title = {Vollständiger C-Code}, + url ={https://github.com/AndreasFMueller/SeminarSpezielleFunktionen/tree/master/buch/papers/0f1/listings}, + date = {2022-07-07}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {7} +} + +@book{0f1:SeminarNumerik, + title = {Mathematisches Seminar Numerik}, + author = {Andreas Müller et al}, + publisher = {Andreas Müller}, + year = {2022}, +} + +@article{0f1:kettenbrueche, + author = { Benjamin Bouhafs-Keller }, + title = { Kettenbrüche }, + journal = { Mathematisches Seminar Numerik }, + year = 2020, + volume = 13, + pages = {363--376}, + url = {https://github.com/AndreasFMueller/SeminarNumerik} +} diff --git a/buch/papers/0f1/teil0.tex b/buch/papers/0f1/teil0.tex index 9087808..335cf92 100644 --- a/buch/papers/0f1/teil0.tex +++ b/buch/papers/0f1/teil0.tex @@ -1,22 +1,15 @@ -% -% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 0\label{0f1: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{0f1: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. - - +%
+% einleitung.tex -- Einleitung
+%
+% (c) 2022 Fabian Dünki, Hochschule Rapperswil
+%
+\section{Ausgangslage\label{0f1:section:ausgangslage}}
+\rhead{Ausgangslage}
+Die hypergeometrische Funktion $\mathstrut_0F_1$ wird in vielen Funktionen als Basisfunktion benutzt,
+zum Beispiel um die Airy-Funktion zu berechnen.
+In der GNU Scientific Library \cite{0f1:library-gsl}
+ist die Funktion $\mathstrut_0F_1$ vorhanden.
+Allerdings wirft die Funktion bei negativen Übergabewerten wie zum Beispiel \verb+gsl_sf_hyperg_0F1(1, -1)+ eine Exception.
+Bei genauerer Untersuchung hat sich gezeigt, dass die Funktion je nach Betriebssystem funktioniert oder eben nicht.
+So kann die Funktion unter Windows fehlerfrei aufgerufen werden, beim Mac OS und Linux sind negative Übergabeparameter im Moment nicht möglich.
+Ziel dieser Arbeit war es zu evaluieren, ob es mit einfachen mathematischen Operationen möglich ist, die hypergeometrische Funktion $\mathstrut_0F_1$ zu implementieren.
diff --git a/buch/papers/0f1/teil1.tex b/buch/papers/0f1/teil1.tex index aca84d2..8d00f95 100644 --- a/buch/papers/0f1/teil1.tex +++ b/buch/papers/0f1/teil1.tex @@ -1,55 +1,100 @@ -% -% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 1 -\label{0f1: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{0f1: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{0f1: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{0f1: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{0f1: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. - - +%
+% teil1.tex -- Mathematischer Hintergrund
+%
+% (c) 2022 Fabian Dünki, Hochschule Rapperswil
+%
+\section{Mathematischer Hintergrund
+\label{0f1:section:mathHintergrund}}
+\rhead{Mathematischer Hintergrund}
+Basierend auf den Herleitungen des Abschnittes \ref{buch:rekursion:section:hypergeometrische-funktion} werden im nachfolgenden Abschnitt nochmals die Resultate beschrieben.
+
+\subsection{Hypergeometrische Funktion
+\label{0f1:subsection:hypergeometrisch}}
+Als Grundlage der umgesetzten Algorithmen dient die hypergeometrische Funktion $\mathstrut_0F_1$. Diese ist ein Speziallfall der allgemein definierten Funktion $\mathstrut_pF_q$.
+
+\begin{definition}
+ \label{0f1:math:qFp:def}
+ Die hypergeometrische Funktion
+ $\mathstrut_pF_q$ ist definiert durch die Reihe
+ \[
+ \mathstrut_pF_q
+ \biggl(
+ \begin{matrix}
+ a_1,\dots,a_p\\
+ b_1,\dots,b_q
+ \end{matrix}
+ ;
+ x
+ \biggr)
+ =
+ \mathstrut_pF_q(a_1,\dots,a_p;b_1,\dots,b_q;x)
+ =
+ \sum_{k=0}^\infty
+ \frac{(a_1)_k\cdots(a_p)_k}{(b_1)_k\cdots(b_q)_k}\frac{x^k}{k!}.
+ \]
+\end{definition}
+
+Angewendet auf die Funktion $\mathstrut_pF_q$ ergibt sich für $\mathstrut_0F_1$:
+
+\begin{equation}
+ \label{0f1:math:0f1:eq}
+ \mathstrut_0F_1
+ \biggl(
+ \begin{matrix}
+ \text{---}
+ \\\
+ b_1
+ \end{matrix}
+ ;
+ x
+ \biggr)
+ =
+ \mathstrut_0F_1(;b_1;x)
+ =
+ \sum_{k=0}^\infty
+ \frac{x^k}{(b_1)_k \cdot k!}.
+\end{equation}
+
+
+
+
+\subsection{Airy-Funktion
+\label{0f1:subsection:airy}}
+Die Funktion $\operatorname{Ai}(x)$ und die verwandte Funktion $\operatorname{Bi}(x)$ werden als Airy-Funktion bezeichnet. Sie werden zur Lösung verschiedener physikalischer Probleme benutzt, wie zum Beispiel zur Lösung der Schrödinger-Gleichung \cite{0f1:wiki-airyFunktion}.
+
+\begin{definition}
+ \label{0f1:airy:differentialgleichung:def}
+ Die Differentialgleichung
+ $y'' - xy = 0$
+ heisst die {\em Airy-Differentialgleichung}.
+\end{definition}
+
+Die Airy-Funktion lässt sich auf verschiedene Arten darstellen.
+Als hypergeometrische Funktion berechnet, ergeben sich wie in Abschnitt \ref{buch:differentialgleichungen:section:hypergeometrisch} hergeleitet, folgende Lösungen der Airy-Differentialgleichung zu den Anfangsbedingungen $\operatorname{Ai}(0)=1$ und $\operatorname{Ai}'(0)=0$, sowie $\operatorname{Bi}(0)=0$ und $\operatorname{Bi}'(0)=1$:
+
+\begin{align}
+\label{0f1:airy:hypergeometrisch:eq}
+\operatorname{Ai}(x)
+=&
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{(\frac23)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{x^3}{9}\biggr)^k
+=
+\mathstrut_0F_1\biggl(
+\begin{matrix}\text{---}\\\frac23\end{matrix};\frac{x^3}{9}
+\biggr).
+\\
+\operatorname{Bi}(x)
+=&
+\sum_{k=0}^\infty
+\frac{1}{(\frac43)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{x^3}{9}\biggr)^k
+=
+x\cdot\mathstrut_0F_1\biggl(
+\begin{matrix}\text{---}\\\frac43\end{matrix};
+\frac{x^3}{9}
+\biggr).
+\qedhere
+\end{align}
+
+Um die Stabilität der Algorithmen zu $\mathstrut_0F_1$ zu überprüfen, wird in dieser Arbeit die Airy Funktion $\operatorname{Ai}(x)$ benutzt.
+
+
diff --git a/buch/papers/0f1/teil2.tex b/buch/papers/0f1/teil2.tex index 804d11b..fdcb0fc 100644 --- a/buch/papers/0f1/teil2.tex +++ b/buch/papers/0f1/teil2.tex @@ -1,40 +1,216 @@ -% -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 2 -\label{0f1: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{0f1: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. - - +%
+% teil2.tex -- Umsetzung in C Programmen
+%
+% (c) 2022 Fabian Dünki, Hochschule Rapperswil
+%
+\section{Umsetzung
+\label{0f1:section:teil2}}
+\rhead{Umsetzung}
+Zur Umsetzung wurden drei verschiedene Ansätze gewählt, die in vollständiger Form auf Github \cite{0f1:code} zu finden sind. Dabei wurde der Schwerpunkt auf die Funktionalität und eine gute Lesbarkeit des Codes gelegt.
+Die Unterprogramme wurde jeweils, wie die GNU Scientific Library, in C geschrieben. Die Zwischenresultate wurden vom Hauptprogramm in einem CSV-File gespeichert. Anschliessen wurde mit der Matplot-Library in Python die Resultate geplottet.
+
+\subsection{Potenzreihe
+\label{0f1:subsection:potenzreihe}}
+Die naheliegendste Lösung ist die Programmierung der Potenzreihe
+
+\begin{align}
+ \label{0f1:umsetzung:0f1:eq}
+ \mathstrut_0F_1(;c;z)
+ &=
+ \sum_{k=0}^\infty
+ \frac{z^k}{(c)_k \cdot k!}
+ &=
+ \frac{1}{c}
+ +\frac{z^1}{(c+1) \cdot 1}
+ + \cdots
+ + \frac{z^{20}}{c(c+1)(c+2)\cdots(c+19) \cdot 2.4 \cdot 10^{18}}.
+\end{align}
+
+\lstinputlisting[style=C,float,caption={Potenzreihe.},label={0f1:listing:potenzreihe}, firstline=59]{papers/0f1/listings/potenzreihe.c}
+
+\subsection{Kettenbruch
+\label{0f1:subsection:kettenbruch}}
+Eine weitere Variante zur Berechnung von $\mathstrut_0F_1(;c;z)$ ist die Umsetzung als Kettenbruch.
+Der Vorteil einer Umsetzung als Kettenbruch gegenüber der Potenzreihe ist die schnellere Konvergenz.
+
+\subsubsection{Grundlage}
+Ein endlicher Kettenbruch \cite{0f1:wiki-kettenbruch} ist ein Bruch der Form
+\begin{equation*}
+a_0 + \cfrac{b_1}{a_1+\cfrac{b_2}{a_2+\cfrac{b_3}{a_3+\cdots}}},
+\end{equation*}
+in welchem $a_0, a_1,\dots,a_n$ und $b_1,b_2,\dots,b_n$ ganze Zahlen sind.
+
+\subsubsection{Rekursionsbeziehungen und Kettenbrüche}
+Wenn es eine Relation analytischer Funktion $f_i(z)$ hat, dann gibt es einen Kettenbruch für das Verhältnis $\frac{f_i(z)}{f_{i-1}(z)}$ \cite{0f1:wiki-fraction}.
+Nimmt man die Gleichung
+\begin{equation*}
+ f_{i-1} - f_i = k_i z f_{i+1},
+\end{equation*}
+wo $f_i$ analytische Funktionen sind und $i > 0$ ist, sowie $k_i$ konstant.
+Ergibt sich der Zusammenhang
+\begin{equation*}
+ \cfrac{f_i}{f_{i-1}} = \cfrac{1}{1+k_iz\cfrac{f_{i+1}}{f_i}}.
+\end{equation*}
+Geht man einen Schritt weiter und nimmt für $g_i = \frac{f_i}{f_{i-1}}$ an, kommt man zur Formel
+\begin{equation*}
+ g_i = \cfrac{1}{1+k_izg_{i+1}}.
+\end{equation*}
+Setzt man dies nun für $g_1$ in den Bruch ein, ergibt sich
+\begin{equation*}
+ g_1 = \cfrac{f_1}{f_0} = \cfrac{1}{1+k_izg_2} = \cfrac{1}{1+\cfrac{k_1z}{1+k_2zg_3}} = \cdots
+\end{equation*}
+Repetiert man dies unendlich, erhält man einen Kettenbruch in der Form:
+\begin{equation}
+ \label{0f1:math:rekursion:eq}
+ \cfrac{f_1}{f_0} = \cfrac{1}{1+\cfrac{k_1z}{1+\cfrac{k_2z}{1+\cfrac{k_3z}{\cdots}}}}.
+\end{equation}
+
+\subsubsection{Rekursion für $\mathstrut_0F_1$}
+Angewendet auf die Potenzreihe
+\begin{equation}
+ \label{0f1:math:potenzreihe:0f1:eq}
+ \mathstrut_0F_1(;c;z) = 1 + \frac{z}{c\cdot1!} + \frac{z^2}{c(c+1)\cdot2!} + \frac{z^3}{c(c+1)(c+2)\cdot3!} + \cdots
+\end{equation}
+kann durch Substitution bewiesen werden, dass
+\begin{equation*}
+ \mathstrut_0F_1(;c-1;z) - \mathstrut_0F_1(;c;z) = \frac{z}{c(c-1)} \cdot \mathstrut_0F_1(;c+1;z)
+\end{equation*}
+eine Relation dazu ist.
+Wenn man für $f_i$ und $k_i$ die Annahme
+\begin{align*}
+ f_i =& \mathstrut_0F_1(;c+i;z)\\
+ k_i =& \frac{1}{(c+i)(c+i-1)}
+\end{align*}
+trifft und in die Formel \eqref{0f1:math:rekursion:eq} einsetzt, erhält man:
+\begin{equation*}
+ \cfrac{\mathstrut_0F_1(;c+1;z)}{\mathstrut_0F_1(;c;z)} = \cfrac{1}{1+\cfrac{\cfrac{z}{c(c+1)}}{1+\cfrac{\cfrac{z}{(c+1)(c+2)}}{1+\cfrac{\cfrac{z}{(c+2)(c+3)}}{\cdots}}}}.
+\end{equation*}
+
+\subsubsection{Algorithmus}
+Da mit obigen Formeln nur ein Verhältnis zwischen $ \frac{\mathstrut_0F_1(;c+1;z)}{\mathstrut_0F_1(;c;z)}$ berechnet wurde, braucht es weitere Relationen um $\mathstrut_0F_1(;c;z)$ zu erhalten.
+So ergeben ähnliche Relationen nach Wolfram Alpha \cite{0f1:wolfram-0f1} den Kettenbruch
+\begin{equation}
+ \label{0f1:math:kettenbruch:0f1:eq}
+ \mathstrut_0F_1(;c;z) = 1 + \cfrac{\cfrac{z}{c}}{1+\cfrac{-\cfrac{z}{2(c+1)}}{1+\cfrac{z}{2(c+1)}+\cfrac{-\cfrac{z}{3(c+2)}}{1+\cfrac{z}{5(c+4)} + \cdots}}},
+\end{equation}
+der als Code (Listing \ref{0f1:listing:kettenbruchIterativ}) umgesetzt wurde.
+
+
+\lstinputlisting[style=C,float,caption={Iterativ umgesetzter Kettenbruch.},label={0f1:listing:kettenbruchIterativ}, firstline=8]{papers/0f1/listings/kettenbruchIterativ.c}
+
+\subsection{Rekursionsformel
+\label{0f1:subsection:rekursionsformel}}
+Wesentlich stabiler zur Berechnung eines Kettenbruches ist die Rekursionsformel. Nachfolgend wird die verkürzte Herleitung vom Kettenbruch zur Rekursionsformel aufgezeigt. Eine vollständige Schritt für Schritt Herleitung ist im Seminarbuch Numerik, im Kapitel Kettenbrüche \cite{0f1:kettenbrueche} zu finden.
+
+\subsubsection{Herleitung}
+Ein Näherungsbruch in der Form
+\begin{align*}
+ \cfrac{A_k}{B_k} = a_k + \cfrac{b_{k + 1}}{a_{k + 1} + \cfrac{p}{q}}
+\end{align*}
+lässt sich zu
+\begin{align*}
+ \cfrac{A_k}{B_k} = \cfrac{b_{k+1}}{a_{k+1} + \cfrac{p}{q}} = \frac{b_{k+1} \cdot q}{a_{k+1} \cdot q + p}
+\end{align*}
+umformen.
+Dies lässt sich auch durch die Matrizenschreibweise
+\begin{equation*}
+ \begin{pmatrix}
+ A_k\\
+ B_k
+ \end{pmatrix}
+ = \begin{pmatrix}
+ b_{k+1} \cdot q\\
+ a_{k+1} \cdot q + p
+ \end{pmatrix}
+ =\begin{pmatrix}
+ 0& b_{k+1}\\
+ 1& a_{k+1}
+ \end{pmatrix}
+ \begin{pmatrix}
+ p \\
+ q
+ \end{pmatrix}.
+ %\label{0f1:math:rekursionsformel:herleitung}
+\end{equation*}
+ausdrücken.
+Wendet man dies nun auf den Kettenbruch in der Form
+\begin{equation*}
+ \frac{A_k}{B_k} = a_0 + \cfrac{b_1}{a_1+\cfrac{b_2}{a_2+\cfrac{\cdots}{\cdots+\cfrac{b_{k-1}}{a_{k-1} + \cfrac{b_k}{a_k}}}}}
+\end{equation*}
+an, ergibt sich die Matrixdarstellungen:
+
+\begin{align*}
+ \begin{pmatrix}
+ A_k\\
+ B_k
+ \end{pmatrix}
+ &=
+ \begin{pmatrix}
+ 1& a_0\\
+ 0& 1
+ \end{pmatrix}
+ \begin{pmatrix}
+ 0& b_1\\
+ 1& a_1
+ \end{pmatrix}
+ \cdots
+ \begin{pmatrix}
+ 0& b_{k-1}\\
+ 1& a_{k-1}
+ \end{pmatrix}
+ \begin{pmatrix}
+ b_k\\
+ a_k
+ \end{pmatrix}.
+\end{align*}
+Nach vollständiger Induktion ergibt sich für den Schritt $k$, die Matrix
+\begin{equation}
+ \label{0f1:math:matrix:ende:eq}
+ \begin{pmatrix}
+ A_{k}\\
+ B_{k}
+ \end{pmatrix}
+ =
+ \begin{pmatrix}
+ A_{k-2}& A_{k-1}\\
+ B_{k-2}& B_{k-1}
+ \end{pmatrix}
+ \begin{pmatrix}
+ b_k\\
+ a_k
+ \end{pmatrix}.
+\end{equation}
+Und schlussendlich kann der Näherungsbruch
+\[
+\frac{A_k}{B_k}
+\]
+berechnet werden.
+
+
+\subsubsection{Algorithmus}
+Die Berechnung von $A_k, B_k$ gemäss \eqref{0f1:math:matrix:ende:eq} kann man auch ohne die Matrizenschreibweise \cite{0f1:kettenbrueche} aufschreiben:
+\begin{itemize}
+\item Startbedingungen:
+\begin{align*}
+A_{-1} &= 0 & A_0 &= a_0 \\
+B_{-1} &= 1 & B_0 &= 1
+\end{align*}
+\item Schritt $k\to k+1$:
+\[
+\begin{aligned}
+\label{0f1:math:loesung:eq}
+k &\rightarrow k + 1:
+&
+A_{k+1} &= A_{k-1} \cdot b_k + A_k \cdot a_k \\
+&&
+B_{k+1} &= B_{k-1} \cdot b_k + B_k \cdot a_k
+\end{aligned}
+\]
+\item
+Näherungsbruch: \qquad$\displaystyle\frac{A_k}{B_k}$.
+\end{itemize}
+
+Ein grosser Vorteil dieser Umsetzung als Rekursionsformel \eqref{0f1:listing:kettenbruchRekursion} ist, dass im Vergleich zum Code (Listing \ref{0f1:listing:kettenbruchIterativ}) eine Division gespart werden kann und somit weniger Rundungsfehler entstehen können.
+
+%Code
+\lstinputlisting[style=C,float,caption={Rekursionsformel für Kettenbruch.},label={0f1:listing:kettenbruchRekursion}, firstline=8]{papers/0f1/listings/kettenbruchRekursion.c}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/0f1/teil3.tex b/buch/papers/0f1/teil3.tex index 25472cb..147668a 100644 --- a/buch/papers/0f1/teil3.tex +++ b/buch/papers/0f1/teil3.tex @@ -1,40 +1,59 @@ -% -% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 3 -\label{0f1: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{0f1: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. - - +%
+% teil3.tex -- Resultate und Ausblick
+%
+% (c) 2022 Fabian Dünki, Hochschule Rapperswil
+%
+\section{Auswertung
+\label{0f1:section:teil3}}
+\rhead{Resultate}
+Im Verlauf dieser Arbeit hat sich gezeigt,
+das einen einfachen mathematischen Algorithmus zu implementieren gar nicht so einfach ist.
+So haben alle drei umgesetzten Ansätze Probleme mit grossen negativen $z$ in der Funktion $\mathstrut_0F_1(;c;z)$.
+Ebenso kann festgestellt werden, dass je grösser der Wert $z$ in $\mathstrut_0F_1(;c;z)$ wird, desto mehr weichen die berechneten Resultate von den Erwarteten \cite{0f1:wolfram-0f1} ab.
+
+\subsection{Konvergenz
+\label{0f1:subsection:konvergenz}}
+Es zeigt sich in Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:airy:konvergenz}, dass nach drei Iterationen ($k = 3$) die Funktionen genaue Resultate im Bereich von $-2$ bis $2$ liefert. Ebenso kann festgestellt werden, dass der Kettenbruch schneller konvergiert und im positiven Bereich mit der Referenzfunktion $\operatorname{Ai}(x)$ übereinstimmt. Da die Rekursionsformel eine Abwandlung des Kettenbruches ist, verhalten sich die Funktionen in diesem Fall gleich.
+
+Erst wenn mehrerer Iterationen gerechnet werden, ist wie in Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:konvergenz:positiv} dargestellt, der Kettenbruch den anderen zwei Algorithmen bezüglich Konvergenz überlegen. Bei der Rekursionsformel muss beachtet werden, dass sie zwar erst nach 35 Approximationen gänzlich konvergiert, allerdings nach 27 Iterationen sich nicht mehr gross verändert.
+
+Ist $z$ negativ, wie in Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:konvergenz:negativ}, führt dies aufgrund des Vorzeichens zu alternierenden Termen. So steigt bei allen Algorithmen zuerst die Differenz zum erwarteten Endwert. Erst nach genügend Iterationen sind die Terme so klein, dass sie das Endresultat nicht mehr signifikant beeinflussen. Während die Potenzreihe zusammen mit dem Kettenbruch nach 34 Approximationen konvergiert, braucht die Rekursionsformel noch zwei Iterationen mehr.
+
+
+\subsection{Stabilität
+\label{0f1:subsection:Stabilitaet}}
+Verändert sich der Wert von $z$ in $\mathstrut_0F_1(;c;z)$ gegen grössere positive Werte, wie zum Beispiel $c = 800$ liefert die Kettenbruch-Funktion (Listing \ref{0f1:listing:kettenbruchIterativ}) \verb+inf+ zurück. Dies könnte durch ein Abbruchkriterien abgefangen werden. Allerdings würde das bei grossen Werten zulasten der Genauigkeit gehen. Trotzdem könnte, je nach Anwendung, auf ein paar Nachkommastellen verzichtet werden.
+
+Wohingegen die Potenzreihe (Listing \ref{0f1:listing:potenzreihe}) das Problem hat, dass je mehr Terme berechnet werden, desto schneller wächst die Fakultät im Nenner. Dies führt zu einer Bereichsüberschreitung des \verb+double+ Bereiches \cite{0f1:double}, der spätesten ab $k=167$ eintritt. Schlussendlich gibt das Unterprogramm das Resultat \verb+-nan(ind)+ zurück.
+Die Rekursionformel \eqref{0f1:listing:kettenbruchRekursion} liefert für sehr grosse positive Werte die genausten Ergebnisse, verglichen mit der GNU Scientific Library. Wie schon vermutet ist die Rekursionsformel, im positivem Bereich, der stabilste Algorithmus. Um die Konvergenz zu gewährleisten, muss wie in Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:konvergenz:positiv} dargestellt, die Iterationstiefe $k$ genug gross gewählt werden.
+
+Im negativem Bereich sind alle gewählten und umgesetzten Ansätze instabil. Grund dafür ist die Potenz von $z$, was zum Phänomen der Auslöschung \cite{0f1:SeminarNumerik} führt. Schön zu beobachten ist dies in der Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:airy:stabilitaet} mit der Airy-Funktion als Test. So sind nach Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:airy:stabilitaet} die Potenzreihe, der Kettenbruch, als auch die Rekursionsformel, bis ungefähr $\frac{-15^3}{9}$ stabil. Dies macht auch Sinn, da alle Algorithmen auf der gleichen mathematischen Grundlage basieren. Danach verhält sich allerdings die Instabilität unterschiedlich. Diese programmiertechnischen Unterschiede sind auch in Abbildung \ref{0f1:ausblick:plot:konvergenz:positiv} und \ref{0f1:ausblick:plot:konvergenz:negativ} festzustellen.
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \includegraphics[width=0.8\textwidth]{papers/0f1/images/konvergenzAiry.pdf}
+ \caption{Konvergenz nach drei Iterationen, dargestellt anhand der Airy Funktion zu den Anfangsbedingungen $\operatorname{Ai}(0)=1$ und $\operatorname{Ai}'(0)=0$.
+ \label{0f1:ausblick:plot:airy:konvergenz}}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \includegraphics[width=0.8\textwidth]{papers/0f1/images/konvergenzPositiv.pdf}
+ \caption{Konvergenz mit positivem $z$; Logarithmisch dargestellter absoluter Fehler.
+ \label{0f1:ausblick:plot:konvergenz:positiv}}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \includegraphics[width=0.8\textwidth]{papers/0f1/images/konvergenzNegativ.pdf}
+ \caption{Konvergenz mit negativem $z$; Logarithmisch dargestellter absoluter Fehler.
+ \label{0f1:ausblick:plot:konvergenz:negativ}}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}
+ \centering
+ \includegraphics[width=1\textwidth]{papers/0f1/images/stabilitaet.pdf}
+ \caption{Stabilität der drei Algorithmen verglichen mit der Referenz Funktion $\operatorname{Ai}(x)$.
+ \label{0f1:ausblick:plot:airy:stabilitaet}}
+\end{figure}
+
diff --git a/buch/papers/common/addpapers.tex b/buch/papers/common/addpapers.tex index dd2b07a..eb353d7 100644 --- a/buch/papers/common/addpapers.tex +++ b/buch/papers/common/addpapers.tex @@ -3,7 +3,6 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\input{papers/000template/main.tex} \input{papers/lambertw/main.tex} \input{papers/fm/main.tex} \input{papers/parzyl/main.tex} diff --git a/buch/papers/common/paperlist b/buch/papers/common/paperlist index d4e5c20..f607279 100644 --- a/buch/papers/common/paperlist +++ b/buch/papers/common/paperlist @@ -1,4 +1,3 @@ -000template lambertw fm parzyl 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..f9affe7 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 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..ae7127f --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/einleitung.tex @@ -0,0 +1,73 @@ +\section{Einleitung} + +Filter sind womöglich eines der wichtigsten Elementen in der Signalverarbeitung und finden Anwendungen in der digitalen und analogen Elektrotechnik. +Besonders hilfreich ist die Untergruppe der linearen Filter. +Elektronische Schaltungen mit linearen Bauelementen wie Kondensatoren, Spulen und Widerständen führen immer zu linearen zeitinvarianten Systemen (LTI-System von englich \textit{time-invariant system}). +Durch die Linearität werden beim das Filtern keine neuen Frequenzanteile erzeugt, was es erlaubt, einen Frequenzanteil eines Signals verzerrungsfrei herauszufiltern. %TODO review sentence +Diese Eigenschaft macht es Sinnvoll, lineare Filter im Frequenzbereich zu beschreiben. +Die Übertragungsfunktion eines linearen Filters im Frequenzbereich $H(\Omega)$ ist dabei immer eine rationale Funktion, also ein Quotient von zwei Polynomen. +Dabei ist $\Omega = 2 \pi f$ die Frequenzeinheit. +Die Polynome haben dabei immer reelle oder komplex-konjugierte Nullstellen. + +Ein breit angewendeter Filtertyp ist das Tiefpassfilter, welches beabsichtigt alle Frequenzen eines Signals oberhalb der Grenzfrequenz $\Omega_p$ auszulöschen. +Der Rest soll dabei unverändert passieren. +Aus dem Tiefpassifilter können dann durch Transformationen auch Hochpassfilter, Bandpassfilter und Bandsperren realisiert werden. +Ein solches Filter hat idealerweise die Frequenzantwort +\begin{equation} + H(\Omega) = + \begin{cases} + 1 & \Omega < \Omega_p \\ + 0 & \Omega < \Omega_p + \end{cases}, +\end{equation} +wie dargestellt in Abbildung \ref{ellfilter:fig:lp} +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/filter.tikz.tex} + \caption{Frequenzantwort eines Tiefpassfilters.} + \label{ellfilter:fig:lp} +\end{figure} +Leider ist eine solche Funktion nicht als rationale Funktion darstellbar. +Aus diesem Grund sind realisierbare Approximationen gesucht. +Jede Approximation wird einen kontinuierlichen Übergang zwischen Durchlassbereich und Sperrbereich aufweisen. +Oft wird dabei der Faktor $1/\sqrt{2}$ als Schwelle zwischen den beiden Bereichen gewählt. +Somit lassen sich lineare Tiefpassfilter mit folgender Funktion zusammenfassen: +\begin{equation} + | H(\Omega)|^2 = \frac{1}{1 + \varepsilon_p^2 F_N^2(w)}, \quad w=\frac{\Omega}{\Omega_p}, +\end{equation} +wobei $F_N(w)$ eine rationale Funktion ist, $|F_N(w)| \leq 1 ~\forall~ |w| \leq 1$ erfüllt und für $|w| \geq 1$ möglichst schnell divergiert. +Des weiteren müssen alle Nullstellen und Pole von $F_N$ auf der linken Halbebene liegen, damit das Filter implementierbar und stabil ist. +$w$ ist die normalisierte Frequenz, die es erlaubt ein Filter unabhängig von der Grenzfrequenz zu beschrieben. +Bei $w=1$ hat das Filter eine Dämpfung von $1/(1+\varepsilon^2)$. +$N \in \mathbb{N} $ gibt die Ordnung des Filters vor, also die maximale Anzahl Pole oder Nullstellen. +Je hoher $N$ gewählt wird, desto steiler ist der Übergang in denn Sperrbereich. +Grössere $N$ sind erfordern jedoch aufwendigere Implementierungen und haben mehr Phasenverschiebung. +Eine einfache Funktion, die für $F_N$ eingesetzt werden kann, ist das Polynom $w^N$. +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 und gelbe Bereich definiert die erlaubten Werte für alle $F_N$-Funktionen.} + \label{ellfilter:fig:butterworth} +\end{figure} +Eine Reihe von rationalen Funktionen können für $F_N$ eingesetzt werden, um Tiefpassfilter\-approximationen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erhalten: +\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} \\ + \end{cases} +\end{align} +Mit der Ausnahme vom Butterworth-Filter sind alle Filter nach speziellen Funktionen benannt. +Alle diese Filter sind optimal hinsichtlich einer Eigenschaft. +Das Butterworth-Filter, zum Beispiel, ist maximal flach im Durchlassbereich. +Das Tschebyscheff-1 Filter ist 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. + +Dieses Paper betrachtet die Theorie hinter dem elliptischen Filter, dem wohl exotischsten dieser Auswahl. +Es weist sich aus durch den steilsten Übergangsbereich für eine gegebene Filterdesignspezifikation. +Des weiteren kann es als Verallgemeinerung des Tschebyscheff-Filters angesehen werden. + +% wenn $F_N(w)$ eine rationale Funktion ist, ist auch $H(\Omega)$ eine rationale Funktion und daher ein lineares Filter. %proof? diff --git a/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex new file mode 100644 index 0000000..67bcca0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/elliptic.tex @@ -0,0 +1,100 @@ +\section{Elliptische rationale Funktionen} + +Kommen wir nun zum eigentlichen Teil dieses Papers, den elliptischen rationalen Funktionen \cite{ellfilter:bib:orfanidis} +\begin{align} + R_N(\xi, w) &= \cd \left(N~f_1(\xi)~\cd^{-1}(w, 1/\xi), f_2(\xi)\right) \label{ellfilter:eq:elliptic}\\ + &= \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} +Beim Betrachten dieser Definition, fällt die Ähnlichkeit zur trigonometrische Darstellung der Tsche\-byschef-Polynome \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} auf. +Anstelle vom Kosinus kommt hier die $\cd$-Funktion zum Einsatz. +Die Ordnungszahl $N$ kommt auch als Faktor for. +Zusätzlich werden noch zwei verschiedene elliptische Moduli $k$ und $k_1$ gebraucht. +Bei $k = k_1 = 0$ wird der $\cd$ zum Kosinus und wir erhalten in diesem Spezialfall die Tschebyschef-Polynome. + +Durch das Konzept vom fundamentalen Rechteck, siehe Abbildung \ref{buch:elliptisch:fig:ellall} können für alle inversen Jacobi elliptischen Funktionen die Positionen der Null- und Polstellen anhand eines Diagramms ermittelt 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 $z = \cd^{-1}(w, k)$. + Die Funktion ist in der realen Achse $4K$-periodisch und in der imaginären Achse $2jK^\prime$-periodisch. + } + \label{ellfilter:fig:cd} +\end{figure} +Auffallend an der $w = \cd(z, k)$-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 Idee des elliptischen Filter ist es, diese zwei Equirippel-Zonen abzufahren, wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:cd2}, welche Analog zu Abbildung \ref{ellfilter:fig:arccos2} gesehen werden kann. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex} + \caption{ + $z_1=N\frac{K_1}{K}\cd^{-1}(w, k)$-Ebene der elliptischen rationalen Funktionen. + Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen werden passiert. + Als Vereinfachung ist die Funktion nur für $w>0$ dargestellt. + } + \label{ellfilter:fig:cd2} +\end{figure} +Das elliptische Filter hat im Gegensatz zum Tschebyscheff-Filter drei Zonen. +Im Durchlassbereich werden wie beim Tschebyscheff-Filter die Nullstellen durchlaufen. +Statt dass $z_1$ für alle $w>1$ in die imaginäre Richtung geht, bewegen wir uns im Sperrbereich wieder in reeller Richtung, wo Pole durchlaufen werden. +Aus dieser Sicht kann der Sperrbereich vom Tschebyscheff-Filter als unendlich langer Übergangsbereich angesehen werden. +% Falls es möglich ist diese Werte abzufahren im Stil der Tschebyscheff-Polynome, kann ein Filter gebaut werden, dass Equirippel-Verhalten im Durchlass- und Sperrbereich aufweist. +Da sich die Funktion im Übergangsbereich nur zur nächsten Reihe bewegt, ist der Übergangsbereich monoton steigend. +Theoretisch könnte eine gleiches Durchlass- und Sperrbereichverhalten erreicht werden, wenn die Funktion auf eine andere Reihe ansteigen würde. +Dies würde jedoch zu Oszillationen zwischen $1$ und $1/k$ im Übergangsbereich führen. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:elliptic_freq} zeigt eine elliptisch rationale Funktion und die Frequenzantwort des daraus resultierenden Filters. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/elliptic.pgf} + \caption{$F_N$ und die resultierende Frequenzantwort eines elliptischen Filters.} + \label{ellfilter:fig:elliptic_freq} +\end{figure} + +\subsection{Gradgleichung} + +Damit die Pol- und Nullstellen genau in dieser Konstellation durchfahren werden, müssen die elliptischen Moduli des inneren und äusseren $\cd$ aufeinander abgestimmt werden. +In der reellen Richtung müssen sich die Periodizitäten $K$ und $K_1$ um den Faktor $N$ unterscheiden, während die imagiäre Periodizitäten $K^\prime$ und $K^\prime_1$ gleich bleiben müssen. +Zur Erinnerung, $K$ und $K^\prime$ sind durch elliptische Integrale definiert und vom Modul $k$ abhängig wie ersichtlich in Abbildung \ref{ellfilter:fig:kprime}. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/python/k.pgf} + \caption{Die Periodizitäten in realer und imaginärer Richtung in Abhängigkeit vom elliptischen Modul $k$.} + \label{ellfilter:fig:kprime} +\end{figure} +$K$ und $K^\prime$ sind durch die Ortskurve $K + jK^\prime$ aneinander gebunden und benötigen den Zusatzfaktor $K_1/K$ in \eqref{ellfilter:eq:elliptic}, um die genanten Forderungen einzuhalten. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:degree_eq} zeigt das Problem geometrisch auf, wobei zwei Punkte $K+jK^\prime$ und $K_1+jK_1^\prime$ auf der Ortskurve gesucht sind. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform2.tikz} + \caption{Die Gradgleichung als geometrisches Problem ($N=3$).} + \label{ellfilter:fig:degree_eq} +\end{figure} +Algebraisch kann so die Gradgleichung +\begin{equation} + N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1} +\end{equation} +aufgestellt werden, dessen Lösung ist gegeben durch +\begin{equation} %TODO check +k_1 = k^N \prod_{i=1}^L \sn^4 \Bigg( \frac{2i - 1}{N} K, k \Bigg), +\quad \text{wobei} \quad +N = 2L+r. +\end{equation} +Die Herleitung ist sehr umfassend und wird in \cite{ellfilter:bib:orfanidis} im Detail angeschaut. + +% \begin{figure} +% \centering +% \input{papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform1.tikz} +% \caption{Die Gradgleichung als geometrisches Problem.} +% \end{figure} + +\subsection{Schlussfolgerung} + +Die elliptischen Filter können als direkte Erweiterung der Tschebyscheff-Filter verstanden werden. +Bei den Tschebyscheff-Polynomen haben wir gesehen, dass die Trigonometrische Formel zu einfachen Polynomen umgewandelt werden kann. +Im elliptischen Fall entstehen so rationale Funktionen mit Nullstellen und 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..567bbcc --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/jacobi.tex @@ -0,0 +1,186 @@ +\section{Jacobische elliptische Funktionen} + +Für das elliptische Filter werden, wie es der Name bereits deutet, elliptische Funktionen gebraucht. +Wie die trigonometrischen Funktionen Zusammenhänge eines Kreises darlegen, beschreiben die elliptischen Funktionen Ellipsen. +Es ist daher naheliegend, dass Kosinus des Tschebyscheff-Filters mit einem elliptischen Pendant ausgetauscht werden könnte. +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. + +Die Jacobi elliptischen Funktionen werden ausführlich im Kapitel \ref{buch:elliptisch:section:jacobi} behandelt. +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. +Den \textit{elliptische Modul} $k$, der die Exzentrizität der Ellipse parametrisiert und 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 Kreisbogenlänge 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 + } + } +\end{equation} +mit dem Winkel $\phi$ in Verbindung gebracht werden. + +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 elliptischen 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} %TODO remove unnecessary equations +% \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} + +Beim Tschebyscheff-Filter konnten wir mit Betrachten des Arcuscosinus die Funktionalität erklären. +Für das Elliptische Filter machen wir die gleiche Betrachtung mit der $\sn^{-1}$-Funktion. +Der $\sn^{-1}$ ist durch das elliptische Integral +\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} +beschrieben. +Dazu betrachten wir wieder den Integranden +\begin{equation} + \frac{ + 1 + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + }. +\end{equation} +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 $k \leq 1$. +Ab diesem Punkt knickt die Funktion in die imaginäre Richtung ab. +Bei $t = 1/k$ ist auch der zweite Term negativ und die Funktion verläuft in die negative reelle Richtung. +Abbildung \ref{ellfilter:fig:sn} zeigt den Verlauf der Funktion in der komplexen Ebene. +\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:sn} +\end{figure} +In der reellen Richtung ist sie $4K(k)$-periodisch und in der imaginären Richtung $4K^\prime(k)$-periodisch, wobei $K^\prime$ das komplementäre vollständige Elliptische Integral ist: +\begin{equation} + K^\prime(k) + = + \int_{0}^{\pi / 2} + \frac{ + d\theta + }{ + \sqrt{ + 1-{k^\prime}^2 \sin^2 \theta + } + }, + \quad + k^\prime = \sqrt{1-k^2}. +\end{equation} 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..96bdfd3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/presentation/presentation.tex @@ -0,0 +1,571 @@ +\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} + +\usepackage{bm} % bold math +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{mathtools} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{multirow} % multi row in tables +\usepackage{booktabs} %toprule midrule bottomrue in tables +\usepackage{scrextend} +\usepackage{textgreek} +\usepackage[rgb]{xcolor} + +\usepackage{ marvosym } % \Lightning + +\usepackage{multimedia} % embedded videos + +\usepackage{tikz} +\usepackage{pgf} +\usepackage{pgfplots} + +\usepackage{algorithmic} + +%citations +\usepackage[style=verbose,backend=biber]{biblatex} +\addbibresource{references.bib} + + +%math font +\usefonttheme[onlymath]{serif} + +%Beamer Template modifications +%\definecolor{mainColor}{HTML}{0065A3} % HSR blue +\definecolor{mainColor}{HTML}{D72864} % OST pink +\definecolor{invColor}{HTML}{28d79b} % OST pink +\definecolor{dgreen}{HTML}{38ad36} % Dark green + +%\definecolor{mainColor}{HTML}{000000} % HSR blue +\setbeamercolor{palette primary}{bg=white,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette secondary}{bg=orange,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette tertiary}{bg=yellow,fg=red} +\setbeamercolor{palette quaternary}{bg=mainColor,fg=white} %bg = Top bar, fg = active top bar topic +\setbeamercolor{structure}{fg=black} % itemize, enumerate, etc (bullet points) +\setbeamercolor{section in toc}{fg=black} % TOC sections +\setbeamertemplate{section in toc}[sections numbered] +\setbeamertemplate{subsection in toc}{% + \hspace{1.2em}{$\bullet$}~\inserttocsubsection\par} + +\setbeamertemplate{itemize items}[circle] +\setbeamertemplate{description item}[circle] +\setbeamertemplate{title page}[default][colsep=-4bp,rounded=true] +\beamertemplatenavigationsymbolsempty + +\setbeamercolor{footline}{fg=gray} +\setbeamertemplate{footline}{% + \hfill\usebeamertemplate***{navigation symbols} + \hspace{0.5cm} + \insertframenumber{}\hspace{0.2cm}\vspace{0.2cm} +} + +\usepackage{caption} +\captionsetup{labelformat=empty} + +%Title Page +\title{Elliptische Filter} +\subtitle{Eine Anwendung der Jacobi elliptischen Funktionen} +\author{Nicolas Tobler} +\institute{Mathematisches Seminar 2022 | Spezielle Funktionen} +% \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{Inhalt} + \tableofcontents + \end{frame} + + \section{Lineare Filter} + + \begin{frame} + \frametitle{Lineare Filter} + + \begin{center} + \scalebox{0.75}{ + \input{../tikz/filter.tikz.tex} + } + \end{center} + + + \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{align*} + |F_N(w)| &< 1 \quad \forall \quad |w| < 1 \\ + |F_N(w)| &= 1 \quad \forall \quad |w| = 1 \\ + |F_N(w)| &> 1 \quad \forall \quad |w| > 1 + \end{align*} + + + \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*} + T_N(w) &= \cos \left( N \cos^{-1}(w) \right) \\ + &= \cos \left(N~z \right), \quad w= \cos(z) + \end{align*} + + \pause + + \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*} + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + \begin{columns} + + \begin{column}{0.2\textwidth} + + \begin{equation*} + z = \cos^{-1}(w) + \end{equation*} + + \vspace{0.5cm} + + Integrand: + \begin{equation*} + \frac{ + -1 + }{ + \sqrt{ + 1-z^2 + } + } + \end{equation*} + + \end{column} + \begin{column}{0.8\textwidth} + + + \begin{center} + \scalebox{0.7}{ + \input{../tikz/arccos.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{column} + \end{columns} + + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Tschebyscheff-Filter} + + \begin{equation*} + T_N(w) = \cos \left(z_1 \right), \quad z_1 = N~\cos^{-1}(w) + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.85}{ + \input{../tikz/arccos2.tikz.tex} + } + \end{center} + + \end{frame} + + + \section{Jacobi elliptische Funktionen} + + \begin{frame} + \frametitle{Jacobi elliptische Funktionen} + + Elliptisches Integral erster Art + + \begin{equation*} + 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{Jacobi elliptische Funktionen} + + \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*} + + + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Jacobi elliptische Funktionen} + \begin{columns} + \begin{column}{0.2\textwidth} + + \begin{equation*} + z = \sn^{-1}(w, k) + \end{equation*} + + \vspace{0.5cm} + + Integrand: + \begin{equation*} + \frac{ + 1 + }{ + \sqrt{ + (1-t^2)(1-k^2 t^2) + } + } + \end{equation*} + + \end{column} + \begin{column}{0.8\textwidth} + \begin{center} + \scalebox{0.75}{ + \input{../tikz/sn.tikz.tex} + } + \end{center} + \end{column} + \end{columns} + + + \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{Jacobi 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} + + \section{Elliptisches Filter} + + \begin{frame} + \frametitle{Elliptisches Filter} + + % \begin{equation*} + % z_1 = N~\frac{K_1}{K}~\cd^{-1}(w, k) + % \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.75}{ + \input{../tikz/cd3.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{Gradgleichung} + + \begin{center} + \scalebox{0.95}{ + \input{../tikz/elliptic_transform2.tikz} + } + \end{center} + + \onslide<5->{ + \begin{equation*} + N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1} + \end{equation*} + } + + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Elliptisches Filter} + + \begin{equation*} + R_N = \cd(z_1, k_1), + \quad + z_1 = N~\frac{K_1}{K}~\cd^{-1}(w, k), + \quad + N \frac{K^\prime}{K} = \frac{K^\prime_1}{K_1} + \end{equation*} + + \begin{center} + \scalebox{0.75}{ + \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} + + \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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+\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}% +\pgftext[x=1.146442in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.25}\)}% +\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{1.662555in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.662555in}{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{1.662555in}{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=1.662555in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.50}\)}% +\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{2.178667in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.178667in}{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{2.178667in}{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=2.178667in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.75}\)}% +\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{2.694779in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.694779in}{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{2.694779in}{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=2.694779in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {1.00}\)}% +\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{3.210892in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.210892in}{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{3.210892in}{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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+\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{2.803974in}{0.618213in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.629782in}{0.618213in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{3.657560in}{0.618213in}}{\pgfqpoint{3.657560in}{0.645991in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.657560in}{1.406793in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{3.657560in}{1.434571in}}{\pgfqpoint{3.629782in}{1.434571in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.803974in}{1.434571in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{2.776196in}{1.434571in}}{\pgfqpoint{2.776196in}{1.406793in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.776196in}{0.645991in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{2.776196in}{0.618213in}}{\pgfqpoint{2.803974in}{0.618213in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.803974in}{0.618213in}}% +\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{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}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.012292in}{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{1.012292in}{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=1.012292in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {\ensuremath{-}1.0}\)}% +\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{1.998134in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.998134in}{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{1.998134in}{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=1.998134in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {\ensuremath{-}0.5}\)}% +\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{2.983977in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.983977in}{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{2.983977in}{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=2.983977in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.0}\)}% +\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{3.969820in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.969820in}{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{3.969820in}{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=3.969820in,y=0.451547in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle {0.5}\)}% +\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}% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.731653in}{1.666324in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.749021in}{1.583371in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.770731in}{1.464716in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.835862in}{1.093743in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.848888in}{1.039690in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.857572in}{1.012559in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.866256in}{0.994439in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.870598in}{0.989314in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.874940in}{0.987128in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.879282in}{0.988132in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.883624in}{0.992590in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.887966in}{1.000774in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.896650in}{1.029477in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.905335in}{1.076675in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.914019in}{1.145012in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.922703in}{1.237348in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.931387in}{1.356777in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.944413in}{1.594091in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.957439in}{1.912304in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.970193in}{2.315844in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.970193in}{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{0.617954in}{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{5.350000in}{0.548769in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.350000in}{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{5.350000in}{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{5.350000in}{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{0.715177in}{1.609825in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.610430in}{1.609825in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{1.638207in}{1.609825in}}{\pgfqpoint{1.638207in}{1.637603in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.638207in}{2.204733in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{1.638207in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{1.610430in}{2.232510in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.715177in}{2.232510in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.687399in}{2.232510in}}{\pgfqpoint{0.687399in}{2.204733in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.687399in}{1.637603in}}% +\pgfpathquadraticcurveto{\pgfqpoint{0.687399in}{1.609825in}}{\pgfqpoint{0.715177in}{1.609825in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.715177in}{1.609825in}}% +\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{0.742954in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.881843in}{2.128344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.020732in}{2.128344in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.131843in,y=2.079733in,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}{1.000000,0.498039,0.054902}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.742954in}{1.934671in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.881843in}{1.934671in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.020732in}{1.934671in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.131843in,y=1.886060in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=6\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.172549,0.627451,0.172549}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.742954in}{1.740998in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.881843in}{1.740998in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{1.020732in}{1.740998in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=1.131843in,y=1.692387in,left,base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont \(\displaystyle N=11\)}% +\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..32485c1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic.pgf @@ -0,0 +1,1524 @@ +%% 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}{3.000000in}}% +\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}{3.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{3.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% 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+\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.733531in}{0.370218in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.727004in}{0.370218in}}% +\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{0.733531in}{1.473611in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.727004in}{1.473611in}}% +\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..6e0fd12 --- /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=1) +axs[0].text(k[30], K[30]+0.1, f"$K$") +axs[0].plot(k, K_prime, linewidth=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..20a7428 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/elliptic2.py @@ -0,0 +1,152 @@ +# %% + +import enum +import matplotlib.pyplot as plt +import scipy.signal +import numpy as np +import matplotlib +from matplotlib.patches import Rectangle + +import plot_params + +N=5 + +def ellip_filter(N, mode=-1): + + 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 + ) + + if mode == 0: + w = np.linspace(0*omega_c,omega_c, 2000) + elif mode == 1: + w = np.linspace(omega_c,1.00992*omega_c, 2000) + elif mode == 2: + w = np.linspace(1.00992*omega_c,2*omega_c, 2000) + else: + w = np.linspace(0*omega_c,2*omega_c, 4000) + + w, mag_db, phase = scipy.signal.bode((a, b), w=w) + + 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 + + +f, axs = plt.subplots(2, 1, figsize=(5,3), sharex=True) + +for mode, c in enumerate(["green", "orange", "red"]): + w, FN2, mag, a, b = ellip_filter(N, mode=mode) + axs[0].semilogy(w, FN2, label=f"$N={N}, k=0.1$", linewidth=1, color=c) + +axs[0].add_patch(Rectangle( + (0, 0), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +axs[0].add_patch(Rectangle( + (1, 1), + 0.00992, 1e2-1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +axs[0].add_patch(Rectangle( + (1.00992, 100), + 1, 1e6, + fc ='red', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +zeros = [0,0.87,0.995] +poles = [1.01,1.155] + +import matplotlib.transforms +axs[0].plot( # mark errors as vertical bars + zeros, + np.zeros_like(zeros), + "o", + mfc='none', + color='black', + transform=matplotlib.transforms.blended_transform_factory( + axs[0].transData, + axs[0].transAxes, + ), +) +axs[0].plot( # mark errors as vertical bars + poles, + np.ones_like(poles), + "x", + mfc='none', + color='black', + transform=matplotlib.transforms.blended_transform_factory( + axs[0].transData, + axs[0].transAxes, + ), +) + +for mode, c in enumerate(["green", "orange", "red"]): + w, FN2, mag, a, b = ellip_filter(N, mode=mode) + axs[1].plot(w, mag, linewidth=1, color=c) + +axs[1].add_patch(Rectangle( + (0, np.sqrt(2)/2), + 1, 1, + fc ='green', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) +axs[1].add_patch(Rectangle( + (1, 0.1), + 0.00992, np.sqrt(2)/2 - 0.1, + fc ='orange', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +axs[1].add_patch(Rectangle( + (1.00992, 0), + 1, 0.1, + fc ='red', + alpha=0.2, + lw = 10, +)) + +axs[0].set_xlim([0,2]) +axs[0].set_ylim([1e-4,1e6]) +axs[0].grid() +axs[0].set_ylabel("$F^2_N(w)$") +axs[1].grid() +axs[1].set_ylim([0,1]) +axs[1].set_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..bbb823a --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/python/k.pgf @@ -0,0 +1,1071 @@ +%% 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}% 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{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..b11c25d --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos.tikz.tex @@ -0,0 +1,80 @@ +\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] + + \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) {$\infty$}; + + \clip(-7.5,-2) rectangle (7.5,2); + + % \pause + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (1, 0) -- (0,0); + % \pause + \draw[ultra thick, ->, orange] (0, 0) -- (0,1.5); + % \pause + \draw[ultra thick, ->, cyan] (2, 0) -- (1,0); + \draw[ultra thick, ->, blue] (2,1.5) -- (2, 0); + + % \pause + + \foreach \i in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm] + \begin{scope}[] + \draw[->, darkgreen] (-1, 0) -- (0,0); + \draw[->, orange] (0, 0) -- (0,1.5); + \draw[->, orange] (0, 0) -- (0,-1.5); + \draw[->, darkgreen] (1, 0) -- (0,0); + \draw[->, cyan] (2, 0) -- (1,0); + \draw[->, blue] (2,1.5) -- (2, 0); + \draw[->, blue] (2,-1.5) -- (2, 0); + \draw[->, cyan] (2, 0) -- (3,0); + \end{scope} + \node[zero] at (1,0) {}; + \node[zero] at (3,0) {}; + \end{scope} + } + + \end{scope} + + \node[zero] at (4,2) (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Nullstelle}; + + \begin{scope}[yshift=-3.25cm] + + \draw[->, thick](0,0) -- node[anchor=center, fill=white]{$z = \cos^{-1}(w)$} (0,1); + + \end{scope} + \begin{scope}[yshift=-4cm] + + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[ultra thick, ->, blue] (-4, 0) -- (-2, 0); + \draw[ultra thick, ->, cyan] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (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..2cec75f --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/arccos2.tikz.tex @@ -0,0 +1,76 @@ +\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}} + \tikzstyle{dot} = [fill, circle, inner sep =0, minimum height=0.1cm] + + + \begin{scope}[xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (0,-1) -- (0,2) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z_1$}; + \draw[gray, ->] (-2,0) -- (9,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z_1$}; + + \begin{scope} + + \draw[->, ultra thick, blue] (8, 1.5) -- node[align=center]{Sperrbereich} (8,0); + \draw[->, ultra thick, cyan] (8, 0) -- node[yshift=-0.5cm]{Durchlassbereich}(4,0); + \draw[->, ultra thick, darkgreen] (4, 0) -- node[yshift=-0.5cm]{Durchlassbereich} (0,0); + \draw[->, ultra thick, orange] (0, 0) -- node[align=center]{Sperrbereich} (0,1.5); + + \node[anchor=north east] at (8, 1.5) {$-\infty$}; + \draw (8, 0) node[dot]{} node[anchor=south east] {$1$}; + \draw (6, 0) node[dot]{} node[anchor=south] {$-1$}; + \draw (4, 0) node[dot]{} node[anchor=south] {$1$}; + \draw (2, 0) node[dot]{} node[anchor=south] {$-1$}; + \draw (0, 0) node[dot]{} node[anchor=south west] {$1$}; + \node[anchor=north west] at (0, 1.5){$\infty$}; + + \node at(4,1) {$N = 4$}; + + % \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} + + \node[zero] at (6.5,2) (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Nullstelle}; + + \begin{scope}[xshift=2.75cm, yshift=-2cm] + + \draw[gray, ->] (-5,0) -- (5,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[ultra thick, ->, blue] (-4, 0) -- (-2, 0); + \draw[ultra thick, ->, cyan] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (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/cd.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..0cf2417 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd.tikz.tex @@ -0,0 +1,95 @@ +\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=0.9, yscale=1.8] + + \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); + + \foreach \i in {-2,...,1} { + \foreach \j in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm, yshift=\j*1cm] + \draw[->, orange!50] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[->, darkgreen!50] (1, 0) -- (0,0); + \draw[->, cyan!50] (2, 0) -- (1,0); + \draw[->, blue!50] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[->, purple!50] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[->, red!50] (0, 0.5) -- (1,0.5); + \draw[->, orange!50] (0,1) -- (0,0.5); + \draw[->, blue!50] (2,0.5) -- (2, 1); + \draw[->, purple!50] (3, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[->, red!50] (4, 0.5) -- (3,0.5); + \draw[->, cyan!50] (2, 0) -- (3,0); + \draw[->, darkgreen!50] (3, 0) -- (4,0); + \end{scope} + } + } + + \draw[ultra thick, ->, orange] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (1, 0) -- (0,0); + \draw[ultra thick, ->, cyan] (2, 0) -- (1,0); + \draw[ultra thick, ->, blue] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, purple] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[ultra thick, ->, red] (0, 0.5) -- (1,0.5); + + \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} + } + } + + \end{scope} + + \end{scope} + + \end{scope} + + \node[zero] at (4,3) (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Nullstelle}; + \node[pole, below=0.25cm of n] (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Polstelle}; + + \begin{scope}[yshift=-4cm, xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (-6,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[ultra thick, ->, purple] (-5, 0) -- (-3, 0); + \draw[ultra thick, ->, blue] (-3, 0) -- (-2, 0); + \draw[ultra thick, ->, cyan] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (2, 0) -- (3, 0); + \draw[ultra thick, ->, red] (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..d4187c4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd2.tikz.tex @@ -0,0 +1,94 @@ +\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=3.5] + + \draw[gray, ->] (0,-0.55) -- (0,1.05) 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, 0.1); + \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]{$NK_1$} + (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){}; + + + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (5, 0) -- node[yshift=-0.5cm]{Durchlassbereich} (0,0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (-0, 0) -- node[align=center]{Übergangs-\\berech} (0,0.5); + \draw[ultra thick, ->, red] (0,0.5) -- node[align=center, yshift=0.7cm]{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 $1/k$}; + + \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} + } + } + + \end{scope} + + \end{scope} + + \begin{scope}[xshift=1cm , yshift=-3cm, xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (-1,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (2, 0) -- (3, 0); + \draw[ultra thick, ->, red] (3, 0) -- (5, 0); + + \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/cd3.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd3.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..ae18519 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/cd3.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] + \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,-0.55) -- (0,1.05) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}$}; + \draw[gray, ->] (-1.5,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}$}; + + % \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); + + + % \draw[decorate,decoration={brace,amplitude=3pt,mirror}, yshift=0.05cm] + % (5,0.5) node(t_k_unten){} -- node[above, yshift=0.1cm]{$NK_1$} + % (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} + } + } + + + + \onslide<2->{ + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (5, 0) -- node[yshift=-0.4cm]{Durchlassbereich} (0,0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (-0, 0) -- node[align=center]{Übergangs-\\berech} (0,0.5); + \draw[ultra thick, ->, red] (0,0.5) -- node[align=center, yshift=0.4cm]{Sperrbereich} (5, 0.5); + \node[] at (2.5, 0.25) {\small $N=5$}; + } + \onslide<1->{ + \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/elliptic_transform1.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform1.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..2a36ee0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform1.tikz.tex @@ -0,0 +1,76 @@ +\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, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=1, yscale=1.5] + + \begin{scope}[] + + \fill[orange!25] (0,0) rectangle (1.5, 0.75); + \fill[yellow!50] (0,0) rectangle (0.5, 0.25); + + \draw[gray, ->] (0,-0.75) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-1.75,0) -- (1.75,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + \draw[gray] ( 0.5,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K$}; + \draw[gray] (0, 0.25) +(0.05, 0) -- +(-0.05, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + % \draw[gray] ( 1.5,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K_1$}; + % \draw[gray] (0, 0.75) +(0.05, 0) -- +(-0.05, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK_1^\prime$}; + + \clip(-1.6,-0.6) rectangle (1.6,1.6); + \begin{scope}[xscale=0.5, yscale=0.25, blue] + \foreach \i in {-1,...,1} { + \foreach \j in {-1,...,2} { + \begin{scope}[xshift=\i*2cm, yshift=\j*2cm] + \node[zero] at ( 1, 0) {}; + \node[zero] at ( -1, 0) {}; + \node[pole] at ( 1,1) {}; + \node[pole] at ( -1,1) {}; + \end{scope} + } + } + \end{scope} + + \node at (0,2) {$\cd \left(N~K_1~z , k_1 \right)$}; + \node at (0,2) {$w= \cd(z K, k)$}; + + \draw[scale=0.2, domain=0.02:5, variable=\x, red] plot ({\x1+3}, {1/\x+2}); + + \end{scope} + + \begin{scope}[xshift=5cm] + + \fill[orange!50] (0,0) rectangle (1.5, 0.75); + \fill[yellow!25] (0,0) rectangle (0.5, 0.25); + + \draw[gray, ->] (0,-0.75) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}~z$}; + \draw[gray, ->] (-1.75,0) -- (1.75,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}~z$}; + + % \draw[gray] ( 0.5,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K$}; + % \draw[gray] (0, 0.25) +(0.05, 0) -- +(-0.05, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + \draw[gray] ( 0.5,0) +(0,0.05) -- +(0, -0.05) node[inner sep=0, anchor=north] {\small $K_1$}; + \draw[gray] (0, 0.75) +(0.05, 0) -- +(-0.05, 0) node[inner sep=0, anchor=east]{\small $jK_1^\prime$}; + + \clip(-1.6,-0.6) rectangle (1.6,1.6); + \begin{scope}[xscale=0.5, yscale=0.75, red] + \foreach \i in {-1,...,1} { + \foreach \j in {-1,...,0} { + \begin{scope}[xshift=\i*2cm, yshift=\j*2cm] + \node[zero] at ( 1, 0) {}; + \node[zero] at ( -1, 0) {}; + \node[pole] at ( 1,1) {}; + \node[pole] at ( -1,1) {}; + \end{scope} + } + } + \end{scope} + + \end{scope} + +\end{scope} + +\end{tikzpicture} diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform2.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform2.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..20c2d82 --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/elliptic_transform2.tikz.tex @@ -0,0 +1,75 @@ + +\def\d{0.2} +\def\n{3} +\def\nn{2} +\def\a{2.5} + +\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, minimum size=(0.15cm-\pgflinewidth), inner sep=0pt, outer sep=0pt}} + + \begin{scope}[xscale=3, yscale=3] + + \begin{scope}[] + % \onslide<4->{ + \fill[orange!30, scale=1.735] (0,0) rectangle (\d*\a+0.5, \d/\a+0.5); + % } + % \onslide<2->{ + \fill[yellow!30] (0,0) rectangle (\d*\a+0.5, \d/\a+0.5); + % } + + \begin{scope}[] + \clip(0,0) rectangle (2,1.25); + \draw[thick, scale=1, domain=0.1:10, variable=\x, smooth, samples=200] plot ({\d*\x1+0.5}, {\d/\x+0.5}); + \node at(1.25,0.7) {$K + jK^\prime$ Ortskurve}; + \end{scope} + + % \onslide<2->{ + \begin{scope}[blue] + \draw[] (0,0) rectangle (\d*\a+0.5, \d/\a+0.5); + + + \node[pole] at ( \d*\a+0.5, \d/\a+0.5) {}; + \node[zero] at ( \d*\a+0.5, 0) {}; + + \draw[] ( \d*\a+0.5,0) node[anchor=north] {\small $K$}; + \draw[] (0, \d/\a+0.5) node[anchor=east]{\small $jK^\prime$}; + + % \onslide<3->{ + + \foreach \i in {1,...,\nn} { + \draw[gray, dotted] (\i*\d*\a/\n+\i*0.5/\n, 0) -- (\i*\d*\a/\n+\i*0.5/\n, \d/\a+0.5); + } + + \node[dot, gray] at (\d*\a/\n+0.5/\n, \d/\a+0.5) {}; + \node[above] at (0.5*\d*\a/\n+0.5*0.5/\n, \d/\a+0.5) {\small $K/N$}; + % } + \end{scope} + % } + + % \onslide<4->{ + \begin{scope}[scale=1.735, red] + \draw (0,0) rectangle (\d*\a/\n+0.5/\n, \d/\a+0.5); + \draw[gray] (0,0) -- (\d*\a/\n+0.5/\n, \d/\a+0.5); + + \node[pole] at ( \d*\a/\n+0.5/\n, \d/\a+0.5) {}; + \node[zero] at ( \d*\a/\n+0.5/\n, 0) {}; + + + \draw[] ( \d*\a/\n+0.5/\n,0) node[anchor=north] {\small $K_1$}; + \draw[] (0, \d/\a+0.5) node[anchor=east]{\small $jK_1^\prime$}; + + \end{scope} + % } + + \draw[gray, ->] (0,-0.25) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$\mathrm{Im}$}; + \draw[gray, ->] (-0.25,0) -- (2,0) node[anchor=west]{$\mathrm{Re}$}; + + \end{scope} + +\end{scope} + +\end{tikzpicture} diff --git a/buch/papers/ellfilter/tikz/filter.tikz.tex b/buch/papers/ellfilter/tikz/filter.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..769602a --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/filter.tikz.tex @@ -0,0 +1,32 @@ +\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=3, yscale=2.5] + + \fill[darkgreen!15] (0,0) rectangle (1,1); + \node[darkgreen] at (0.5,0.5) {Durchlassbereich}; + \fill[orange!15] (1,0) rectangle (2.5,1); + \node[orange] at (1.75,0.5) {Sperrbereich}; + + \draw[gray, ->] (0,0) -- (0,1.25) node[anchor=south]{$|H(\Omega)|$}; + \draw[gray, ->] (0,0) -- (2.75,0) node[anchor=west]{$\Omega$}; + + \draw[dashed] (0,0.707) node[left] {$\sqrt{\frac{1}{1+\varepsilon^2}}$} -| (1,0) node[below] {$\Omega_p$}; + \draw[dashed] (0,0.707) node[left] {$\sqrt{\frac{1}{1+\varepsilon^2}}$} -| (1,0) node[below] {$\Omega_p$}; + + \node[left] at(0,1) {$1$}; + + \draw[red, thick] (0,1) -- (1,1) -- (1,0) -- (2.5,0); + + \node[anchor=north, red] at (0.5,1) {Ideal}; + + \draw[thick, domain=0:2.5, variable=\x, smooth, samples=200] plot + ({\x}, {sqrt(abs(1/ (1 + \x^10)))}); + \node[anchor=south] at (0.5,1) {Butterworth ($N=5$)}; + + \end{scope} + +\end{tikzpicture} 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..0546fda --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tikz/sn.tikz.tex @@ -0,0 +1,99 @@ +\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=0.9, yscale=1.8] + + \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] + + \foreach \i in {-2,...,2} { + \foreach \j in {-2,...,1} { + \begin{scope}[xshift=\i*4cm, yshift=\j*1cm] + \draw[<-, blue!50] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[<-, cyan!50] (1, 0) -- (0,0); + \draw[<-, darkgreen!50] (2, 0) -- (1,0); + \draw[<-, orange!50] (2,0.5) -- (2, 0); + \draw[<-, red!50] (1, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[<-, purple!50] (0, 0.5) -- (1,0.5); + \draw[<-, blue!50] (0,1) -- (0,0.5); + \draw[<-, orange!50] (2,0.5) -- (2, 1); + \draw[<-, red!50] (3, 0.5) -- (2,0.5); + \draw[<-, purple!50] (4, 0.5) -- (3,0.5); + \draw[<-, darkgreen!50] (2, 0) -- (3,0); + \draw[<-, cyan!50] (3, 0) -- (4,0); + \end{scope} + } + } + + % \pause + \draw[ultra thick, <-, darkgreen] (2, 0) -- (1,0); + % \pause + \draw[ultra thick, <-, orange] (2,0.5) -- (2, 0); + % \pause + \draw[ultra thick, <-, red] (1, 0.5) -- (2,0.5); + % \pause + \draw[ultra thick, <-, blue] (0, 0) -- (0,0.5); + \draw[ultra thick, <-, purple] (0, 0.5) -- (1,0.5); + \draw[ultra thick, <-, cyan] (1, 0) -- (0,0); + % \pause + + + \foreach \i in {-2,...,2} { + \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} + } + } + + \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} + + \node[zero] at (4,3) (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Nullstelle}; + \node[pole, below=0.25cm of n] (n) {}; + \node[anchor=west] at (n.east) {Polstelle}; + + \begin{scope}[yshift=-4cm, xscale=0.75] + + \draw[gray, ->] (-6,0) -- (6,0) node[anchor=west]{$w$}; + + \draw[ultra thick, ->, purple] (-5, 0) -- (-3, 0); + \draw[ultra thick, ->, blue] (-3, 0) -- (-2, 0); + \draw[ultra thick, ->, cyan] (-2, 0) -- (0, 0); + \draw[ultra thick, ->, darkgreen] (0, 0) -- (2, 0); + \draw[ultra thick, ->, orange] (2, 0) -- (3, 0); + \draw[ultra thick, ->, red] (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..639c87c --- /dev/null +++ b/buch/papers/ellfilter/tschebyscheff.tex @@ -0,0 +1,109 @@ +\section{Tschebyscheff-Filter} + +Als Einstieg betrachten wir das Tschebyscheff-Filter, welches sehr verwandt ist mit dem elliptischen Filter. +Genauer ausgedrückt erhält man die Tschebyscheff-1 und -2 Filter bei Grenzwerten von Parametern beim elliptischen Filter. +Der Name des Filters deutet schon an, dass die Tschebyscheff-Polynome $T_N$ (siehe auch Kapitel \label{buch:polynome:section:tschebyscheff}) 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} +übereinstimmen. +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 Forderungen 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 helfen die elliptischen Filter besser zu verstehen. + +Starten wir mit der Funktion, die in \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} als erstes auf $w$ angewendet wird, dem Arcuscosinus. +Die invertierte Funktion des Kosinus kann als bestimmtes 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 von $\cos^{-1}(x)$ +\begin{equation} + \frac{ + -1 + }{ + \sqrt{ + 1-z^2 + } + } +\end{equation} +bestimmt dabei die Richtung, in welche 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 Arcuscosinus 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. +Das Einzeichnen von Pol- und Nullstellen ist hilfreich für die Betrachtung der Funktion. + + +In \eqref{ellfilter:eq:chebychef_polynomials} wird $z$ mit dem Ordnungsfaktor $N$ multipliziert und durch die Kosinusfunktion zurück transformiert. +Die Skalierung hat zur folge, dass bei der Rücktransformation durch den Kosinus mehrere Nullstellen durchlaufen werden. +Somit passiert $\cos( N~\cos^{-1}(w))$ im Intervall $[-1, 1]$ $N$ Nullstellen, 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 $w\in(-\infty, \infty)$ für $N = 4$. + Je grösser die Ordnung $N$ gewählt wird, desto mehr Nullstellen werden passiert die zu Equirippel-Verhalten führen. + Die vertikalen Segmente der Funktion sorgen für das Ansteigen der Funktion gegen $\infty$ nach der Grenzfrequenz. + Die eingezeichneten Nullstellen sind vom zurücktransformierenden Kosinus. + } + \label{ellfilter:fig:arccos2} +\end{figure} +Durch die spezielle Anordnung der Nullstellen hat die Funktion auf der reellen Achse Equirippel-Verhalten und ist dennoch ein Polynom, was sich perfekt für linear Filter eignet. +Equirippel bedeutet, dass alle lokalen Maxima der Betragsfunktion gleich gross sind. diff --git a/buch/papers/fm/.gitignore b/buch/papers/fm/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..eae2913 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/.gitignore @@ -0,0 +1 @@ +standalone
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/.vscode/settings.json b/buch/papers/fm/.vscode/settings.json new file mode 100644 index 0000000..5125289 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/.vscode/settings.json @@ -0,0 +1,3 @@ +{ + "notebook.cellFocusIndicator": "border" +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/00_modulation.tex b/buch/papers/fm/00_modulation.tex new file mode 100644 index 0000000..982d63c --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/00_modulation.tex @@ -0,0 +1,45 @@ +% +% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% + +Durch die Modulation wird ein Nachrichtensignal \(m(t)\) auf ein Trägersignal (z.B. ein Sinus- oder Rechtecksignal) abgebildet (kombiniert). +Durch dieses Auftragen vom Nachrichtensignal \(m(t)\) kann das modulierte Signal in einem gewünschten Frequenzbereich übertragen werden. +Der ursprünglich Frequenzbereich des Nachrichtensignal \(m(t)\) erstreckt sich typischerweise von 0 Hz bis zur Bandbreite \(B_m\). +Beim Empfänger wird dann durch Demodulation das ursprüngliche Nachrichtensignal \(m(t)\) so originalgetreu wie möglich zurückgewonnen. +Beim Trägersignal \(x_c(t)\) handelt es sich um ein informationsloses Hilfssignal. +Durch die Modulation mit dem Nachrichtensignal \(m(t)\) wird es zum modulierten zu übertragenden Signal. +Für alle Erklärungen wird ein sinusförmiges Trägersignal benutzt, jedoch kann auch ein Rechtecksignal, +welches Digital einfach umzusetzten ist, +genauso als Trägersignal genutzt werden kann.\cite{fm:NAT} + +\subsection{Modulationsarten\label{fm:section:modulation}} + +Das sinusförmige Trägersignal hat die übliche Form: +\(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_c(t)+\varphi)\). +Wobei die konstanten Amplitude \(A_c\) und Phase \(\varphi\) vom Nachrichtensignal \(m(t)\) verändert werden können. +Der Parameter \(\omega_c\), die Trägerkreisfrequenz bzw. die Trägerfrequenz \(f_c = \frac{\omega_c}{2\pi}\), +steht nicht für die modulation zur verfügung, statt dessen kann durch ihn die Frequenzachse frei gewählt werden. +\newblockpunct +Jedoch ist das für die Vielfalt der Modulationsarten keine Einschrenkung. +Ein Nachrichtensignal kann auch über die Momentanfrequenz (instantenous frequency) \(\omega_i\) eines trägers verändert werden. +Mathematisch wird dann daraus +\[ + \omega_i = \omega_c + \frac{d \varphi(t)}{dt} +\] +mit der Ableitung der Phase\cite{fm:NAT}. +Mit diesen drei Parameter ergeben sich auch drei Modulationsarten, die Amplitudenmodulation, welche \(A_c\) benutzt, +die Phasenmodulation \(\varphi\) und dann noch die Momentankreisfrequenz \(\omega_i\): +\begin{itemize} + \item AM + \item PM + \item FM +\end{itemize} +Um modulation zu Verstehen ist es am Anschaulichst mit der AM Amplitudenmodulation, +da Phasenmodulation und Frequenzmodulation den gleichen Parameter verändert vernachlässige ich die Phasenmodulation ganz. + +To do: Bilder jeder Modulationsart + + + diff --git a/buch/papers/fm/01_AM.tex b/buch/papers/fm/01_AM.tex new file mode 100644 index 0000000..714b9a0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/01_AM.tex @@ -0,0 +1,71 @@ +% +% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Amplitudenmodulation\label{fm:section:teil0}} +\rhead{AM} + +Das Ziel ist FM zu verstehen doch dazu wird zuerst AM erklärt welches einwenig einfacher zu verstehen ist und erst dann übertragen wir die Ideen in FM. +Nun zur Amplitudenmodulation verwenden wir das bevorzugte Trägersignal +\[ + x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_ct). +\] +Dies bringt den grossen Vorteil das, dass modulierend Signal sämtliche Anteile im Frequenzspektrum in Anspruch nimmt +und das Trägersignal nur zwei komplexe Schwingungen besitzt. +Dies sieht man besonders in der Eulerischen Formel +\[ + x_c(t) = \frac{A_c}{2} \cdot e^{j\omega_ct}\;+\;\frac{A_c}{2} \cdot e^{-j\omega_ct}. + \label{fm:eq:AM:euler} +\] +Dabei ist die negative Frequenz der zweiten komplexen Schwingung zwingend erforderlich, damit in der Summe immer ein reellwertiges Trägersignal ergibt. +Nun wird der Parameter \(A_c\) durch das Modulierende Signal \(m(t)\) ersetzt, wobei so \(m(t) \leqslant |1|\) normiert wurde. + +Dabei entseht wine Umhüllende kurve die unserem ursprünglichen signal \(m(t)\) entspricht. +\[ + x_c(t) = m(t) \cdot \cos(\omega_ct). +\] + +\begin{figure} + \centering + \input{papers/fm/Python animation/m_t.pgf} + \caption{modulierende Signal \(m(t)\)} + \label{fig:bessel} +\end{figure} +% +TODO: +Bilder +Hier beschrieib ich was AmplitudenModulation ist und mache dan den link zu Frequenzmodulation inkl Formel \[\cos( \cos x)\] +so wird beschrieben das daraus eigentlich \(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_i)\) wird und somit \(x_c(t) = A_c \cdot \cos(\omega_c + \frac{d \varphi(t)}{dt})\). +Da \(\sin \) abgeleitet \(\cos \) ergibt, so wird aus dem \(m(t)\) ein \( \frac{d \varphi(t)}{dt}\) in der momentan frequenz. \[ \Rightarrow \cos( \cos x) \] +\subsection{Frequenzspektrum} +Das Frequenzspektrum ist eine Darstellung von einem Signal im Frequenzbereich, das heisst man erkennt welche Frequenzen in einem Signal vorhanden sind. +Dafür muss man eine Fouriertransformation vornehmen. +Wird aus dieser Gleichung \eqref{fm:eq:AM:euler}die Fouriertransformation vorggenommen, so erhält man + +% +%Ein Ziel der Modulation besteht darin, mehrere Nachrichtensignale von verschiedenen Sendern gleichzeitig +%in verschiedenen Frequenzbereichen über den gleichen Kanal zu senden. Um dieses Frequenzmultiplexing +%störungsfrei und mit eine Vielzahl von Teilnehmern durchführen zu können, muss die spektrale Beschaffen- +%heit der modulierten Signale möglichst gut bekannt sein. +%Dank des Modulationssatzes der Fouriertransformation lässt sich das Spektrum eines gewöhnlichen AM Si- +%gnals sofort bestimmen: +%A c μ +%F +%·(M n (ω−ω c ) + M n (ω+ω c )) (5.5) +%A c ·(1+μm n (t))·cos(ω c t) ❝ s A c π (δ(ω−ω c ) + δ(ω+ω c )) + +%2 +%Das zweiseitige Spektrum des Nachrichtensignals M (ω) wird mit dem Faktor A 2 c μ gewichtet und einmal +%nach +ω c und einmal nach −ω c verschoben. Dies führt im Vergleich zum Basisbandsignal zu einer Verdop- +%pelung der Bandbreite mit je einem Seitenband links und rechts der Trägerfrequenz. Weiter beinhaltet das +%Amplitudendichtespektrum je eine Deltafunktion mit Gewicht A c π an den Stellen ±ω c , d.h. ein fester, nicht- +%modulierter Amplitudenanteil bei der eigentlichen Trägerfrequenz. +%Das Amplitudendichtespektrum ist im nachfolgenden Graphen für A c = 1 und μ = 100% dargestellt.5.3. Gewöhnliche Amplitudenmodulation +%47 +%Abbildung 5.12: Amplitudendichtespektrum von gewöhnlicher AM +%Für das Nachrichtensignal wurde in diesem Graph mit einem Keil symbolhaft ein Amplitudendichtespektrum +%|M (ω)| gewählt, bei welchem der Anteil auf der positiven und jener auf der negativen Frequenzachse visuell +%gut auseinandergehalten werden können. Ein solch geformtes Spektrum wird aber in der Praxis kaum je +%auftreten: bei periodischen Testsignalen besteht das Nachrichtensignal aus einem Linienspektrum, bei einem +%Energiesignal mit zufälligem Verlauf aus einem kontinuierlichen Spektrum, welches jedoch nicht auf diese +%einfache Art geformt sein wird
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/02_FM.tex b/buch/papers/fm/02_FM.tex new file mode 100644 index 0000000..a01fb69 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/02_FM.tex @@ -0,0 +1,112 @@ +% +% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{FM +\label{fm:section:teil1}} +\rhead{FM} +\subsection{Frequenzmodulation} +(skript Nat ab Seite 60) +Als weiterer Parameter, um ein sinusförmiges Trägersignal \(x_c = A_c \cdot \cos(\omega_c t + \varphi)\) zu modulieren, +bietet sich neben der Amplitude \(A_c\) auch der Phasenwinkel \(\varphi\) oder die momentane Frequenzabweichung \(\frac{d\varphi}{dt}\) an. +Bei der Phasenmodulation (Englisch: phase modulation, PM) erzeugt das Nachrichtensignal \(m(t)\) eine Phasenabweichung \(\varphi(t)\) des modulierten Trägersignals im Vergleich zum nicht-modulierten Träger. Sie ist pro- +%portional zum Nachrichtensignal \(m(t)\) durch eine Skalierung mit der Phasenhubkonstanten (Englisch: phase deviation constant) +%k p [rad], +%welche die Amplitude des Nachrichtensignals auf die Phasenabweichung des +%modulierten Trägersignals abbildet: φ(t) = k p · m(t). Damit ergibt sich für das phasenmodulierte Trägersi- +%gnal: +%x PM (t) = A c · cos (ω c t + k p · m(t)) +%(5.16) +%Die modulierte Phase φ(t) verändert dabei auch die Momentanfrequenz (Englisch: instantaneous frequency) +%ω i +%, welche wie folgt berechnet wird: +%f i = 2π +%ω i (t) = ω c + +%d φ(t) +%dt +%(5.17) +%Bei der Frequenzmodulation (Englisch: frequency modulation, FM) ist die Abweichung der momentanen +%Kreisfrequenz ω i von der Trägerkreisfrequenz ω c proportional zum Nachrichtensignal m(t). Sie ergibt sich, +%indem m(t) mit der (Kreis-)Frequenzhubkonstanten (Englisch: frequency deviation constant) k f [rad/s] ska- +%liert wird: ω i (t) = ω c + k f · m(t). Diese sich zeitlich verändernde Abweichung von der Kreisfrequenz ω c +%verursacht gleichzeitig auch Schwankungen der Phase φ(t), welche wie folgt berechnet wird: +%φ(t) = +%Z t +%−∞ +%ω i (τ ) − ω c dτ = +%Somit ergibt sich für das frequenzmodulierte Trägersignal: +% +%Z t +%−∞ +%x FM (t) = A c · cos ω c t + k f +%k f · m(t) dτ +%Z t +%−∞ +% +%m(τ ) dτ +%(5.18) +%(5.19) +%Die Phase φ(t) hat dabei einen kontinuierlichen Verlauf, d.h. das FM-modulierte Signal x FM (t) weist keine +%Stellen auf, wo sich die Phase sprunghaft ändert. Aus diesem Grund spricht man bei frequenzmodulierten +%Signalen – speziell auch bei digitalen FM-Signalen – von einer Modulation mit kontinuierlicher Phase (Eng- +%lisch: continuous phase modulation). +%Wie aus diesen Ausführungen hervorgeht, sind Phasenmodulation und Frequenzmodulation äquivalente Mo- +%dulationsverfahren. Beide variieren sowohl die Phase φ wie auch die Momentanfrequenz ω i . Dadurch kann +%man leider nicht – wie vielleicht erhofft – je mit einem eigenen Nachrichtensignal ein gemeinsames Trägersi- +%gnal unabhängig PM- und FM-modulieren, ohne dass sich diese Modulationen für den Empfänger untrennbar +%vermischen würden. +% +%Um die mathematische Behandlung der nicht-linearen Winkelmodulation etwas zu verkürzen, ist es aufgrund +%dieser Äquivalenzen gerechtfertigt, dass PM und FM gemeinsam behandelt werden. Jeweils vor der Modu- +%lation bzw. nach der Demodulation kann dann noch eine Differentiation oder Integration durchgeführt wird, +%um von der einen Modulationsart zur anderen zu gelangen. +%\subsection{Frequenzbereich} +%Nun +%TODO +%Hier Beschreiben ich FM und FM im Frequenzspektrum. +%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{fm: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{fm: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{fm: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{fm: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/fm/03_bessel.tex b/buch/papers/fm/03_bessel.tex new file mode 100644 index 0000000..3c2cb71 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/03_bessel.tex @@ -0,0 +1,223 @@ +% +% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{FM und Bessel-Funktion +\label{fm:section:proof}} +\rhead{Herleitung} +Die momentane Trägerkreisfrequenz \(\omega_i\), wie schon in (ref) beschrieben ist, bringt die Ableitung \(\frac{d \varphi(t)}{dt}\) mit sich. +Diese wiederum kann durch \(\beta\sin(\omega_mt)\) ausgedrückt werden, wobei es das modulierende Signal \(m(t)\) ist. +Somit haben wir unser \(x_c\) welches +\[ +\cos(\omega_c t+\beta\sin(\omega_mt)) +\] +ist. + +\subsection{Herleitung} +Das Ziel ist, unser moduliertes Signal mit der Bessel-Funktion so auszudrücken: +\begin{align} + x_c(t) + = + \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) + &= + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t) + \label{fm:eq:proof} +\end{align} + +\subsubsection{Hilfsmittel} +Doch dazu brauchen wir die Hilfe der Additionsthoerme +\begin{align} + \cos(A + B) + &= + \cos(A)\cos(B)-\sin(A)\sin(B) + \label{fm:eq:addth1} + \\ + 2\cos (A)\cos (B) + &= + \cos(A-B)+\cos(A+B) + \label{fm:eq:addth2} + \\ + 2\sin(A)\sin(B) + &= + \cos(A-B)-\cos(A+B) + \label{fm:eq:addth3} +\end{align} +und die drei Bessel-Funktionsindentitäten, +\begin{align} + \cos(\beta\sin\phi) + &= + J_0(\beta) + 2\sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos(2k\phi) + \label{fm:eq:besselid1} + \\ + \sin(\beta\sin\phi) + &= + 2\sum_{k=0}^\infty J_{2k+1}(\beta) \cos((2k+1)\phi) + \label{fm:eq:besselid2} + \\ + J_{-n}(\beta) &= (-1)^n J_n(\beta) + \label{fm:eq:besselid3} +\end{align} +welche man im Kapitel \eqref{buch:fourier:eqn:expinphireal}, \eqref{buch:fourier:eqn:expinphiimaginary}, \eqref{buch:fourier:eqn:symetrie} findet. + +\subsubsection{Anwenden des Additionstheorem} +Mit dem \eqref{fm:eq:addth1} wird aus dem modulierten Signal +\[ + x_c(t) + = + \cos(\omega_c t + \beta\sin(\omega_mt)) + = + \cos(\omega_c t)\cos(\beta\sin(\omega_m t)) - \sin(\omega_ct)\sin(\beta\sin(\omega_m t)). + \label{fm:eq:start} +\] +%----------------------------------------------------------------------------------------------------------- +\subsubsection{Cos-Teil} +Zu beginn wird der Cos-Teil +\begin{align*} + c(t) + &= + \cos(\omega_c t)\cdot\cos(\beta\sin(\omega_mt)) +\end{align*} +mit hilfe der Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid1} zum +\begin{align*} + c(t) + &= + \cos(\omega_c t) \cdot \bigg[ J_0(\beta) + 2\sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos( 2k \omega_m t)\, \bigg] + \\ + &= + J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \underbrace{2\cos(\omega_c t)\cos(2k\omega_m t)}_{\text{Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth2}}} +\end{align*} +%intertext{} Funktioniert nicht. +wobei mit dem Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth2} \(A = \omega_c t\) und \(B = 2k\omega_m t \) ersetzt wurden. +Nun kann die Summe in zwei Summen +\begin{align*} + c(t) + &= + J_0(\beta) \cdot \cos(\omega_c t) + \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta) \cos((\omega_c - 2k \omega_m) t) \,+\, \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) \} + \\ + &= + \sum_{k=\infty}^{1} J_{2k}(\beta) \underbrace{\cos((\omega_c - 2k \omega_m) t)} + \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t) + \,+\, \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta)\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) +\end{align*} +aufgeteilt werden. +Wenn bei der ersten Summe noch \(k\) von \(-\infty \to -1\) läuft, wird diese summe zu \(\sum_{k=-1}^{-\infty} J_{-2k}(\beta) {\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t)} \) +Zudem kann die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht werden. \(n \) wird mit \(2k\) ersetzt, da dies immer gerade ist so gilt: \(J_{-n}(\beta) = J_n(\beta)\) +Somit bekommt man zwei gleiche Summen +\begin{align*} + c(t) + &= + \sum_{k=-\infty}^{-1} J_{2k}(\beta) \cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) + \,+\,J_0(\beta)\cdot \cos(\omega_c t+ 2 \cdot 0 \omega_m) + \,+\, \sum_{k=1}^\infty J_{2k}(\beta)\cos((\omega_c + 2k \omega_m) t) +\end{align*} +Diese können wir vereinfachter schreiben, +\begin{align*} + \sum_{n\, \text{gerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t), + \label{fm:eq:gerade} +\end{align*} +da \(2k\) für alle negativen, wie positiven geraden Zahlen zählt. +%---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- +\subsubsection{Sin-Teil} +Nun zum zweiten Teil des Term \eqref{fm:eq:start}, den Sin-Teil +\begin{align*} + s(t) + &= + -\sin(\omega_c t)\cdot\sin(\beta\sin(\omega_m t)). +\end{align*} +Dieser wird mit der \eqref{fm:eq:besselid2} Besselindentität zu +\begin{align*} + s(t) + &= + -\sin(\omega_c t) \cdot \bigg[ 2 \sum_{k=0}^\infty J_{ 2k + 1}(\beta) \cos(( 2k + 1) \omega_m t) \bigg] + \\ + &= + \sum_{k=0}^\infty -1 \cdot J_{2k+1}(\beta) 2\sin(\omega_c t)\cos((2k+1)\omega_m t). +\end{align*} +Da \(2k + 1\) alle ungeraden positiven Ganzzahlen entspricht wird es durch \(n\) ersetzt. +Wird die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht, so ersetzten wird \(J_{-n}(\beta) = -1\cdot J_n(\beta)\) ersetzt: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \underbrace{2\sin(\omega_c t)\cos(n \omega_m t)}_{\text{Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth3}}}. +\end{align*} +Auch hier wird ein Additionstheorem \eqref{fm:eq:addth3} gebraucht, dabei ist \(A = \omega_c t\) und \(B = n \omega_m t \), +somit wird daraus: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \{ \underbrace{\cos((\omega_c - n\omega_m) t)} \,-\, \cos((\omega_c + n\omega_m) t) \} + \\ + &= + \sum_{n=- \infty}^{0} J_{n}(\beta) \overbrace{\cos((\omega_c + n \omega_m) t)} + \,-\, \sum_{n=0}^\infty J_{-n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Auch hier wurde wieder eine zweite Summe \(\sum_{-\infty}^{-1}\) gebraucht um das Minus zu einem Plus zu wandeln. +Wenn \(n = 0 \) ist der Minuend gleich dem Subtrahend und somit dieser Teil \(=0\), das bedeutet \(n\) ended bei \(-1\) und started bei \(1\). +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=- \infty}^{-1} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t) + \underbrace{\,-\, \sum_{n=1}^\infty J_{-n}(\beta)} \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Um aus diesem Subtrahend eine Addition zu kreiernen, wird die Besselindentität \eqref{fm:eq:besselid3} gebraucht, +jedoch so \(-1 \cdot J_{-n}(\beta) = J_n(\beta)\) und daraus wird dann: +\begin{align*} + s(t) + &= + \sum_{n=- \infty}^{-1} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n \omega_m) t) + \,+\, \sum_{n=1}^\infty J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\end{align*} +Da \(n\) immer ungerade ist und \(0\) nicht zu den ungeraden Zahlen zählt, kann man dies so vereinfacht +\[ + s(t) + = + \sum_{n\, \text{ungerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t). + \label{fm:eq:ungerade} +\] +, mit allen positiven und negativen Ganzzahlen schreiben. +%------------------------------------------------------------------------------------------ +\subsubsection{Summe Zusammenführen} +Beide Teile \eqref{fm:eq:gerade} Gerade +\[ + \sum_{n\, \text{gerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\] +und \eqref{fm:eq:ungerade} Ungerade +\[ + \sum_{n\, \text{ungerade}} J_{n}(\beta) \cos((\omega_c + n\omega_m) t) +\] +ergeben zusammen +\[ + \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) + = + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{n}(\beta) \cos((\omega_c+ n\omega_m)t). +\] +Somit ist \eqref{fm:eq:proof} bewiesen. +\newpage +%----------------------------------------------------------------------------------------- +\subsection{Bessel und Frequenzspektrum} +Um sich das ganze noch einwenig Bildlicher vorzustellenhier einmal die Bessel-Funktion \(J_{k}(\beta)\) in geplottet. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/fm/Python animation/bessel.pgf} + \caption{Bessle Funktion \(J_{k}(\beta)\)} + \label{fig:bessel} +\end{figure} +TODO Grafik einfügen, +\newline +Nun einmal das Modulierte FM signal im Frequenzspektrum mit den einzelen Summen dargestellt + +TODO +Hier wird beschrieben wie die Bessel Funktion der FM im Frequenzspektrum hilft, wieso diese gebrauch wird und ihre Vorteile. +\begin{itemize} + \item Zuerest einmal die Herleitung von FM zu der Bessel-Funktion + \item Im Frequenzspektrum darstellen mit Farben, ersichtlich machen. + \item Parameter tuing der Trägerfrequenz, Modulierende frequenz und Beta. +\end{itemize} + + +%\subsection{De finibus bonorum et malorum +%\label{fm:subsection:bonorum}} + + + diff --git a/buch/papers/fm/04_fazit.tex b/buch/papers/fm/04_fazit.tex new file mode 100644 index 0000000..8d5eca4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/04_fazit.tex @@ -0,0 +1,12 @@ +% +% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Fazit +\label{fm:section:fazit}} +\rhead{Zusamenfassend} + +TODO Anwendungen erklären und Sinn des Ganzen. + + diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.pdf b/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..496e35e --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.pdf diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.tex b/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.tex new file mode 100644 index 0000000..2801e69 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/FM_presentation.tex @@ -0,0 +1,125 @@ +%% !TeX root = .tex + +\documentclass[11pt,aspectratio=169]{beamer} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[T1]{fontenc} +\usepackage{lmodern} +\usepackage[ngerman]{babel} +\usepackage{tikz} +\usetheme{Hannover} + +\begin{document} + \author{Joshua Bär} + \title{FM - Bessel} + \subtitle{} + \logo{} + \institute{OST Ostschweizer Fachhochschule} + \date{16.5.2022} + \subject{Mathematisches Seminar - Spezielle Funktionen} + %\setbeamercovered{transparent} + \setbeamercovered{invisible} + \setbeamertemplate{navigation symbols}{} + \begin{frame}[plain] + \maketitle + \end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\section{Einführung} + \begin{frame} + \frametitle{Frequenzmodulation} + + \visible<1->{ + \begin{equation} \cos(\omega_c t+\beta\sin(\omega_mt)) + \end{equation}} + + \only<2>{\includegraphics[scale= 0.7]{images/fm_in_time.png}} + \only<3>{\includegraphics[scale= 0.7]{images/fm_frequenz.png}} + \only<4>{\includegraphics[scale= 0.7]{images/bessel_frequenz.png}} + + + \end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\section{Proof} +\begin{frame} + \frametitle{Bessel} + + \visible<1->{\begin{align} + \cos(\beta\sin\varphi) + &= + J_0(\beta) + 2\sum_{m=1}^\infty J_{2m}(\beta) \cos(2m\varphi) + \\ + \sin(\beta\sin\varphi) + &= + J_0(\beta) + 2\sum_{m=1}^\infty J_{2m}(\beta) \cos(2m\varphi) + \\ + J_{-n}(\beta) &= (-1)^n J_n(\beta) + \end{align}} + \visible<2->{\begin{align} + \cos(A + B) + &= + \cos(A)\cos(B)-\sin(A)\sin(B) + \\ + 2\cos (A)\cos (B) + &= + \cos(A-B)+\cos(A+B) + \\ + 2\sin(A)\sin(B) + &= + \cos(A-B)-\cos(A+B) + \end{align}} +\end{frame} + +%------------------------------------------------------------------------------- +\begin{frame} + \frametitle{Prof->Done} + \begin{align} + \cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt)) + &= + \sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t) + \end{align} + \end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- + \begin{frame} + \begin{figure} + \only<1>{\includegraphics[scale = 0.75]{images/fm_frequenz.png}} + \only<2>{\includegraphics[scale = 0.75]{images/bessel_frequenz.png}} + \end{figure} + \end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\section{Input Parameter} + \begin{frame} + \frametitle{Träger-Frequenz Parameter} + \onslide<1->{\begin{equation}\cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt))\end{equation}} + \only<1>{\includegraphics[scale=0.75]{images/100HZ.png}} + \only<2>{\includegraphics[scale=0.75]{images/200HZ.png}} + \only<3>{\includegraphics[scale=0.75]{images/300HZ.png}} + \only<4>{\includegraphics[scale=0.75]{images/400HZ.png}} + \end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\begin{frame} +\frametitle{Modulations-Frequenz Parameter} +\onslide<1->{\begin{equation}\cos(\omega_ct+\beta\sin(\omega_mt))\end{equation}} +\only<1>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_3Hz.png}} +\only<2>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_5Hz.png}} +\only<3>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_7Hz.png}} +\only<4>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_10Hz.png}} +\only<5>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_20Hz.png}} +\only<6>{\includegraphics[scale=0.75]{images/fm_30Hz.png}} +\end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\begin{frame} +\frametitle{Beta Parameter} + \onslide<1->{\begin{equation}\sum_{k= -\infty}^\infty J_{k}(\beta) \cos((\omega_c+k\omega_m)t)\end{equation}} + \only<1>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_0.001.png}} + \only<2>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_0.1.png}} + \only<3>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_0.5.png}} + \only<4>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_1.png}} + \only<5>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_2.png}} + \only<6>{\includegraphics[scale=0.7]{images/beta_3.png}} + \only<7>{\includegraphics[scale=0.7]{images/bessel.png}} +\end{frame} +%------------------------------------------------------------------------------- +\begin{frame} + \includegraphics[scale=0.5]{images/beta_1.png} + \includegraphics[scale=0.5]{images/bessel.png} +\end{frame} +\end{document} diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/README.txt b/buch/papers/fm/FM presentation/README.txt new file mode 100644 index 0000000..65f390d --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/README.txt @@ -0,0 +1 @@ +Dies ist die Presentation des FM - Bessel
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/100HZ.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/100HZ.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..371b9bf --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/100HZ.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/200HZ.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/200HZ.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..f6836bd --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/200HZ.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/300HZ.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/300HZ.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..6762c1a --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/300HZ.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/400HZ.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/400HZ.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..236c428 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/400HZ.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..f4c83ea --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel2.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel2.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ccda3f9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel2.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel_beta1.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel_beta1.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..1f5c47e --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel_beta1.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel_frequenz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/bessel_frequenz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4f228b9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM 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b/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_1.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_2.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_2.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..6930eae --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_2.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_3.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_3.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..c6df82c --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/beta_3.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_10Hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_10Hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..51bddc7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_10Hz.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_20hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_20hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..126ecf3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_20hz.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_30Hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_30Hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..371b9bf --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_30Hz.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_3Hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_3Hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..d4098af --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_3Hz.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_40Hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_40Hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4cf11d4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_40Hz.png diff --git a/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_5Hz.png b/buch/papers/fm/FM presentation/images/fm_5Hz.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..e495b5c --- /dev/null +++ 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Dr Andreas Mueller # -images: - @echo "no images to be created in fm" +SOURCES := \ + 00_modulation.tex \ + 01_AM.tex \ + 02_FM.tex \ + 03_bessel.tex \ + 04_fazit.tex \ + main.tex +#TIKZFIGURES := \ + tikz/atoms-grid-still.tex \ + +#FIGURES := $(patsubst tikz/%.tex, figures/%.pdf, $(TIKZFIGURES)) + +all: images standalone + +.PHONY: images +images: $(FIGURES) + +#figures/%.pdf: tikz/%.tex +# mkdir -p figures +# pdflatex --output-directory=figures $< + +.PHONY: standalone +standalone: standalone.tex $(SOURCES) $(FIGURES) + mkdir -p standalone + cd ../..; \ + pdflatex \ + --halt-on-error \ + --shell-escape \ + --output-directory=papers/fm/standalone \ + papers/fm/standalone.tex; + cd standalone; \ + bibtex standalone; \ + makeindex standalone;
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/Makefile.inc b/buch/papers/fm/Makefile.inc index 0f144b6..40f23b1 100644 --- a/buch/papers/fm/Makefile.inc +++ b/buch/papers/fm/Makefile.inc @@ -6,9 +6,10 @@ dependencies-fm = \ papers/fm/packages.tex \ papers/fm/main.tex \ - papers/fm/references.bib \ - papers/fm/teil0.tex \ - papers/fm/teil1.tex \ - papers/fm/teil2.tex \ - papers/fm/teil3.tex + papers/fm/00_modulation.tex \ + papers/fm/01_AM.tex \ + papers/fm/02_FM.tex \ + papers/fm/03_bessel.tex \ + papers/fm/04_fazit.tex \ + papers/fm/references.bib diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb new file mode 100644 index 0000000..4074765 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Python animation/Bessel-FM.ipynb @@ -0,0 +1,225 @@ +{ + "cells": [ + { + "cell_type": "code", + "execution_count": 4, + "metadata": {}, + "outputs": [], + "source": [ + "import numpy as np\n", + "from scipy import signal\n", + "from scipy.fft import fft, ifft, fftfreq\n", + "import scipy.special as sc\n", + "import scipy.fftpack\n", + "import matplotlib.pyplot as plt\n", + "import matplotlib as mpl\n", + "# Use the pgf backend (must be set before pyplot imported)\n", + "# mpl.use('pgf')\n", + "\n", + "\n", + "def fm(beta):\n", + " # Number of samplepoints\n", + " N = 600\n", + " # sample spacing\n", + " T = 1.0 / 1000.0\n", + " fc = 100.0\n", + " fm = 30.0\n", + " x = np.linspace(0.01, N*T, N)\n", + " #beta = 1.0\n", + " y_old = np.sin(fc * 2.0*np.pi*x+beta*np.sin(fm * 2.0*np.pi*x))\n", + " y = 0*x;\n", + " xf = fftfreq(N, 1 / N)\n", + " for k in range (-4, 4):\n", + " y = sc.jv(k,beta)*np.sin((fc+k*fm) * 2.0*np.pi*x)\n", + " yf = fft(y)/(fc*np.pi)\n", + " plt.plot(xf, np.abs(yf))\n", + " plt.xlim(-150, 150)\n", + " plt.show()\n", + " #yf_old = fft(y_old)\n", + " #plt.plot(xf, np.abs(yf_old))\n", + " #plt.show()\n", + " \n" + ] + }, + { + "cell_type": "code", + "execution_count": 6, + "metadata": {}, + "outputs": [ + { + 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+ N = 600 + # sample spacing + T = 1.0 / 1000.0 + fc = 100.0 + fm = 30.0 + x = np.linspace(0.01, N*T, N) + #beta = 1.0 + y_old = np.sin(fc * 2.0*np.pi*x+beta*np.sin(fm * 2.0*np.pi*x)) + y = 0*x; + xf = fftfreq(N, 1 / N) + for k in range (-4, 4): + y = sc.jv(k,beta)*np.sin((fc+k*fm) * 2.0*np.pi*x) + yf = fft(y)/(fc*np.pi) + plt.plot(xf, np.abs(yf)) + plt.xlim(-150, 150) + #plt.savefig('bessel.pgf', format='pgf') + plt.show() + +fm(1) + +# Bessel-Funktion +for n in range (-2,4): + x = np.linspace(-11,11,1000) + y = sc.jv(n,x) + plt.plot(x, y, '-',label='n='+str(n)) +#plt.plot([1,1],[sc.jv(0,1),sc.jv(-1,1)],) +plt.xlim(-10,10) +plt.grid(True) +plt.ylabel('Bessel $J_n(\\beta)$') +plt.xlabel(' $ \\beta $ ') +plt.plot(x, y) +plt.legend() +#plt.show() +plt.savefig('bessel.pgf', format='pgf') +print(sc.jv(0,1))
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/bessel.pgf b/buch/papers/fm/Python animation/bessel.pgf new file mode 100644 index 0000000..cc7af1e --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Python animation/bessel.pgf @@ -0,0 +1,2057 @@ +%% 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 +%% \usepackage{fontspec} +%% \setmainfont{DejaVuSerif.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setsansfont{DejaVuSans.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setmonofont{DejaVuSansMono.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{6.000000in}{4.000000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% 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Bessel \(\displaystyle J_n(\beta)\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{0.750000in}{0.500000in}}{\pgfqpoint{4.650000in}{3.020000in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.121569,0.466667,0.705882}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.736111in}{2.087558in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.753026in}{2.089238in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.773506in}{2.088244in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.793986in}{2.083946in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.814467in}{2.076349in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.834947in}{2.065480in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.855428in}{2.051393in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.881029in}{2.029378in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.906629in}{2.002657in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.932230in}{1.971486in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.962950in}{1.928646in}}% 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+\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=4.932118in,y=3.085620in,left,base]{\color{textcolor}\sffamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont n=-1}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.172549,0.627451,0.172549}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{4.543229in}{2.930374in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.682118in}{2.930374in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.821007in}{2.930374in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=4.932118in,y=2.881762in,left,base]{\color{textcolor}\sffamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont n=0}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.839216,0.152941,0.156863}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{4.543229in}{2.726516in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.682118in}{2.726516in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.821007in}{2.726516in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=4.932118in,y=2.677905in,left,base]{\color{textcolor}\sffamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont n=1}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.580392,0.403922,0.741176}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{4.543229in}{2.522659in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.682118in}{2.522659in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.821007in}{2.522659in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=4.932118in,y=2.474048in,left,base]{\color{textcolor}\sffamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont n=2}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetroundjoin% +\pgfsetlinewidth{1.505625pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.549020,0.337255,0.294118}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{4.543229in}{2.318802in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.682118in}{2.318802in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.821007in}{2.318802in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=4.932118in,y=2.270191in,left,base]{\color{textcolor}\sffamily\fontsize{10.000000}{12.000000}\selectfont n=3}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf b/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf new file mode 100644 index 0000000..edcfb33 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Python animation/m_t.pgf @@ -0,0 +1,746 @@ +%% 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 +%% \usepackage{fontspec} +%% \setmainfont{DejaVuSerif.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setsansfont{DejaVuSans.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% \setmonofont{DejaVuSansMono.ttf}[Path=\detokenize{/home/joshua/.local/lib/python3.8/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf/}] +%% +\begingroup% +\makeatletter% +\begin{pgfpicture}% +\pgfpathrectangle{\pgfpointorigin}{\pgfqpoint{6.000000in}{4.000000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% 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+\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.750000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.750000in}{3.520000in}}% +\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{5.400000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{3.520000in}}% +\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{0.750000in}{0.500000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{0.500000in}}% +\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{0.750000in}{3.520000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.400000in}{3.520000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/A2-14.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/A2-14.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7348cca --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/A2-14.pdf diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/FM_presentation.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/FM_presentation.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..496e35e --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/FM_presentation.pdf diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/Frequency modulation (FM) and Bessel functions.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/Frequency modulation (FM) and Bessel functions.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..a6e701c --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/Frequency modulation (FM) and Bessel functions.pdf diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..b9acc1f --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/NaT_Skript_20210920.pdf diff --git a/buch/papers/fm/Quellen/Seydel2022_Book_HöhereMathematikImAlltag.pdf b/buch/papers/fm/Quellen/Seydel2022_Book_HöhereMathematikImAlltag.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..2a0bddd --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/Quellen/Seydel2022_Book_HöhereMathematikImAlltag.pdf diff --git a/buch/papers/fm/anim/Makefile b/buch/papers/fm/anim/Makefile new file mode 100644 index 0000000..f4c7850 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/anim/Makefile @@ -0,0 +1,12 @@ +# +# Makefile +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +# +all: animation.pdf + +parts.tex: fm.m + octave fm.m + +animation.pdf: animation.tex parts.tex + pdflatex animation.tex diff --git a/buch/papers/fm/anim/animation.tex b/buch/papers/fm/anim/animation.tex new file mode 100644 index 0000000..4a6f428 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/anim/animation.tex @@ -0,0 +1,85 @@ +% +% animation.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, +% +\documentclass[aspectratio=169]{beamer} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[T1]{fontenc} +\usepackage{epic} +\usepackage{color} +\usepackage{array} +\usepackage{ifthen} +\usepackage{lmodern} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{nccmath} +\usepackage{mathtools} +\usepackage{adjustbox} +\usepackage{multimedia} +\usepackage{verbatim} +\usepackage{wasysym} +\usepackage{stmaryrd} +\usepackage{tikz} +\usetikzlibrary{shapes.geometric} +\usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} +\usetikzlibrary{calc} +\usetikzlibrary{arrows} +\usetikzlibrary{3d} +\usetikzlibrary{arrows,shapes,math,decorations.text,automata} +\usepackage{pifont} +\usepackage[all]{xy} +\usepackage[many]{tcolorbox} +\mode<beamer>{% +\usetheme[hideothersubsections,hidetitle]{Hannover} +} +\beamertemplatenavigationsymbolsempty +\begin{document} + +\def\spektrum#1#2{ +\only<#1>{ + \begin{scope} + \color{red} + \input{#2} + \end{scope} +} +} + +\begin{frame} +\begin{center} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] +\def\df{0.37} +\def\da{1} + +\draw[->,color=gray] (0,-0.1) -- (0,6.3) [right] coordinate[label={right:$a$}]; + +\foreach \a in {1,...,5}{ + \draw[color=gray!50] (-6,{(6-\a)*\da}) -- (6,{(6-\a)*\da}); +} +\draw[color=gray!50] (-6,{6*\da}) -- (6,{6*\da}); +\foreach \f in {-15,-10,-5,5,10,15}{ + \draw[color=gray!50] ({\f*\df},0) -- ({\f*\df},{6*\da}); +} + +\input{parts.tex} + +\draw[->] (-6.1,0) -- (6.9,0) coordinate[label={$f$}]; +\foreach \f in {-16,...,16}{ + \draw ({\f*\df},-0.05) -- ({\f*\df},0.05); +} +\foreach \f in {-15,-10,-5,5,10,15}{ + \node at ({\f*\df},-0.1) [below] {$\f f_m$}; + \draw ({\f*\df},-0.1) -- ({\f*\df},0.1); +} +\node at (0,-0.1) [below] {$0$}; + +\foreach \a in {1,...,5}{ + \node at (6,{(6-\a)*\da}) [right] {$-\a$}; +} +\node at (6,{6*\da}) [right] {$\phantom{-}0$}; + +\end{tikzpicture} +\end{center} +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/buch/papers/fm/anim/fm.m b/buch/papers/fm/anim/fm.m new file mode 100644 index 0000000..9062818 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/anim/fm.m @@ -0,0 +1,98 @@ +# +# fm.m -- animation frequenzspektrum +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +global fc; +fc = 1e6; +global width; +width = 16; +global fm; +fm = 1000; +global gamma; +gamma = 2; +global resolution; +resolution = 300; + +function retval = spektrum(beta, fm) + global width; + global fc; + retval = zeros(2 * width + 1, 2); + center = width + 1; + for k = (0:width) + retval(center - k, 1) = fc - k * fm; + retval(center + k, 1) = fc + k * fm; + a = besselj(k, beta); + retval(center - k, 2) = a; + retval(center + k, 2) = a; + endfor +endfunction + +function drawspectrum(fn, spectrum, foffset, fscale, beta) + n = size(spectrum)(1,1); + for i = (1:n) + f = (spectrum(i, 1) - foffset)/fscale; + a = log10(spectrum(i, 2)) + 6; + if (a < 0) + a = 0; + end + fprintf(fn, "\\draw[line width=3.5pt] "); + fprintf(fn, "({%.2f*\\df},0) -- ({%.2f*\\df},{%.5f*\\da});\n", + f, f, abs(a)); + fprintf(fn, "\\node at ({-15*\\df},5.5) [right] {$\\beta = %.3f$};", beta); + endfor +endfunction + +function drawhull(fn, beta) + global resolution; + fprintf(fn, "\\begin{scope}\n"); + fprintf(fn, "\\clip ({-16.5*\\df},0) rectangle ({16.5*\\df},{6*\\da});\n"); + p = zeros(resolution, 2); + for k = (1:resolution) + nu = 16.5 * (k - 1) / resolution; + p(k,1) = nu; + y = log10(abs(besselj(nu, beta))) + 6; + p(k,2) = y; + end + fprintf(fn, "\\draw[color=blue] ({%.4f*\\df},{%.5f*\\da})", + p(1,1), p(1,2)); + for k = (2:resolution) + fprintf(fn, "\n -- ({%.4f*\\df},{%.5f*\\da})", + p(k,1), p(k,2)); + endfor + fprintf(fn, ";\n\n"); + fprintf(fn, "\\draw[color=blue] ({%.4f*\\df},{%.5f*\\da})", + p(1,1), p(1,2)); + for k = (2:resolution) + fprintf(fn, "\n -- ({%.4f*\\df},{%.5f*\\da})", + -p(k,1), p(k,2)); + endfor + fprintf(fn, ";\n\n"); + fprintf(fn, "\\end{scope}\n"); +endfunction + +function animation(betamin, betamax, steps) + global fm; + global fc; + global gamma; + fa = fopen("parts.tex", "w"); + for k = (1:steps) + % add entry to parts.tex + fprintf(fa, "\\spektrum{%d}{texfiles/a%04d.tex}\n", k, k); + % compute beta + x = (k - 1) / (steps - 1); + beta = betamin + (betamax - betamin) * (x ^ gamma); + % create a new file + name = sprintf("texfiles/a%04d.tex", k); + fn = fopen(name, "w"); + % write the hull + drawhull(fn, beta); + % compute and write the spectrum + spectrum = spektrum(beta, fm); + drawspectrum(fn, spectrum, fc, fm, beta); + fclose(fn); + endfor + fclose(fa); +endfunction + +animation(0.001,10.1,200) diff --git a/buch/papers/fm/main.tex b/buch/papers/fm/main.tex index 1e75235..0c98427 100644 --- a/buch/papers/fm/main.tex +++ b/buch/papers/fm/main.tex @@ -1,36 +1,31 @@ +% !TeX root = ../../buch.tex % % main.tex -- Paper zum Thema <fm> % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil -% -\chapter{Thema\label{chapter:fm}} -\lhead{Thema} +% + +\chapter{FM Bessel\label{chapter:fm}} +\lhead{FM} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} - -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/fm/teil0.tex} -\input{papers/fm/teil1.tex} -\input{papers/fm/teil2.tex} -\input{papers/fm/teil3.tex} + +\chapterauthor{Joshua Bär} + +Die Frequenzmodulation ist eine Modulation die man auch schon im alten Radio findet. +Falls du dich an die Zeit erinnerst, konnte man zwischen \textit{FM-AM} Umschalten, +dies bedeutete so viel wie: \textit{F}requenz-\textit{M}odulation und \textit{A}mplituden-\textit{M}odulation. +Um das Thema einwenig einzuschränken werde ich leider nichts über die Vertiefte, (Physikalische) zusammenhänge oder die Demodulation aufzeigen. +Dieses Kapitel soll nurdie Frequenzmodulation und ihren zusammenhang mit der Besselfunktion erklären. +Aber zuerst einmal zur Modulation selbst, wie funktioniert diese Mathematisch. + + +\input{papers/fm/00_modulation.tex} +\input{papers/fm/01_AM.tex} +\input{papers/fm/02_FM.tex} +\input{papers/fm/03_bessel.tex} +\input{papers/fm/04_fazit.tex} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} + + diff --git a/buch/papers/fm/packages.tex b/buch/papers/fm/packages.tex index 4cba2b6..7bbbe35 100644 --- a/buch/papers/fm/packages.tex +++ b/buch/papers/fm/packages.tex @@ -7,4 +7,5 @@ % if your paper needs special packages, add package commands as in the % following example %\usepackage{packagename} - +\usepackage{xcolor} +\usepackage{pgf} diff --git a/buch/papers/fm/references.bib b/buch/papers/fm/references.bib index 76eb265..21b910b 100644 --- a/buch/papers/fm/references.bib +++ b/buch/papers/fm/references.bib @@ -23,6 +23,17 @@ volume = {2} } +@book{fm:NAT, + title = {Nachrichtentechnik 1 + 2}, + author = {Thomas Kneubühler}, + publisher = {None}, + year = {2021}, + isbn = {}, + inseries = {Script for students}, + volume = {} +} + + @article{fm:mendezmueller, author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, title = { Noncommutative harmonic analysis and image registration }, diff --git a/buch/papers/fm/standalone.tex b/buch/papers/fm/standalone.tex new file mode 100644 index 0000000..c161ed5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fm/standalone.tex @@ -0,0 +1,31 @@ +\documentclass{book} + +\def\IncludeBookCover{0} +\input{common/packages.tex} + +% additional packages used by the individual papers, add a line for +% each paper +\input{papers/common/addpackages.tex} + +% workaround for biblatex bug +\makeatletter +\def\blx@maxline{77} +\makeatother +\addbibresource{chapters/references.bib} + +% Bibresources for each article +\input{papers/common/addbibresources.tex} + +% make sure the last index starts on an odd page +\AtEndDocument{\clearpage\ifodd\value{page}\else\null\clearpage\fi} +\makeindex + +%\pgfplotsset{compat=1.12} +\setlength{\headheight}{15pt} % fix headheight warning +\DeclareGraphicsRule{*}{mps}{*}{} + +\begin{document} + \input{common/macros.tex} + \def\chapterauthor#1{{\large #1}\bigskip\bigskip} + \input{papers/fm/main.tex} +\end{document} diff --git a/buch/papers/fm/teil0.tex b/buch/papers/fm/teil0.tex deleted file mode 100644 index 55697df..0000000 --- a/buch/papers/fm/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{fm: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{fm: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/fm/teil1.tex b/buch/papers/fm/teil1.tex deleted file mode 100644 index 6f9edf1..0000000 --- a/buch/papers/fm/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{fm: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{fm: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{fm: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{fm: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{fm: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/fm/teil2.tex b/buch/papers/fm/teil2.tex deleted file mode 100644 index 6ab6fa0..0000000 --- a/buch/papers/fm/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{fm: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{fm: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/fm/teil3.tex b/buch/papers/fm/teil3.tex deleted file mode 100644 index 3bcfc4d..0000000 --- a/buch/papers/fm/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{fm: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{fm: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/fresnel/Makefile b/buch/papers/fresnel/Makefile index c8aa073..ed74861 100644 --- a/buch/papers/fresnel/Makefile +++ b/buch/papers/fresnel/Makefile @@ -1,9 +1,8 @@ # # Makefile -- make file for the paper fresnel # -# (c) 2020 Prof Dr Andreas Mueller +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Mueller # - images: @echo "no images to be created in fresnel" diff --git a/buch/papers/fresnel/images/Makefile b/buch/papers/fresnel/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..eb7dc57 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/Makefile @@ -0,0 +1,38 @@ +# +# Makefile +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# +all: schale.pdf \ + fresnelgraph.pdf \ + eulerspirale.pdf \ + pfad.pdf \ + apfel.pdf \ + kruemmung.pdf + +schale.png: schale.pov + povray +A0.1 -W1920 -H1080 -Oschale.png schale.pov + +schale.jpg: schale.png Makefile + convert -extract 1240x1080+340 schale.png -density 300 -units PixelsPerInch schale.jpg + +schale.pdf: schale.tex schale.jpg + pdflatex schale.tex + +eulerpath.tex: eulerspirale.m + octave eulerspirale.m + +fresnelgraph.pdf: fresnelgraph.tex eulerpath.tex + pdflatex fresnelgraph.tex + +eulerspirale.pdf: eulerspirale.tex eulerpath.tex + pdflatex eulerspirale.tex + +pfad.pdf: pfad.tex + pdflatex pfad.tex + +apfel.pdf: apfel.tex apfel.jpg eulerpath.tex + pdflatex apfel.tex + +kruemmung.pdf: kruemmung.tex + pdflatex kruemmung.tex diff --git a/buch/papers/fresnel/images/apfel.jpg b/buch/papers/fresnel/images/apfel.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..76e48e7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/apfel.jpg diff --git a/buch/papers/fresnel/images/apfel.pdf b/buch/papers/fresnel/images/apfel.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..69e5092 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/apfel.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/apfel.tex b/buch/papers/fresnel/images/apfel.tex new file mode 100644 index 0000000..754886b --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/apfel.tex @@ -0,0 +1,49 @@ +% +% apfel.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{7} +\def\hoehe{4} + +\input{eulerpath.tex} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\begin{scope} +\clip(-0.6,-0.6) rectangle (7,6); +\node at (3.1,2.2) [rotate=-3] {\includegraphics[width=9.4cm]{apfel.jpg}}; +\end{scope} + +% 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]; +}{} + +\draw[color=gray!50] (0,0) rectangle (4,4); +\draw[->] (-0.5,0) -- (7.5,0) coordinate[label={$C(t)$}]; +\draw[->] (0,-0.5) -- (0,6.0) coordinate[label={left:$S(t)$}]; +\begin{scope}[scale=8] +\draw[color=red,opacity=0.5,line width=1.4pt] \fresnela; +\end{scope} + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.m b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.m new file mode 100644 index 0000000..84e3696 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.m @@ -0,0 +1,61 @@ +# +# eulerspirale.m +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschlue +# +global n; +n = 1000; +global tmax; +tmax = 10; +global N; +N = round(n*5/tmax); + +function retval = f(x, t) + x = pi * t^2 / 2; + retval = [ cos(x); sin(x) ]; +endfunction + +x0 = [ 0; 0 ]; +t = tmax * (0:n) / n; + +c = lsode(@f, x0, t); + +fn = fopen("eulerpath.tex", "w"); + +fprintf(fn, "\\def\\fresnela{ (0,0)"); +for i = (2:n) + fprintf(fn, "\n\t-- (%.4f,%.4f)", c(i,1), c(i,2)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fprintf(fn, "\\def\\fresnelb{ (0,0)"); +for i = (2:n) + fprintf(fn, "\n\t-- (%.4f,%.4f)", -c(i,1), -c(i,2)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fprintf(fn, "\\def\\Cplotright{ (0,0)"); +for i = (2:N) + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", t(i), c(i,1)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fprintf(fn, "\\def\\Cplotleft{ (0,0)"); +for i = (2:N) + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", -t(i), -c(i,1)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fprintf(fn, "\\def\\Splotright{ (0,0)"); +for i = (2:N) + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", t(i), c(i,2)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fprintf(fn, "\\def\\Splotleft{ (0,0)"); +for i = (2:N) + fprintf(fn, "\n\t-- ({%.4f*\\dx},{%.4f*\\dy})", -t(i), -c(i,2)); +end +fprintf(fn, "\n}\n\n"); + +fclose(fn); diff --git a/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.pdf b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..db74e4b --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.tex b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.tex new file mode 100644 index 0000000..38ef756 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/eulerspirale.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% +% eulerspirale.tex -- Darstellung der Eulerspirale +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{eulerpath.tex} + +\def\s{8} + +\begin{scope}[scale=\s] +\draw[color=blue] (-0.5,-0.5) rectangle (0.5,0.5); +\draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \fresnela; +\draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \fresnelb; +\fill[color=blue] (0.5,0.5) circle[radius={0.1/\s}]; +\fill[color=blue] (-0.5,-0.5) circle[radius={0.1/\s}]; +\draw (-0.5,{-0.05/\s}) -- (-0.5,{0.05/\s}); +\draw (0.5,{-0.05/\s}) -- (0.5,{-0.05/\s}); +\node at (-0.5,0) [above left] {$\frac12$}; +\node at (0.5,0) [below right] {$\frac12$}; +\node at (0,-0.5) [below right] {$\frac12$}; +\node at (0,0.5) [above left] {$\frac12$}; +\end{scope} + +\draw[->] (-6.7,0) -- (6.9,0) coordinate[label={$C(x)$}];; +\draw[->] (0,-5.8) -- (0,6.1) coordinate[label={left:$S(x)$}];; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.pdf b/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..c658901 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.tex b/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.tex new file mode 100644 index 0000000..20df951 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/fresnelgraph.tex @@ -0,0 +1,46 @@ +% +% fresnelgraph.tex -- Graphs of the fresnel functions +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{eulerpath.tex} +\def\dx{1.3} +\def\dy{2.6} + +\draw[color=gray] (0,{0.5*\dy}) -- ({5*\dx},{0.5*\dy}); +\draw[color=gray] (0,{-0.5*\dy}) -- ({-5*\dx},{-0.5*\dy}); + +\draw[color=blue,line width=1.4pt] \Splotright; +\draw[color=blue,line width=1.4pt] \Splotleft; + +\draw[color=red,line width=1.4pt] \Cplotright; +\draw[color=red,line width=1.4pt] \Cplotleft; + +\draw[->] (-6.7,0) -- (6.9,0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-2.3) -- (0,2.3) coordinate[label={$y$}]; + +\foreach \x in {1,2,3,4,5}{ + \draw ({\x*\dx},-0.05) -- ({\x*\dx},0.05); + \draw ({-\x*\dx},-0.05) -- ({-\x*\dx},0.05); + \node at ({\x*\dx},-0.05) [below] {$\x$}; + \node at ({-\x*\dx},0.05) [above] {$-\x$}; +} +\draw (-0.05,{0.5*\dy}) -- (0.05,{0.5*\dy}); +\node at (-0.05,{0.5*\dy}) [left] {$\frac12$}; +\draw (-0.05,{-0.5*\dy}) -- (0.05,{-0.5*\dy}); +\node at (0.05,{-0.5*\dy}) [right] {$-\frac12$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.pdf b/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..1180116 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.tex b/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.tex new file mode 100644 index 0000000..af0a1a9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/kruemmung.tex @@ -0,0 +1,51 @@ +% +% kruemmung.tex -- Krümmung einer ebenen Kurve +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\begin{scope} +\clip (-1,-1) rectangle (4,4); + +\def\r{3} +\def\winkel{30} + +\fill[color=blue!20] (0,0) -- (0:{0.6*\r}) arc (0:\winkel:{0.6*\r}) -- cycle; +\fill[color=blue!20] (\winkel:\r) + -- ($(\winkel:\r)+(0,{0.6*\r})$) arc (90:{90+\winkel}:{0.6*\r}) -- cycle; +\node[color=blue] at ({0.5*\winkel}:{0.45*\r}) {$\Delta\varphi$}; + +\node[color=blue] at ($(\winkel:\r)+({90+0.5*\winkel}:{0.45*\r})$) + {$\Delta\varphi$}; + +\draw[line width=0.3pt] (0,0) circle[radius=\r]; + +\draw[->] (0,0) -- (0:\r); +\draw[->] (0,0) -- (\winkel:\r); + +\draw[->] (0:\r) -- ($(0:\r)+(90:0.7*\r)$); +\draw[->] (\winkel:\r) -- ($(\winkel:\r)+({90+\winkel}:0.7*\r)$); +\draw[->,color=gray] (\winkel:\r) -- ($(\winkel:\r)+(0,0.7*\r)$); + +\draw[color=red,line width=1.4pt] (0:\r) arc (0:\winkel:\r); +\node[color=red] at ({0.5*\winkel}:\r) [left] {$\Delta s$}; +\fill[color=red] (0:\r) circle[radius=0.05]; +\fill[color=red] (\winkel:\r) circle[radius=0.05]; + +\node at (\winkel:{0.5*\r}) [above] {$r$}; +\node at (0:{0.5*\r}) [below] {$r$}; +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/images/pfad.pdf b/buch/papers/fresnel/images/pfad.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..df3c7af --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/pfad.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/pfad.tex b/buch/papers/fresnel/images/pfad.tex new file mode 100644 index 0000000..680cd78 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/pfad.tex @@ -0,0 +1,37 @@ +% +% pfad.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\fill[color=gray!40] (0,0) -- (2,0) arc (0:45:2) -- cycle; +\node at (22.5:1.4) {$\displaystyle\frac{\pi}4$}; + +\draw[->] (-1,0) -- (9,0) coordinate[label={$\operatorname{Re}$}]; +\draw[->] (0,-1) -- (0,6) coordinate[label={left:$\operatorname{Im}$}]; + +\draw[->,color=red,line width=1.4pt] (0,0) -- (7,0); +\draw[->,color=blue,line width=1.4pt] (7,0) arc (0:45:7); +\draw[->,color=darkgreen,line width=1.4pt] (45:7) -- (0,0); + +\node[color=red] at (3.5,0) [below] {$\gamma_1(t) = tR$}; +\node[color=blue] at (25:7) [right] {$\gamma_2(t) = Re^{it}$}; +\node[color=darkgreen] at (45:3.5) [above left] {$\gamma_3(t) = te^{i\pi/4}$}; + +\node at (7,0) [below] {$R$}; +\node at (45:7) [above] {$Re^{i\pi/4}$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/images/schale.pdf b/buch/papers/fresnel/images/schale.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..9c21951 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/schale.pdf diff --git a/buch/papers/fresnel/images/schale.pov b/buch/papers/fresnel/images/schale.pov new file mode 100644 index 0000000..085a6a4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/schale.pov @@ -0,0 +1,191 @@ +// +// schale.pov -- +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" + +#declare O = <0,0,0>; + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.036; + +camera { + location <40, 20, -20> + look_at <0, 0.5, 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> + } +} + +sphere { + <0, 0, 0>, 1 + pigment { + color rgb<0.8,0.8,0.8> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +#declare stripcolor = rgb<0.2,0.2,0.8>; + +#declare R = 1.002; + +#macro punkt(phi,theta) +R * < cos(phi) * cos(theta), sin(theta), sin(phi) * cos(theta) > +#end + +#declare N = 24; +#declare thetaphi = 0.01; +#declare thetawidth = pi * 0.008; +#declare theta = function(phi) { phi * thetaphi } + +#declare axisdiameter = 0.007; + +cylinder { + < 0, -2, 0>, < 0, 2, 0>, axisdiameter + pigment { + color White + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +#declare curvaturecircle = 0.008; +#declare curvaturecirclecolor = rgb<0.4,0.8,0.4>; + +#declare phit = 12.8 * 2 * pi; +#declare P = punkt(phit, theta(phit)); +#declare Q = <0, R / sin(theta(phit)), 0>; + +#declare e1 = vnormalize(P - Q) / tan(theta(phit)); +#declare e2 = vnormalize(vcross(e1, <0,1,0>)) / tan(theta(phit)); +#declare psimin = -0.1 * pi; +#declare psimax = 0.1 * pi; +#declare psistep = (psimax - psimin) / 30; + +union { + #declare psi = psimin; + #declare K = Q + cos(psi) * e1 + sin(psi) * e2; + #while (psi < psimax - psistep/2) + sphere { K, curvaturecircle } + #declare psi = psi + psistep; + #declare K2 = Q + cos(psi) * e1 + sin(psi) * e2; + cylinder { K, K2, curvaturecircle } + #declare K = K2; + #end + sphere { K, curvaturecircle } + pigment { + color curvaturecirclecolor + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + mesh { + #declare psi = psimin; + #declare K = Q + cos(psi) * e1 + sin(psi) * e2; + #while (psi < psimax - psistep/2) + #declare psi = psi + psistep; + #declare K2 = Q + cos(psi) * e1 + sin(psi) * e2; + triangle { K, K2, Q } + #declare K = K2; + #end + } + pigment { + color rgbt<0.4,0.8,0.4,0.5> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +union { + sphere { P, 0.02 } + sphere { Q, 0.02 } + cylinder { P, Q, 0.01 } + pigment { + color Red + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +#declare phisteps = 300; +#declare phistep = 2 * pi / phisteps; +#declare phimin = 0; +#declare phimax = N * 2 * pi; + +object { + mesh { + #declare phi = phimin; + #declare Poben = punkt(phi, theta(phi) + thetawidth); + #declare Punten = punkt(phi, theta(phi) - thetawidth); + triangle { O, Punten, Poben } + #while (phi < phimax - phistep/2) + #declare phi = phi + phistep; + #declare Poben2 = punkt(phi, theta(phi) + thetawidth); + #declare Punten2 = punkt(phi, theta(phi) - thetawidth); + triangle { O, Punten, Punten2 } + triangle { O, Poben, Poben2 } + triangle { Punten, Punten2, Poben } + triangle { Punten2, Poben2, Poben } + #declare Poben = Poben2; + #declare Punten = Punten2; + #end + triangle { O, Punten, Poben } + } + pigment { + color stripcolor + } + finish { + specular 0.8 + metallic + } +} + +union { + #declare phi = phimin; + #declare P = punkt(phi, theta(phi)); + #while (phi < phimax - phistep/2) + sphere { P, 0.003 } + #declare phi = phi + phistep; + #declare P2 = punkt(phi, theta(phi)); + cylinder { P, P2, 0.003 } + #declare P = P2; + #end + sphere { P, 0.003 } + pigment { + color stripcolor + } + finish { + specular 0.8 + metallic + } +} diff --git a/buch/papers/fresnel/images/schale.tex b/buch/papers/fresnel/images/schale.tex new file mode 100644 index 0000000..577ede4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/fresnel/images/schale.tex @@ -0,0 +1,77 @@ +% +% schlange.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} +\def\a{47} +\def\r{3.3} +\def\skala{0.95} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\begin{scope}[xshift=-7.4cm,yshift=-1.2cm] + \clip (-3.6,-2.2) rectangle (3.6,5.1); + + \fill[color=blue!20] (0,0) + -- ({180-\a}:{0.4*\r}) arc ({180-\a}:180:{0.4*\r}) + -- cycle; + \node[color=blue] at ({180-\a/2}:{0.3*\r}) {$\vartheta$}; + + \fill[color=blue!20] (0,{\r/sin(\a)}) + -- ($(0,{\r/sin(\a)})+({270-\a}:{0.3*\r})$) + arc ({270-\a}:270:{0.3*\r}) + -- cycle; + \node[color=blue] at ($(0,{\r/sin(\a)})+({270-\a/2}:{0.2*\r})$) + {$\vartheta$}; + + + \draw (0,0) circle[radius=\r]; + \draw[->] (0,-3.0) -- (0,5); + \draw ({-\r-0.2},0) -- ({\r+0.2},0); + \fill (0,0) circle[radius=0.06]; + + \draw (0,0) -- ({180-\a}:\r); + \node at ({180-\a+3}:{0.65*\r}) [above right] {$1$}; + + \draw[color=red,line width=1.4pt] + ({180-\a}:\r) -- (0,{\r/cos(90-\a)}); + \fill[color=red] ({180-\a}:\r) circle[radius=0.08]; + \fill[color=red] (0,{\r/cos(90-\a)}) circle[radius=0.08]; + \node[color=red] at (-1.0,3.7) [left] {$r=\cot\vartheta$}; + \node[color=red] at ({180-\a}:\r) [above left] {$P$}; + \node[color=red] at (0,{\r/sin(\a)}) [right] {$Q$}; +\end{scope} + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=7.6cm]{schale.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]; +}{} + +\node[color=red] at (-1.4,1.4) {$r$}; +\node[color=red] at (-2.2,-0.2) {$P$}; +\node[color=red] at (0,3.3) [right] {$Q$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/fresnel/main.tex b/buch/papers/fresnel/main.tex index bbaf7e6..2050fd4 100644 --- a/buch/papers/fresnel/main.tex +++ b/buch/papers/fresnel/main.tex @@ -3,29 +3,16 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:fresnel}} -\lhead{Thema} +\chapter{Fresnel-Integrale\label{chapter:fresnel}} +\lhead{Fresnel-Integrale} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} +\chapterauthor{Andreas Müller} -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} +{\parindent0pt Die} Fresnel-Integrale tauchen in der Untersuchung der Beugung +in paraxialer Näherung auf, auch bekannt als die Fresnel-Approximation. +In diesem Kapitel betrachen wir jedoch nur die geometrische +Anwendung der Fresnel-Integrale als Parametrisierung der Euler-Spirale +und zeigen, dass letztere eine Klothoide ist. \input{papers/fresnel/teil0.tex} \input{papers/fresnel/teil1.tex} diff --git a/buch/papers/fresnel/references.bib b/buch/papers/fresnel/references.bib index 84cd3bc..cf8fb21 100644 --- a/buch/papers/fresnel/references.bib +++ b/buch/papers/fresnel/references.bib @@ -33,3 +33,20 @@ url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} } +@online{fresnel:fresnelC, + url = { https://functions.wolfram.com/GammaBetaErf/FresnelC/introductions/FresnelIntegrals/ShowAll.html }, + title = { FresnelC }, + date = { 2022-05-13 } +} + +@online{fresnel:wikipedia, + url = { https://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_integral }, + title = { Fresnel Integral }, + date = { 2022-05-13 } +} + +@online{fresnel:schale, + url = { https://www.youtube.com/watch?v=D3tdW9l1690 }, + title = { A Strange Map Projection (Euler Spiral) - Numberphile }, + date = { 2022-05-14 } +} diff --git a/buch/papers/fresnel/teil0.tex b/buch/papers/fresnel/teil0.tex index 5e9fdaf..85b8bf7 100644 --- a/buch/papers/fresnel/teil0.tex +++ b/buch/papers/fresnel/teil0.tex @@ -1,22 +1,101 @@ % -% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung +% teil0.tex -- Definition % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{fresnel: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{fresnel: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. +\section{Definition\label{fresnel:section:teil0}} +\rhead{Definition} +Die Funktion $e^{x^2}$ hat bekanntermassen keine elementare Stammfunktion, +weshalb die Fehlerfunktion als Stammfunktion definiert wurde. +Die Funktionen $\cos x^2$ und $\sin x^2$ sind eng mit $e^{x^2}$ +verwandt, es ist daher nicht überraschend, dass sie ebenfalls +keine elementare Stammfunktionen haben. +Dies rechtfertigt die Definition der Fresnel-Integrale als neue spezielle +Funktionen. -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. +\begin{definition} +Die Funktionen +\begin{align*} +C(x) &= \int_0^x \cos\biggl(\frac{\pi}2 t^2\biggr)\,dt +\\ +S(x) &= \int_0^x \sin\biggl(\frac{\pi}2 t^2\biggr)\,dt +\end{align*} +heissen die Fresnel-Integrale. +\end{definition} +Der Faktor $\frac{\pi}2$ ist einigermassen willkürlich, man könnte +daher noch allgemeiner die Funktionen +\begin{align*} +C_a(x) &= \int_0^x \cos(at^2)\,dt +\\ +S_a(x) &= \int_0^x \sin(at^2)\,dt +\end{align*} +definieren, so dass die Funktionen $C(x)$ und $S(x)$ der Fall +$a=\frac{\pi}2$ werden, also +\[ +\begin{aligned} +C(x) &= C_{\frac{\pi}2}(x), +& +S(x) &= S_{\frac{\pi}2}(x). +\end{aligned} +\] +Durch eine Substitution $t=bs$ erhält man +\begin{align*} +C_a(x) +&= +\int_0^x \cos(at^2)\,dt += +b +\int_0^{\frac{x}b} \cos(ab^2s^2)\,ds += +b +C_{ab^2}\biggl(\frac{x}b\biggr) +\\ +S_a(x) +&= +\int_0^x \sin(at^2)\,dt += +b +\int_0^{\frac{x}b} \sin(ab^2s^2)\,ds += +b +S_{ab^2}\biggl(\frac{x}b\biggr). +\end{align*} +Indem man $ab^2=\frac{\pi}2$ setzt, also +\[ +b += +\sqrt{\frac{\pi}{2a}} +, +\] +kann man die Funktionen $C_a(x)$ und $S_a(x)$ durch $C(x)$ und $S(x)$ +ausdrücken: +\begin{align} +C_a(x) +&= +\sqrt{\frac{\pi}{2a}} +C\biggl(x +\sqrt{\frac{2a}{\pi}} +\biggr) +&&\text{und}& +S_a(x) +&= +\sqrt{\frac{\pi}{2a}} +S\biggl(x +\sqrt{\frac{2a}{\pi}} +\biggr). +\label{fresnel:equation:arg} +\end{align} +Im Folgenden werden wir meistens nur den Fall $a=1$, also die Funktionen +$C_1(x)$ und $S_1(x)$ betrachten, da in diesem Fall die Formeln einfacher +werden. +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/fresnel/images/fresnelgraph.pdf} +\caption{Graph der Funktionen $C(x)$ ({\color{red}rot}) +und $S(x)$ ({\color{blue}blau}) +\label{fresnel:figure:plot}} +\end{figure} +Die Abbildung~\ref{fresnel:figure:plot} zeigt die Graphen der +Funktion $C(x)$ und $S(x)$. diff --git a/buch/papers/fresnel/teil1.tex b/buch/papers/fresnel/teil1.tex index a2df138..c716cd7 100644 --- a/buch/papers/fresnel/teil1.tex +++ b/buch/papers/fresnel/teil1.tex @@ -1,55 +1,205 @@ % -% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper +% teil1.tex -- Euler-Spirale % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 1 -\label{fresnel: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{fresnel: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. +\section{Euler-Spirale +\label{fresnel:section:eulerspirale}} +\rhead{Euler-Spirale} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/fresnel/images/eulerspirale.pdf} +\caption{Die Eulerspirale ist die Kurve mit der Parameterdarstellung +$x\mapsto (C(x),S(x))$, sie ist rot dargestellt. +Sie windet sich unendlich oft um die beiden Punkte $(\pm\frac12,\pm\frac12)$. +\label{fresnel:figure:eulerspirale}} +\end{figure} +Ein besseres Verständnis für die beiden Funktionen $C(x)$ und $S(x)$ +als die Darstellung~\ref{fresnel:figure:plot} ermöglicht die +Abbildung~\ref{fresnel:figure:eulerspirale}, die die beiden Funktionen +als die $x$- und $y$-Koordinaten der Parameterdarstellung einer Kurve +zeigt. +Sie heisst die {\em Euler-Spirale}. +Die Spirale scheint sich für $x\to\pm\infty$ um die Punkte +$(\pm\frac12,\pm\frac12)$ zu winden. -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? +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/fresnel/images/pfad.pdf} +\caption{Pfad zur Berechnung der Grenzwerte $C_1(\infty)$ und +$S_1(\infty)$ mit Hilfe des Cauchy-Integralsatzes +\label{fresnel:figure:pfad}} +\end{figure} -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{fresnel: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{fresnel: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{fresnel: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. +\begin{satz} +Die Grenzwerte der Fresnel-Integrale für $x\to\pm\infty$ sind +\[ +\lim_{x\to\pm\infty} C(x) += +\lim_{x\to\pm\infty} S(x) += +\frac12. +\] +\end{satz} +\begin{proof}[Beweis] +Die komplexe Funktion +\( +f(z) = e^{-z^2} +\) +ist eine ganze Funktion, das Integral über einen geschlossenen +Pfad in der komplexen Ebene verschwindet daher. +Wir verwenden den Pfad in Abbildung~\ref{fresnel:figure:pfad} +bestehend aus den drei Segmenten $\gamma_1$ entlang der reellen +Achse von $0$ bis $R$, dem Kreisbogen $\gamma_2$ um $0$ mit Radius $R$ +und $\gamma_3$ mit der Parametrisierung $t\mapsto te^{i\pi/4}$. + +Das Teilintegral über $\gamma_1$ ist +\[ +\lim_{R\to\infty} +\int_{\gamma_1} e^{-z^2}\,dz += +\int_0^\infty e^{-t^2}\,dt += +\frac{\sqrt{\pi}}2. +\] +Das Integral über $\gamma_3$ ist +\begin{align*} +\lim_{R\to\infty} +\int_{\gamma_3} +e^{-z^2}\,dz +&= +-\int_0^\infty \exp(-t^2 e^{i\pi/2}) e^{i\pi/4}\,dt += +- +\int_0^\infty e^{-it^2}\,dt\, +e^{i\pi/4} +\\ +&= +-e^{i\pi/4}\int_0^\infty \cos t^2 - i \sin t^2\,dt +\\ +&= +-\frac{1}{\sqrt{2}}(1+i) +\bigl( +C_1(\infty) +-i +S_1(\infty) +\bigr) +\\ +&= +-\frac{1}{\sqrt{2}} +\bigl( +C_1(\infty)+S_1(\infty) ++ +i(C_1(\infty)-S_1(\infty)) +\bigr), +\end{align*} +wobei wir +\[ +C_1(\infty) = \lim_{R\to\infty} C_1(R) +\qquad\text{und}\qquad +S_1(\infty) = \lim_{R\to\infty} S_1(R) +\] +abgekürzt haben. +Das Integral über das Segment $\gamma_2$ lässt sich +mit der Parametrisierung +\( +\gamma_2(t) += +Re^{it} += +R(\cos t + i\sin t) +\) +wie folgt +abschätzen: +\begin{align*} +\biggl|\int_{\gamma_2} e^{-z^2} \,dz\biggr| +&= +\biggl| +\int_0^{\frac{\pi}4} +\exp(-R^2(\cos 2t + i\sin 2t)) iR e^{it}\,dt +\biggr| +\\ +&\le +R +\int_0^{\frac{\pi}4} +e^{-R^2\cos 2t} +\,dt +\le +R +\int_0^{\frac{\pi}4} +e^{-R^2(1-\frac{4}{\pi}t)} +\,dt. +\intertext{Dabei haben wir $\cos 2t\ge 1-\frac{4}\pi t$ verwendet. +Mit dieser Vereinfachung kann das Integral ausgewertet werden und +ergibt} +&= +Re^{-R^2} +\int_0^{\frac{\pi}4} +e^{R^2\frac{\pi}4t} +\,dt += +Re^{-R^2} +\biggl[ +\frac{4}{\pi R^2} +e^{R^2\frac{\pi}4t} +\biggr]_0^{\frac{\pi}4} += +\frac{4}{\pi R} +e^{-R^2}(e^{R^2}-1) += +\frac{4}{\pi R} +(1-e^{-R^2}) +\to 0 +\end{align*} +für $R\to \infty$. +Im Grenzwert $R\to \infty$ kann der Teil $\gamma_2$ des Pfades +vernachlässigt werden. + +Das Integral über den geschlossenen Pfad $\gamma$ verschwindet. +Da der Teil $\gamma_2$ keine Rolle spielt, müssen sich die +Integrale über $\gamma_1$ und $\gamma_3$ wegheben, also +\begin{align*} +0 += +\int_\gamma e^{-z^2}\,dz +&= +\int_{\gamma_1} e^{-z^2}\,dz ++ +\int_{\gamma_2} e^{-z^2}\,dz ++ +\int_{\gamma_3} e^{-z^2}\,dz +\\ +&\to +\frac{\sqrt{\pi}}2 +-\frac{1}{\sqrt{2}}(C_1(\infty)+S_1(\infty)) +-\frac{i}{\sqrt{2}}(C_1(\infty)-S_1(\infty)). +\end{align*} +Der Imaginärteil ist $C_1(\infty)-S_1(\infty)$, da er verschwinden +muss, folgt $C_1(\infty)=S_1(\infty)$. +Nach Multlikation mit $\sqrt{2}$ folgt aus der Tatsache, dass auch +der Realteil verschwinden muss +\[ +\sqrt{\frac{\pi}{2}} = C_1(\infty)+S_1(\infty) +\qquad +\Rightarrow +\qquad +C_1(\infty) += +S_1(\infty) += +\frac12 +\sqrt{ +\frac{\pi}{2} +}. +\] +Aus +\eqref{fresnel:equation:arg} +erhält man dann auch die Grenzwerte +\[ +C(\infty)=S(\infty)=\frac12. +\qedhere +\] +\end{proof} diff --git a/buch/papers/fresnel/teil2.tex b/buch/papers/fresnel/teil2.tex index 701c3ee..ec8c896 100644 --- a/buch/papers/fresnel/teil2.tex +++ b/buch/papers/fresnel/teil2.tex @@ -3,38 +3,177 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 2 -\label{fresnel: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{fresnel: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. +\section{Klothoide +\label{fresnel:section:klothoide}} +\rhead{Klothoide} +In diesem Abschnitt soll gezeigt werden, dass die Krümmung der +Euler-Spirale proportional zur vom Nullpunkt aus gemessenen Bogenlänge +ist. + +\begin{definition} +Eine ebene Kurve, deren Krümmung proportionale zur Kurvenlänge ist, +heisst {\em Klothoide}. +\end{definition} + +Die Klothoide wird zum Beispiel im Strassenbau für Autobahnkurven +verwendet. +Fährt man mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer Klothoide, +muss man die Krümmung mit konstaner Geschwindigkeit ändern, +also das Lenkrad mit konstanter Geschwindigkeit drehen. +Dies ermöglicht eine ruhige Fahrweise. + +\subsection{Krümmung einer ebenen Kurve} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/fresnel/images/kruemmung.pdf} +\caption{Berechnung der Krümmung einer ebenen Kurve. +\label{fresnel:figure:kruemmung}} +\end{figure} +Abbildung~\ref{fresnel:figure:kruemmung} erinnert daran, dass der +Bogen eines Kreises vom Radius $r$, entlang dem sich die Richtung +der Tangente um $\Delta\varphi$ ändert, die Länge +$\Delta s = r\Delta\varphi$. +Die Krümmung ist der Kehrwert des Krümmungsradius, daraus kann +man ablesen, dass +\[ +\kappa = \frac{1}{r} = \frac{\Delta \varphi}{\Delta s}. +\] +Für eine beliebige ebene Kurve ist daher die Krümmung +\[ +\kappa = \frac{d\varphi}{ds}. +\] + +\subsection{Krümmung der Euler-Spirale} +Wir betrachten jetzt die Euler-Spirale mit der Parametrisierung +$\gamma(s) = (C_1(s),S_1(s))$. +Zunächst stellen wir fest, dass die Länge der Tangente +\[ +\dot{\gamma}(s) += +\frac{d\gamma}{ds} += +\begin{pmatrix} +\dot{C}_1(s)\\ +\dot{S}_1(s) +\end{pmatrix} += +\begin{pmatrix} +\cos s^2\\ +\sin s^2 +\end{pmatrix} +\qquad\Rightarrow\qquad +|\dot{\gamma}(s)| += +\sqrt{\cos^2s^2+\sin^2s^2} += +1. +\] +Insbesondere ist der Parameter $s$ der Kurve $\gamma(s)$ die +Bogenlänge. + +Der zu $\dot{\gamma}(s)$ gehörige Polarwinkel kann aus dem Vergleich +mit einem Vektor mit bekanntem Polarwinkel $\varphi$ abgelesen werden: +\[ +\begin{pmatrix} +\cos \varphi\\ +\sin \varphi +\end{pmatrix} += +\dot{\gamma}(s) += +\begin{pmatrix} +\cos s^2\\\sin s^2 +\end{pmatrix}, +\] +der Polarwinkel +ist daher $\varphi = s^2$. +Die Krümmung ist die Ableitung des Polarwinkels nach $s$, also +\[ +\kappa += +\frac{d\varphi}{ds} += +\frac{ds^2}{ds} += +2s, +\] +sie ist somit proportional zur Bogenlänge $s$. +Damit folgt, dass die Euler-Spirale eine Klothoide ist. + +\subsection{Eine Kugel schälen} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics[width=\textwidth]{papers/fresnel/images/schale.pdf} +\caption{Schält man eine einen Streifen konstanter Breite beginnend am +Äquator von einer Kugel ab und breitet ihn in der Ebene aus, entsteht +eine Klothoide. +\label{fresnel:figure:schale}} +\end{figure} +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/fresnel/images/apfel.pdf} +\caption{Klothoide erhalten durch Abschälen eines Streifens von einem +Apfel (vgl.~Abbildung~\ref{fresnel:figure:schale}) +\label{fresnel:figure:apfel}} +\end{figure} +Schält man einen Streifen konstanter Breite beginnend parallel zum Äquator +von einer Kugel ab und breitet ihn in die Ebene aus, entsteht eine +Approximation einer Klothoide. +Abbildung~\ref{fresnel:figure:schale} zeigt blau den abgeschälten Streifen, +Abbildung~\ref{fresnel:figure:apfel} zeigt das Resultat dieses Versuches +an einem Apfel, das Youtube-Video \cite{fresnel:schale} des +Numberphile-Kanals illustriert das Problem anhand eines aufblasbaren +Globus. + +Windet sich die Kurve in Abbildung~\ref{fresnel:figure:schale} $n$ +mal um die vertikale Achse, bevor sie den Nordpol erreicht, dann kann +die Kurve mit der Funktion +\[ +\gamma(t) += +\begin{pmatrix} +\cos(t) \cos(t/n) \\ +\sin(t) \cos(t/n) \\ +\sin(t/n) +\end{pmatrix} +\] +parametrisiert werden. +Der Tangentialvektor +\[ +\dot{\gamma}(t) += +\begin{pmatrix} +-\sin(t)\cos(t/n) - \cos(t)\sin(t/n)/n \\ +\cos(t)\cos(t/n) - \sin(t)\sin(t/n)/n \\ +\cos(t/n)/n +\end{pmatrix} +\] +hat die Länge +\[ +| \dot{\gamma}(t) |^2 += +\frac{1}{n^2} ++ +\cos^2\frac{t}{n}. +\] +Die Ableitung der Bogenlänge ist daher +\[ +\dot{s}(t) += +\sqrt{ +\frac{1}{n^2} ++ +\cos^2\frac{t}{n} +}. +\] + + +Der Krümmungsradius des blauen Streifens, der die Kugel im Punkt $P$ bei +geographischer $\vartheta$ berührt, hat die Länge der Tangente, die +die Kugel im Punkt $P$ berührt und im Punkt $Q$ durch die Achse der +Kugel geht (Abbildung~\ref{fresnel:figure:schale}). +Die Krümmung in Abhängigkeit von $\vartheta$ ist daher $\tan\vartheta$. + + diff --git a/buch/papers/fresnel/teil3.tex b/buch/papers/fresnel/teil3.tex index d4f15f6..ceddbe0 100644 --- a/buch/papers/fresnel/teil3.tex +++ b/buch/papers/fresnel/teil3.tex @@ -3,38 +3,110 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 3 -\label{fresnel: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? +\section{Numerische Berechnung der Fresnel-Integrale +\label{fresnel:section:numerik}} +\rhead{Numerische Berechnung} +Die Fresnel-Integrale können mit verschiedenen Methoden effizient berechnet +werden. -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{fresnel: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. +\subsection{Komplexe Fehlerfunktionen} +Es wurde schon darauf hingewiesen, dass der Integrand der Fresnel-Integrale +mit $e^{t^2}$ verwandt ist. +Tatsächlich kann gezeigt werden dass sich die Fresnel-Integrale mit +Hilfe der komplexen Fehlerfunktion als +\[ +\left. +\begin{matrix} +S_1(z) +\\ +C_1(z) +\end{matrix} +\; +\right\} += +\frac{1\pm i}4\biggl( +\operatorname{erf}\biggl(\frac{1+i}2\sqrt{\pi}z\biggr) +\mp +\operatorname{erf}\biggl(\frac{1-i}2\sqrt{\pi}z\biggr) +\biggr) +\] +ausdrücken lassen \cite{fresnel:fresnelC}. +Diese Darstellung ist jedoch für die numerische Berechnung nur +beschränkt nützlich, weil die meisten Bibliotheken für die Fehlerfunktion +diese nur für reelle Argument auszuwerten gestatten. + +\subsection{Als Lösung einer Differentialgleichung} +Da die Fresnel-Integrale die sehr einfachen Differentialgleichungen +\[ +C'(x) = \cos \biggl(\frac{\pi}2 x^2\biggr) +\qquad\text{und}\qquad +S'(x) = \sin \biggl(\frac{\pi}2 x^2\biggr) +\] +erfüllen, kann man eine Methode zur numerischen Lösung von +Differentialgleichung verwenden. +Die Abbildungen~\ref{fresnel:figure:plot} und \ref{fresnel:figure:eulerspirale} +wurden auf diese Weise erzeugt. + +\subsection{Taylor-Reihe integrieren} +Die Taylorreihen +\begin{align*} +\cos x +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k)!} x^{2k} +&&\text{und}& +\sin x +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k+1)!} x^{2k+1} +\intertext{% +der trigonometrischen Funktionen werden durch Einsetzen von $x=t^2$ +zu} +\cos t^2 +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k)!} t^{4k} +&&\text{und}& +\sin t^2 +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k+1)!} t^{4k+2}. +\intertext{% +Die Fresnel-Integrale $C_1(x)$ und $S_1(x)$ können daher durch +termweise Integration mit Hilfe der Reihen} +C_1(x) +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k)!} \frac{x^{4k+1}}{4k+1} +&&\text{und}& +S_1(x) +&= +\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k+1)!} \frac{x^{4k+3}}{4k+3} +\end{align*} +berechnet werden. +Diese Reihen sind insbesondere für kleine Werte von $x$ sehr +schnell konvergent. + +\subsection{Hypergeometrische Reihen} +Aus der Reihenentwicklung kann jetzt auch eine Darstellung der +Fresnel-Integrale durch hypergeometrische Reihen gefunden werden +\cite{fresnel:fresnelC}. +Es ergibt sich +\begin{align*} +S(z) +&= +\frac{\pi z^3}{6} +\cdot +\mathstrut_1F_2\biggl( +\begin{matrix}\frac34\\\frac32,\frac74\end{matrix} +; +-\frac{\pi^2z^4}{16} +\biggr) +\\ +C(z) +&= +z +\cdot +\mathstrut_1F_2\biggl( +\begin{matrix}\frac14\\\frac12,\frac54\end{matrix} +; +-\frac{\pi^2z^4}{16} +\biggr). +\end{align*} diff --git a/buch/papers/kra/Makefile.inc b/buch/papers/kra/Makefile.inc index f453e6e..a521e4b 100644 --- a/buch/papers/kra/Makefile.inc +++ b/buch/papers/kra/Makefile.inc @@ -4,11 +4,10 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # dependencies-kra = \ - papers/kra/packages.tex \ + papers/kra/packages.tex \ papers/kra/main.tex \ - papers/kra/references.bib \ - papers/kra/teil0.tex \ - papers/kra/teil1.tex \ - papers/kra/teil2.tex \ - papers/kra/teil3.tex + papers/kra/references.bib \ + papers/kra/einleitung.tex \ + papers/kra/loesung.tex \ + papers/kra/anwendung.tex \ diff --git a/buch/papers/kra/anwendung.tex b/buch/papers/kra/anwendung.tex new file mode 100644 index 0000000..6383984 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/anwendung.tex @@ -0,0 +1,215 @@ +\section{Anwendung \label{kra:section:anwendung}} +\rhead{Anwendung} +\newcommand{\dt}[0]{\frac{d}{dt}} + +Die Matrix-Riccati Differentialgleichung findet unter anderem Anwendung in der Regelungstechnik beim RQ- und RQG-Regler oder aber auch beim Kalmanfilter. +Im folgenden Abschnitt möchten wir uns an einem Beispiel anschauen wie wir mit Hilfe der Matrix-Riccati Differentialgleichung (\ref{kra:equation:matrixriccati}) ein Feder-Masse-System untersuchen können \cite{kra:riccati}. + +\subsection{Feder-Masse-System} +Die einfachste Form eines Feder-Masse-Systems ist dargestellt in Abbildung \ref{kra:fig:simple_mass_spring}. +Es besteht aus einer reibungsfrei gelagerten Masse $m$ ,welche an eine Feder mit der Federkonstante $k$ gekoppelt ist. +Die im System wirkenden Kräfte teilen sich auf in die auf dem hookeschen Gesetz basierenden Rückstellkraft $F_R = k \Delta_x$ und der auf dem Aktionsprinzip basierenden Kraft $F_a = am = \ddot{x} m$. +Das Kräftegleichgewicht fordert $F_R = F_a$ woraus folgt, dass + +\begin{equation*} + k \Delta_x = \ddot{x} m \Leftrightarrow \ddot{x} = \frac{k \Delta_x}{m} +\end{equation*} +Die Funktion die diese Differentialgleichung löst, ist die harmonische Schwingung +\begin{equation} + x(t) = A \cos(\omega_0 t + \Phi), \quad \omega_0 = \sqrt{\frac{k}{m}} +\end{equation} +\begin{figure} + % move image to standalone because the physics package is + % incompatible with underbrace + \includegraphics{papers/kra/images/simple.pdf} + %\input{papers/kra/images/simple_mass_spring.tex} + \caption{Einfaches Feder-Masse-System.} + \label{kra:fig:simple_mass_spring} +\end{figure} +\begin{figure} + \input{papers/kra/images/multi_mass_spring.tex} + \caption{Feder-Masse-System mit zwei Massen und drei Federn.} + \label{kra:fig:multi_mass_spring} +\end{figure} + +\subsection{Hamilton-Funktion} +Die Bewegung der Masse $m$ kann mit Hilfe der hamiltonschen Mechanik im Phasenraum untersucht werden. +Die hamiltonschen Gleichungen verwenden dafür die verallgemeinerten Ortskoordinaten +$q = (q_{1}, q_{2}, ..., q_{n})$ und die verallgemeinerten Impulskoordinaten $p = (p_{1}, p_{2}, ..., p_{n})$, wobei der Impuls definiert ist als $p_k = m_k \cdot v_k$. +Liegen keine zeitabhängigen Zwangsbedingungen vor, so entspricht die Hamitlon-Funktion der Gesamtenergie des Systems \cite{kra:hamilton}. +Im Falle des einfachen Feder-Masse-Systems, Abbildung \ref{kra:fig:simple_mass_spring}, setzt sich die Hamilton-Funktion aus kinetischer und potentieller Energie zusammen. +\begin{equation} + \label{kra:harmonischer_oszillator} + \begin{split} + \mathcal{H}(q, p) &= T(p) + V(q) = E \\ + &= \underbrace{\frac{p^2}{2m}}_{E_{kin}} + \underbrace{\frac{k q^2}{2}}_{E_{pot}} + \end{split} +\end{equation} +Die Hamiltonschen Bewegungsgleichungen liefern \cite{kra:kanonischegleichungen} +\begin{equation} + \label{kra:hamilton:bewegungsgleichung} + \dot{q_{k}} = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_k} + \qquad + \dot{p_{k}} = -\frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_k} +\end{equation} +daraus folgt +\[ + \dot{q} = \frac{p}{m} + \qquad + \dot{p} = -kq +\] +in Matrixschreibweise erhalten wir also +\[ + \begin{pmatrix} + \dot{q} \\ + \dot{p} + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 0 & \frac{1}{m} \\ + -k & 0 + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + q \\ + p + \end{pmatrix} +\] +Für das erweiterte Federmassesystem, Abbildung \ref{kra:fig:multi_mass_spring}, können wir analog vorgehen. +Die kinetische Energie setzt sich nun aus den kinetischen Energien der einzelnen Massen $m_1$ und $m_2$ zusammen. +Die Potentielle Energie erhalten wir aus der Summe der kinetischen Energien der einzelnen Federn mit den Federkonstanten $k_1$, $k_c$ und $k_2$. +\begin{align*} + \begin{split} + T &= T_1 + T_2 \\ + &= \frac{p_1^2}{2m_1} + \frac{p_2^2}{2m_2} + \end{split} + \\ + \begin{split} + V &= V_1 + V_c + V_2 \\ + &= \frac{k_1 q_1^2}{2} + \frac{k_c (q_2 - q_1)^2}{2} + \frac{k_2 q_2^2}{2} + \end{split} +\end{align*} +Die Hamilton-Funktion ist also +\begin{align*} + \begin{split} + \mathcal{H} &= T + V \\ + &= \frac{p_1^2}{2m_1} + \frac{p_2^2}{2m_2} + \frac{k_1 q_1^2}{2} + \frac{k_c (q_2 - q_1)^2}{2} + \frac{k_2 q_2^2}{2} + \end{split} +\end{align*} +Die Bewegungsgleichungen \ref{kra:hamilton:bewegungsgleichung} liefern +\begin{align*} + \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_k} & = \dot{q_k} + \Rightarrow + \left\{ + \begin{alignedat}{2} + \dot{q_1} &= \frac{2p_1}{2m_1} &&= \frac{p_1}{m_1}\\ + \dot{q_2} &= \frac{2p_2}{2m_2} &&= \frac{p_2}{m_2} + \end{alignedat} + \right. + \\ + -\frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_k} & = \dot{p_k} + \Rightarrow + \left\{ + \begin{alignedat}{2} + \dot{p_1} &= -(\frac{2k_1q_1}{2} - \frac{2k_c(q_2-q_1)}{2}) &&= -q_1(k_1+k_c) + q_2k_c \\ + \dot{p_1} &= -(\frac{2k_c(q_2-q_1)}{2} - \frac{2k_2q_2}{2}) &&= q_1k_c - (k_c + k_2) + \end{alignedat} + \right. +\end{align*} +In Matrixschreibweise erhalten wir +\begin{equation} + \label{kra:hamilton:multispringmass} + \begin{pmatrix} + \dot{q_1} \\ + \dot{q_2} \\ + \dot{p_1} \\ + \dot{p_2} \\ + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 0 & 0 & \frac{1}{2m_1} & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2m_2} \\ + -(k_1 + k_c) & k_c & 0 & 0 \\ + k_c & -(k_c + k_2) & 0 & 0 \\ + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + q_1 \\ + q_2 \\ + p_1 \\ + p_2 \\ + \end{pmatrix} + \Leftrightarrow + \dt + \begin{pmatrix} + Q \\ + P \\ + \end{pmatrix} + = + \underbrace{ + \begin{pmatrix} + 0 & M \\ + K & 0 + \end{pmatrix} + }_{G} + \begin{pmatrix} + Q \\ + P \\ + \end{pmatrix} +\end{equation} + +\subsection{Phasenraum} +Der Phasenraum erlaubt die eindeutige Beschreibung aller möglichen Bewegungszustände eines mechanischen Systems durch einen Punkt. +Die Phasenraumdarstellung eignet sich somit sehr gut für die systematische Untersuchung der Feder-Masse-Systeme. + +\subsubsection{Harmonischer Oszillator} +Die Hamiltonfunktion des harmonischen Oszillators \ref{kra:harmonischer_oszillator} führt auf eine Lösung der Form +\begin{equation*} + q(t) = A \cos(\omega_0 T + \Phi), \quad p(t) = -m \omega_0 A \sin(\omega_0 t + \Phi) +\end{equation*} +die Phasenraumtrajektorien bilden also Ellipsen mit Zentrum $q=0, p=0$ und Halbachsen $A$ und $m \omega A$. +Abbildung \ref{kra:fig:phasenraum} zeigt Phasenraumtrajektorien mit den Energien $E_{x \in \{A, B, C, D\}}$ und verschiedenen Werten von $\omega$. +\begin{figure} + \input{papers/kra/images/phase_space.tex} + \caption{Phasenraumdarstellung des einfachen Feder-Masse-Systems.} + \label{kra:fig:phasenraum} +\end{figure} + +\subsubsection{Erweitertes Feder-Masse-System} +Wir intressieren uns nun dafür wie der Phasenwinkel $U = PQ^{-1}$ von der Zeit abhängt, +wir suchen also die Grösse $\Theta = \dt U$. +Ersetzten wir in der Gleichung \ref{kra:hamilton:multispringmass} die Matrix $G$ mit $\tilde{G}$ so erhalten wir +\begin{equation} + \dt + \begin{pmatrix} + Q \\ + P + \end{pmatrix} + = + \underbrace{ + \begin{pmatrix} + A & B \\ + C & D + \end{pmatrix} + }_{\tilde{G}} + \begin{pmatrix} + Q \\ + P + \end{pmatrix} +\end{equation} +Mit einsetzten folgt +\begin{align*} + \dot{Q} = AQ + BP \\ + \dot{P} = CQ + DP +\end{align*} +\begin{equation} + \begin{split} + \dt U &= \dot{P} Q^{-1} + P \dt Q^{-1} \\ + &= (CQ + DP) Q^{-1} - P (Q^{-1} \dot{Q} Q^{-1}) \\ + &= C\underbrace{QQ^{-1}}_\text{I} + D\underbrace{PQ^{-1}}_\text{U} - P(Q^{-1} (AQ + BP) Q^{-1}) \\ + &= C + DU - \underbrace{PQ^{-1}}_\text{U}(A\underbrace{QQ^{-1}}_\text{I} + B\underbrace{PQ^{-1}}_\text{U}) \\ + &= C + DU - UA - UBU + \end{split} +\end{equation} +was uns auf die Matrix-Riccati Gleichung \ref{kra:equation:matrixriccati} führt. + +% @TODO Einfluss auf anfangsbedingungen, plots? +% @TODO Fazit ? diff --git a/buch/papers/kra/einleitung.tex b/buch/papers/kra/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..cde2e66 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/einleitung.tex @@ -0,0 +1,14 @@ +\section{Einleitung} \label{kra:section:einleitung} +\rhead{Einleitung} +Die riccatische Differentialgleichung ist eine nicht lineare gewöhnliche Differentialgleichung erster Ordnung der Form +\begin{equation} + \label{kra:equation:riccati} + y' = f(x)y + g(x)y^2 + h(x) +\end{equation} +Sie ist benannt nach dem italienischen Grafen Jacopo Francesco Riccati (1676–1754) der sich mit der Klassifizierung von Differentialgleichungen befasste. +Als Riccati Gleichung werden auch Matrixgleichungen der Form +\begin{equation} + \label{kra:equation:matrixriccati} + \dot{X}(t) = C + DX(t) - X(t)A -X(t)BX(t) +\end{equation} +bezeichnet, welche aufgrund ihres quadratischen Terms eine gewisse Ähnlichkeit aufweisen \cite{kra:ethz} \cite{kra:riccati}. diff --git a/buch/papers/kra/images/Makefile b/buch/papers/kra/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..ef226a9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/Makefile @@ -0,0 +1,9 @@ +# +# Makefile -- build standalone images +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +# +all: simple.pdf + +simple.pdf: simple.tex simple_mass_spring.tex + pdflatex simple.tex diff --git a/buch/papers/kra/images/multi_mass_spring.tex b/buch/papers/kra/images/multi_mass_spring.tex new file mode 100644 index 0000000..f255cc8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/multi_mass_spring.tex @@ -0,0 +1,54 @@ +% create tikz drawing of a multi mass multi spring system + +\tikzstyle{vmline}=[red, dashed,line width=0.4,dash pattern=on 1pt off 1pt] +\tikzstyle{ground}=[pattern=north east lines] +\tikzstyle{mass}=[line width=0.6,red!30!black,fill=red!40!black!10,rounded corners=1,top color=red!40!black!20,bottom color=red!40!black!10,shading angle=20] +\tikzstyle{spring}=[line width=0.8,blue!7!black!80,snake=coil,segment amplitude=5,line cap=round] + +\begin{tikzpicture}[scale=2] + \newcommand{\ticks}[3] + { + % x, y coordinates + \draw[thick] (#1, #2 - 0.1 / 2) --++ (0, 0.1) node[scale=0.8,below=0.2] {#3}; + } + \tikzmath{ + \hWall = 1.2; + \wWall = 0.3; + \lWall = 5; + \hMass = 0.6; + \wMass = 1.1; + \xMass1 = 1.0; + \xMass2 = 3.0; + \xAxisYpos = 0; + \originX1 = 0; + \originY1 = 0.5; + \springscale=7; + } + + % create axis + \draw[->,thick] (0,\xAxisYpos) --+ (\xMass2 + \wMass, 0) node[right]{$q$}; + % create ticks on x / q axis + \ticks{\xMass1}{\xAxisYpos}{$q_{1}$} + \ticks{\xMass2}{\xAxisYpos}{$q_{2}$} + + % create non-moving backgrounds + \draw[ground] (\originX1, \originY1) ++ (0, 0) --+(\lWall,0) --+(\lWall, \hWall) + --+ (\lWall - \wWall, \hWall) --+(\lWall - \wWall, \wWall) --+ (\wWall, \wWall) --+(\wWall, \hWall) --+(0, \hWall) -- cycle; + + % create masses + \draw[mass] (\originX1, \originY1) ++ (\xMass1, \wWall) rectangle ++ (\wMass,\hMass) node[midway] {$m_{1}$}; + \draw[mass] (\originX1, \originY1) ++ (\xMass2, \wWall) rectangle ++ (\wMass,\hMass) node[midway] {$m_{2}$}; + + % create springs + \draw[spring, segment length=(\xMass1 - \wWall) * \springscale] (\originX1, \originY1) ++ + (\wWall, \wWall + \hMass / 2) --++ (\xMass1 - \wWall, 0) node[midway,above=0.2] {$k_1$}; + \draw[spring, segment length=(\xMass1 - \wWall) * \springscale] (\originX1, \originY1) ++ + (\xMass1 + \wMass, \wWall + \hMass / 2) --++ (\xMass2 - \xMass1 - \wMass, 0) node[midway,above=0.2] {$k_c$}; + \draw[spring, segment length=(\xMass1 - \wWall) * \springscale] (\originX1, \originY1) ++ + (\xMass2 + \wMass, \wWall + \hMass / 2) --++ (\lWall - \xMass2 - \wMass - \wWall, 0) node[midway,above=0.2] {$k_2$}; + + % create vertical measurement line + \draw[vmline] (\xMass1, \xAxisYpos) --+(0, \originY1 + \wWall); + \draw[vmline] (\xMass2, \xAxisYpos) --+(0, \originY1 + \wWall); + +\end{tikzpicture} diff --git a/buch/papers/kra/images/phase_space.tex b/buch/papers/kra/images/phase_space.tex new file mode 100644 index 0000000..cd51ea4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/phase_space.tex @@ -0,0 +1,67 @@ +\colorlet{mypurple}{red!50!blue!90!black!80} + +% style to create arrows +\tikzset{ + traj/.style 2 args={thick, postaction={decorate},decoration={markings, + mark=at position #1 with {\arrow{<}}, + mark=at position #2 with {\arrow{<}}} + } +} + +\begin{tikzpicture}[scale=0.6] + % p(t=0) = 0, q(t=0) = A, max(p) = mwA + \tikzmath{ + \axh = 5.2; + \axw1 = 4.2; + \axw2 = 4.8; + \d1 = 0.9; + \a0 = 1; + \b0 = 2; + \a1 = \a0 + \d1; + \b1 = \b0 + \d1; + \a2 = \a1 + \d1; + \b2 = \b1 + \d1; + \a3 = \a2 + \d1; + \b3 = \b2 + \d1; + \d2 = 0.75; + \aa0 = 2; + \bb0 = 1; + \aa1 = \aa0 + \d2; + \bb1 = \bb0 + \d2; + \aa2 = \aa1 + \d2; + \bb2 = \bb1 + \d2; + \aa3 = \aa2 + \d2; + \bb3 = \bb2 + \d2; + } + + \draw[->,thick] (-\axw1,0) -- (\axw1,0) node[right] {$q$}; + \draw[->,thick] (0,-\axh) -- (0,\axh) node[above] {$p$}; + + \draw[traj={0.375}{0.875},darkgreen] ellipse (\a0 and \b0); + \draw[traj={0.375}{0.875},blue] ellipse (\a1 and \b1); + \draw[traj={0.375}{0.875},cyan] ellipse (\a2 and \b2); + \draw[traj={0.375}{0.875},mypurple] ellipse (\a3 and \b3); + + \node[right,darkgreen] at (45:{\a0} and {\b0}) {$E_A$}; + \node[right, blue] at (45:{\a1} and {\b1}) {$E_B$}; + \node[right, cyan] at (45:{\a2} and {\b2}) {$E_C$}; + \node[right, mypurple] at (45:{\a3} and {\b3}) {$E_D$}; + \node[above left] at (110:\b3 + 0.1) {grosses $\omega$}; + + \begin{scope}[xshift=12cm] + \draw[->,thick] (-\axw2,0) -- (\axw2,0) node[right] {$q$}; + \draw[->,thick] (0,-\axh) -- (0,\axh) node[above] {$p$}; + + \draw[traj={0.375}{0.875},darkgreen] ellipse (\aa0 and \bb0); + \draw[traj={0.375}{0.875},blue] ellipse (\aa1 and \bb1); + \draw[traj={0.375}{0.875},cyan] ellipse (\aa2 and \bb2); + \draw[traj={0.375}{0.875},mypurple] ellipse (\aa3 and \bb3); + + \node[above, darkgreen] at (45:{\aa0} and {\bb0}) {$E_A$}; + \node[above, blue] at (45:{\aa1} and {\bb1}) {$E_B$}; + \node[above, cyan] at (45:{\aa2} and {\bb2}) {$E_C$}; + \node[above, mypurple] at (45:{\aa3} and {\bb3}) {$E_D$}; + + \node[above left] at (110:\b3 + 0.1) {kleines $\omega$}; + \end{scope} +\end{tikzpicture}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kra/images/simple.pdf b/buch/papers/kra/images/simple.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4351518 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/simple.pdf diff --git a/buch/papers/kra/images/simple.tex b/buch/papers/kra/images/simple.tex new file mode 100644 index 0000000..3bdde27 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/simple.tex @@ -0,0 +1,24 @@ +% +% tikztemplate.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\pgfplotsset{compat=1.16} +\usepackage[outline]{contour} +\usepackage{csvsimple} +\usepackage{physics} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\usetikzlibrary{patterns} +\usetikzlibrary{snakes} +\usetikzlibrary{arrows.meta} +\usetikzlibrary{decorations} +\usetikzlibrary{decorations.markings} +\begin{document} +\input{simple_mass_spring.tex} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/kra/images/simple_mass_spring.tex b/buch/papers/kra/images/simple_mass_spring.tex new file mode 100644 index 0000000..868362d --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/images/simple_mass_spring.tex @@ -0,0 +1,66 @@ +% create tikz drawing of a simple mass spring system + +\tikzstyle{hmline}=[{Latex[length=3.3,width=2.2]}-{Latex[length=3.3,width=2.2]},line width=0.3] +\tikzstyle{vmline}=[red, dashed,line width=0.4,dash pattern=on 1pt off 1pt] +\tikzstyle{ground}=[pattern=north east lines] +\tikzstyle{mass}=[line width=0.6,red!30!black,fill=red!40!black!10,rounded corners=1,top color=red!40!black!20,bottom color=red!40!black!10,shading angle=20] +\tikzstyle{spring}=[line width=0.8,blue!7!black!80,snake=coil,segment amplitude=5,line cap=round] + +\begin{tikzpicture}[scale=2,>=latex] + \newcommand{\ticks}[2] + { + % arguments: x, y coordinates + \draw[thick] (#1, #2 - 0.1 / 2) --++ (0, 0.1); + } + + \tikzmath{ + \hWall = 1.2; + \wWall = 0.3; + \lWall = 3.5; + \hMass = 0.6; + \wMass = 1.1; + \xMass1 = 1.2; + \xMass2 = 2.2; + \xAxisYpos = 0; + \originX1 = 0; + \originY1 = 0.5; + \originX2 = 0; + \originY2 = -2; + \springscale=7; + } + + % create x axis + \draw[->,thick] (0,\xAxisYpos) --+ (\lWall, 0) node[right]{$x$}; + + % create ticks on x axis + \ticks{\wWall}{\xAxisYpos} + \ticks{\xMass1}{\xAxisYpos} + \ticks{\xMass2}{\xAxisYpos} + + % create underground + \draw[ground] (\originX1, \originY1) ++ (0, 0) --+(\lWall,0) --+(\lWall, \wWall) --+(\wWall, \wWall) --+(\wWall, \hWall) --+(0, \hWall) -- cycle; + \draw[ground] (\originX2, \originY2) ++ (0, 0) --+(\lWall,0) --+(\lWall, \wWall) --+(\wWall, \wWall) --+(\wWall, \hWall) --+(0, \hWall) -- cycle; + + % create masses + \draw[mass] (\originX1, \originY1) ++ (\xMass1, \wWall) rectangle ++ (\wMass,\hMass) node[midway] {$m$}; + \draw[mass] (\originX2, \originY2) ++ (\xMass2, \wWall) rectangle ++ (\wMass,\hMass) node[midway] {$m$}; + + % create springs + \draw[spring, segment length=(\xMass1 - \wWall) * \springscale] (\originX1, \originY1) ++ + (\wWall, \wWall + \hMass / 2) --++ (\xMass1 - \wWall, 0) node[midway,above=3.5] {$k$}; + \draw[spring, segment length=(\xMass2 - \wWall) * \springscale] (\originX2, \originY2) ++ + (\wWall, \wWall + \hMass / 2) --++ (\xMass2 - \wWall, 0) node[midway,above=3.5] {$k$}; + + % create vertical measurement line + \draw[vmline] (\xMass1, \xAxisYpos) --+(0, \originY1 + \wWall); + \draw[vmline] (\xMass2, \xAxisYpos) --+(0, \originY2 + \hMass+\wWall); + \draw[vmline] (\wWall, \originY1+\wWall) --(\wWall, \originY2 + \hWall); + + % create horizontal measurement line + \draw[hmline] (\wWall, \xAxisYpos + 0.2) -- (\xMass1, \xAxisYpos + 0.2) node[midway,fill=white,inner sep=0] {$l_0$}; + \draw[hmline] (\xMass1, \xAxisYpos + 0.2) -- (\xMass2, \xAxisYpos + 0.2) node[midway,fill=white,inner sep=0] {$\Delta_{x}$}; + \draw[hmline] (\wWall, \xAxisYpos - 0.3) -- (\xMass2, \xAxisYpos - 0.3) node[midway,fill=white,inner sep=0] {$l_{1}$}; + + % create force arrow + \draw[->,blue, very thick,line cap=round] (\xMass2 + \wMass / 2, \originY2 + \wWall + \hMass + 0.15) node[above] {$\vb{F_{R}}$} --+ (-0.5, 0); +\end{tikzpicture} diff --git a/buch/papers/kra/loesung.tex b/buch/papers/kra/loesung.tex new file mode 100644 index 0000000..4e0da1c --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/loesung.tex @@ -0,0 +1,86 @@ +\section{Lösungsmethoden} \label{kra:section:loesung} +\rhead{Lösungsmethoden} + +\subsection{Riccatische Differentialgleichung} \label{kra:loesung:riccati} +Eine allgemeine analytische Lösung der Riccati Differentialgleichung ist nicht möglich. +Es gibt aber Spezialfälle, in denen sich die Gleichung vereinfachen lässt und so eine analytische Lösung gefunden werden kann. +Diese wollen wir im folgenden Abschnitt genauer anschauen. + +\subsubsection{Fall 1: Konstante Koeffizienten} +Sind die Koeffizienten $f(x), g(x), h(x)$ Konstanten, so lässt sich die DGL separieren und reduziert sich auf die Lösung des Integrals \ref{kra:equation:case1_int}. +\begin{equation} + y' = fy^2 + gy + h +\end{equation} +\begin{equation} + \frac{dy}{dx} = fy^2 + gy + h +\end{equation} +\begin{equation} \label{kra:equation:case1_int} + \int \frac{dy}{fy^2 + gy + h} = \int dx +\end{equation} + +\subsubsection{Fall 2: Bekannte spezielle Lösung} +Kennt man eine spezielle Lösung $y_p$ so kann die riccatische DGL mit Hilfe einer Substitution auf eine lineare Gleichung reduziert werden. +Wir wählen als Substitution +\begin{equation} \label{kra:equation:substitution} + z = \frac{1}{y - y_p} +\end{equation} +durch Umstellen von \ref{kra:equation:substitution} folgt +\begin{equation} + y = y_p + \frac{1}{z^2} \label{kra:equation:backsubstitution} +\end{equation} +\begin{equation} + y' = y_p' - \frac{1}{z^2}z' +\end{equation} +mit Einsetzten in die DGL \ref{kra:equation:riccati} folgt +\begin{equation} + y_p' - \frac{1}{z^2}z' = f(x)(y_p + \frac{1}{z}) + g(x)(y_p + \frac{1}{z})^2 + h(x) +\end{equation} +\begin{equation} + -z^{2}y_p' + z' = -z^2\underbrace{(y_{p}f(x) + g(x)y_p^2 + h(x))}_{y_p'} - z(f(x) + 2y_{p}g(x)) - g(x) +\end{equation} +was uns direkt auf eine lineare Differentialgleichung 1.Ordnung führt. +\begin{equation} + z' = -z(f(x) + 2y_{p}g(x)) - g(x) +\end{equation} +Diese kann nun mit den Methoden zur Lösung von linearen Differentialgleichungen 1.Ordnung gelöst werden. +Durch die Rücksubstitution \ref{kra:equation:backsubstitution} erhält man dann die Lösung von \ref{kra:equation:riccati}. + +\subsection{Matrix-Riccati Differentialgleichung} \label{kra:loesung:riccati} +% Lösung matrix riccati +Die Lösung der Matrix-Riccati Gleichung \ref{kra:equation:matrixriccati} erhalten wir nach \cite{kra:kalmanisae} folgendermassen +\begin{equation} + \label{kra:matrixriccati-solution} + \begin{pmatrix} + X(t) \\ + Y(t) + \end{pmatrix} + = + \Phi(t_0, t) + \begin{pmatrix} + I(t) \\ + U_0(t) + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + \Phi_{11}(t_0, t) & \Phi_{12}(t_0, t) \\ + \Phi_{21}(t_0, t) & \Phi_{22}(t_0, t) + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + I(t) \\ + U_0(t) + \end{pmatrix} +\end{equation} +\begin{equation} + U(t) = + \begin{pmatrix} + \Phi_{21}(t_0, t) + \Phi_{22}(t_0, t) + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + \Phi_{11}(t_0, t) + \Phi_{12}(t_0, t) + \end{pmatrix} + ^{-1} +\end{equation} +wobei $\Phi(t, t_0)$ die sogenannte Zustandsübergangsmatrix ist. +\begin{equation} + \Phi(t_0, t) = e^{H(t - t_0)} +\end{equation} diff --git a/buch/papers/kra/main.tex b/buch/papers/kra/main.tex index fcee25b..a84ebaf 100644 --- a/buch/papers/kra/main.tex +++ b/buch/papers/kra/main.tex @@ -3,34 +3,12 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Kalman, Riccati und Abel\label{chapter:kra}} -\lhead{Kalman, Riccati und Abel} +\chapter{Riccati Differentialgleichung\label{chapter:kra}} +\lhead{Riccati Differentialgleichung} \begin{refsection} - \chapterauthor{Samuel Niederer} - - 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/kra/teil0.tex} - \input{papers/kra/teil1.tex} - \input{papers/kra/teil2.tex} - \input{papers/kra/teil3.tex} - - \printbibliography[heading=subbibliography] + \chapterauthor{Samuel Niederer} + \input{papers/kra/einleitung.tex} + \input{papers/kra/loesung.tex} + \input{papers/kra/anwendung.tex} + \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/kra/packages.tex b/buch/papers/kra/packages.tex index df34dcf..56c48d9 100644 --- a/buch/papers/kra/packages.tex +++ b/buch/papers/kra/packages.tex @@ -8,3 +8,11 @@ % following example %\usepackage{packagename} +%\usepackage{physics} +\usepackage[outline]{contour} +\pgfplotsset{compat=1.16} +\usetikzlibrary{patterns} +\usetikzlibrary{snakes} +\usetikzlibrary{arrows.meta} +\usetikzlibrary{decorations} +\usetikzlibrary{decorations.markings} diff --git a/buch/papers/kra/presentation/presentation.tex b/buch/papers/kra/presentation/presentation.tex new file mode 100644 index 0000000..eb6541b --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/presentation/presentation.tex @@ -0,0 +1,491 @@ +\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} + +\usepackage{bm} % bold math +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{mathtools} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{multirow} % multi row in tables +\usepackage{booktabs} %toprule midrule bottomrue in tables +\usepackage{scrextend} +\usepackage{textgreek} +\usepackage[rgb]{xcolor} + +\usepackage[normalem]{ulem} % \sout + +\usepackage{ marvosym } % \Lightning + +\usepackage{multimedia} % embedded videos + +\usepackage{tikz} +\usepackage{pgf} +\usepackage{pgfplots} + +\usepackage{algorithmic} + +%citations +\usepackage[style=verbose,backend=biber]{biblatex} +\addbibresource{references.bib} + + +%math font +\usefonttheme[onlymath]{serif} + +%Beamer Template modifications +%\definecolor{mainColor}{HTML}{0065A3} % HSR blue +\definecolor{mainColor}{HTML}{D72864} % OST pink +\definecolor{invColor}{HTML}{28d79b} % OST pink +\definecolor{dgreen}{HTML}{38ad36} % Dark green + +%\definecolor{mainColor}{HTML}{000000} % HSR blue +\setbeamercolor{palette primary}{bg=white,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette secondary}{bg=orange,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette tertiary}{bg=yellow,fg=red} +\setbeamercolor{palette quaternary}{bg=mainColor,fg=white} %bg = Top bar, fg = active top bar topic +\setbeamercolor{structure}{fg=black} % itemize, enumerate, etc (bullet points) +\setbeamercolor{section in toc}{fg=black} % TOC sections +\setbeamertemplate{section in toc}[sections numbered] +\setbeamertemplate{subsection in toc}{% + \hspace{1.2em}{$\bullet$}~\inserttocsubsection\par} + +\setbeamertemplate{itemize items}[circle] +\setbeamertemplate{description item}[circle] +\setbeamertemplate{title page}[default][colsep=-4bp,rounded=true] +\beamertemplatenavigationsymbolsempty + +\setbeamercolor{footline}{fg=gray} +\setbeamertemplate{footline}{% + \hfill\usebeamertemplate***{navigation symbols} + \hspace{0.5cm} + \insertframenumber{}\hspace{0.2cm}\vspace{0.2cm} +} + +\usepackage{caption} +\captionsetup{labelformat=empty} + +%Title Page +\title{KRA} +\subtitle{Kalman Riccati Abel} +\author{Samuel Niederer} +% \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}} +\newcommand{\dt}[0]{\frac{d}{dt}} + +\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{Einführung} + +\begin{frame} + \begin{itemize} + \item<1|only@1> \textbf{K}alman + \item<1|only@1> \textbf{R}iccati + \item<1|only@1> \textbf{A}bel + + \item<2|only@2> \textcolor{red}{\sout{\textbf{K}alman}} + \item<2|only@2> \textbf{R}iccati + \item<2|only@2> \textbf{A}bel + + \item<3|only@3> \textcolor{red}{\sout{\textbf{K}alman}} \textcolor{green}{Federmassesytem} + \item<3|only@3> \textbf{R}iccati + \item<3|only@3> \textbf{A}bel + + \item<4|only@4> \textcolor{red}{\sout{\textbf{K}alman}} \textcolor{green}{Federmassesytem} + \item<4|only@4> \textbf{R}iccati + \item<4|only@4> \uwave{\textbf{A}bel} + \end{itemize} +\end{frame} + +\section{Riccati} + +\begin{frame} + \frametitle{Riccatische Differentialgleichung} + \begin{equation*} + % y'(x) = f(x)y^2(x) + g(x)y(x) + h(x) + x'(t) = f(t)x^2(t) + g(t)x(t) + h(t) + \end{equation*} + + \pause + + \begin{equation*} + \dot{X}(t) = - X(t)BX(t) - X(t)A + DX(t) + C + \end{equation*} + + % \pause + % Anwendungen + % \begin{itemize} + % \item Zeitkontinuierlicher Kalmanfilter + % \item Regelungstechnik LQ-Regler + % \item Federmassesyteme + % \end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Auftreten der Gleichung} + \begin{columns} + \column{0.4 \textwidth} + \begin{equation*} + \dt + \begin{pmatrix} + X \\ + Y + \end{pmatrix} + = + \underbrace{ + \begin{pmatrix} + A & B \\ + C & D + \end{pmatrix} + }_{H} + \begin{pmatrix} + X \\ + Y + \end{pmatrix} + \end{equation*} + + \pause + + \column{0.4 \textwidth} + \begin{equation*} + U = YX^{-1} \qquad \dt U = ? + \end{equation*} + \end{columns} + + \pause + + \begin{align*} + \dt U & = \dot{Y} X^{-1} + Y \dt X^{-1} \\ + \uncover<4->{ & = (CX + DY) X^{-1} - Y (X^{-1} \dot{X} X^{-1})\\} + \uncover<5->{ & = C\underbrace{XX^{-1}}_\text{I} + D\underbrace{YX^{-1}}_\text{U} - Y(X^{-1} (AX + BY) X^{-1})\\} + \uncover<6->{ & = C + DU - \underbrace{YX^{-1}}_\text{U}(A\underbrace{XX^{-1}}_\text{I} + B\underbrace{YX^{-1}}_\text{U})\\} + \uncover<7->{ & = C + DU - UA - UBU} + \end{align*} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Lösen der Gleichung} + \begin{equation*} + \begin{pmatrix} + X(t) \\ + Y(t) + \end{pmatrix} + = + \Phi(t_0, t) + \begin{pmatrix} + I(t) \\ + U_0(t) + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + \Phi_{11}(t_0, t) & \Phi_{12}(t_0, t) \\ + \Phi_{21}(t_0, t) & \Phi_{22}(t_0, t) + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + I(t) \\ + U_0(t) + \end{pmatrix} + \end{equation*} + + \pause + + \begin{equation*} + U(t) = + \begin{pmatrix} + \Phi_{21}(t_0, t) + \Phi_{22}(t_0, t) U_0(t) + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + \Phi_{11}(t_0, t) + \Phi_{12}(t_0, t) U_0(t) + \end{pmatrix} + ^{-1} + \end{equation*} + + \pause + + % wobei $\Phi(t, t_0)$ die sogennante Zustandsübergangsmatrix ist. + + \begin{equation*} + \Phi(t_0, t) = e^{H(t - t_0)} + \end{equation*} +\end{frame} + +\section{Federmassystem} +\begin{frame} + \frametitle{Federmassesystem} + \begin{columns} + \column{0.5 \textwidth} + \input{../images/simple_mass_spring.tex} + + \column{0.5 \textwidth} + \begin{align*} + \uncover<2->{F_R & = k \Delta_x \\} + \uncover<3->{F_a & = am = \ddot{x} m \\} + \uncover<4->{F_R & = F_a \Leftrightarrow k \Delta_x = \ddot{x} m\\} + \uncover<5->{\ddot{x} & = \frac{k \Delta_x}{m} \\} + \uncover<6->{x(t) & = A \cos(\omega_0 + \Phi), \quad \omega_0 = \sqrt{\frac{k}{m}}} + \end{align*} + \end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Phasenraum} + \begin{columns} + \column{0.3 \textwidth} + \begin{tikzpicture}[scale=3] + \draw[->, thick] (0, 0) -- (1,0) node[right] {$q$}; + \draw[->, thick] (0.5, -0.5) -- (0.5,0.5) node[above]{$p$}; + \end{tikzpicture} + \column{0.7 \textwidth} + Impulskoordinaten $p = (p_{1}, p_{2}, ..., p_{n}), \quad p=mv$ \\ + Ortskoordinaten $q = (q_{1}, q_{2}, ..., q_{n})$ \\ + + + + \begin{align*} + \uncover<2->{\mathcal{H}(q, p) & = \underbrace{T(p)}_{E_{kin}} + \underbrace{V(q)}_{E_{pot}} = E_{tot} \\} + \uncover<3->{ & = \frac{p^2}{2m}+ \frac{k q^2}{2}} + \end{align*} + + + + \begin{equation*} + \uncover<4->{ + \dot{q_{k}} = \frac{\partial \mathcal{H}}{\partial p_k} + \qquad + \dot{p_{k}} = -\frac{\partial \mathcal{H}}{\partial q_k} + } + \end{equation*} + + \pause + + \begin{equation*} + \uncover<5->{ + \begin{pmatrix} + \dot{q} \\ + \dot{p} + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 0 & \frac{1}{m} \\ + -k & 0 + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + q \\ + p + \end{pmatrix} + } + \end{equation*} + + \end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Phasenraum} + \input{../images/phase_space.tex} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Federmassesystem} + \begin{columns} + \column{0.6 \textwidth} + \scalebox{0.8}{\input{../images/multi_mass_spring.tex}} + \begin{align*} + \uncover<2->{\mathcal{H} & = T + V \\} + \uncover<7->{ & = \frac{p_1^2}{2m_1} + \frac{p_2^2}{2m_2} + \frac{k_1 q_1^2}{2} + \frac{k_c (q_2 - q_1)^2}{2} + \frac{k_2 q_2^2}{2}} + \end{align*} + + \column{0.4 \textwidth} + \begin{align*} + \uncover<3->{T & = T_1 + T_2} \\ + \uncover<5->{ & = \frac{p_1^2}{2m_1} + \frac{p_2^2}{2m_2} } \\ + \uncover<4->{V & = V_1 + V_c + V_2 } \\ + \uncover<6->{ & = \frac{k_1 q_1^2}{2} + \frac{k_c (q_2 - q_1)^2}{2} + \frac{k_2 q_2^2}{2}} + \end{align*} + \end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Federmassesystem} + \begin{equation*} + \begin{pmatrix} + \dot{q_1} \\ + \dot{q_2} \\ + \dot{p_1} \\ + \dot{p_2} \\ + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 0 & 0 & \frac{1}{2m_1} & 0 \\ + 0 & 0 & 0 & \frac{1}{2m_2} \\ + -(k_1 + k_c) & k_c & 0 & 0 \\ + k_c & -(k_c + k_2) & 0 & 0 \\ + \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} + q_1 \\ + q_2 \\ + p_1 \\ + p_2 \\ + \end{pmatrix} + \Leftrightarrow + \dt + \begin{pmatrix} + Q \\ + P \\ + \end{pmatrix} + \underbrace{ + \begin{pmatrix} + 0 & M \\ + K & 0 + \end{pmatrix} + }_{H} + \begin{pmatrix} + Q \\ + P \\ + \end{pmatrix} + \end{equation*} + + \pause + + $U = PQ^{-1} \qquad \dt U = ?$ + + \pause + + \begin{align*} + \dt U & = C + DU - UA - UBU \\ + & = K - UMU + \end{align*} + +\end{frame} + +\begin{frame} + \frametitle{Einfluss der Anfangsbedingung:} + \begin{columns} + \column{0.4 \textwidth} + \begin{equation*} + \uncover<2->{q_0 = + \begin{pmatrix} + q_{10} \\ + q_{20} + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 3 \\ + 1 + \end{pmatrix} + } + \end{equation*} + \begin{equation*} + \uncover<3->{q_0 = + \begin{pmatrix} + q_{10} \\ + q_{20} + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 3 \\ + 3 + \end{pmatrix} + } + \end{equation*} + \begin{equation*} + \uncover<4->{q_0 = + \begin{pmatrix} + q_{10} \\ + q_{20} + \end{pmatrix} + = + \begin{pmatrix} + 2 \\ + -2 + \end{pmatrix} + } + \end{equation*} + \column{0.6 \textwidth} + \scalebox{0.8}{\input{../images/multi_mass_spring.tex}} + \end{columns} +\end{frame} + +\section{Schlussteil} +\begin{frame} + \frametitle{Zusammenfassung} + \begin{itemize} + \pause + \item{Riccatische Differentialgleichung} + \pause + \begin{itemize} + \item{Ausgansgleichung} + \pause + \item{Lösung} + \end{itemize} + \pause + \item{Harmonischer Ozillator} + \pause + \begin{itemize} + \item{Hamiltonfunktion} + \pause + \item{Phasenraum} + \end{itemize} + \pause + \item{Gekoppelter harmonischer Ozillator} + \pause + \begin{itemize} + \item{Riccatische Differentialgleichung} + \pause + \item{Einfluss der Anfangsbedingungen} + \end{itemize} + \pause + \item{\uwave{Abel}} + \begin{itemize} + \pause + \item{Nichtlineare Federkonstante} + \end{itemize} + + \end{itemize} +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/buch/papers/kra/references.bib b/buch/papers/kra/references.bib index f13c3d8..a9a8ede 100644 --- a/buch/papers/kra/references.bib +++ b/buch/papers/kra/references.bib @@ -4,32 +4,42 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % -@online{kra:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} +@misc{kra:riccati, +title = {Riccatische Differentialgleichung}, +url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Riccatische_Differentialgleichung}, +date = {2022-05-26} } -@book{kra: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} +@misc{kra:ethz, +author = {Ch. Roduner}, +title = {Die-Riccati-Gleichung}, +url = {https://www.imrtweb.ethz.ch/users/geering/Riccati.pdf}, +date = {2022-05-26} } -@article{kra: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{kra:hamilton, + title = {Hamilton-Funktion}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Hamilton-Funktion}, + date = {2022-05-26} } +@misc{kra:kanonischegleichungen, + title = {Kanonische Gleichungen}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Kanonische_Gleichungen}, + date = {2022-05-26} +} + +@misc{kra:newton, + title = {Newtonsche Gesetze}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Newtonsche_Gesetze}, + date = {2022-05-26} +} + +@misc{kra:kalmanisae, + author = {D.Alazard}, + title = {Introduction to Kalman filtering}, + url = {https://pagespro.isae-supaero.fr/IMG/pdf/introKalman_e_151211.pdf}, + date = {2022-05-26} +} + + diff --git a/buch/papers/kra/scripts/animation.py b/buch/papers/kra/scripts/animation.py new file mode 100644 index 0000000..5e805ae --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/scripts/animation.py @@ -0,0 +1,243 @@ +import numpy as np
+import matplotlib.pyplot as plt
+import matplotlib.patches
+import matplotlib.transforms
+import matplotlib.text
+from matplotlib.animation import FuncAnimation
+import imageio
+
+from simulation import Simulation
+
+
+class Mass:
+ def __init__(self, x_0, width, height, **kwargs):
+ self._x_0 = x_0
+ xy = (x_0, 0)
+ self._rect = matplotlib.patches.Rectangle(xy, width, height, **kwargs)
+
+ @property
+ def patch(self):
+ return self._rect
+
+ @property
+ def x(self):
+ return self._rect.get_x()
+
+ @property
+ def width(self):
+ return self._rect.get_width()
+
+ def move(self, x):
+ self._rect.set_x(self._x_0 + x)
+
+
+class Spring:
+ def __init__(self, n, height, ax, resolution=1000, **kwargs):
+ self._n = n
+ self._height = height
+ self._N = resolution
+ (self._line,) = ax.plot([], [], "-", **kwargs)
+
+ def set(self, x_0, x_1):
+ T = (x_1 - x_0) / self._n
+ x = np.linspace(x_0, x_1, self._N, endpoint=True)
+ t = np.linspace(0, x_1 - x_0, self._N)
+ y = (np.sin(2 * np.pi * t / T) + 1.5) * self._height / 2
+ self.line.set_data(x, y)
+
+ @property
+ def line(self):
+ return self._line
+
+
+class LinePlot:
+ def __init__(self, ax, **kwargs):
+ (self._line,) = ax.plot([], [], "-", **kwargs)
+ self._x = []
+ self._y = []
+
+ @property
+ def line(self):
+ return self._line
+
+ def update(self, x, y):
+ self._x.append(x)
+ self._y.append(y)
+ self._line.set_data(self._x, self._y)
+
+
+class ScatterPlot:
+ def __init__(self, ax, **kwargs):
+ self._color = kwargs.get("color", "tab:green")
+ self._line = ax.scatter([], [], **kwargs)
+ self._ax = ax
+ self._x = []
+ self._y = []
+
+ @property
+ def line(self):
+ return self._line
+
+ def update(self, x, y, **kwargs):
+ self._x.append(x)
+ self._y.append(y)
+ self._line.remove()
+ self._line = self._ax.scatter(self._x, self._y, color=self._color, **kwargs)
+
+
+class QuiverPlot:
+ def __init__(self, ax, **kwargs):
+ self.x = []
+ self.y = []
+ self.u = []
+ self.v = []
+ self.ax = ax
+ self.ln = self.ax.quiver([], [], [], [])
+
+ def update(self, x, y, u, v):
+ self.x.append(x)
+ self.y.append(y)
+ self.u.append(u)
+ self.v.append(v)
+ self.ln.remove()
+ self.ln = self.ax.quiver(self.x, self.y, self.u, self.v)
+
+ @property
+ def line(self):
+ return self.ln
+
+
+anim_folder = "anim_0"
+img_counter = 0
+
+sim = Simulation()
+params = {
+ "x_0": [2, -2],
+ "k_1": 1,
+ "k_c": 2,
+ "k_2": 1,
+ "m_1": 0.5,
+ "m_2": 0.5,
+}
+
+time = 2.1
+
+
+# create axis
+fig = plt.figure(figsize=(20, 15), constrained_layout=True)
+fig.suptitle(
+ " ,".join([f"${key} = {val}$" for (key, val) in params.items()]), fontsize=20
+)
+spec = fig.add_gridspec(3, 4)
+ax0 = fig.add_subplot(spec[-1, :])
+ax1 = fig.add_subplot(spec[:-1, :2])
+ax2 = fig.add_subplot(spec[:-1, 2:])
+
+ax0.set_yticks([])
+
+mass_height = 0.5
+spring_height = 0.6 * mass_height
+x_max = 21
+y_max = 2 * mass_height
+
+mass_1 = Mass(
+ 7,
+ 2,
+ mass_height,
+ color="tab:red",
+)
+mass_2 = Mass(14, 2, mass_height, color="tab:blue")
+masses = [mass_1, mass_2]
+patches = [mass.patch for mass in masses]
+
+spring_1 = Spring(4, spring_height, ax0, color="tab:red", linewidth=10)
+spring_2 = Spring(4, spring_height, ax0, color="tab:gray", linewidth=10)
+spring_3 = Spring(4, spring_height, ax0, color="tab:blue", linewidth=10)
+springs = [spring_1, spring_2, spring_3]
+
+linePlot_1 = LinePlot(ax1, color="tab:red", label="$m_1$", alpha=1)
+linePlot_2 = LinePlot(ax1, color="tab:blue", label="$m_2$", alpha=1)
+linePlots = [linePlot_1, linePlot_2]
+
+# quiverPlot = QuiverPlot(ax2)
+scatterPlot = ScatterPlot(ax2)
+
+lines = [spring.line for spring in springs]
+lines.extend([plot.line for plot in linePlots])
+# lines.append(quiverPlot.line)
+lines.append(scatterPlot.line)
+
+objects = lines + patches
+
+ax0.plot(
+ np.repeat(mass_1.x, 2),
+ [0, y_max],
+ "--",
+ color="tab:red",
+ label="Ruhezustand $m_1$",
+)
+ax0.plot(
+ np.repeat(mass_2.x, 2),
+ [0, y_max],
+ "--",
+ color="tab:blue",
+ label="Ruhezustand $m_2$",
+)
+
+
+def init():
+ ax0.set_xlim(0, x_max)
+ ax0.set_ylim(0, y_max)
+
+ ax1.set_xlim(0, time)
+ ax1.set_ylim(-4, 4)
+ ax1.set_xlabel("time", fontsize=20)
+ ax1.set_ylabel("$q$", fontsize=20)
+
+ ax2.set_xlim(-4, 4)
+ ax2.set_ylim(-4, 4)
+ ax2.set_xlabel("$q_1$", fontsize=20)
+ ax2.set_ylabel("$q_2$", fontsize=20)
+
+ for patch in patches:
+ ax0.add_patch(patch)
+
+ spring_1.set(0, mass_1.x)
+ spring_2.set(mass_1.x + mass_1.width, mass_2.x)
+ spring_2.set(mass_2.x + mass_2.width, x_max)
+
+ return objects
+
+
+def update(frame):
+ global img_counter
+ x_1, x_2 = sim(frame, **params)
+
+ mass_1.move(x_1)
+ mass_2.move(x_2)
+
+ spring_1.set(0, mass_1.x)
+ spring_2.set(mass_1.x + mass_1.width, mass_2.x)
+ spring_3.set(mass_2.x + mass_2.width, x_max)
+
+ linePlot_1.update(frame, x_1)
+ linePlot_2.update(frame, x_2)
+
+ scatterPlot.update(x_1, x_2, alpha=0.25)
+
+ img_counter += 1
+ return objects
+
+
+anim = FuncAnimation(
+ fig,
+ update,
+ frames=np.linspace(0, time, int(time * 30)),
+ init_func=init,
+ blit=False,
+)
+
+ax0.legend(fontsize=20)
+ax1.legend(fontsize=20)
+FFwriter = matplotlib.animation.FFMpegWriter(fps=30)
+anim.save("animation.mp4", writer=FFwriter)
diff --git a/buch/papers/kra/scripts/simulation.py b/buch/papers/kra/scripts/simulation.py new file mode 100644 index 0000000..8bccb6a --- /dev/null +++ b/buch/papers/kra/scripts/simulation.py @@ -0,0 +1,40 @@ +import sympy as sp
+
+
+class Simulation:
+ def __init__(self):
+ self.k_1, self.k_2, self.k_c = sp.symbols("k_1 k_2 k_c")
+ self.m_1, self.m_2 = sp.symbols("m_1 m_2")
+ self.t = sp.symbols("t")
+ K = sp.Matrix(
+ [[-(self.k_1 + self.k_c), self.k_c], [self.k_c, -(self.k_2 + self.k_c)]]
+ )
+ M = sp.Matrix([[1 / self.m_1, 0], [0, 1 / self.m_2]])
+ A = M * K
+
+ self.eigenvecs = []
+ self.eigenvals = []
+ for ev, mult, vecs in A.eigenvects():
+ self.eigenvecs.append(sp.Matrix(vecs))
+ self.eigenvals.extend([ev] * mult)
+
+ def __call__(self, t, x_0, k_1, k_c, k_2, m_1, m_2):
+ params = {
+ self.k_1: k_1,
+ self.k_c: k_c,
+ self.k_2: k_2,
+ self.m_1: m_1,
+ self.m_2: m_2,
+ }
+ x_0 = sp.Matrix(x_0)
+ eig_mat = sp.Matrix.hstack(*self.eigenvecs).subs(params)
+ g = eig_mat.inv() * x_0
+ L = sp.Matrix(
+ [
+ g[0] * sp.cos(self.eigenvals[0].subs(params) * self.t),
+ g[1] * sp.cos(self.eigenvals[1].subs(params) * self.t),
+ ]
+ )
+ x = eig_mat * L
+ f = sp.lambdify(self.t, x, "numpy")
+ return f(t).squeeze()
diff --git a/buch/papers/kra/teil0.tex b/buch/papers/kra/teil0.tex deleted file mode 100644 index d06a055..0000000 --- a/buch/papers/kra/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{kra: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{kra: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/kra/teil1.tex b/buch/papers/kra/teil1.tex deleted file mode 100644 index 0c0977d..0000000 --- a/buch/papers/kra/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{kra: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{kra: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{kra: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{kra: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{kra: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/kra/teil2.tex b/buch/papers/kra/teil2.tex deleted file mode 100644 index 249f078..0000000 --- a/buch/papers/kra/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{kra: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{kra: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/kra/teil3.tex b/buch/papers/kra/teil3.tex deleted file mode 100644 index 2515c7d..0000000 --- a/buch/papers/kra/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{kra: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{kra: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/kreismembran/Makefile b/buch/papers/kreismembran/Makefile index ce3c89f..a13f2cf 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/Makefile +++ b/buch/papers/kreismembran/Makefile @@ -4,6 +4,6 @@ # (c) 2020 Prof Dr Andreas Mueller # -images: - @echo "no images to be created in kreismembran" +images/TikzSaite.pdf: images/TikzSaite.tex + cd images && pdflatex TikzSaite.tex diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/Saite.pdf b/buch/papers/kreismembran/images/Saite.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..0f87c93 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/Saite.pdf diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.pdf b/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..f95ceb9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.pdf diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.tex b/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.tex new file mode 100644 index 0000000..bf3d8f6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/TikzSaite.tex @@ -0,0 +1,57 @@ +% vim: ts=2 sw=2 et : +\documentclass[tikz, border=2mm]{standalone} + +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} + +\begin{document} + \begin{tikzpicture}[ + axis/.style = {very thick, -latex}, + axis tick/.style = { + draw, draw = black, fill = black, rectangle, + inner sep = 0pt, + minimum height = 2mm, + minimum width = 1pt, + }, + string/.style = { + ultra thick, draw = black, + }, + string end/.style = { + string, circle, fill = gray, + inner sep = 0pt, minimum size = 1mm, + }, + force/.style = { + very thick, draw = gray, -latex, + }, + ] + + % axes + \draw[axis] (0, 0) -- (8cm, 0) node[right] {$x$}; + \draw[axis] (0, 0) -- (0, 5cm) node[above] {$u(x, t)$}; + + % axes ticks + \node[axis tick, label = {-90:$x_0$}] at (2cm, 0) {}; + \node[axis tick, label = {-90:$x_0 + dx$}] at (6cm, 0) {}; + + % string + \coordinate (A) at (2cm, 2cm); + \coordinate (B) at (6cm, 4cm); + + \draw[string] (A) to[out = 40, in = 200] (B); + + \draw[force] (A) -- ++(220:15mm) node[gray, below right] {$T_1$}; + \draw[force] (B) -- ++(20:15mm) node[gray, above left] {$T_2$}; + + \draw[dashed, gray, thick] (A) -- ++(-15mm, 0); + \draw[gray, thick] (A) ++ (-7mm,0) arc (180:220:7mm) + node[midway, left] {$\alpha$}; + + \draw[dashed, gray, thick] (B) -- ++(15mm, 0); + \draw[gray, thick] (B) ++ (7mm,0) arc (0:20:7mm) + node[pos = 0, below] {$\beta$}; + + \node[string end, label={110:$P_1$}] at (A) {}; + \node[string end, label={110:$P_2$}] at (B) {}; + + \end{tikzpicture} +\end{document} diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/mask_absorber.png b/buch/papers/kreismembran/images/mask_absorber.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5d0cccf --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/mask_absorber.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/mask_disk.png b/buch/papers/kreismembran/images/mask_disk.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4b38163 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/mask_disk.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_1.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_1.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..84c7c1f --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_1.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_2.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_2.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ac6312a --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_2.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_3.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_3.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..9388074 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_3.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_4.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_4.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..e25b4a0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_4.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_5.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_5.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..638ec92 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_5.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_6.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_6.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7678da5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_1_6.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_2_1.png b/buch/papers/kreismembran/images/sim_2_1.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..c3c7a03 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_2_1.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/images/sim_2_2.png 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100644 index 0000000..9c475eb --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/images/sim_2_6.png diff --git a/buch/papers/kreismembran/main.tex b/buch/papers/kreismembran/main.tex index 67b436c..f6000a1 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/main.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/main.tex @@ -3,34 +3,16 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:kreismembran}} -\lhead{Thema} +\chapter{Schwingungen einer kreisförmigen Membran\label{chapter:kreismembran}} +\lhead{Schwingungen einer kreisförmigen Membran} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} - -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} +\chapterauthor{Andrea Mozzini Vellen und Tim Tönz} \input{papers/kreismembran/teil0.tex} \input{papers/kreismembran/teil1.tex} \input{papers/kreismembran/teil2.tex} \input{papers/kreismembran/teil3.tex} +\input{papers/kreismembran/teil4.tex} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/kreismembran/references.bib b/buch/papers/kreismembran/references.bib index 0b6a683..65173f8 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/references.bib +++ b/buch/papers/kreismembran/references.bib @@ -4,6 +4,25 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % +@online{kreismembran:Duden:Membran, + title = {Duden:Membran}, + url = {https://www.duden.de/rechtschreibung/Membran}, + date = {2022-07-20}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {20} +} + +@online{kreismembran:wellengleichung_herleitung, + title = {Derivation of the 2D Wave Equation}, + author = {Dr. Christopher Lum}, + url = {https://www.youtube.com/watch?v=KAS7JBztw8E&t=0s}, + date = {2022-07-20}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {20} +} + @online{kreismembran:bibtex, title = {BibTeX}, url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, @@ -24,7 +43,7 @@ } @article{kreismembran:mendezmueller, - author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, + author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, title = { Noncommutative harmonic analysis and image registration }, journal = { Appl. Comput. Harmon. Anal.}, year = 2019, @@ -33,3 +52,47 @@ url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} } +@book{kreismembran:Digital_Image_processing, + edition = {Fourth Edition}, + title = {Digital Image Processing}, + publisher = {Pearson}, + author = {Rafael C. Gozales and Richard E. Woods}, + date = {2018}, +} + +@book{lokenath_debnath_integral_2015, + edition = {Third Edition}, + title = {Integral Tansforms and Their Applications}, + publisher = {{CRC} Press}, + author = {{Lokenath Debnath} and Dambaru Bhatta}, + date = {2015}, +} + +@thesis{nishanth_p_vibrations_2018, + title = {Vibrations of a Circular Membrane - Some Undergraduadte Exercises}, + type = {phdthesis}, + author = {{Nishanth P.} and {Udayanandan K. M.}}, + date = {2018}, +} + +@thesis{prof_dr_horst_knorrer_kreisformige_2013, + title = {Kreisförmige Membranen}, + institution = {{ETHZ}}, + type = {phdthesis}, + author = {{Prof. Dr. Horst Knörrer}}, + date = {2013}, +} + +@thesis{kreismembran:membrane_vs_thin_plate, + title = {Modeling and Control of SPIDER Satellite Components}, + institution = {{faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University}}, + type = {Dissertation}, + author = {{Eric John Ruggiero Doctor of Philosophy In Mechanical Engineering}}, + date = {2005}, +} + +@online{noauthor_laplace_nodate, + title = {Laplace Transform of Bessel Function of the First Kind of Order Zero - {ProofWiki}}, + url = {https://proofwiki.org/wiki/Laplace_Transform_of_Bessel_Function_of_the_First_Kind_of_Order_Zero}, + urldate = {2022-08-15}, +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil0.tex b/buch/papers/kreismembran/teil0.tex index e4b1711..e962aab 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil0.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil0.tex @@ -3,20 +3,93 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{kreismembran: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{kreismembran: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. +\section{Einleitung\label{kreismembran:section:teil0}} +\rhead{Membran} +Eine Membran oder selten ein Schwingblatt ist laut Duden \cite{kreismembran:Duden:Membran} ein ``dünnes Blättchen aus Metall, Papier o. Ä., das durch seine Schwingungsfähigkeit geeignet ist, Schallwellen zu übertragen \dots''. +Ein dünnes Blättchen aus Metall zeig jedoch nicht die selben dynamischen Eigenschaften wie ein gespanntes Stück Papier. +Beschreibt man das dynamische Verhalten, muss zwischen einer dünnen Platte und einer Membran unterschieden werden \cite{kreismembran:membrane_vs_thin_plate}. +Eine dünne Platte zum Beispiel aus Metall, wirkt selbst entgegen ihrer Deformation, sobald sie gekrümmt wird. +Eine Membran auf der anderen Seite besteht aus einem Material, welches sich ohne Kraftaufwand verbiegen lässt, wie zum Beispiel Papier. +Bevor Papier als schwingende Membran betrachtet werden kann, wird jedoch noch eine Spannung $ T $ benötigt, welche das Material daran hindert, aus der Ruhelage gebracht zu werden. -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. +Ein geläufiges Beispiel einer Kreismembran ist eine runde Trommel. +Sie besteht herkömmlicherweise aus einem Leder (Fell), welches auf einen offenen Zylinder (Zargen) aufgespannt wird. +Das Leder alleine erzeugt nach einem Aufschlag keine hörbaren Schwingungen. +Sobald das Fell jedoch über den Zargen gespannt wird, kann das Fell auf verschiedensten Weisen weiter schwingen, was für den Klang der Trommel verantwortlich ist. +Wie genau diese Schwingungen untersucht werden können, wird in der folgenden Arbeit diskutiert. + +\subsection{Annahmen} \label{kreimembran:annahmen} +Um die Wellengleichung herzuleiten \cite{kreismembran:wellengleichung_herleitung}, muss ein Modell einer Membran definiert werden. +Das untersuchte Modell erfüllt folgende Eigenschaften: +\begin{enumerate}[i)] + \item Die Membran ist homogen. + Dies bedeutet, dass die Membran über die ganze Fläche die selbe Dichte $ \rho $ und Elastizität hat. + Durch die konstante Elastizität ist die ganze Membran unter gleichmässiger Spannung $ T $. + \item Die Membran ist perfekt flexibel. + Damit ist gemeint, dass die Membran ohne Kraftaufwand verbogen werden kann. + Die Membran ist dadurch nicht allein stehend schwingfähig, hierzu muss sie mit einer Kraft $ T $ gespannt werden. + \item Die Membran kann sich nur in Richtung ihrer Normalen in kleinem Ausmass auslenken. + Auslenkungen in der Ebene der Membran sind nicht möglich. + \item Die Membran erfährt keine Art von Dämpfung. + Die Membran wird also nicht durch ihr umliegendes Medium abgebremst noch erfährt sie Reibungsverluste durch Deformation. + +\end{enumerate} +\subsection{Wellengleichung} Um die Wellengleichung einer Membran herzuleiten, wird vorerst eine schwingende Saite betrachtet. +Es lohnt sich, das Verhalten einer Saite zu beschreiben, da eine Saite dasselbe Verhalten wie eine Membran aufweist, mit dem Unterschied einer fehlenden Dimension. +Die Verbindung zwischen Membran und Saite ist intuitiv ersichtlich, stellt man sich einen Querschnitt einer Trommel vor. +\begin{figure} + + \begin{center} + % \includegraphics[width=5cm,angle=-90]{papers/kreismembran/images/Saite.pdf} + \includegraphics[]{papers/kreismembran/images/TikzSaite.pdf} + \caption{Infinitesimales Stück einer Saite} + \label{kreismembran:im:Saite} + \end{center} +\end{figure} + +In Abbildung \ref{kreismembran:im:Saite} ist ein infinitesimales Stück einer Saite mit Länge $ dx $ skizziert. +Wie für die Membran ist die Annahme iii) gültig, es entsteht keine Bewegung entlang der $ x $-Achse. +Um dies zu erfüllen, muss der Punkt $ P_1 $ gleich stark entgegen der $ x $-Achse gezogen werden wie der Punkt $ P_2 $ in Richtung der $ x $-Achse gezogen wird. +Ist $ T_1 $ die Kraft, welche mit Winkel $ \alpha $ auf Punkt $ P_1 $ wirkt sowie $ T_2 $ und $ \beta$ das analoge für Punkt $ P_2 $ ist, so können die Kräfte +\begin{equation}\label{kreismembran:eq:no_translation} + T_1 \cos \alpha = T_2 \cos \beta = T +\end{equation} +gleichgesetzt werden. +Das dynamische Verhalten der senkrechten Auslenkung $ u(x,t) $ muss das newtonsche Gesetz +\begin{equation*} + \sum F = m \cdot a +\end{equation*} +befolgen. Die senkrecht wirkenden Kräfte werden mit $ T_1 $ und $ T_2 $ ausgedrückt, die Masse als Funktion der Dichte $ \rho $ und die Beschleunigung in Form der zweiten Ableitung als +\begin{equation*} + T_2 \sin \beta - T_1 \sin \alpha = \rho dx \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} . +\end{equation*} +Die Gleichung wird durch $ T $ dividiert, wobei $ T $ nach \eqref{kreismembran:eq:no_translation} geschickt gewählt wird. Somit kann +\begin{equation*} + \frac{T_2 \sin \beta}{T_2 \cos \beta} - \frac{T_1 \sin \alpha}{T_1 \cos \alpha} = \frac{\rho dx}{T} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} +\end{equation*} +vereinfacht als +\begin{equation*} + \tan \beta - \tan \alpha = \frac{\rho dx}{T} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} +\end{equation*} +geschrieben werden. +Der $ \tan \alpha $ entspricht der örtlichen Ableitung von $ u(x,t) $ an der Stelle $ x_0 $ und analog der $ \tan \beta $ für die Stelle $ x_0 + dx $. +Die Gleichung wird dadurch zu +\begin{equation*} + \frac{\partial u}{\partial x} \bigg|_{x_0 + dx} - \frac{\partial u}{\partial x} \bigg|_{x_0} = \frac{\rho dx}{T} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}. +\end{equation*} +Durch die Division mit $ dx $ entsteht +\begin{equation*} + \frac{1}{dx} \left[\frac{\partial u}{\partial x} \bigg|_{x_0 + dx} - \frac{\partial u}{\partial x} \bigg|_{x_0}\right] = \frac{\rho}{T}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}. +\end{equation*} +Auf der linken Seite der Gleichung wird die Differenz der Steigungen durch die Intervalllänge geteilt. +Wenn $ dx $ als unendlich kleines Stück betrachtet wird, ergibt sich als Grenzwert die zweite Ableitung von $ u(x,t) $ nach $ x $. +Der Term $ \frac{\rho}{T} $ wird durch $ c^2 $ ersetzt, da der Bruch für eine gegebene Membran eine positive Konstante sein muss. +Damit resultiert die in der Literatur gebräuchliche Form +\begin{equation} + \label{kreismembran:Ausgang_DGL} + \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} = \Delta u. +\end{equation} +In dieser Form ist die Gleichung auch gültig für eine Membran. +Für den Fall einer Membran muss lediglich der Laplace-Operator $\Delta$ in zwei Dimensionen verwendet werden.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil1.tex b/buch/papers/kreismembran/teil1.tex index b715075..a9b2fad 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil1.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil1.tex @@ -2,54 +2,128 @@ % teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% -\section{Teil 1 -\label{kreismembran: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{kreismembran: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{kreismembran: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{kreismembran: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{kreismembran: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. +\section{Lösungsmethode 1: Separationsmethode + \label{kreismembran:section:teil1}} +\rhead{Lösungsmethode 1: Separationsmethode} +An diesem Punkt bleibt also ``nur'' noch die Lösung der partiellen Differentialgleichung. In diesem Abschnitt wird sie mit Hilfe der Separationsmethode gelöst. + +\subsection{Aufgabestellung\label{sub:aufgabestellung}} +Wie im vorherigen Abschnitt gezeigt, lautet die partielle Differentialgleichung, die die Schwingungen einer Membran beschreibt: +\begin{equation*} + \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} = \Delta u. +\end{equation*} +Da es sich um eine Kreisscheibe handelt, werden Polarkoordinaten verwendet, so dass sich der Laplaceoperator +\begin{equation*} + \Delta + = + \frac{\partial^2}{\partial r^2} + + + \frac1r + \frac{\partial}{\partial r} + + + \frac{1}{r^2} + \frac{\partial^2}{\partial\varphi^2} + \label{buch:pde:kreis:laplace} +\end{equation*} +ergibt. + +Es wird eine runde elastische Membran berücksichtigt, die das Gebiet $\Omega$ abdeckt und am Rand $\Gamma$ befestigt ist. +Es wirken keine äusseren Kräfte. Es handelt sich somit von einer kreisförmligen eingespannten homogenen schwingenden Membran nach den Annahmen von Abschnitt \ref{kreimembran:annahmen}. + +Daher ist die Membranabweichung im Punkt $(r,\varphi)$ $\in$ $\overline{\rm \Omega}$ zum Zeitpunkt $t$: +\begin{align*} + u: \overline{\rm \Omega} \times \mathbb{R}_{\geq 0} &\longrightarrow \mathbb{R}\\ + (r,\varphi,t) &\longmapsto u(r,\varphi,t) +\end{align*} +Um die Vergleichbarkeit der beiden nachfolgend vorgestellten Lösungsverfahren in Abschnitt \ref{kreismembran:vergleich} zu vereinfachen, werden keine Randbedingungen vorgegeben. + +Um eine eindeutige Lösung bestimmen zu können, werden die folgenden Anfangsbedingungen festgelegt zur Zeit $t = \text{0}$: +\begin{align*} + u(r,\varphi, 0) &= f(r,\varphi)\\ + u_t(r,\varphi, 0) &= g(r,\varphi). +\end{align*} + +\subsection{Lösung\label{sub:lösung1}} +Nun wird das in Abschnitt \ref{sub:aufgabestellung} vorgestellte Problem mit Hilfe der Separationsmethode gelöst. +\subsubsection{Ansatz der Separation der Variablen\label{subsub:ansatz_separation}} +Hierfür wird folgenden Ansatz gemacht: +\begin{equation*} + u(r,\varphi, t) = F(r)G(\varphi)T(t). +\end{equation*} +Dank der Randbedingungen kann gefordert werden, dass $F(R)=0$ ist, und natürlich, dass $G(\varphi)$ $2\pi$-periodisch ist. Eingesetzt in der Differenzialgleichung ergibt sich nach Division durch $u$: +\begin{equation*} + \frac{1}{c^2}\frac{T''(t)}{T(t)}=-\kappa^2=\frac{F''(r)}{F(r)}+\frac{1}{r}\frac{F'(r)}{F(r)}+\frac{1}{r^2}\frac{G''(\varphi)}{G(\varphi)}. +\end{equation*} +Da die linke Seite nur von $t$ und die rechte Seite nur von $r$ und $\varphi$ abhängt, müssen sie gleich einer reellen Zahl sein. +Laut Annahme iv) in \ref{kreimembran:annahmen} erfährt die Membran keine Dämpfung. +Daher werden Lösungen gesucht, die weder exponentiell in der Zeit wachsen noch exponentiell abklingen. +Dies bedeutet, dass die Konstante negativ sein muss, also schreibt man $-\kappa^2$. Daraus ergeben sich die folgenden zwei Gleichungen: +\begin{align*} + T''(t) + c^2\kappa^2T(t) &= 0\\ + r^2\frac{F''(r)}{F(r)} + r \frac{F'(r)}{F(r)} +\kappa^2 r^2 &= - \frac{G''(\varphi)}{G(\varphi)}. +\end{align*} +In der zweiten Gleichung hängt die linke Seite nur von $r$ ab, während die rechte Seite nur von $\varphi$ abhängt. Sie müssen also wiederum gleich einer reellen Zahl $\nu$ sein. Also: +\begin{align*} + r^2F''(r) + rF'(r) + (\kappa^2 r^2 - \nu)F(r) = 0 \quad \text{und} \quad + G''(\varphi) = \nu G(\varphi). +\end{align*} + +\subsubsection{Lösung für $G(\varphi)$\label{subsub:lösung_G}} +Da für die zweite Gleichung Lösungen von Schwingungen erwartet werden, für die $G''(\varphi)=-n^2 G(\varphi)$ gilt, schreibt man die gemeinsame Konstante als $\nu=-n^2$, was die Formeln später vereinfacht. $n$ muss auch eine ganze Zahl sein, weil $G(\varphi)$ sonst nicht $2\pi$-periodisch ist. Also: +\begin{equation*} + G(\varphi) = C_n \cos(n\varphi) + D_n \sin(n\varphi) + \label{eq:cos_sin_überlagerung} +\end{equation*} + +\subsubsection{Lösung für $F(r)$\label{subsub:lösung_F}} +Die Gleichung für $F$ hat die Gestalt (Verweis auf \label{buch:differentialgleichungen:bessel-operator} +\begin{align} + r^2F''(r) + rF'(r) + (\kappa^2 r^2 - n^2)F(r) = 0 + \label{eq:2nd_degree_PDE} +\end{align} +Wie bereits in Kapitel \ref{buch:differntialgleichungen:section:bessel} gezeigt, sind die Bessel-Funktionen +\begin{equation*} + J_{n}(x) = r^n \displaystyle\sum_{m=0}^{\infty} \frac{(-1)^m x^{2m}}{2^{2m+n}m! \Gamma (n + m+1)} +\end{equation*} +Lösungen der Besselschen Differenzialgleichung +\begin{equation*} + x^2 y'' + xy' + (\kappa^2 - n^2)y = 0 +\end{equation*} +Die Funktionen $F(r) = J_n(\kappa r)$ lösen die Differentialgleichung \eqref{eq:2nd_degree_PDE}. + +\subsubsection{Lösung für $T(t)$\label{subsub:lösung_T}} +Die Differenzialgleichung $T''(t) + c^2\kappa^2T(t) = 0$, wird auf ähnliche Weise gelöst wie $G(\varphi)$. Um eine Einschränkung der möglichen Frequenzen zu erhalten und die Lösung als Reihe schreiben zu können, muss die folgende homogene Randbedingung definiert werden: +\begin{equation*} + u\big|_{\Gamma} = 0 \quad \text{für} \quad 0 \leq \varphi \leq 2\pi,\quad t \geq 0, +\end{equation*} +welche die $\kappa$ auf mögliche werte $\kappa_{mn}$ einschränkt. +\subsubsection{Zusammenfassung der Lösungen\label{subsub:zusammenfassung_lösungen}} +Durch Überlagerung aller Ergebnisse erhält man die Lösung +\begin{align} + u(r, \varphi, t) = \displaystyle\sum_{m=1}^{\infty}\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} J_n (k_{mn}r)[a_{mn}\cos(n\varphi) + b_{mn}\sin(n\varphi)](n\varphi)[c_{mn}\cos(c \kappa_{mn} t)+d_{mn}\sin(c \kappa_{mn} t)] + \label{eq:lösung_endliche_generelle} +\end{align} + +Dabei sind $m$ und $n$ ganze Zahlen, wobei $m$ für die Anzahl der Knotenkreise und $n$ +für die Anzahl der Knotenlinien steht. Es gibt bestimmte Bereiche auf der Membran, in denen es keine Bewegung oder Vibration gibt. Wenn der nicht schwingende Bereich ein Kreis ist, nennt man ihn einen Knotenkreis, und wenn er eine Linie ist, nennt man ihn ebenfalls eine Knotenlinie (siehe Abbildung \ref{buch:pde:kreis:fig:pauke}). $J_n(\kappa_{mn}r)$ ist die Besselfunktion $n$-ter Ordnung, wobei $\kappa mn$ die Wellenzahl und $r$ der Radius ist. $a_{mn}$ und $b_{mn}$ sind die zu bestimmenden Konstanten. + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=\textwidth]{chapters/090-pde/bessel/pauke.pdf} + %\includegraphics{chapters/090-pde/bessel/pauke.pdf} + \caption{Vorzeichen der Lösungsfunktionen und Knotenlinien + für verschiedene Werte von $\mu$ und $k$. + Die Bereiche, in denen die Lösungsfunktion positiv sind, ist + rot dargestellt, die negativen Bereiche blau. + In jeder Darstellung gibt es genau $k+\mu$ Knotenlinien. + Die Radien der kreisförmigen Knotenlinien müssen aus den Nullstellen + der Besselfunktionen berechnet werden. + \label{buch:pde:kreis:fig:pauke}} +\end{figure} + +\begin{center} + * \quad *\quad * +\end{center} +An diesem Punkt stellte sich die Frage, ob es möglich wäre, die partielle Differentialgleichung mit einer anderen Methode als der der Trennung der Variablen zu lösen. Nach einer kurzen Recherche wurde festgestellt, dass eine weitere Methode die Transformationsmethode ist, genauer gesagt die Anwendung der Hankel-Transformation. Im nächsten Kapitel wird daher diese Integraltransformation vorgestellt und entwickelt, und es wird erläutert, warum sie für diese Art von Problem geeignet ist. diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil2.tex b/buch/papers/kreismembran/teil2.tex index 7ed217f..4ceeb84 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil2.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil2.tex @@ -1,40 +1,107 @@ % -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 2 -\label{kreismembran: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{kreismembran: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. +\section{Die Hankel Transformation \label{kreismembran:section:teil2}} +\rhead{Die Hankel Transformation} + +Hermann Hankel (1839--1873) war ein deutscher Mathematiker, der für seinen Beitrag zur mathematischen Analysis und insbesondere für die nach ihm benannte Transformation bekannt ist. +Diese Transformation tritt bei der Untersuchung von Funktionen auf, die nur von der Entfernung des Ursprungs abhängen. +Er untersuchte auch Funktionen, jetzt Hankel- oder Bessel-Funktionen genannt, der dritten Art. +Die Hankel-Transformation, die die Bessel-Funktion enthält, taucht natürlich bei achsensymmetrischen Problemen auf, die in zylindrischen Polarkoordinaten formuliert sind. +In diesem Abschnitt werden die Theorie der Transformation und einige Eigenschaften der Grundoperationen erläutert. + +\subsubsection{Definition der Hankel-Transformation \label{subsub:hankel_tansformation}} +Wir führen die Definition der Hankel-Transformation \cite{lokenath_debnath_integral_2015} aus der zweidimensionalen Fourier-Trans\-formation und ihrer Umkehrung ein, die durch: +\begin{align} + \mathscr{F}\{f(x,y)\} & = F(k,l)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-i( \bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}f(x,y) \; dx \; dy,\label{equation:fourier_transform}\\ + \mathscr{F}^{-1}\{F(x,y)\} & = f(x,y)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\int_{-\infty}^{\infty}e^{i(\bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}F(k,l) \; dx \; dy \label{equation:inv_fourier_transform} +\end{align} +definiert ist, wobei $\mathbf{r}=(x,y)$ und $\bm{\kappa}=(k,l)$. Polarkoordinaten sind für diese Art von Problem am besten geeignet. Mit $(x,y)=r(\cos\theta,\sin\theta)$ und $(k,l)=\kappa(\cos\phi,\sin\phi)$ findet man $\bm{\kappa}\cdot\mathbf{r}=\kappa r(\cos(\theta-\phi))$ und danach: +\begin{align} + F(k,\phi)=\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{\infty}r \; dr \int_{0}^{2\pi}e^{-ikr\cos(\theta-\phi)}f(r,\theta) \; d\phi. + \label{equation:F_ohne_variable_wechsel} +\end{align} +Dann wird angenommen, dass $f(r,\theta)=e^{in\theta}f(r)$, was keine strenge Einschränkung ist, weil die \textit{Fourier-Theorie} besagt, dass sich jede Funktion durch Überlagerung solcher Terme darstellen lässt. Es wird auch eine Änderung der Variabeln vorgenommen $\theta-\phi=\alpha-\frac{\pi}{2}$, um \eqref{equation:F_ohne_variable_wechsel} zu reduzieren: +\begin{align} + F(k,\phi)=\frac{1}{2\pi}\int_{0}^{\infty}rf(r) \; dr \int_{\phi_{0}}^{2\pi+\phi_{0}}e^{in(\phi-\frac{\pi}{2})+i(n\alpha-kr\sin\alpha)} \; d\alpha, + \label{equation:F_ohne_bessel} +\end{align} +wo $\phi_{0}=(\frac{\pi}{2}-\phi)$. + +Unter Verwendung der Integraldarstellung +\begin{equation*} + J_n(\kappa r)=\frac{1}{2\pi}\int_{\phi_{0}}^{2\pi + \phi_{0}}e^{i(n\alpha-\kappa r \sin \alpha)} \; d\alpha + \label{equation:bessel_n_ordnung} +\end{equation*} + der Bessel-Funktion vom Ordnung $n$ \eqref{buch:fourier:eqn:bessel-integraldarstellung} wird \eqref{equation:F_ohne_bessel} zu: +\begin{align} + F(k,\phi)&=e^{in(\phi-\frac{\pi}{2})}\int_{0}^{\infty}rJ_n(\kappa r) f(r) \; dr \nonumber \\ + &=e^{in(\phi-\frac{\pi}{2})}\tilde{f}_n(\kappa), + \label{equation:F_mit_bessel_step_2} +\end{align} +wo $\tilde{f}_n(\kappa)$ ist die \textit{Hankel-Transformation} von $f(r)$ und ist formell definiert durch: +\begin{align} + \mathscr{H}_n\{f(r)\}=\tilde{f}_n(\kappa)=\int_{0}^{\infty}rJ_n(\kappa r) f(r) \; dr. + \label{equation:hankel} +\end{align} + +\subsubsection{Inverse Hankel-Transformation \label{subsub:inverse_hankel_tansformation}} +Wie bei der Entwicklung der Hankel-Transformation können auch für die Umkehrformel Analogien zur Fourier-Transformation hergestellt werden. Vergleicht man die beiden Transformationen, so stellt man fest, dass sie sehr ähnlich sind, wenn man den Term $J_n(\kappa r)$ der Hankel-Transformation durch $e^{-i( \bm{\kappa}\cdot \mathbf{r})}$ der Fourier-Transformation ersetzt. Diese beide Funktionen sind orthogonal, und bei orthogonalen Matrizen genügt bekanntlich die Transponierung, um sie zu invertieren. Da das Skalarprodukt der Bessel-Funktionen jedoch nicht dasselbe ist wie das der Exponentialfunktionen, muss man durch $\kappa\; d\kappa$ statt nur durch $d\kappa$ integrieren, um die Umkehrfunktion zu erhalten. + +Die inverse \textit{Hankel-Transformation} ist also als +\begin{align} + \mathscr{H}^{-1}_n\{\tilde{f}_n(\kappa)\}=f(r)=\int_{0}^{\infty}\kappa J_n(\kappa r) \tilde{f}_n(\kappa) \; d\kappa. + \label{equation:inv_hankel} +\end{align} +definiert. + +Die Integrale \eqref{equation:hankel} und \eqref{equation:inv_hankel} existieren für bestimmte grosse Klassen von Funktionen, die normalerweise in physikalischen Anwendungen vorkommen. + +Alternativ dazu kann die berühmte Hankel-Integralformel + +\begin{align*} + f(r) = \int_{0}^{\infty}\kappa J_n(\kappa r) \; d\kappa \int_{0}^{\infty} p J_n(\kappa p)f(p) \; dp, + \label{equation:hankel_integral_formula} +\end{align*} +verwendet werden, um die Hankel-Transformation \eqref{equation:hankel} und ihre Umkehrung \eqref{equation:inv_hankel} zu definieren. + +Insbesondere die Hankel-Transformation der nullten Ordnung ($n=0$) und der ersten Ordnung ($n=1$) sind häufig nützlich, um Lösungen für Probleme mit der Laplace Gleichung in einer achsensymmetrischen zylindrischen Geometrie zu finden. + +\subsection{Operatoreigenschaften der Hankel-Transformation \label{sub:op_properties_hankel}} +In diesem Kapitel werden die operativen Eigenschaften der Hankel-Transformation aufgeführt. Die Beweise für ihre Gültigkeit werden jedoch nicht analysiert, diese sind im Buch \textit{Integral Tansforms and Their Applications} \cite{lokenath_debnath_integral_2015} zu finden. + +\begin{satz}{Skalierung:} + Wenn $\mathscr{H}_n\{f(r)\}=\tilde{f}_n(\kappa)$, dann gilt: + + \begin{equation*} + \mathscr{H}_n\{f(ar)\}=\frac{1}{a^{2}}\tilde{f}_n \left(\frac{\kappa}{a}\right), \quad a>0. + \end{equation*} +\end{satz} + +\begin{satz}{Parsevalsche Relation:} +Wenn $\tilde{f}(\kappa)=\mathscr{H}_n\{f(r)\}$ und $\tilde{g}(\kappa)=\mathscr{H}_n\{g(r)\}$, dann gilt: + +\begin{equation*} + \int_{0}^{\infty}rf(r)g(r) \; dr = \int_{0}^{\infty}\kappa\tilde{f}(\kappa)\tilde{g}(\kappa) \; d\kappa. +\end{equation*} +\end{satz} + +\begin{satz}{Hankel-Transformationen von Ableitungen:} +Wenn $\tilde{f}_n(\kappa)=\mathscr{H}_n\{f(r)\}$, dann gilt: + +\begin{align*} + &\mathscr{H}_n\{f'(r)\}=\frac{\kappa}{2n}\left[(n-1)\tilde{f}_{n+1}(\kappa)-(n+1)\tilde{f}_{n-1}(\kappa)\right], \quad n\geq1, \\ + &\mathscr{H}_1\{f'(r)\}=-\kappa \tilde{f}_0(\kappa), +\end{align*} +vorausgesetzt, dass $rf(r)$ verschwindet wenn $r\to0$ und $r\to\infty$. +\end{satz} + +\begin{satz} +Wenn $\mathscr{H}_n\{f(r)\}=\tilde{f}_n(\kappa)$, dann gilt: +\begin{equation*} + \mathscr{H}_n \left\{ \left( \nabla^2 - \frac{n^2}{r^2} f(r)\right)\right\}= \mathscr{H}_n\left\{\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left(r\frac{df}{dr}\right) - \frac{n^2}{r^2}f(r)\right\}=-\kappa^2\tilde{f}_{n}(\kappa), +\end{equation*} +bereitgestellt, dass $rf'(r)$ und $rf(r)$ verschwinden für $r\to0$ und $r\to\infty$. +\end{satz} diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil3.tex b/buch/papers/kreismembran/teil3.tex index 73dee0f..d143ec7 100644 --- a/buch/papers/kreismembran/teil3.tex +++ b/buch/papers/kreismembran/teil3.tex @@ -3,38 +3,91 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 3 +\section{Lösungsmethode 2: Transformationsmethode \label{kreismembran: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{kreismembran: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. +\rhead{Lösungsmethode 2: Transformationsmethode} +Die Hankel-Transformation kann hier zur Lösung der Differentialgleichung verwendet werden. Es müssen jedoch einige Änderungen an dem Problem vorgenommen werden, damit es mit den Annahmen übereinstimmt, die für die Verwendung der Hankel-Transformation erforderlich sind. Das heisst, dass die Funktion $u$ nur von der Entfernung zum Ausgangspunkt abhängt. + +\subsubsection{Transformation und Reduktion auf eine algebraische Gleichung\label{subsub:transf_reduktion}} +Führt man also das Konzept einer unendlichen und achsensymmetrischen Membran ein: +\begin{align} + \frac{\partial^2u}{\partial t^2} + = + c^2 \left(\frac{\partial^2 u}{\partial r^2} + + + \frac{1}{r} + \frac{\partial u}{\partial r} \right), \quad 0<r<\infty, \quad t>0 \label{eq:PDE_inf_membane} \\ + u(r,0)=f(r), \quad u_t(r,0) = g(r), \quad \text{für} \quad 0<r<\infty. + \label{eq:PDE_inf_membane_RB} +\end{align} + + +Mit Anwendung der Hankel-Transformation nullter Ordnung in Abhängigkeit von $r$ auf die Gleichungen \eqref{eq:PDE_inf_membane} und \eqref{eq:PDE_inf_membane_RB}: + +\begin{align} + \tilde{u}(\kappa,t)=\int_{0}^{\infty}r J_0(\kappa r)u(r,t) \; dr, +\end{align} +bekommt man: + +\begin{equation*} + \frac{d^2 \tilde{u}}{dt^2} + c^2\kappa^2\tilde{u}=0, +\end{equation*} + +\begin{equation*} + \tilde{u}(\kappa,0)=\tilde{f}(\kappa), \quad + \tilde{u}_t(\kappa,0)=\tilde{g}(\kappa). +\end{equation*} +Die allgemeine Lösung für diese Gleichung lautet, wie in Abschnitt \eqref{eq:cos_sin_überlagerung} gesehen, wie folgt + +\begin{equation*} + \tilde{u}(\kappa,t)=\tilde{f}(\kappa)\cos(c\kappa t) + \frac{1}{c\kappa}\tilde{g}(\kappa)\sin(c\kappa t). +\end{equation*} +Wendet man nun die inverse Hankel-Transformation an, so erhält man die formale Lösung + +\begin{align} + u(r,t)=\int_{0}^{\infty}\kappa\tilde{f}(\kappa)\cos(c\kappa t) J_0(\kappa r) \; d\kappa +\frac{1}{c}\int_{0}^{\infty}\tilde{g}(\kappa)\sin(c\kappa t)J_0(\kappa r) \; d\kappa. + \label{eq:formale_lösung} +\end{align} + +\subsubsection{Erfüllung der Anfangsbedingungen\label{subsub:erfüllung_AB}} +Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass sich die Membran verformt und zum Zeitpunkt $t=0$ freigegeben wird + +\begin{equation*} + u(r,0)=f(r)=Aa(r^2 + a^2)^{-\frac{1}{2}}, \quad u_t(r,0)=g(r)=0 +\end{equation*} +so dass $\tilde{g}(\kappa)\equiv 0$ und +\begin{equation*} + \tilde{f}(\kappa)=Aa\int_{0}^{\infty}r(a^2 + r^2)^{-\frac{1}{2}} J_0 (\kappa r) \; dr=\frac{Aa}{\kappa}e^{-a\kappa}. +\end{equation*} + +\noindent Die formale Lösung \eqref{eq:formale_lösung} lautet also +\begin{align} + u(r,t)=Aa\int_{0}^{\infty}e^{-a\kappa} J_0(\kappa r)\cos(c\kappa t) \; dk=AaRe\int_{0}^{\infty}e^{-\kappa(a+ict)} J_0(\kappa r) \; dk. + \label{form_lösung2_step1} +\end{align} + +\noindent Aus der Laplace-Transformation und unter Verwendung der Skalierungseigenschaft \cite{noauthor_laplace_nodate} ergibt sich, dass +\begin{align*} + \int_{0}^{\infty}e^{-px} J_0(\kappa x) \; dx = \frac{1}{\sqrt{\kappa^2 + p^2}}, +\end{align*} + +\noindent \eqref{form_lösung2_step1} kann somit vereinfacht werden in: +\begin{equation*} + u(r,t)=AaRe\left\{r^2+\left(a+ict\right)^2\right\}^{-\frac{1}{2}}. +\end{equation*} + +\noindent Nimmt man jedoch die allgemeine Lösung durch Überlagerung, + +\begin{align} + u(r, t) = \displaystyle\sum_{m=1}^{\infty} J_0 (k_{m}r)[a_{m}\cos(c \kappa_{m} t)+b_{m}\sin(c \kappa_{m} t)] + \label{eq:lösung_unendliche_generelle} +\end{align} +kann man die Lösungsmethoden 1 und 2 vergleichen. + +\subsection{Vergleich der Analytischen Lösungen +\label{kreismembran:vergleich}} +Bei der Analyse der Gleichungen \eqref{eq:lösung_endliche_generelle} und \eqref{eq:lösung_unendliche_generelle} fällt sofort auf, dass die Gleichung \eqref{eq:lösung_unendliche_generelle} nicht mehr von $m$ und $n$ abhängt, sondern nur noch von $n$ \cite{nishanth_p_vibrations_2018}. +Das macht Sinn, denn $n$ beschreibt die Anzahl der Knotenlinien, welche unter der Annahme einer rotationssymmetrischen Lösung nicht vorhanden sein können. Tatsächlich werden $a_{m0}$, $b_{m0}$ und $\kappa_{m0}$ in $a_m$, $b_m$ bzw. $\kappa_m$ umbenannt. Die beiden Termen $\cos(n\varphi)$ und $\sin(n\varphi)$ verschwinden ebenfalls, da für $n=0$ der $\cos(n\varphi)$ gleich 1 und der $\sin(n \varphi)$ gleich 0 ist. +Die Funktion hängt also nicht mehr von der Bessel-Funktionen $n$-ter Ordnung ab, sondern nur von der nullter Ordnung. diff --git a/buch/papers/kreismembran/teil4.tex b/buch/papers/kreismembran/teil4.tex new file mode 100644 index 0000000..d6aa54f --- /dev/null +++ b/buch/papers/kreismembran/teil4.tex @@ -0,0 +1,194 @@ +% +% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Lösungsmethode 3: Simulation + \label{kreismembran:section:teil4}} + +Um numerisch das Verhalten einer Membran zu ermitteln, muss eine numerische Darstellung definiert werden. +Die Membran wird hier in Form der Matrix $ U $ digitalisiert. +Jedes Element $ U_{ij} $ steht für die Auslenkung der Membran $ u(x,y,t) $ an der Stelle $ \{x,y\}=\{i,j\} $. +Zwischen benachbarten Elementen in der Matrix $ U $ liegt immer der Abstand $ dh $, eine Inkrementierung von $ i $ oder $ j $ ist somit einem Schritt in Richtung $ x $ oder $ y $ von Länge $ dh $ auf der Membran. +Die zeitliche Dimension wird in Form des Array $ U[] $ aus $ z \times U $ Matrizen dargestellt, wobei $ z $ die Anzahl von Zeitschritten ist. +Das Element auf Zeile $ i $, Spalte $ j $ der $ w $-ten Matrix von $ U[] $ also $ U[w]_{ij} $ ist somit die Auslenkung $ u(i,j,w) $. +Da die DGL von zweiter Ordnung ist, reicht eine Zustandsvariabel pro Membran-Element nicht aus. +Es wird neben der Auslenkung auch die Geschwindigkeit jedes Membran-Elementes benötigt um den Zustand eindeutig zu beschreiben. +Dazu existiert neben $ U[] $ ein analoger Array $ V[] $ welcher die Geschwindigkeiten aller Membran-Elemente repräsentiert. +$ V[w]_{ij} $ entspricht also $ \dot{u}(i,j,w) $. +Der Zustand einer Membran zum Zeitpunkt $ w $ wird mit $ X[w] $ beschrieben, was $ U[w] $ und $ V[w] $ beinhaltet. + +\subsection{Propagation} +Um das Verhalten der Membran zu berechnen, muss aus einem gegebenen Zustand $ X[w] $ der Folgezustand $ X[w+1] $ gerechnet werden können, wobei dazwischen ein Zeitintervall $ dt $ vergeht. +Die Berechnung von Folgezuständen kann anschliessend repetiert werden über das zu untersuchende Zeitfenster. +Die Folgeposition $ U[w+1] $ ergibt sich als +\begin{equation} + U[w+1] = U[w] + dt \cdot V[w], +\end{equation} +also die Ausgangslage plus die Strecke welche während des Zeitintervall mit der Geschwindigkeit des Elementes zurückgelegt wurde. +Neben der Position muss auch die Geschwindigkeit aktualisiert werden. +Analog zur Folgeposition wird +\begin{equation*} + V[w+1] = V[w] + dt \cdot \frac{\partial^2u}{\partial t^2}. +\end{equation*} +Die Beschleunigung $ \frac{\partial^2u}{\partial t^2} $ eines Elementes ist durch die DGL \ref{kreismembran:Ausgang_DGL} gegeben als +\begin{equation*} + \frac{\partial^2u}{\partial t^2} = \Delta u \cdot c^2. +\end{equation*} +Die Geschwindigkeit des Folgezustandes kann somit mit +\begin{equation} + V[w+1] = V[w] + dt \cdot \Delta_h U \cdot c^2 +\end{equation} +berechnet werden. +Während $ c^2 $ lediglich eine Material spezifische Konstante ist, muss noch erläutert werden, wie der diskrete Laplace-Operator für $ \Delta_h u $ definiert ist. Dieses Verfahren wird Euler-Methode genannt. + +\subsection{Diskreter Laplace-Operator $\Delta_h$} +Die diskrete Ableitung zweiter Ordnung kann mit Hilfe der Taylor-Reihen-Entwicklung als +\begin{equation*} + \frac{\partial^2f}{\partial x^2} \approx \frac{f(x+dx)-2f(x)+f(x-dx)}{dx^2} +\end{equation*} +approximiert werden \cite{kreismembran:Digital_Image_processing}. +Dank der Linearität der Ableitung kann die Ableitung einer weiteren Dimension addiert werden. +Daraus folgt für den zweidimensionalen Fall +\begin{equation*} + \Delta_h u= \frac{u(x+dh,y,t)+u(x,y+dh,t)-4f(x)+u(x-dh,y,t)+u(x,y-dh,t)}{dh^2}. +\end{equation*} +Um $ \Delta_h $ auf eine Matrix anwenden zu können wird die Gleichung in Form einer Filtermaske + \begin{equation} + \Delta_h u= \frac{1}{dh^2} + \left[ {\begin{array}{ccc} + 0 & 1 & 0\\ + 1 & -4 & 1\\ + 0 & 1 & 0\\ + \end{array} } \right] + \end{equation} +formuliert. +Die Filtermaske kann dann auf jedes Element einzeln angewendet werden mit einer Matrizen-Faltung um $ \Delta_h U[] $ zu berechnen. + +\subsection{Simulation: Kreisförmige Membran} +Als Beispiel soll nun eine schwingende kreisförmige Membran simuliert werden. +\subsubsection{Initialisierung} +Die Anzahl der simulierten Elemente soll $ m \times n $ sein, was die Dimensionen von $ U $ und $ V $ vorgibt. +Als Anfangsbedingung wird eine Membran gewählt, welche bei $ t=0 $ mit einer Gauss-Kurve ausgelenkt wird. +Die Membran soll sich zu Beginn nicht bewegen, also wird $ V[0] $ mit Nullen initialisiert. +Die Auslenkung kann kompakt erreicht werden, wenn $ U[0] $ als Null-Matrix mit einer $ 1 $ in der Mitte initialisiert wird. +Diese Matrix wird anschliessend mit einer Filtermaske in Form einer Gauss-Glocke gefaltet. +Die Faltung mit einer Gauss-Glocke ist in Programmen wie Matlab eine Standartfunktion, da dies einem Tiefpassfilter in der Bildverarbeitung entspricht. + +\subsubsection{Rand} +Bislang ist die definierte Matrix rechteckig. +Um eine kreisförmige Membran zu simulieren, muss der Rand angepasst werden. +Da in den meisten Programme keine Möglichkeit besteht, mit runden Matrizen zu rechnen, wird der Rand in der Berechnung des Folgezustandes implementiert. +Der Rand bedeutet, dass Membran-Elemente auf dem Rand sich nicht Bewegen können. +Die Position, sowie die Geschwindigkeit aller Elemente, welche nicht auf der definierten Membran sind, müssen zu beliebiger Zeit $0$ sein. +Hierzu wird eine Maske $M$ erstellt. +Diese Maske besteht aus einer binären Matrix von identischer Dimension wie $ U $ und $ V $. +Ist in der Matrix $M$ eine $1$ abgebildet, so ist an jener Stelle ein Element der Membran, ist es eine $0$ so befindet sich dieses Element auf dem Rand oder ausserhalb der Membran. +In dieser Anwendung ist $M$ eine Matrix mit einem Kreis voller $1$ umgeben von $0$ bis an den Rand der Matrix. +Die Maske wird angewendet, indem das Resultat des nächsten Zustandes noch mit der Maske elementweise multipliziert wird. +Der Folgezustand kann also mit den Gleichungen +\begin{align} + \label{kreismembran:eq:folge_U} + U[w+1] &= (U[w] + dt \cdot V[w])\odot M\\ + \label{kreismembran:eq:folge_V} + V[w+1] &= (V[w] + dt \cdot \Delta_h u \cdot c^2)\odot M +\end{align} +berechnet werden. Das Symbol $\odot$ steht hier für eine elementweise Matrixmultiplikation (Hadamard-Produkt) +\subsubsection{Simulation} +Mit den gegebenen Gleichungen \eqref{kreismembran:eq:folge_U} und \eqref{kreismembran:eq:folge_V} das Verhalten der Membran mit einem Loop über das zu untersuchende Zeitintervall berechnet werden. +In der Abbildung \ref{kreismembran:im:simres_rund} sind Simulationsresultate zu sehen. +Die erste Figur zeigt die Ausgangslage gefolgt von den Auslenkungen nach jeweils $ 50 $ weiteren Iterationsschritten. +Es ist zu erkennen, wie sich die Störung vom Zentrum an den Rand ausbreitet. +Erreicht die Störung den Rand, wird sie reflektiert und nähert sich dem Zentrum. +\begin{figure} + + \begin{center} + + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_1.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_2.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_3.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_4.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_5.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_1_6.png} + \caption{Simulations Resultate einer kreisförmigen Membran. Simuliert mit $ 200 \times 200 $ Elementen, dargestellt sind die Auslenkungen nach jeweils $ 50 $ Iterationsschritten.} + \label{kreismembran:im:simres_rund} + + \end{center} +\end{figure} +\subsection{Simulation: Unendliche Membran} + +Um eine unendlich grosse Membran zu simulieren, könnte der unpraktische Weg gewählt werden, die Matrix unendlich gross zu definieren, dies wird jedoch spätestens bei der numerischen Berechnung seine Probleme mit sich bringen. +Etwas geeigneter ist es, die Matrix so gross wie möglich zu definieren, wie es die Kapazitäten erlauben. +Wenn anschliessend nur das Verhalten im Zentrum, bei der Störung beobachtet wird, verhaltet sich die Membran wie eine unendliche. +Dies aber nur bis die Störung am Rand reflektiert wird und wieder das Zentrum beeinflusst. +Soll erst gar keine Reflexion entstehen, muss ein Absorber modelliert werden welcher die Störung möglichst ohne Reflexion aufnimmt. + +\subsubsection{Absorber} +Sehr knapp formuliert entstehen Reflexionen, wenn eine Welle von einem Material in ein anderes Material mit unterschiedlichen Eigenschaften eindringen möchte. +Je unterschiedlicher und abrupter der Übergang zwischen den Materialien umso ausgeprägter die Reflexion. +In diesem Fall sind die Eigenschaften vorgegeben. +Im Zentrum soll sich die Membran verhalten, wie von der DGL vorgegeben, am Rand jedoch muss sich jedes Membran-Element in der Ausgangslage befinden. +Der Spielraum welcher dem Absorber übrig bleibt ist die Art der Überganges. +Bei der endlichen kreisförmigen Membran hat die Maske $M$ einen binären Übergang von Membran zu Rand bezweckt. +Anstelle dieses abrupten Wechsels wird nun eine Maske definiert, welche graduell von Membran $1$ zu Rand-Element $0$ wechselt. +Die Elemente werden auf Basis ihres Abstand $r$ zum Zentrum definiert. +Der Abstand ist +\begin{equation*} + r(i,j) = \sqrt{|i-\frac{m}{2}|^2+|j-\frac{n}{2}|^2}, +\end{equation*} +wobei $ m $ und $n$ die Dimensionen der Matrix sind. +Für einen stufenlosen Übergang werden die Elemente der Maske auf + +\begin{align} + M_{ij} = \begin{cases} 1-e^{(r(i,j)-b)a} & \text{$x > b$} \\ + 0 & \text{sonst} \end{cases} +\end{align} +gesetzt. +Der Parameter $a > 0$ bestimmt wie Steil der Übergang sein soll, $b$ bestimmt wie weit weg vom Zentrum sich der Übergang befindet. +In der Abbildung \ref{kreismembran:im:masks} ist der Unterschied der beiden Masken zu sehen. +\begin{figure} + + \begin{center} + + \includegraphics[width=0.45\textwidth]{papers/kreismembran/images/mask_disk.png} + \includegraphics[width=0.45\textwidth]{papers/kreismembran/images/mask_absorber.png} + \caption{Vergleich von Masken: Links Binär für eine endliche Membran, rechts mit Absorber für eine unendliche Membran} + \label{kreismembran:im:masks} + \end{center} +\end{figure} +\subsubsection{Simulation} +Bis auf die Absorber-Maske kann nun identisch zur endlichen Membran simuliert werden. +Auch hier wurde eine Gauss-Glocke als Anfangsbedingung gewählt. +Die Simulationsresultate von Abbildung \ref{kreismembran:im:simres_unendlich} +\begin{figure} + + \begin{center} + + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_1.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_2.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_3.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_4.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_5.png} + \includegraphics[width=0.32\textwidth]{papers/kreismembran/images/sim_2_6.png} + \caption{Simulations Resultate einer unendlichen Membran. Simuliert mit $ 200 \times 200 $ Elementen, dargestellt sind die Auslenkungen nach jeweils $ 50 $ Iterationsschritten.} + \label{kreismembran:im:simres_unendlich} + + \end{center} +\end{figure} +zeigen deutlich wie die Störung vom Zentrum weg verläuft. +Nähert sich die Störung dem Rand, so wird sie immer stärker abgeschwächt. +Die Wirkung des Absorber ist an der letzten Figur zu erkennen, in welcher kaum noch Auslenkungen zu sehen sind. +Dieses Verhalten spricht für den Absorber-Ansatz, es soll jedoch erwähnt sein, dass der Übergangsbereich eine sanft ansteigende Dämpfung in das System bringt. +Die DGL \ref{kreismembran:Ausgang_DGL} welche simuliert wird geht jedoch von der Annahme \ref{kreimembran:annahmen} iv) aus, dass die Membran keine Art von Dämpfung erfährt. + +\section{Schlusswort} +Auch wenn ein physikalisches Verhalten bereits durch Annahmen und Annäherungen deutlich vereinfacht wird, bestehen auch dann noch eine Vielzahl von Lösungsansätzen. +Lösungen einer unendlich grosse Membran scheinen fern der Realität zu sein, doch dies darf es im Sinne der Mathematik. +Und wer weiss, für eine Ameise auf einem Trampolin ist eine unendliche Membran vielleicht eine ganz gute Annäherung. + + + + + + + diff --git a/buch/papers/kugel/Makefile b/buch/papers/kugel/Makefile index f798a55..995206b 100644 --- a/buch/papers/kugel/Makefile +++ b/buch/papers/kugel/Makefile @@ -5,5 +5,6 @@ # images: - @echo "no images to be created in kugel" + $(MAKE) -C ./figures/povray/ + $(MAKE) -C ./figures/tikz/ diff --git a/buch/papers/kugel/Makefile.inc b/buch/papers/kugel/Makefile.inc index d926229..50d6825 100644 --- a/buch/papers/kugel/Makefile.inc +++ b/buch/papers/kugel/Makefile.inc @@ -4,11 +4,7 @@ # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # dependencies-kugel = \ - papers/kugel/packages.tex \ + papers/kugel/packages.tex \ papers/kugel/main.tex \ - papers/kugel/references.bib \ - papers/kugel/teil0.tex \ - papers/kugel/teil1.tex \ - papers/kugel/teil2.tex \ - papers/kugel/teil3.tex + papers/kugel/references.bib diff --git a/buch/papers/kugel/applications.tex b/buch/papers/kugel/applications.tex new file mode 100644 index 0000000..b2f227e --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/applications.tex @@ -0,0 +1,9 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et spell: + +\section{Applications} + +\subsection{Electroencephalography (EEG)} + +\subsection{Measuring Gravitational Fields} + +\subsection{Quantisation of Angular Momentum} diff --git a/buch/papers/kugel/figures/flux.pdf b/buch/papers/kugel/figures/flux.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..6a87288 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/flux.pdf diff --git a/buch/papers/kugel/figures/povray/Makefile b/buch/papers/kugel/figures/povray/Makefile new file mode 100644 index 0000000..4226dab --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/curvature.jpg b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..6448966 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.jpg diff --git a/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.maxima b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.maxima new file mode 100644 index 0000000..6313642 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/curvature.png b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..20268f2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.png diff --git a/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.pov b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvature.pov new file mode 100644 index 0000000..3b15d77 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/curvgraph.m b/buch/papers/kugel/figures/povray/curvgraph.m new file mode 100644 index 0000000..75effd6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/spherecurve.cpp b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.cpp new file mode 100644 index 0000000..8ddf5e5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/spherecurve.jpg b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..cd2e7c8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.jpg diff --git a/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.m b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.m new file mode 100644 index 0000000..99d5c9a --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/spherecurve.maxima b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.maxima new file mode 100644 index 0000000..1e9077c --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/figures/povray/spherecurve.png b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ff24371 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.png diff --git a/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.pov b/buch/papers/kugel/figures/povray/spherecurve.pov new file mode 100644 index 0000000..b1bf4b8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/povray/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/kugel/figures/tikz/Makefile b/buch/papers/kugel/figures/tikz/Makefile new file mode 100644 index 0000000..4ec4e5a --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/tikz/Makefile @@ -0,0 +1,12 @@ +FIGURES := spherical-coordinates.pdf curvature-1d.pdf + +all: $(FIGURES) + +%.pdf: %.tex + pdflatex $< + +curvature-1d.pdf: curvature-1d.tex curvature-1d.dat + pdflatex curvature-1d.tex + +curvature-1d.dat: curvature-1d.py + python3 $< diff --git a/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.dat b/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.dat new file mode 100644 index 0000000..6622398 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.dat @@ -0,0 +1,500 @@ +0.000000000000000000e+00 1.000000000000000000e+00 5.000007286987066095e+02 +2.004008016032064049e-02 1.025056790958151831e+00 4.899813296957295279e+02 +4.008016032064128098e-02 1.050121598724190752e+00 4.799659543969494848e+02 +6.012024048096192147e-02 1.075186379145250948e+00 4.699586248906784931e+02 +8.016032064128256196e-02 1.100243094530689136e+00 4.599633600341078932e+02 +1.002004008016031955e-01 1.125283716879951434e+00 4.499841738393695891e+02 +1.202404809619238429e-01 1.150300231106550664e+00 4.400250738615438877e+02 +1.402805611222444904e-01 1.175284638256853809e+00 4.300900595892592833e+02 +1.603206412825651239e-01 1.200228958722394657e+00 4.201831208385332275e+02 +1.803607214428857575e-01 1.225125235444413541e+00 4.103082361504954747e+02 +2.004008016032063910e-01 1.249965537109345881e+00 4.004693711936409954e+02 +2.204408817635270523e-01 1.274741961333968554e+00 3.906704771712513775e+02 +2.404809619238476859e-01 1.299446637838927776e+00 3.809154892346260795e+02 +2.605210420841683194e-01 1.324071731609375302e+00 3.712083249027585907e+02 +2.805611222444889807e-01 1.348609446041445725e+00 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np.sin(x) + +x = np.linspace(0, 10, 500) +y = fn(x) +ddy = ddfn(x) + +cmap = ddy - np.min(ddy) +cmap = cmap * 1000 / np.max(cmap) + +plt.plot(x, y) +plt.plot(x, ddy) +# plt.plot(x, cmap) + +plt.show() + +fname = "curvature-1d.dat" +np.savetxt(fname, np.array([x, y, cmap]).T, delimiter=" ") + +# with open(fname, "w") as f: +# # f.write("x y cmap\n") +# for xv, yv, cv in zip(x, y, cmap): +# f.write(f"{xv} {yv} {cv}\n") diff --git a/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.tex b/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.tex new file mode 100644 index 0000000..6983fb0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d.tex @@ -0,0 +1,21 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et: +\documentclass[tikz, border=5mm]{standalone} +\usepackage{pgfplots} + +\begin{document} +\begin{tikzpicture} + \begin{axis}[ + clip = false, + width = 8cm, height = 6cm, + xtick = \empty, ytick = \empty, + colormap name = viridis, + axis lines = middle, + axis line style = {ultra thick, -latex} + ] + \addplot+[ + smooth, mark=none, line width = 3pt, mesh, + point meta=explicit, + ] file {curvature-1d.dat}; + \end{axis} +\end{tikzpicture} +\end{document} diff --git a/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.pdf b/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..1bff016 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.pdf diff --git a/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.tex b/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.tex new file mode 100644 index 0000000..3a45385 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates.tex @@ -0,0 +1,99 @@ +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{bm} +\usepackage{lmodern} +\usepackage{tikz-3dplot} + +\usetikzlibrary{arrows} +\usetikzlibrary{intersections} +\usetikzlibrary{math} +\usetikzlibrary{positioning} +\usetikzlibrary{arrows.meta} +\usetikzlibrary{shapes.misc} +\usetikzlibrary{calc} + +\begin{document} + +\tdplotsetmaincoords{60}{130} +\pgfmathsetmacro{\l}{2} + +\begin{tikzpicture}[ + >=latex, + tdplot_main_coords, + dot/.style = { + black, fill = black, circle, + outer sep = 0, inner sep = 0, + minimum size = .8mm + }, + round/.style = { + draw = orange, thick, circle, + minimum size = 1mm, + inner sep = 0pt, outer sep = 0pt, + }, + cross/.style = { + cross out, draw = magenta, thick, + minimum size = 1mm, + inner sep = 0pt, outer sep = 0pt + }, + ] + + % origin + \coordinate (O) at (0,0,0); + + % poles + \coordinate (NP) at (0,0,\l); + \coordinate (SP) at (0,0,-\l); + + % \draw (SP) node[dot, gray] {}; + % \draw (NP) node[dot, gray] {}; + + % gray unit circle + \tdplotdrawarc[gray]{(O)}{\l}{0}{360}{}{}; + \draw[gray, dashed] (-\l, 0, 0) to (\l, 0, 0); + \draw[gray, dashed] (0, -\l, 0) to (0, \l, 0); + + % axis + \draw[->] (O) -- ++(1.25*\l,0,0) node[left] {\(\mathbf{\hat{x}}\)}; + \draw[->] (O) -- ++(0,1.25*\l,0) node[right] {\(\mathbf{\hat{y}}\)}; + \draw[->] (O) -- ++(0,0,1.25*\l) node[above] {\(\mathbf{\hat{z}}\)}; + + % meridians + \foreach \phi in {0, 30, 60, ..., 150}{ + \tdplotsetrotatedcoords{\phi}{90}{0}; + \tdplotdrawarc[lightgray, densely dotted, tdplot_rotated_coords]{(O)}{\l}{0}{360}{}{}; + } + + % dot above and its projection + \pgfmathsetmacro{\phi}{120} + \pgfmathsetmacro{\theta}{40} + + \pgfmathsetmacro{\px}{cos(\phi)*sin(\theta)*\l} + \pgfmathsetmacro{\py}{sin(\phi)*sin(\theta)*\l} + \pgfmathsetmacro{\pz}{cos(\theta)*\l}) + + % point A + \coordinate (A) at (\px,\py,\pz); + \coordinate (Ap) at (\px,\py, 0); + + % lines + \draw[red!80!black, ->] (O) -- (A); + \draw[red!80!black, densely dashed] (O) -- (Ap) -- (A) + node[above right] {\(\mathbf{\hat{r}}\)}; + + % arcs + \tdplotdrawarc[blue!80!black, ->]{(O)}{.8\l}{0}{\phi}{}{}; + \node[below right, blue!80!black] at (.8\l,0,0) {\(\bm{\hat{\varphi}}\)}; + + \tdplotsetrotatedcoords{\phi-90}{-90}{0}; + \tdplotdrawarc[blue!80!black, ->, tdplot_rotated_coords]{(O)}{.95\l}{0}{\theta}{}{}; + \node[above right = 1mm, blue!80!black] at (0,0,.8\l) {\(\bm{\hat{\vartheta}}\)}; + + + % dots + \draw (O) node[dot] {}; + \draw (A) node[dot, fill = red!80!black] {}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} +% vim:ts=2 sw=2 et: diff --git a/buch/papers/kugel/introduction.tex b/buch/papers/kugel/introduction.tex new file mode 100644 index 0000000..5b09e9c --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/introduction.tex @@ -0,0 +1,35 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et spell tw=78: + +\section{Introduction} + +This chapter of the book is devoted to the sef of functions called +\emph{spherical harmonics}. However, before we dive into the topic, we want to +make a few preliminary remarks to avoid ``upsetting'' a certain type of +reader. Specifically, we would like to specify that the authors of this +chapter not mathematicians but engineers, and therefore the text will not be +always complete with sound proofs after every claim. Instead we will go +through the topic in a more intuitive way including rigorous proofs only if +they are enlightening or when they are very short. Where no proofs are given +we will try to give an intuition for why it is true. + +That being said, when talking about spherical harmonics one could start by +describing their name. The latter may be a cause of some confusion because of +the misleading translations in other languages. In German the name for this +set of functions is ``Kugelfunktionen'', which puts the emphasis only on the +spherical context, whereas the English name ``spherical harmonics'' also +contains the \emph{harmonic} part hinting at Fourier theories and harmonic +analysis in general. + +The structure of this chapter is organized in the following way. First, we +will quickly go through some fundamental linear algebra and Fourier theory to +refresh a few important concepts. In principle, we could have written the +whole thing starting from a much more abstract level without much preparation, +but then we would have lost some of the beauty that comes from the +appreciation of the power of some surprisingly simple ideas. Then once the +basics are done, we can explore the main topic of spherical harmonics which as +we will see arises from the eigenfunctions of the Laplacian operator in +spherical coordinates. Finally, after studying what we think are the most +beautiful and interesting properties of the spherical harmonics, to conclude +this journey we will present a few real-world applications, which are of +course most of interest for engineers. + diff --git a/buch/papers/kugel/main.tex b/buch/papers/kugel/main.tex index 0e632ec..d063f87 100644 --- a/buch/papers/kugel/main.tex +++ b/buch/papers/kugel/main.tex @@ -1,36 +1,21 @@ -% +% vim:ts=2 sw=2 et: + % main.tex -- Paper zum Thema <kugel> % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:kugel}} -\lhead{Thema} +\begin{otherlanguage}{english} +\chapter{Spherical Harmonics\label{chapter:kugel}} +\lhead{Spherical Harmonics} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} - -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} +\chapterauthor{Manuel Cattaneo, Naoki Pross} -\input{papers/kugel/teil0.tex} -\input{papers/kugel/teil1.tex} -\input{papers/kugel/teil2.tex} -\input{papers/kugel/teil3.tex} +\input{papers/kugel/introduction} +\input{papers/kugel/preliminaries} +\input{papers/kugel/spherical-harmonics} +\input{papers/kugel/applications} +\input{papers/kugel/proofs} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} +\end{otherlanguage} diff --git a/buch/papers/kugel/packages.tex b/buch/papers/kugel/packages.tex index 61f91ad..ead7653 100644 --- a/buch/papers/kugel/packages.tex +++ b/buch/papers/kugel/packages.tex @@ -1,3 +1,4 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et: % % packages.tex -- packages required by the paper kugel % @@ -7,4 +8,13 @@ % if your paper needs special packages, add package commands as in the % following example %\usepackage{packagename} +\usepackage{cases} +\newcommand{\kugeltodo}[1]{\textcolor{red!70!black}{\texttt{[TODO: #1]}}} +\newcommand{\kugelplaceholderfig}[2]{ \begin{tikzpicture}% + \fill[lightgray!20] (0, 0) rectangle (#1, #2);% + \node[gray, anchor = center] at ({#1 / 2}, {#2 / 2}) {\Huge \ttfamily \bfseries TODO}; + \end{tikzpicture}} + +\DeclareMathOperator{\sphlaplacian}{\nabla^2_{\mathit{S}}} +\DeclareMathOperator{\surflaplacian}{\nabla^2_{\partial \mathit{S}}} diff --git a/buch/papers/kugel/preliminaries.tex b/buch/papers/kugel/preliminaries.tex new file mode 100644 index 0000000..e48abe4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/preliminaries.tex @@ -0,0 +1,346 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et spell tw=78: + +\section{Preliminaries} + +The purpose of this section is to dust off some concepts that will become +important later on. This will enable us to be able to get a richer and more +general view of the topic than just liming ourselves to a specific example. + +\subsection{Vectors and inner product spaces} + +We shall start with a few fundamentals of linear algebra. We will mostly work +with complex numbers, but for the sake of generality we will do what most +textbook do, and write \(\mathbb{K}\) instead of \(\mathbb{C}\) since the +theory works the same when we replace \(\mathbb{K}\) with the real +numbers \(\mathbb{R}\). + +\begin{definition}[Vector space] + \label{kugel:def:vector-space} \nocite{axler_linear_2014} + A \emph{vector space} over a field \(\mathbb{K}\) is a set \(V\) with an + addition on \(V\) and a multiplication on \(V\) such that the following + properties hold: + \begin{enumerate}[(a)] + \item (Commutativity) \(u + v = v + u\) for all \(u, v \in V\); + \item (Associativity) \((u + v) + w = u + (v + w)\) and \((ab)v = a(bv)\) + for all \(u, v, w \in V\) and \(a, b \in \mathbb{K}\); + \item (Additive identity) There exists an element \(0 \in V\) such that + \(v + 0 = v\) for all \(v \in V\); + \item (Additive inverse) For every \(v \in V\), there exists a \(w \in V\) + such that \(v + w = 0\); + \item (Multiplicative identity) \(1 v = v\) for all \(v \in V\); + \item (Distributive properties) \(a(u + v) = au + av\) and \((a + b)v = av + + bv\) for all \(a, b \in \mathbb{K}\) and all \(u,v \in V\). + \end{enumerate} +\end{definition} + +\begin{definition}[Dot product] + \label{kugel:def:dot-product} + In the vector field \(\mathbb{K}^n\) the scalar or dot product between two + vectors \(u, v \in \mathbb{K}^n\) is + \( + u \cdot v + = u_1 \overline{v}_1 + u_2 \overline{v}_2 + \cdots + u_n \overline{v}_n + = \sum_{i=1}^n u_i \overline{v}_i. + \) +\end{definition} + +\kugeltodo{Text here.} + +\begin{definition}[Span] +\end{definition} + +\kugeltodo{Text here.} + +\begin{definition}[Linear independence] +\end{definition} + + +\kugeltodo{Text here.} + +\begin{definition}[Basis] +\end{definition} + +\kugeltodo{Text here.} + +\begin{definition}[Inner product] + \label{kugel:def:inner-product} \nocite{axler_linear_2014} + The \emph{inner product} on \(V\) is a function that takes each ordered pair + \((u, v)\) of elements of \(V\) to a number \(\langle u, v \rangle \in + \mathbb{K}\) and has the following properties: + \begin{enumerate}[(a)] + \item (Positivity) \(\langle v, v \rangle \geq 0\) for all \(v \in V\); + \item (Definiteness) \(\langle v, v \rangle = 0\) iff \(v = 0\); + \item (Additivity) \( + \langle u + v, w \rangle = + \langle u, w \rangle + \langle v, w \rangle + \) for all \(u, v, w \in V\); + \item (Homogeneity) \( + \langle \lambda u, v \rangle = + \lambda \langle u, v \rangle + \) for all \(\lambda \in \mathbb{K}\) and all \(u, v \in V\); + \item (Conjugate symmetry) + \(\langle u, v \rangle = \overline{\langle v, u \rangle}\) for all + \(u, v \in V\). + \end{enumerate} +\end{definition} + +This newly introduced inner product is thus a generalization of the scalar +product that does not explicitly depend on rows or columns of vectors. This +has the interesting consequence that anything that behaves according to the +rules given in definition \ref{kugel:def:inner-product} \emph{is} an inner +product. For example if we say that the vector space \(V = \mathbb{R}^n\), +then the dot product defined in definition \ref{kugel:def:dot-product} +\( + u \cdot v = u_1 \overline{v}_1 + u_2 \overline{v}_2 + \cdots + u_n \overline{v}_n +\) +is an inner product in \(V\), and the two are said to form an \emph{inner +product space}. + +\begin{definition}[Inner product space] + \nocite{axler_linear_2014} + An inner product space is a vector space \(V\) equipped with an inner + product on \(V\). +\end{definition} + +How about a more interesting example: the set of continuous complex valued +functions on the interval \([0; 1]\) can behave like vectors. Functions can +be added, subtracted, multiplied with scalars, are associative and there is +even the identity element (zero function \(f(x) = 0\)), so we can create an +inner product +\[ + \langle f, g \rangle = \int_0^1 f(x) \overline{g(x)} \, dx, +\] +which will indeed satisfy all of the rules for an inner product (in fact this +is called the Hermitian inner product\nocite{allard_mathematics_2009}). If +this last step sounds too good to be true, you are right, because it is not +quite so simple. The problem that we have swept under the rug here is +convergence, which any student who took an analysis class will know is a +rather hairy question. We will not need to go too much into the details since +formally discussing convergence is definitely beyond the scope of this text, +however, for our purposes we will still need to dig a little deeper for a few +more paragraph. + +\subsection{Convergence} + +In the last section we hinted that we can create ``infinite-dimensional'' +vector spaces using functions as vectors, and inner product spaces by +integrating the product of two functions of said vector space. However, there +is a problem with convergence which twofold: the obvious problem is that the +integral of the inner product may not always converge, while the second is a +bit more subtle and will be discussed later. The inner product that does +not converge is a problem because we want a \emph{norm}. + +\begin{definition}[\(L^2\) Norm] + \nocite{axler_linear_2014} + The norm of a vector \(v\) of an inner product space is a number + denoted as \(\| v \|\) that is computed by \(\| v \| = \sqrt{\langle v, v + \rangle}\). +\end{definition} + +In \(\mathbb{R}^n\) with the dot product (Euclidian space) the norm is the +geometric length of a vector, while in a more general inner product space the +norm can be thought of as a more abstract measure of ``length''. In any case +it is rather important that the expression \(\sqrt{\langle v, v \rangle}\), +which when using functions \(f: \mathbb{R} \to \mathbb{C}\) becomes +\[ + \sqrt{\langle f, f \rangle} = + \sqrt{\int_\mathbb{R} f(x) \overline{f(x)} \, dx} = + \sqrt{\int_\mathbb{R} |f(x)|^2 \, dx}, +\] +always exists. So, to fix this problems we do what mathematicians do best: +make up the solution. Since the integrand under the square root is always the +square of the magnitude, we can just specify that the functions must be +\emph{absolutely square integrable}. To be more compact it is common to just +write \(f \in L^2\), where \(L^2\) denotes the set of absolutely square +integrable functions. + +Now we can tackle the second (much more difficult) problem of convergence +mentioned at the beginning. Using the technical jargon, we need that our inner +product space is what is called a \emph{complete metric space}, which just +means that we can measure distances. For the more motivated readers although +not really necessary we can also give a more formal definition, the others can +skip to the next section. + +\begin{definition}[Metric space] + \nocite{tao_analysis_2016} + A metric space \((X, d)\) is a space \(X\) of objects (called points), + together with a distance function or metric \(d: X \times X \to [0, + +\infty)\), which associates to each pair \(x, y\) of points in \(X\) a + non-negative real number \(d(x, y) \geq 0\). Furthermore, the metric must + satisfy the following four axioms: + \begin{enumerate}[(a)] + \item For any \(x\in X\), we have \(d(x, x) = 0\). + \item (Positivity) For any \emph{distinct} \(x, y \in X\), we have + \(d(x,y) > 0\). + \item (Symmetry) For any \(x,y \in X\), we have \(d(x, y) = d(y, x)\). + \item (Triangle inequality) For any \(x, y, z \in X\) we have + \(d(x, z) \leq d(x, y) + d(y, z)\). + \end{enumerate} +\end{definition} + +As is seen in the definition metric spaces are a very abstract concept and +rely on rather weak statements, which makes them very general. Now, the more +intimidating part is the \emph{completeness} which is defined as follows. + +\begin{definition}[Complete metric space] + \label{kugel:def:complete-metric-space} + A metric space \((X, d)\) is said to be \emph{complete} iff every Cauchy + sequence in \((X, d)\) is convergent in \((X, d)\). +\end{definition} + +To fully explain definition \ref{kugel:def:complete-metric-space} it would +take a few more pages, which would get a bit too heavy. So instead we will +give an informal explanation through an counterexample to get a feeling of +what is actually happening. Cauchy sequences is a rather fancy name for a +sequence for example of numbers that keep changing, but in a such a way that +at some point the change keeps getting smaller (the infamous +\(\varepsilon-\delta\) definition). For example consider the sequence of +numbers +\[ + 1, + 1.4, + 1.41, + 1.414, + 1.4142, + 1.41421, + \ldots +\] +in the metric space \((\mathbb{Q}, d)\) with \(d(x, y) = |x - y|\). Each +element of this sequence can be written with some fraction in \(\mathbb{Q}\), +but in \(\mathbb{R}\) the sequence is converging towards the number +\(\sqrt{2}\). However, \(\sqrt{2} \notin \mathbb{Q}\). Since we can find a +sequence of fractions whose distance's limit is not in \(\mathbb{Q}\), the +metric space \((\mathbb{Q}, d)\) is \emph{not} complete. Conversely, +\((\mathbb{R}, d)\) is a complete metric space since \(\sqrt{2} \in +\mathbb{R}\). + +Of course the analogy above also applies to vectors, i.e. if in an inner +product space \(V\) over a field \(\mathbb{K}\) all sequences of vectors have +a distance that is always in \(\mathbb{K}\), then \(V\) is also a complete +metric space. In the jargon, this particular case is what is known as a +Hilbert space, after the incredibly influential German mathematician David +Hilbert. + +\begin{definition}[Hilbert space] + A Hilbert space is a vector space \(H\) with an inner product \(\langle f, g + \rangle\) and a norm \(\sqrt{\langle f, f \rangle}\) defined such that \(H\) + turns into a complete metric space. +\end{definition} + +\subsection{Orthogonal basis and Fourier series} + +Now we finally have almost everything we need to get into the domain of +Fourier theory from the perspective of linear algebra. However, we still need +to briefly discuss the matter of orthogonality\footnote{See chapter +\ref{buch:chapter:orthogonalitaet} for more on orthogonality.} and +periodicity. Both should be very straightforward and already well known. + +\begin{definition}[Orthogonality and orthonormality] + \label{kugel:def:orthogonality} + In an inner product space \(V\) two vectors \(u, v \in V\) are said to be + \emph{orthogonal} if \(\langle u, v \rangle = 0\). Further, if both \(u\) + and \(v\) are of unit length, i.e. \(\| u \| = 1\) and \(\| v \| = 1\), then + they are said to be ortho\emph{normal}. +\end{definition} + +\begin{definition}[1-periodic function and \(C(\mathbb{R}/\mathbb{Z}; \mathbb{C})\)] + A function is said to be 1-periodic if \(f(x + 1) = f(x)\). The set of + 1-periodic function from the real to the complex + numbers is denoted by \(C(\mathbb{R}/\mathbb{Z}; \mathbb{C})\). +\end{definition} + +In the definition above the notation \(\mathbb{R}/\mathbb{Z}\) was borrowed +from group theory, and is what is known as a quotient group; Not really +relevant for our discussion but still a ``good to know''. More importantly, it +is worth noting that we could have also defined more generally \(L\)-periodic +functions with \(L\in\mathbb{R}\), however, this would introduce a few ugly +\(L\)'s everywhere which are not really necessary (it will always be possible +to extend the theorems to \(\mathbb{R} / L\mathbb{Z}\)). Thus, we will +continue without the \(L\)'s, and to simplify the language unless specified +otherwise ``periodic'' will mean 1-periodic. Having said that, we can +officially begin with the Fourier theory. + +\begin{lemma} + The subset of absolutely square integrable functions in + \(C(\mathbb{R}/\mathbb{Z}; \mathbb{C})\) together with the Hermitian inner + product + \[ + \langle f, g \rangle = \int_{[0; 1)} f(x) \overline{g(x)} \, dx + \] + form a Hilbert space. +\end{lemma} +\begin{proof} + It is not too difficult to show that the functions in \(C(\mathbb{R} / + \mathbb{Z}; \mathbb{C})\) are well behaved and form a vector space. Thus, + what remains is that the norm needs to form a complete metric space. + However, this follows from the fact that we defined the functions to be + absolutely square integrable\footnote{For the curious on why, it is because + \(L^2\) is what is known as a \emph{compact metric space}, and compact + metric spaces are always complete (see \cite{eck_metric_2022, + tao_analysis_2016}). To explain compactness and the relationship between + compactness and completeness is definitely beyond the goals of this text.}. +\end{proof} + +This was probably not a very satisfactory proof since we brushed off a lot of +details by referencing other theorems. However, the main takeaway should be +that we have ``constructed'' this new Hilbert space of functions in a such a +way that from now on we will not have to worry about the details of +convergence. + +\begin{lemma} + \label{kugel:lemma:exp-1d} + The set of functions \(E_n(x) = e^{i2\pi nx}\) on the interval + \([0; 1)\) with \(n \in \mathbb{Z} \) are orthonormal. +\end{lemma} +\begin{proof} + We need to show that \(\langle E_m, E_n \rangle\) equals 1 when \(m = n\) + and zero otherwise. This is a straightforward computation: We start by + unpacking the notation to get + \[ + \langle E_m, E_n \rangle + = \int_0^1 e^{i2\pi mx} e^{- i2\pi nx} \, dx + = \int_0^1 e^{i2\pi (m - n)x} \, dx, + \] + then inside the integrand we can see that when \(m = n\) we have \(e^0 = 1\) and + thus \( \int_0^1 dx = 1, \) while when \(m \neq n\) we can just say that we + have a new non-zero integer + \(k := m - n\) and + \[ + \int_0^1 e^{i2\pi kx} \, dx + = \frac{e^{i2\pi k} - e^{0}}{i2\pi k} + = \frac{1 - 1}{i2\pi k} + = 0 + \] + as desired. \qedhere +\end{proof} + +\begin{definition}[Spectrum] +\end{definition} + +\begin{theorem}[Fourier Theorem] + \[ + \lim_{N \to \infty} \left \| + f(x) - \sum_{n = -N}^N \hat{f}(n) E_n(x) + \right \|_2 = 0 + \] +\end{theorem} + +\begin{lemma} + The set of functions \(E_{m, n}(\xi, \eta) = e^{i2\pi m\xi}e^{i2\pi n\eta}\) + on the square \([0; 1)^2\) with \(m, n \in \mathbb{Z} \) are orthonormal. +\end{lemma} +\begin{proof} + The proof is almost identical to lemma \ref{kugel:lemma:exp-1d}, with the + only difference that the inner product is given by + \[ + \langle E_{m,n}, E_{m', n'} \rangle + = \iint_{[0;1)^2} + E_{m, n}(\xi, \eta) \overline{E_{m', n'} (\xi, \eta)} + \, d\xi d\eta + .\qedhere + \] +\end{proof} + +\subsection{Laplacian operator} + +\subsection{Eigenvalue Problem} diff --git a/buch/papers/kugel/proofs.tex b/buch/papers/kugel/proofs.tex new file mode 100644 index 0000000..143caa8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/proofs.tex @@ -0,0 +1,245 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et spell tw=80: +\section{Proofs} + +\subsection{Legendre Functions} \label{kugel:sec:proofs:legendre} + +\kugeltodo{Fix theorem numbers to match, review text.} + +\begin{lemma} + The polynomial function + \begin{align*} + y_n(x)&=\sum_{k=0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (-1)^k \frac{(2n-2k)!}{2^n k! (n-k)!(n-2k)!} x^{n-2k}\\ + &= \frac{1}{n!2^n}\frac{d^n}{dx^n}(1-x^2)^n =: P_n(x), + \end{align*} + is a solution to the second order differential equation + \begin{equation}\label{kugel:eq:sol_leg} + (1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}-2x\frac{dy}{dx} + n(n+1)y=0, \quad \forall n>0. + \end{equation} +\end{lemma} +\begin{proof} + In order to find a solution to Eq.\eqref{eq:legendre}, the following Ansatz can be performed: + \begin{equation}\label{eq:ansatz} + y(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k. + \end{equation} + Given Eq.\eqref{eq:ansatz}, then + \begin{align*} + \frac{dy}{dx} &= \sum_{k=0}^\infty k a_k x^{k-1}, \\ + \frac{d^2y}{dx^2} &= \sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2}. + \end{align*} + Eq.\eqref{eq:legendre} can be therefore written as + \begin{align} + &(1-x^2)\sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2} - 2x\sum_{k=0}^\infty k a_k x^{k-1} + n(n+1)\sum_{k=0}^\infty a_k x^k=0 \label{eq:ansatz_in_legendre} \\ + &=\sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2} - \sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k} - 2x\sum_{k=0}^\infty k a_k x^{k-1} + n(n+1)\sum_{k=0}^\infty a_k x^k=0. \nonumber + \end{align} + If one consider the term + \begin{equation}\label{eq:term} + \sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2}, + \end{equation} + the substitution $\tilde{k}=k-2$ yields Eq.\eqref{eq:term} to + \begin{equation*} + \sum_{\tilde{k}=-2}^\infty (\tilde{k}+2) (\tilde{k}+1) a_{\tilde{k}+2} x^{\tilde{k}}=\sum_{\tilde{k}=0}^\infty (\tilde{k}+2) (\tilde{k}+1) a_{\tilde{k}} x^{\tilde{k}}. + \end{equation*} + This means that Eq.\eqref{eq:ansatz_in_legendre} becomes + \begin{align} + &\sum_{k=0}^\infty (k+1)(k+2) a_{k+2} x^{k} - \sum_{k=0}^\infty k (k-1) a_k x^{k} - 2\sum_{k=0}^\infty k a_k x^k + n(n+1)\sum_{k=0}^\infty a_k x^k \nonumber \\ + = &\sum_{k=0}^\infty \big[ (k+1)(k+2) a_{k+2} - k (k-1) a_k - 2 k a_k + n(n+1) a_k \big] x^k \stackrel{!}{=} 0. \label{eq:condition} + \end{align} + The condition in Eq.\eqref{eq:condition} is equivalent to + \begin{equation}\label{eq:condition_2} + (k+1)(k+2) a_{k+2} - k (k-1) a_k - 2 k a_k + n(n+1) a_k = 0. + \end{equation} + We can derive a recursion formula for $a_{k+2}$ from Eq.\eqref{eq:condition_2}, which can be expressed as + \begin{equation}\label{eq:recursion} + a_{k+2}= \frac{k (k-1) - 2 k + n(n+1)}{(k+1)(k+2)}a_k = \frac{(k-n)(k+n+1)}{(k+2)(k+1)}a_k. + \end{equation} + All coefficients can be calculated using the latter. + + Following Eq.\eqref{eq:recursion}, if we want to compute $a_6$ we would have + \begin{align*} + a_{6}= -\frac{(n-4)(n+5)}{6\cdot 5}a_4 &= -\frac{(n-4)(5+n)}{6 \cdot 5} -\frac{(n-2)(n+3)}{4 \cdot 3} a_2 \\ + &= -\frac{(n-4)(n+5)}{6 \cdot 5} -\frac{(n-2)(n+3)}{4 \cdot 3} -\frac{n(n+1)}{2 \cdot 1} a_0 \\ + &= -\frac{(n+5)(n+3)(n+1)n(n-2)(n-4)}{6!} a_0. + \end{align*} + One can generalize this relation for the $i^\text{th}$ even coefficient as + \begin{equation*} + a_{2k} = (-1)^k \frac{(n+(2k-1))(n+(2k-1)-2)\hdots (n-(2k-2)+2)(n-(2k-2))}{(2k)!}a_0 + \end{equation*} + where $i=2k$. + + A similar expression can be written for the odd coefficients $a_{2k-1}$. In this case, the equation starts from $a_1$ and to find the pattern we can write the recursion for an odd coefficient, $a_7$ for example + \begin{align*} + a_{7}= -\frac{(n-5)(n+6)}{7\cdot 6}a_5 &= - \frac{(n-5)(n+6)}{7\cdot 6} -\frac{(n-3)(n+4)}{5 \cdot 4} a_3 \\ + &= - \frac{(n-5)(n+6)}{7\cdot 6} -\frac{(n-3)(n+4)}{5 \cdot 4} -\frac{(n-1)(n+2)}{3 \cdot 2} a_1 \\ + &= -\frac{(n+6)(n+4)(n+2)(n-1)(n-3)(n-5)}{7!} a_1. + \end{align*} + As before, we can generalize this equation for the $i^\text{th}$ odd coefficient + \begin{equation*} + a_{2k+1} = (-1)^k \frac{(n + 2k)(n+2k-2)\hdots(n-(2k-1)+2)(n-(2k-1))}{(2k+1)!}a_1 + \end{equation*} + where $i=2k+1$. + + Let be + \begin{align*} + y_\text{e}^K(x) &:= \sum_{k=0}^K(-1)^k \frac{(n+(2k-1))(n+(2k-1)-2)\hdots \color{red}(n-(2k-2)+2)(n-(2k-2))}{(2k)!} x^{2k}, \\ + y_\text{o}^K(x) &:= \sum_{k=0}^K(-1)^k \frac{(n + 2k)(n+2k-2)\hdots \color{blue} (n-(2k-1)+2)(n-(2k-1))}{(2k+1)!} x^{2k+1}. + \end{align*} + The solution to the Eq.\eqref{eq:legendre} can be written as + \begin{equation}\label{eq:solution} + y(x) = \lim_{K \to \infty} \left[ a_0 y_\text{e}^K(x) + a_1 y_\text{o}^K(x) \right]. + \end{equation} + + The colored parts can be analyzed separately: + \begin{itemize} + \item[\textcolor{red}{\textbullet}] Suppose that $n=n_0$ is an even number. Then the red part, for a specific value of $k=k_0$, will follow the following relation: + \begin{equation*} + n_0-(2k_0-2)=0. + \end{equation*} + From that point on, given the recursive nature of Eq.\eqref{eq:recursion}, all the subsequent coefficients will also be 0, making the sum finite. + \begin{equation*} + a_{2k}=0 \iff y_{\text{o}}^{2k}(x)=y_{\text{o}}^{2k_0}(x), \quad \forall k>k_0 + \end{equation*} + \item[\textcolor{blue}{\textbullet}] Suppose that $n=n_0$ is an odd number. Then the blue part, for a specific value of $k=k_0$, will follow the following relation + \begin{equation*} + n_0-(2k_0-1)=0. + \end{equation*} + From that point on, for the same reason as before, all the subsequent coefficients will also be 0, making the sum finite. + \begin{equation*} + a_{2k+1}=0 \iff y_{\text{o}}^{2k+1}(x)=y_{\text{o}}^{2k_0+1}(x), \quad \forall k>k_0 + \end{equation*} + \end{itemize} + + There is the possibility of expressing the solution in Eq.\eqref{eq:solution} in a more compact form, combining the two solutions $y_\text{o}^K(x)$ and $y_\text{e}^K(x)$. They are both a polynomial of maximum degree $n$, assuming $n \in \mathbb{N}$. In the case where $n$ is even, the polynomial solution + \begin{equation*} + \lim_{K\to \infty} y_\text{e}^K(x) + \end{equation*} + will be a finite sum. If instead $n$ is odd, will be + \begin{equation*} + \lim_{K\to \infty} y_\text{o}^K(x) + \end{equation*} + to be a finite sum. + + Depending on the coefficient we start with, $a_1$ or $a_0$, we will obtain the odd or even polynomial respectively. Starting with the last coefficient $a_n$ and, recursively, calculating all the others in descending order, we can express the two parts $y_\text{o}^K(x)$ and $y_\text{e}^K(x)$ with a single sum. Hence, because we start with the last coefficient, the choice concerning $a_1$ and $a_0$ will be at the end of the sum, and not at the beginning. To compact Eq.\eqref{eq:solution}, Eq.\eqref{eq:recursion} can be reconsidered to calculate the coefficient $a_{k-2}$, using $a_k$ + \begin{equation*} + a_{k-2} = -\frac{(k+2)(k+1)}{(k-n)(k+n+1)}a_k + \end{equation*} + Now the game is to find a pattern, as before. Remember that $n$ is a fixed parameter of Eq.\eqref{eq:legendre}. + \begin{align*} + a_{n-2} &= -\frac{n(n-1)}{2(2n-1)}a_n, \\ + a_{n-4} &= -\frac{(n-2)(n-3)}{4(2n-3)}a_{n-2} \\ + &= -\frac{(n-2)(n-3)}{4(2n-3)}-\frac{n(n-1)}{2(2n-1)}a_n. + \end{align*} + In general + \begin{equation}\label{eq:general_recursion} + a_{n-2k} = (-1)^k \frac{n(n-1)(n-2)(n-3) \hdots (n-2k+1)}{2\cdot4\hdots 2k(2n-1)(2n-3)\hdots(2n-2k+1)}a_n + \end{equation} + The whole solution can now be written as + \begin{align} + y(x) &= a_n x^n + a_{n-2} x^{n-2} + a_{n-4} x^{n-4} + a_{n-6} x^{n-6} + \hdots + \begin{cases} + a_1 x, \quad &\text{if } n \text{ odd} \\ + a_0, \quad &\text{if } n \text{ even} + \end{cases} \nonumber \\ + &= \sum_{k=0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} a_{n-2k}x^{n-2k} \label{eq:solution_2} + \end{align} + By considering + \begin{align} + (2n-1)(2n-3)\hdots (2n-2k+1)&=\frac{2n(2n-1)(2n-2)(2n-3)\hdots(2n-2k+1)} + {2n(2n-2)(2n-4)(2n-6)\hdots(2n-2k+2)} \nonumber \\ + &=\frac{\frac{(2n)!}{(2n-2k)!}} + {2^kn(n-1)(n-2)(n-3)\hdots(n-k+1)} \nonumber \\ + &=\frac{\frac{(2n)!}{(2n-2k)!}} + {2^k\frac{n!}{(n-k)!}}=\frac{(n-k)!(2n)!}{n!(2n-2k)!2^k} \label{eq:1_sub_recursion}, \\ + 2 \cdot 4 \hdots 2k &= 2^r 1\cdot2 \hdots r = 2^r r!\label{eq:2_sub_recursion}, \\ + n(n-1)(n-2)(n-3) \hdots (n-2k+1) &= \frac{n!}{(n-2k)!}\label{eq:3_sub_recursion}. + \end{align} + Eq.\eqref{eq:solution_2} can be rewritten as + \begin{equation}\label{eq:solution_3} + y(x)=a_n \sum_{k=0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (-1)^k \frac{n!^2(2n-2k)!}{k!(n-2k)!(n-k)!(2n)!} x^{n-2k}. + \end{equation} + Eq.\eqref{eq:solution_3} is defined for any $a_n$. By letting $a_n$ be declared as + \begin{equation*} + a_{n} := \frac{(2n)!}{2^n n!^2}, + \end{equation*} + the so called \emph{Legendre polynomial} emerges + \begin{equation}\label{eq:leg_poly} + P_n(x):=\sum_{k=0}^{\lfloor \frac{n}{2} \rfloor} (-1)^k \frac{(2n-2k)!}{2^n k! (n-k)!(n-2k)!} x^{n-2k} + \end{equation} +\end{proof} + + +\begin{lemma} + If $Z_n(z)$ is a solution of the Legendre equation \eqref{kugel:eqn:legendre}, + then + \begin{equation*} + P^m_n(z) = (1 - z^2)^{m/2} \frac{d^m}{dz^m}Z_n(z) + \end{equation*} + solves the associated Legendre equation \eqref{kugel:eqn:associated-legendre}. +\end{lemma} +% \begin{proof} [TODO: modificare la $m$ (è già usata come costante di separazione) o forse è giusta (?)] +\begin{proof} + To begin, we can start by differentiating $m$ times Eq.\eqref{kugel:eq:leg_eq} (which is staisfied by $y(x)$), obtaining + \begin{equation}\label{eq:lagrange_mderiv} + \frac{d^m}{dx^m}\left[ (1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2} \right] -2 \frac{d^m}{dx^m}\left[ x\frac{dy}{dx} \right] + n(n+1)\frac{d^m}{dx^m}y=0. + \end{equation} + \emph{Leibniz's theorem} says, that if we want to differentiate $m$ times a multiplication of two functions, we can use the binomial coefficients to build up a sum. This allows us to be more compact, obtaining + \begin{equation}\label{eq:leibniz} + \frac{d^m}{dx^m}[u(x)v(x)] = \sum_{i=0}^m \binom{n}{i} \frac{d^{m-i}u}{dx^{m-1}} \frac{d^{i}v}{dx^i}. + \end{equation} + Using Eq.\eqref{eq:leibniz} in Eq.\eqref{eq:lagrange_mderiv}, we have + \begin{align} + (1-x^2)\frac{d^{m+2}y}{dx^{m+2}} &+ m \frac{d}{dx}(1-x^2)\frac{d^{m+1}y}{dx^{m+1}} + \frac{m(m-1)}{2}\frac{d^{2}}{dx^{2}}(1-x^2)\frac{d^{m}y}{dx^{m}} + n(n+1)\frac{d^m{}y}{dx^{m}} \nonumber \\ + &-2\left(x\frac{d^{m+1}y}{dx^{m+1}} + m\frac{d}{dx}x\frac{d^{m}y}{dx^{m}} \right) \nonumber \\ + &= (1-x^2)\frac{d^{m+2}y}{dx^{m+2}} -2x(m+1)\frac{d^{m+1}y}{dx^{m+1}}+(n(n+1)-m(m-1)-2m)\frac{d^{m}y}{dx^{m}}=0. \label{eq:aux_3} + \end{align} + To make the notation easier to follow, a new function can be defined + \begin{equation*} + \frac{d^{m}y}{dx^{m}} := y_m. + \end{equation*} + Eq.\eqref{eq:aux_3} now becomes + \begin{equation}\label{eq:1st_subs} + (1-x^2)\frac{d^{2}y_m}{dx^{2}} -2x(m+1)\frac{dy_m}{dx}+(n(n+1)-m(m+1))y_m=0 + \end{equation} + A second function can be further defined as + \begin{equation*} + (1-x^2)^{\frac{m}{2}}\frac{d^{m}y}{dx^{m}} = (1-x^2)^{\frac{m}{2}}y_m := \hat{y}_m, + \end{equation*} + allowing to write Eq.\eqref{eq:1st_subs} as + \begin{equation}\label{eq:2st_subs} + (1-x^2)\frac{d^2}{dx^2}[\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}] -2(m+1)x\frac{d}{dx}[\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}] + (n(n+1)-m(m+1))\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}=0. + \end{equation} + The goal now is to compute the two terms + \begin{align*} + \frac{d^2}{dx^2}[\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}] &= \frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} (1-x^2)^{-\frac{m}{2}} + \frac{d\hat{y}_m}{dx}\frac{m}{2}(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1}2x \\ + &+ m\left( \frac{d\hat{y}_m}{dx} x (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} + \hat{y}_m (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} - \hat{y}_m x (-\frac{m}{2}-1)(1-x^2)^{-\frac{m}{2}} 2x\right) \\ + &= \frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} (1-x^2)^{-\frac{m}{2}} + \frac{d\hat{y}_m}{dx}mx (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} + m\frac{d\hat{y}_m}{dx}x (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1}\\ + &+ m\hat{y}_m (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} + m\hat{y}_m x^2(m+2)(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-2} + \end{align*} + and + \begin{align*} + \frac{d}{dx}[\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}] &= \frac{d\hat{y}_m}{dx}(1-x^2)^{-\frac{m}{2}} + \hat{y}_m\frac{m}{2}(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1}2x \\ + &= \frac{d\hat{y}_m}{dx}(1-x^2)^{-\frac{m}{2}} + \hat{y}_mm(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1}x, + \end{align*} + to use them in Eq.\eqref{eq:2st_subs}, obtaining + \begin{align*} + (1-x^2)\biggl[\frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} (1-x^2)^{-\frac{m}{2}} &+ \frac{d\hat{y}_m}{dx}mx (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} + m\frac{d\hat{y}_m}{dx}x (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} \\ + &+ m\hat{y}_m (1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1} + m\hat{y}_m x^2(m+2)(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-2}\biggr] \\ + &-2(m+1)x\left[ \frac{d\hat{y}_m}{dx}(1-x^2)^{-\frac{m}{2}} + \hat{y}_mm(1-x^2)^{-\frac{m}{2}-1}x \right] \\ + &+ (n(n+1)-m(m+1))\hat{y}_m(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}=0.\\ + \end{align*} + We can now divide by $(1-x^2)^{-\frac{m}{2}}$, obtaining + \begin{align*} + (1-x^2)\biggl[\frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} &+ \frac{d\hat{y}_m}{dx}mx (1-x^2)^{-1} + m\frac{d\hat{y}_m}{dx}x (1-x^2)^{-1} + m\hat{y}_m (1-x^2)^{-1} + m\hat{y}_m x^2(m+2)(1-x^2)^{-2}\biggr] \\ + &-2(m+1)x\left[ \frac{d\hat{y}_m}{dx} + \hat{y}_mm(1-x^2)^{-1}x \right] + (n(n+1)-m(m+1))\hat{y}_m\\ + &= \frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} + \frac{d\hat{y}_m}{dx}mx + m\frac{d\hat{y}_m}{dx}x + m\hat{y}_m + m\hat{y}_m x^2(m+2)(1-x^2)^{-1} \\ + &-2(m+1)x\left[ \frac{d\hat{y}_m}{dx} + \hat{y}_mm(1-x^2)^{-1}x \right] + (n(n+1)-m(m+1))\hat{y}_m\\ + \end{align*} + and collecting some terms + \begin{equation*} + (1-x^2)\frac{d^2\hat{y}_m}{dx^2} - 2x\frac{d\hat{y}_m}{dx} + \left( -x^2 \frac{m^2}{1-x^2} + m+n(n+1)-m(m+1)\right)\hat{y}_m=0. + \end{equation*} + Showing that + \begin{align*} + -x^2 \frac{m^2}{1-x^2} + m+n(n+1)-m(m+1) &= n(n+1)- m^2 -x^2 \frac{m^2}{1-x^2} \\ + &= n(n+1)- \frac{m}{1-x^2} + \end{align*} + implies $\hat{y}_m(x)$ being a solution of Eq.\eqref{kugel:eq:associated_leg_eq} +\end{proof} diff --git a/buch/papers/kugel/references.bib b/buch/papers/kugel/references.bib index 013da60..e5d6452 100644 --- a/buch/papers/kugel/references.bib +++ b/buch/papers/kugel/references.bib @@ -1,35 +1,206 @@ -% -% references.bib -- Bibliography file for the paper kugel -% -% (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil -% - -@online{kugel:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} -} - -@book{kugel: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{kugel:mendezmueller, - author = { Tabea Méndez and Andreas Müller }, - title = { Noncommutative harmonic analysis and image registration }, - journal = { Appl. 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Acacio}, + urldate = {2022-05-16}, + date = {2015-09}, + langid = {english}, + file = {Submitted Version:/Users/npross/Zotero/storage/SN4YUNQC/Carvalhaes and de Barros - 2015 - The surface Laplacian technique in EEG Theory and.pdf:application/pdf}, +} + +@video{minutephysics_better_2021, + title = {A Better Way To Picture Atoms}, + url = {https://www.youtube.com/watch?v=W2Xb2GFK2yc}, + abstract = {Thanks to Google for sponsoring a portion of this video! +Support {MinutePhysics} on Patreon: http://www.patreon.com/minutephysics + +This video is about using Bohmian trajectories to visualize the wavefunctions of hydrogen orbitals, rendered in 3D using custom python code in Blender. + +{REFERENCES} +A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of "Hidden" Variables. I +David Bohm, Physical Review, Vol 85 No. 2, January 15, 1952 + +Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics +J. S. Bell + +Trajectory construction of Dirac evolution +Peter Holland + +The de Broglie-Bohm Causal Interpretation of Quantum Mechanics and its Application to some Simple Systems by Caroline Colijn + +Bohmian Trajectories as the Foundation of Quantum Mechanics +http://arxiv.org/abs/0912.2666v1 + +The Pilot-Wave Perspective on Quantum Scattering and Tunneling +http://arxiv.org/abs/1210.7265v2 + +A Quantum Potential Description of One-Dimensional Time-Dependent Scattering From Square Barriers and Square Wells +Dewdney, Foundations of Physics, {VoL} 12, No. 1, 1982 + +Link to Patreon Supporters: http://www.minutephysics.com/supporters/ + +{MinutePhysics} is on twitter - @minutephysics +And facebook - http://facebook.com/minutephysics + +Minute Physics provides an energetic and entertaining view of old and new problems in physics -- all in a minute! + +Created by Henry Reich}, + author = {{minutephysics}}, + urldate = {2022-05-19}, + date = {2021-05-19}, +} + +@article{ries_role_2013, + title = {Role of the lateral prefrontal cortex in speech monitoring}, + volume = {7}, + issn = {1662-5161}, + url = {http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnhum.2013.00703/abstract}, + doi = {10.3389/fnhum.2013.00703}, + journaltitle = {Frontiers in Human Neuroscience}, + shortjournal = {Front. Hum. Neurosci.}, + author = {Riès, Stephanie K. and Xie, Kira and Haaland, Kathleen Y. and Dronkers, Nina F. and Knight, Robert T.}, + urldate = {2022-05-16}, + date = {2013}, + file = {Full Text:/Users/npross/Zotero/storage/W7KTJB8E/Riès et al. - 2013 - Role of the lateral prefrontal cortex in speech mo.pdf:application/pdf}, +} + +@online{saylor_academy_atomic_2012, + title = {Atomic Orbitals and Their Energies}, + url = {http://saylordotorg.github.io/text_general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0/s10-05-atomic-orbitals-and-their-ener.html}, + author = {{Saylor Academy}}, + urldate = {2022-05-30}, + date = {2012}, + file = {Atomic Orbitals and Their Energies:/Users/npross/Zotero/storage/LJ8DM3YI/s10-05-atomic-orbitals-and-their-ener.html:text/html}, +} + +@inproceedings{schmitz_using_2012, + location = {Santa Clara, {CA}, {USA}}, + title = {Using spherical harmonics for modeling antenna patterns}, + isbn = {978-1-4577-1155-8 978-1-4577-1153-4 978-1-4577-1154-1}, + url = {http://ieeexplore.ieee.org/document/6175298/}, + doi = {10.1109/RWS.2012.6175298}, + eventtitle = {2012 {IEEE} Radio and Wireless Symposium ({RWS})}, + pages = {155--158}, + booktitle = {2012 {IEEE} Radio and Wireless Symposium}, + publisher = {{IEEE}}, + author = {Schmitz, Arne and Karolski, Thomas and Kobbelt, Leif}, + urldate = {2022-05-16}, + date = {2012-01}, +} + +@online{allard_mathematics_2009, + title = {Mathematics 203-204 - Basic Analysis I-{II}}, + url = {https://services.math.duke.edu/~wka/math204/}, + author = {Allard, William K.}, + urldate = {2022-07-25}, + date = {2009}, + file = {Mathematics 203-204 - Basic Analysis I-II:/Users/npross/Zotero/storage/LJISXBCM/math204.html:text/html}, +} + +@book{olver_introduction_2013, + location = {New York, {NY}}, + title = {Introduction to partial differential equations}, + isbn = {978-3-319-02098-3}, + publisher = {Springer Science+Business Media, {LLC}}, + author = {Olver, Peter J.}, + date = {2013}, +} + +@book{miller_partial_2020, + location = {Mineola, New York}, + title = {Partial differential equations in engineering problems}, + isbn = {978-0-486-84329-2}, + abstract = {"Requiring only an elementary knowledge of ordinary differential equations, this concise text begins by deriving common partial differential equations associated with vibration, heat flow, electricity, and elasticity. The treatment discusses and applies the techniques of Fourier analysis to these equations and extends the discussion to the Fourier integral. Final chapters discuss Legendre, Bessel, and Mathieu functions and the general structure of differential operators"--}, + publisher = {Dover Publications, Inc}, + author = {Miller, Kenneth S.}, + date = {2020}, + keywords = {Differential equations, Partial}, +} + +@book{asmar_complex_2018, + location = {Cham}, + title = {Complex analysis with applications}, + isbn = {978-3-319-94062-5}, + series = {Undergraduate texts in mathematics}, + pagetotal = {494}, + publisher = {Springer}, + author = {Asmar, Nakhlé H. and Grafakos, Loukas}, + date = {2018}, + doi = {10.1007/978-3-319-94063-2}, + file = {Table of Contents PDF:/Users/npross/Zotero/storage/G2Q2RDFU/Asmar and Grafakos - 2018 - Complex analysis with applications.pdf:application/pdf}, +} + +@book{adkins_ordinary_2012, + location = {New York}, + title = {Ordinary differential equations}, + isbn = {978-1-4614-3617-1}, + series = {Undergraduate texts in mathematics}, + pagetotal = {799}, + publisher = {Springer}, + author = {Adkins, William A. and Davidson, Mark G.}, + date = {2012}, + keywords = {Differential equations}, +} + +@book{griffiths_introduction_2015, + title = {Introduction to electrodynamics}, + isbn = {978-93-325-5044-5}, + author = {Griffiths, David J}, + date = {2015}, + note = {{OCLC}: 965197645}, +} + +@book{tao_analysis_2016, + title = {Analysis 2}, + isbn = {978-981-10-1804-6}, + url = {https://doi.org/10.1007/978-981-10-1804-6}, + author = {Tao, Terence}, + urldate = {2022-07-25}, + date = {2016}, + note = {{OCLC}: 965325026}, +} + +@book{axler_linear_2015, + location = {Cham}, + title = {Linear Algebra Done Right}, + isbn = {978-3-319-11079-0 978-3-319-11080-6}, + url = {https://link.springer.com/10.1007/978-3-319-11080-6}, + series = {Undergraduate Texts in Mathematics}, + publisher = {Springer International Publishing}, + author = {Axler, Sheldon}, + urldate = {2022-07-25}, + date = {2015}, + langid = {english}, + doi = {10.1007/978-3-319-11080-6}, + file = {Submitted Version:/Users/npross/Zotero/storage/3Y8MX74N/Axler - 2015 - Linear Algebra Done Right.pdf:application/pdf}, +} + +@online{eck_metric_2022, + title = {Metric Spaces: Completeness}, + url = {https://math.hws.edu/eck/metric-spaces/completeness.html}, + titleaddon = {Math 331: Foundations of Analysis}, + author = {Eck, David J.}, + urldate = {2022-08-01}, + date = {2022}, + file = {Metric Spaces\: Completeness:/Users/npross/Zotero/storage/5JYEE8NF/completeness.html:text/html}, } +@book{bell_special_2004, + location = {Mineola, {NY}}, + title = {Special functions for scientists and engineers}, + isbn = {978-0-486-43521-3}, + series = {Dover books on mathematics}, + pagetotal = {247}, + publisher = {Dover Publ}, + author = {Bell, William Wallace}, + date = {2004}, +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/kugel/spherical-harmonics.tex b/buch/papers/kugel/spherical-harmonics.tex new file mode 100644 index 0000000..2ded50b --- /dev/null +++ b/buch/papers/kugel/spherical-harmonics.tex @@ -0,0 +1,410 @@ +% vim:ts=2 sw=2 et spell tw=80: + +\section{Construction of the Spherical Harmonics} + +\kugeltodo{Review text, or rewrite if preliminaries becomes an addendum} + +We finally arrived at the main section, which gives our chapter its name. The +idea is to discuss spherical harmonics, their mathematical derivation and some +of their properties and applications. + +The subsection \ref{} \kugeltodo{Fix references} will be devoted to the +Eigenvalue problem of the Laplace operator. Through the latter we will derive +the set of Eigenfunctions that obey the equation presented in \ref{} +\kugeltodo{reference to eigenvalue equation}, which will be defined as +\emph{Spherical Harmonics}. In fact, this subsection will present their +mathematical derivation. + +In the subsection \ref{}, on the other hand, some interesting properties +related to them will be discussed. Some of these will come back to help us +understand in more detail why they are useful in various real-world +applications, which will be presented in the section \ref{}. + +One specific property will be studied in more detail in the subsection \ref{}, +namely the recursive property. The last subsection is devoted to one of the +most beautiful applications (In our humble opinion), namely the derivation of a +Fourier-style series expansion but defined on the sphere instead of a plane. +More importantly, this subsection will allow us to connect all the dots we have +created with the previous sections, concluding that Fourier is just a specific +case of the application of the concept of orthogonality. Our hope is that after +reading this section you will appreciate the beauty and power of generalization +that mathematics offers us. + +\subsection{Eigenvalue Problem} +\label{kugel:sec:construction:eigenvalue} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics{papers/kugel/figures/tikz/spherical-coordinates} + \caption{ + Spherical coordinate system. Space is described with the free variables $r + \in \mathbb{R}_0^+$, $\vartheta \in [0; \pi]$ and $\varphi \in [0; 2\pi)$. + \label{kugel:fig:spherical-coordinates} + } +\end{figure} + +From Section \ref{buch:pde:section:kugel}, we know that the spherical Laplacian +in the spherical coordinate system (shown in Figure +\ref{kugel:fig:spherical-coordinates}) is is defined as +\begin{equation*} + \sphlaplacian := + \frac{1}{r^2} \frac{\partial}{\partial r} \left( + r^2 \frac{\partial}{\partial r} + \right) + + \frac{1}{r^2} \left[ + \frac{1}{\sin\vartheta} \frac{\partial}{\partial \vartheta} \left( + \sin\vartheta \frac{\partial}{\partial\vartheta} + \right) + + \frac{1}{\sin^2 \vartheta} \frac{\partial^2}{\partial\varphi^2} + \right]. +\end{equation*} +But we will not consider this algebraic monstrosity in its entirety. As the +title suggests, we will only care about the \emph{surface} of the sphere. This +is for many reasons, but mainly to simplify reduce the already broad scope of +this text. Concretely, we will always work on the unit sphere, which just means +that we set $r = 1$ and keep only $\vartheta$ and $\varphi$ as free variables. +Now, since the variable $r$ became a constant, we can leave out all derivatives +with respect to $r$ and substitute all $r$'s with 1's to obtain a new operator +that deserves its own name. + +\begin{definition}[Surface spherical Laplacian] + \label{kugel:def:surface-laplacian} + The operator + \begin{equation*} + \surflaplacian := + \frac{1}{\sin\vartheta} \frac{\partial}{\partial \vartheta} \left( + \sin\vartheta \frac{\partial}{\partial\vartheta} + \right) + + \frac{1}{\sin^2 \vartheta} \frac{\partial^2}{\partial\varphi^2}, + \end{equation*} + is called the surface spherical Laplacian. +\end{definition} + +In the definition, the subscript ``$\partial S$'' was used to emphasize the +fact that we are on the spherical surface, which can be understood as being the +boundary of the sphere. But what does it actually do? To get an intuition, +first of all, notice the fact that $\surflaplacian$ have second derivatives, +which means that this a measure of \emph{curvature}; But curvature of what? To +get an even stronger intuition we will go into geometry, were curvature can be +grasped very well visually. Consider figure \ref{kugel:fig:curvature} where the +curvature is shown using colors. First we have the curvature of a curve in 1D, +then the curvature of a surface (2D), and finally the curvature of a function on +the surface of the unit sphere. + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=.3\linewidth]{papers/kugel/figures/tikz/curvature-1d} + \hskip 5mm + \includegraphics[width=.3\linewidth]{papers/kugel/figures/povray/curvature} + \hskip 5mm + \includegraphics[width=.3\linewidth]{papers/kugel/figures/povray/spherecurve} + \caption{ + \kugeltodo{Fix alignment / size, add caption. Would be nice to match colors.} + \label{kugel:fig:curvature} + } +\end{figure} + +Now that we have defined an operator, we can go and study its eigenfunctions, +which means that we would like to find the functions $f(\vartheta, \varphi)$ +that satisfy the equation +\begin{equation} \label{kuvel:eqn:eigen} + \surflaplacian f = -\lambda f. +\end{equation} +Perhaps it may not be obvious at first glance, but we are in fact dealing with a +partial differential equation (PDE) \kugeltodo{Boundary conditions?}. If we +unpack the notation of the operator $\nabla^2_{\partial S}$ according to +definition +\ref{kugel:def:surface-laplacian}, we get: +\begin{equation} \label{kugel:eqn:eigen-pde} + \frac{1}{\sin\vartheta} \frac{\partial}{\partial \vartheta} \left( + \sin\vartheta \frac{\partial f}{\partial\vartheta} + \right) + + \frac{1}{\sin^2 \vartheta} \frac{\partial^2 f}{\partial\varphi^2} + + \lambda f = 0. +\end{equation} +Since all functions satisfying \eqref{kugel:eqn:eigen-pde} are the +\emph{eigenfunctions} of $\surflaplacian$, our new goal is to solve this PDE. +The task may seem very difficult but we can simplify it with a well-known +technique: \emph{the separation Ansatz}. It consists in assuming that the +function $f(\vartheta, \varphi)$ can be factorized in the following form: +\begin{equation} + f(\vartheta, \varphi) = \Theta(\vartheta)\Phi(\varphi). +\end{equation} +In other words, we are saying that the effect of the two independent variables +can be described using the multiplication of two functions that describe their +effect separately. This separation process was already presented in section +\ref{buch:pde:section:kugel}, but we will briefly rehearse it here for +convenience. If we substitute this assumption in +\eqref{kugel:eqn:eigen-pde}, we have: +\begin{equation*} + \frac{1}{\sin\vartheta} \frac{\partial}{\partial \vartheta} \left( + \sin\vartheta \frac{\partial \Theta(\vartheta)}{\partial\vartheta} + \right) \Phi(\varphi) + + \frac{1}{\sin^2 \vartheta} + \frac{\partial^2 \Phi(\varphi)}{\partial\varphi^2} + \Theta(\vartheta) + + \lambda \Theta(\vartheta)\Phi(\varphi) = 0. +\end{equation*} +Dividing by $\Theta(\vartheta)\Phi(\varphi)$ and introducing an auxiliary +variable $m^2$, the separation constant, yields: +\begin{equation*} + \frac{1}{\Theta(\vartheta)}\sin \vartheta \frac{d}{d \vartheta} \left( + \sin \vartheta \frac{d \Theta}{d \vartheta} + \right) + + \lambda \sin^2 \vartheta + = -\frac{1}{\Phi(\varphi)} \frac{d^2\Phi(\varphi)}{d\varphi^2} + = m^2, +\end{equation*} +which is equivalent to the following system of 2 first order differential +equations (ODEs): +\begin{subequations} + \begin{gather} + \frac{d^2\Phi(\varphi)}{d\varphi^2} = -m^2 \Phi(\varphi), + \label{kugel:eqn:ode-phi} \\ + \sin \vartheta \frac{d}{d \vartheta} \left( + \sin \vartheta \frac{d \Theta}{d \vartheta} + \right) + + \left( \lambda - \frac{m^2}{\sin^2 \vartheta} \right) + \Theta(\vartheta) = 0 + \label{kugel:eqn:ode-theta}. + \end{gather} +\end{subequations} +The solution of \eqref{kugel:eqn:ode-phi} is easy to find: The complex +exponential is obviously the function we are looking for. So we can directly +write the solutions +\begin{equation} \label{kugel:eqn:ode-phi-sol} + \Phi(\varphi) = e^{i m \varphi}, \quad m \in \mathbb{Z}. +\end{equation} +The restriction that the separation constant $m$ needs to be an integer arises +from the fact that we require a $2\pi$-periodicity in $\varphi$ since the +coordinate systems requires that $\Phi(\varphi + 2\pi) = \Phi(\varphi)$. +Unfortunately, solving \eqref{kugel:eqn:ode-theta} is as straightforward, +actually, it is quite difficult, and the process is so involved that it will +require a dedicated section of its own. + +\subsection{Legendre Functions} + +\begin{figure} + \centering + \kugelplaceholderfig{.8\textwidth}{5cm} + \caption{ + \kugeltodo{Why $z = \cos \vartheta$.} + } +\end{figure} + +To solve \eqref{kugel:eqn:ode-theta} we start with the substitution $z = \cos +\vartheta$ \kugeltodo{Explain geometric origin with picture}. The operator +$\frac{d}{d \vartheta}$ becomes +\begin{equation*} + \frac{d}{d \vartheta} + = \frac{dz}{d \vartheta}\frac{d}{dz} + = -\sin \vartheta \frac{d}{dz} + = -\sqrt{1-z^2} \frac{d}{dz}, +\end{equation*} +since $\sin \vartheta = \sqrt{1 - \cos^2 \vartheta} = \sqrt{1 - z^2}$, and +then \eqref{kugel:eqn:ode-theta} becomes +\begin{align*} + \frac{-\sqrt{1-z^2}}{\sqrt{1-z^2}} \frac{d}{dz} \left[ + \left(\sqrt{1-z^2}\right) \left(-\sqrt{1-z^2}\right) \frac{d \Theta}{dz} + \right] + + \left( \lambda - \frac{m^2}{1 - z^2} \right)\Theta(\vartheta) &= 0, + \\ + \frac{d}{dz} \left[ (1-z^2) \frac{d \Theta}{dz} \right] + + \left( \lambda - \frac{m^2}{1 - z^2} \right)\Theta(\vartheta) &= 0, + \\ + (1-z^2)\frac{d^2 \Theta}{dz} - 2z\frac{d \Theta}{dz} + + \left( \lambda - \frac{m^2}{1 - z^2} \right)\Theta(\vartheta) &= 0. +\end{align*} +By making two final cosmetic substitutions, namely $Z(z) = \Theta(\cos^{-1}z)$ +and $\lambda = n(n+1)$, we obtain what is known in the literature as the +\emph{associated Legendre equation of order $m$}: +\nocite{olver_introduction_2013} +\begin{equation} \label{kugel:eqn:associated-legendre} + (1 - z^2)\frac{d^2 Z}{dz} + - 2z\frac{d Z}{dz} + + \left( n(n + 1) - \frac{m^2}{1 - z^2} \right) Z(z) = 0, + \quad + z \in [-1; 1], m \in \mathbb{Z}. +\end{equation} + +Our new goal has therefore become to solve +\eqref{kugel:eqn:associated-legendre}, since if we find a solution for $Z(z)$ we +can perform the substitution backwards and get back to our eigenvalue problem. +However, the associated Legendre equation is not any easier, so to attack the +problem we will look for the solutions in the easier special case when $m = 0$. +This reduces the problem because it removes the double pole, which is always +tricky to deal with. In fact, the reduced problem when $m = 0$ is known as the +\emph{Legendre equation}: +\begin{equation} \label{kugel:eqn:legendre} + (1 - z^2)\frac{d^2 Z}{dz} + - 2z\frac{d Z}{dz} + + n(n + 1) Z(z) = 0, + \quad + z \in [-1; 1]. +\end{equation} + +The Legendre equation is a second order differential equation, and therefore it +has 2 independent solutions, which are known as \emph{Legendre functions} of the +first and second kind. For the scope of this text we will only derive a special +case of the former that is known known as the \emph{Legendre polynomials}, since +we only need a solution between $-1$ and $1$. + +\begin{lemma}[Legendre polynomials] + \label{kugel:lem:legendre-poly} + The polynomial function + \[ + P_n(z) = \sum^{\lfloor n/2 \rfloor}_{k=0} + \frac{(-1)^k}{2^n s^k!} \frac{(2n - 2k)!}{(n - k)! (n-2k)!} z^{n - 2k} + \] + is the only finite solution of the Legendre equation + \eqref{kugel:eqn:legendre} when $n \in \mathbb{Z}$ and $z \in [-1; 1]$. +\end{lemma} +\begin{proof} + This results is derived in section \ref{kugel:sec:proofs:legendre}. +\end{proof} + +Since the Legendre \emph{polynomials} are indeed polynomials, they can also be +expressed using the hypergeometric functions described in section +\ref{buch:rekursion:section:hypergeometrische-funktion}, so in fact +\begin{equation} + P_n(z) = {}_2F_1 \left( \begin{matrix} + n + 1, & -n \\ \multicolumn{2}{c}{1} + \end{matrix} ; \frac{1 - z}{2} \right). +\end{equation} +Further, there are a few more interesting but not very relevant forms to write +$P_n(z)$ such as \emph{Rodrigues' formula} and \emph{Laplace's integral +representation} which are +\begin{equation*} + P_n(z) = \frac{1}{2^n} \frac{d^n}{dz^n} (x^2 - 1)^n, + \qquad \text{and} \qquad + P_n(z) = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi \left( + z + \cos\vartheta \sqrt{z^2 - 1} + \right) \, d\vartheta +\end{equation*} +respectively, both of which we will not prove (see chapter 3 of +\cite{bell_special_2004} for a proof). Now that we have a solution for the +Legendre equation, we can make use of the following lemma patch the solutions +such that they also become solutions of the associated Legendre equation +\eqref{kugel:eqn:associated-legendre}. + +\begin{lemma} \label{kugel:lem:extend-legendre} + If $Z_n(z)$ is a solution of the Legendre equation \eqref{kugel:eqn:legendre}, + then + \begin{equation*} + Z^m_n(z) = (1 - z^2)^{m/2} \frac{d^m}{dz^m}Z_n(z) + \end{equation*} + solves the associated Legendre equation \eqref{kugel:eqn:associated-legendre}. + \nocite{bell_special_2004} +\end{lemma} +\begin{proof} + See section \ref{kugel:sec:proofs:legendre}. +\end{proof} + +What is happening in lemma \ref{kugel:lem:extend-legendre}, is that we are +essentially inserting a square root function in the solution in order to be able +to reach the parts of the domain near the poles at $\pm 1$ of the associated +Legendre equation, which is not possible only using power series +\kugeltodo{Reference book theory on extended power series method.}. Now, since +we have a solution in our domain, namely $P_n(z)$, we can insert it in the lemma +obtain the \emph{associated Legendre functions}. + +\begin{definition}[Ferrers or associated Legendre functions] + \label{kugel:def:ferrers-functions} + The functions + \begin{equation} + P^m_n (z) = \frac{1}{n!2^n}(1-z^2)^{\frac{m}{2}}\frac{d^{m}}{dz^{m}} P_n(z) + = \frac{1}{n!2^n}(1-z^2)^{\frac{m}{2}}\frac{d^{m+n}}{dz^{m+n}}(1-z^2)^n + \end{equation} + are known as Ferrers or associated Legendre functions. +\end{definition} + +\kugeltodo{Discuss $|m| \leq n$.} + +\if 0 +The constraint $|m|<n$, can be justified by considering Eq.\eqref{kugel:eq:associated_leg_func}, in which the derivative of degree $m+n$ is present. A derivative to be well defined must have an order that is greater than zero. Furthermore, it can be seen that this derivative is applied on a polynomial of degree $2n$. As is known from Calculus 1, if you derive a polynomial of degree $2n$ more than $2n$ times, you get zero, which is a trivial solution in which we are not interested.\newline +We can thus summarize these two conditions by writing: +\begin{equation*} + \begin{rcases} + m+n \leq 2n &\implies m \leq n \\ + m+n \geq 0 &\implies m \geq -n + \end{rcases} |m| \leq n. +\end{equation*} +The set of functions in Eq.\eqref{kugel:eq:sph_harm_0} is named \emph{Spherical Harmonics}, which are the eigenfunctions of the Laplace operator on the \emph{spherical surface domain}, which is exactly what we were looking for at the beginning of this section. +\fi + +\subsection{Spherical Harmonics} + +Finally, we can go back to solving our boundary value problem we started in +section \ref{kugel:sec:construction:eigenvalue}. We had left off in the middle +of the separation, were we had used the Ansatz $f(\vartheta, \varphi) = +\Theta(\vartheta) \Phi(\varphi)$ to find that $\Phi(\varphi) = e^{im\varphi}$, +and we were solving for $\Theta(\vartheta)$. As you may recall, previously we +performed the substitution $z = \cos \vartheta$. Now we can finally to bring back the +solution to the associated Legendre equation $P^m_n(z)$ into the $\vartheta$ +domain and combine it with $\Phi(\varphi)$ to get the full result: +\begin{equation*} + f(\vartheta, \varphi) + = \Theta(\vartheta)\Phi(\varphi) + = P^m_n (\cos \vartheta) e^{im\varphi}. +\end{equation*} +This family of functions, which recall are the solutions of the eigenvalue +problem of the surface spherical Laplacian, are the long anticipated +\emph{complex spherical harmonics}, and they are usually denoted with +$Y^m_n(\vartheta, \varphi)$. + +\begin{definition}[Spherical harmonics] + \label{kugel:def:spherical-harmonics} + The functions + \begin{equation*} + Y_{m,n}(\vartheta, \varphi) = P^m_n(\cos \vartheta) e^{im\varphi}, + \end{equation*} + where $m, n \in \mathbb{Z}$ and $|m| < n$ are called spherical harmonics. +\end{definition} + +\begin{figure} + \centering + \kugelplaceholderfig{\textwidth}{.8\paperheight} + \caption{ + \kugeltodo{Big picture with the first few spherical harmonics.} + } +\end{figure} + +\subsection{Normalization} + +\kugeltodo{Discuss various normalizations.} + +\if 0 +As explained in the chapter \ref{}, the concept of orthogonality is very important and at the practical level it is very useful, because it allows us to develop very powerful techniques at the mathematical level.\newline +Throughout this book we have been confronted with the Sturm-Liouville theory (see chapter \ref{}). The latter, among other things, carries with it the concept of orthogonality. Indeed, if we consider the solutions of the Sturm-Liouville equation, which can be expressed in this form +\begin{equation}\label{kugel:eq:sturm_liouville} + \mathcal{S}f := \frac{d}{dx}\left[p(x)\frac{df}{dx}\right]+q(x)f(x) +\end{equation} +possiamo dire che formano una base ortogonale.\newline +Adesso possiamo dare un occhiata alle due equazioni che abbiamo ottenuto tramite la Separation Ansatz (Eqs.\eqref{kugel:eq:associated_leg_eq}\eqref{kugel:eq:ODE_1}), le quali possono essere riscritte come: +\begin{align*} + \frac{d}{dx} \left[ (1-x^2) \cdot \frac{dP_{m,n}}{dx} \right] &+ \left(n(n+1)-\frac{m}{1-x^2} \right) \cdot P_{m,n}(x) = 0, \\ + \frac{d}{d\varphi} \left[ 1 \cdot \frac{ d\Phi }{d\varphi} \right] &+ 1 \cdot \Phi(\varphi) = 0. +\end{align*} +Si può concludere in modo diretto che sono due casi dell'equazione di Sturm-Liouville. Questo significa che le loro soluzioni sono ortogonali sotto l'inner product con weight function $w(x)=1$, dunque: +\begin{align} +\int_{0}^{2\pi} \Phi_m(\varphi)\Phi_m'(\varphi) d\varphi &= \delta_{m'm}, \nonumber \\ +\int_{-1}^1 P_{m,m'}(x)P_{n,n'}(x) dx &= \delta_{m'm}\delta_{n'n}. \label{kugel:eq:orthogonality_associated_func} +\end{align} +Inoltre, possiamo provare l'ortogonalità di $\Theta(\vartheta)$ utilizzando \eqref{kugel:eq:orthogonality_associated_func}: +\begin{align} + x +\end{align} +Ora, visto che la soluzione dell'eigenfunction problem è formata dalla moltiplicazione di $\Phi_m(\varphi)$ e $P_{m,n}(x)$ +\fi + +\subsection{Properties} + +\subsection{Recurrence Relations} + +\section{Series Expansions in $C(S^2)$} + +\subsection{Orthogonality of $P_n$, $P^m_n$ and $Y^m_n$} + +\subsection{Series Expansion} + +\subsection{Fourier on $S^2$} diff --git a/buch/papers/kugel/teil0.tex b/buch/papers/kugel/teil0.tex deleted file mode 100644 index f921a82..0000000 --- a/buch/papers/kugel/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{kugel: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{kugel: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/kugel/teil1.tex b/buch/papers/kugel/teil1.tex deleted file mode 100644 index e56bb18..0000000 --- a/buch/papers/kugel/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{kugel: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{kugel: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{kugel: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{kugel: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{kugel: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/kugel/teil2.tex b/buch/papers/kugel/teil2.tex deleted file mode 100644 index cb9e427..0000000 --- a/buch/papers/kugel/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{kugel: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{kugel: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/kugel/teil3.tex b/buch/papers/kugel/teil3.tex deleted file mode 100644 index 734fff9..0000000 --- a/buch/papers/kugel/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{kugel: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{kugel: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/laguerre/Makefile b/buch/papers/laguerre/Makefile index 606d7e1..85a1b83 100644 --- a/buch/papers/laguerre/Makefile +++ b/buch/papers/laguerre/Makefile @@ -3,7 +3,42 @@ # # (c) 2020 Prof Dr Andreas Mueller # +IMGFOLDER := images +PRESFOLDER := presentation -images: - @echo "no images to be created in laguerre" +FIGURES := \ + images/targets.pdf \ + images/rel_error_complex.pdf \ + images/estimates.pdf \ + images/integrand.pdf \ + images/integrand_exp.pdf \ + images/laguerre_poly.pdf \ + images/rel_error_mirror.pdf \ + images/rel_error_range.pdf \ + images/rel_error_shifted.pdf \ + images/rel_error_simple.pdf \ + images/gammaplot.pdf +.PHONY: all +all: images presentation + +.PHONY: images +images: $(FIGURES) + +.PHONY: presentation +presentation: $(PRESFOLDER)/presentation.pdf + +images/%.pdf images/%.pgf: scripts/%.py scripts/gamma_approx.py + python3 $< + +images/gammaplot.pdf: images/gammaplot.tex images/gammapaths.tex + cd $(IMGFOLDER) && latexmk -quiet -pdf gammaplot.tex + +$(PRESFOLDER)/%.pdf: $(PRESFOLDER)/%.tex $(FIGURES) + cd $(PRESFOLDER) && latexmk -quiet -pdf $(<F) + +.PHONY: clean +clean: + rm $(FIGURES) + cd $(IMGFOLDER) && latexmk -C + cd $(PRESFOLDER) && latexmk -C
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/Makefile.inc b/buch/papers/laguerre/Makefile.inc index 1eb5034..39b5d6f 100644 --- a/buch/papers/laguerre/Makefile.inc +++ b/buch/papers/laguerre/Makefile.inc @@ -9,8 +9,5 @@ dependencies-laguerre = \ papers/laguerre/references.bib \ papers/laguerre/definition.tex \ papers/laguerre/eigenschaften.tex \ - papers/laguerre/quadratur.tex \ - papers/laguerre/transformation.tex \ - papers/laguerre/wasserstoff.tex - - + papers/laguerre/quadratur.tex \ + papers/laguerre/gamma.tex diff --git a/buch/papers/laguerre/definition.tex b/buch/papers/laguerre/definition.tex index 5f6d8bd..61549e0 100644 --- a/buch/papers/laguerre/definition.tex +++ b/buch/papers/laguerre/definition.tex @@ -3,46 +3,196 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Definition -\label{laguerre:section:definition}} -\rhead{Definition} +\section{Herleitung% + % \section{Einleitung + % \section{Definition + \label{laguerre:section:definition}} +\rhead{Definition}% +In einem ersten Schritt möchten wir die Laguerre-Polynome +aus der Laguerre-\-Differentialgleichung herleiten. +Zudem werden wir die Lösung auf die assoziierten Laguerre-Polynome ausweiten. +Im Anschluss soll dann noch die Orthogonalität dieser Polynome bewiesen werden. +\subsection{Assoziierte Laguerre-Differentialgleichung} +Die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung ist gegeben durch \begin{align} - x y''(x) + (1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:dgl} +x y''(x) + (\nu + 1 - x) y'(x) + n y(x) += +0 +, \quad +n \in \mathbb{N} +, \quad +x \in \mathbb{R} +\label{laguerre:dgl} +. \end{align} +Spannenderweise wurde die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung +zuerst von Yacovlevich Sonine (1849 - 1915) beschrieben, +aber aufgrund ihrer Ähnlichkeit nach Laguerre benannt. +Die klassische Laguerre-Diffentialgleichung erhält man, wenn $\nu = 0$. +\subsection{Potenzreihenansatz% +\label{laguerre:subsection:potenzreihenansatz}} +Hier wird die assoziierte Laguerre-Differentialgleichung verwendet, +weil die Lösung mit derselben Methode berechnet werden kann. +Zusätzlich erhält man aber die Lösung für den allgmeinen Fall. +Wir stellen die Vermutung auf, +dass die Lösungen orthogonale Polynome sind. +Die Orthogonalität der Lösung werden wir im +Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:orthogonal} beweisen. +Zur Lösung von \eqref{laguerre:dgl} verwenden wir aufgrund +der getroffenen Vermutungen einen Potenzreihenansatz. +Der Potenzreihenansatz ist gegeben als +% Da wir bereits wissen, +% dass die Lösung orthogonale Polynome sind, +% erscheint dieser Ansatz sinnvoll. +\begin{align*} +y(x) + & = +\sum_{k=0}^\infty a_k x^k +% \\ +. +\end{align*} +Für die 1. und 2. Ableitungen erhalten wir +\begin{align*} +y'(x) + & = +\sum_{k=1}^\infty k a_k x^{k-1} += +\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +\\ +y''(x) + & = +\sum_{k=2}^\infty k (k-1) a_k x^{k-2} += +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^{k-1} +. +\end{align*} + +\subsection{Lösen der Laguerre-Differentialgleichung} +Setzt man nun den Potenzreihenansatz in +\eqref{laguerre:dgl} +%die Differentialgleichung +ein, +% erhält man +resultiert +\begin{align*} +\sum_{k=1}^\infty (k+1) k a_{k+1} x^k ++ +(\nu + 1)\sum_{k=0}^\infty (k+1) a_{k+1} x^k +- +\sum_{k=0}^\infty k a_k x^k ++ +n \sum_{k=0}^\infty a_k x^k + & = +0 \\ +\sum_{k=1}^\infty +\left[ (k+1) k a_{k+1} + (\nu + 1)(k+1) a_{k+1} - k a_k + n a_k \right] x^k + & = +0. +\end{align*} +Daraus lässt sich die Rekursionsbeziehung \begin{align} - L_n(x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n \\ - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} +a_{k+1} + & = +\frac{k-n}{(k+1) (k + \nu + 1)} a_k +\label{laguerre:rekursion} \end{align} - +ableiten. +Für ein konstantes $n$ erhalten wir als Potenzreihenlösung ein Polynom vom Grad +$n$, +denn für $k=n$ wird $a_{n+1} = 0$ und damit auch $a_{n+2}=a_{n+3}=\ldots=0$. +Aus %der Rekursionsbeziehung +\eqref{laguerre:rekursion} ist zudem ersichtlich, +dass $a_0 \neq 0$ beliebig gewählt werden kann. +Wählen wir nun $a_0 = 1$, dann folgt für die Koeffizienten +% $a_1, a_2, a_3$ +\begin{align*} +a_1 += +-\frac{n}{1 \cdot (\nu + 1)} +, & & +a_2 += +\frac{(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)} +, & & +a_3 += +-\frac{(n-2)(n-1)n}{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot (\nu + 1)(\nu + 2)(\nu + 3)} +\end{align*} +und allgemein +\begin{align*} +k + & \leq +n: + & +a_k + & = +(-1)^k \frac{n!}{(n-k)!} \frac{1}{k!(\nu + 1)_k} += +\frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} +\\ +k & >n: + & +a_k + & = +0 +. +\end{align*} +Die Koeffizienten wechseln also für $k \leq n$ das Vorzeichen. +Somit erhalten wir für $\nu = 0$ die Laguerre-Polynome \begin{align} - x y''(x) + (\alpha + 1 - x) y'(x) + n y(x) - = - 0 - \label{laguerre:generell_dgl} +L_n(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +\label{laguerre:polynom} \end{align} - +und mit $\nu \in \mathbb{R}$ die assoziierten Laguerre-Polynome \begin{align} - L_n^\alpha (x) - = - \sum_{k=0}^{n} - \frac{(-1)^k}{k!} - \begin{pmatrix} - n + \alpha \\ - n - k - \end{pmatrix} - x^k - \label{laguerre:polynom} +L_n^\nu(x) += +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} x^k. +\label{laguerre:allg_polynom} \end{align} +Die Laguerre-Polynome von Grad $0$ bis $7$ sind in +Abbildung~\ref{laguerre:fig:polyeval} dargestellt. +\begin{figure} +\centering +% \scalebox{0.8}{\input{papers/laguerre/images/laguerre_poly.pgf}} +\includegraphics[width=0.9\textwidth]{papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf} +\caption{Laguerre-Polynome vom Grad $0$ bis $7$} +\label{laguerre:fig:polyeval} +\end{figure} + +\subsection{Analytische Fortsetzung} +Durch die analytische Fortsetzung können wir zudem noch die zweite Lösung der +Differentialgleichung erhalten. +Laut \eqref{buch:funktionentheorie:singularitäten:eqn:w1} hat die Lösung +die Form +\begin{align*} +\Xi_n(x) += +L_n(x) \log(x) + \sum_{k=1}^\infty d_k x^k +. +\end{align*} +Eine Herleitung dazu lässt sich im +Abschnitt \ref{buch:funktionentheorie:subsection:dglsing} +im ersten Teil des Buches finden. +Nach einigen aufwändigen Rechnungen, +% die am besten ein Computeralgebrasystem übernimmt, +die den Rahmen dieses Kapitels sprengen würden, +erhalten wir +\begin{align*} +\Xi_n += +L_n(x) \log(x) ++ +\sum_{k=1}^n \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} +(\alpha_{n-k} - \alpha_n - 2 \alpha_k)x^k ++ +(-1)^n \sum_{k=1}^\infty \frac{(k-1)!n!}{((n+k)!)^2} x^{n+k}, +\end{align*} +wobei $\alpha_0 = 0$ und $\alpha_k =\sum_{i=1}^k i^{-1}$, +$\forall k \in \mathbb{N}$. +% https://www.math.kit.edu/iana1/lehre/hm3phys2012w/media/laguerre.pdf +% http://www.physics.okayama-u.ac.jp/jeschke_homepage/E4/kapitel4.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex index b7597e5..b007c2d 100644 --- a/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/laguerre/eigenschaften.tex @@ -3,6 +3,186 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Eigenschaften -\label{laguerre:section:eigenschaften}} -\rhead{Eigenschaften}
\ No newline at end of file +\subsection{Orthogonalität% +\label{laguerre:subsection:orthogonal}} +\rhead{Orthogonalität}% +Im Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:potenzreihenansatz} +haben wir die Behauptung aufgestellt, +dass die Laguerre-Polynome orthogonal sind. +Zu dieser Behauptung möchten wir nun einen Beweis liefern. +% +Um die Orthogonalität von Funktionen zu zeigen, +bieten sich folgende Möglichkeiten an: +\begin{enumerate} +\item Identifizieren der Funktion als Eigenfunktion eines Skalarproduktes +mit einem selbstadjungierten Operator. +Dafür muss aber zuerst bewiesen werden, +dass der verwendete Operator selbstadjungiert ist. +Die Theorie dazu findet sich in den +Abschnitten~\ref{buch:orthogonal:section:orthogonale-polynome-und-dgl} und +\ref{buch:orthogonalitaet:section:bessel}. +\item Umformen der Differentialgleichung in die Form der +Sturm-Liouville-Differentialgleichung, +denn für dieses verallgemeinerte Problem +ist die Orthogonalität bereits bewiesen. +Die Theorie dazu findet sich im Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}. +\end{enumerate} + +% \subsubsection{Plan} +\subsubsection{Idee} +Für den Beweis der Orthogonalität der Laguerre-Polynome möchten +wir den zweiten Ansatz über das Sturm-Liouville-Problem verwenden. +% Dazu müssen wir die Laguerre-Differentialgleichung~\eqref{laguerre:dgl} +% in die Form der Sturm-Liouville-Differentialgleichung bringen. +Allerdings möchten wir nicht die Laguerre-Differentialgleichung +in die richtige Form bringen, +sondern den Laguerre-Operator +\begin{align} +\Lambda += +x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:lagop} +. +\end{align} +Da es sich beim Sturm-Liouville-Problem um ein Eigenwertproblem handelt, +kann die Orthogonalität äquivalent über denn Sturm-Liouville-Operator +\begin{align} +S += +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +\label{laguerre:slop} +\end{align} +bewiesen werden. +Dazu müssen wir die Operatoren einander gleichsetzen. + +% Wenn wir \eqref{laguerre:dgl} in ein +% Sturm-Liouville-Problem umwandeln können, haben wir bewiesen, dass es sich +% bei den Laguerre-Polynomen um orthogonale Polynome handelt (siehe +% Abschnitt~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem}). +% Der Beweis kann äquivalent auch über den Sturm-Liouville-Operator +% \begin{align} +% S +% = +% \frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right). +% \label{laguerre:slop} +% \end{align} +% und den Laguerre-Operator +% \begin{align} +% \Lambda +% = +% x \frac{d}{dx^2} + (\nu + 1 -x) \frac{d}{dx} +% \end{align} +% erhalten werden, +% indem wir diese Operatoren einander gleichsetzen. + +\subsubsection{Umformen in Sturm-Liouville-Operator} +% Aus der Beziehung von +Setzen wir nun +\eqref{laguerre:lagop} und \eqref{laguerre:slop} +einander gleich +\begin{align} +S + & = +\Lambda +\nonumber +\\ +\frac{1}{w(x)} \left(-\frac{d}{dx}p(x) \frac{d}{dx} + q(x) \right) + & = +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx} +\label{laguerre:sl-lag} +, +\end{align} +lässt sich sofort erkennen, dass $q(x) = 0$. +Ausserdem ist ersichtlich, dass $p(x)$ die Differentialgleichung +\begin{align*} +x \frac{dp}{dx} += +(\nu + 1 - x) p +\end{align*} +erfüllen muss. +Durch Separation erhalten wir dann +\begin{align*} +\int \frac{dp}{p} + & = +\int \frac{\nu + 1 - x}{x} \, dx += +\int \frac{\nu + 1}{x} \, dx - \int 1\, dx +\\ +\log p + & = +(\nu + 1)\log x - x + c +\\ +p(x) + & = +C x^{\nu + 1} e^{-x} +. +\end{align*} +Eingefügt in Gleichung~\eqref{laguerre:sl-lag} ergibt sich +\begin{align*} +\frac{C}{w(x)} +\left( +-x^{\nu+1} e^{-x} \frac{d^2}{dx^2} - +(\nu + 1 - x) x^{\nu} e^{-x} \frac{d}{dx} +\right) += +x \frac{d^2}{dx^2} + (\nu + 1 - x) \frac{d}{dx}. +\end{align*} +Mittels Koeffizientenvergleich kann nun abgelesen werden, +dass $w(x) = x^\nu e^{-x}$ und $C=-1$. %mit $\nu \geq 0$. +Die Gewichtsfunktion $w(x)$ wächst für $x\rightarrow-\infty$ sehr schnell an. +Ausserdem hat die Gewichtsfunktion $w(x)$ für negative $\nu$ einen Pol bei $x=0$, +daher ist die Laguerre-Gewichtsfunktion nur für den +Definitionsbereich $(0, \infty)$ geeignet. + +\subsubsection{Randbedingungen} +Bleibt nur noch sicherzustellen, dass die Randbedingungen +\begin{align} +k_0 y(0) + h_0 p(0)y'(0) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randa} +\\ +k_\infty y(\infty) + h_\infty p(\infty) y'(\infty) + & = +0 +\label{laguerre:sllag_randb} +\end{align} +mit $|k_i|^2 + |h_i|^2 \neq 0,\,\forall i \in \{0, \infty\}$, erfüllt sind. +% +Am linken Rand \eqref{laguerre:sllag_randa} kann $y(0) = 1$, $k_0 = 0$ und +$h_0 = 1$ verwendet werden, +was auch die Laguerre-Polynome ergeben haben. + +Für den rechten Rand ist die Bedingung \eqref{laguerre:sllag_randb} +\begin{align*} +\lim_{x \rightarrow \infty} p(x) y'(x) + & = +\lim_{x \rightarrow \infty} -x^{\nu + 1} e^{-x} y'(x) += +0 +\end{align*} +für beliebige Polynomlösungen erfüllt für $k_\infty=0$ und $h_\infty=1$. + +% Somit können wir schlussfolgern: +\begin{satz} +Die Laguerre-Polynome %($\nu=0$) +\eqref{laguerre:polynom} +% \begin{align*} +% L_n(x) +% = +% \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +% \end{align*} +sind orthognale Polynome bezüglich des Skalarproduktes +im Intervall~$(0, \infty)$ mit der Gewichts\-funktion~$w(x)=e^{-x}$. +\end{satz} + +\begin{satz} +Die assoziierten Laguerre-Polynome \eqref{laguerre:allg_polynom} +% \begin{align*} +% L_n^\nu(x) +% = +% \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{(\nu + 1)_k} \binom{n}{k} x^k. +% \end{align*} +sind orthogonale Polynome bezüglich des Skalarproduktes +im Intervall~$(0, \infty)$ mit der Gewichts\-funktion~$w(x)=x^\nu e^{-x}$. +\end{satz} diff --git a/buch/papers/laguerre/gamma.tex b/buch/papers/laguerre/gamma.tex new file mode 100644 index 0000000..0cf17b9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/gamma.tex @@ -0,0 +1,607 @@ +% +% gamma.tex +% +% (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Anwendung: Berechnung der + Gamma-Funktion% + \label{laguerre:section:quad-gamma}} +\rhead{Approximation der Gamma-Funktion}% +Die Gauss-Laguerre-Quadratur kann nun verwendet werden, +um exponentiell abfallende Funktionen im Definitionsbereich~$(0, \infty)$ +zu berechnen. +Dabei bietet sich zum Beispiel die Gamma-Funktion hervorragend an, +wie wir in den folgenden Abschnitten sehen werden. + +Im ersten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gamma} möchten wir noch einmal +die wichtigsten Eigenschaften der Gamma-Funktion betrachten, +bevor wir dann im zweiten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma} +diese Eigenschaften nutzen werden, +damit wir die Gauss-Laguerre-Quadratur für die Gamma-Funktion +markant verbessern können. +% damit wir sie dann in einem nächsten Schritt verwenden können, +% um unsere Approximationsmethode zu verbessern +% Im zweiten Abschnitt~\ref{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma} +% wenden wir dann die Gauss-Laguerre-Quadratur auf die Gamma-Funktion und +% erweitern die Methode + +\subsection{Gamma-Funktion% +\label{laguerre:subsection:gamma}} +Die Gamma-Funktion ist eine Erweiterung der Fakultät auf die reale und komplexe +Zahlenmenge. +Mehr Informationen zur Gamma-Funktion lassen sich im +Abschnitt~\ref{buch:rekursion:section:gamma} finden. +Die Definition~\ref{buch:rekursion:def:gamma} beschreibt die Gamma-Funktion als +Integral der Form +\begin{align} +\Gamma(z) + & = +\int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +, +\quad +\text{wobei } \operatorname{Re}(z) > 0 +\label{laguerre:gamma} +. +\end{align} +Der Term $e^{-x}$ im Integranden und der Integrationsbereich erfüllen +genau die Bedingungen der Gauss-Laguerre-Integration. +% Der Term $e^{-t}$ ist genau die Gewichtsfunktion der Laguerre-Integration und +% der Definitionsbereich passt ebenfalls genau für dieses Verfahren. +Weiter zu erwähnen ist, dass für die assoziierte Gauss-Laguerre-Integration die +Gewichtsfunktion $x^\nu e^{-x}$ exakt dem Integranden +für $\nu = z - 1$ entspricht. + +\subsubsection{Funktionalgleichung} +Die Gamma-Funktion besitzt die gleiche Rekursionsbeziehung wie die Fakultät, +nämlich +\begin{align} +\Gamma(z+1) += +z \Gamma(z) +\quad +\text{mit } +\Gamma(1) += +1 +. +\label{laguerre:gamma_funktional} +\end{align} + +\subsubsection{Reflektionsformel} +Die Reflektionsformel +\begin{align} +\Gamma(z) \Gamma(1 - z) += +\frac{\pi}{\sin \pi z} +,\quad +\text{für } +z \notin \mathbb{Z} +\label{laguerre:gamma_refform} +\end{align} +stellt eine Beziehung zwischen den zwei Punkten, +die aus der Spiegelung an der Geraden $\real z = 1/2$ hervorgehen, +her. +Dadurch lassen Werte der Gamma-Funktion sich für $z$ in der rechten Halbebene +leicht in die linke Halbebene übersetzen und umgekehrt. + +\subsection{Berechnung mittels +Gauss-Laguerre-Quadratur% +\label{laguerre:subsection:gauss-lag-gamma}} +In den vorherigen Abschnitten haben wir gesehen, +dass sich die Gamma-Funktion bestens für die Gauss-Laguerre-Quadratur +\begin{align*} +\int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx += +\int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +\approx +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i +\end{align*} +eignet. +Nun bieten sich uns zwei Optionen, +diese zu berechnen: +\begin{enumerate} +\item Wir verwenden die assoziierten Laguerre-Polynome $L_n^\nu(x)$ mit +$w(x) = x^\nu e^{-x}$, $\nu = z - 1$ und $f(x) = 1$. +% $f(x)=1$. +% \begin{align*} +% \int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +% = +% \int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +% \quad +% \text{mit } +% w(x) +% = +% x^\nu e^{-x}, +% \nu +% = +% z - 1 +% \text{ und } +% f(x) = 1 +% . +% \end{align*} +\item Wir verwenden die Laguerre-Polynome $L_n(x)$ mit +$w(x) = e^{-x}$ und $f(x) = x^{z - 1}$. +% $f(x)=x^{z-1}$ +% \begin{align*} +% \int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +% = +% \int_0^\infty f(x) w(x) \, dx +% \quad +% \text{mit } +% w(x) +% = +% e^{-x} +% \text{ und } +% f(x) = x^{z - 1} +% . +% \end{align*} +\end{enumerate} +Die erste Variante wäre optimal auf das Problem angepasst, +allerdings müssten die Gewichte und Nullstellen für jedes $z$ +neu berechnet werden, +da sie per Definition von $z$ abhängen. +Dazu kommt, +dass die Berechnung der Gewichte $A_i$ nach +\cite{laguerre:Cassity1965AbcissasCA} +\begin{align*} +A_i += +\frac{ +\Gamma(n) \Gamma(n+\nu) +} +{ +(n+\nu) +\left[L_{n-1}^{\nu}(x_i)\right]^2 +} +\end{align*} +Evaluationen der Gamma-Funktion benötigen. +Somit ist diese Methode eindeutig nicht geeignet für unser Vorhaben. + +Bei der zweiten Variante benötigen wir keine Neuberechung der Gewichte +und Nullstellen für unterschiedliche $z$. +In \eqref{laguerre:quadratur_gewichte} ist ersichtlich, +dass die Gewichte einfach zu berechnen sind. +Auch die Nullstellen können vorgängig, +mittels eines geeigneten Verfahrens, +aus den Polynomen bestimmt werden. +Als problematisch könnte sich höchstens +die zu integrierende Funktion $f(x)=x^{z-1}$ für $|z| \gg 0$ erweisen. +Somit entscheiden wir uns aufgrund der vorherigen Punkte, +die zweite Variante weiterzuverfolgen. + +\subsubsection{Direkter Ansatz} +% +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_simple.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Relativer Fehler des direkten Ansatzes +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Grade $n$ der +Laguerre-Polynome}% +\label{laguerre:fig:rel_error_simple} +\end{figure} +%. +Wenden wir also die Gauss-Laguerre-Quadratur aus +\eqref{laguerre:laguerrequadratur} auf die Gamma-Funktion +\eqref{laguerre:gamma} an, +ergibt sich +\begin{align} +\Gamma(z) +\approx +\sum_{i=1}^n x_i^{z-1} A_i +\label{laguerre:naive_lag} +. +\end{align} +Bevor wir die Gauss-Laguerre-Quadratur anwenden, +möchten wir als ersten Schritt eine Fehlerabschätzung durchführen. +Für den Fehlerterm \eqref{laguerre:lag_error} wird die $2n$-te Ableitung +der zu integrierenden Funktion $f(\xi)$ benötigt. +Für das Integral der Gamma-Funktion ergibt sich also +\begin{align*} +\frac{d^{2n}}{d\xi^{2n}} f(\xi) + & = +\frac{d^{2n}}{d\xi^{2n}} \xi^{z-1} +\\ + & = +(z - 2n)_{2n} \xi^{z - 2n - 1} +. +\end{align*} +Eingesetzt im Fehlerterm \eqref{laguerre:lag_error} resultiert +\begin{align} +R_n += +(z - 2n)_{2n} \frac{(n!)^2}{(2n)!} \xi^{z-2n-1} +, +\label{laguerre:gamma_err_simple} +\end{align} +wobei $\xi$ ein geeigneter Wert im Intervall $(0, \infty)$ ist +und $n$ der Grad des verwendeten Laguerre-Polynoms. +Eine Fehlerabschätzung mit dem Fehlerterm stellt sich als unnütz heraus, +da $R_n$ für $z < 2n - 1$ bei $\xi \rightarrow 0$ eine Singularität aufweist +und für $z > 2n - 1$ bei $\xi \rightarrow \infty$ divergiert. +Nur für den unwahrscheinlichen Fall $ z = 2n - 1$ +wäre eine Fehlerabschätzung plausibel. + +Wenden wir nun also direkt die Gauss-Laguerre-Quadratur +auf die Gamma-Funktion an. +Dazu benötigen wir die Gewichte nach +\eqref{laguerre:quadratur_gewichte} +und als Stützstellen die Nullstellen des Laguerre-Polynomes $L_n$. +Evaluieren wir den relativen Fehler unserer Approximation zeigt sich ein +Bild wie in Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_simple}. +Man kann sehen, +wie der relative Fehler Nullstellen aufweist für ganzzahlige $z \leq 2n$. +Laut der Theorie der Gauss-Quadratur ist das auch zu erwarten, +da die Approximation via Gauss-Quadratur +exakt ist für zu integrierende Polynome mit Grad $\leq 2n-1$ und +der Integrand $x^{z-1}$ wird für $z \in \mathbb{N} \setminus \{0\}$ +zu einem Polynom . +% Hinzukommt, dass zudem von $z$ noch $1$ abgezogen wird im Exponenten. +Es ist ersichtlich, +dass sich für den Polynomgrad $n$ ein Intervall gibt, +in dem der relative Fehler minimal ist. +Links steigt der relative Fehler besonders stark an, +während er auf der rechten Seite zu konvergieren scheint. + +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/rel_error_mirror.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_mirror.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit Spiegelung negativer Realwerte +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} +\label{laguerre:fig:rel_error_mirror} +\end{figure} + +Um die linke Hälfte in den Griff zu bekommen, +könnten wir die Reflektionsformel der Gamma-Funktion verwenden. +Spiegelt man nun $z$ mit negativem Realteil mittels der Reflektionsformel, +ergibt sich ein stabilerer Fehler in der linken Hälfte, +wie in Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_mirror}. +Die Spiegelung bringt nur für wenige Werte einen, +für praktische Anwendungen geeigneten, +relativen Fehler. +Wie wir aber in Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_simple} sehen konnten, +gibt es für jeden Polynomgrad $n$ ein Intervall $[a(n), a(n) + 1]$, +$a(n) \in \mathbb{Z}$, +in welchem der relative Fehler minimal ist. +Die Funktionalgleichung der Gamma-Funktion \eqref{laguerre:gamma_funktional} +könnte uns hier helfen, +das Problem in den Griff zu bekommen. + +\subsubsection{Analyse des Integranden} +Wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, +scheint der Integrand problematisch. +Darum möchten wir ihn jetzt analysieren, +damit wir ihn besser verstehen können. +Dies sollte es uns ermöglichen, +anschliessend geeignete Gegenmassnahmen zu entwickeln. + +% Dieser Abschnitt soll eine grafisches Verständnis dafür schaffen, +% wieso der Integrand so problematisch ist. +% Was das heisst sollte in Abbildung~\ref{laguerre:fig:integrand} +% und Abbildung~\ref{laguerre:fig:integrand_exp} grafisch dargestellt werden. +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/integrand.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/integrand.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Integrand $x^z$ mit unterschiedlichen Werten für $z$} +\label{laguerre:fig:integrand} +\end{figure} + +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:integrand} ist der Integrand $x^z$ für +unterschiedliche Werte von $z$ dargestellt. +Dies entspricht der zu integrierenden Funktion $f(x)$ +der Gauss-Laguerre-Quadratur für die Gamma-Funktion. +Man erkennt, +dass für kleine $z$ sich ein singulärer Integrand ergibt +und auch für grosse $z$ wächst der Integrand sehr schnell an. +Das heisst, +die Ableitungen im Fehlerterm divergieren noch schneller +und das wirkt sich negativ auf die Genauigkeit der Approximation aus. +Somit lässt sich hier sagen, +dass kleine Exponenten um $0$ genauere Resultate liefern sollten. + +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/integrand_exp.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/integrand_exp.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Integrand $x^z e^{-x}$ mit unterschiedlichen Werten für $z$} +\label{laguerre:fig:integrand_exp} +\end{figure} + +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:integrand_exp} fügen wir +die Dämpfung der Gewichtsfunktion $w(x)$ +der Gauss-Laguerre-Quadratur wieder hinzu +und erhalten so wieder den kompletten Integranden $x^{z} e^{-x}$ +der Gamma-Funktion. +Für negative $z$ ergeben sich immer noch Singularitäten, +wenn $x \rightarrow 0$. +Um $x = 1$ wächst der Term $x^z$ für positive $z$ +schneller als die Dämpfung $e^{-x}$, +aber für $x \rightarrow \infty$ geht der Integrand gegen $0$. +Das führt zu glockenförmigen Kurven, +die für grosse Exponenten $z$ nach der Stelle $x=1$ schnell anwachsen. +Zu grosse Exponenten $z$ sind also immer noch problematisch. +Kleine positive $z$ scheinen nun aber auch zulässig zu sein. +Damit formulieren wir die Vermutung, +dass $a(n)$, +welches das Intervall $[a(n), a(n) + 1]$ definiert, +in dem der relative Fehler minimal ist, +grösser als $0$ und kleiner als $2n-1$ ist. + +\subsubsection{Ansatz mit Verschiebungsterm} +% Mittels der Funktionalgleichung \eqref{laguerre:gamma_funktional} +% kann der Wert von $\Gamma(z)$ im Intervall $z \in [a,a+1]$, +% in dem der relative Fehler minimal ist, +% evaluiert werden und dann mit der Funktionalgleichung zurückverschoben werden. +Nun stellt sich die Frage, +ob die Approximation mittels Gauss-Laguerre-Quadratur verbessert werden kann, +wenn man das Problem in einem geeigneten Intervall $[a(n), a(n)+1]$, +$a(n) \in \mathbb{Z}$, +evaluiert und dann mit der +Funktionalgleichung \eqref{laguerre:gamma_funktional} zurückverschiebt. +Für dieses Vorhaben führen wir einen Verschiebungsterm $m \in \mathbb{Z}$ ein. +Passen wir \eqref{laguerre:naive_lag} +mit dem Verschiebungsterm $m$ +%,der $z$ and die Stelle $z_m = z + m$ verschiebt, +an, +ergibt sich +\begin{align} +\Gamma(z) +\approx +s(z, m) \sum_{i=1}^n x_i^{z + m - 1} A_i +% && +% \text{mit } +% s(z, m) +% = +% \begin{cases} +% \displaystyle +% \frac{1}{(z - m)_m} & \text{wenn } m \geq 0\\ +% (z + m)_{-m} & \text{wenn } m < 0 +% \end{cases} +% . +\label{laguerre:shifted_lag} +\end{align} +mit +\begin{align*} +s(z, m) += +\begin{cases} +\displaystyle +\frac{1}{(z)_m} & \text{wenn } m \geq 0 \\ +(z + m)_{-m} & \text{wenn } m < 0 +\end{cases} +. +\end{align*} + +\subsubsection{Finden der optimalen Berechnungsstelle} +Um die optimale Stelle $z^*(n) \in \left[a(n), a(n) + 1\right]$, +$z^*(n) \in \mathbb{R}$, +zu finden, +erweitern wir denn Fehlerterm \eqref{laguerre:gamma_err_simple} +und erhalten +\begin{align} +R_{n,m}(\xi) += +s(z, m) \cdot (z - 2n)_{2n} \frac{(n!)^2}{(2n)!} \xi^{z + m - 2n - 1} +,\quad +\text{für } +\xi \in (0, \infty) +\label{laguerre:gamma_err_shifted} +. +\end{align} +% +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/laguerre/images/targets.pdf} +% %\vspace{-12pt} +\caption{$m^*$ in Abhängigkeit von $z$ und $n$} +\label{laguerre:fig:targets} +\end{figure} +% +Daraus formulieren wir das Optimierungproblem +\begin{align*} +m^* += +\operatorname*{argmin}_m \max_\xi R_{n,m}(\xi) +. +\end{align*} +Allerdings ist die Funktion $R_{n,m}(\xi)$ unbeschränkt und +hat die gleichen Probleme wie die Fehlerabschätzung des direkten Ansatzes. +Dazu müssten wir $\xi$ versuchen, +unter Kontrolle zu bringen, +was ein äussersts schwieriges Unterfangen zu sein scheint. +Da die Gauss-Quadratur aber sowieso +nur wirklich praktisch sinnvoll für kleine $n$ ist, +können die Intervalle $[a(n), a(n)+1]$ empirisch gesucht werden. + +Wir bestimmen nun die optimalen Verschiebungsterme empirisch +für $n = 1,\ldots, 12$ im Intervall $z \in (0, 1)$, +da $z$ sowieso mit den Term $m$ verschoben wird, +reicht es, +die $m^*$ nur in diesem Intervall zu analysieren. +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:targets} sind die empirisch bestimmten $m^*$ +abhängig von $z$ und $n$ dargestellt. +In $n$-Richtung lässt sich eine klare lineare Abhängigkeit erkennen und +die Beziehung zu $z$ ist negativ, +d.h. wenn $z$ grösser ist, wird $m^*$ kleiner. +Allerdings ist die genaue Beziehung zu $z$ +aus dieser Grafik nicht offensichtlich, +aber sie scheint regelmässig zu sein. +Es lässt die Vermutung aufkommen, +dass die Restriktion von $m^* \in \mathbb{Z}$ Rundungsprobleme verursacht. +Wir versuchen, +dieses Problem via lineare Regression und geeignete Rundung zu beheben. +Den linearen Regressor +\begin{align*} +\hat{m} += +\alpha n + \beta +\end{align*} +machen wir nur abhängig von $n$, +in dem wir den Mittelwert $\overline{m}$ von $m^*$ über $z$ berechnen. + +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/estimates.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/estimates.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Schätzung Mittelwert von $m$ und Fehler} +\label{laguerre:fig:schaetzung} +\end{figure} + +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:schaetzung} sind die Resultate +der linearen Regression aufgezeigt mit $\alpha = 1.34154$ und $\beta = +0.848786$. +Die lineare Beziehung ist ganz klar ersichtlich und der Fit scheint zu genügen. +Der optimale Verschiebungsterm kann nun mit +\begin{align*} +m^* +\approx +\lceil \hat{m} - z \rceil += +\lceil \alpha n + \beta - z \rceil +\end{align*} +% kann nun mit dem linearen Regressor und $z$ +gefunden werden. + +\subsubsection{Evaluation des Schätzers} +In einem ersten Schritt möchten wir analysieren, +wie gut die Abschätzung des optimalen Verschiebungsterms ist. +Dazu bestimmen wir den relativen Fehler für verschiedene Verschiebungsterme $m$ +in der Nähe von $m^*$ bei gegebenem Polynomgrad $n = 8$ für $z \in (0, 1)$. +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_shifted} sind die relativen Fehler +der Approximation dargestellt. +Man kann deutlich sehen, +dass der relative Fehler anwächst, +je weiter der Verschiebungsterm vom idealen Wert abweicht. +Zudem scheint der Schätzer den optimalen Verschiebungsterm gut zu bestimmen, +da der Schätzer zuerst der grünen Linie folgt und +dann beim Übergang auf die orange Linie wechselt. +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/rel_error_shifted.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_shifted.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit Verschiebungsterm +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Verschiebungsterme $m$. +Das verwendete Laguerre-Polynom besitzt den Grad $n = 8$. +$m^*$ bezeichnet hier den optimalen Verschiebungsterm.} +\label{laguerre:fig:rel_error_shifted} +\end{figure} + +\subsubsection{Resultate} +Das Verfahren scheint für den Grad $n=8$ und $z \in (0,1)$ gut zu funktioneren. +Es stellt sich nun die Frage, +wie der relative Fehler sich für verschiedene $z$ und $n$ verhält. +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_range} sind die relativen Fehler für +unterschiedliche $n$ dargestellt. +Der relative Fehler scheint immer noch Nullstellen aufzuweisen +für ganzzahlige $z$. +Durch das Verschieben ergibt sich jetzt aber, +wie zu erwarten war, +ein periodischer relativer Fehler mit einer Periodendauer von $1$. +Zudem lässt sich erkennen, +dass der Fehler abhängig von der Ordnung $n$ +des verwendeten Laguerre-Polynoms ist. +Wenn der Grad $n$ um $1$ erhöht wird, +verbessert sich die Genauigkeit des Resultats um etwa eine signifikante Stelle. + +In Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_complex} +ist der Betrag des relativen Fehlers in der komplexen Ebene dargestellt. +Je stärker der Imaginäranteil von $z$ von $0$ abweicht, +umso schlechter wird die Genauigkeit der Approximation. +Das erstaunt nicht weiter, +da die Gauss-Quadratur eigentlich nur für reelle Zahlen definiert ist. +Wenn der Imaginäranteil von $z$ ungefähr $0$ ist, +lässt sich das gleiche Bild beobachten wie in +Abbildung~\ref{laguerre:fig:rel_error_range}. + +\begin{figure} +\centering +% \input{papers/laguerre/images/rel_error_range.pgf} +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_range.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Relativer Fehler des Ansatzes mit optimalen Verschiebungsterm +für verschiedene reelle Werte von $z$ und Laguerre-Polynome vom Grad $n$} +\label{laguerre:fig:rel_error_range} +\end{figure} + +\begin{figure} +\centering +\includegraphics{papers/laguerre/images/rel_error_complex.pdf} +%\vspace{-12pt} +\caption{Absolutwert des relativen Fehlers in der komplexen Ebene} +\label{laguerre:fig:rel_error_complex} +\end{figure} + +\subsubsection{Vergleich mit Lanczos-Methode} +Nun stellt sich die Frage, +wie das in diesem Abschnitt beschriebene Approximationsverfahren +der Gamma-Funktion sich gegenüber den üblichen Approximationsverfahren schlägt. +Eine häufig verwendete Methode ist die Lanczos-Approximation, +welche gegeben ist durch +\begin{align} +\Gamma(z + 1) +\approx +\sqrt{2\pi} \left( z + \sigma + \frac{1}{2} \right)^{z + 1/2} +e^{-(z + \sigma + 1/2)} \sum_{k=0}^n g_k H_k(z) +, +\end{align} +wobei +\begin{align*} +g_k = \frac{e^\sigma \varepsilon_k (-1)^k}{\sqrt{2\pi}} +\sum_{r=0}^k (-1)^r \, \binom{k}{r} \, (k)_r +\left( \frac{e}{r + \sigma + \frac{1}{2}}\right)^{r + 1/2} +, +\end{align*} +\begin{align*} +\varepsilon_k += +\begin{cases} +1 & \text{für } k = 0 \\ +2 & \text{sonst} +\end{cases} +\quad \text{und}\quad +H_k(z) += +\frac{(-1)^k (-z)_k}{(z+1)_k} +\end{align*} +mit $H_0 = 1$ und $\sum_0^n g_k = 1$ (siehe \cite{laguerre:lanczos}). +Diese Methode wurde zum Beispiel in +{\em GNU Scientific Library}, {\em Boost}, {\em CPython} und +{\em musl} implementiert. +Diese Methode erreicht für $n = 7$ typischerweise eine Genauigkeit von $13$ +korrekten, signifikanten Stellen für reelle Argumente. +Zum Vergleich: die vorgestellte Methode erreicht für $n = 7$ +eine minimale Genauigkeit von $6$ korrekten, signifikanten Stellen +für reelle Argumente. + +\subsubsection{Fazit} +% Das Resultat ist etwas enttäuschend, +Die Genauigkeit der vorgestellten Methode schneidet somit schlechter ab +als die Lanczos-Methode. +Dieser Erkenntnis kommt nicht ganz unerwartet, +% aber nicht unerwartet, +da die Lanczos-Methode spezifisch auf dieses Problem zugeschnitten ist und +unsere Methode eine erweiterte allgemeine Methode ist. +Allerdings besticht die vorgestellte Methode +durch ihre stark reduzierte Komplexität. % und Rechenaufwand. +% Was die Komplexität der Berechnungen im Betrieb angeht, +% ist die Gauss-Laguerre-Quadratur wesentlich ressourcensparender, +% weil sie nur aus $n$ Funktionsevaluationen, +% wenigen Multiplikationen und Additionen besteht. +Was den Rechenaufwand angeht, +benötigt die vorgestellte Methode, +für eine Genauigkeit von $n-1$ signifikanten Stellen, +nur $n$ Funktionsevaluationen +und wenige zusätzliche Multiplikationen und Additionen. +Demzufolge könnte diese Methode Anwendung in Systemen mit wenig Rechenleistung +und/oder knappen Energieressourcen finden. +Die vorgestellte Methode ist ein weiteres Beispiel dafür, +wie Verfahren durch die Kenntnis der Eigenschaften einer Funktion +verbessert werden können.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf b/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fe48f47 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/estimates.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/gammapaths.tex b/buch/papers/laguerre/images/gammapaths.tex new file mode 100644 index 0000000..efa0863 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/gammapaths.tex @@ -0,0 +1,1024 @@ +\def\gammaplus{({\dx*0.0190},{\dy*52.0728}) + -- ({\dx*0.0200},{\dy*49.4422}) + -- ({\dx*0.0400},{\dy*24.4610}) + -- ({\dx*0.0600},{\dy*16.1457}) + -- ({\dx*0.0800},{\dy*11.9966}) + -- ({\dx*0.1000},{\dy*9.5135}) + -- ({\dx*0.1200},{\dy*7.8633}) + -- ({\dx*0.1400},{\dy*6.6887}) + -- ({\dx*0.1600},{\dy*5.8113}) + -- ({\dx*0.1800},{\dy*5.1318}) + -- ({\dx*0.2000},{\dy*4.5908}) + -- ({\dx*0.2200},{\dy*4.1505}) + -- ({\dx*0.2400},{\dy*3.7855}) + -- ({\dx*0.2600},{\dy*3.4785}) + -- ({\dx*0.2800},{\dy*3.2169}) + -- ({\dx*0.3000},{\dy*2.9916}) + -- ({\dx*0.3200},{\dy*2.7958}) + -- ({\dx*0.3400},{\dy*2.6242}) + -- ({\dx*0.3600},{\dy*2.4727}) + -- ({\dx*0.3800},{\dy*2.3383}) + -- ({\dx*0.4000},{\dy*2.2182}) + -- ({\dx*0.4200},{\dy*2.1104}) + -- ({\dx*0.4400},{\dy*2.0132}) + -- ({\dx*0.4600},{\dy*1.9252}) + -- ({\dx*0.4800},{\dy*1.8453}) + -- ({\dx*0.5000},{\dy*1.7725}) + -- ({\dx*0.5200},{\dy*1.7058}) + -- ({\dx*0.5400},{\dy*1.6448}) + -- ({\dx*0.5600},{\dy*1.5886}) + -- ({\dx*0.5800},{\dy*1.5369}) + -- ({\dx*0.6000},{\dy*1.4892}) + -- ({\dx*0.6200},{\dy*1.4450}) + -- ({\dx*0.6400},{\dy*1.4041}) + -- ({\dx*0.6600},{\dy*1.3662}) + -- ({\dx*0.6800},{\dy*1.3309}) + -- ({\dx*0.7000},{\dy*1.2981}) + -- ({\dx*0.7200},{\dy*1.2675}) + -- ({\dx*0.7400},{\dy*1.2390}) + -- ({\dx*0.7600},{\dy*1.2123}) + -- ({\dx*0.7800},{\dy*1.1875}) + -- ({\dx*0.8000},{\dy*1.1642}) + -- ({\dx*0.8200},{\dy*1.1425}) + -- ({\dx*0.8400},{\dy*1.1222}) + -- ({\dx*0.8600},{\dy*1.1031}) + -- ({\dx*0.8800},{\dy*1.0853}) + -- ({\dx*0.9000},{\dy*1.0686}) + -- ({\dx*0.9200},{\dy*1.0530}) + -- ({\dx*0.9400},{\dy*1.0384}) + -- ({\dx*0.9600},{\dy*1.0247}) + -- ({\dx*0.9800},{\dy*1.0119}) + -- ({\dx*1.0000},{\dy*1.0000}) + -- ({\dx*1.0200},{\dy*0.9888}) + -- ({\dx*1.0400},{\dy*0.9784}) + -- ({\dx*1.0600},{\dy*0.9687}) + -- ({\dx*1.0800},{\dy*0.9597}) + -- ({\dx*1.1000},{\dy*0.9514}) + -- ({\dx*1.1200},{\dy*0.9436}) + -- ({\dx*1.1400},{\dy*0.9364}) + -- ({\dx*1.1600},{\dy*0.9298}) + -- ({\dx*1.1800},{\dy*0.9237}) + -- ({\dx*1.2000},{\dy*0.9182}) + -- ({\dx*1.2200},{\dy*0.9131}) + -- ({\dx*1.2400},{\dy*0.9085}) + -- ({\dx*1.2600},{\dy*0.9044}) + -- ({\dx*1.2800},{\dy*0.9007}) + -- ({\dx*1.3000},{\dy*0.8975}) + -- ({\dx*1.3200},{\dy*0.8946}) + -- ({\dx*1.3400},{\dy*0.8922}) + -- ({\dx*1.3600},{\dy*0.8902}) + -- ({\dx*1.3800},{\dy*0.8885}) + -- ({\dx*1.4000},{\dy*0.8873}) + -- ({\dx*1.4200},{\dy*0.8864}) + -- ({\dx*1.4400},{\dy*0.8858}) + -- ({\dx*1.4600},{\dy*0.8856}) + -- ({\dx*1.4800},{\dy*0.8857}) + -- ({\dx*1.5000},{\dy*0.8862}) + -- ({\dx*1.5200},{\dy*0.8870}) + -- ({\dx*1.5400},{\dy*0.8882}) + -- ({\dx*1.5600},{\dy*0.8896}) + -- ({\dx*1.5800},{\dy*0.8914}) + -- ({\dx*1.6000},{\dy*0.8935}) + -- ({\dx*1.6200},{\dy*0.8959}) + -- ({\dx*1.6400},{\dy*0.8986}) + -- ({\dx*1.6600},{\dy*0.9017}) + -- ({\dx*1.6800},{\dy*0.9050}) + -- ({\dx*1.7000},{\dy*0.9086}) + -- ({\dx*1.7200},{\dy*0.9126}) + -- ({\dx*1.7400},{\dy*0.9168}) + -- ({\dx*1.7600},{\dy*0.9214}) + -- ({\dx*1.7800},{\dy*0.9262}) + -- ({\dx*1.8000},{\dy*0.9314}) + -- ({\dx*1.8200},{\dy*0.9368}) + -- ({\dx*1.8400},{\dy*0.9426}) + -- ({\dx*1.8600},{\dy*0.9487}) + -- ({\dx*1.8800},{\dy*0.9551}) + -- ({\dx*1.9000},{\dy*0.9618}) + -- ({\dx*1.9200},{\dy*0.9688}) + -- ({\dx*1.9400},{\dy*0.9761}) + -- ({\dx*1.9600},{\dy*0.9837}) + -- ({\dx*1.9800},{\dy*0.9917}) + -- ({\dx*2.0000},{\dy*1.0000}) + -- ({\dx*2.0200},{\dy*1.0086}) + -- ({\dx*2.0400},{\dy*1.0176}) + -- ({\dx*2.0600},{\dy*1.0269}) + -- ({\dx*2.0800},{\dy*1.0365}) + -- ({\dx*2.1000},{\dy*1.0465}) + -- ({\dx*2.1200},{\dy*1.0568}) + -- ({\dx*2.1400},{\dy*1.0675}) + -- ({\dx*2.1600},{\dy*1.0786}) + -- ({\dx*2.1800},{\dy*1.0900}) + -- ({\dx*2.2000},{\dy*1.1018}) + -- ({\dx*2.2200},{\dy*1.1140}) + -- ({\dx*2.2400},{\dy*1.1266}) + -- ({\dx*2.2600},{\dy*1.1395}) + -- ({\dx*2.2800},{\dy*1.1529}) + -- ({\dx*2.3000},{\dy*1.1667}) + -- ({\dx*2.3200},{\dy*1.1809}) + -- ({\dx*2.3400},{\dy*1.1956}) + -- ({\dx*2.3600},{\dy*1.2107}) + -- ({\dx*2.3800},{\dy*1.2262}) + -- ({\dx*2.4000},{\dy*1.2422}) + -- ({\dx*2.4200},{\dy*1.2586}) + -- ({\dx*2.4400},{\dy*1.2756}) + -- ({\dx*2.4600},{\dy*1.2930}) + -- ({\dx*2.4800},{\dy*1.3109}) + -- ({\dx*2.5000},{\dy*1.3293}) + -- ({\dx*2.5200},{\dy*1.3483}) + -- ({\dx*2.5400},{\dy*1.3678}) + -- ({\dx*2.5600},{\dy*1.3878}) + -- ({\dx*2.5800},{\dy*1.4084}) + -- ({\dx*2.6000},{\dy*1.4296}) + -- ({\dx*2.6200},{\dy*1.4514}) + -- ({\dx*2.6400},{\dy*1.4738}) + -- ({\dx*2.6600},{\dy*1.4968}) + -- ({\dx*2.6800},{\dy*1.5204}) + -- ({\dx*2.7000},{\dy*1.5447}) + -- ({\dx*2.7200},{\dy*1.5696}) + -- ({\dx*2.7400},{\dy*1.5953}) + -- ({\dx*2.7600},{\dy*1.6216}) + -- ({\dx*2.7800},{\dy*1.6487}) + -- ({\dx*2.8000},{\dy*1.6765}) + -- ({\dx*2.8200},{\dy*1.7051}) + -- ({\dx*2.8400},{\dy*1.7344}) + -- ({\dx*2.8600},{\dy*1.7646}) + -- ({\dx*2.8800},{\dy*1.7955}) + -- ({\dx*2.9000},{\dy*1.8274}) + -- ({\dx*2.9200},{\dy*1.8600}) + -- ({\dx*2.9400},{\dy*1.8936}) + -- ({\dx*2.9600},{\dy*1.9281}) + -- ({\dx*2.9800},{\dy*1.9636}) + -- ({\dx*3.0000},{\dy*2.0000}) + -- ({\dx*3.0200},{\dy*2.0374}) + -- ({\dx*3.0400},{\dy*2.0759}) + -- ({\dx*3.0600},{\dy*2.1153}) + -- ({\dx*3.0800},{\dy*2.1559}) + -- ({\dx*3.1000},{\dy*2.1976}) + -- ({\dx*3.1200},{\dy*2.2405}) + -- ({\dx*3.1400},{\dy*2.2845}) + -- ({\dx*3.1600},{\dy*2.3297}) + -- ({\dx*3.1800},{\dy*2.3762}) + -- ({\dx*3.2000},{\dy*2.4240}) + -- ({\dx*3.2200},{\dy*2.4731}) + -- ({\dx*3.2400},{\dy*2.5235}) + -- ({\dx*3.2600},{\dy*2.5754}) + -- ({\dx*3.2800},{\dy*2.6287}) + -- ({\dx*3.3000},{\dy*2.6834}) + -- ({\dx*3.3200},{\dy*2.7397}) + -- ({\dx*3.3400},{\dy*2.7976}) + -- ({\dx*3.3600},{\dy*2.8571}) + -- ({\dx*3.3800},{\dy*2.9183}) + -- ({\dx*3.4000},{\dy*2.9812}) + -- ({\dx*3.4200},{\dy*3.0459}) + -- ({\dx*3.4400},{\dy*3.1124}) + -- ({\dx*3.4600},{\dy*3.1807}) + -- ({\dx*3.4800},{\dy*3.2510}) + -- ({\dx*3.5000},{\dy*3.3234}) + -- ({\dx*3.5200},{\dy*3.3977}) + -- ({\dx*3.5400},{\dy*3.4742}) + -- ({\dx*3.5600},{\dy*3.5529}) + -- ({\dx*3.5800},{\dy*3.6338}) + -- ({\dx*3.6000},{\dy*3.7170}) + -- ({\dx*3.6200},{\dy*3.8027}) + -- ({\dx*3.6400},{\dy*3.8908}) + -- ({\dx*3.6600},{\dy*3.9814}) + -- ({\dx*3.6800},{\dy*4.0747}) + -- ({\dx*3.7000},{\dy*4.1707}) + -- ({\dx*3.7200},{\dy*4.2694}) + -- ({\dx*3.7400},{\dy*4.3711}) + -- ({\dx*3.7600},{\dy*4.4757}) + -- ({\dx*3.7800},{\dy*4.5833}) + -- ({\dx*3.8000},{\dy*4.6942}) + -- ({\dx*3.8200},{\dy*4.8083}) + -- ({\dx*3.8400},{\dy*4.9257}) + -- ({\dx*3.8600},{\dy*5.0466}) + -- ({\dx*3.8800},{\dy*5.1711}) + -- ({\dx*3.9000},{\dy*5.2993}) + -- ({\dx*3.9200},{\dy*5.4313}) + -- ({\dx*3.9400},{\dy*5.5673}) + -- ({\dx*3.9600},{\dy*5.7073}) + -- ({\dx*3.9800},{\dy*5.8515}) + -- ({\dx*4.0000},{\dy*6.0000}) + -- ({\dx*4.0200},{\dy*6.1530}) + -- ({\dx*4.0400},{\dy*6.3106}) + -- ({\dx*4.0600},{\dy*6.4730}) + -- ({\dx*4.0800},{\dy*6.6403}) + -- ({\dx*4.0810},{\dy*6.6488})} +\def\gammaone{({\dx*-0.9810},{\dy*-53.0814}) + -- ({\dx*-0.9800},{\dy*-50.4512}) + -- ({\dx*-0.9600},{\dy*-25.4802}) + -- ({\dx*-0.9400},{\dy*-17.1763}) + -- ({\dx*-0.9200},{\dy*-13.0397}) + -- ({\dx*-0.9000},{\dy*-10.5706}) + -- ({\dx*-0.8800},{\dy*-8.9355}) + -- ({\dx*-0.8600},{\dy*-7.7775}) + -- ({\dx*-0.8400},{\dy*-6.9182}) + -- ({\dx*-0.8200},{\dy*-6.2583}) + -- ({\dx*-0.8000},{\dy*-5.7386}) + -- ({\dx*-0.7800},{\dy*-5.3211}) + -- ({\dx*-0.7600},{\dy*-4.9809}) + -- ({\dx*-0.7400},{\dy*-4.7006}) + -- ({\dx*-0.7200},{\dy*-4.4678}) + -- ({\dx*-0.7000},{\dy*-4.2737}) + -- ({\dx*-0.6800},{\dy*-4.1114}) + -- ({\dx*-0.6600},{\dy*-3.9760}) + -- ({\dx*-0.6400},{\dy*-3.8636}) + -- ({\dx*-0.6200},{\dy*-3.7714}) + -- ({\dx*-0.6000},{\dy*-3.6969}) + -- ({\dx*-0.5800},{\dy*-3.6386}) + -- ({\dx*-0.5600},{\dy*-3.5950}) + -- ({\dx*-0.5400},{\dy*-3.5652}) + -- ({\dx*-0.5200},{\dy*-3.5487}) + -- ({\dx*-0.5000},{\dy*-3.5449}) + -- ({\dx*-0.4800},{\dy*-3.5538}) + -- ({\dx*-0.4600},{\dy*-3.5756}) + -- ({\dx*-0.4400},{\dy*-3.6105}) + -- ({\dx*-0.4200},{\dy*-3.6594}) + -- ({\dx*-0.4000},{\dy*-3.7230}) + -- ({\dx*-0.3800},{\dy*-3.8027}) + -- ({\dx*-0.3600},{\dy*-3.9004}) + -- ({\dx*-0.3400},{\dy*-4.0181}) + -- ({\dx*-0.3200},{\dy*-4.1590}) + -- ({\dx*-0.3000},{\dy*-4.3269}) + -- ({\dx*-0.2800},{\dy*-4.5267}) + -- ({\dx*-0.2600},{\dy*-4.7652}) + -- ({\dx*-0.2400},{\dy*-5.0514}) + -- ({\dx*-0.2200},{\dy*-5.3976}) + -- ({\dx*-0.2000},{\dy*-5.8211}) + -- ({\dx*-0.1800},{\dy*-6.3472}) + -- ({\dx*-0.1600},{\dy*-7.0135}) + -- ({\dx*-0.1400},{\dy*-7.8795}) + -- ({\dx*-0.1200},{\dy*-9.0442}) + -- ({\dx*-0.1000},{\dy*-10.6863}) + -- ({\dx*-0.0800},{\dy*-13.1627}) + -- ({\dx*-0.0600},{\dy*-17.3067}) + -- ({\dx*-0.0400},{\dy*-25.6183}) + -- ({\dx*-0.0200},{\dy*-50.5974}) + -- ({\dx*-0.0190},{\dy*-53.2279})} +\def\gammatwo{({\dx*-1.9810},{\dy*26.7952}) + -- ({\dx*-1.9800},{\dy*25.4804}) + -- ({\dx*-1.9600},{\dy*13.0001}) + -- ({\dx*-1.9400},{\dy*8.8538}) + -- ({\dx*-1.9200},{\dy*6.7915}) + -- ({\dx*-1.9000},{\dy*5.5635}) + -- ({\dx*-1.8800},{\dy*4.7529}) + -- ({\dx*-1.8600},{\dy*4.1815}) + -- ({\dx*-1.8400},{\dy*3.7599}) + -- ({\dx*-1.8200},{\dy*3.4386}) + -- ({\dx*-1.8000},{\dy*3.1881}) + -- ({\dx*-1.7800},{\dy*2.9894}) + -- ({\dx*-1.7600},{\dy*2.8301}) + -- ({\dx*-1.7400},{\dy*2.7015}) + -- ({\dx*-1.7200},{\dy*2.5976}) + -- ({\dx*-1.7000},{\dy*2.5139}) + -- ({\dx*-1.6800},{\dy*2.4473}) + -- ({\dx*-1.6600},{\dy*2.3952}) + -- ({\dx*-1.6400},{\dy*2.3559}) + -- ({\dx*-1.6200},{\dy*2.3280}) + -- ({\dx*-1.6000},{\dy*2.3106}) + -- ({\dx*-1.5800},{\dy*2.3029}) + -- ({\dx*-1.5600},{\dy*2.3045}) + -- ({\dx*-1.5400},{\dy*2.3151}) + -- ({\dx*-1.5200},{\dy*2.3346}) + -- ({\dx*-1.5000},{\dy*2.3633}) + -- ({\dx*-1.4800},{\dy*2.4012}) + -- ({\dx*-1.4600},{\dy*2.4490}) + -- ({\dx*-1.4400},{\dy*2.5073}) + -- ({\dx*-1.4200},{\dy*2.5770}) + -- ({\dx*-1.4000},{\dy*2.6593}) + -- ({\dx*-1.3800},{\dy*2.7556}) + -- ({\dx*-1.3600},{\dy*2.8679}) + -- ({\dx*-1.3400},{\dy*2.9986}) + -- ({\dx*-1.3200},{\dy*3.1508}) + -- ({\dx*-1.3000},{\dy*3.3283}) + -- ({\dx*-1.2800},{\dy*3.5365}) + -- ({\dx*-1.2600},{\dy*3.7819}) + -- ({\dx*-1.2400},{\dy*4.0737}) + -- ({\dx*-1.2200},{\dy*4.4243}) + -- ({\dx*-1.2000},{\dy*4.8510}) + -- ({\dx*-1.1800},{\dy*5.3790}) + -- ({\dx*-1.1600},{\dy*6.0461}) + -- ({\dx*-1.1400},{\dy*6.9118}) + -- ({\dx*-1.1200},{\dy*8.0752}) + -- ({\dx*-1.1000},{\dy*9.7148}) + -- ({\dx*-1.0800},{\dy*12.1877}) + -- ({\dx*-1.0600},{\dy*16.3271}) + -- ({\dx*-1.0400},{\dy*24.6330}) + -- ({\dx*-1.0200},{\dy*49.6053}) + -- ({\dx*-1.0190},{\dy*52.2354})} +\def\gammathree{({\dx*-2.9810},{\dy*-8.9887}) + -- ({\dx*-2.9800},{\dy*-8.5505}) + -- ({\dx*-2.9600},{\dy*-4.3919}) + -- ({\dx*-2.9400},{\dy*-3.0115}) + -- ({\dx*-2.9200},{\dy*-2.3259}) + -- ({\dx*-2.9000},{\dy*-1.9184}) + -- ({\dx*-2.8800},{\dy*-1.6503}) + -- ({\dx*-2.8600},{\dy*-1.4621}) + -- ({\dx*-2.8400},{\dy*-1.3239}) + -- ({\dx*-2.8200},{\dy*-1.2194}) + -- ({\dx*-2.8000},{\dy*-1.1386}) + -- ({\dx*-2.7800},{\dy*-1.0753}) + -- ({\dx*-2.7600},{\dy*-1.0254}) + -- ({\dx*-2.7400},{\dy*-0.9859}) + -- ({\dx*-2.7200},{\dy*-0.9550}) + -- ({\dx*-2.7000},{\dy*-0.9311}) + -- ({\dx*-2.6800},{\dy*-0.9132}) + -- ({\dx*-2.6600},{\dy*-0.9004}) + -- ({\dx*-2.6400},{\dy*-0.8924}) + -- ({\dx*-2.6200},{\dy*-0.8886}) + -- ({\dx*-2.6000},{\dy*-0.8887}) + -- ({\dx*-2.5800},{\dy*-0.8926}) + -- ({\dx*-2.5600},{\dy*-0.9002}) + -- ({\dx*-2.5400},{\dy*-0.9115}) + -- ({\dx*-2.5200},{\dy*-0.9264}) + -- ({\dx*-2.5000},{\dy*-0.9453}) + -- ({\dx*-2.4800},{\dy*-0.9682}) + -- ({\dx*-2.4600},{\dy*-0.9955}) + -- ({\dx*-2.4400},{\dy*-1.0276}) + -- ({\dx*-2.4200},{\dy*-1.0649}) + -- ({\dx*-2.4000},{\dy*-1.1080}) + -- ({\dx*-2.3800},{\dy*-1.1578}) + -- ({\dx*-2.3600},{\dy*-1.2152}) + -- ({\dx*-2.3400},{\dy*-1.2815}) + -- ({\dx*-2.3200},{\dy*-1.3581}) + -- ({\dx*-2.3000},{\dy*-1.4471}) + -- ({\dx*-2.2800},{\dy*-1.5511}) + -- ({\dx*-2.2600},{\dy*-1.6734}) + -- ({\dx*-2.2400},{\dy*-1.8186}) + -- ({\dx*-2.2200},{\dy*-1.9929}) + -- ({\dx*-2.2000},{\dy*-2.2050}) + -- ({\dx*-2.1800},{\dy*-2.4674}) + -- ({\dx*-2.1600},{\dy*-2.7991}) + -- ({\dx*-2.1400},{\dy*-3.2298}) + -- ({\dx*-2.1200},{\dy*-3.8091}) + -- ({\dx*-2.1000},{\dy*-4.6261}) + -- ({\dx*-2.0800},{\dy*-5.8595}) + -- ({\dx*-2.0600},{\dy*-7.9258}) + -- ({\dx*-2.0400},{\dy*-12.0750}) + -- ({\dx*-2.0200},{\dy*-24.5571}) + -- ({\dx*-2.0190},{\dy*-25.8719})} +\def\gammafour{({\dx*-3.9950},{\dy*8.3966}) + -- ({\dx*-3.9800},{\dy*2.1484}) + -- ({\dx*-3.9600},{\dy*1.1091}) + -- ({\dx*-3.9400},{\dy*0.7643}) + -- ({\dx*-3.9200},{\dy*0.5933}) + -- ({\dx*-3.9000},{\dy*0.4919}) + -- ({\dx*-3.8800},{\dy*0.4253}) + -- ({\dx*-3.8600},{\dy*0.3788}) + -- ({\dx*-3.8400},{\dy*0.3448}) + -- ({\dx*-3.8200},{\dy*0.3192}) + -- ({\dx*-3.8000},{\dy*0.2996}) + -- ({\dx*-3.7800},{\dy*0.2845}) + -- ({\dx*-3.7600},{\dy*0.2727}) + -- ({\dx*-3.7400},{\dy*0.2636}) + -- ({\dx*-3.7200},{\dy*0.2567}) + -- ({\dx*-3.7000},{\dy*0.2516}) + -- ({\dx*-3.6800},{\dy*0.2481}) + -- ({\dx*-3.6600},{\dy*0.2460}) + -- ({\dx*-3.6400},{\dy*0.2452}) + -- ({\dx*-3.6200},{\dy*0.2455}) + -- ({\dx*-3.6000},{\dy*0.2469}) + -- ({\dx*-3.5800},{\dy*0.2493}) + -- ({\dx*-3.5600},{\dy*0.2529}) + -- ({\dx*-3.5400},{\dy*0.2575}) + -- ({\dx*-3.5200},{\dy*0.2632}) + -- ({\dx*-3.5000},{\dy*0.2701}) + -- ({\dx*-3.4800},{\dy*0.2782}) + -- ({\dx*-3.4600},{\dy*0.2877}) + -- ({\dx*-3.4400},{\dy*0.2987}) + -- ({\dx*-3.4200},{\dy*0.3114}) + -- ({\dx*-3.4000},{\dy*0.3259}) + -- ({\dx*-3.3800},{\dy*0.3425}) + -- ({\dx*-3.3600},{\dy*0.3617}) + -- ({\dx*-3.3400},{\dy*0.3837}) + -- ({\dx*-3.3200},{\dy*0.4091}) + -- ({\dx*-3.3000},{\dy*0.4385}) + -- ({\dx*-3.2800},{\dy*0.4729}) + -- ({\dx*-3.2600},{\dy*0.5133}) + -- ({\dx*-3.2400},{\dy*0.5613}) + -- ({\dx*-3.2200},{\dy*0.6189}) + -- ({\dx*-3.2000},{\dy*0.6891}) + -- ({\dx*-3.1800},{\dy*0.7759}) + -- ({\dx*-3.1600},{\dy*0.8858}) + -- ({\dx*-3.1400},{\dy*1.0286}) + -- ({\dx*-3.1200},{\dy*1.2209}) + -- ({\dx*-3.1000},{\dy*1.4923}) + -- ({\dx*-3.0800},{\dy*1.9024}) + -- ({\dx*-3.0600},{\dy*2.5901}) + -- ({\dx*-3.0400},{\dy*3.9720}) + -- ({\dx*-3.0200},{\dy*8.1315}) + -- ({\dx*-3.0050},{\dy*33.1259})} +\def\gammafive{({\dx*-4.9990},{\dy*-8.3476}) + -- ({\dx*-4.9800},{\dy*-0.4314}) + -- ({\dx*-4.9600},{\dy*-0.2236}) + -- ({\dx*-4.9400},{\dy*-0.1547}) + -- ({\dx*-4.9200},{\dy*-0.1206}) + -- ({\dx*-4.9000},{\dy*-0.1004}) + -- ({\dx*-4.8800},{\dy*-0.0872}) + -- ({\dx*-4.8600},{\dy*-0.0779}) + -- ({\dx*-4.8400},{\dy*-0.0712}) + -- ({\dx*-4.8200},{\dy*-0.0662}) + -- ({\dx*-4.8000},{\dy*-0.0624}) + -- ({\dx*-4.7800},{\dy*-0.0595}) + -- ({\dx*-4.7600},{\dy*-0.0573}) + -- ({\dx*-4.7400},{\dy*-0.0556}) + -- ({\dx*-4.7200},{\dy*-0.0544}) + -- ({\dx*-4.7000},{\dy*-0.0535}) + -- ({\dx*-4.6800},{\dy*-0.0530}) + -- ({\dx*-4.6600},{\dy*-0.0528}) + -- ({\dx*-4.6400},{\dy*-0.0528}) + -- ({\dx*-4.6200},{\dy*-0.0531}) + -- ({\dx*-4.6000},{\dy*-0.0537}) + -- ({\dx*-4.5800},{\dy*-0.0544}) + -- ({\dx*-4.5600},{\dy*-0.0555}) + -- ({\dx*-4.5400},{\dy*-0.0567}) + -- ({\dx*-4.5200},{\dy*-0.0582}) + -- ({\dx*-4.5000},{\dy*-0.0600}) + -- ({\dx*-4.4800},{\dy*-0.0621}) + -- ({\dx*-4.4600},{\dy*-0.0645}) + -- ({\dx*-4.4400},{\dy*-0.0673}) + -- ({\dx*-4.4200},{\dy*-0.0704}) + -- ({\dx*-4.4000},{\dy*-0.0741}) + -- ({\dx*-4.3800},{\dy*-0.0782}) + -- ({\dx*-4.3600},{\dy*-0.0830}) + -- ({\dx*-4.3400},{\dy*-0.0884}) + -- ({\dx*-4.3200},{\dy*-0.0947}) + -- ({\dx*-4.3000},{\dy*-0.1020}) + -- ({\dx*-4.2800},{\dy*-0.1105}) + -- ({\dx*-4.2600},{\dy*-0.1205}) + -- ({\dx*-4.2400},{\dy*-0.1324}) + -- ({\dx*-4.2200},{\dy*-0.1467}) + -- ({\dx*-4.2000},{\dy*-0.1641}) + -- ({\dx*-4.1800},{\dy*-0.1856}) + -- ({\dx*-4.1600},{\dy*-0.2129}) + -- ({\dx*-4.1400},{\dy*-0.2485}) + -- ({\dx*-4.1200},{\dy*-0.2963}) + -- ({\dx*-4.1000},{\dy*-0.3640}) + -- ({\dx*-4.0800},{\dy*-0.4663}) + -- ({\dx*-4.0600},{\dy*-0.6380}) + -- ({\dx*-4.0400},{\dy*-0.9832}) + -- ({\dx*-4.0200},{\dy*-2.0228}) + -- ({\dx*-4.0010},{\dy*-41.6040})} +\def\gammasix{({\dx*-5.9998},{\dy*6.9470}) + -- ({\dx*-5.9800},{\dy*0.0721}) + -- ({\dx*-5.9600},{\dy*0.0375}) + -- ({\dx*-5.9400},{\dy*0.0260}) + -- ({\dx*-5.9200},{\dy*0.0204}) + -- ({\dx*-5.9000},{\dy*0.0170}) + -- ({\dx*-5.8800},{\dy*0.0148}) + -- ({\dx*-5.8600},{\dy*0.0133}) + -- ({\dx*-5.8400},{\dy*0.0122}) + -- ({\dx*-5.8200},{\dy*0.0114}) + -- ({\dx*-5.8000},{\dy*0.0108}) + -- ({\dx*-5.7800},{\dy*0.0103}) + -- ({\dx*-5.7600},{\dy*0.0099}) + -- ({\dx*-5.7400},{\dy*0.0097}) + -- ({\dx*-5.7200},{\dy*0.0095}) + -- ({\dx*-5.7000},{\dy*0.0094}) + -- ({\dx*-5.6800},{\dy*0.0093}) + -- ({\dx*-5.6600},{\dy*0.0093}) + -- ({\dx*-5.6400},{\dy*0.0094}) + -- ({\dx*-5.6200},{\dy*0.0095}) + -- ({\dx*-5.6000},{\dy*0.0096}) + -- ({\dx*-5.5800},{\dy*0.0098}) + -- ({\dx*-5.5600},{\dy*0.0100}) + -- ({\dx*-5.5400},{\dy*0.0102}) + -- ({\dx*-5.5200},{\dy*0.0105}) + -- ({\dx*-5.5000},{\dy*0.0109}) + -- ({\dx*-5.4800},{\dy*0.0113}) + -- ({\dx*-5.4600},{\dy*0.0118}) + -- ({\dx*-5.4400},{\dy*0.0124}) + -- ({\dx*-5.4200},{\dy*0.0130}) + -- ({\dx*-5.4000},{\dy*0.0137}) + -- ({\dx*-5.3800},{\dy*0.0145}) + -- ({\dx*-5.3600},{\dy*0.0155}) + -- ({\dx*-5.3400},{\dy*0.0166}) + -- ({\dx*-5.3200},{\dy*0.0178}) + -- ({\dx*-5.3000},{\dy*0.0192}) + -- ({\dx*-5.2800},{\dy*0.0209}) + -- ({\dx*-5.2600},{\dy*0.0229}) + -- ({\dx*-5.2400},{\dy*0.0253}) + -- ({\dx*-5.2200},{\dy*0.0281}) + -- ({\dx*-5.2000},{\dy*0.0316}) + -- ({\dx*-5.1800},{\dy*0.0358}) + -- ({\dx*-5.1600},{\dy*0.0413}) + -- ({\dx*-5.1400},{\dy*0.0483}) + -- ({\dx*-5.1200},{\dy*0.0579}) + -- ({\dx*-5.1000},{\dy*0.0714}) + -- ({\dx*-5.0800},{\dy*0.0918}) + -- ({\dx*-5.0600},{\dy*0.1261}) + -- ({\dx*-5.0400},{\dy*0.1951}) + -- ({\dx*-5.0200},{\dy*0.4029}) + -- ({\dx*-5.0002},{\dy*41.6525})} +\def\gammasinplus{({\dx*0.0190},{\dy*52.1325}) + -- ({\dx*0.0200},{\dy*49.5050}) + -- ({\dx*0.0400},{\dy*24.5863}) + -- ({\dx*0.0600},{\dy*16.3331}) + -- ({\dx*0.0800},{\dy*12.2453}) + -- ({\dx*0.1000},{\dy*9.8225}) + -- ({\dx*0.1200},{\dy*8.2314}) + -- ({\dx*0.1400},{\dy*7.1145}) + -- ({\dx*0.1600},{\dy*6.2930}) + -- ({\dx*0.1800},{\dy*5.6676}) + -- ({\dx*0.2000},{\dy*5.1786}) + -- ({\dx*0.2200},{\dy*4.7879}) + -- ({\dx*0.2400},{\dy*4.4701}) + -- ({\dx*0.2600},{\dy*4.2074}) + -- ({\dx*0.2800},{\dy*3.9874}) + -- ({\dx*0.3000},{\dy*3.8006}) + -- ({\dx*0.3200},{\dy*3.6401}) + -- ({\dx*0.3400},{\dy*3.5005}) + -- ({\dx*0.3600},{\dy*3.3776}) + -- ({\dx*0.3800},{\dy*3.2680}) + -- ({\dx*0.4000},{\dy*3.1692}) + -- ({\dx*0.4200},{\dy*3.0790}) + -- ({\dx*0.4400},{\dy*2.9955}) + -- ({\dx*0.4600},{\dy*2.9173}) + -- ({\dx*0.4800},{\dy*2.8433}) + -- ({\dx*0.5000},{\dy*2.7725}) + -- ({\dx*0.5200},{\dy*2.7039}) + -- ({\dx*0.5400},{\dy*2.6369}) + -- ({\dx*0.5600},{\dy*2.5709}) + -- ({\dx*0.5800},{\dy*2.5055}) + -- ({\dx*0.6000},{\dy*2.4402}) + -- ({\dx*0.6200},{\dy*2.3748}) + -- ({\dx*0.6400},{\dy*2.3090}) + -- ({\dx*0.6600},{\dy*2.2425}) + -- ({\dx*0.6800},{\dy*2.1752}) + -- ({\dx*0.7000},{\dy*2.1071}) + -- ({\dx*0.7200},{\dy*2.0380}) + -- ({\dx*0.7400},{\dy*1.9679}) + -- ({\dx*0.7600},{\dy*1.8969}) + -- ({\dx*0.7800},{\dy*1.8249}) + -- ({\dx*0.8000},{\dy*1.7520}) + -- ({\dx*0.8200},{\dy*1.6783}) + -- ({\dx*0.8400},{\dy*1.6039}) + -- ({\dx*0.8600},{\dy*1.5289}) + -- ({\dx*0.8800},{\dy*1.4534}) + -- ({\dx*0.9000},{\dy*1.3776}) + -- ({\dx*0.9200},{\dy*1.3017}) + -- ({\dx*0.9400},{\dy*1.2258}) + -- ({\dx*0.9600},{\dy*1.1501}) + -- ({\dx*0.9800},{\dy*1.0747}) + -- ({\dx*1.0000},{\dy*1.0000}) + -- ({\dx*1.0200},{\dy*0.9261}) + -- ({\dx*1.0400},{\dy*0.8531}) + -- 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+ -- ({\dx*1.6600},{\dy*0.0254}) + -- ({\dx*1.6800},{\dy*0.0607}) + -- ({\dx*1.7000},{\dy*0.0996}) + -- ({\dx*1.7200},{\dy*0.1421}) + -- ({\dx*1.7400},{\dy*0.1879}) + -- ({\dx*1.7600},{\dy*0.2368}) + -- ({\dx*1.7800},{\dy*0.2888}) + -- ({\dx*1.8000},{\dy*0.3436}) + -- ({\dx*1.8200},{\dy*0.4010}) + -- ({\dx*1.8400},{\dy*0.4609}) + -- ({\dx*1.8600},{\dy*0.5229}) + -- ({\dx*1.8800},{\dy*0.5869}) + -- ({\dx*1.9000},{\dy*0.6527}) + -- ({\dx*1.9200},{\dy*0.7201}) + -- ({\dx*1.9400},{\dy*0.7887}) + -- ({\dx*1.9600},{\dy*0.8584}) + -- ({\dx*1.9800},{\dy*0.9289}) + -- ({\dx*2.0000},{\dy*1.0000}) + -- ({\dx*2.0200},{\dy*1.0714}) + -- ({\dx*2.0400},{\dy*1.1429}) + -- ({\dx*2.0600},{\dy*1.2142}) + -- ({\dx*2.0800},{\dy*1.2852}) + -- ({\dx*2.1000},{\dy*1.3555}) + -- ({\dx*2.1200},{\dy*1.4249}) + -- ({\dx*2.1400},{\dy*1.4933}) + -- ({\dx*2.1600},{\dy*1.5603}) + -- ({\dx*2.1800},{\dy*1.6258}) + -- ({\dx*2.2000},{\dy*1.6896}) + -- ({\dx*2.2200},{\dy*1.7514}) + -- ({\dx*2.2400},{\dy*1.8111}) + -- ({\dx*2.2600},{\dy*1.8685}) + -- ({\dx*2.2800},{\dy*1.9234}) + -- ({\dx*2.3000},{\dy*1.9757}) + -- ({\dx*2.3200},{\dy*2.0253}) + -- ({\dx*2.3400},{\dy*2.0719}) + -- ({\dx*2.3600},{\dy*2.1155}) + -- ({\dx*2.3800},{\dy*2.1560}) + -- ({\dx*2.4000},{\dy*2.1932}) + -- ({\dx*2.4200},{\dy*2.2272}) + -- ({\dx*2.4400},{\dy*2.2578}) + -- ({\dx*2.4600},{\dy*2.2851}) + -- ({\dx*2.4800},{\dy*2.3089}) + -- ({\dx*2.5000},{\dy*2.3293}) + -- ({\dx*2.5200},{\dy*2.3463}) + -- ({\dx*2.5400},{\dy*2.3599}) + -- ({\dx*2.5600},{\dy*2.3701}) + -- ({\dx*2.5800},{\dy*2.3770}) + -- ({\dx*2.6000},{\dy*2.3807}) + -- ({\dx*2.6200},{\dy*2.3812}) + -- ({\dx*2.6400},{\dy*2.3786}) + -- ({\dx*2.6600},{\dy*2.3731}) + -- ({\dx*2.6800},{\dy*2.3647}) + -- ({\dx*2.7000},{\dy*2.3537}) + -- ({\dx*2.7200},{\dy*2.3402}) + -- ({\dx*2.7400},{\dy*2.3242}) + -- ({\dx*2.7600},{\dy*2.3062}) + -- ({\dx*2.7800},{\dy*2.2861}) + -- ({\dx*2.8000},{\dy*2.2643}) + -- ({\dx*2.8200},{\dy*2.2409}) + -- ({\dx*2.8400},{\dy*2.2162}) + -- ({\dx*2.8600},{\dy*2.1903}) + -- ({\dx*2.8800},{\dy*2.1637}) + -- ({\dx*2.9000},{\dy*2.1364}) + -- ({\dx*2.9200},{\dy*2.1087}) + -- ({\dx*2.9400},{\dy*2.0810}) + -- ({\dx*2.9600},{\dy*2.0535}) + -- ({\dx*2.9800},{\dy*2.0264}) + -- ({\dx*3.0000},{\dy*2.0000}) + -- ({\dx*3.0200},{\dy*1.9746}) + -- ({\dx*3.0400},{\dy*1.9505}) + -- ({\dx*3.0600},{\dy*1.9280}) + -- ({\dx*3.0800},{\dy*1.9072}) + -- ({\dx*3.1000},{\dy*1.8886}) + -- ({\dx*3.1200},{\dy*1.8723}) + -- ({\dx*3.1400},{\dy*1.8587}) + -- ({\dx*3.1600},{\dy*1.8480}) + -- ({\dx*3.1800},{\dy*1.8404}) + -- ({\dx*3.2000},{\dy*1.8362}) + -- ({\dx*3.2200},{\dy*1.8356}) + -- ({\dx*3.2400},{\dy*1.8390}) + -- ({\dx*3.2600},{\dy*1.8464}) + -- ({\dx*3.2800},{\dy*1.8581}) + -- ({\dx*3.3000},{\dy*1.8744}) + -- ({\dx*3.3200},{\dy*1.8954}) + -- ({\dx*3.3400},{\dy*1.9213}) + -- ({\dx*3.3600},{\dy*1.9523}) + -- ({\dx*3.3800},{\dy*1.9885}) + -- ({\dx*3.4000},{\dy*2.0301}) + -- ({\dx*3.4200},{\dy*2.0773}) + -- ({\dx*3.4400},{\dy*2.1301}) + -- ({\dx*3.4600},{\dy*2.1886}) + -- ({\dx*3.4800},{\dy*2.2530}) + -- ({\dx*3.5000},{\dy*2.3234}) + -- ({\dx*3.5200},{\dy*2.3997}) + -- ({\dx*3.5400},{\dy*2.4821}) + -- ({\dx*3.5600},{\dy*2.5706}) + -- ({\dx*3.5800},{\dy*2.6652}) + -- ({\dx*3.6000},{\dy*2.7660}) + -- ({\dx*3.6200},{\dy*2.8729}) + -- ({\dx*3.6400},{\dy*2.9859}) + -- ({\dx*3.6600},{\dy*3.1051}) + -- ({\dx*3.6800},{\dy*3.2303}) + -- ({\dx*3.7000},{\dy*3.3616}) + -- ({\dx*3.7200},{\dy*3.4989}) + -- ({\dx*3.7400},{\dy*3.6421}) + -- ({\dx*3.7600},{\dy*3.7911}) + -- ({\dx*3.7800},{\dy*3.9459}) + -- ({\dx*3.8000},{\dy*4.1064}) + -- ({\dx*3.8200},{\dy*4.2724}) + -- ({\dx*3.8400},{\dy*4.4440}) + -- ({\dx*3.8600},{\dy*4.6209}) + -- ({\dx*3.8800},{\dy*4.8030}) + -- ({\dx*3.9000},{\dy*4.9903}) + -- ({\dx*3.9200},{\dy*5.1826}) + -- ({\dx*3.9400},{\dy*5.3799}) + -- ({\dx*3.9600},{\dy*5.5819}) + -- ({\dx*3.9800},{\dy*5.7887}) + -- ({\dx*4.0000},{\dy*6.0000}) + -- ({\dx*4.0200},{\dy*6.2158}) + -- ({\dx*4.0400},{\dy*6.4359}) + -- ({\dx*4.0600},{\dy*6.6603}) + -- ({\dx*4.0800},{\dy*6.8889}) + -- ({\dx*4.0810},{\dy*6.9005})} +\def\gammasinone{({\dx*-0.9810},{\dy*-53.1410}) + -- ({\dx*-0.9800},{\dy*-50.5140}) + -- ({\dx*-0.9600},{\dy*-25.6055}) + -- ({\dx*-0.9400},{\dy*-17.3637}) + -- ({\dx*-0.9200},{\dy*-13.2884}) + -- ({\dx*-0.9000},{\dy*-10.8796}) + -- ({\dx*-0.8800},{\dy*-9.3036}) + -- ({\dx*-0.8600},{\dy*-8.2033}) + -- ({\dx*-0.8400},{\dy*-7.3999}) + -- ({\dx*-0.8200},{\dy*-6.7941}) + -- ({\dx*-0.8000},{\dy*-6.3263}) + -- ({\dx*-0.7800},{\dy*-5.9586}) + -- ({\dx*-0.7600},{\dy*-5.6655}) + -- ({\dx*-0.7400},{\dy*-5.4296}) + -- ({\dx*-0.7200},{\dy*-5.2384}) + -- ({\dx*-0.7000},{\dy*-5.0827}) + -- ({\dx*-0.6800},{\dy*-4.9557}) + -- ({\dx*-0.6600},{\dy*-4.8523}) + -- ({\dx*-0.6400},{\dy*-4.7685}) + -- ({\dx*-0.6200},{\dy*-4.7012}) + -- ({\dx*-0.6000},{\dy*-4.6480}) + -- ({\dx*-0.5800},{\dy*-4.6072}) + -- ({\dx*-0.5600},{\dy*-4.5773}) + -- ({\dx*-0.5400},{\dy*-4.5573}) + -- ({\dx*-0.5200},{\dy*-4.5467}) + -- ({\dx*-0.5000},{\dy*-4.5449}) + -- ({\dx*-0.4800},{\dy*-4.5519}) + -- ({\dx*-0.4600},{\dy*-4.5677}) + -- ({\dx*-0.4400},{\dy*-4.5928}) + -- ({\dx*-0.4200},{\dy*-4.6279}) + -- ({\dx*-0.4000},{\dy*-4.6740}) + -- ({\dx*-0.3800},{\dy*-4.7325}) + -- ({\dx*-0.3600},{\dy*-4.8052}) + -- ({\dx*-0.3400},{\dy*-4.8944}) + -- ({\dx*-0.3200},{\dy*-5.0033}) + -- ({\dx*-0.3000},{\dy*-5.1359}) + -- ({\dx*-0.2800},{\dy*-5.2972}) + -- ({\dx*-0.2600},{\dy*-5.4942}) + -- ({\dx*-0.2400},{\dy*-5.7359}) + -- ({\dx*-0.2200},{\dy*-6.0350}) + -- ({\dx*-0.2000},{\dy*-6.4089}) + -- ({\dx*-0.1800},{\dy*-6.8830}) + -- ({\dx*-0.1600},{\dy*-7.4952}) + -- ({\dx*-0.1400},{\dy*-8.3052}) + -- ({\dx*-0.1200},{\dy*-9.4124}) + -- ({\dx*-0.1000},{\dy*-10.9953}) + -- ({\dx*-0.0800},{\dy*-13.4114}) + -- ({\dx*-0.0600},{\dy*-17.4941}) + -- ({\dx*-0.0400},{\dy*-25.7436}) + -- ({\dx*-0.0200},{\dy*-50.6602}) + -- ({\dx*-0.0190},{\dy*-53.2876})} +\def\gammasintwo{({\dx*-1.9810},{\dy*26.8549}) + -- ({\dx*-1.9800},{\dy*25.5432}) + -- 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({\dx*-2.8400},{\dy*-1.8057}) + -- ({\dx*-2.8200},{\dy*-1.7552}) + -- ({\dx*-2.8000},{\dy*-1.7264}) + -- ({\dx*-2.7800},{\dy*-1.7127}) + -- ({\dx*-2.7600},{\dy*-1.7099}) + -- ({\dx*-2.7400},{\dy*-1.7149}) + -- ({\dx*-2.7200},{\dy*-1.7255}) + -- ({\dx*-2.7000},{\dy*-1.7401}) + -- ({\dx*-2.6800},{\dy*-1.7575}) + -- ({\dx*-2.6600},{\dy*-1.7768}) + -- ({\dx*-2.6400},{\dy*-1.7972}) + -- ({\dx*-2.6200},{\dy*-1.8183}) + -- ({\dx*-2.6000},{\dy*-1.8397}) + -- ({\dx*-2.5800},{\dy*-1.8612}) + -- ({\dx*-2.5600},{\dy*-1.8825}) + -- ({\dx*-2.5400},{\dy*-1.9036}) + -- ({\dx*-2.5200},{\dy*-1.9245}) + -- ({\dx*-2.5000},{\dy*-1.9453}) + -- ({\dx*-2.4800},{\dy*-1.9663}) + -- ({\dx*-2.4600},{\dy*-1.9877}) + -- ({\dx*-2.4400},{\dy*-2.0099}) + -- ({\dx*-2.4200},{\dy*-2.0335}) + -- ({\dx*-2.4000},{\dy*-2.0591}) + -- ({\dx*-2.3800},{\dy*-2.0876}) + -- ({\dx*-2.3600},{\dy*-2.1200}) + -- ({\dx*-2.3400},{\dy*-2.1578}) + -- ({\dx*-2.3200},{\dy*-2.2024}) + -- ({\dx*-2.3000},{\dy*-2.2561}) + -- ({\dx*-2.2800},{\dy*-2.3216}) + -- ({\dx*-2.2600},{\dy*-2.4024}) + -- ({\dx*-2.2400},{\dy*-2.5032}) + -- ({\dx*-2.2200},{\dy*-2.6303}) + -- ({\dx*-2.2000},{\dy*-2.7928}) + -- ({\dx*-2.1800},{\dy*-3.0032}) + -- ({\dx*-2.1600},{\dy*-3.2809}) + -- ({\dx*-2.1400},{\dy*-3.6556}) + -- ({\dx*-2.1200},{\dy*-4.1772}) + -- ({\dx*-2.1000},{\dy*-4.9351}) + -- ({\dx*-2.0800},{\dy*-6.1082}) + -- ({\dx*-2.0600},{\dy*-8.1132}) + -- ({\dx*-2.0400},{\dy*-12.2003}) + -- ({\dx*-2.0200},{\dy*-24.6199}) + -- ({\dx*-2.0190},{\dy*-25.9316})} +\def\gammasinfour{({\dx*-3.9950},{\dy*8.4124}) + -- ({\dx*-3.9800},{\dy*2.2112}) + -- ({\dx*-3.9600},{\dy*1.2344}) + -- ({\dx*-3.9400},{\dy*0.9517}) + -- ({\dx*-3.9200},{\dy*0.8420}) + -- ({\dx*-3.9000},{\dy*0.8009}) + -- ({\dx*-3.8800},{\dy*0.7935}) + -- ({\dx*-3.8600},{\dy*0.8045}) + -- ({\dx*-3.8400},{\dy*0.8265}) + -- ({\dx*-3.8200},{\dy*0.8550}) + -- ({\dx*-3.8000},{\dy*0.8874}) + -- ({\dx*-3.7800},{\dy*0.9219}) + -- ({\dx*-3.7600},{\dy*0.9573}) + -- ({\dx*-3.7400},{\dy*0.9926}) + -- ({\dx*-3.7200},{\dy*1.0272}) + -- ({\dx*-3.7000},{\dy*1.0607}) + -- ({\dx*-3.6800},{\dy*1.0925}) + -- ({\dx*-3.6600},{\dy*1.1223}) + -- ({\dx*-3.6400},{\dy*1.1500}) + -- ({\dx*-3.6200},{\dy*1.1752}) + -- ({\dx*-3.6000},{\dy*1.1979}) + -- ({\dx*-3.5800},{\dy*1.2179}) + -- ({\dx*-3.5600},{\dy*1.2351}) + -- ({\dx*-3.5400},{\dy*1.2496}) + -- ({\dx*-3.5200},{\dy*1.2612}) + -- ({\dx*-3.5000},{\dy*1.2701}) + -- ({\dx*-3.4800},{\dy*1.2763}) + -- ({\dx*-3.4600},{\dy*1.2798}) + -- ({\dx*-3.4400},{\dy*1.2810}) + -- ({\dx*-3.4200},{\dy*1.2800}) + -- ({\dx*-3.4000},{\dy*1.2769}) + -- ({\dx*-3.3800},{\dy*1.2723}) + -- ({\dx*-3.3600},{\dy*1.2665}) + -- ({\dx*-3.3400},{\dy*1.2600}) + -- ({\dx*-3.3200},{\dy*1.2534}) + -- ({\dx*-3.3000},{\dy*1.2475}) + -- ({\dx*-3.2800},{\dy*1.2434}) + -- ({\dx*-3.2600},{\dy*1.2423}) + -- ({\dx*-3.2400},{\dy*1.2458}) + -- ({\dx*-3.2200},{\dy*1.2563}) + -- ({\dx*-3.2000},{\dy*1.2768}) + -- ({\dx*-3.1800},{\dy*1.3117}) + -- 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differnew file mode 100644 index 0000000..7c195f2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/gammaplot.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/gammaplot.tex b/buch/papers/laguerre/images/gammaplot.tex new file mode 100644 index 0000000..5a68f0a --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/gammaplot.tex @@ -0,0 +1,73 @@ +% +% gammaplot.tex -- template for standalon tikz images +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\input{gammapaths.tex} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\definecolor{mainColor}{HTML}{D72864} % OST pink + +\draw[->] (-6.1,0) -- (5.3,0) coordinate[label={$z$}]; +\draw[->] (0,-5.1) -- (0,6.4) coordinate[label={right:$\Gamma(z)$}]; + +\foreach \x in {-1,-2,-3,-4,-5,-6}{ + \draw (\x,-0.1) -- (\x,0.1); + \draw[line width=0.1pt] (\x,-5) -- (\x,6.2); +} +\foreach \x in {1,2,3,4,5}{ + \draw (\x,-0.1) -- (\x,0.1); + \node at (\x,0) [below] {$\x$}; +} +\foreach \y in {-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,5,6}{ + \draw (-0.1,\y) -- (0.1,\y); +} +\foreach \y in {1,2,3,4,5,6}{ + \node at (0,\y) [left] {$\y$}; +} +\foreach \y in {-1,-2,-3,-4,-5}{ + \node at (0,\y) [right] {$\y$}; +} +\foreach \x in {-1,-3,-5}{ + \node at (\x,0) [below left] {$\x$}; +} +\foreach \x in {-2,-4,-6}{ + \node at (\x,0) [above left] {$\x$}; +} + +\def\dx{1} +\def\dy{1} + +\begin{scope} +\clip (-6.1,-5) rectangle (4.3,6.2); + +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinplus; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinone; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasintwo; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinthree; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinfour; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinfive; +% \draw[color=darkgreen,line width=1.4pt] \gammasinsix; + +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammaplus; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammaone; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammatwo; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammathree; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammafour; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammafive; +\draw[color=mainColor,line width=1.4pt] \gammasix; + +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/laguerre/images/integrand.pdf b/buch/papers/laguerre/images/integrand.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..76be412 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/integrand.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/integrand_exp.pdf b/buch/papers/laguerre/images/integrand_exp.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5fe7a7b --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/images/integrand_exp.pdf diff --git a/buch/papers/laguerre/images/laguerre_poly.pdf 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-- 1886), +sind Lösungen der ebenfalls nach %Laguerre +ihm +benannten Differentialgleichung. +Laguerre entdeckte diese Polynome, als er Approximations\-methoden +für das Integral +% $\int_0^\infty \exp(-x) / x \, dx $ +\begin{align*} +\int_0^\infty \frac{e^{-x}}{x} \, dx +\end{align*} +suchte. +Darum möchten wir uns in diesem Kapitel, +ganz im Sinne des Entdeckers, +den Laguerre-Polynomen für Approximationen von Integralen mit +exponentiell abfallenden Funktionen widmen. +Namentlich werden wir versuchen, mittels Laguerre-Polynomen und +der Gauss-Quadratur eine geeignete Approximation für die Gamma-Funktion zu +finden. + +Laguerre-Polynome tauchen zudem auch in der Quantenmechanik im radialen Anteil +der Lösung für die Schrödinger-Gleichung eines Wasserstoffatoms auf. \input{papers/laguerre/definition} \input{papers/laguerre/eigenschaften} \input{papers/laguerre/quadratur} -\input{papers/laguerre/transformation} -\input{papers/laguerre/wasserstoff} +\input{papers/laguerre/gamma} +% \input{papers/laguerre/transformation} +% \input{papers/laguerre/wasserstoff} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/laguerre/packages.tex b/buch/papers/laguerre/packages.tex index ab55228..a80d091 100644 --- a/buch/papers/laguerre/packages.tex +++ b/buch/papers/laguerre/packages.tex @@ -6,5 +6,4 @@ % if your paper needs special packages, add package commands as in the % following example -\usepackage{derivative} - +\DeclareMathOperator{\real}{Re}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.tex new file mode 100644 index 0000000..3db69f5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/presentation.tex @@ -0,0 +1,134 @@ +\documentclass[ngerman, aspectratio=169, xcolor={rgb}]{beamer} + +% style +\mode<presentation>{ + \usetheme{Frankfurt} +} +%packages +\usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +\usepackage[ngerman]{babel} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{array} + +\newcolumntype{L}[1]{>{\raggedright\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}} +\usepackage{ragged2e} + +\usepackage{bm} % bold math +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{mathtools} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{multirow} % multi row in tables +\usepackage{booktabs} %toprule midrule bottomrue in tables +\usepackage{scrextend} +\usepackage{textgreek} +\usepackage[rgb]{xcolor} + +\usepackage{ marvosym } % \Lightning + +\usepackage{multimedia} % embedded videos + +\usepackage{tikz} +\usepackage{pgf} +\usepackage{pgfplots} + +\usepackage{algorithmic} + +%citations +\usepackage[style=verbose,backend=biber]{biblatex} +\addbibresource{references.bib} + + +%math font +\usefonttheme[onlymath]{serif} + +%Beamer Template modifications +%\definecolor{mainColor}{HTML}{0065A3} % HSR blue +\definecolor{mainColor}{HTML}{D72864} % OST pink +\definecolor{invColor}{HTML}{28d79b} % OST pink +\definecolor{dgreen}{HTML}{38ad36} % Dark green + +%\definecolor{mainColor}{HTML}{000000} % HSR blue +\setbeamercolor{palette primary}{bg=white,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette secondary}{bg=orange,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette tertiary}{bg=yellow,fg=red} +\setbeamercolor{palette quaternary}{bg=mainColor,fg=white} %bg = Top bar, fg = active top bar topic +\setbeamercolor{structure}{fg=black} % itemize, enumerate, etc (bullet points) +\setbeamercolor{section in toc}{fg=black} % TOC sections +\setbeamertemplate{section in toc}[sections numbered] +\setbeamertemplate{subsection in toc}{% + \hspace{1.2em}{$\bullet$}~\inserttocsubsection\par} + +\setbeamertemplate{itemize items}[circle] +\setbeamertemplate{description item}[circle] +\setbeamertemplate{title page}[default][colsep=-4bp,rounded=true] +\beamertemplatenavigationsymbolsempty + +\setbeamercolor{footline}{fg=gray} +\setbeamertemplate{footline}{% + \hfill\usebeamertemplate***{navigation symbols} + \hspace{0.5cm} + \insertframenumber{}\hspace{0.2cm}\vspace{0.2cm} +} + +\usepackage{caption} +\captionsetup{labelformat=empty} + +%Title Page +\title{Laguerre-Polynome} +\subtitle{Anwendung: Approximation der Gamma-Funktion} +\author{Patrik Müller} +% \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}{Inhaltsverzeichnis} + \tableofcontents +\end{frame} + +\input{sections/laguerre} + +\input{sections/gaussquad} + +\input{sections/gamma} + +\input{sections/gamma_approx} + +\appendix +\begin{frame} + % \centering + % \Large + % \textbf{Vielen Dank für die Aufmerksamkeit} +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma.tex new file mode 100644 index 0000000..7dca39b --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma.tex @@ -0,0 +1,51 @@ +\section{Gamma-Funktion} + +\begin{frame}{Gamma-Funktion} +\begin{columns} + +\begin{column}{0.55\textwidth} +\begin{figure}[h] +\vspace{-16pt} +\centering +% \scalebox{0.51}{\input{../images/gammaplot.pdf}} +\includegraphics[width=1\textwidth]{../images/gammaplot.pdf} +% \caption{Gamma-Funktion} +\end{figure} +\end{column} + +\begin{column}{0.45\textwidth} +Verallgemeinerung der Fakultät +\begin{align*} +\Gamma(n) = (n-1)! +\end{align*} + +Integralformel +\begin{align*} +\Gamma(z) += +\int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +,\quad +\operatorname{Re} z > 0 +\end{align*} + +Funktionalgleichung +\begin{align*} +z \Gamma(z) += +\Gamma(z + 1) +\end{align*} + +Reflektionsformel +\begin{align*} +\Gamma(z) \Gamma(1 - z) += +\frac{\pi}{\sin \pi z} +, \quad +\text{für } +z \notin \mathbb{Z} +\end{align*} + +\end{column} +\end{columns} + +\end{frame}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex new file mode 100644 index 0000000..b5e1131 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gamma_approx.tex @@ -0,0 +1,201 @@ +\section{Approximieren der Gamma-Funktion} + +\begin{frame}{Anwenden der Gauss-Laguerre-Quadratur auf $\Gamma(z)$} + +\begin{align*} +\Gamma(z) + & = +\int_0^\infty x^{z-1} e^{-x} \, dx +\uncover<2->{ +\approx +\sum_{i=1}^{n} f(x_i) A_i +} +\uncover<3->{ += +\sum_{i=1}^{n} x^{z-1} A_i +} +\\\\ +\uncover<4->{ + & \text{wobei } +A_i = \frac{x_i}{(n+1)^2 \left[ L_{n+1}(x_i) \right]^2} +\text{ und $x_i$ die Nullstellen von $L_n(x)$} +} +\end{align*} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Fehlerabschätzung} +\begin{align*} +R_n(\xi) + & = +\frac{(n!)^2}{(2n)!} f^{(2n)}(\xi) +\\ + & = +(z - 2n)_{2n} \frac{(n!)^2}{(2n)!} \xi^{z - 2n - 1} +,\quad +0 < \xi < \infty +\end{align*} + +% \textbf{Probleme:} +\begin{itemize} +\item Funktion ist unbeschränkt +\item Maximum von $R_n$ gibt oberes Limit des Fehlers an +\uncover<2->{\item[$\Rightarrow$] Schwierig ein Maximum von $R_n(\xi)$ zu finden} +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Einfacher Ansatz} + +\begin{figure}[h] +\centering +% \scalebox{0.91}{\input{../images/rel_error_simple.pgf}} +% \resizebox{!}{0.72\textheight}{\input{../images/rel_error_simple.pgf}} +\includegraphics[width=0.77\textwidth]{../images/rel_error_simple.pdf} +\caption{Relativer Fehler des einfachen Ansatzes für verschiedene reelle Werte +von $z$ und Grade $n$ der Laguerre-Polynome} +\end{figure} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Wieso sind die Resultate so schlecht?} + +\textbf{Beobachtungen} +\begin{itemize} +\item Wenn $z \in \mathbb{Z}$ relativer Fehler $\rightarrow 0$ +\item Gewisse Periodizität zu erkennen +\item Für grosse und kleine $z$ ergibt sich ein schlechter relativer Fehler +\item Es gibt Intervalle $[a,a+1]$ mit minimalem relativem Fehler +\item $a$ ist abhängig von $n$ +\end{itemize} + +\uncover<2->{ +\textbf{Ursache?} +\begin{itemize} +\item Vermutung: Integrand ist problematisch +} +\uncover<3->{ +\item[$\Rightarrow$] Analysieren von $f(x)$ und dem Integranden +} +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{$f(x) = x^z$} +\begin{figure}[h] +\centering +% \scalebox{0.91}{\input{../images/integrand.pgf}} +\includegraphics[width=0.8\textwidth]{../images/integrand.pdf} +% \caption{Integrand $x^z$ mit unterschiedlichen Werten für $z$} +\end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Integrand $x^z e^{-x}$} +\begin{figure}[h] +\centering +% \scalebox{0.91}{\input{../images/integrand_exp.pgf}} +\includegraphics[width=0.8\textwidth]{../images/integrand_exp.pdf} +% \caption{Integrand $x^z$ mit unterschiedlichen Werten für $z$} +\end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Neuer Ansatz?} + +\textbf{Vermutung} +\begin{itemize} +\item Es gibt Intervalle $[a(n), a(n)+1]$ in denen der relative Fehler minimal +ist +\item $a(n) > 0$ +\end{itemize} + +\uncover<2->{ +\textbf{Idee} +\begin{itemize} +\item[$\Rightarrow$] Berechnen von $\Gamma(z)$ im geeigneten Intervall und dann +mit Funktionalgleichung zurückverschieben +\end{itemize} +} + +\uncover<3->{ +\textbf{Wie finden wir $\boldsymbol{a(n)}$?} +\begin{itemize} +\item Minimieren des Fehlerterms mit zusätzlichem Verschiebungsterm +} +\uncover<4->{$\Rightarrow$ Schwierig das Maximum des Fehlerterms zu bestimmen} +\uncover<5->{\item Empirisch $a(n)$ bestimmen} +\uncover<6->{$\Rightarrow$ Sinnvoll, +da Gauss-Quadratur nur für kleine $n$ praktischen Nutzen hat} +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Verschiebungsterm} +\begin{columns} +\begin{column}{0.625\textwidth} +\begin{figure}[h] +\centering +\includegraphics[width=1\textwidth]{../images/targets.pdf} +\caption{Optimaler Verschiebungsterm $m^*$ in Abhängigkeit von $z$ und $n$} +\end{figure} +\end{column} +\begin{column}{0.375\textwidth} +\begin{align*} +\Gamma(z) +\approx +\frac{1}{(z-m)_{m}} \sum_{i=1}^{n} x_i^{z + m - 1} A_i +\end{align*} +\end{column} +\end{columns} +\end{frame} + +\begin{frame}{Schätzen von $m^*$} +\begin{columns} +\begin{column}{0.65\textwidth} +\begin{figure} +\centering +\vspace{-12pt} +% \scalebox{0.7}{\input{../images/estimates.pgf}} +\includegraphics[width=1.0\textwidth]{../images/estimates.pdf} +% \caption{Integrand $x^z$ mit unterschiedlichen Werten für $z$} +\end{figure} +\end{column} +\begin{column}{0.34\textwidth} +\begin{align*} +\hat{m} +&= +\alpha n + \beta +\\ +&\approx +1.34154 n + 0.848786 +\\ +m^* +&= +\lceil \hat{m} - \operatorname{Re}z \rceil +\end{align*} +\end{column} +\end{columns} + +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{figure}[h] +\centering +% \scalebox{0.6}{\input{../images/rel_error_shifted.pgf}} +\includegraphics{../images/rel_error_shifted.pdf} +\caption{Relativer Fehler mit $n=8$, unterschiedlichen Verschiebungstermen $m$ und $z\in(0, 1)$} +\end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{} +\begin{figure}[h] +\centering +% \scalebox{0.6}{\input{../images/rel_error_range.pgf}} +\includegraphics{../images/rel_error_range.pdf} +\caption{Relativer Fehler mit $n=8$, Verschiebungsterm $m^*$ und $z\in(-5, 5)$} +\end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Vergleich mit Lanczos-Methode} +Maximaler relativer Fehler für $n=6$ +\begin{itemize} + \item Lanczos-Methode $< 10^{-12}$ + \item Unsere Methode $\approx 10^{-6}$ +\end{itemize} +\end{frame}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gaussquad.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gaussquad.tex new file mode 100644 index 0000000..4d973b8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/gaussquad.tex @@ -0,0 +1,67 @@ +\section{Gauss-Quadratur} + +\begin{frame}{Gauss-Quadratur} +\textbf{Idee} +\begin{itemize}[<+->] +\item Polynome können viele Funktionen approximieren +\item Wenn Verfahren gut für Polynome funktioniert, +sollte es auch für andere Funktionen funktionieren +\item Integrieren eines Interpolationspolynom +\item Interpolationspolynom ist durch Funktionswerte $f(x_i)$ bestimmt +$\Rightarrow$ Integral kann durch Funktionswerte berechnet werden +\item Evaluation der Funktionswerte an geeigneten Stellen +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Gauss-Quadratur} +\begin{align*} +\int_{-1}^{1} f(x) \, dx +\approx +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i +\end{align*} + +\begin{itemize}[<+->] +\item Exakt für Polynome mit Grad $2n-1$ +\item Interpolationspolynome müssen orthogonal sein +\item Stützstellen $x_i$ sind Nullstellen des Polynoms +\item Fehler: +\begin{align*} +E += +\frac{f^{(2n)}(\xi)}{(2n)!} \int_{-1}^{1} l(x)^2 \, dx +,\quad +\text{wobei } +l(x) = \prod_{i=1}^n (x-x_i) +\end{align*} +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Gauss-Laguerre-Quadratur} +\begin{itemize}[<+->] +\item Erweiterung des Integrationsintervall von $[-1, 1]$ auf $(a, b)$ +\item Hinzufügen einer Gewichtsfunktion +\item Bei uneigentlichen Integralen muss Gewichtsfunktion schneller als jedes +Integrationspolynom gegen $0$ gehen +\item[$\Rightarrow$] Für Laguerre-Polynome haben wir den Definitionsbereich +$(0, \infty)$ und die Gewichtsfunktion $w(x) = e^{-x}$ +\begin{align*} +\int_0^\infty & f(x) e^{-x} \, dx +\approx +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i +\\ + & \text{wobei } +A_i = \frac{x_i}{(n+1)^2 \left[ L_{n+1}(x_i) \right]^2} +\text{ und $x_i$ die Nullstellen von $L_n(x)$} +\end{align*} +\end{itemize} +\end{frame} + +\begin{frame}{Fehler der Gauss-Laguerre-Quadratur} +\begin{align*} +R_n += +\frac{(n!)^2}{(2n)!} f^{(2n)}(\xi) +,\quad +0 < \xi < \infty +\end{align*} +\end{frame}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/presentation/sections/laguerre.tex b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/laguerre.tex new file mode 100644 index 0000000..f99214e --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/presentation/sections/laguerre.tex @@ -0,0 +1,91 @@ +\section{Laguerre-Polynome} + +\begin{frame}{Laguerre-Differentialgleichung} + +\begin{itemize} +\item Benannt nach Edmond Nicolas Laguerre (1834-1886) +\item Aus Artikel von 1879, +in dem er $\int_0^\infty \exp(-x)/x \, dx$ analysierte +\end{itemize} + +\begin{align*} +x y''(x) + (1 - x) y'(x) + n y(x) + & = +0 +, \quad +n \in \mathbb{N}_0 +, \quad +x \in \mathbb{R} +\end{align*} + +\end{frame} + +\begin{frame}{Lösen der Differentialgleichung} + +\begin{align*} +x y''(x) + (1 - x) y'(x) + n y(x) + & = +0 +\\ +\end{align*} + +\uncover<2->{ +\centering +\begin{tikzpicture}[remember picture,overlay] +%% use here too +\path[draw=mainColor, very thick,->](0, 1.1) to +node[anchor=west]{Potenzreihenansatz} (0, -0.8); +\end{tikzpicture} +} + +\begin{align*} +\uncover<3->{ +L_n(x) + & = +\sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{n}{k} x^k +} +\end{align*} +\uncover<4->{ +\begin{itemize} + \item Die Lösungen der DGL sind die Laguerre-Polynome +\end{itemize} +} +\end{frame} + +\begin{frame} +\begin{figure}[h] +\centering +% \resizebox{0.74\textwidth}{!}{\input{../images/laguerre_poly.pgf}} +\includegraphics[width=0.7\textwidth]{../images/laguerre_poly.pdf} +\caption{Laguerre-Polynome vom Grad $0$ bis $7$} +\end{figure} +\end{frame} + +\begin{frame}{Orthogonalität} +\begin{itemize}[<+->] +\item Beweis: Umformen in Sturm-Liouville-Problem (siehe Paper) +\begin{alignat*}{5} +((p(x) &y'(x)))' + q(x) &y(x) +&= +\lambda &w(x) &y(x) +\\ +((x e^{-x} &y'(x)))' + 0 &y(x) +&= +n &e^{-x} &y(x) +\end{alignat*} +\item Definitionsbereich $(0, \infty)$ +\item Gewichtsfunktion $w(x) = e^{-x}$ +\end{itemize} + +\uncover<4->{ +\begin{align*} +\int_0^\infty e^{-x} L_n(x) L_m(x) \, dx += +0 +,\quad +n \neq m +,\quad +n, m \in \mathbb{N} +\end{align*} +} +\end{frame}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/quadratur.tex b/buch/papers/laguerre/quadratur.tex index 8ab1af5..0e32012 100644 --- a/buch/papers/laguerre/quadratur.tex +++ b/buch/papers/laguerre/quadratur.tex @@ -3,27 +3,214 @@ % % (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule % -\section{Gauss-Laguerre Quadratur -\label{laguerre:section:quadratur}} - +\section{Gauss-Quadratur% + \label{laguerre:section:quadratur}} +\rhead{Gauss-Quadratur}% +Die Gauss-Quadratur ist ein numerisches Integrationsverfahren, +welches die Eigenschaften von orthogonalen Polynomen verwendet. +Herleitungen und Analysen der Gauss-Quadratur können im +Abschnitt~\ref{buch:orthogonal:section:gauss-quadratur} gefunden werden. +Als grundlegende Idee wird die Beobachtung, +dass viele Funktionen sich gut mit Polynomen approximieren lassen, +verwendet. +Stellt man also sicher, +dass ein Verfahren gut für Polynome funktioniert, +sollte es auch für andere Funktionen angemessene Resultate liefern. +Es wird ein Interpolationspolynom verwendet, +welches an den Punkten $x_0 < x_1 < \ldots < x_n$ +die Funktionwerte~$f(x_i)$ annimmt. +Als Resultat kann das Integral via einer gewichteten Summe der Form \begin{align} - \int_a^b f(x) w(x) - \approx - \sum_{i=1}^N f(x_i) A_i - \label{laguerre:gaussquadratur} +\int_a^b f(x) w(x) \, dx +\approx +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i +\label{laguerre:gaussquadratur} \end{align} +berechnet werden. +Die Gauss-Quadratur ist exakt für Polynome mit Grad $2n -1$, +wenn ein Interpolationspolynom von Grad $n$ gewählt wurde. +\subsection{Gauss-Laguerre-Quadratur% +\label{laguerre:subsection:gausslag-quadratur}} +Wir möchten nun die Gauss-Quadratur auf die Berechnung +von uneigentlichen Integralen erweitern, +spezifisch auf das Intervall~$(0, \infty)$. +Mit dem vorher beschriebenen Verfahren ist dies nicht direkt möglich. +% Mit einer Transformation +% \begin{align*} +% x +% = +% % a + +% \frac{1 - t}{t} +% \end{align*} +% die das unendliche Intervall~$(0, \infty)$ +% auf das Intervall~$[0, 1]$ transformiert, +% kann dies behoben werden. +% % Für unseren Fall gilt $a = 0$. +Das Integral eines Polynomes in diesem Intervall ist immer divergent. +Es ist also nötig, +den Integranden durch Funktionen zu approximieren, +die genügend schnell gegen $0$ gehen. +Man kann Polynome beliebigen Grades verwenden, +wenn sie mit einer Funktion multipliziert werden, +die schneller gegen $0$ geht als jedes Polynom. +Damit stellen wir sicher, +dass das Integral immer noch konvergiert. +% Darum müssen wir das Polynom mit einer Funktion multiplizieren, +% die schneller als jedes Polynom gegen $0$ geht, +% damit das Integral immer noch konvergiert. +Die Laguerre-Polynome $L_n$ schaffen hier Abhilfe, +da ihre Gewichtsfunktion $w(x) = e^{-x}$ schneller +gegen $0$ konvergiert als jedes Polynom. +% In unserem Falle möchten wir die Gauss Quadratur auf die Laguerre-Polynome +% $L_n$ ausweiten. +% Diese sind orthogonal im Intervall $(0, \infty)$ bezüglich +% der Gewichtsfunktion $e^{-x}$. +Um also das Integral einer Funktion $g(x)$ im Intervall~$(0,\infty)$ zu +berechen, +formt man das Integral wie folgt um: +\begin{align*} +\int_0^\infty g(x) \, dx += +\int_0^\infty f(x) e^{-x} \, dx +\end{align*} +Wir approximieren dann $f(x)$ durch ein Interpolationspolynom +wie bei der Gauss-Quadratur. +% Die Gleichung~\eqref{laguerre:gaussquadratur} lässt sich daher wie folgt +% umformulieren: +Die Gleichung~\eqref{laguerre:gaussquadratur} wird also +für die Gauss-Laguerre-Quadratur zu \begin{align} - \int_{0}^{\infty} f(x) e^{-x} dx - \approx - \sum_{i=1}^{N} f(x_i) A_i - \label{laguerre:laguerrequadratur} +\int_{0}^{\infty} f(x) e^{-x} dx +\approx +\sum_{i=1}^{n} f(x_i) A_i +\label{laguerre:laguerrequadratur} +. \end{align} +\subsubsection{Stützstellen und Gewichte} +Nach der Definition der Gauss-Quadratur müssen als Stützstellen die Nullstellen +des Approximationspolynoms genommen werden. +Für das Laguerre-Polynom $L_n(x)$ müssen demnach dessen Nullstellen $x_i$ und +als Gewichte $A_i$ die Integrale von $l_i(x) e^{-x}$ verwendet werden. +Dabei sind +\begin{align*} +l_i(x_j) += +\delta_{ij} += +\begin{cases} +1 & i=j \\ +0 & \text{sonst} +\end{cases} +% . +\end{align*} +die Lagrangeschen Interpolationspolynome. +Laut \cite{laguerre:hildebrand2013introduction} können die Gewichte mit +\begin{align*} +A_i + & = +-\frac{C_{n+1} \gamma_n}{C_n \phi'_n(x_i) \phi_{n+1} (x_i)} +\end{align*} +berechnet werden. +$C_i$ entspricht dabei dem Koeffizienten von $x^i$ +des orthogonalen Polynoms $\phi_n(x)$, $\forall i =0,\ldots,n$ und +\begin{align*} +\gamma_n += +\int_0^\infty w(x) \phi_n^2(x)\,dx +\end{align*} +dem Normalisierungsfaktor. + +Wir setzen nun $\phi_n(x) = L_n(x)$ und +nutzen den Vorzeichenwechsel der Laguerre-Koeffizienten +(ersichtlich am Term $(-1)^k$ in \eqref{laguerre:polynom}) +aus, +damit erhalten wir +\begin{align*} +A_i + & = +-\frac{C_{n+1} \gamma_n}{C_n L'_n(x_i) L_{n+1} (x_i)} +\\ + & = \frac{C_n}{C_{n-1}} \frac{\gamma_{n-1}}{L_{n-1}(x_i) L'_n(x_i)} +. +\end{align*} +Für Laguerre-Polynome gilt +\begin{align*} +\frac{C_n}{C_{n-1}} += +-\frac{1}{n} +\quad \text{und} \quad +\gamma_n += +1 +. +\end{align*} +Daraus folgt +\begin{align} +A_i + & = +- \frac{1}{n L_{n-1}(x_i) L'_n(x_i)} +\label{laguerre:gewichte_lag_temp} +. +\end{align} +Nun kann die Rekursionseigenschaft der Laguerre-Polynome +\cite{laguerre:hildebrand2013introduction} +% (siehe \cite{laguerre:hildebrand2013introduction}) +\begin{align*} +x L'_n(x) + & = +n L_n(x) - n L_{n-1}(x) +\\ + & = (x - n - 1) L_n(x) + (n + 1) L_{n+1}(x) +\end{align*} +umgeformt werden und da $x_i$ die Nullstellen von $L_n(x)$ sind, +vereinfacht sich die Gleichung zu +\begin{align*} +x_i L'_n(x_i) + & = +- n L_{n-1}(x_i) +\\ + & = +(n + 1) L_{n+1}(x_i) +. +\end{align*} +Setzen wir diese Beziehung nun in \eqref{laguerre:gewichte_lag_temp} ein, +ergibt sich \begin{align} - A_i - = - \frac{x_i}{(n + 1)^2 \left[ L_{n + 1}(x_i)\right]^2} - \label{laguerre:quadratur_gewichte} +\nonumber +A_i + & = +\frac{1}{x_i \left[ L'_n(x_i) \right]^2} +\\ + & = +\frac{x_i}{(n+1)^2 \left[ L_{n+1}(x_i) \right]^2} +. +\label{laguerre:quadratur_gewichte} \end{align} +\subsubsection{Fehlerterm} +Die Gauss-Laguerre-Quadratur mit $n$ Stützstellen berechnet Integrale +von Polynomen bis zum Grad $2n - 1$ exakt. +Für beliebige Funktionen kann eine Fehlerabschätzung angegeben werden. +Der Fehlerterm $R_n$ folgt direkt aus der Approximation +\begin{align*} +\int_0^{\infty} f(x) e^{-x} \, dx += +\sum_{i=1}^n f(x_i) A_i + R_n +\end{align*} +und \cite{laguerre:abramowitz+stegun} gibt ihn als +\begin{align} +R_n + & = +\frac{f^{(2n)}(\xi)}{(2n)!} \int_0^\infty l(x)^2 e^{-x}\,dx +\\ + & = +\frac{(n!)^2}{(2n)!} f^{(2n)}(\xi) +,\quad +0 < \xi < \infty +\label{laguerre:lag_error} +\end{align} +an. +Der Fehler ist also abhängig von der $2n$-ten Ableitung +der zu integrierenden Funktion. diff --git a/buch/papers/laguerre/references.bib b/buch/papers/laguerre/references.bib index caf270f..1a4a903 100644 --- a/buch/papers/laguerre/references.bib +++ b/buch/papers/laguerre/references.bib @@ -3,33 +3,46 @@ % % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % - -@online{laguerre:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} +@book{laguerre:hildebrand2013introduction, + title={Introduction to Numerical Analysis: Second Edition}, + author={Hildebrand, F.B.}, + isbn={9780486318554}, + series={Dover Books on Mathematics}, + year={2013}, + publisher={Dover Publications}, + pages = {389-392} } -@book{laguerre: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} +@book{laguerre:abramowitz+stegun, + added-at = {2008-06-25T06:25:58.000+0200}, + address = {New York}, + author = {Abramowitz, Milton and Stegun, Irene A.}, + edition = {ninth Dover printing, tenth GPO printing}, + interhash = {d4914a420f489f7c5129ed01ec3cf80c}, + intrahash = {23ec744709b3a776a1af0a3fd65cd09f}, + keywords = {Handbook}, + publisher = {Dover}, + pages = {890}, + timestamp = {2008-06-25T06:25:58.000+0200}, + title = {Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables}, + year = 1972 } -@article{laguerre: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} +@article{laguerre:Cassity1965AbcissasCA, + title={Abcissas, coefficients, and error term for the generalized Gauss-Laguerre quadrature formula using the zero ordinate}, + author={C. Ronald Cassity}, + journal={Mathematics of Computation}, + year={1965}, + volume={19}, + pages={287-296} } +@online{laguerre:lanczos, + title = {Lanczos Approximation}, + author={Eric W. Weisstein}, + url = {https://mathworld.wolfram.com/LanczosApproximation.html}, + date = {2022-07-18}, + year = {2022}, + month = {7}, + day = {18} +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py b/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py new file mode 100644 index 0000000..1acd7f7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/estimates.py @@ -0,0 +1,49 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + + import gamma_approx as ga + import targets + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + N = 200 + ns = np.arange(1, 13) + step = 1 / (N - 1) + x = np.linspace(step, 1 - step, N + 1) + + bests = targets.find_best_loc(N, ns=ns) + mean_m = np.mean(bests, -1) + + intercept, bias = np.polyfit(ns, mean_m, 1) + fig, axs = plt.subplots( + 2, num=1, sharex=True, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(4.5, 3.6) + ) + xl = np.array([ns[0] - 0.5, ns[-1] + 0.5]) + axs[0].plot(xl, intercept * xl + bias, label=r"$\hat{m}$") + axs[0].plot(ns, mean_m, "x", label=r"$\overline{m}$") + axs[1].plot( + ns, ((intercept * ns + bias) - mean_m), "-x", label=r"$\hat{m} - \overline{m}$" + ) + axs[0].set_xlim(*xl) + axs[0].set_xticks(ns) + axs[0].set_yticks(np.arange(np.floor(mean_m[0]), np.ceil(mean_m[-1]) + 0.1, 2)) + # axs[0].set_title("Schätzung von Mittelwert") + # axs[1].set_title("Fehler") + axs[-1].set_xlabel(r"$n$") + for ax in axs: + ax.grid(1) + ax.legend() + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/estimates.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/estimates.pdf") + + print(f"Intercept={intercept:.6g}, Bias={bias:.6g}") + predicts = np.ceil(intercept * ns[:, None] + bias - np.real(x)) + print(f"Error: {np.mean(np.abs(bests - predicts))}") diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/gamma_approx.py b/buch/papers/laguerre/scripts/gamma_approx.py new file mode 100644 index 0000000..5b09e59 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/gamma_approx.py @@ -0,0 +1,116 @@ +from pathlib import Path + +import numpy as np +import scipy.special + +EPSILON = 1e-7 +root = str(Path(__file__).parent) +img_path = f"{root}/../images" +fontsize = "medium" +cmap = "plasma" + + +def _prep_zeros_and_weights(x, w, n): + if x is None or w is None: + return np.polynomial.laguerre.laggauss(n) + return x, w + + +def drop_imag(z): + if abs(z.imag) <= EPSILON: + z = z.real + return z + + +def pochhammer(z, n): + return np.prod(z + np.arange(n)) + + +def find_optimal_shift(z, n): + mhat = 1.34093 * n + 0.854093 + steps = int(np.floor(mhat - np.real(z))) + return steps + + +def get_shifting_factor(z, steps): + factor = 1.0 + if steps > 0: + factor = 1 / pochhammer(z, steps) + elif steps < 0: + factor = pochhammer(z + steps, -steps) + return factor + + +def laguerre_gamma_shifted(z, x=None, w=None, n=8, target=11): + x, w = _prep_zeros_and_weights(x, w, n) + n = len(x) + + z += 0j + steps = int(np.floor(target - np.real(z))) + z_shifted = z + steps + correction_factor = get_shifting_factor(z, steps) + + res = np.sum(x ** (z_shifted - 1) * w) + res *= correction_factor + res = drop_imag(res) + return res + + +def laguerre_gamma_opt_shifted(z, x=None, w=None, n=8): + if z == 0.0: + return np.infty + x, w = _prep_zeros_and_weights(x, w, n) + n = len(x) + + z += 0j + opt_shift = find_optimal_shift(z, n) + correction_factor = get_shifting_factor(z, opt_shift) + z_shifted = z + opt_shift + + res = np.sum(x ** (z_shifted - 1) * w) + res *= correction_factor + res = drop_imag(res) + return res + + +def laguerre_gamma_simple(z, x=None, w=None, n=8): + if z == 0.0: + return np.infty + x, w = _prep_zeros_and_weights(x, w, n) + z += 0j + res = np.sum(x ** (z - 1) * w) + res = drop_imag(res) + return res + + +def laguerre_gamma_mirror(z, x=None, w=None, n=8): + if z == 0.0: + return np.infty + x, w = _prep_zeros_and_weights(x, w, n) + z += 0j + if z.real < 1e-3: + return np.pi / ( + np.sin(np.pi * z) * laguerre_gamma_simple(1 - z, x, w) + ) # Reflection formula + return laguerre_gamma_simple(z, x, w) + + +def eval_laguerre_gamma(z, x=None, w=None, n=8, func="simple", **kwargs): + x, w = _prep_zeros_and_weights(x, w, n) + if func == "simple": + f = laguerre_gamma_simple + elif func == "mirror": + f = laguerre_gamma_mirror + elif func == "optimal_shifted": + f = laguerre_gamma_opt_shifted + else: + f = laguerre_gamma_shifted + return np.array([f(zi, x, w, n, **kwargs) for zi in z]) + + +def calc_rel_error(x, y): + mask = np.abs(x) != np.infty + rel_error = np.zeros_like(y) + rel_error[mask] = (y[mask] - x[mask]) / x[mask] + rel_error[~mask] = 0.0 + return rel_error diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/integrand.py b/buch/papers/laguerre/scripts/integrand.py new file mode 100644 index 0000000..e970721 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/integrand.py @@ -0,0 +1,42 @@ +#!/usr/bin/env python3 +# -*- coding:utf-8 -*- +"""Plot for integrand of gamma function with shifting terms.""" + +if __name__ == "__main__": + import os + from pathlib import Path + + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + EPSILON = 1e-12 + xlims = np.array([-3, 3]) + + root = str(Path(__file__).parent) + img_path = f"{root}/../images" + os.makedirs(img_path, exist_ok=True) + + t = np.logspace(*xlims, 1001)[:, None] + + z = np.array([-4.5, -2, -1, -0.5, 0.0, 0.5, 1, 2, 4.5]) + r = t ** z + + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(4, 2.4)) + ax.semilogx(t, r) + ax.set_xlim(*(10.0 ** xlims)) + ax.set_ylim(1e-3, 40) + ax.set_xlabel(r"$x$") + # ax.set_ylabel(r"$x^z$") + ax.grid(1, "both") + labels = [f"$z={zi: 3.1f}$" for zi in np.squeeze(z)] + ax.legend(labels, ncol=2, loc="upper left", fontsize="small") + fig.savefig(f"{img_path}/integrand.pdf") diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/integrand_exp.py b/buch/papers/laguerre/scripts/integrand_exp.py new file mode 100644 index 0000000..e649b26 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/integrand_exp.py @@ -0,0 +1,46 @@ +#!/usr/bin/env python3 +# -*- coding:utf-8 -*- +"""Plot for integrand of gamma function with shifting terms.""" + +if __name__ == "__main__": + import os + from pathlib import Path + + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + EPSILON = 1e-12 + xlims = np.array([-3, 3]) + + root = str(Path(__file__).parent) + img_path = f"{root}/../images" + os.makedirs(img_path, exist_ok=True) + + t = np.logspace(*xlims, 1001)[:, None] + + z = np.array([-1, -0.5, 0.0, 0.5, 1, 2, 3, 4, 4.5]) + e = np.exp(-t) + r = t ** z * e + + fig, ax = plt.subplots(num=2, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(4, 2.4)) + ax.semilogx(t, r) + # ax.plot(t,np.exp(-t)) + ax.set_xlim(10 ** (-2), 20) + ax.set_ylim(1e-3, 10) + ax.set_xlabel(r"$x$") + # ax.set_ylabel(r"$x^z e^{-x}$") + ax.grid(1, "both") + labels = [f"$z={zi: 3.1f}$" for zi in np.squeeze(z)] + ax.legend(labels, ncol=2, loc="upper left", fontsize="small") + # fig.savefig(f"{img_path}/integrand_exp.pgf") + fig.savefig(f"{img_path}/integrand_exp.pdf") + # plt.show() diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py b/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py new file mode 100644 index 0000000..05db5d3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/laguerre_poly.py @@ -0,0 +1,108 @@ +import numpy as np + + +def get_ticks(start, end, step=1): + ticks = np.arange(start, end, step) + return ticks[ticks != 0] + + +if __name__ == "__main__": + import os + from pathlib import Path + + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import scipy.special as ss + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + N = 1000 + step = 5 + t = np.linspace(-1.05, 10.5, N)[:, None] + root = str(Path(__file__).parent) + img_path = f"{root}/../images" + os.makedirs(img_path, exist_ok=True) + + # fig = plt.figure(num=1, clear=True, tight_layout=True, figsize=(5.5, 3.7)) + # ax = fig.add_subplot(axes_class=AxesZero) + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(6, 4)) + for n in np.arange(0, 8): + k = np.arange(0, n + 1)[None] + L = np.sum((-1) ** k * ss.binom(n, k) / ss.factorial(k) * t ** k, -1) + ax.plot(t, L, label=f"$n={n}$") + + ax.set_xticks(get_ticks(int(t[0]), t[-1]), minor=True) + ax.set_xticks(get_ticks(0, t[-1], step)) + ax.set_xlim(t[0], t[-1] + 0.1 * (t[1] - t[0])) + ax.set_xlabel(r"$x$", x=1.0, labelpad=-10, rotation=0, fontsize="large") + + ylim = 13 + ax.set_yticks(get_ticks(-ylim, ylim), minor=True) + ax.set_yticks(get_ticks(-step * (ylim // step), ylim, step)) + ax.set_ylim(-ylim, ylim) + ax.set_ylabel(r"$y$", y=0.95, labelpad=-14, rotation=0, fontsize="large") + + ax.legend(ncol=2, loc=(0.125, 0.01), fontsize="large") + + # set the x-spine + ax.spines[["left", "bottom"]].set_position("zero") + ax.spines[["right", "top"]].set_visible(False) + ax.xaxis.set_ticks_position("bottom") + hlx = 0.4 + dx = t[-1, 0] - t[0, 0] + dy = 2 * ylim + hly = dy / dx * hlx + dps = fig.dpi_scale_trans.inverted() + bbox = ax.get_window_extent().transformed(dps) + width, height = bbox.width, bbox.height + + # manual arrowhead width and length + hw = 1.0 / 60.0 * dy + hl = 1.0 / 30.0 * dx + lw = 0.5 # axis line width + ohg = 0.0 # arrow overhang + + # compute matching arrowhead length and width + yhw = hw / dy * dx * height / width + yhl = hl / dx * dy * width / height + + # draw x and y axis + ax.arrow( + t[-1, 0] - hl, + 0, + hl, + 0.0, + fc="k", + ec="k", + lw=lw, + head_width=hw, + head_length=hl, + overhang=ohg, + length_includes_head=True, + clip_on=False, + ) + + ax.arrow( + 0, + ylim - yhl, + 0.0, + yhl, + fc="k", + ec="k", + lw=lw, + head_width=yhw, + head_length=yhl, + overhang=ohg, + length_includes_head=True, + clip_on=False, + ) + + # fig.savefig(f"{img_path}/laguerre_poly.pgf") + fig.savefig(f"{img_path}/laguerre_poly.pdf") + # plt.show() diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_complex.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_complex.py new file mode 100644 index 0000000..4a714fa --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_complex.py @@ -0,0 +1,43 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + import scipy.special + + import gamma_approx as ga + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + xmax = 4 + vals = np.linspace(-xmax + ga.EPSILON, xmax, 100) + x, y = np.meshgrid(vals, vals) + mesh = x + 1j * y + input = mesh.flatten() + + lanczos = scipy.special.gamma(mesh) + lag = ga.eval_laguerre_gamma(input, n=8, func="optimal_shifted").reshape(mesh.shape) + rel_error = np.abs(ga.calc_rel_error(lanczos, lag)) + + fig, ax = plt.subplots(clear=True, constrained_layout=True, figsize=(3.5, 2.1)) + _c = ax.pcolormesh( + x, y, rel_error, shading="gouraud", cmap=ga.cmap, norm=mpl.colors.LogNorm() + ) + cbr = fig.colorbar(_c, ax=ax) + cbr.minorticks_off() + # ax.set_title("Relative Error") + ax.set_xlabel("Re($z$)") + ax.set_ylabel("Im($z$)") + minor_ticks = np.arange(-xmax, xmax + ga.EPSILON) + ticks = np.arange(-xmax, xmax + ga.EPSILON, 2) + ax.set_xticks(ticks) + ax.set_xticks(minor_ticks, minor=True) + ax.set_yticks(ticks) + ax.set_yticks(minor_ticks, minor=True) + fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_complex.pdf") + # plt.show() diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_mirror.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_mirror.py new file mode 100644 index 0000000..7348d5e --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_mirror.py @@ -0,0 +1,38 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + import scipy.special + + import gamma_approx as ga + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + xmin = -15 + xmax = 15 + ns = np.arange(2, 12, 2) + ylim = np.array([-11, 1]) + x = np.linspace(xmin + ga.EPSILON, xmax - ga.EPSILON, 400) + gamma = scipy.special.gamma(x) + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(5, 2.5)) + for n in ns: + gamma_lag = ga.eval_laguerre_gamma(x, n=n, func="mirror") + rel_err = ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lag) + ax.semilogy(x, np.abs(rel_err), label=f"$n={n}$") + ax.set_xlim(x[0], x[-1]) + ax.set_ylim(*(10.0 ** ylim)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax + ga.EPSILON, 5)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax), minor=True) + ax.set_yticks(10.0 ** np.arange(*ylim, 2)) + ax.set_xlabel(r"$z$") + # ax.set_ylabel("Relativer Fehler") + ax.legend(ncol=1, loc="upper left", fontsize=ga.fontsize) + ax.grid(1, "both") + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_mirror.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_mirror.pdf") diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_range.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_range.py new file mode 100644 index 0000000..ece3b6d --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_range.py @@ -0,0 +1,41 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + import scipy.special + + import gamma_approx as ga + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + N = 1201 + xmax = 6 + xmin = -xmax + ns = np.arange(2, 12, 2) + ylim = np.array([-11, -1.2]) + + x = np.linspace(xmin + ga.EPSILON, xmax - ga.EPSILON, N) + gamma = scipy.special.gamma(x) + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(5, 2)) + for n in ns: + gamma_lag = ga.eval_laguerre_gamma(x, n=n, func="optimal_shifted") + rel_err = ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lag) + ax.semilogy(x, np.abs(rel_err), label=f"$n={n}$") + ax.set_xlim(x[0], x[-1]) + ax.set_ylim(*(10.0 ** ylim)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax + ga.EPSILON, 2)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax + ga.EPSILON), minor=True) + ax.set_yticks(10.0 ** np.arange(*ylim, 2)) + ax.set_yticks(10.0 ** np.arange(*ylim, 1), "", minor=True) + ax.set_xlabel(r"$z$") + # ax.set_ylabel("Relativer Fehler") + ax.legend(ncol=1, loc="upper left", fontsize=ga.fontsize) + ax.grid(1, "both") + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_range.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_range.pdf") + # plt.show() diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_shifted.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_shifted.py new file mode 100644 index 0000000..f53c89b --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_shifted.py @@ -0,0 +1,40 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + import scipy.special + + import gamma_approx as ga + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + n = 8 # order of Laguerre polynomial + N = 200 # number of points in interval + + step = 1 / (N - 1) + x = np.linspace(step, 1 - step, N + 1) + targets = np.arange(10, 14) + gamma = scipy.special.gamma(x) + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(5, 2.1)) + for target in targets: + gamma_lag = ga.eval_laguerre_gamma(x, target=target, n=n, func="shifted") + rel_error = np.abs(ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lag)) + ax.semilogy(x, rel_error, label=f"$m={target}$", linewidth=3) + gamma_lgo = ga.eval_laguerre_gamma(x, n=n, func="optimal_shifted") + rel_error = np.abs(ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lgo)) + ax.semilogy(x, rel_error, "m", linestyle=":", label="$m^*$", linewidth=3) + ax.set_xlim(x[0], x[-1]) + ax.set_ylim(5e-9, 5e-8) + ax.set_xlabel(r"$z$") + ax.set_xticks(np.linspace(0, 1, 6)) + ax.set_xticks(np.linspace(0, 1, 11), minor=True) + ax.grid(1, "both") + ax.legend(ncol=1, fontsize=ga.fontsize) + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_shifted.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_shifted.pdf") + # plt.show() diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py new file mode 100644 index 0000000..e1ea36a --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/rel_error_simple.py @@ -0,0 +1,41 @@ +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + import numpy as np + import scipy.special + + import gamma_approx as ga + + # mpl.rc("text", usetex=True) + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + # mpl.rcParams.update({"font.family": "serif", "font.serif": "TeX Gyre Termes"}) + + # Simple / naive + xmin = -5 + xmax = 25 + ns = np.arange(2, 12, 2) + ylim = np.array([-11, 6]) + x = np.linspace(xmin + ga.EPSILON, xmax - ga.EPSILON, 400) + gamma = scipy.special.gamma(x) + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(5, 2.5)) + for n in ns: + gamma_lag = ga.eval_laguerre_gamma(x, n=n) + rel_err = ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lag) + ax.semilogy(x, np.abs(rel_err), label=f"$n={n}$") + ax.set_xlim(x[0], x[-1]) + ax.set_ylim(*(10.0 ** ylim)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax + ga.EPSILON, 5)) + ax.set_xticks(np.arange(xmin, xmax), minor=True) + ax.set_yticks(10.0 ** np.arange(*ylim, 2)) + ax.set_xlabel(r"$z$") + # ax.set_ylabel("Relativer Fehler") + ax.legend(ncol=3, fontsize=ga.fontsize) + ax.grid(1, "both") + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_simple.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/rel_error_simple.pdf") diff --git a/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py b/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py new file mode 100644 index 0000000..69f94ba --- /dev/null +++ b/buch/papers/laguerre/scripts/targets.py @@ -0,0 +1,58 @@ +import numpy as np +import scipy.special + +import gamma_approx as ga + + +def find_best_loc(N=200, a=1.375, b=0.5, ns=None): + if ns is None: + ns = np.arange(2, 13) + bests = [] + step = 1 / (N - 1) + x = np.linspace(step, 1 - step, N + 1) + gamma = scipy.special.gamma(x) + for n in ns: + zeros, weights = np.polynomial.laguerre.laggauss(n) + est = np.ceil(b + a * n) + targets = np.arange(max(est - 2, 0), est + 3) + rel_error = [] + for target in targets: + gamma_lag = ga.eval_laguerre_gamma(x, target=target, x=zeros, w=weights, func="shifted") + rel_error.append(np.abs(ga.calc_rel_error(gamma, gamma_lag))) + rel_error = np.stack(rel_error, -1) + best = np.argmin(rel_error, -1) + targets[0] + bests.append(best) + return np.stack(bests, 0) + + +if __name__ == "__main__": + import matplotlib as mpl + import matplotlib.pyplot as plt + + mpl.rcParams.update( + { + "mathtext.fontset": "stix", + "font.family": "serif", + "font.serif": "TeX Gyre Termes", + } + ) + + N = 200 + ns = np.arange(1, 13) + + bests = find_best_loc(N, ns=ns) + + fig, ax = plt.subplots(num=1, clear=True, constrained_layout=True, figsize=(3.5, 2.1)) + v = ax.imshow(bests, cmap=ga.cmap, aspect="auto", interpolation="nearest") + plt.colorbar(v, ax=ax, label=r"$m^*$") + ticks = np.arange(0, N + 1, N // 5) + ax.set_xlim(0, 1) + ax.set_xticks(ticks) + ax.set_xticklabels([f"{v:.2f}" for v in ticks / N]) + ax.set_xticks(np.arange(0, N + 1, N // 20), minor=True) + ax.set_yticks(np.arange(len(ns))) + ax.set_yticklabels(ns) + ax.set_xlabel(r"$z$") + ax.set_ylabel(r"$n$") + # fig.savefig(f"{ga.img_path}/targets.pgf") + fig.savefig(f"{ga.img_path}/targets.pdf") diff --git a/buch/papers/laguerre/transformation.tex b/buch/papers/laguerre/transformation.tex deleted file mode 100644 index 4de86b6..0000000 --- a/buch/papers/laguerre/transformation.tex +++ /dev/null @@ -1,31 +0,0 @@ -% -% transformation.tex -% -% (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule -% -\section{Laguerre Transformation -\label{laguerre:section:transformation}} -\begin{align} - L \left\{ f(x) \right\} - = - \tilde{f}_\alpha(n) - = - \int_0^\infty e^{-x} x^\alpha L_n^\alpha(x) f(x) dx - \label{laguerre:transformation} -\end{align} - -\begin{align} - L^{-1} \left\{ \tilde{f}_\alpha(n) \right\} - = - f(x) - = - \sum_{n=0}^{\infty} - \begin{pmatrix} - n + \alpha \\ - n - \end{pmatrix}^{-1} - \frac{1}{\Gamma(\alpha + 1)} - \tilde{f}_\alpha(n) - L_n^\alpha(x) - \label{laguerre:inverse_transformation} -\end{align}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/laguerre/wasserstoff.tex b/buch/papers/laguerre/wasserstoff.tex deleted file mode 100644 index caaa6af..0000000 --- a/buch/papers/laguerre/wasserstoff.tex +++ /dev/null @@ -1,29 +0,0 @@ -% -% wasserstoff.tex -% -% (c) 2022 Patrik Müller, Ostschweizer Fachhochschule -% -\section{Radialer Schwingungsanteil eines Wasserstoffatoms -\label{laguerre:section:radial_h_atom}} - -\begin{align} - \nonumber - - \frac{\hbar^2}{2m} - & - \left( - \frac{1}{r^2} \pdv{}{r} - \left( r^2 \pdv{}{r} \right) - + - \frac{1}{r^2 \sin \vartheta} \pdv{}{\vartheta} - \left( \sin \vartheta \pdv{}{\vartheta} \right) - + - \frac{1}{r^2 \sin^2 \vartheta} \pdv[2]{}{\varphi} - \right) - u(r, \vartheta, \varphi) - \\ - & - - \frac{e^2}{4 \pi \epsilon_0 r} u(r, \vartheta, \varphi) - = - E u(r, \vartheta, \varphi) - \label{laguerre:pdg_h_atom} -\end{align} diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Abstand.py b/buch/papers/lambertw/Bilder/Abstand.py new file mode 100644 index 0000000..d787c34 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Abstand.py @@ -0,0 +1,18 @@ +# -*- coding: utf-8 -*- +""" +Created on Sat Jul 30 23:09:33 2022 + +@author: yanik +""" + +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt + +phi = np.pi/2 +t = np.linspace(0, 10, 10**5) +x0 = 1 + +def D(t): + return np.sqrt(x0**2+2*x0*t*np.cos(phi)+2*t**2-2*t**2*np.sin(phi)) + +plt.plot(t, D(t)) diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf b/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..964b348 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..42cae0d --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.png b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..e78abd3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.png diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py new file mode 100644 index 0000000..f09edfb --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/Strategie.py @@ -0,0 +1,58 @@ +# -*- coding: utf-8 -*- +""" +Created on Fri Jul 29 09:40:11 2022 + +@author: yanik +""" +import pylatex + +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt + + + + +N = np.array([0, 0]) +V = np.array([1, 4]) +Z = np.array([5, 5]) +VZ = Z-V +vzScale = 0.4 + + +a = [N, N, V] +b = [V, Z, vzScale*VZ] + +X = np.array([i[0] for i in a]) +Y = np.array([i[1] for i in a]) +U = np.array([i[0] for i in b]) +W = np.array([i[1] for i in b]) + +xlim = 6 +ylim = 6 +fig, ax = plt.subplots(1,1) +ax.set_xlim([0, xlim]) #<-- set the x axis limits +ax.set_ylim([0, ylim]) #<-- set the y axis limits +#plt.figure(figsize=(xlim, ylim)) +ax.quiver(X, Y, U, W, angles='xy', scale_units='xy', scale=1, headwidth=5, headlength=7, headaxislength=5.5) + +ax.plot([V[0], (VZ+V)[0]], [V[1], (VZ+V)[1]], 'k--') +ax.plot(np.vstack([V, Z])[:, 0], np.vstack([V, Z])[:,1], 'bo', markersize=10) + +ax.tick_params(labelsize=15) +plt.xticks(ticks=range(0, 7)) +plt.yticks(ticks=range(0, 7)) +ax.text(2.5, 4.5, "Visierlinie", size=20, rotation=10) + +plt.rcParams.update({ + "text.usetex": True, + "font.family": "serif", + "font.serif": ["New Century Schoolbook"], +}) + +ax.text(1.6, 4.3, r"$\dot{v}$", size=20) +ax.text(0.65, 3.9, r"$V$", size=20, c='b') +ax.text(5.15, 4.85, r"$Z$", size=20, c='b') +ax.set_xlabel(r"$x$", size=20) +ax.set_ylabel(r"$y$", size=20) + + diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png b/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..dc4720a --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/konvergenz.py b/buch/papers/lambertw/Bilder/konvergenz.py new file mode 100644 index 0000000..dac99a7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/konvergenz.py @@ -0,0 +1,20 @@ +# -*- coding: utf-8 -*- +""" +Created on Sun Jul 31 14:34:13 2022 + +@author: yanik +""" + +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt + +t = 0 +phi = np.linspace(np.pi/2, 3*np.pi/2, 10**5) +x0 = 1 +y0 = -2 + +def D(t): + return (x0+t*np.cos(phi))*np.cos(phi)+(y0+t*(np.sin(phi)-1))*(np.sin(phi)-1)/(np.sqrt((x0+t*np.cos(phi))**2+(y0+t*(np.sin(phi)-1))**2)) + + +plt.plot(phi, D(t))
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/Bilder/lambertAbstandBauchgefühl.py b/buch/papers/lambertw/Bilder/lambertAbstandBauchgefühl.py new file mode 100644 index 0000000..73b322c --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/Bilder/lambertAbstandBauchgefühl.py @@ -0,0 +1,62 @@ +# -*- coding: utf-8 -*- +""" +Created on Sun Jul 31 13:32:53 2022 + +@author: yanik +""" + +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt +import scipy.special as sci + +W = sci.lambertw + + +t = np.linspace(0, 1.2, 1000) +x0 = 1 +y0 = 1 + +r0 = np.sqrt(x0**2+y0**2) +chi = (r0+y0)/(r0-y0) + +x = x0*np.sqrt(1/chi*W(chi*np.exp(chi-4*t/(r0-y0)))) +eta = (x/x0)**2 +y = 1/4*((y0+r0)*eta+(y0-r0)*np.log(eta)-r0+3*y0) + +ymin= (min(y)).real +xmin = (x[np.where(y == ymin)][0]).real + + +#Verfolger +plt.plot(x, y, 'r--') +plt.plot(xmin, ymin, 'bo', markersize=10) + +#Ziel +plt.plot(np.zeros_like(t), t, 'g--') +plt.plot(0, ymin, 'bo', markersize=10) + + +plt.plot([0, xmin], [ymin, ymin], 'k--') +#plt.xlim(-0.1, 1) +#plt.ylim(1, 2) + +plt.grid(True) +plt.tick_params(labelsize=15) +#plt.xticks(ticks=range(0, 7)) +#plt.yticks(ticks=range(0, 7)) +plt.quiver(xmin, ymin, -0.2, 0, scale=1) + +plt.text(xmin+0.1, ymin-0.1, "Verfolgungskurve", size=20, rotation=20, color='r') +plt.text(0.01, 0.02, "Fluchtkurve", size=20, rotation=90, color='g') + +plt.rcParams.update({ + "text.usetex": True, + "font.family": "serif", + "font.serif": ["New Century Schoolbook"], +}) + +plt.text(xmin-0.11, ymin-0.08, r"$\dot{v}$", size=20) +plt.text(xmin-0.02, ymin+0.05, r"$V$", size=20, c='b') +plt.text(0.02, ymin+0.05, r"$Z$", size=20, c='b') +plt.ylabel(r"$y$", size=20) +plt.xlabel(r"$x$", size=20)
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/main.log b/buch/papers/lambertw/main.log new file mode 100644 index 0000000..754563d --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/main.log @@ -0,0 +1,139 @@ +This is pdfTeX, Version 3.141592653-2.6-1.40.23 (MiKTeX 21.8) (preloaded format=pdflatex 2021.9.21) 20 JUL 2022 18:38 +entering extended mode +**./main.tex +(main.tex +LaTeX2e <2021-06-01> patch level 1 +L3 programming layer <2021-08-27> +! Undefined control sequence. +l.6 \chapter + {Verfolgungskurven\label{chapter:lambertw}} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.6 \chapter{V + erfolgungskurven\label{chapter:lambertw}} +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.7 \lhead + {Thema} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no T in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! + +! LaTeX Error: Environment refsection undefined. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.8 \begin{refsection} + +Your command was ignored. +Type I <command> <return> to replace it with another command, +or <return> to continue without it. + +! Undefined control sequence. +l.9 \chapterauthor + {David Hugentobler und Yanik Kuster} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no H in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no Y in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no K in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 6--10 +[][] + [] + + +! LaTeX Error: File `papers/lambertw/teil0.tex' not found. + +Type X to quit or <RETURN> to proceed, +or enter new name. (Default extension: tex) + +Enter file name: +! Emergency stop. +<read *> + +l.30 \input{papers/lambertw/teil0.tex} + +*** (cannot \read from terminal in nonstop modes) + + +Here is how much of TeX's memory you used: + 22 strings out of 478927 + 609 string characters out of 2852535 + 290175 words of memory out of 3000000 + 17980 multiletter control sequences out of 15000+600000 + 403430 words of font info for 27 fonts, out of 8000000 for 9000 + 1141 hyphenation exceptions out of 8191 + 16i,0n,26p,94b,28s stack positions out of 5000i,500n,10000p,200000b,80000s +! ==> Fatal error occurred, no output PDF file produced! diff --git a/buch/papers/lambertw/main.tex b/buch/papers/lambertw/main.tex index c125c33..394963f 100644 --- a/buch/papers/lambertw/main.tex +++ b/buch/papers/lambertw/main.tex @@ -3,34 +3,35 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:lambertw}} -\lhead{Thema} +\chapter{Verfolgungskurven\label{chapter:lambertw}} +\lhead{Verfolgungskurven} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} - -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} - +\chapterauthor{David Hugentobler und Yanik Kuster} +% +%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/lambertw/teil0.tex} +%\input{papers/lambertw/teil2.tex} +%\input{papers/lambertw/teil3.tex} +\input{papers/lambertw/teil4.tex} \input{papers/lambertw/teil1.tex} -\input{papers/lambertw/teil2.tex} -\input{papers/lambertw/teil3.tex} - +% \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/lambertw/packages.tex b/buch/papers/lambertw/packages.tex index 6581a5a..366de78 100644 --- a/buch/papers/lambertw/packages.tex +++ b/buch/papers/lambertw/packages.tex @@ -8,3 +8,5 @@ % following example %\usepackage{packagename} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{float}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/lambertw/teil0.log b/buch/papers/lambertw/teil0.log new file mode 100644 index 0000000..f5b3f0d --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/teil0.log @@ -0,0 +1,3656 @@ +This is pdfTeX, Version 3.141592653-2.6-1.40.23 (MiKTeX 21.8) (preloaded format=pdflatex 2021.9.21) 19 JUL 2022 16:20 +entering extended mode +**./teil0.tex +(teil0.tex +LaTeX2e <2021-06-01> patch level 1 +L3 programming layer <2021-08-27> +! Undefined control sequence. +l.6 \section + {Was sind Verfolgungskurven? +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.6 \section{W + as sind Verfolgungskurven? +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no W in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no ? in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.8 \rhead + {Teil 0} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no T in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no 0 in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 6--9 +[] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.10 V + erfolgungskurven tauchen oft auf bei fragen wie, welchen Pfad begeht e... + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no , in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no P in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no H in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +LaTeX Font Info: Trying to load font information for +cmr on input line 10. +LaTeX Font Info: No file cmr.fd. on input line 10. + +LaTeX Font Warning: Font shape `/cmr/m/n' undefined +(Font) using `/cmr/m/n' instead on input line 10. + +! Corrupted NFSS tables. +wrong@fontshape ...message {Corrupted NFSS tables} + error@fontshape else let f... +l.10 ...agen wie, welchen Pfad begeht ein Hund wä + hrend er einer Katze nachr... +This error message was generated by an \errmessage +command, so I can't give any explicit help. +Pretend that you're Hercule Poirot: Examine all clues, +and deduce the truth by order and method. + + +LaTeX Font Warning: Font shape `/cmr/m/n' undefined +(Font) using `OT1/cmr/m/n' instead on input line 10. + +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! 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+Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 10--11 +[] + [] + + +Overfull \hbox (10.00003pt too wide) in paragraph at lines 10--11 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 10--11 +\/cmr/m/n/10 a + [] + +! Undefined control sequence. +l.13 \subsection + {Verfolger und Verfolgungsstrategie +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.13 \subsection{V + erfolger und Verfolgungsstrategie +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! 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+Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +[] + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 13--16 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +! LaTeX Error: Environment table undefined. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.17 \begin{table} + +Your command was ignored. +Type I <command> <return> to replace it with another command, +or <return> to continue without it. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.18 \begin{tabular} + {|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +LaTeX Font Info: External font `cmex10' loaded for size +(Font) <7> on input line 18. +LaTeX Font Info: External font `cmex10' loaded for size +(Font) <5> on input line 18. + +! LaTeX Error: Illegal character in array arg. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.18 ...|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + + +! LaTeX Error: Illegal character in array arg. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.18 ...|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + + +! LaTeX Error: Illegal character in array arg. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.18 ...|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + + +! 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LaTeX Error: Illegal character in array arg. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.18 ...|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +! Undefined control sequence. +<recently read> \text + +l.20 \text + {}&\text{Geschwindigkeit}&\text{Abstand}&\text{Richtung}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +! Undefined control sequence. +l.20 \text{}&\text + {Geschwindigkeit}&\text{Abstand}&\text{Richtung}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.20 \text{}&\text{Geschwindigkeit}&\text + {Abstand}&\text{Richtung}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no A in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.20 ...text{Geschwindigkeit}&\text{Abstand}&\text + {Richtung}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no R in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +! Undefined control sequence. +<recently read> \text + +l.22 \text + {Strategie 1} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no 1 in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.23 & \text + {konstant} & \text{-} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.23 & \text{konstant} & \text + {-} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no - in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.23 & \text{konstant} & \text{-} & \text + {direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.25 \text + {Strategie 2} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no 2 in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.26 & \text + {-} & \text{konstant} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no - in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.26 & \text{-} & \text + {konstant} & \text{direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.26 & \text{-} & \text{konstant} & \text + {direkt auf Ziel hinzu}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.28 \text + {Strategie 3} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no 3 in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.29 & \text + {konstant} & \text{-} & \text{etwas voraus Zielen}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.29 & \text{konstant} & \text + {-} & \text{etwas voraus Zielen}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no - in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.29 & \text{konstant} & \text{-} & \text + {etwas voraus Zielen}\\ +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! + +! LaTeX Error: \begin{document} ended by \end{table}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.33 \end{table} + +Your command was ignored. +Type I <command> <return> to replace it with another command, +or <return> to continue without it. + + +Overfull \hbox (20.00006pt too wide) in paragraph at lines 18--34 +[][] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.42 I + n der Tabelle \eqref{lambertw:Strategien} sind drei mögliche Strategi... + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no I in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no T in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.42 In der Tabelle \eqref + {lambertw:Strategien} sind drei mögliche Strategi... +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no : in font nullfont! +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! 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Undefined control sequence. +l.45 In der Grafik \eqref + {lambertw:pursuerDGL2} ist das Problem dargestellt. +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no : in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! 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Undefined control sequence. +l.51 \quad|A\in\mathbb + {R}>0 +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +Overfull \hbox (122.89459pt too wide) detected at line 52 +\OMS/cmsy/m/n/10 j[]j \/cmr/m/n/10 = \OML/cmm/m/it/10 konst \/cmr/m/n/10 = \OML +/cmm/m/it/10 A \OMS/cmsy/m/n/10 j\OML/cmm/m/it/10 A \OMS/cmsy/m/n/10 2 \OML/cmm +/m/it/10 R > \/cmr/m/n/10 0 + [] + +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! 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+Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! + +! LaTeX Error: Environment align undefined. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.65 \begin{align} + +Your command was ignored. +Type I <command> <return> to replace it with another command, +or <return> to continue without it. + +Missing character: There is no - in font nullfont! +! Missing $ inserted. +<inserted text> + $ +l.67 ...}{|\overrightarrow{Z}-\overrightarrow{V}|} + \cdot +I've inserted a begin-math/end-math symbol since I think +you left one out. Proceed, with fingers crossed. + +! Extra }, or forgotten $. +\frac #1#2->{\begingroup #1\endgroup \over #2} + +l.67 ...}{|\overrightarrow{Z}-\overrightarrow{V}|} + \cdot +I've deleted a group-closing symbol because it seems to be +spurious, as in `$x}$'. But perhaps the } is legitimate and +you forgot something else, as in `\hbox{$x}'. In such cases +the way to recover is to insert both the forgotten and the +deleted material, e.g., by typing `I$}'. + +! Misplaced alignment tab character &. +l.69 & + = +I can't figure out why you would want to use a tab mark +here. If you just want an ampersand, the remedy is +simple: Just type `I\&' now. But if some right brace +up above has ended a previous alignment prematurely, +you're probably due for more error messages, and you +might try typing `S' now just to see what is salvageable. + +! Misplaced alignment tab character &. +l.73 & + = +I can't figure out why you would want to use a tab mark +here. If you just want an ampersand, the remedy is +simple: Just type `I\&' now. But if some right brace +up above has ended a previous alignment prematurely, +you're probably due for more error messages, and you +might try typing `S' now just to see what is salvageable. + + +! LaTeX Error: \begin{document} ended by \end{align}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.75 \end{align} + +Your command was ignored. +Type I <command> <return> to replace it with another command, +or <return> to continue without it. + +! Missing $ inserted. +<inserted text> + $ +l.75 \end{align} + +I've inserted something that you may have forgotten. +(See the <inserted text> above.) +With luck, this will get me unwedged. But if you +really didn't forget anything, try typing `2' now; then +my insertion and my current dilemma will both disappear. + +! Missing } inserted. +<inserted text> + } +l.75 \end{align} + +I've inserted something that you may have forgotten. +(See the <inserted text> above.) +With luck, this will get me unwedged. But if you +really didn't forget anything, try typing `2' now; then +my insertion and my current dilemma will both disappear. + +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no K in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no , in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! 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Undefined control sequence. +l.79 \subsection + {Ziel +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.79 \subsection{Z + iel +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no A in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! 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Emergency stop. +<*> ./teil0.tex + +*** (job aborted, no legal \end found) + + +Here is how much of TeX's memory you used: + 34 strings out of 478927 + 671 string characters out of 2852535 + 298175 words of memory out of 3000000 + 17993 multiletter control sequences out of 15000+600000 + 403430 words of font info for 27 fonts, out of 8000000 for 9000 + 1141 hyphenation exceptions out of 8191 + 23i,13n,32p,801b,95s stack positions out of 5000i,500n,10000p,200000b,80000s +! ==> Fatal error occurred, no output PDF file produced! diff --git a/buch/papers/lambertw/teil0.tex b/buch/papers/lambertw/teil0.tex index 2b83d59..baee9ea 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil0.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil0.tex @@ -3,20 +3,126 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{lambertw: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{lambertw: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. +\section{Was sind Verfolgungskurven? +\label{lambertw:section:Was_sind_Verfolgungskurven}} +\rhead{Was sind Verfolgungskurven?} +% +Verfolgungskurven tauchen oft auf bei Fragen wie ``Welchen Pfad begeht ein Hund während er einer Katze nachrennt?''. +Ein solches Problem hat im Kern immer ein Verfolger und sein Ziel. +Der Verfolger verfolgt sein Ziel, das versucht zu entkommen. +Der Pfad, den der Verfolger während der Verfolgung begeht, wird Verfolgungskurve genannt. +Um diese Kurve zu bestimmen, kann das Verfolgungsproblem als Differentialgleichung formuliert werden. +Diese Differentialgleichung entspringt der Verfolgungsstrategie des Verfolgers. +% +\subsection{Verfolger und Verfolgungsstrategie +\label{lambertw:subsection:Verfolger}} +Wie bereits erwähnt, wird der Verfolger durch seine Verfolgungsstrategie definiert. +Wir nehmen an, dass sich der Verfolger stur an eine Verfolgungsstrategie hält. +Dabei gibt es viele mögliche Strategien, die der Verfolger wählen könnte. +Die möglichen Strategien entstehen durch Festlegung einzelner Parameter, die der Verfolger kontrollieren kann. +Der Verfolger hat nur einen direkten Einfluss auf seinen Geschwindigkeitsvektor. +Mit diesem kann er neben Richtung und Betrag auch den Abstand zwischen Verfolger und Ziel kontrollieren. +Wenn zwei dieser drei Parameter durch die Strategie definiert werden, ist der dritte nicht mehr frei. +Daraus folgt, dass eine Strategie zwei dieser drei Parameter festlegen muss, um den Verfolger komplett zu beschreiben. +% +\begin{table} + \centering + \begin{tabular}{|>{$}l<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} + \hline + \text{Strategie}&\text{Geschwindigkeit}&\text{Abstand}&\text{Richtung}\\ + \hline + \text{Jagd} + & \text{konstant} & \text{-} & \text{direkt auf Ziel zu}\\ + + \text{Beschattung} + & \text{-} & \text{konstant} & \text{direkt auf Ziel zu}\\ + + \text{Vorhalt} + & \text{konstant} & \text{-} & \text{etwas voraus Zielen}\\ + \hline + \end{tabular} + \caption{mögliche Verfolgungsstrategien} + \label{lambertw:table:Strategien} +\end{table} +% +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.6]{./papers/lambertw/Bilder/Strategie.pdf} + \caption{Vektordarstellung Jagdstrategie} + \label{lambertw:grafic:pursuerDGL2} +\end{figure} +% +In der Tabelle \ref{lambertw:table:Strategien} sind drei mögliche Strategien aufgezählt. +Im Folgenden wird nur noch auf die Jagdstrategie eingegangen. +Bei dieser Strategie ist die Geschwindigkeit konstant und der Verfolger bewegt sich immer direkt auf sein Ziel zu. +Der Verfolger und sein Ziel werden als Punkte $V$ und $Z$ modelliert. +In der Abbildung \ref{lambertw:grafic:pursuerDGL2} ist das Problem dargestellt, +wobei $v$ der Ortsvektor des Verfolgers, $z$ der Ortsvektor des Ziels und $\dot{v}$ der Geschwindigkeitsvektor des Verfolgers ist. +Der Geschwindigkeitsvektor entspricht dem Richtungsvektors des Verfolgers. +Die konstante Geschwindigkeit kann man mit +% +\begin{equation} + |\dot{v}| + = \operatorname{const} = A + \text{,}\quad A\in\mathbb{R}^+ +\end{equation} +% +darstellen. Der Geschwindigkeitsvektor muss auf das Ziel zeigen, woraus folgt +\begin{equation} + \dot{v} + \quad||\quad + z-v + \text{.} +\end{equation} +Um den Richtungsvektor zu konstruieren kann der Einheitsvektor parallel zu $z-v$ um $|\dot{v}|$ gestreckt werden, was zu +\begin{equation} + \dot{v} + = + |\dot{v}|\cdot (z-v)^\circ + = + |\dot{v}|\cdot\frac{z-v}{|z-v|} + \label{lambertw:richtungsvektor} +\end{equation} +führt. +Aus dem Verfolgungsproblem ist auch ersichtlich, dass die Punkte $V$ und $Z$ nicht am gleichen Ort starten und so eine Division durch Null ausgeschlossen ist. +Wenn die Punkte $V$ und $Z$ trotzdem am gleichen Ort starten, ist die Lösung trivial. + +Nun wird die Gleichung mit $\dot{v}$ skalar multipliziert, um das Gleichungssystem von zwei auf eine Gleichung zu reduzieren. Somit ergibt sich +\begin{align} + \frac{z-v}{|z-v|}\cdot|\dot{v}|\cdot\dot{v} + &= + |\dot{v}|^2 + \text{,} +\end{align} +was algebraisch zu +\begin{align} + \label{lambertw:pursuerDGL} + \frac{z-v}{|z-v|}\cdot \frac{\dot{v}}{|\dot{v}|} + &= + 1 +\end{align} +umgeformt werden kann. +Die Lösungen dieser Differentialgleichung sind die gesuchten Verfolgungskurven, sofern der Verfolger die Jagdstrategie verwendet. +% +\subsection{Ziel +\label{lambertw:subsection:Ziel}} +Als nächstes gehen wir auf das Ziel ein. +Wie der Verfolger wird auch unser Ziel sich strikt an eine Fluchtstrategie halten, welche von Anfang an bekannt ist. +Als Strategie eignet sich eine definierte Fluchtkurve oder ähnlich wie beim Verfolger ein Verhalten, das vom Verfolger abhängig ist. +Ein vom Verfolger abhängiges Verhalten führt zu einem gekoppeltem DGL-System, das schwierig zu lösen sein wird. +Eine definierte Fluchtkurve kann mit einer Parameterdarstellung der Position nach der Zeit beschrieben werden. +Zum Beispiel könnte ein Ziel auf einer Geraden flüchten, welches auf einer Ebene mit der Parametrisierung +% +\begin{equation} + z(t) + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ t \end{array} \right) +\end{equation} +% +beschrieben werden könnte. +Mit dieser Gleichung ist das Ziel auch schon vollumfänglich definiert. +Für die Fluchtkurve kann eine beliebige Form gewählt werden, jedoch wird die zu lösende Differentialgleichung für die Verfolgungskurve komplexer. + -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/lambertw/teil1.log b/buch/papers/lambertw/teil1.log new file mode 100644 index 0000000..d2eb5c6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/teil1.log @@ -0,0 +1,3259 @@ +This is pdfTeX, Version 3.141592653-2.6-1.40.23 (MiKTeX 21.8) (preloaded format=pdflatex 2021.9.21) 5 APR 2022 23:32 +entering extended mode +**./teil1.tex +(teil1.tex +LaTeX2e <2021-06-01> patch level 1 +L3 programming layer <2021-08-27> +! Undefined control sequence. +l.6 \section + {Beispiel () +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.6 \section{B + eispiel () +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no B in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no ( in font nullfont! +Missing character: There is no ) in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.8 \rhead + {Problemstellung} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no P in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 6--9 +[] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.20 J + e nach Verfolgungsstrategie die der Verfolger verwendet, entsteht eine... + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no J in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no , in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no F in font nullfont! +LaTeX Font Info: Trying to load font information for +cmr on input line 21. +LaTeX Font Info: No file cmr.fd. on input line 21. + +LaTeX Font Warning: Font shape `/cmr/m/n' undefined +(Font) using `/cmr/m/n' instead on input line 21. + +! Corrupted NFSS tables. +wrong@fontshape ...message {Corrupted NFSS tables} + error@fontshape else let f... +l.21 Fü + r dieses konkrete Beispiel wird einfachheitshalber die simpelste Str... +This error message was generated by an \errmessage +command, so I can't give any explicit help. +Pretend that you're Hercule Poirot: Examine all clues, +and deduce the truth by order and method. + + +LaTeX Font Warning: Font shape `/cmr/m/n' undefined +(Font) using `OT1/cmr/m/n' instead on input line 21. + +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! 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LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.25 U + m die DGL dieses Problems herzuleiten wird der Sachverhalt in der Graf... + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no U in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no P in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.25 ... wird der Sachverhalt in der Grafik \eqref + {pursuer_grafik1} aufgezeigt. +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +! Missing $ inserted. +<inserted text> + $ +l.25 ... Sachverhalt in der Grafik \eqref{pursuer_ + grafik1} aufgezeigt. +I've inserted a begin-math/end-math symbol since I think +you left one out. Proceed, with fingers crossed. + +LaTeX Font Info: External font `cmex10' loaded for size +(Font) <7> on input line 25. +LaTeX Font Info: External font `cmex10' loaded for size +(Font) <5> on input line 25. +! Extra }, or forgotten $. +l.25 ...halt in der Grafik \eqref{pursuer_grafik1} + aufgezeigt. +I've deleted a group-closing symbol because it seems to be +spurious, as in `$x}$'. But perhaps the } is legitimate and +you forgot something else, as in `\hbox{$x}'. In such cases +the way to recover is to insert both the forgotten and the +deleted material, e.g., by typing `I$}'. + +! Missing $ inserted. +<inserted text> + $ +l.27 + +I've inserted a begin-math/end-math symbol since I think +you left one out. Proceed, with fingers crossed. + + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 25--27 +[] + [] + + +Overfull \hbox (332.97824pt too wide) in paragraph at lines 25--27 +[]\OML/cmm/m/it/10 rafik\/cmr/m/n/10 1\OML/cmm/m/it/10 aufgezeigt:DerPunktPistd +erVerfolgerundderPunktAistseinZiel:$ + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.28 U + m dies mathematisch beschreiben zu können, wird der Richtungsvektor +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no U in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! 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+Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no R in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 28--29 +[] + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 28--29 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +Overfull \hbox (64.58458pt too wide) detected at line 33 +[] \/cmr/m/n/10 = [] + [] + +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! 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+ +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +Overfull \hbox (15.71458pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +[]$ + [] + + +Overfull \hbox (15.40556pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +[]$ + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +\/cmr/m/n/10 a + [] + + +Overfull \hbox (5.00002pt too wide) in paragraph at lines 33--38 +\/cmr/m/n/10 o + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.39 N + un wird die Gleichung mit deren rechten Seite skalar multipliziert, um... + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no N in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! 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+Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no K in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! 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+Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.49 \subsection + {Beispiel} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.49 \subsection{B + eispiel} +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no B in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no B in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! 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+Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no Z in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no z in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no F in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no P in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no w in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.50 ...ieses Problem wurde bereits die DGL \eqref + {eq:PursuerDGL} hergeleitet. +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no q in font nullfont! +Missing character: There is no : in font nullfont! +Missing character: There is no P in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no G in font nullfont! +Missing character: There is no L in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no A in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 49--52 +[] + [] + + +Overfull \hbox (5.55557pt too wide) in paragraph at lines 49--52 +\/cmr/m/n/10 u + [] + + +Overfull \hbox (5.55557pt too wide) in paragraph at lines 49--52 +\/cmr/m/n/10 u + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.53 \begin{equation} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 53--53 +[] + [] + + +Overfull \hbox (135.67946pt too wide) detected at line 57 +[]\/cmr/m/n/10 (\OML/cmm/m/it/10 t\/cmr/m/n/10 )[][] = [][][] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.59 \begin{equation} + +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 59--59 +[] + [] + + +Overfull \hbox (61.57726pt too wide) detected at line 65 +[] \OMS/cmsy/m/n/10 [] \/cmr/m/n/10 = 1 = \OML/cmm/m/it/10 v[] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.79 S + ed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no S in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! 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Undefined control sequence. +l.110 animi, id est laborum et dolorum fuga \eqref + {000tempmlate:equation1}. +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no 0 in font nullfont! +Missing character: There is no 0 in font nullfont! +Missing character: There is no 0 in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no : in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no q in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no 1 in font nullfont! +Missing character: There is no . in font nullfont! + +Overfull \hbox (20.0pt too wide) in paragraph at lines 104--111 +[] + [] + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.112 E + t harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no E in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no h in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no q in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no x in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no d in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no c in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +! 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Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +LaTeX Warning: Reference `lambertw:section:loesung' on page undefined on input + line 113. + +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no N in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! 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Undefined control sequence. +<write> ...tw:section:folgerung' on page \thepage + \space undefined\on@line . +l.117 \ref{lambertw:section:folgerung} + . +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +LaTeX Warning: Reference `lambertw:section:folgerung' on page undefined on inp +ut line 117. + +Missing character: There is no . in font nullfont! +Missing character: There is no T in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no a in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! 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Emergency stop. +<*> ./teil1.tex + +*** (job aborted, no legal \end found) + + +Here is how much of TeX's memory you used: + 35 strings out of 478927 + 720 string characters out of 2852535 + 294175 words of memory out of 3000000 + 17993 multiletter control sequences out of 15000+600000 + 403738 words of font info for 28 fonts, out of 8000000 for 9000 + 1141 hyphenation exceptions out of 8191 + 23i,12n,32p,307b,98s stack positions out of 5000i,500n,10000p,200000b,80000s +! ==> Fatal error occurred, no output PDF file produced! diff --git a/buch/papers/lambertw/teil1.tex b/buch/papers/lambertw/teil1.tex index 7b545c3..c4b2d05 100644 --- a/buch/papers/lambertw/teil1.tex +++ b/buch/papers/lambertw/teil1.tex @@ -3,53 +3,343 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 1 -\label{lambertw: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{lambertw: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? +\section{Wird das Ziel erreicht? +\label{lambertw:section:Wird_das_Ziel_erreicht}} +\rhead{Wird das Ziel erreicht?} +% +Sehr oft kommt es vor, dass bei Verfolgungsproblemen die Frage auftaucht, ob das Ziel überhaupt erreicht wird. +Wenn zum Beispiel die Geschwindigkeit des Verfolgers kleiner ist als diejenige des Ziels, gibt es Anfangsbedingungen bei denen das Ziel nie erreicht wird. +Im Anschluss dieser Frage stellt sich meist die nächste Frage, wie lange es dauert bis das Ziel erreicht wird. +Diese beiden Fragen werden in diesem Kapitel behandelt und am Beispiel aus \ref{lambertw:section:teil4} betrachtet. +Das Beispiel wird bei dieser Betrachtung noch etwas erweitert, indem alle Punkte auf der gesamtem $xy$-Ebene als Startwerte zugelassen werden. -\subsection{De finibus bonorum et malorum -\label{lambertw: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}. +Nun gilt es zu definieren, wann das Ziel erreicht wird. +Da sowohl Ziel und Verfolger als Punkte modelliert wurden, gilt das Ziel als erreicht, wenn die Koordinaten des Verfolgers mit denen des Ziels bei einem diskreten Zeitpunkt $t_1$ übereinstimmen. +Somit gilt es +% +\begin{equation} + z(t_1)=v(t_1) + \label{bedingung_treffer} +\end{equation} +% +zu lösen. +Die Parametrisierung von $z(t)$ ist im Beispiel definiert als +\begin{equation} + z(t) + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ t \end{array} \right)\text{.} +\end{equation} +% +Die Parametrisierung von $v(t)$ ist von den Startbedingungen abhängig. Deshalb wird die Bedingung \eqref{bedingung_treffer} jeweils für die unterschiedlichen Startbedingungen separat analysiert. +% +\subsection{Anfangsbedingung im ersten Quadranten} +% +Wenn der Verfolger im ersten Quadranten startet, dann kann $v(t)$ mit den Gleichungen aus \eqref{lambertw:eqFunkXNachT}, welche +\begin{align} + x\left(t\right) + &= + x_0\cdot\sqrt{\frac{1}{\chi}W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) \right)} \text{,}\\ + y(t) + &= + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr) \text{,}\\ + \chi + &= + \frac{r_0+y_0}{r_0-y_0}\text{,} \quad + \eta + = + \left(\frac{x}{x_0}\right)^2 \quad\text{und}\quad + r_0 + = + \sqrt{x_0^2+y_0^2} +\end{align} +% +sind, +beschrieben werden. +Der Verfolger ist durch +\begin{equation} + v(t) + = + \left( \begin{array}{c} x(t) \\ y(t) \end{array} \right) +\end{equation} +% +parametrisiert, wobei $y(t)$ viel komplexer ist als $x(t)$. +Daher wird das Problem in zwei einzelne Teilprobleme zerlegt, wodurch die Bedingung der $x$- und $y$-Koordinaten einzeln überprüft werden müssen. Es entstehen daher die Bedingungen +% +\begin{align} + 0 + &= + x(t) + = + x_0\sqrt{\frac{1}{\chi}W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right)} + \\ + t + &= + y(t) + = + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr) + \text{,} +\end{align} +% +welche beide gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit das Ziel erreicht wurde. +Zuerst wird die Bedingung der $x$-Koordinate betrachtet. +Da $x_0 \neq 0$ und $\chi \neq 0$ kann +\begin{equation} + 0 + = + x_0\sqrt{\frac{1}{\chi}W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right)} +\end{equation} +algebraisch zu +\begin{equation} + 0 + = + W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right) +\end{equation} +umgeformt werden. +Es ist zu beachten, dass $W(x)$ die Lambert W-Funktion ist, welche im Kapitel \eqref{buch:section:lambertw} behandelt wurde. +Diese Gleichung entspricht genau den Nullstellen der Lambert W-Funktion. Mit der einzigen Nullstelle der Lambert W-Funktion bei +\begin{equation*} + W(0)=0 + \text{,} +\end{equation*} +kann die Bedingung weiter vereinfacht werden zu +\begin{equation} + 0 + = + \chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) + \text{.} +\end{equation} +Da $\chi\neq0$ und die Exponentialfunktion nie null sein kann, ist diese Bedingung unmöglich zu erfüllen. +Beim Grenzwert für $t\rightarrow\infty$ geht die Exponentialfunktion gegen null. +Dies nützt nicht viel, da unendlich viel Zeit vergehen müsste, damit ein Einholen möglich wäre. +Somit kann unter den gestellten Bedingungen das Ziel nie erreicht werden. +% +% +% +%Diese kann durch dividieren durch $x_0$, anschliessendes quadrieren und multiplizieren von $\chi$ vereinfacht werden. Daraus folgt +%\begin{equation} +% 0 +% = +% W\left(\chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right) +% \text{.} +%5\end{equation} +% +%Es ist zu beachten, dass $W(x)$ die Lambert W-Funktion ist, welche im Kapitel \eqref{buch:section:lambertw} behandelt wurde. +%Diese Gleichung entspricht genau den Nullstellen der Lambert W-Funktion. Da die Lambert W-Funktion genau eine Nullstelle bei +% +%\begin{equation*} +% W(0)=0 +%\end{equation*} +% +%besitzt, kann die Bedingung weiter vereinfacht werden zu +% +%\begin{equation} +% 0 +% = +% \chi\cdot \exp\left( \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) +% \text{.} +%\end{equation} +% +%Da $\chi\neq0$ und die Exponentialfunktion nie null sein kann, ist diese Bedingung unmöglich zu erfüllen. +%Beim Grenzwert für $t\rightarrow\infty$ geht die Exponentialfunktion gegen null. +%Dies nützt nicht viel, da unendlich viel Zeit vergehen müsste damit ein Einholen möglich wäre. +%Somit kann nach den gestellten Bedingungen das Ziel nie erreicht werden. +% +\subsection{Anfangsbedingung $y_0<0$} +Da die Geschwindigkeit des Verfolgers und des Ziels übereinstimmen, kann der Verfolger niemals das Ziel einholen. +Dies kann veranschaulicht werden anhand +% +\begin{equation} + v(t)\cdot \left( \begin{array}{c} 0 \\ 1 \end{array}\right) + \leq + z(t)\cdot \left( \begin{array}{c} 0 \\ 1 \end{array}\right) + = + 1\text{.} +\end{equation} +% +Da der $y$-Anteil der Geschwindigkeit des Ziels mindestens so gross wie die des Verfolgers ist, können die $y$-Koordinaten nie übereinstimmen. +% +\subsection{Anfangsbedingung auf positiven $y$-Achse} +Wenn der Verfolger auf der positiven $y$-Achse startet, befindet er sich direkt auf der Fluchtgeraden des Ziels. +Dies führt dazu, dass der Verfolger und das Ziel sich direkt aufeinander zu bewegen, da der Geschwindigkeitsvektor des Verfolgers auf das Ziel zeigt. +Die Folge ist, dass das Ziel zwingend erreicht wird. +Um $t_1$ zu bestimmen, kann die Verfolgungskurve in diesem Fall mit +% +\begin{equation} + v(t) + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ y_0-t \end{array} \right) +\end{equation} +% +parametrisiert werden. +Nun kann der Abstand zwischen Verfolger und Ziel leicht bestimmt und nach 0 aufgelöst werden. +Woraus folgt +% +\begin{equation} + 0 + = + |v(t_1)-z(t_1)| + = + y_0-2t_1\text{,} +\end{equation} +% +was aufgelöst zu +% +\begin{equation} + t_1 + = + \frac{y_0}{2} +\end{equation} +% +führt. +Somit wird das Ziel immer erreicht bei $t_1$, wenn der Verfolger auf der positiven $y$-Achse startet. +\subsection{Fazit} +Durch die Symmetrie der Fluchtkurve an der $y$-Achse führen die Anfangsbedingungen im ersten und zweiten Quadranten zu den gleichen Ergebnissen. Nun ist klar, dass lediglich Anfangspunkte auf der positiven $y$-Achse oder direkt auf dem Ziel dazu führen, dass der Verfolger das Ziel bei $t_1$ einholt. +Bei allen anderen Anfangspunkten wird der Verfolger das Ziel nie erreichen. -Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio -\ref{lambertw: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{lambertw: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. +Dieses Resultat ist aber eher akademischer Natur, weil der Verfolger und das Ziel als Punkt betrachtet wurden, während in der Realität nicht von Punkten sondern von Objekten mit einer räumlichen Ausdehnung gesprochen werden kann. +Somit wird in einer nächsten Betrachtung untersucht, ob der Verfolger dem Ziel näher kommt als ein definierter Trefferradius. +Falls dies stattfinden sollte, wird dies als Treffer interpretiert. +Mathematisch kann dies mit +% +\begin{equation} + |v-z|<a_{\text{min}} \text{,}\quad a_{\text{min}}\in\mathbb{R}^+ +\end{equation} +% +beschrieben werden, wobei $a_{\text{min}}$ dem Trefferradius entspricht. +Durch Quadrieren verschwindet die Wurzel des Betrages, womit +% +\begin{equation} + |v-z|^2<a_{\text{min}}^2 \text{,}\quad a_{\text{min}}\in \mathbb{R}^+ + \label{lambertw:minimumAbstand} +\end{equation} +% +die neue Bedingung ist. +Da sowohl der Betrag als auch $a_{\text{min}}$ grösser null sind, bleibt die Aussage unverändert. +% +\subsection{Trügerische Intuition}%verleitende/trügerische/verführerisch +In der Grafik \ref{lambertw:grafic:intuition} ist eine mögliche Verfolgungskurve dargestellt, wobei für die Startbedingung der erste-Quadrant verwendet wurde. +Als erste Intuition für den Punkt bei dem $|v-z|$ minimal ist bietet sich der tiefste Punkt der Verfolgungskurve an, bei dem der y-Anteil des Richtungsvektors null entspricht. +Es kann argumentiert werden, dass weil die Geschwindigkeiten gleich gross sind und $\dot{v}$ sich aus einem $y$- als auch einem $x$-Anteil zusammensetzt und $\dot{z}$ nur ein $y$-Anteil besitzt, der Abstand nur grösser werden kann, wenn $e_y\cdot z>e_y\cdot v$. +Aus diesem Argument würde folgen, dass beim tiefsten Punkt der Verfolgungskurve im Beispiel den minimalen Abstand befindet. +% +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.7]{./papers/lambertw/Bilder/Intuition.pdf} + \caption{Intuition} + \label{lambertw:grafic:intuition} +\end{figure} +% +Dieses Argument kann leicht überprüft werden, indem lokal alle relevanten benachbarten Punkte betrachtet und das Vorzeichen der Änderung des Abstandes überprüft wird. +Dafür wird ein Ausdruck benötigt, der den Abstand und die benachbarten Punkte beschreibt. +$\dot{v}$ wird allgemein mit dem Winkel $\alpha \in[ 0, 2\pi)$ beschrieben, um alle unmittelbar benachbarten Punkte prüfen zu können. +Die Ortsvektoren der Punkte können wiederum mit +\begin{align} + v + &= + t\cdot\left(\begin{array}{c} \cos (\alpha) \\ \sin (\alpha) \end{array}\right) +\left(\begin{array}{c} x_0 \\ 0 \end{array}\right) + \\ + z + &= + \left(\begin{array}{c} 0 \\ t \end{array}\right) +\end{align} +beschrieben werden. +$x_0$ ist der Abstand bei $t=0$, damit alle möglichen Fälle untersucht werden können. +Da der Abstand allgemein +\begin{equation} + a + = + |v-z| + \geq + 0 +\end{equation} +ist, kann durch Quadrieren ohne Informationsverlust die Rechnung vereinfacht werden zu +\begin{equation} + a^2 + = + |v-z|^2 + = + (t\cdot\cos(\alpha)+x_0)^2+t^2(\sin(\alpha)-1)^2 + \text{.} +\end{equation} +Der Abstand im Quadrat abgeleitet nach der Zeit ist +\begin{equation} + \frac{d a^2}{d t} + = + 2(t\cdot\cos (\alpha)+x_0)\cdot\cos(\alpha)+2t(\sin(\alpha)-1)^2 + \text{.} +\end{equation} +Da nur die unmittelbar benachbarten Punkten von Interesse sind, wird die Ableitung für $t=0$ untersucht. Dabei kann die Ableitung in +\begin{align} + \frac{d a^2}{d t} + &= + 2x_0\cos(\alpha) + \\ + \frac{d a^2}{d t} + &< + 0\Leftrightarrow\alpha\in\left( \frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right) + \\ + \frac{d a^2}{d t} + &> + 0\Leftrightarrow\alpha\in\left[0, \frac{\pi}{2}\right)\cup\left(\frac{3\pi}{2}, 2\pi\right) + \\ + \frac{d a^2}{d t} + &= + 0\Leftrightarrow\alpha\in\left\{ \frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right\} +\end{align} +unterteilt werden. +Von Interesse ist lediglich das Intervall $\alpha\in\left( \frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right)$, da der Verfolger sich stets in die negative $y$-Richtung bewegt. +In diesem Intervall ist die Ableitung negativ, woraus folgt, dass jeglicher unmittelbar benachbarte Punkt, den der Verfolger als nächstes begehen könnte, stets näher am Ziel ist als zuvor. +Dies bedeutet, dass der Scheitelpunkt der Verfolgungskurve nie ein lokales Minimum bezüglich des Abstandes sein kann. +% +\subsection{Wo ist der Abstand minimal?} +Damit der Verfolger das Ziel erreicht muss die Bedingung \eqref{lambertw:minimumAbstand} erfüllt sein. +Somit ist es ausreichend zu zeigen, dass +\begin{equation} + \operatorname{min}(|z-v|)<a_\text{min} + \label{lambertw:Bedingung:abstandMinimal} +\end{equation} +erfüllt ist. +Für folgende Betrachtung wurde für den Verfolger die Jagdstrategie mit $|\dot{v}|=|\dot{z}|$ gewählt. +Das Minimum des Abstandes kann mit +\begin{equation} + 0=\frac{d|z-v|}{dt} +\end{equation} +gefunden werden. +Mithilfe $(z-v)(z-v)=|z-v|^2$ kann die Gleichung umgeformt werden zu +\begin{equation} + 0=\frac{d(\sqrt{(z-v)(z-v)})}{dt} + \text{.} +\end{equation} +Jetzt kann die Ableitung leicht ausgeführt werden, womit +\begin{equation} + 0=(\dot{z}-\dot{v})\frac{z-v}{\sqrt{(z-v)(z-v)}} +\end{equation} +entsteht. +In dieser Gleichung kann $(z-v)(z-v)=|z-v|^2$ nochmals angewendet werden, wodurch die Gleichung zu +\begin{equation} + 0=(\dot{z}-\dot{v})\frac{z-v}{|z-v|} +\end{equation} +umgeformt werden kann. +Nun ist die Struktur der Gleichung \eqref{lambertw:richtungsvektor} erkennbar. +Wird dies ausgenutzt folgt +\begin{equation} + 0=(\dot{z}-\dot{v})\frac{\dot{v}}{|\dot{v}|} + \text{.} +\end{equation} +Durch algebraische Umwandlung kann die Gleichung in die Form +\begin{equation} + \dot{z}\dot{v}=|\dot{v}|^2 +\end{equation} +gebracht werden. +Wenn für den Winkel zwischen den Richtungsvektoren $\alpha$ und die Eigenschaft $|\dot{z}|=|\dot{v}|$ verwendet wird entsteht +\begin{equation} + \cos(\alpha)=1 + \text{.} +\end{equation} +Jetzt ist klar, dass nur bei $\alpha=0$, wenn $\alpha \in [0,2\pi)$, ein lokales als auch globales Minimum vorhanden sein kann. +$\alpha=0$ bedeutet, dass $\dot{v}=\dot{z}$ sein muss. +Da die Richtungsvektoren bei $t\rightarrow\infty$ immer in die gleiche Richtung zeigen ist dort die Bedingung immer erfüllt. +Dies entspricht gerade dem einen Rand von $t$, der andere Rand bei $t=0$ muss auch auf lokales bzw. globales Minimum untersucht werden. +Daraus folgt, dass die Bedingung \eqref{lambertw:Bedingung:abstandMinimal} lediglich für den Abstand bei $t=\{0, \infty\}$ überprüft werden muss.
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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{lambertw: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. +\subsection{Strategie 1 +\label{lambertw:subsection:Strategie1}} + + +\subsection{Strategie 2 +\label{lambertw:subsection:Strategie2}} diff --git a/buch/papers/lambertw/teil3.log b/buch/papers/lambertw/teil3.log new file mode 100644 index 0000000..018dcba --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/teil3.log @@ -0,0 +1,1580 @@ +This is pdfTeX, Version 3.141592653-2.6-1.40.23 (MiKTeX 21.8) (preloaded format=pdflatex 2021.9.21) 5 APR 2022 21:53 +entering extended mode +**./teil3.tex +(teil3.tex +LaTeX2e <2021-06-01> patch level 1 +L3 programming layer <2021-08-27> +! Undefined control sequence. +l.6 \section + {Teil 3 +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). 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Undefined control sequence. +l.24 \subsection + {De finibus bonorum et malorum +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.24 \subsection{D + e finibus bonorum et malorum +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no D in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no b in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no m in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no t in font nullfont! 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Emergency stop. +<*> ./teil3.tex + +*** (job aborted, no legal \end found) + + +Here is how much of TeX's memory you used: + 18 strings out of 478927 + 531 string characters out of 2852535 + 291175 words of memory out of 3000000 + 17978 multiletter control sequences out of 15000+600000 + 403430 words of font info for 27 fonts, out of 8000000 for 9000 + 1141 hyphenation exceptions out of 8191 + 13i,0n,12p,86b,18s stack positions out of 5000i,500n,10000p,200000b,80000s +! ==> Fatal error occurred, no output PDF file produced! diff --git a/buch/papers/lambertw/teil4.log b/buch/papers/lambertw/teil4.log new file mode 100644 index 0000000..63894e5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/teil4.log @@ -0,0 +1,1620 @@ +This is pdfTeX, Version 3.141592653-2.6-1.40.23 (TeX Live 2021/W32TeX) (preloaded format=pdflatex 2021.11.16) 4 APR 2022 20:41 +entering extended mode + restricted \write18 enabled. + %&-line parsing enabled. +**teil4.tex +(./teil4.tex +LaTeX2e <2021-11-15> +L3 programming layer <2021-11-12> +! Undefined control sequence. +l.6 \section + {Beispiel Verfolgungskurve +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + + +! LaTeX Error: Missing \begin{document}. + +See the LaTeX manual or LaTeX Companion for explanation. +Type H <return> for immediate help. + ... + +l.6 \section{B + eispiel Verfolgungskurve +You're in trouble here. Try typing <return> to proceed. +If that doesn't work, type X <return> to quit. + +Missing character: There is no B in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no k in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no v in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +! Undefined control sequence. +l.8 \rhead + {Beispiel Verfolgungskurve} +The control sequence at the end of the top line +of your error message was never \def'ed. If you have +misspelled it (e.g., `\hobx'), type `I' and the correct +spelling (e.g., `I\hbox'). Otherwise just continue, +and I'll forget about whatever was undefined. + +Missing character: There is no B in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no s in font nullfont! +Missing character: There is no p in font nullfont! +Missing character: There is no i in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no V in font nullfont! +Missing character: There is no e in font nullfont! +Missing character: There is no r in font nullfont! +Missing character: There is no f in font nullfont! +Missing character: There is no o in font nullfont! +Missing character: There is no l in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! +Missing character: There is no u in font nullfont! +Missing character: There is no n in font nullfont! +Missing character: There is no g in font nullfont! 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Emergency stop. +<*> teil4.tex + +*** (job aborted, no legal \end found) + + +Here is how much of TeX's memory you used: + 16 strings out of 478371 + 382 string characters out of 5852527 + 296836 words of memory out of 5000000 + 18226 multiletter control sequences out of 15000+600000 + 403430 words of font info for 27 fonts, out of 8000000 for 9000 + 1141 hyphenation exceptions out of 8191 + 13i,0n,12p,83b,18s stack positions out of 5000i,500n,10000p,200000b,80000s +! ==> Fatal error occurred, no output PDF file produced! diff --git a/buch/papers/lambertw/teil4.tex b/buch/papers/lambertw/teil4.tex new file mode 100644 index 0000000..36fb7e6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/lambertw/teil4.tex @@ -0,0 +1,446 @@ +% +% teil3.tex -- Beispiel-File für Teil 3 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Beispiel einer Verfolgungskurve +\label{lambertw:section:teil4}} +\rhead{Beispiel einer Verfolgungskurve} +In diesem Abschnitt wird rechnerisch das Beispiel einer Verfolgungskurve mit der Verfolgungsstrategie ``Jagd'' beschrieben. Dafür werden zuerst Bewegungsraum, Anfangspositionen und Bewegungsverhalten definiert, in einem nächsten Schritt soll eine Differentialgleichung dafür aufgestellt und anschliessend gelöst werden. + +\subsection{Anfangsbedingungen definieren und einsetzen + \label{lambertw:subsection:Anfangsbedingungen}} +Das zu verfolgende Ziel \(Z\) bewegt sich entlang der \(y\)-Achse mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{z}| = 1\), beginnend beim Ursprung des kartesischen Koordinatensystems. Der Verfolger \(V\) startet auf einem beliebigen Punkt im ersten Quadranten und bewegt sich auch mit konstanter Geschwindigkeit \(|\dot{v}| = 1\) in Richtung Ziel. Aus diesen Bedingungen ergibt sich den ersten Quadranten als Bewegungsraum für \(V\). Diese Anfangspunkte oder Anfangsbedingungen können wie folgt formuliert werden: +\begin{equation} + Z + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ |\dot{z}| \cdot t \end{array} \right) + = + \left( \begin{array}{c} 0 \\ t \end{array} \right) + ,\: + V + = + \left( \begin{array}{c} x \\ y \end{array} \right) + \:\text{und}\:\: + |\dot{v}| + = + 1. + \label{lambertw:Anfangsbed} +\end{equation} +Wir haben nun die Anfangsbedingungen definiert, jetzt fehlt nur noch eine DGL, welche die fortlaufende Änderung der Position und Bewegungsrichtung des Verfolgers beschreibt. +Diese DGL haben wir bereits in Kapitel \ref{lambertw:subsection:Verfolger} definiert, und zwar Gleichung \eqref{lambertw:pursuerDGL}. Wenn man die Startpunkte einfügt, ergibt sich der Ausdruck +\begin{equation} + \frac{\left( \begin{array}{c} 0-x \\ t-y \end{array} \right)}{\sqrt{x^2 + (t-y)^2}} + \cdot + \left(\begin{array}{c} \dot{x} \\ \dot{y} \end{array}\right) + = + 1. + \label{lambertw:eqMitAnfangsbed} +\end{equation} + +\subsection{Differentialgleichung vereinfachen + \label{lambertw:subsection:DGLvereinfach}} +Nun haben wir eine Gleichung, es stellt sich aber die Frage, ob es überhaupt eine geschlossene Lösung dafür gibt. Eine Funktion welche die Beziehung \(y(x)\) beschreibt oder sogar \(x(t)\) und \(y(t)\) liefert. Zum jetzigen Zeitpunkt mag es nicht trivial scheinen, aber mit den gewählten Anfangsbedingungen \eqref{lambertw:Anfangsbed} ist es möglich, eine geschlossene Lösung für die Gleichung \eqref{lambertw:eqMitAnfangsbed} zu finden. + +Auf dem Weg dahin muss die definierte DGL zuerst wesentlich vereinfacht werden, sei es mittels algebraischer Umformungen oder mit den Tools aus der Analysis. Da die nächsten Schritte sehr algebralastig sind und sie das Lesen dieses Papers träge machen würden, werden wir uns hier nur auf die wesentlichsten Schritte konzentrieren, welche notwendig sind, um den Lösungsweg nachvollziehen zu können. + +\subsubsection{Skalarprodukt auflösen + \label{lambertw:subsubsection:SkalProdAufl}} +Zuerst müssen wir den Bruch und das Skalarprodukt in \eqref{lambertw:eqMitAnfangsbed} wegbringen, damit wir eine viel handlichere Differentialgleichung erhalten. Dies führt zu +\begin{equation} + -x \cdot \dot{x} + (t-y) \cdot \dot{y} + = \sqrt{x^2 + (t-y)^2}. + \label{lambertw:eqOhneSkalarprod} +\end{equation} +Im letzten Schritt, fällt die Nützlichkeit des Skalarproduktes in der Verfolgungsgleichung \eqref{lambertw:pursuerDGL} markant auf. Anstatt zwei gekoppelte Differentialgleichungen zu erhalten, eine für die \(x\)- und die andere für die \(y\)-Komponente, erhält man einen einzigen Ausdruck, was in der Regel mit weniger Lösungsaufwand verbunden ist. + +\subsubsection{Quadrieren und Gruppieren + \label{lambertw:subsubsection:QuadUndGrup}} +Mit der Quadratwurzel in \eqref{lambertw:eqOhneSkalarprod} kann man nichts anfangen, sie steht nur im Weg, also muss man sie loswerden. Wenn man dies macht, kann \eqref{lambertw:eqOhneSkalarprod} auf die Form +\begin{equation} + \left(\dot{x}^2-1\right) \cdot x^2 -2x \left(t-y\right) \dot{x}\dot{y} + \left(\dot{y}^2-1\right) \cdot \left(t-y\right)^2 + =0 + \label{lambertw:eqOhneWurzel} +\end{equation} +gebracht werden. +Diese Form mag auf den ersten Blick nicht gerade nützlich sein, aber man kann sie mit einer Substitution weiter vereinfachen. + +\subsubsection{Wichtige Substitution + \label{lambertw:subsubsection:WichtSubst}} +Wenn man beachtet, dass die Geschwindigkeit des Verfolgers konstant und gleich 1 ist, dann ergibt sich die Beziehung +\begin{equation} + \dot{x}^2 + \dot{y}^2 + = 1. + \label{lambertw:eqGeschwSubst} +\end{equation} +Umformungen der Gleichung \eqref{lambertw:eqGeschwSubst} können in \eqref{lambertw:eqOhneWurzel} erkannt werden. Wenn man sie ersetzt, erhält man +\begin{equation} + \dot{y}^2 \cdot x^2 +2x \left(t-y\right) \dot{x}\dot{y} + \dot{x}^2 \cdot \left(t-y\right)^2 + =0. + \label{lambertw:eqGeschwSubstituiert} +\end{equation} +Diese unscheinbare Substitution führt dazu, dass weitere Vereinfachungen durchgeführt werden können. + +\subsubsection{Binom erkennen und vereinfachen + \label{lambertw:subsubsection:BinomVereinfach}} +Versteckt im Ausdruck \eqref{lambertw:eqGeschwSubstituiert} befindet sich die erste binomische Formel, wobei +\begin{equation} + (x \dot{y} + (t-y) \dot{x})^2 + = 0 + \label{lambertw:eqAlgVerinfacht} +\end{equation} +die faktorisierte Darstellung davon ist. +Da der linke Term gleich Null ist, muss auch die Basis des Quadrates in \eqref{lambertw:eqAlgVerinfacht} gleich Null sein. Es ergibt sich eine weitere Vereinfachung, welche zu der im Vergleich zu \eqref{lambertw:eqOhneSkalarprod} wesentlich einfacheren DGL +\begin{equation} + x \dot{y} + (t-y) \dot{x} + = 0 + \label{lambertw:eqGanzVerinfacht} +\end{equation} +führt. +Kompakt, ohne Wurzelterme und Quadrate, nur elementare Operationen und Ableitungen. + +Nun stellt sich die Frage wie es weiter gehen soll, bei der Gleichung \eqref{lambertw:eqGanzVerinfacht} scheinen keine weiteren Vereinfachungen möglich zu sein. Wir brauchen einen neuen Ansatz, um unser Ziel einer möglichen Lösung zu verfolgen. + +\subsection{Zeitabhängigkeit loswerden + \label{lambertw:subsection:ZeitabhLoswerden}} +Der nächste logische Schritt scheint irgendwie die Zeitabhängigkeit in der Gleichung \eqref{lambertw:eqGanzVerinfacht} loszuwerden, aber wieso? Nun, wie am Anfang von Abschnitt \ref{lambertw:subsection:DGLvereinfach} beschrieben, suchen wir eine Lösung der Art \(y(x)\), dies ist natürlich erst möglich wenn wir die Abhängigkeit nach \(t\) eliminieren können. + +\subsubsection{Zeitliche Ableitungen loswerden + \label{lambertw:subsubsection:ZeitAbleit}} +Der erste Schritt auf dem Weg zur Funktion \(y(x)\) ist, die zeitlichen Ableitungen los zu werden, dafür wird \eqref{lambertw:eqGanzVerinfacht} beidseitig durch \(\dot{x}\) dividiert, was erlaubt ist, weil diese Änderung ungleich Null ist: +\begin{equation} + x \frac{\dot{y}}{\dot{x}} + (t-y) \frac{\dot{x}}{\dot{x}} + = 0. + \label{lambertw:eqVorKeineZeitAbleit} +\end{equation} +Der Grund dafür ist, dass +\begin{equation} + \frac{\displaystyle\dot{y}}{\displaystyle\dot{x}} + = \frac{\displaystyle\frac{dy}{dt}}{\displaystyle\frac{dx}{dt}} + = \frac{dy}{dx} + = y^{\prime}, + \label{lambertw:eqQuotZeitAbleit} +\end{equation} +und somit kann der Quotient dieser zeitlichen Ableitungen in eine Ableitung nach \(x\) umgewandelt werden. +Nachdem die Eigenschaft \eqref{lambertw:eqQuotZeitAbleit} in \eqref{lambertw:eqVorKeineZeitAbleit} eingesetzt wurde, entsteht beim Vereinfachen die neue Gleichung +\begin{equation} + x y^{\prime} + t - y + = 0. + \label{lambertw:DGLmitT} +\end{equation} + +\subsubsection{Variable \(t\) eliminieren + \label{lambertw:subsubsection:VarTelimin}} +Hier wäre es natürlich passend, wenn man die Abhängigkeit nach \(t\) komplett wegbringen könnte, aber wie? +Wir wissen, dass sich der Verfolger mit Geschwindigkeit 1 bewegt, also legt er in der Zeit \(t\) die Strecke \(1\cdot t = t\) zurück. Längen und Strecken können auch mit der Bogenlänge repräsentiert werden, somit kann Zeit und zurückgelegte Strecke in der Gleichung +\begin{equation} + s + = + |\dot{v}| \cdot t + = + 1 \cdot t + = + t + = + \int_{\displaystyle x_0}^{\displaystyle x_{\text{end}}}\sqrt{1+y^{\prime\, 2}} \: dx + \label{lambertw:eqZuBogenlaenge} +\end{equation} +verbunden werden. + +Nicht gerade auffällig ist die Richtung, in welche hier integriert wird. Wenn der Verfolger sich wie vorgesehen am Anfang im ersten Quadranten befindet, dann muss sich dieser nach links bewegen, was nicht der üblichen Integrationsrichtung entspricht. Um eine Integration wie üblich von links nach rechts ausführen zu können, müssen die Integrationsgrenzen vertauscht werden, was in einem Vorzeichenwechsel resultiert. + +Wenn man nun \eqref{lambertw:eqZuBogenlaenge} in die DGL \eqref{lambertw:DGLmitT} einfügt, dann ergibt sich der neue Ausdruck +\begin{equation} + x y^{\prime} - \int\sqrt{1+y^{\prime\, 2}} \: dx - y + = 0. + \label{lambertw:DGLohneT} +\end{equation} +Um das Integral los zu werden, leitet man \eqref{lambertw:DGLohneT} nach \(x\) ab und erhält die DGL zweiter Ordnung +\begin{align} + y^{\prime}+ xy^{\prime\prime} - \sqrt{1+y^{\prime\, 2}} - y^{\prime} + &= 0, \\ + xy^{\prime\prime} - \sqrt{1+y^{\prime\, 2}} + &= 0. + \label{lambertw:DGLohneInt} +\end{align} +Nun sind wir unserem Ziel einen weiteren Schritt näher. Die Gleichung \eqref{lambertw:DGLohneInt} mag auf den ersten Blick nicht gerade einfach sein, aber im nächsten Abschnitt werden wir sehen, dass sie relativ einfach zu lösen ist. + +\subsection{Differentialgleichung lösen + \label{lambertw:subsection:DGLloes}} +Die Gleichung \eqref{lambertw:DGLohneInt} ist eine DGL zweiter Ordnung, in der \(y\) nicht vorkommt. Sie kann mittels der Substitution \(y^{\prime} = u\) in die DGL +\begin{equation} + xu^{\prime} - \sqrt{1+u^2} + = 0 + \label{lambertw:DGLmitU} +\end{equation} +erster Ordnung umgewandelt werden. +Diese Gleichung ist separierbar, was sie viel handlicher macht. In der separierten Form +\begin{equation} + \int{\frac{1}{\sqrt{1+u^2}}\:du} + = + \int{\frac{1}{x}\:dx}, +\end{equation} +lässt sich die Gleichung mittels einer Integrationstabelle sehr rasch lösen. +Das Ergebnis ist +\begin{align} + \operatorname{arsinh}(u) + &= + \operatorname{ln}(x) + C, \\ + u + &= + \operatorname{sinh}(\operatorname{ln}(x) + C). + \label{lambertw:loesDGLmitU} +\end{align} +Wenn man in \eqref{lambertw:loesDGLmitU} die Substitution rückgängig macht, erhält man die DGL +\begin{equation} + y^{\prime} + = + \operatorname{sinh}(\operatorname{ln}(x) + C) + \label{lambertw:loesDGLmitY} +\end{equation} +erster Ordnung, die bereits separiert ist. +Ersetzt man den \(\operatorname{sinh}\) durch seine exponentielle Definition \(\operatorname{sinh}(x)=\frac{1}{2}(e^x-e^{-x})\), so resultiert auf sehr einfache Art die Lösung +\begin{equation} + y + = + C_1 + C_2 x^2 - \frac{\operatorname{ln}(x)}{8 \cdot C_2} +\end{equation} +für \eqref{lambertw:loesDGLmitY}. + +Nun haben wir eine Lösung, aber wie es immer mit Lösungen ist, stellt sich die Frage, ob sie überhaupt plausibel ist. + +\subsection{Lösung analysieren + \label{lambertw:subsection:LoesAnalys}} + +\definecolor{applegreen}{rgb}{0.55, 0.71, 0.0} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics{papers/lambertw/Bilder/VerfolgungskurveBsp.png} + \caption[Graph der Verfolgungskurve]{Graph der Verfolgungskurve wobei, ({\color{red}rot}) die Funktion \ensuremath{y(x)} ist, ({\color{applegreen}grün}) der quadratische Teil und ({\color{blue}blau}) dem \ensuremath{\operatorname{ln}(x)}-Teil entspricht. + \label{lambertw:BildFunkLoes} + } +\end{figure} + +Das Resultat, wie ersichtlich, ist die Funktion +\begin{equation} + {\color{red}{y(x)}} + = + C_1 + C_2 {\color{applegreen}{x^2}} {\color{blue}{-}} \frac{\color{blue}{\operatorname{ln}(x)}}{8 \cdot C_2}, + \label{lambertw:funkLoes} +\end{equation} +für welche die Koeffizienten \(C_1\) und \(C_2\) aus den Anfangsbedingungen bestimmt werden können. Zuerst soll aber eine qualitative Intuition oder Idee für das Aussehen der Funktion \(y(x)\) geschaffen werden: +\begin{itemize} + \item + Für grosse \(x\)-Werte, welche in der Regel in der Nähe von \(x_0\) sein sollten, ist der quadratisch Term in der Funktion \eqref{lambertw:funkLoes} dominant. + \item + Für immer kleiner werdende \(x\) geht der Verfolger in Richtung \(y\)-Achse, wobei seine Steigung stetig sinkt, was Sinn macht wenn der Verfolgte entlang der \(y\)-Achse steigt. Irgendwann werden Verfolger und Ziel auf gleicher Höhe sein, also gleiche \(y\)- aber verschiedene \(x\)-Koordinate besitzen. + In diesem Punkt findet ein Monotoniewechsel in der Kurve \eqref{lambertw:funkLoes} statt, was zu einem Minimum führt. + \item + Für \(x\)-Werte in der Nähe von \(0\) ist das asymptotische Verhalten des Logarithmus dominant, dies macht auch Sinn, da sich der Verfolgte auf der \(y\)-Achse bewegt und der Verfolger ihm nachgeht. +\end{itemize} +Alle diese Eigenschaften stimmen mit dem überein, was man von einer Kurve dieser Art erwarten würde, welche durch die Grafik \ref{lambertw:BildFunkLoes} repräsentiert wurde. + +\subsection{Anfangswertproblem + \label{lambertw:subsection:AllgLoes}} +In diesem Abschnitt soll eine Parameterfunktion hergeleitet werden, bei der jeder beliebige Anfangspunkt im ersten Quadranten eingesetzt werden kann, ausser der Ursprung im Koordinatensystem. Diese Aufgabe ist ein Anfangswertproblem für \(y(x)\). + +Das Lösen des Anfangswertproblems ist ein Problem aus der Analysis, auf welches hier nicht explizit eingegangen wird. Zur Vollständigkeit und Nachvollziehbarkeit, wird aber das Gleichungssystem präsentiert, welches notwendig ist, um das Anfangswertproblem zu lösen. + +\subsubsection{Anfangswerte bestimmen + \label{lambertw:subsubsection:Anfangswerte}} +Der erste Schritt auf dem Weg zur gesuchten Parameterfunktion ist, die Anfangswerte +\begin{equation} + y(x)\big \vert_{t=0} + = + y(x_0) + = + y_0 + \label{lambertw:eq1Anfangswert} +\end{equation} +und +\begin{equation} + \frac{dy}{dx}\bigg \vert_{t=0} + = + y^{\prime}(x_0) + = + \frac{y_0}{x_0} + \label{lambertw:eq2Anfangswert} +\end{equation} +zu definieren. +Der zweite Anfangswert \eqref{lambertw:eq2Anfangswert} mag nicht grade offensichtlich sein. Die Erklärung dafür ist aber simpel: Der Verfolger wird sich zum Zeitpunkt \(t=0\) in Richtung Koordinatenursprung bewegen wollen, wo sich das Ziel befindet. Somit entsteht das Steigungsdreieck mit \(\Delta x = x_0\) und \(\Delta y = y_0\). + +\subsubsection{Gleichungssystem aufstellen und lösen + \label{lambertw:subsubsection:GlSys}} +Wenn man die Anfangswerte \eqref{lambertw:eq1Anfangswert} und \eqref{lambertw:eq2Anfangswert} in die Gleichung \eqref{lambertw:funkLoes} und deren Ableitung \(y^{\prime}(x)\) einsetzt, dann ergibt sich das Gleichungssystem +\begin{subequations} + \label{lambertw:eqGleichungssystem} + \begin{align} + y_0 + &= + C_1 + C_2 x^2_0 - \frac{\operatorname{ln}(x_0)}{8 \cdot C_2}, \\ + \frac{y_0}{x_0} + &= + 2 \cdot C_2 x_0 - \frac{1}{8 \cdot C_2 \cdot x_0}. + \end{align} +\end{subequations} +Damit die gesuchte Funktion im ersten Quadranten bleibt, werden nur die positiven Lösungen +\begin{subequations} + \begin{align} + \label{lambertw:eqKoeff1} + C_1 + &= + \frac{2\cdot\operatorname{ln}(x_0)\left(\sqrt{x_0^2 + y_0^2} - y_0 \right) - \sqrt{x_0^2 + y_0^2} + 3 y_0}{4}, \\ + \label{lambertw:eqKoeff2} + C_2 + &= + \frac{\sqrt{x_0^2 + y_0^2} + y_0}{4x_0^2} + \end{align} +\end{subequations} +des Gleichungssystems gewählt. +\subsubsection{Gesuchte Parameterfunktion aufstellen + \label{lambertw:subsubsection:ParamFunk}} +Wenn man die Koeffizienten \eqref{lambertw:eqKoeff1} und \eqref{lambertw:eqKoeff2} in die Funktion \eqref{lambertw:funkLoes} einsetzt, dann ergibt sich beim Vereinfachen die gesuchte Parameterfunktion +\begin{equation} + y(x) + = + \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(y_0-r_0\right) + \operatorname{ln}\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right). + \label{lambertw:eqAllgLoes} +\end{equation} +Damit die Funktion \eqref{lambertw:eqAllgLoes} trotzdem übersichtlich bleibt, wurden Anfangssteigung \(\eta\) und Anfangsentfernung \(r_0\) wie folgt definiert: +\begin{equation} + \eta + = + \left(\frac{x}{x_0}\right)^2 + \:\:\text{und}\:\: + r_0 + = + \sqrt{x_0^2+y_0^2}. +\end{equation} +Diese neue allgemeine Funktion \eqref{lambertw:eqAllgLoes} weist immer noch die selbe Struktur wie die vorher hergeleitete Funktion \eqref{lambertw:funkLoes} auf. Sie enthält einerseits einen quadratischen Teil, der in \(\eta\) enthalten ist, anderseits den \(\operatorname{ln}\)-Teil. Aus dieser Ähnlichkeit kann geschlossen werden, dass sich \eqref{lambertw:eqAllgLoes} auf eine ähnliche Art verhalten wird. + +Nun sind wir soweit, dass wir eine \(y(x)\)-Beziehung für beliebige Anfangswerte darstellen können, unser erstes Ziel wurde erreicht. Wir können aber einen Schritt weiter gehen und uns Fragen: Ist es analytisch möglich herauszufinden, wo sich Verfolger und Ziel zu jedem Zeitpunkt befinden? Dieser Frage werden wir im nächsten Abschnitt nachgehen. + +\subsection{Funktion nach der Zeit + \label{lambertw:subsection:FunkNachT}} +In diesem Abschnitt werden algebraische Umformungen ein wenig detaillierter als zuvor beschrieben. Dies hat auch einen bestimmten Grund: Den Einsatz einer speziellen Funktion aufzeigen, sowie auch wann und wieso diese vorkommt. Welche spezielle Funktion? Fragt man sich wahrscheinlich in diesem Moment. Nun, um diese Frage kurz zu beantworten, es ist ``YouTube's favorite special function'' laut dem Mathematiker Michael Penn, die Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) welche im Kapitel \ref{buch:section:lambertw} bereits beschrieben wurde. + +\subsubsection{Zeitabhängigkeit wiederherstellen + \label{lambertw:subsubsection:ZeitabhWiederherst}} +Der erste Schritt ist es herauszufinden, wie die Zeitabhängigkeit wieder hineingebracht werden kann. Dafür greifen wir auf die letzte Gleichung zu, in welcher \(t\) noch enthalten war, und zwar DGL +\begin{equation} + x y^{\prime} + t - y + = 0 + \label{lambertw:eqDGLmitTnochmals} +\end{equation} +aus dem Abschnitt \eqref{lambertw:subsection:ZeitabhLoswerden}, welche zur Übersichtlichkeit hier nochmals aufgeführt wurde. +Wie in \eqref{lambertw:eqDGLmitTnochmals} zu sehen ist, werden \(y\) und deren Ableitung \(y^{\prime}\) benötigt, diese sind: +\begin{subequations} + \label{lambertw:eqFunkUndAbleit} + \begin{align} + \label{lambertw:eqFunkUndAbleit1} + y + &= + \frac{1}{4}\left(\left(y_0+r_0\right)\eta+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\left(\eta\right)-r_0+3y_0\right), \\ + y^\prime + &= + \frac{1}{2}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\frac{x}{x_0^2}+\left(y_0-r_0\right)\frac{1}{x}\biggr). + \end{align} +\end{subequations} + +Wenn man diese Gleichungen \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleit} in die DGL \eqref{lambertw:eqDGLmitTnochmals} einfügt, vereinfacht und nach \(t\) auflöst, dann ergibt sich der Ausdruck +\begin{equation} + -4t + = + \left(y_0+r_0\right)\left(\eta-1\right)+\left(r_0-y_0\right)\operatorname{ln}\left(\eta\right). + \label{lambertw:eqFunkUndAbleitEingefuegt} +\end{equation} + +\subsubsection{Umformungen die zur Funktion nach der Zeit führen + \label{lambertw:subsubsection:UmformBisZumZiel}} +Mit dem Ausdruck \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleitEingefuegt}, welcher Terme mit \(x\) und \(t\) verbindet, kann nun nach der gesuchten Variable \(x\) aufgelöst werden. + +In einem nächsten Schritt wird alles mit \(x\) auf die eine Seite gebracht, der Rest auf die andere Seite und anschliessend beidseitig exponenziert, sodass man +\begin{equation} + -4t+\left(y_0+r_0\right) + = + \left(y_0+r_0\right)\eta+\left(r_0-y_0\right)\operatorname{ln}\left(\eta\right) +\end{equation} +und anschliessend +\begin{equation} + e^{\displaystyle -4t+\left(y_0+r_0\right)} + = + e^{\displaystyle \left(y_0+r_0\right)\eta}\cdot\eta^{\displaystyle \left(r_0-y_0\right)} + \label{lambertw:eqMitExp} +\end{equation} +erhält. +Auf dem rechten Term von \eqref{lambertw:eqMitExp} beginnen wir langsam eine ähnliche Struktur wie \(\eta e^\eta\) zu erkennen, dies schreit nach der Struktur, die benötigt wird, um \(\eta\) mittels der Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) zu erhalten. Dies macht durchaus Sinn, wenn wir die Funktion \(x(t)\) finden wollen und \(W(x)\) die Umkehrfunktion von \(x e^x\) ist. + +Die erste Sache, die uns in \eqref{lambertw:eqMitExp} stört ist, dass \(\eta\) als Potenz da steht. Dieses Problem können wir loswerden, indem wir beidseitig mit \(\:1 / (r_0-y_0)\:\) potenzieren: +\begin{equation} + \operatorname{exp}\left(\displaystyle \frac{-4t}{r_0-y_0}+\frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\right) + = + \eta\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\eta\right). + \label{lambertw:eqOhnePotenz} +\end{equation} + +\subsubsection{Eine essenzielle Substitution + \label{lambertw:subsubsection:SubstChi}} +Das nächste Problem, auf welches wir in \eqref{lambertw:eqOhnePotenz} treffen, ist, dass \(\eta\) nicht alleine im Exponent steht. Dies kann elegant mit der Substitution +\begin{equation} + \chi + = + \frac{y_0+r_0}{r_0-y_0} + \label{lambertw:eqChiSubst} +\end{equation} +gelöst werden. +Es gäbe natürlich andere Substitutionen wie z.B. +\[\displaystyle \chi=\frac{y_0+r_0}{r_0-y_0}\cdot\eta,\] +die auf dasselbe Ergebnis führen würden, aber \eqref{lambertw:eqChiSubst} liefert in einem Schritt die kompakteste Lösung. Also fahren wir mit der Substitution \eqref{lambertw:eqChiSubst} weiter, setzen diese in die Gleichung \eqref{lambertw:eqOhnePotenz} ein und multiplizieren beidseitig mit \(\chi\). Daraus erhalten wir die Gleichung +\begin{equation} + \chi\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right) + = + \chi\eta\cdot e^{\displaystyle \chi\eta}. + \label{lambertw:eqNachSubst} +\end{equation} + +\subsubsection{Funktion nach der Zeit dank Lambert-\(W\) + \label{lambertw:subsubsection:LambertWundFvonT}} +Nun sind wir endlich soweit, dass wir die angedeutete Lambert-\(W\)-Funktion \(W(x)\) einsetzen können. Wenn wir beidseitig \(W(x)\) anwenden, dann erhalten wir den Ausdruck +\begin{equation} + W\left(\chi\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right) + = + \chi\eta. +\end{equation} +Nach dem Auflösen nach \(x\) welches in \(\eta\) enthalten ist, erhalten wir die gesuchte \(x(t)\)-Funktion \eqref{lambertw:eqFunkXNachT}. Dieses \(x(t)\) in Kombination mit \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleit1} liefert die Position des Verfolgers zu jedem Zeitpunkt. Das Gleichungspaar besteht also aus den Gleichungen +\begin{subequations} + \label{lambertw:eqFunktionenNachT} + \begin{align} + \label{lambertw:eqFunkXNachT} + x(t) + &= + x_0\cdot\sqrt{\frac{W\left(\chi\cdot \operatorname{exp}\left(\displaystyle \chi-\frac{4t}{r_0-y_0}\right)\right)}{\chi}}, \\ + \label{lambertw:eqFunkYNachT} + y(x(t)) + = + y(t) + &= + \frac{1}{4}\biggl(\left(y_0+r_0\right)\left(\frac{x(t)}{x_0}\right)^2+\left(y_0-r_0\right)\operatorname{ln}\biggl(\biggl(\frac{x(t)}{x_0}\biggr)^2\biggr)-r_0+3y_0\biggr). + \end{align} +\end{subequations} +Nun haben wir unser letztes Ziel erreicht und sind in der Lage eine Verfolgung rechnerisch sowie graphisch zu repräsentieren. + +\subsubsection{Hinweise zur Lambert-\(W\)-Funktion + \label{lambertw:subsubsection:HinwLambertW}} +Wir sind aber noch nicht ganz fertig, eine Frage muss noch beantwortet werden. Und zwar wieso man schon bei der Gleichung \eqref{lambertw:eqFunkUndAbleitEingefuegt} weiss, dass die Lambert-\(W\)-Funktion zum Einsatz kommen wird. +Nun, der Grund dafür ist die Struktur +\begin{equation} + y + = + p(x) +\operatorname{ln}(x), + \label{lambertw:eqEinsatzLambW} +\end{equation} +bei welcher \(p(x)\) eine beliebige Potenz von \(x\) darstellt. + +Jedes Mal wenn \(x\) gesucht ist und in einer Struktur der Art \eqref{lambertw:eqEinsatzLambW} vorkommt, dann kann mit ein paar Umformungen die Struktur \(f(x)e^{f(x)}\) erzielt werden. Wie bereits in diesem Abschnitt \ref{lambertw:subsection:FunkNachT} gezeigt wurde, kann \(x\) nun mittels der \(W(x)\)-Funktion aufgelöst werden. Erstaunlicherweise ist \eqref{lambertw:eqEinsatzLambW} eine Struktur die oft vorkommt, was die Lambert-\(W\)-Funktion so wichtig macht.
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b/buch/papers/nav/bilder/dreieck.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/ephe.png b/buch/papers/nav/bilder/ephe.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3f99a36 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/ephe.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/kugel1.png b/buch/papers/nav/bilder/kugel1.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..b3188b7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/kugel1.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/kugel2.png b/buch/papers/nav/bilder/kugel2.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..057740f --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/kugel2.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/kugel3.png b/buch/papers/nav/bilder/kugel3.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..97066a2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/kugel3.png diff --git a/buch/papers/nav/bilder/position1.pdf b/buch/papers/nav/bilder/position1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ba7755f --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/position1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/bilder/position2.pdf b/buch/papers/nav/bilder/position2.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3333dd4 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/position2.pdf diff --git a/buch/papers/nav/bilder/position3.pdf b/buch/papers/nav/bilder/position3.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fae0b85 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/position3.pdf diff --git a/buch/papers/nav/bilder/position4.pdf b/buch/papers/nav/bilder/position4.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..ac80c46 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/position4.pdf diff --git a/buch/papers/nav/bilder/position5.pdf b/buch/papers/nav/bilder/position5.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..afe120e --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/position5.pdf diff --git a/buch/papers/nav/bilder/projektion.png b/buch/papers/nav/bilder/projektion.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5dcc0c8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bilder/projektion.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/bsp.tex b/buch/papers/nav/bsp.tex new file mode 100644 index 0000000..ff01828 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bsp.tex @@ -0,0 +1,182 @@ +\section{Beispielrechnung} +\rhead{Beispielrechnung} + +\subsection{Einführung} +In diesem Abschnitt wird die Theorie vom Abschnitt 21.6 in einem Praxisbeispiel angewendet. +Wir haben die Deklination, Rektaszension, Höhe der beiden Planeten Deneb und Arktur und die Sternzeit von Greenwich als Ausgangslage. +Die Deklinationen und Rektaszensionen sind von einem vergangenen Datum und die Höhe der Gestirne und die Sternzeit wurden von unserem Dozenten digital in einer Stadt in Japan mit den Koordinaten 35.716672 N, 140.233336 E bestimmt. +Wir werden rechnerisch beweisen, dass wir mit diesen Ergebnissen genau auf diese Koordinaten kommen. +\subsection{Vorgehen} + +\begin{center} + \begin{tabular}{l l l} + 1. & Koordinaten der Bildpunkte der Gestirne bestimmen \\ + 2. & Dreiecke aufzeichnen und richtig beschriften\\ + 3. & Dreieck ABC bestimmmen\\ + 4. & Dreieck BPC bestimmen \\ + 5. & Dreieck ABP bestimmen \\ + 6. & Geographische Breite bestimmen \\ + 7. & Geographische Länge bestimmen \\ + \end{tabular} +\end{center} + +\subsection{Ausgangslage} +\begin{wrapfigure}{R}{5.6cm} + \includegraphics{papers/nav/bilder/position1.pdf} + \caption{Ausgangslage} +\end{wrapfigure} +Die Rektaszension und die Sternzeit sind in der Regeln in Stunden angegeben. +Für die Umrechnung in Grad kann folgender Zusammenhang verwendet werden: +\[ Stunden \cdot 15 = Grad\]. +Dies wurde hier bereits gemacht. +\begin{center} + \begin{tabular}{l l l} + Sternzeit $s$ & $118.610804^\circ$ \\ + Deneb&\\ + & Rektaszension $RA_{Deneb}$& $310.55058^\circ$ \\ + & Deklination $DEC_{Deneb}$& $45.361194^\circ$ \\ + & Höhe $h_c$ & $50.256027^\circ$ \\ + Arktur &\\ + & Rektaszension $RA_{Arktur}$& $214.17558^\circ$ \\ + & Deklination $DEC_{Arktur}$& $19.063222^\circ$ \\ + & Höhe $h_b$ & $47.427444^\circ$ \\ + \end{tabular} +\end{center} +\subsection{Koordinaten der Bildpunkte} +Als erstes benötigen wir die Koordinaten der Bildpunkte von Arktur und Deneb. +$\delta$ ist die Breite, $\lambda$ die Länge. +\begin{align} +\delta_{Deneb}&=DEC_{Deneb} = \underline{\underline{45.361194^\circ}} \nonumber \\ +\lambda_{Deneb}&=RA_{Deneb} - s = 310.55058^\circ -118.610804^\circ =\underline{\underline{191.939776^\circ}} \nonumber \\ +\delta_{Arktur}&=DEC_{Arktur} = \underline{\underline{19.063222^\circ}} \nonumber \\ +\lambda_{Arktur}&=RA_{Arktur} - s = 214.17558^\circ -118.610804^\circ = \underline{\underline{5.5647759^\circ}} \nonumber +\end{align} + + +\subsection{Dreiecke definieren} +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=6cm]{papers/nav/bilder/beispiele1.pdf} + \includegraphics[width=6cm]{papers/nav/bilder/beispiele2.pdf} + \caption{Arktur-Deneb; Spica-Altiar} +\end{center} +\end{figure} +Das Festlegen der Dreiecke ist essenziell für die korrekten Berechnungen. +Ein Problem, welches in der Theorie nicht berücksichtigt wurde ist, dass der Punkt $P$ nicht zwingend unterhalb der Seite $a$ sein muss. +Wenn man das nicht berücksichtigt, erhält man falsche oder keine Ergebnisse. +In der Realität weiss man jedoch ungefähr auf welchem Breitengrad man ist, so kann man relativ einfach entscheiden, ob der eigene Standort über $a$ ist oder nicht. +Beim unserem genutzten Paar Arktur-Deneb ist dies kein Problem, da der Punkt unterhalb der Seite $a$ liegt. +Würde man aber das Paar Altair-Spica nehmen, liegt $P$ über $a$ (vgl. Abbildung 21.11) und man müsste trigonometrisch anders vorgehen. + +\subsection{Dreieck $ABC$} +\begin{wrapfigure}{R}{5.6cm} + \includegraphics{papers/nav/bilder/position2.pdf} + \caption{Dreieck ABC} +\end{wrapfigure} +Nun berechnen wir alle Seitenlängen $a$, $b$, $c$ und die Innnenwinkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$ +Wir können $b$ und $c$ mit den geltenten Zusammenhängen des nautischen Dreiecks wie folgt bestimmen: +\begin{align} + b=90^\circ-DEC_{Deneb} = 90^\circ - 45.361194^\circ = \underline{\underline{44.638806^\circ}}\nonumber \\ + c=90^\circ-DEC_{Arktur} = 90^\circ - 19.063222^\circ = \underline{\underline{70.936778^\circ}} \nonumber +\end{align} +Um $a$ zu bestimmen, benötigen wir zuerst den Winkel \[\alpha= RA_{Deneb} - RA_{Arktur} = 310.55058^\circ -214.17558^\circ = \underline{\underline{96.375^\circ}}.\] +Danach nutzen wir den sphärischen Winkelkosinussatz, um $a$ zu berechnen: +\begin{align} + a &= \cos^{-1}(\cos(b) \cdot \cos(c) + \sin(b) \cdot \sin(c) \cdot \cos(\alpha)) \nonumber \\ + &= \cos^{-1}(\cos(44.638806) \cdot \cos(70.936778) + \sin(44.638806) \cdot \sin(70.936778) \cdot \cos(96.375)) \nonumber \\ + &= \underline{\underline{80.8707801^\circ}} \nonumber +\end{align} +Für $\beta$ und $\gamma$ nutzen wir den sphärischen Seitenkosinussatz: +\begin{align} + \beta &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(b)-\cos(a) \cdot \cos(c)}{\sin(a) \cdot \sin(c)}\bigg] \nonumber \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(44.638806)-\cos(80.8707801) \cdot \cos(70.936778)}{\sin(80.8707801) \cdot \sin(70.936778)}\bigg] \nonumber \\ + &= \underline{\underline{45.0115314^\circ}} \nonumber +\end{align} + + \begin{align} + \gamma &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(c)-\cos(b) \cdot \cos(a)}{\sin(a) \cdot \sin(b)}\bigg] \nonumber \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(70.936778)-\cos(44.638806) \cdot \cos(80.8707801)}{\sin(80.8707801) \cdot \sin(44.638806)}\bigg] \nonumber \\ + &=\underline{\underline{72.0573328^\circ}} \nonumber +\end{align} +\subsection{Dreieck $BPC$} +\begin{wrapfigure}{R}{5.6cm} + \includegraphics{papers/nav/bilder/position3.pdf} + \caption{Dreieck BPC} +\end{wrapfigure} +Als nächstes berechnen wir die Seiten $h_b$, $h_c$ und die Innenwinkel $\beta_1$ und $\gamma_1$. +\begin{align} + h_b&=90^\circ - h_b \nonumber \\ + &= 90^\circ - 47.42744^\circ \nonumber \\ + &= \underline{\underline{42.572556^\circ}} \nonumber +\end{align} +\begin{align} + h_c &= 90^\circ - h_c \nonumber \\ + &= 90^\circ - 50.256027^\circ \nonumber \\ + &= \underline{\underline{39.743973^\circ}} \nonumber +\end{align} +\begin{align} + \beta_1 &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_c)-\cos(a) \cdot \cos(h_b)}{\sin(a) \cdot \sin(h_b)}\bigg] \nonumber \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(39.743973)-\cos(80.8707801) \cdot \cos(42.572556)}{\sin(80.8707801) \cdot \sin(42.572556)}\bigg] \nonumber \\ + &=\underline{\underline{12.5211127^\circ}} \nonumber +\end{align} +\begin{align} + \gamma_1 &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_b)-\cos(a) \cdot \cos(h_c)}{\sin(a) \cdot \sin(h_c)}\bigg] \nonumber \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(42.572556)-\cos(80.8707801) \cdot \cos(39.743973)}{\sin(80.8707801) \cdot \sin(39.743973)}\bigg] \nonumber \\ + &=\underline{\underline{13.2618475^\circ}} \nonumber +\end{align} + +\subsection{Dreieck $ABP$} +\begin{wrapfigure}{R}{5.6cm} + \includegraphics{papers/nav/bilder/position4.pdf} + \caption{Dreieck ABP} +\end{wrapfigure} +Als erster müssen wir den Winkel $\beta_2$ berechnen: +\begin{align} + \beta_2 &= \beta + \beta_1 = 45.011513^\circ + 12.5211127^\circ \nonumber \\ + &=\underline{\underline{44.6687451^\circ}} \nonumber +\end{align} +Danach können wir mithilfe von $\beta_2$, $c$ und $h_b$ die Seite $l$ berechnen: +\begin{align} + l &= \cos^{-1}(\cos(c) \cdot \cos(h_b) + \sin(c) \cdot \sin(h_b) \cdot \cos(\beta_2)) \nonumber \\ + &= \cos^{-1}(\cos(70.936778) \cdot \cos(42.572556) + \sin(70.936778) \cdot \sin(42.572556) \cdot \cos(57.5326442)) \nonumber \\ + &= \underline{\underline{54.2833404^\circ}} \nonumber +\end{align} +Damit wir gleich den Längengrad berechnen können, benötigen wir noch den Winkel $\omega$: +\begin{align} + \omega &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_b)-\cos(c) \cdot \cos(l)}{\sin(c) \cdot \sin(l)}\bigg] \nonumber \\ + &=\cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(42.572556)-\cos(70.936778) \cdot \cos(54.2833404)}{\sin(70.936778) \cdot \sin(54.2833404)}\bigg] \nonumber \\ + &= \underline{\underline{44.6687451^\circ}} \nonumber +\end{align} + +\subsection{Längengrad und Breitengrad bestimmen} + +\begin{align} + \delta &= 90^\circ - l \nonumber \\ + &= 90^\circ - 54.2833404 \nonumber \\ + &= \underline{\underline{35.7166596^\circ}} \nonumber +\end{align} +\begin{align} + \lambda &= \lambda_{Arktur} + \omega \nonumber \\ + &= 95.5647759^\circ + 44.6687451^\circ \nonumber \\ + &= \underline{\underline{140.233521^\circ}} \nonumber +\end{align} +Wie wir sehen, stimmen die berechneten Koordinaten mit den Koordinaten des Punktes, an welchem gemessen wurde überein. + +\subsection{Fazit} +Die theoretische Anleitung im Abschnitt 21.6 scheint grundsätzlich zu funktionieren. +Allerdings gab es zwei interessante Probleme. + +Einerseits das Problem, ob der Punkt P sich oberhalb oder unterhalb von $a$ befindet. +Da wir eigentlich wussten, wo der gesuchte Punkt P ist, konnten wir das Dreieck anhand der Koordinaten der Bildpunkte richtig aufstellen. +In der Praxis muss man aber schon wissen, auf welchem Breitengrad man ungefähr ist. +Dies weis man in der Regeln aber, da die eigene Breite die Höhe des Polarsterns ist. +Diese Höhe wird mit dem Sextant gemessen. + +Andererseits ist da noch ein Problem mit dem Sinussatz. +Beim Sinussatz gibt es immer zwei Lösungen, weil \[ \sin(\pi-a)=\sin(a).\] +Da kann es sein (und war in unserem Fall auch so), dass man das falsche Ergebnis erwischt. +Durch diese Erkenntnis haben wir nur Kosinussätze verwendet und dies ebenfalls im Abschnitt 21.6 abgeändert, da es für den Leser auch relevant sein kann, wenn er es Probieren möchte. + + + + diff --git a/buch/papers/nav/bsp2.tex b/buch/papers/nav/bsp2.tex new file mode 100644 index 0000000..8d9083b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/bsp2.tex @@ -0,0 +1,236 @@ +\section{Beispielrechnung} +\rhead{Beispielrechnung} + +\subsection{Einführung} +In diesem Abschnitt wird die Theorie vom Abschnitt \ref{sta} in einem Praxisbeispiel angewendet. +Wir haben die Deklination, Rektaszension, Höhe der beiden Planeten Deneb und Arktur und die Sternzeit von Greenwich als Ausgangslage. +Die Deklinationen und Rektaszensionen sind von einem vergangenen Datum und die Höhe der Gestirne und die Sternzeit wurden digital in einer Stadt in Japan mit den Koordinaten 35.716672 N, 140.233336 E bestimmt. +Wir werden nachrechnen, dass wir mit unserer Methode genau auf diese Koordinaten kommen. +\subsection{Vorgehen} +Unser Vorgehen erschliesst sich aus unserer Methode, die wir im Abschnitt \ref{p} theoretisch erklärt haben. +\begin{compactenum} +\item +Koordinaten der Bildpunkte der Gestirne bestimmen +\item +Dreiecke aufzeichnen und richtig beschriften +\item +Dreieck ABC bestimmmen +\item +Dreieck BPC bestimmen +\item +Dreieck ABP bestimmen +\item +Geographische Breite bestimmen +\item +Geographische Länge bestimmen +\end{compactenum} + +\subsection{Ausgangslage} +\hbox to\textwidth{% +\begin{minipage}{8.4cm} +Die Rektaszension und die Sternzeit sind in der Regel in Stunden angegeben. +Für die Umrechnung in Grad kann folgender Zusammenhang verwendet werden: +\[ +\text{Stunden} \cdot 15 = \text{Grad}. +\] +Dies wurde hier bereits gemacht. +\begin{center} +\begin{tabular}{l l >{$}l<{$}} +Sternzeit $s$ & $118.610804^\circ$ \\ +Deneb &\\ + & Rektaszension $RA_{\text{Deneb}}$ & 310.55058^\circ\\ + & Deklination $DEC_{\text{Deneb}}$ & \phantom{0}45.361194^\circ \\ + & Höhe $h_c$ & \phantom{0}50.256027^\circ \\ +Arktur &\\ + & Rektaszension $RA_{\text{Arktur}}$& 214.17558^\circ \\ + & Deklination $DEC_{\text{Arktur}}$ & \phantom{0}19.063222^\circ \\ + & Höhe $h_b$ & \phantom{0}47.427444^\circ \\ +\end{tabular} +\end{center} +\end{minipage}% +\hfill% +\raisebox{-2cm}{\includegraphics{papers/nav/bilder/position1.pdf}}% +} +\medskip + +\subsection{Koordinaten der Bildpunkte} +Als erstes benötigen wir die Koordinaten der Bildpunkte von Arktur und Deneb. +$\delta$ ist die Breite, $\lambda$ die Länge. +\begin{align} +\delta_{\text{Deneb}}&=DEC_{\text{Deneb}} = \underline{\underline{45.361194^\circ}} \nonumber \\ +\lambda_{\text{Deneb}}&=RA_{\text{Deneb}} - s = 310.55058^\circ -118.610804^\circ =\underline{\underline{191.939776^\circ}} \nonumber \\ +\delta_{\text{Arktur}}&=DEC_{\text{Arktur}} = \underline{\underline{19.063222^\circ}} \nonumber \\ +\lambda_{\text{Arktur}}&=RA_{\text{Arktur}} - s = 214.17558^\circ -118.610804^\circ = \underline{\underline{5.5647759^\circ}} \nonumber +\end{align} + + +\subsection{Dreiecke definieren} +\begin{figure} +\hbox{% +\includegraphics{papers/nav/bilder/beispiele1.pdf}% +\hfill% +\includegraphics{papers/nav/bilder/beispiele2.pdf}} +\caption{Arktur-Deneb; Spica-Altiar +\label{nav:beispiele}} +\end{figure} +Das Festlegen der Dreiecke ist essenziell für die korrekten Berechnungen. +Ein Problem, welches in der Theorie nicht berücksichtigt wurde ist, dass der Punkt $P$ nicht zwingend unterhalb der Seite $a$ sein muss. +Wenn man das nicht berücksichtigt, erhält man falsche oder keine Ergebnisse. +In der Realität weiss man jedoch ungefähr auf welchem Breitengrad man ist, so kann man relativ einfach entscheiden, ob der eigene Standort über $a$ ist oder nicht. +Beim unserem genutzten Paar Arktur-Deneb ist dies kein Problem, da der Punkt unterhalb der Seite $a$ liegt. +Würde man aber das Paar Altair-Spica nehmen, liegt $P$ über $a$ +(vgl. Abbildung\ref{nav:beispiele}) und man müsste trigonometrisch +anders vorgehen. + +\subsection{Dreieck $ABC$} +\vspace*{-3mm} +\hbox to\textwidth{% +\begin{minipage}{8.4cm}% +Nun berechnen wir alle Seitenlängen $a$, $b$, $c$ und die +Innnenwinkel $\alpha$, $\beta$ und $\gamma$. +Wir können $b$ und $c$ mit den geltenten Zusammenhängen des nautischen Dreiecks wie folgt bestimmen: +\begin{align*} +b +&= +90^\circ-DEC_{\text{Deneb}} += +90^\circ - 45.361194^\circ +\\ +&= +\underline{\underline{44.638806^\circ}} +\\ +c +&= +90^\circ-DEC_{\text{Arktur}} += +90^\circ - 19.063222^\circ +\\ +&= +\underline{\underline{70.936778^\circ}} +\end{align*} +\end{minipage}% +\hfill% +\raisebox{-2.4cm}{\includegraphics{papers/nav/bilder/position2.pdf}}% +} +Um $a$ zu bestimmen, benötigen wir zuerst den Winkel +\begin{align*} +\alpha +&= +RA_{\text{Deneb}} - RA_{\text{Arktur}} += +310.55058^\circ -214.17558^\circ +\\ +&= +\underline{\underline{96.375^\circ}}. +\end{align*} +Danach nutzen wir den sphärischen Winkelkosinussatz, um $a$ zu berechnen: +\begin{align*} + a &= \cos^{-1}(\cos(b) \cdot \cos(c) + \sin(b) \cdot \sin(c) \cdot \cos(\alpha)) \\ + &= \cos^{-1}(\cos(44.638806^\circ) \cdot \cos(70.936778^\circ) + \sin(44.638806^\circ) \cdot \sin(70.936778^\circ) \cdot \cos(96.375^\circ)) \\ + &= \underline{\underline{80.8707801^\circ}} +\end{align*} +Für $\beta$ und $\gamma$ nutzen wir den sphärischen Seitenkosinussatz: +\begin{align*} + \beta &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(b)-\cos(a) \cdot \cos(c)}{\sin(a) \cdot \sin(c)}\bigg] \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(44.638806^\circ)-\cos(80.8707801^\circ) \cdot \cos(70.936778^\circ)}{\sin(80.8707801^\circ) \cdot \sin(70.936778^\circ)}\bigg] \\ + &= \underline{\underline{45.0115314^\circ}} +\\ +\gamma &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(c)-\cos(b) \cdot \cos(a)}{\sin(a) \cdot \sin(b)}\bigg] \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(70.936778^\circ)-\cos(44.638806^\circ) \cdot \cos(80.8707801^\circ)}{\sin(80.8707801^\circ) \cdot \sin(44.638806^\circ)}\bigg] \\ + &=\underline{\underline{72.0573328^\circ}} +\end{align*} + + + +\subsection{Dreieck $BPC$} +\vspace*{-4mm} +\hbox to\textwidth{% +\begin{minipage}{8.4cm}% +Als nächstes berechnen wir die Seiten $h_B$, $h_B$ und die Innenwinkel $\beta_1$ und $\gamma_1$. +\begin{align*} +h_B&=90^\circ - pbb + = 90^\circ - 47.42744^\circ \\ + &= \underline{\underline{42.572556^\circ}} +\\ + h_C &= 90^\circ - pc + = 90^\circ - 50.256027^\circ \\ + &= \underline{\underline{39.743973^\circ}} +\end{align*} +\end{minipage}% +\hfill% +\raisebox{-2.8cm}{\includegraphics{papers/nav/bilder/position3.pdf}}% +} +\begin{align*} +\beta_1 &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_c)-\cos(a) \cdot \cos(h_B)}{\sin(a) \cdot \sin(h_B)}\bigg] \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(39.743973^\circ)-\cos(80.8707801^\circ) \cdot \cos(42.572556^\circ)}{\sin(80.8707801^\circ) \cdot \sin(42.572556^\circ)}\bigg] \\ + &=\underline{\underline{12.5211127^\circ}} +\\ +\gamma_1 &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_b)-\cos(a) \cdot \cos(h_C)}{\sin(a) \cdot \sin(h_C)}\bigg] \\ + &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(42.572556^\circ)-\cos(80.8707801^\circ) \cdot \cos(39.743973^\circ)}{\sin(80.8707801^\circ) \cdot \sin(39.743973^\circ)}\bigg] \\ + &=\underline{\underline{13.2618475^\circ}} +\end{align*} + +\subsection{Dreieck $ABP$} +\vspace*{-2mm} +\hbox to\textwidth{% +\begin{minipage}{8.4cm}% +Als erstes müssen wir den Winkel $\beta_2$ berechnen: +\begin{align*} + \beta_2 &= \beta + \beta_1 = 45.011513^\circ + 12.5211127^\circ \\ + &=\underline{\underline{44.6687451^\circ}} +\end{align*} +Danach können wir mithilfe von $\beta_2$, $c$ und $h_B$ die Seite $l$ berechnen: +\begin{align*} +l +&= +\cos^{-1}(\cos(c) \cdot \cos(h_B) + + \sin(c) \cdot \sin(h_B) \cdot \cos(\beta_2)) \\ +&= +\cos^{-1}(\cos(70.936778^\circ) \cdot \cos(42.572556^\circ)\\ +&\qquad + \sin(70.936778^\circ) \cdot \sin(42.572556^\circ) \cdot \cos(57.5326442^\circ)) \\ +&= \underline{\underline{54.2833404^\circ}} +\end{align*} +\end{minipage}% +\hfill% +\raisebox{-2.0cm}{\includegraphics{papers/nav/bilder/position4.pdf}}% +} + +\medskip + +Damit wir gleich den Längengrad berechnen können, benötigen wir noch den Winkel $\omega$: +\begin{align*} + \omega &= \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(h_B)-\cos(c) \cdot \cos(l)}{\sin(c) \cdot \sin(l)}\bigg] \\ + &=\cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(42.572556^\circ)-\cos(70.936778^\circ) \cdot \cos(54.2833404^\circ)}{\sin(70.936778^\circ) \cdot \sin(54.2833404^\circ)}\bigg] \\ + &= \underline{\underline{44.6687451^\circ}} +\end{align*} + +\subsection{Längengrad und Breitengrad bestimmen} + +\begin{align*} +\delta &= 90^\circ - l & + \lambda &= \lambda_{\text{Arktur}} + \omega \\ +&= 90^\circ - 54.2833404 & + &= 95.5647759^\circ + 44.6687451^\circ \\ +&= \underline{\underline{35.7166596^\circ}} & + &= \underline{\underline{140.233521^\circ}} +\end{align*} +Wie wir sehen, stimmen die berechneten Koordinaten mit den Koordinaten des Punktes, an welchem gemessen wurde überein. + +\subsection{Fazit} +Die theoretische Anleitung im Abschnitt \ref{sta} scheint grundsätzlich zu funktionieren. +Allerdings gab es zwei interessante Probleme. + +Einerseits das Problem, ob der Punkt $P$ sich oberhalb oder unterhalb von $a$ befindet. +Da wir eigentlich wussten, wo der gesuchte Punkt $P$ ist, konnten wir das Dreieck anhand der Koordinaten der Bildpunkte richtig aufstellen. +In der Praxis muss man aber schon wissen, auf welchem Breitengrad man ungefähr ist. +Dies weis man in der Regeln aber, da die eigene Breite die Höhe des Polarsterns ist. +Diese Höhe wird mit dem Sextant gemessen. + +Andererseits ist da noch ein Problem mit dem Sinussatz. +Beim Sinussatz gibt es immer zwei Lösungen, weil \[ \sin(\pi-a)=\sin(a).\] +Da kann es sein (und war in unserem Fall auch so), dass man das falsche Ergebnis erwischt. +Wegen dieser Erkenntnis haben wir nur Kosinussätze verwendet und dies ebenfalls im Abschnitt \ref{sta} abgeändert, da es für den Leser auch relevant sein kann, wenn er es Probieren möchte. + + + + diff --git a/buch/papers/nav/einleitung.tex b/buch/papers/nav/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..c778d5c --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/einleitung.tex @@ -0,0 +1,10 @@ + + +\section{Einleitung} +\rhead{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 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 new file mode 100644 index 0000000..9745cdc --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/flatearth.tex @@ -0,0 +1,28 @@ + + +\section{Warum ist die Erde nicht flach?} +\rhead{Warum ist die Erde nicht flach?} +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/projektion.png} + \caption[Mercator Projektion]{Mercator Projektion} + \label{merc} + \end{center} +\end{figure} + +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 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. + +Der Kartograph Gerhard Mercator projizierte die Erdkugel wie in Abbildung \ref{merc} 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. + 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 new file mode 100644 index 0000000..39bfbcf --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/Makefile @@ -0,0 +1,130 @@ +# +# Makefile to build images +# +# (c) 2022 +# +all: dreiecke3d + +dreieck.pdf: dreieck.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck.tex + +dreieckdata.tex: pk.m + octave pk.m + +DREIECKE = \ + dreieck1.pdf \ + dreieck2.pdf \ + dreieck3.pdf \ + dreieck4.pdf \ + dreieck5.pdf \ + dreieck6.pdf \ + dreieck7.pdf + +dreiecke: $(DREIECKE) + +dreieck1.pdf: dreieck1.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck1.tex + +dreieck2.pdf: dreieck2.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck2.tex + +dreieck3.pdf: dreieck3.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck3.tex + +dreieck4.pdf: dreieck4.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck4.tex + +dreieck5.pdf: dreieck5.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck5.tex + +dreieck6.pdf: dreieck6.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck6.tex + +dreieck7.pdf: dreieck7.tex dreieckdata.tex macros.tex + pdflatex dreieck7.tex + +DREIECKE3D = \ + dreieck3d1.pdf \ + dreieck3d2.pdf \ + dreieck3d3.pdf \ + dreieck3d4.pdf \ + dreieck3d5.pdf \ + dreieck3d6.pdf \ + dreieck3d7.pdf \ + dreieck3d8.pdf + +dreiecke3d: $(DREIECKE3D) + +POVRAYOPTIONS = -W1080 -H1080 +#POVRAYOPTIONS = -W480 -H480 + +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 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 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 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 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 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 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 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 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..1f91809 --- /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..0dfae2f --- /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,scale=0.8125] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=6.5cm]{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..4b28f2f --- /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..04c1e4d --- /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,scale=0.8125] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=6.5cm]{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..049ccdf --- /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..81dc037 --- /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)+(-1.8,0.13)$) + rectangle + ($(dSpica)+(-0.06,0.60)$); + \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] + ($(dAltair)+(0.10,0.10)$) + rectangle + ($(dAltair)+(2.0,0.60)$); + \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] + ($(dArktur)+(-1.8,0.10)$) + rectangle + ($(dArktur)+(-0.06,0.55)$); + \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] + ($(dDeneb)+(0.05,0.60)$) + rectangle + ($(dDeneb)+(1.87,0.10)$); + \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 new file mode 100644 index 0000000..7b861de --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/common.inc @@ -0,0 +1,35 @@ +// +// 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> + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck.tex new file mode 100644 index 0000000..55f6a81 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck.tex @@ -0,0 +1,68 @@ +% +% dreieck.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +\def\punktbeschriftung{ + \node at (A) [above] {$A$}; + \node at (B) [left] {$B$}; + \node at (C) [right] {$C$}; + \node at (P) [below] {$P$}; +} + +\winkelKappa{gray} + +\winkelAlpha{red} +\winkelGamma{blue} +\winkelBeta{darkgreen} + +\winkelOmega{gray} +\winkelBetaEins{brown} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +\seiteA{black} + +\seiteL{gray} +\seitePB{gray} +\seitePC{gray} + +\draw[line width=1.4pt] \kanteAB; +\draw[line width=1.4pt] \kanteAC; +\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=gray] \kanteBP; +\draw[color=gray] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{gray}; + +\punktbeschriftung + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck1.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5bdf23d --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck1.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck1.tex new file mode 100644 index 0000000..436314c --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck1.tex @@ -0,0 +1,59 @@ +% +% dreieck.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +\winkelAlpha{red} +\winkelGamma{blue} +\winkelBeta{darkgreen} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +\seiteA{black} + +%\seiteL{gray} +\seitePB{gray} +\seitePC{gray} + +\draw[line width=1.4pt] \kanteAB; +\draw[line width=1.4pt] \kanteAC; +%\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=gray] \kanteBP; +\draw[color=gray] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{gray}; + +\node at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node[color=gray] at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck2.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck2.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..a872b25 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck2.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck2.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck2.tex new file mode 100644 index 0000000..99aabb7 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck2.tex @@ -0,0 +1,59 @@ +% +% dreieck2.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +%\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +%\seiteA{black} + +%\seiteL{gray} +\seitePB{gray} +\seitePC{gray} + +\draw[line width=1.4pt] \kanteAB; +\draw[line width=1.4pt] \kanteAC; +%\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=gray] \kanteBP; +\draw[color=gray] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{gray}; + +\node at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node[color=gray] at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..65070c6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3.tex new file mode 100644 index 0000000..0cf5363 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3.tex @@ -0,0 +1,59 @@ +% +% dreieck.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +%\seiteA{black} + +%\seiteL{gray} +\seitePB{gray} +\seitePC{gray} + +\draw[line width=1.4pt] \kanteAB; +\draw[line width=1.4pt] \kanteAC; +%\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=gray] \kanteBP; +\draw[color=gray] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{gray}; + +\node at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node[color=gray] at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..fecaece --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov new file mode 100644 index 0000000..336161c --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.pov @@ -0,0 +1,61 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (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) + seite(A, C, fett) + punkt(A, fett) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fein) + seite(B, P, fein) + seite(C, P, fein) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, B, C, fein, gross) + pigment { + color rot + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(B, C, A, fein, gross) + pigment { + color gruen + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(C, A, B, fein, gross) + pigment { + color blau + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.tex new file mode 100644 index 0000000..799b21a --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d1.tex @@ -0,0 +1,53 @@ +% +% 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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d1.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + 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 differnew file mode 100644 index 0000000..28af5fe --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov new file mode 100644 index 0000000..9e57d22 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.pov @@ -0,0 +1,28 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +kugel(kugeldunkel) + +union { + seite(A, B, fett) + seite(B, C, fett) + seite(A, C, fett) + punkt(A, fett) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fein) + seite(B, P, fein) + seite(C, P, fein) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.tex new file mode 100644 index 0000000..0f6e10c --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d2.tex @@ -0,0 +1,53 @@ +% +% dreieck3d2.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d2.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +%\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +%\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +%\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +%\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..4fc4fc1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov new file mode 100644 index 0000000..bde780b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.pov @@ -0,0 +1,39 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +kugel(kugeldunkel) + +union { + seite(A, B, fett) + seite(B, C, fett) + seite(A, C, fett) + punkt(A, fett) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fein) + seite(B, P, fein) + seite(C, P, fein) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, B, C, fein, gross) + pigment { + color rot + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.tex new file mode 100644 index 0000000..a047b1b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d3.tex @@ -0,0 +1,53 @@ +% +% dreieck3d3.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d3.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +%\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +%\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +%\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..0d57fc2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov new file mode 100644 index 0000000..08f266b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.pov @@ -0,0 +1,39 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +kugel(kugelfarbe) + +union { + seite(A, B, fein) + seite(A, C, fein) + punkt(A, fein) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + seite(B, C, fett) + seite(B, P, fett) + seite(C, P, fett) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(B, C, P, fein, gross) + pigment { + color rgb<0.6,0.4,0.2> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.tex new file mode 100644 index 0000000..d49fb66 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d4.tex @@ -0,0 +1,54 @@ +% +% dreieck3d4.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d4.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +%\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +%\node at (2.6,1.5) {$b$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +%\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +%\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +%\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; +\node at (-2.3,-1.5) {$\beta_1$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..a5dd0ae --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov new file mode 100644 index 0000000..1aac0dc --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.pov @@ -0,0 +1,28 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +kugel(kugeldunkel) + +union { + seite(A, B, fein) + seite(A, C, fein) + punkt(A, fein) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + seite(B, C, fett) + seite(B, P, fett) + seite(C, P, fett) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.tex new file mode 100644 index 0000000..8011b37 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d5.tex @@ -0,0 +1,53 @@ +% +% dreieck3d5.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d5.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +%\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +%\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +%\node at (2.6,1.5) {$b$}; + +\node at (-2.6,-2.2) 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b/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.tex new file mode 100644 index 0000000..bbca2ca --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d6.tex @@ -0,0 +1,55 @@ +% +% dreieck3d6.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d6.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +%\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; +\node at (-0.7,0.3) {$l$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +%\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +%\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +%\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; +\node at (-2.4,-0.6) {$\kappa$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov new file mode 100644 index 0000000..45dc5d6 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.pov @@ -0,0 +1,41 @@ +// +// dreiecke3d.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +kugel(kugeldunkel) + +union { + seite(A, C, fett) + seite(A, P, fett) + seite(C, P, fett) + + seite(A, B, fein) + seite(B, C, fein) + seite(B, P, fein) + punkt(A, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + punkt(B, fein) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, P, C, fein, gross) + pigment { + color rgb<0.4,0.4,1> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.tex new file mode 100644 index 0000000..4027a8b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d7.tex @@ -0,0 +1,55 @@ +% +% dreieck3d7.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d7.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; +\node at (-0.7,0.3) {$l$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +%\node at (0.7,3) {$\alpha$}; +%\node at (-2.5,-0.5) {$\beta$}; +%\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; +\node at (0.8,3.1) {$\omega$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..f24ea33 --- /dev/null +++ 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 differnew file mode 100644 index 0000000..da3b110 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov new file mode 100644 index 0000000..dae7f67 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.pov @@ -0,0 +1,97 @@ +// +// dreiecke3d8.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +union { + seite(A, B, fett) + seite(B, C, fett) + seite(A, C, fett) + seite(A, P, fein) + seite(B, P, fett) + seite(C, P, fett) + punkt(A, fett) + punkt(B, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, B, C, fein, klein) + pigment { + color rot + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(B, C, A, fein, klein) + pigment { + color gruen + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(C, A, B, fein, gross) + pigment { + color blau + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(A, P, C, fein/2, gross) + pigment { + color rgb<0.8,0,0.8> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(B, P, C, fein, klein) + pigment { + color rgb<1,0.8,0> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(B, P, A, fein/2, gross) + pigment { + color rgb<0.4,0.6,0.8> + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +dreieck(A, B, C, White) + +kugel(kugeldunkel) + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.tex new file mode 100644 index 0000000..c59c7b0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d8.tex @@ -0,0 +1,57 @@ +% +% dreieck3d8.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{4} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=8cm]{dreieck3d8.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]; +}{} + +\node at (0.7,3.8) {$A$}; +\node at (-3.4,-0.8) {$B$}; +\node at (3.3,-2.1) {$C$}; +\node at (-1.4,-3.5) {$P$}; + +\node at (-1.9,2.1) {$c$}; +\node at (-0.2,-1.2) {$a$}; +\node at (2.6,1.5) {$b$}; +\node at (-0.8,0) {$l$}; + +\node at (-2.6,-2.2) {$p_b$}; +\node at (1,-2.9) {$p_c$}; + +\node at (0.7,3.3) {$\alpha$}; +\node at (0.8,2.85) {$\omega$}; +\node at (-2.6,-0.6) {$\beta$}; +\node at (2.3,-1.2) {$\gamma$}; +\node at (-2.6,-1.3) {$\beta_1$}; +\node at (-2.1,-0.8) {$\kappa$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck3d9.pov b/buch/papers/nav/images/dreieck3d9.pov new file mode 100644 index 0000000..24d3843 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck3d9.pov @@ -0,0 +1,66 @@ +// +// dreiecke3d8.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#include "common.inc" + +//union { +// seite(A, B, fein) +// seite(B, C, fein) +// seite(A, C, fein) +// seite(A, P, fein) +// seite(B, P, fett) +// seite(C, P, fett) +// punkt(A, fein) +// punkt(B, fett) +// punkt(C, fett) +// punkt(P, fett) +// pigment { +// color dreieckfarbe +// } +// finish { +// specular 0.95 +// metallic +// } +//} + +//dreieck(A, B, C, White) + +kugel(kugeltransparent) + +ebenerwinkel(O, C, P, 0.01, 1.001, rot) +ebenerwinkel(P, C, P, 0.01, 0.3, rot) +komplement(P, C, P, 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b/buch/papers/nav/images/dreieck4.tex @@ -0,0 +1,64 @@ +% +% dreieck4.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +%\winkelKappa{gray} + +%\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +%\winkelOmega{gray} +\winkelBetaEins{brown} + +%\seiteC{gray} +%\seiteB{gray} +%\seiteL{gray} + +\seiteA{black} +\seitePB{black} +\seitePC{black} + +\draw[color=gray] \kanteAB; +\draw[color=gray] \kanteAC; +%\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteBP; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{gray}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{black}; + +\node[color=gray] at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck5.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck5.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..cf686e0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck5.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck5.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck5.tex new file mode 100644 index 0000000..d1117d1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck5.tex @@ -0,0 +1,64 @@ +% +% dreieck4.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +%\winkelKappa{gray} + +%\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +%\winkelOmega{gray} +%\winkelBetaEins{brown} + +%\seiteC{gray} +%\seiteB{gray} +%\seiteL{gray} + +%\seiteA{black} +\seitePB{black} +\seitePC{black} + +\draw[color=gray] \kanteAB; +\draw[color=gray] \kanteAC; +%\draw[color=gray] \kanteAP; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteBC; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteBP; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{gray}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{black}; + +\node[color=gray] at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck6.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck6.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7efd673 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck6.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck6.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck6.tex new file mode 100644 index 0000000..87db1c2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck6.tex @@ -0,0 +1,64 @@ +% +% dreieck6.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +\winkelKappa{gray} + +%\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +%\winkelOmega{gray} +%\winkelBetaEins{brown} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +%\seiteA{gray} + +\seiteL{black} +\seitePB{black} +\seitePC{black} + +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteAB; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteAC; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteAP; +%\draw[color=gray] \kanteBC; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteBP; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{black}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{black}; + +\node at (A) [above] {$A$}; +\node at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck7.pdf b/buch/papers/nav/images/dreieck7.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..aa83e28 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck7.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieck7.tex b/buch/papers/nav/images/dreieck7.tex new file mode 100644 index 0000000..f084708 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieck7.tex @@ -0,0 +1,64 @@ +% +% dreieck.tex -- sphärische Dreiecke für Positionsbestimmung +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math,calc} +\begin{document} + +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} + +\def\skala{1} + +\def\punkt#1#2{ + \fill[color=#2] #1 circle[radius=0.08]; +} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\input{dreieckdata.tex} +\input{macros.tex} + +%\winkelKappa{gray} + +%\winkelAlpha{red} +%\winkelGamma{blue} +%\winkelBeta{darkgreen} + +\winkelOmega{gray} +%\winkelBetaEins{brown} + +\seiteC{black} +\seiteB{black} +\seiteA{gray} + +\seiteL{black} +\seitePB{gray} +\seitePC{black} + +\draw[color=gray] \kanteAB; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteAC; +\draw[color=black,line width=1.4pt] \kanteAP; +\draw[color=gray] \kanteBC; +\draw[color=gray] \kanteBP; +\draw[line width=1.4pt] \kanteCP; + +\punkt{(A)}{black}; +\punkt{(B)}{gray}; +\punkt{(C)}{black}; +\punkt{(P)}{black}; + +\node at (A) [above] {$A$}; +\node[color=gray] at (B) [left] {$B$}; +\node at (C) [right] {$C$}; +\node at (P) [below] {$P$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/dreieckdata.tex b/buch/papers/nav/images/dreieckdata.tex new file mode 100644 index 0000000..c0fb720 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/dreieckdata.tex @@ -0,0 +1,16 @@ +\coordinate (P) at (0.0000,0.0000); +\coordinate (A) at (1.0000,8.0000); +\coordinate (B) at (-3.0000,3.0000); +\coordinate (C) at (4.0000,4.0000); +\def\kanteAB{(1.0000,8.0000) arc (114.77514:167.90524:7.1589)} +\def\kanteBA{(-3.0000,3.0000) arc (167.90524:114.77514:7.1589)} +\def\kanteAC{(1.0000,8.0000) arc (63.43495:10.30485:5.5902)} +\def\kanteCA{(4.0000,4.0000) arc (10.30485:63.43495:5.5902)} +\def\kanteAP{(1.0000,8.0000) arc (146.30993:199.44003:9.0139)} +\def\kantePA{(0.0000,0.0000) arc (199.44003:146.30993:9.0139)} +\def\kanteBC{(-3.0000,3.0000) arc (-95.90614:-67.83365:14.5774)} +\def\kanteCB{(4.0000,4.0000) arc (-67.83365:-95.90614:14.5774)} +\def\kanteBP{(-3.0000,3.0000) arc (-161.56505:-108.43495:4.7434)} +\def\kantePB{(0.0000,0.0000) arc (-108.43495:-161.56505:4.7434)} +\def\kanteCP{(4.0000,4.0000) arc (-30.96376:-59.03624:11.6619)} +\def\kantePC{(0.0000,0.0000) arc (-59.03624:-30.96376:11.6619)} 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/macros.tex b/buch/papers/nav/images/macros.tex new file mode 100644 index 0000000..69a620d --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/macros.tex @@ -0,0 +1,54 @@ +\def\winkelAlpha#1{ + \begin{scope} + \clip (A) circle[radius=1.1]; + \fill[color=#1!20] \kanteAB -- \kanteCA -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(A)+(222:0.82)$) {$\alpha$}; +} + +\def\winkelOmega#1{ + \begin{scope} + \clip (A) circle[radius=0.7]; + \fill[color=#1!20] \kanteAP -- \kanteCA -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(A)+(285:0.50)$) {$\omega$}; +} + +\def\winkelGamma#1{ + \begin{scope} + \clip (C) circle[radius=1.0]; + \fill[color=#1!20] \kanteCA -- \kanteBC -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(C)+(155:0.60)$) {$\gamma$}; +} + +\def\winkelKappa#1{ + \begin{scope} + \clip (B) circle[radius=1.2]; + \fill[color=#1!20] \kanteBP -- \kanteAB -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(B)+(15:1.00)$) {$\kappa$}; +} + +\def\winkelBeta#1{ + \begin{scope} + \clip (B) circle[radius=0.8]; + \fill[color=#1!20] \kanteBC -- \kanteAB -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(B)+(35:0.40)$) {$\beta$}; +} + +\def\winkelBetaEins#1{ + \begin{scope} + \clip (B) circle[radius=0.8]; + \fill[color=#1!20] \kanteBP -- \kanteCB -- cycle; + \end{scope} + \node[color=#1] at ($(B)+(330:0.60)$) {$\beta_1$}; +} + +\def\seiteC#1{ \node[color=#1] at (-1.9,5.9) {$c$}; } +\def\seiteB#1{ \node[color=#1] at (3.2,6.5) {$b$}; } +\def\seiteL#1{ \node[color=#1] at (-0.2,4.5) {$l$}; } +\def\seiteA#1{ \node[color=#1] at (2,3) {$a$}; } +\def\seitePB#1{ \node[color=#1] at (-2.1,1) {$p_b$}; } +\def\seitePC#1{ \node[color=#1] at (2.5,1.5) {$p_c$}; } diff --git a/buch/papers/nav/images/pk.m b/buch/papers/nav/images/pk.m new file mode 100644 index 0000000..6e89e9a --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/pk.m @@ -0,0 +1,55 @@ +# +# pk.m -- Punkte und Kanten für sphärisches Dreieck +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +A = [ 1, 8 ]; +B = [ -3, 3 ]; +C = [ 4, 4 ]; +P = [ 0, 0 ]; + +global fn; +fn = fopen("dreieckdata.tex", "w"); + +fprintf(fn, "\\coordinate (P) at (%.4f,%.4f);\n", P(1,1), P(1,2)); +fprintf(fn, "\\coordinate (A) at (%.4f,%.4f);\n", A(1,1), A(1,2)); +fprintf(fn, "\\coordinate (B) at (%.4f,%.4f);\n", B(1,1), B(1,2)); +fprintf(fn, "\\coordinate (C) at (%.4f,%.4f);\n", C(1,1), C(1,2)); + +function retval = seite(A, B, l, nameA, nameB) + global fn; + d = fliplr(B - A); + d(1, 2) = -d(1, 2); + # Zentrum + C = 0.5 * (A + B) + l * d; + # Radius: + r = hypot(C(1,1)-A(1,1), C(1,2)-A(1,2)) + # Winkel von + winkelvon = atan2(A(1,2)-C(1,2),A(1,1)-C(1,1)); + # Winkel bis + winkelbis = atan2(B(1,2)-C(1,2),B(1,1)-C(1,1)); + if (abs(winkelvon - winkelbis) > pi) + if (winkelbis < winkelvon) + winkelbis = winkelbis + 2 * pi + else + winkelvon = winkelvon + 2 * pi + end + end + # Kurve + fprintf(fn, "\\def\\kante%s%s{(%.4f,%.4f) arc (%.5f:%.5f:%.4f)}\n", + nameA, nameB, + A(1,1), A(1,2), winkelvon * 180 / pi, winkelbis * 180 / pi, r); + fprintf(fn, "\\def\\kante%s%s{(%.4f,%.4f) arc (%.5f:%.5f:%.4f)}\n", + nameB, nameA, + B(1,1), B(1,2), winkelbis * 180 / pi, winkelvon * 180 / pi, r); +endfunction + +seite(A, B, -1, "A", "B"); +seite(A, C, 1, "A", "C"); +seite(A, P, -1, "A", "P"); +seite(B, C, -2, "B", "C"); +seite(B, P, -1, "B", "P"); +seite(C, P, 2, "C", "P"); + +fclose(fn); 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$};} 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+\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 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b/buch/papers/nav/images/position/position3-small.tex @@ -0,0 +1,51 @@ +% +% position3-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]{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 + 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+\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]{position4.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 +\labelP + +\labelc +\labell +\labelhb + +\labelomegalinks +\labelbetatwo + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position4.pdf 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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]{position5.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 +\labelC +\labelP + +\labelb +\labell +\labelhc + +\labelomegarechts +\labelgammatwo + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position5.pdf b/buch/papers/nav/images/position/position5.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..05a64cb --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position5.pdf diff --git a/buch/papers/nav/images/position/position5.pov b/buch/papers/nav/images/position/position5.pov new file mode 100644 index 0000000..7ed33c5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/position5.pov @@ -0,0 +1,69 @@ +// +// position5.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +// +#version 3.7; +#include "common.inc" + +dreieck(A, P, C, kugelfarbe) + +union { + punkt(A, fett) + punkt(C, fett) + punkt(P, fett) + pigment { + color dreieckfarbe + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +union { + seite(A, P, fett) + pigment { + color unbekannt + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + + +union { + seite(A, C, fett) + seite(C, P, fett) + pigment { + color bekannt + } + finish { + specular 0.95 + metallic + } +} + +object { + winkel(C, P, A, fein, 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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 +\labelC +\labelP + +\labelb +\labell +\labelhc + +\labelomegarechts +\labelgammatwo + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/nav/images/position/test.tex b/buch/papers/nav/images/position/test.tex new file mode 100644 index 0000000..3247ed1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/images/position/test.tex @@ -0,0 +1,135 @@ +% +% test.tex +% +% (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[12pt]{article} +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[T1]{fontenc} +\usepackage{etex} +\usepackage[ngerman]{babel} +\usepackage{times} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amsthm} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{wrapfig} +\begin{document} + +\begin{wrapfigure}{R}{5.6cm} +\includegraphics{position1-small.pdf} +\end{wrapfigure} +Lorem ipsum dolor sit amet, consectetuer adipiscing elit. +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. Cras id dui. +Aenean ut eros et nisl sagittis vestibulum. Nullam nulla eros, +ultricies sit amet, nonummy id, imperdiet feugiat, pede. Sed lectus. +Donec mollis hendrerit risus. Phasellus nec sem in justo pellentesque +facilisis. Etiam imperdiet imperdiet orci. Nunc nec neque. Phasellus +leo dolor, tempus non, auctor et, hendrerit quis, nisi. Curabitur +ligula sapien, tincidunt non, euismod vitae, posuere imperdiet, +leo. Maecenas malesuada. Praesent congue erat at massa. Sed cursus +turpis vitae tortor. Donec posuere vulputate arcu. Phasellus accumsan +cursus velit. Vestibulum ante ipsum primis in faucibus orci luctus +et ultrices posuere cubilia Curae; Sed aliquam, nisi quis porttitor +congue, elit erat euismod orci, ac placerat dolor lectus quis orci. +Phasellus consectetuer vestibulum elit. + +\begin{wrapfigure}{R}{5.2cm} +\includegraphics{position4-small.pdf} +\end{wrapfigure} +Aenean tellus metus, bibendum sed, posuere ac, mattis non, nunc. +Vestibulum fringilla pede sit amet augue. In turpis. Pellentesque +posuere. Praesent turpis. Aenean posuere, tortor sed cursus feugiat, +nunc augue blandit nunc, eu sollicitudin urna dolor sagittis lacus. +Donec elit libero, sodales nec, volutpat a, suscipit non, turpis. +Nullam sagittis. Suspendisse pulvinar, augue ac venenatis condimentum, +sem libero volutpat nibh, nec pellentesque velit pede quis nunc. +Vestibulum ante ipsum primis in faucibus orci luctus et ultrices +posuere cubilia Curae; Fusce id purus. Ut varius tincidunt libero. +Phasellus dolor. Maecenas vestibulum mollis diam. 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 +ut purus mattis mauris + +\end{document} diff --git a/buch/papers/nav/main.tex b/buch/papers/nav/main.tex index e11e2c0..f993559 100644 --- a/buch/papers/nav/main.tex +++ b/buch/papers/nav/main.tex @@ -3,34 +3,21 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:nav}} -\lhead{Thema} +\chapter{Sphärische Navigation\label{chapter:nav}} +\lhead{Sphärische Navigation} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} +\chapterauthor{Enez Erdem und Marc Kühne} -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/nav/teil0.tex} -\input{papers/nav/teil1.tex} -\input{papers/nav/teil2.tex} -\input{papers/nav/teil3.tex} + +\input{papers/nav/einleitung.tex} +\input{papers/nav/flatearth.tex} +\input{papers/nav/sincos.tex} +\input{papers/nav/trigo.tex} +\input{papers/nav/nautischesdreieck.tex} +\input{papers/nav/bsp2.tex} + \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} + diff --git a/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex b/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex new file mode 100644 index 0000000..32d1b8b --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/nautischesdreieck.tex @@ -0,0 +1,172 @@ +\section{Das Nautische Dreieck} +\rhead{Das nautische Dreieck} +\subsection{Definition des Nautischen Dreiecks} +Die Himmelskugel ist eine gedachte Kugel, welche die Erde und dessen Beobachter umgibt und als Rechenfläche für Koordinaten in der Astronomie und Geodäsie dient. +Der Zenit ist jener Punkt, der vom Erdmittelpunkt durch denn eigenen Standort an die Himmelskugel verlängert wird. +Als Gestirne kommen Sterne und Planeten in Frage, zu welchen in diversen Jahrbüchern die für die Navigation nötigen Daten publiziert sind. +Der Himmelspol ist der Nordpol an die Himmelskugel projiziert. +Das nautische Dreieck hat die Ecken Zenit, Gestirn und Himmelspol, wie man in der Abbildung \ref{naut} sehen kann. + +Ursprünglich ist das nautische Dreieck ein Hilfsmittel der sphärischen Astronomie um die momentane Position eines Fixsterns oder Planeten an der Himmelskugel zu bestimmen. + +\subsection{Das Bilddreieck} +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=8cm]{papers/nav/bilder/kugel3.png} + \caption[Nautisches Dreieck]{Nautisches Dreieck} + \label{naut} + \end{center} +\end{figure} + 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 des nautischen Dreiecks auf die Erdkugel hat die Ecken Nordpol, Standort und Bildpunkt. + +\section{Standortbestimmung ohne elektronische Hilfsmittel} +\label{sta} +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 \ref{ephe} erklärt. +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/dreieck.pdf} + \caption[Dreieck für die Standortbestimmung]{Dreieck für die Standortbestimmung} + \label{d1} + \end{center} +\end{figure} + + + + +\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 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 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 \ref{d1}. +\subsection{Ephemeriden} +\label{ephe} +Zu all diesen Gestirnen gibt es Ephemeridentabellen. +Diese Tabellen enthalten die Rektaszensionen und Deklinationen in Abhängigkeit von der Zeit. + +\begin{figure} + \begin{center} + \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 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. + +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 $\theta$. +Mit dieser können wir die schnellere Drehung der Himmelskugel ausgleichen. +Die Sternzeit geht vom Frühlungspunkt aus, an welchem die Sonne den Himmelsäquator schneidet und $\theta=0$ ist. +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 nachschlagen lässt. +Im Anschluss berechnet man die Sternzeit von Greenwich + +\[\theta = 6^h 41^m 50^s.54841 + 8640184^s.812866 \cdot T + 0^s.093104 \cdot T^2 - 0^s.0000062 \cdot T^3.\] + +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 vom Horizont zum Gestirn gemessen. +Man benutzt ihn vor allem für die astronomische Navigation auf See. + +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=10cm]{papers/nav/bilder/sextant.jpg} + \caption[Sextant]{Sextant} + \end{center} +\end{figure} +\subsection{Bestimmung des eigenen Standortes $P$} \label{p} +Wir nehmen die Abbildung \ref{d2} zur Hilfe. +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 $ABP$. +Auf diese Dreiecke 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=8cm]{papers/nav/bilder/dreieck.pdf} + \caption[Dreieck für die Standortbestimmung]{Dreieck für die Standortbestimmung} + \label{d2} + \end{center} +\end{figure} + +\subsubsection{Dreieck $ABC$} + +\begin{center} + \begin{tabular}{ l l l } + Ecke && Name \\ + \hline + $A$ && Nordpol \\ + $B$ && Bildpunkt des Gestirns $X$ \\ + $C$&& Bildpunkt des Gestirns $Y$ + \end{tabular} +\end{center} + +Mit unserem erlangten Wissen können wir nun alle Seiten des Dreiecks $ABC$ berechnen. +Dazu sind die folgenden vorbereiteten Berechnungen nötigt: + +\begin{enumerate} + \item Die Seite vom Nordpol zum Bildpunkt $X$ sei $c$, dann ist $c = \frac{\pi}{2} - \delta_1$. + \item Die Seite vom Nordpol zum Bildpunkt $Y$ sei $b$, dann ist $b = \frac{\pi}{2} - \delta_2$. + \item Der Innenwinkel bei der Ecke, wo der Nordpol ist sei $\alpha$, dann ist $ \alpha = |\lambda_1 - \lambda_2|$. +\end{enumerate} + +mit +\begin{center} + \begin{tabular}{ l l l } + Ecke && Name \\ + \hline + $\delta_1$ && 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} + +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 Kosinussatzes: \[\beta=\cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(b)-\cos(a) \cdot \cos(c)}{\sin(a) \cdot \sin(c)}\bigg]\] und \[\gamma = \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(c)-\cos(b) \cdot \cos(a)}{\sin(a) \cdot \sin(b)}\bigg]\]. + +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 $P$. +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 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. + +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 des Standorts zwischen $P$ und $A$ ziehen. 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 nutzt man den Winkel $\omega$, welcher sich im Dreieck $ACP$ in der Ecke bei $A$ befindet. +Mithilfe des Kosinussatzes können wir \[\omega = \cos^{-1} \bigg[\frac{\cos(pb)-\cos(c) \cdot \cos(l)}{\sin(c) \cdot \sin(l)}\bigg]\] berechnen und bekommen schlussendlich die geographische Länge +\[\lambda=\lambda_1 - \omega,\] +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 9faa48d..bedaccd 100644 --- a/buch/papers/nav/packages.tex +++ b/buch/papers/nav/packages.tex @@ -8,3 +8,5 @@ % following example %\usepackage{packagename} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{cancel} diff --git a/buch/papers/nav/references.bib b/buch/papers/nav/references.bib index 236323b..c67aaac 100644 --- a/buch/papers/nav/references.bib +++ b/buch/papers/nav/references.bib @@ -32,4 +32,10 @@ pages = {607--627}, url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} } +@online{nav:winkel, + editor={Unbekannt}, + title = {Sphärische Trigonometrie}, + year={2022}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Sphärische_Trigonometrie} +} diff --git a/buch/papers/nav/sincos.tex b/buch/papers/nav/sincos.tex new file mode 100644 index 0000000..b64d100 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/sincos.tex @@ -0,0 +1,24 @@ + + + +\section{Sphärische Navigation und Winkelfunktionen} +\rhead{Sphärische Navigation und Winkelfunktionen} +Es gibt Hinweise, dass sich schon die Babylonier und Ägypter vor 4000 Jahren mit Problemen der sphärischen Trigonometrie beschäftigt haben, um den Lauf von Gestirnen zu berechnen. +Jedoch konnten sie dieses Problem nicht lösen. +Die Geschichte der sphärischen Trigonometrie ist daher eng mit der Astronomie verknüpft. Ca. 350 BCE dachten die Griechen über Kugelgeometrie nach, sie wurde damit zu einer Hilfswissenschaft der Astronomen. + +Zwischen 190 v. Chr. und 120 v. Chr. lebte ein griechischer Astronom namens Hipparchos. +Dieser entwickelte unter anderem die Chordentafeln, welche die Chordfunktionen, auch Chord genannt, beinhalten. +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. + +Die Definition der trigonometrischen Funktionen aus Griechenland ermöglicht nur, rechtwinklige Dreiecke zu berechnen. +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 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/teil0.tex b/buch/papers/nav/teil0.tex deleted file mode 100644 index f3323a9..0000000 --- a/buch/papers/nav/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{nav: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{nav: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/nav/teil1.tex b/buch/papers/nav/teil1.tex deleted file mode 100644 index 996202f..0000000 --- a/buch/papers/nav/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{nav: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{nav: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{nav: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{nav: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{nav: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/nav/teil2.tex b/buch/papers/nav/teil2.tex deleted file mode 100644 index 5a52e03..0000000 --- a/buch/papers/nav/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{nav: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{nav: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/nav/teil3.tex b/buch/papers/nav/teil3.tex deleted file mode 100644 index 2b5d2d5..0000000 --- a/buch/papers/nav/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{nav: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{nav: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/nav/trigo.tex b/buch/papers/nav/trigo.tex new file mode 100644 index 0000000..483b612 --- /dev/null +++ b/buch/papers/nav/trigo.tex @@ -0,0 +1,140 @@ + +\section{Sphärische Trigonometrie} +\rhead{Sphärische Trigonometrie} + +\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. + +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 $AMB$, 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. + +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 $3\pi$ aber grösser als 0 ist. +$A$, $B$ und $C$ sind die Ecken des Dreiecks und dessen Seiten sind die Grosskreisbögen zwischen den Eckpunkten (siehe Abbildung \ref{kugel}). + +\begin{figure} + \begin{center} + \includegraphics[width=3.5cm]{papers/nav/bilder/kugel1.png} + \caption[Das Kugeldreieck]{Das Kugeldreieck} + \label{kugel} + \end{center} + +\end{figure} + +\subsection{Rechtwinkliges Dreieck und rechtseitiges Dreieck} +In der sphärischen Trigonometrie gibt es eine Symmetrie zwischen Seiten und Winkeln, 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 \ref{recht} sehen kann. + +\begin{figure} + + \begin{center} + \includegraphics[width=5cm]{papers/nav/bilder/recht.jpg} + \caption[Rechtseitiges und rechtwinkliges Kugeldreieck]{Rechtseitiges und rechtwinkliges Kugeldreieck} + \label{recht} + \end{center} +\end{figure} + +\subsection{Winkelsumme und Flächeninhalt} +\label{trigo} +%\begin{figure} ----- Brauche das Bild eigentlich nicht! + +% \begin{center} +% \includegraphics[width=8cm]{papers/nav/bilder/kugel2.png} +% \caption[Winkelangabe im Kugeldreieck]{Winkelangabe im Kugeldreieck} +% \end{center} +%\end{figure} + + +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{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} + \epsilon = \alpha+\beta+\gamma - \pi \nonumber +\end{align} +beschreibt die Abweichung der Innenwinkelsumme von $\pi$ und ist proportional zum Flächeninhalt des Kugeldreiecks. + +\subsubsection{Flächeninnhalt} +Mithilfe des Radius $r$ und dem sphärischen Exzess $\epsilon$ gilt für den Flächeninhalt +\[ F=\frac{\pi \cdot r^2}{\frac{\pi}{2}} \cdot \epsilon = 2 \cdot r^2 \cdot \epsilon.\] + +In diesem Kapitel sind keine Begründungen für die erhaltenen Resultate im Abschnitt \ref{trigo} zu erwarten und können in der Referenz \cite{nav:winkel} nachgeschlagen werden. +\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 einen Satz, der alle drei Seiten eines rechtwinkligen Kugeldreiecks in eine Beziehung bringt. Dieser Satz gilt jedoch nicht für das rechtseitige Kugeldreieck. +Die Approximation im nächsten Abschnitt wird erklären, warum man dies als eine Form des Satzes des Pythagoras sehen kann. +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. + +\subsubsection{Sphärischer Satz des Pythagoras} +Die Korrespondenz \[ a^2 \approx 1- \cos(a)\] liefert unter anderem einen entsprechenden Satz des Pythagoras, nämlich + +\begin{align*} + \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 ebene Satz des Pythagoras. + +\subsubsection{Sphärischer Sinussatz} +Den sphärischen Sinussatz +\begin{align} + \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(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} + + +
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/parzyl/images/Makefile b/buch/papers/parzyl/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..4bd13ec --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/Makefile @@ -0,0 +1,16 @@ +# +# Makefile to build 3d images +# +# (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +# + +all: halfplane.pdf + +halfplane.pdf: halfplane.tex halfplane.jpg + pdflatex halfplane.tex +halfplane.png: halfplane.pov + povray +A0.1 -W1920 -H1080 -Ohalfplane.png halfplane.pov +halfplane.jpg: halfplane.png Makefile + convert -extract 1280x1080+340+0 halfplane.png \ + -density 300 -units PixelsPerInch halfplane.jpg + diff --git a/buch/papers/parzyl/images/common.inc b/buch/papers/parzyl/images/common.inc new file mode 100644 index 0000000..28aed2b --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/common.inc @@ -0,0 +1,64 @@ +// +// common.inc -- some common useful tools for drawing 3d images +// +// (c) 2018 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +// + +// +// draw a right angle quarter circle at point <o> with legs <v1> and <v2> and +// color <c> +// +#declare rechterwinkelradius = 0.5; +#declare rechterwinkelthickness = 0.01; +#macro rechterwinkel(o, v1, v2, c) +intersection { + sphere { o, rechterwinkelradius } + #declare rnormale = vnormalize(vcross(v1, v2)); + plane { rnormale, vdot(o, rnormale) + rechterwinkelthickness * rechterwinkelradius / 0.5 } + plane { -rnormale, -vdot(o, rnormale) + rechterwinkelthickness * rechterwinkelradius / 0.5 } + plane { -v1, -vdot(o, v1) } + plane { -v2, -vdot(o, v2) } + pigment { + color c + } +} +sphere { o + 0.45 * (vnormalize(v1) +vnormalize(v2)) * rechterwinkelradius, + 0.05 * rechterwinkelradius / 0.5 + pigment { + color c + } +} +#end + +// +// 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 + diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..8cb5ae3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.jpg diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7275810 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pdf diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..5beefa0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.png diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov new file mode 100644 index 0000000..419bb67 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.pov @@ -0,0 +1,201 @@ +// +// 3dimage.pov +// +// (c) 2022 Prof Dr Andreas Müller +// +#version 3.7; +#include "colors.inc" +#include "skies.inc" +#include "common.inc" + +global_settings { + assumed_gamma 1 +} + +#declare imagescale = 0.63; +#declare ar = 0.02; + +#declare Cameracenter = <5,3,-4>; +#declare Worldpoint = <0,-0.80, 0>; +#declare Lightsource = < 7,10,-3>; +#declare Lightdirection = vnormalize(Lightsource - Worldpoint); +#declare Lightaxis1 = vnormalize(vcross(Lightdirection, <0,1,0>)); +#declare Lightaxis2 = vnormalize(vcross(Lightaxis1, Lightdirection)); + +camera { + location Cameracenter + look_at Worldpoint + right 16/9 * x * imagescale + up y * imagescale +} + +light_source { + Lightsource color White + area_light Lightaxis1 Lightaxis2, 10, 10 + adaptive 1 + jitter +} + +sky_sphere { + pigment { + color White + } +} + +arrow( <-2.1, 0, 0 >, < 2.2, 0, 0 >, ar, White) +arrow( < 0, -1.1, 0 >, < 0, 1.3, 0 >, ar, White) +arrow( < 0, 0, -2 >, < 0, 0, 2.2 >, ar, White) + +#declare planecolor = rgb<0.2,0.6,1.0>; +#declare r = 0.01; + +#macro planebox() + box { <-2.1,-1.1,-2.1>, <0,1.1,2.1> } +#end + +intersection { + plane { <0, 0, 1>, 0.001 } + plane { <0, 0, -1>, 0.001 } + planebox() + pigment { + color planecolor transmit 0.3 + } + finish { + metallic + specular 0.95 + } +} + +#declare Xstep = 0.2; + +intersection { + union { + #declare X = 0; + #while (X > -2.5) + cylinder { <X,-3,0>, <X,+3,0>, r } + #declare X = X - Xstep; + #end + + #declare Y = Xstep; + #while (Y < 2.5) + cylinder { <-3, Y, 0>, <0, Y, 0>, r } + cylinder { <-3, -Y, 0>, <0, -Y, 0>, r } + #declare Y = Y + Xstep; + #end + } + planebox() + pigment { + color planecolor + } + finish { + metallic + specular 0.95 + } +} + +#declare parammin = -4; +#declare parammax = 4; +#declare paramsteps = 100; +#declare paramstep = (parammax - parammin) / paramsteps; + +#macro punkt(sigma, tau, Z) + < + 0.5 * (tau*tau - sigma*sigma) + Z, + sigma * tau, + > +#end + +#macro sigmasurface(sigma, farbe) + #declare taumin1 = 2/sigma; + #declare taumin2 = sqrt(4+sigma*sigma); + #if (taumin1 > taumin2) + #declare taumin = -taumin2; + #else + #declare taumin = -taumin1; + #end + + mesh { + #declare tau = taumin; + #declare taumax = -taumin; + #declare taustep = (taumax - taumin) / paramsteps; + #while (tau < taumax - taustep/2) + triangle { + punkt(sigma, tau, -1), + punkt(sigma, tau, 0), + punkt(sigma, tau + taustep, -1) + } + triangle { + punkt(sigma, tau + taustep, -1), + punkt(sigma, tau + taustep, 0), + punkt(sigma, tau, 0) + } + #declare tau = tau + taustep; + #end + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + } + + union { + #declare tau = taumin; + #declare taumax = -taumin; + #declare taustep = (taumax - taumin) / paramsteps; + #while (tau < taumax - taustep/2) + sphere { punkt(sigma, tau, 0), r } + cylinder { + punkt(sigma, tau, 0), + punkt(sigma, tau + taustep, 0), + r + } + #declare tau = tau + taustep; + #end + sphere { punkt(sigma, tau, 0), r } + pigment { + color farbe + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } + + } +#end + +#declare greensurfacecolor = rgb<0.6,1.0,0.6>; +#declare redsurfacecolor = rgb<1.0,0.6,0.6>; + +sigmasurface(0.25, greensurfacecolor) +sigmasurface(0.5, greensurfacecolor) +sigmasurface(0.75, greensurfacecolor) +sigmasurface(1, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.25, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.5, greensurfacecolor) +sigmasurface(1.75, greensurfacecolor) +sigmasurface(2, greensurfacecolor) + +union { + sigmasurface(0.25, redsurfacecolor) + sigmasurface(0.5, redsurfacecolor) + sigmasurface(0.75, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.00, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.25, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.5, redsurfacecolor) + sigmasurface(1.75, redsurfacecolor) + sigmasurface(2, redsurfacecolor) + rotate <0, 180, 0> +} + +box { <-2,-1,-2>, <2,-0.99,2> + pigment { + color rgb<1.0,0.8,0.6> transmit 0.8 + } + finish { + specular 0.9 + metallic + } +} diff --git a/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex new file mode 100644 index 0000000..e470057 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/images/halfplane.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +% +% halfplane.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} + +\newboolean{showgrid} +\setboolean{showgrid}{false} +\def\breite{5} +\def\hoehe{4} + +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick] + +% Povray Bild +\node at (0,0) {\includegraphics[width=10cm]{halfplane.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]; +}{} + +\node at (0,3.7) {$z$}; +\node at (3.3,-0.3) {$x$}; +\node at (2.7,2.5) {$y$}; + +\end{tikzpicture} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/parzyl/img/D_plot.png b/buch/papers/parzyl/img/D_plot.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..6c61eea --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/img/D_plot.png diff --git a/buch/papers/parzyl/img/koordinaten.png b/buch/papers/parzyl/img/koordinaten.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..3ee582d --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/img/koordinaten.png diff --git a/buch/papers/parzyl/img/plane.pdf b/buch/papers/parzyl/img/plane.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..c52c336 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/img/plane.pdf diff --git a/buch/papers/parzyl/img/v_plot.png b/buch/papers/parzyl/img/v_plot.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..7cd5455 --- /dev/null +++ b/buch/papers/parzyl/img/v_plot.png diff --git a/buch/papers/parzyl/main.tex b/buch/papers/parzyl/main.tex index ff21c9f..fd2aea7 100644 --- a/buch/papers/parzyl/main.tex +++ b/buch/papers/parzyl/main.tex @@ -6,31 +6,13 @@ \chapter{Parabolische Zylinderfunktionen\label{chapter:parzyl}} \lhead{Parabolische Zylinderfunktionen} \begin{refsection} -\chapterauthor{Thierry Schwaller, Alain Keller} +\chapterauthor{Alain Keller und Thierry Schwaller} + -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/parzyl/teil0.tex} \input{papers/parzyl/teil1.tex} \input{papers/parzyl/teil2.tex} \input{papers/parzyl/teil3.tex} - \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/parzyl/references.bib b/buch/papers/parzyl/references.bib index 494ff7c..390d5ed 100644 --- a/buch/papers/parzyl/references.bib +++ b/buch/papers/parzyl/references.bib @@ -33,3 +33,36 @@ url = {https://doi.org/10.1016/j.acha.2017.11.004} } +@book{parzyl:whittaker, + place={Cambridge}, + edition={4}, + series={Cambridge Mathematical Library}, + title={A Course of Modern Analysis}, + DOI={10.1017/CBO9780511608759}, + publisher={Cambridge University Press}, + author={Whittaker, E. T. and Watson, G. N.}, + year={1996}, + collection={Cambridge Mathematical Library}} + +@book{parzyl:abramowitz-stegun, + added-at = {2008-06-25T06:25:58.000+0200}, + address = {New York}, + author = {Abramowitz, Milton and Stegun, Irene A.}, + edition = {ninth Dover printing, tenth GPO printing}, + interhash = {d4914a420f489f7c5129ed01ec3cf80c}, + intrahash = {23ec744709b3a776a1af0a3fd65cd09f}, + keywords = {Handbook}, + publisher = {Dover}, + timestamp = {2008-06-25T06:25:58.000+0200}, + title = {Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables}, + year = 1972 +} + +@online{parzyl:coordinates, + title = {Parabolic cylindrical coordinates}, + url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Parabolic_cylindrical_coordinates}, + date = {2022-08-17}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {17} +}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/parzyl/teil0.tex b/buch/papers/parzyl/teil0.tex index 09b4024..8be936d 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil0.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil0.tex @@ -3,20 +3,249 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 0\label{parzyl: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{parzyl: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. +\section{Einleitung\label{parzyl:section:teil0}} +\rhead{Einleitung} +%Die Laplace-Gleichung ist eine wichtige Gleichung in der Physik. +%Mit ihr lässt sich zum Beispiel das elektrische Feld in einem ladungsfreien Raum bestimmen. +%In diesem Kapitel wird die Lösung der Laplace-Gleichung im +%parabolischen Zylinderkoordinatensystem genauer untersucht. +Die Helmholtz-Gleichung ist eine wichtige Gleichung in der Physik. +Mit ihr lässt sich zum Beispiel das Verhalten von elektromagnetischen Wellen beschreiben. +In diesem Kapitel werden die Lösungen der Helmholtz-Gleichung im parabolischen Zylinderkoordinatensystem, +die parabolischen Zylinderfunktionen, genauer untersucht. + +\subsection{Helmholtz-Gleichung} +Die partielle Differentialgleichung +\begin{equation} + \Delta f = \lambda f +\end{equation} +ist als Helmholtz-Gleichung bekannt und beschreibt das Eigenwert Problem für den Laplace-Operator. +Sie ist eine der Gleichungen welche auftritt wenn die Wellengleichung +\begin{equation} + \left ( \nabla^2 - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2} \right ) u(\textbf{r},t) + = + 0 +\end{equation} +mit Hilfe von Separation +\begin{equation} + u(\textbf{r},t) = A(\textbf{r})T(t) +\end{equation} +in zwei Differentialgleichungen aufgeteilt wird. Die Helmholtz-Gleichung ist der Teil, +welcher zeitunabhängig ist +\begin{equation} + \nabla^2 A(\textbf{r}) = \lambda A(\textbf{r}). +\end{equation} + +%\subsection{Laplace Gleichung} +%Die partielle Differentialgleichung +%\begin{equation} +% \Delta f = 0 +%\end{equation} +%ist als Laplace-Gleichung bekannt. +%Sie ist eine spezielle Form der Poisson-Gleichung +%\begin{equation} +% \Delta f = g +%\end{equation} +%mit $g$ als beliebiger Funktion. +%In der Physik hat die Laplace-Gleichung in verschiedenen Gebieten +%verwendet, zum Beispiel im Elektromagnetismus. +%Das Gaussche Gesetz in den Maxwellgleichungen +%\begin{equation} +% \nabla \cdot E = \frac{\varrho}{\epsilon_0} +%\label{parzyl:eq:max1} +%\end{equation} +%besagt, dass die Divergenz eines elektrischen Feldes an einem +%Punkt gleich der Ladungsdichte an diesem Punkt ist. +%Das elektrische Feld ist hierbei der Gradient des elektrischen +%Potentials +%\begin{equation} +% \nabla \phi = E. +%\end{equation} +%Eingesetzt in \eqref{parzyl:eq:max1} resultiert +%\begin{equation} +% \nabla \cdot \nabla \phi = \Delta \phi = \frac{\varrho}{\epsilon_0}, +%\end{equation} +%was eine Poisson-Gleichung ist. +%An ladungsfreien Stellen ist der rechte Teil der Gleichung $0$. +\subsection{Parabolische Zylinderkoordinaten +\label{parzyl:subsection:finibus}} +Das parabolischen Zylinderkoordinatensystem \cite{parzyl:coordinates} ist ein krummliniges Koordinatensystem, +bei dem parabolische Zylinder die Koordinatenflächen bilden. +Die Koordinate $(\sigma, \tau, z)$ sind in kartesischen Koordinaten ausgedrückt mit +\begin{align} + x & = \sigma \tau \\ + \label{parzyl:coordRelationsa} + y & = \frac{1}{2}\left(\tau^2 - \sigma^2\right) \\ + z & = z. + \label{parzyl:coordRelationse} +\end{align} +Wird $\tau$ oder $\sigma$ konstant gesetzt, resultieren die Parabeln +\begin{equation} + y = \frac{1}{2} \left( \frac{x^2}{\sigma^2} - \sigma^2 \right) +\end{equation} +und +\begin{equation} + y = \frac{1}{2} \left( -\frac{x^2}{\tau^2} + \tau^2 \right). +\end{equation} + +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.4]{papers/parzyl/img/koordinaten.png} + \caption{Das parabolische Koordinatensystem. Die roten Parabeln haben ein + konstantes $\sigma$ und die grünen ein konstantes $\tau$.} + \label{parzyl:fig:cordinates} +\end{figure} +Abbildung \ref{parzyl:fig:cordinates} zeigt das Parabolische Koordinatensystem. +Das parabolische Zylinderkoordinatensystem entsteht wenn die Parabeln aus der +Ebene gezogen werden. + +Um in diesem Koordinatensystem integrieren und differenzieren zu +können braucht es die Skalierungsfaktoren $h_{\tau}$, $h_{\sigma}$ und $h_{z}$. + +Eine infinitessimal kleine Distanz $ds$ zwischen zwei Punkten +kann im kartesischen Koordinatensystem mit +\begin{equation} + \left(ds\right)^2 = \left(dx\right)^2 + \left(dy\right)^2 + + \left(dz\right)^2 + \label{parzyl:eq:ds} +\end{equation} +ausgedrückt werden. +Die Skalierungsfaktoren werden in einem orthogonalen Koordinatensystem so bestimmt, dass +\begin{equation} + \left(ds\right)^2 = \left(h_{\sigma}d\sigma\right)^2 + + \left(h_{\tau}d\tau\right)^2 + \left(h_z dz\right)^2 +\label{parzyl:eq:dspara} +\end{equation} +gilt. +Dafür werden $dx$, $dy$, und $dz$ in \eqref{parzyl:eq:ds} mit den Beziehungen +von \eqref{parzyl:coordRelationsa} - \eqref{parzyl:coordRelationse} als +\begin{align} + dx &= \frac{\partial x }{\partial \sigma} d\sigma + + \frac{\partial x }{\partial \tau} d\tau + + \frac{\partial x }{\partial \tilde{z}} d \tilde{z} + = \tau d\sigma + \sigma d \tau \\ + dy &= \frac{\partial y }{\partial \sigma} d\sigma + + \frac{\partial y }{\partial \tau} d\tau + + \frac{\partial y }{\partial \tilde{z}} d \tilde{z} + = \tau d\tau - \sigma d \sigma \\ + dz &= \frac{\partial \tilde{z} }{\partial \sigma} d\sigma + + \frac{\partial \tilde{z} }{\partial \tau} d\tau + + \frac{\partial \tilde{z} }{\partial \tilde{z}} d \tilde{z} + = d \tilde{z} +\end{align} +substituiert. +Wird diese Gleichung in der Form von \eqref{parzyl:eq:dspara} +geschrieben, resultiert +\begin{equation} + \left(d s\right)^2 = + \left(\sigma^2 + \tau^2\right)\left(d\sigma\right)^2 + + \left(\sigma^2 + \tau^2\right)\left(d\tau\right)^2 + + \left(d \tilde{z}\right)^2. +\end{equation} +Daraus ergeben sich die Skalierungsfaktoren +\begin{align} + h_{\sigma} &= \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}\\ + h_{\tau} &= \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}\\ + h_{z} &= 1. +\end{align} +\subsection{Differentialgleichung} +Möchte man eine Differentialgleichung im parabolischen +Zylinderkoordinatensystem aufstellen, müssen die Skalierungsfaktoren +mitgerechnet werden. +Der Laplace Operator wird dadurch zu +\begin{equation} + \Delta f = \frac{1}{\sigma^2 + \tau^2} + \left( + \frac{\partial^2 f}{\partial \sigma ^2} + + \frac{\partial^2 f}{\partial \tau ^2} + \right) + + \frac{\partial^2 f}{\partial z^2}. + \label{parzyl:eq:laplaceInParZylCor} +\end{equation} +\subsubsection{Lösung der Helmholtz-Gleichung im parabolischen Zylinderfunktion} +Die Differentialgleichungen, welche zu den parabolischen Zylinderfunktionen führen, tauchen +%, wie bereits erwähnt, +dann auf, wenn die Helmholtz-Gleichung +\begin{equation} + \Delta f(x,y,z) = \lambda f(x,y,z) +\end{equation} +im parabolischen Zylinderkoordinatensystem +\begin{equation} + \Delta f(\sigma,\tau,z) = \lambda f(\sigma,\tau,z) +\end{equation} +gelöst wird. +%Wobei der Laplace Operator $\Delta$ im parabolischen Zylinderkoordinatensystem gegeben ist als +%\begin{equation} +% \Delta +% = +% \frac{1}{\sigma^2 + \tau^2} +% \left ( +% \frac{\partial^2}{\partial \sigma^2} +% + +% \frac{\partial^2}{\partial \tau^2} +% \right ) +% + +% \frac{\partial^2}{\partial z^2}. +%\end{equation} +Mit dem Laplace Operator aus \eqref{parzyl:eq:laplaceInParZylCor} lautet die Helmholtz Gleichung +\begin{equation} + \Delta f(\sigma, \tau, z) + = + \frac{1}{\sigma^2 + \tau^2} + \left ( + \frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial \sigma^2} + + + \frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial \tau^2} + \right ) + + + \frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial z^2} + = + \lambda f(\sigma,\tau,z). +\end{equation} +Diese partielle Differentialgleichung kann mit Hilfe von Separation gelöst werden, dazu wird +\begin{equation} + f(\sigma,\tau,z) = g(\sigma)h(\tau)i(z) +\end{equation} +gesetzt, was dann schlussendlich zu den Differentialgleichungen +\begin{equation}\label{parzyl:sep_dgl_1} + g''(\sigma) + - + \left ( + \lambda\sigma^2 + + + \mu + \right ) + g(\sigma) + = + 0, +\end{equation} +\begin{equation}\label{parzyl:sep_dgl_2} + h''(\tau) + - + \left ( + \lambda\tau^2 + - + \mu + \right ) + h(\tau) + = + 0 +\end{equation} +und +\begin{equation}\label{parzyl:sep_dgl_3} + i''(z) + + + \left ( + \lambda + + + \mu + \right ) + i(z) + = + 0 +\end{equation} +führt. + + diff --git a/buch/papers/parzyl/teil1.tex b/buch/papers/parzyl/teil1.tex index 9ea60e2..13d8109 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil1.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil1.tex @@ -3,53 +3,182 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 1 +\section{Lösung \label{parzyl: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 +\rhead{Lösung} + +\eqref{parzyl:sep_dgl_3} beschriebt einen ungedämpften harmonischen Oszillator. +Die Lösung ist somit \begin{equation} -\int_a^b x^2\, dx -= -\left[ \frac13 x^3 \right]_a^b -= -\frac{b^3-a^3}3. -\label{parzyl:equation1} + i(z) + = + A\cos{ + \left ( + \sqrt{\lambda + \mu}z + \right )} + + + B\sin{ + \left ( + \sqrt{\lambda + \mu}z + \right )}. \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{parzyl: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{parzyl: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{parzyl: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. +Die Differentialgleichungen \eqref{parzyl:sep_dgl_1} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2} werden in \cite{parzyl:whittaker} +mit Hilfe der Whittaker Gleichung gelöst. +\begin{definition} + Die Funktionen + \begin{equation*} + M_{k,m}(x) = + e^{-x/2} x^{m+1/2} \, + {}_{1} F_{1} + ( + {\textstyle \frac{1}{2}} + + m - k, 1 + 2m; x) \qquad x \in \mathbb{C} + \end{equation*} + und + \begin{equation*} + W_{k,m}(x) = \frac{ + \Gamma \left( -2m\right) + }{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}} - m - k\right) + } + M_{-k, m} \left(x\right) + + + \frac{ + \Gamma \left( 2m\right) + }{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}} + m - k\right) + } + M_{k, -m} \left(x\right) + \end{equation*} + gehören zu den Whittaker Funktionen und sind Lösungen + von der Whittaker Differentialgleichung + \begin{equation} + \frac{d^2W}{d x^2} + + \biggl( -\frac{1}{4} + \frac{k}{x} + \frac{\frac{1}{4} - m^2}{x^2} \biggr) W = 0. + \label{parzyl:eq:whitDiffEq} + \end{equation} +\end{definition} +Es wird nun die Differentialgleichung bestimmt, welche +\begin{equation} + w = x^{-1/2} W_{k,-1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} x^2\right) +\end{equation} +als Lösung hat. +Dafür wird $w$ in \eqref{parzyl:eq:whitDiffEq} eingesetzt, woraus +\begin{equation} + \frac{d^2 w}{dx^2} - \left(\frac{1}{4} x^2 - 2k\right) w = 0 +\label{parzyl:eq:weberDiffEq} +\end{equation} +resultiert. Diese Differentialgleichung ist dieselbe wie +\eqref{parzyl:sep_dgl_1} und \eqref{parzyl:sep_dgl_2}, welche somit +$w$ als Lösung haben. +%Da es sich um eine Differentialgleichung zweiter Ordnung handelt, hat sie nicht nur +%eine sondern zwei Lösungen. +%Die zweite Lösung der Whittaker-Gleichung ist $W_{k,-m} (z)$. +%Somit hat \eqref{parzyl:eq:weberDiffEq} +%\begin{align} +% w_1(k, z) & = z^{-1/2} W_{k,-1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} z^2\right)\\ +% w_2(k, z) & = z^{-1/2} W_{k,1/4} \left({\textstyle \frac{1}{2}} z^2\right) +%\end{align} +%als Lösungen. +%Mit der Hypergeometrischen Funktion ausgeschrieben ergeben sich die Lösungen +%\begin{align} +% \label{parzyl:eq:solution_dgl} +% w_1(k,z) &= e^{-z^2/4} \, +% {}_{1} F_{1} +% ( +% {\textstyle \frac{1}{4}} +% - k, {\textstyle \frac{1}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}z^2) \\ +% w_2(k,z) & = z e^{-z^2/4} \, +% {}_{1} F_{1} +% ({\textstyle \frac{3}{4}} +% - k, {\textstyle \frac{3}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}z^2). +%\end{align} +In der Literatur gibt es verschiedene Standartlösungen für +\eqref{parzyl:eq:weberDiffEq}, wobei die Differentialgleichung jeweils +unterschiedlich geschrieben wird. +Whittaker und Watson zeigen in \cite{parzyl:whittaker} die Lösung +\begin{equation} + D_n(x) = 2^{\frac{1}{2}n + \frac{1}{2}} x^{-\frac{1}{2}} W_{n/2 + 1/4, -1/4}\left(\frac{1}{2}x^2\right), +\end{equation} +welche die Differentialgleichung +\begin{equation} + \frac{d^2D_n(x)}{dx^2} + \left(n + \frac{1}{2} - \frac{1}{4} x^2\right)D_n(x) = 0 +\end{equation} +löst. +Mit $M_{k,m}(x)$ geschrieben resultiert +\begin{equation} + D_n(x) = \frac{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}}\right) 2^{\frac{1}{2}n + \frac{1}{4}} x^{-\frac{1}{2}} + }{ + \Gamma \left( {\textstyle \frac{1}{2}} - {\textstyle \frac{1}{2}} n \right) + } + M_{\frac{1}{2} n + \frac{1}{4}, - \frac{1}{4}} \left(\frac{1}{2}x^2\right) + + + \frac{ + \Gamma\left(-{\textstyle \frac{1}{2}}\right) 2^{\frac{1}{2}n + \frac{1}{4}} x^{-\frac{1}{2}} + }{ + \Gamma\left(- {\textstyle \frac{1}{2}} n\right) + } + M_{\frac{1}{2} n + \frac{1}{4}, \frac{1}{4}} \left(\frac{1}{2}x^2\right). +\end{equation} +In \cite{parzyl:abramowitz-stegun} sind zwei Lösungen $U(a, x)$ und $V(a,x)$ +\begin{align} + U(a,x) &= + \cos\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_1 + - \sin\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_2 + \label{parzyl:eq:Uaz} + \\ + V(a,x) &= \frac{1}{\Gamma \left({\textstyle \frac{1}{2} - a}\right)} \left\{ + \sin\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_1 + + \cos\left[\pi \left({\textstyle \frac{1}{4}} + {\textstyle \frac{1}{2}} a\right)\right] Y_2 + \right\} + \label{parzyl:eq:Vaz} +\end{align} +mit +\begin{align} + Y_1 &= \frac{1}{\sqrt{\pi}} + \frac{\Gamma\left({\textstyle \frac{1}{4} - + {\textstyle \frac{1}{2}}a}\right)} + {2^{\frac{1}{2} a + \frac{1}{4}}} + e^{-x^2/4} + {}_{1} F_{1} + \left({\textstyle \frac{1}{2}}a + {\textstyle \frac{1}{4}}, + {\textstyle \frac{1}{2}} ; + {\textstyle \frac{1}{2}}x^2\right)\\ + Y_2 &= \frac{1}{\sqrt{\pi}} + \frac{\Gamma\left({\textstyle \frac{3}{4} - + {\textstyle \frac{1}{2}}a}\right)} + {2^{\frac{1}{2} a - \frac{1}{4}}} + x e^{-x^2/4} + {}_{1} F_{1} + \left({\textstyle \frac{1}{2}}a + {\textstyle \frac{3}{4}}, + {\textstyle \frac{3}{2}} ; + {\textstyle \frac{1}{2}}x^2\right) +\end{align} +der Differentialgleichung +\begin{equation} + \frac{d^2 y}{d x^2} - \left(\frac{1}{4} x^2 + a\right) y = 0 +\end{equation} +beschrieben. Die Lösungen $U(a,z)$ und $V(a, z)$ können auch mit $D_n(z)$ +ausgedrückt werden +\begin{align} + U(a,x) &= D_{-a-1/2}(x) \\ + V(a,x) &= \frac{\Gamma \left({\textstyle \frac{1}{2}} + a\right)}{\pi} + \left[\sin\left(\pi a\right) D_{-a-1/2}(x) + D_{-a-1/2}(-x)\right]. +\end{align} +In den Abbildungen \ref{parzyl:fig:dnz} und \ref{parzyl:fig:Vnz} sind +die Funktionen $D_n(x)$ und $V(a,x)$ mit verschiedenen Werten für $a$ abgebildet. +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.35]{papers/parzyl/img/D_plot.png} + \caption{$D_n(x)$ mit unterschiedlichen Werten für $n$.} + \label{parzyl:fig:dnz} +\end{figure} +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[scale=0.35]{papers/parzyl/img/v_plot.png} + \caption{$V(a,x)$ mit unterschiedlichen Werten für $a$.} + \label{parzyl:fig:Vnz} +\end{figure}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/parzyl/teil2.tex b/buch/papers/parzyl/teil2.tex index 75ba259..573432a 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil2.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil2.tex @@ -3,38 +3,102 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 2 +\section{Anwendung in der Physik \label{parzyl: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{parzyl: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. - +\rhead{Anwendung in der Physik} +Die parabolischen Zylinderkoordinaten tauchen auf, wenn man das elektrische Feld einer semi-infiniten Platte, wie in Abbildung \ref{parzyl:fig:leiterplatte} gezeigt, finden will. +\begin{figure} + \centering + \includegraphics[width=0.9\textwidth]{papers/parzyl/img/plane.pdf} + \caption{Semi-infinite Leiterplatte} + \label{parzyl:fig:leiterplatte} +\end{figure} +Das dies so ist kann im zwei Dimensionalen mit Hilfe von komplexen Funktionen gezeigt werden. Die Platte ist dann nur eine Linie, was man in Abbildung TODO sieht. +Jede komplexe Funktion $F(z)$ kann geschrieben werden als +\begin{equation} + F(s) = U(x,y) + iV(x,y) \qquad s \in \mathbb{C}; x,y \in \mathbb{R}. +\end{equation} +Dabei müssen, falls die Funktion differenzierbar ist, die Cauchy-Riemann Differentialgleichungen +\begin{equation} + \frac{\partial U(x,y)}{\partial x} + = + \frac{\partial V(x,y)}{\partial y} + \qquad + \frac{\partial V(x,y)}{\partial x} + = + -\frac{\partial U(x,y)}{\partial y} +\end{equation} +gelten. +Aus dieser Bedingung folgt +\begin{equation} + \label{parzyl_e_feld_zweite_ab} + \underbrace{ + \frac{\partial^2 U(x,y)}{\partial x^2} + + + \frac{\partial^2 U(x,y)}{\partial y^2} + = + 0 + }_{\displaystyle{\nabla^2U(x,y)=0}} + \qquad + \underbrace{ + \frac{\partial^2 V(x,y)}{\partial x^2} + + + \frac{\partial^2 V(x,y)}{\partial y^2} + = + 0 + }_{\displaystyle{\nabla^2V(x,y) = 0}}. +\end{equation} +Zusätzlich kann auch gezeigt werden, dass die Funktion $F(z)$ eine winkeltreue Abbildung ist. +Der Zusammenhang zum elektrischen Feld ist jetzt, dass das Potential an einem quellenfreien Punkt gegeben ist als +\begin{equation} + \nabla^2\phi(x,y) = 0. +\end{equation} +Dies ist eine Bedingung welche differenzierbare Funktionen, wie in Gleichung \eqref{parzyl_e_feld_zweite_ab} gezeigt wird, bereits besitzen. +Nun kann zum Beispiel $U(x,y)$ als das Potential angeschaut werden +\begin{equation} + \phi(x,y) = U(x,y). +\end{equation} +Orthogonal zum Potential ist das elektrische Feld +\begin{equation} + E(x,y) = V(x,y). +\end{equation} +Um nun zu den parabolische Zylinderkoordinaten zu gelangen muss nur noch eine geeignete +komplexe Funktion $F(s)$ gefunden werden, +welche eine semi-infinite Platte beschreiben kann. +Die gesuchte Funktion in diesem Fall ist +\begin{equation} + F(s) + = + \sqrt{s} + = + \sqrt{x + iy}. +\end{equation} +Dies kann umgeformt werden zu +\begin{equation} + F(s) + = + \underbrace{\sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} + x}{2}}}_{U(x,y)} + + + i\underbrace{\sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}}}_{V(x,y)} + . +\end{equation} +Die Äquipotentialflächen können nun betrachtet werden, +indem man die Funktion, welche das Potential beschreibt, gleich eine Konstante setzt, +\begin{equation} + \sigma = U(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} + x}{2}}. +\end{equation} +Die Flächen mit der gleichen elektrischen Feldstärke können als +\begin{equation} + \tau = V(x,y) = \sqrt{\frac{\sqrt{x^2+y^2} - x}{2}} +\end{equation} +beschrieben werden. Diese zwei Gleichungen zeigen nun, wie man vom +kartesischen Koordinatensystem ins parabolische Zylinderkoordinatensystem kommt. +Werden diese Formeln nun nach $x$ und $y$ aufgelöst +\begin{equation} + x = \sigma \tau, +\end{equation} +\begin{equation} + y = \frac{1}{2}\left ( \tau^2 - \sigma^2 \right ), +\end{equation} +so beschreibe sie, wie man aus dem parabolischen Zylinderkoordinatensystem zurück ins kartesische rechnen kann.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/parzyl/teil3.tex b/buch/papers/parzyl/teil3.tex index 72c23ca..166eebf 100644 --- a/buch/papers/parzyl/teil3.tex +++ b/buch/papers/parzyl/teil3.tex @@ -3,38 +3,102 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Teil 3 -\label{parzyl: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{parzyl: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. +\section{Eigenschaften +\label{parzyl:section:Eigenschaften}} +\rhead{Eigenschaften} +\subsection{Potenzreihenentwicklung + \label{parzyl:potenz}} +%Die parabolischen Zylinderfunktionen, welche in Gleichung \ref{parzyl:eq:solution_dgl} gegeben sind, +%können auch als Potenzreihen geschrieben werden +Die parabolischen Zylinderfunktionen können auch als Potenzreihen geschrieben werden. +Im folgenden Abschnitt werden die Terme welche nur von $n$ oder $a$ abhängig sind vernachlässigt. +Die parabolischen Zylinderfunktionen sind Linearkombinationen aus einem geraden Teil $w_1(\alpha, x)$ +und einem ungeraden Teil $w_2(\alpha, x)$, welche als Potenzreihe +\begin{align} + w_1(\alpha,x) + &= + e^{-x^2/4} \, + {}_{1} F_{1} + ( + \alpha, {\textstyle \frac{1}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}x^2) + = + e^{-\frac{x^2}{4}} + \sum^{\infty}_{n=0} + \frac{\left ( \alpha \right )_{n}}{\left ( \frac{1}{2}\right )_{n}} + \frac{\left ( \frac{1}{2} x^2\right )^n}{n!} \\ + &= + e^{-\frac{x^2}{4}} + \left ( + 1 + + + \left ( 2\alpha \right )\frac{x^2}{2!} + + + \left ( 2\alpha \right )\left ( 2 + 2\alpha \right )\frac{x^4}{4!} + + + \dots + \right ) +\end{align} +und +\begin{align} + w_2(\alpha,x) + &= + xe^{-x^2/4} \, + {}_{1} F_{1} + ( + {\textstyle \frac{1}{2}} + + \alpha, {\textstyle \frac{3}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}x^2) + = + xe^{-\frac{x^2}{4}} + \sum^{\infty}_{n=0} + \frac{\left ( \frac{3}{4} - k \right )_{n}}{\left ( \frac{3}{2}\right )_{n}} + \frac{\left ( \frac{1}{2} x^2\right )^n}{n!} \\ + &= + e^{-\frac{x^2}{4}} + \left ( + x + + + \left ( 1 + 2\alpha \right )\frac{x^3}{3!} + + + \left ( 1 + 2\alpha \right )\left ( 3 + 2\alpha \right )\frac{x^5}{5!} + + + \dots + \right ) +\end{align} +sind. +Die Potenzreihen sind in der regel unendliche Reihen. +Es gibt allerdings die Möglichkeit für bestimmte $\alpha$ das die Terme in der Klammer gleich null werden +und die Reihe somit eine endliche Anzahl $n$ Summanden hat. +Dies geschieht bei $w_1(\alpha,x)$ falls +\begin{equation} + \alpha = -n \qquad n \in \mathbb{N}_0 +\end{equation} +und bei $w_2(\alpha,x)$ falls +\begin{equation} + \alpha = -\frac{1}{2} - n \qquad n \in \mathbb{N}_0. +\end{equation} +Der Wert des von $\alpha$ ist abhängig, ob man $D_n(x)$ oder $U(a,x)$ / $V(a,x)$ verwendet. +Bei $D_n(x)$ gilt $\alpha = -{\textstyle \frac{1}{2}} n$ und bei $U(a,z)$ oder $V(a,x)$ gilt +$\alpha = {\textstyle \frac{1}{2}} a + {\textstyle \frac{1}{4}}$. +\subsection{Ableitung} +Die Ableitungen $\frac{\partial w_1(\alpha, x)}{\partial x}$ und $\frac{\partial w_2(\alpha, x)}{\partial x}$ +können mit den Eigenschaften der hypergeometrischen Funktionen in Abschnitt +\ref{buch:rekursion:hypergeometrisch:stammableitung} berechnet werden. +Zusammen mit der Produktregel ergeben sich die Ableitungen +\begin{equation} + \frac{\partial w_1(\alpha,x)}{\partial x} = 2\alpha w_2(\alpha + \frac{1}{2}, x) - \frac{1}{2} x w_1(\alpha, x), +\end{equation} +und +%\begin{equation} +% \frac{\partial w_2(z,k)}{\partial z} = w_1(z, k -\frac{1}{2}) - \frac{1}{2} z w_2(z,k). +%\end{equation} +\begin{equation} + \frac{\partial w_2(\alpha,x)}{\partial x} = e^{-x^2/4} \left( + x^{-1} w_2(\alpha, x) - \frac{x}{2} w_2(\alpha, x) + 2 x^2 \left(\frac{\alpha + 1}{3}\right) + {}_{1} F_{1} ( + {\textstyle \frac{3}{2}} + + \alpha, {\textstyle \frac{5}{2}} ; {\textstyle \frac{1}{2}}x^2) + \right) +\end{equation} +Nach dem selben Vorgehen können weitere Ableitungen berechnet werden. diff --git a/buch/papers/sturmliouville/.gitignore b/buch/papers/sturmliouville/.gitignore new file mode 100644 index 0000000..f08278d --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/.gitignore @@ -0,0 +1 @@ +*.pdf
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/Makefile b/buch/papers/sturmliouville/Makefile index da902e7..8d3e0af 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/Makefile +++ b/buch/papers/sturmliouville/Makefile @@ -1,9 +1,37 @@ # -# Makefile -- make file for the paper sturmliouville +# Makefile -- make file for the paper fm # # (c) 2020 Prof Dr Andreas Mueller # -images: - @echo "no images to be created in sturmliouville" +SOURCES := \ + einleitung.tex\ + eigenschaften.tex \ + beispiele.tex \ + main.tex +#TIKZFIGURES := \ + tikz/atoms-grid-still.tex \ + +#FIGURES := $(patsubst tikz/%.tex, figures/%.pdf, $(TIKZFIGURES)) + +#.PHONY: images +#images: $(FIGURES) + +#figures/%.pdf: tikz/%.tex +# mkdir -p figures +# pdflatex --output-directory=figures $< + +.PHONY: standalone +standalone: standalone.tex $(SOURCES) #$(FIGURES) + mkdir -p standalone + cd ../..; \ + pdflatex \ + --halt-on-error \ + --shell-escape \ + --output-directory=papers/sturmliouville/standalone \ + --extra-mem-top=10000000 \ + papers/sturmliouville/standalone.tex; + cd standalone; \ + bibtex standalone; \ + makeindex standalone;
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc index e2039ce..7ffdad2 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc +++ b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc @@ -3,12 +3,12 @@ # # (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule # -dependencies-sturmliouville = \ +dependencies-sturmliouville = \ papers/sturmliouville/packages.tex \ - papers/sturmliouville/main.tex \ + papers/sturmliouville/main.tex \ papers/sturmliouville/references.bib \ - papers/sturmliouville/teil0.tex \ - papers/sturmliouville/teil1.tex \ - papers/sturmliouville/teil2.tex \ - papers/sturmliouville/teil3.tex - + papers/sturmliouville/einleitung.tex \ + papers/sturmliouville/eigenschaften.tex \ + papers/sturmliouville/beispiele.tex \ + papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex \ + papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex diff --git a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex new file mode 100644 index 0000000..94082cf --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex @@ -0,0 +1,14 @@ +% +% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Beispiele +\label{sturmliouville:section:examples}} +\rhead{Beispiele} + +% Fourier: Erik work +\input{papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex} + +% Tschebyscheff +\input{papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex}
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex new file mode 100644 index 0000000..bef8a39 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -0,0 +1,83 @@ +% +% eigenschaften.tex -- Eigenschaften der Lösungen +% Author: Erik Löffler +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Eigenschaften von Lösungen +\label{sturmliouville:section:solution-properties}} +\rhead{Eigenschaften von Lösungen} + +Im weiteren werden nun die Eigenschaften der Lösungen eines +Sturm-Liouville-Problems diskutiert und aufgezeigt, wie diese Eigenschaften +zustande kommen. + +Dazu wird der Operator $L_0$ welcher bereits in +Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} betrachtet +wurde, noch etwas genauer angeschaut. +Es wird also im Folgenden +\[ + L_0 + = + -\frac{d}{dx}p(x)\frac{d}{dx} +\] +zusammen mit den Randbedingungen +\[ + \begin{aligned} + k_a y(a) + h_a p(a) y'(a) &= 0 \\ + k_b y(b) + h_b p(b) y'(b) &= 0 + \end{aligned} +\] +verwendet. +Wie im Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} bereits +gezeigt, resultieren die Randbedingungen aus der Anforderung den Operator $L_0$ +selbsadjungiert zu machen. +Es wurde allerdings noch nicht darauf eingegangen, welche Eigenschaften dies +für die Lösungen des Sturm-Liouville-Problems zur Folge hat. + +\subsubsection{Exkurs zum Spektralsatz} + +Um zu verstehen welche Eigenschaften der selbstadjungierte Operator $L_0$ in +den Lösungen hervorbringt, wird der Spektralsatz benötigt. + +Dieser wird in der linearen Algebra oft verwendet um zu zeigen, dass eine Matrix +diagonalisierbar ist, beziehungsweise dass eine Orthonormalbasis existiert. + +Im Fall einer gegebenen $n\times n$-Matrix $A$ mit reellen Einträgen wird dazu +zunächst gezeigt, dass $A$ selbstadjungiert ist, also dass +\[ + \langle Av, w \rangle + = + \langle v, Aw \rangle +\] +für $ v, w \in \mathbb{R}^n$ gilt. +Ist dies der Fall, kann die Aussage des Spektralsatzes +\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki} verwended werden. +Daraus folgt dann, dass eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert, +wenn $A$ nur Eigenwerte aus $\mathbb{R}$ besitzt. + +Dies ist allerdings nicht die Einzige Version des Spektralsatzes. +Unter anderen gibt es den Spektralsatz für kompakte Operatoren +\cite{sturmliouville:spektralsatz-wiki}, welcher für das +Sturm-Liouville-Problem von Bedeutung ist. +Welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen, um diese Version des +Satzes verwenden zu können, wird hier aber nicht diskutiert und kann bei den +Beispielen in diesem Kapitel als gegeben betrachtet werden. +Grundsätzlich ist die Aussage in dieser Version dieselbe, wie bei den Matrizen, +also dass für ein Operator eine Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert, +falls er selbstadjungiert ist. + +\subsubsection{Anwendung des Spektralsatzes auf $L_0$} + +Der Spektralsatz besagt also, dass, weil $L_0$ selbstadjungiert ist, eine +Orthonormalbasis aus Eigenvektoren existiert. +Genauer bedeutet dies, dass alle Eigenvektoren, beziehungsweise alle Lösungen +des Sturm-Liouville-Problems orthogonal zueinander sind bezüglich des +Skalarprodukts, in dem $L_0$ selbstadjungiert ist. + +Erfüllt also eine Differenzialgleichung die in +Abschnitt~\ref{sturmliouville:section:teil0} präsentierten Eigenschaften und +erfüllen die Randbedingungen der Differentialgleichung die Randbedingungen +des Sturm-Liouville-Problems, kann bereits geschlossen werden, dass die +Lösungsfunktion des Problems eine Linearkombination aus orthogonalen +Basisfunktionen ist.
\ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..d497622 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex @@ -0,0 +1,136 @@ +% +% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +\section{Was ist das Sturm-Liouville-Problem\label{sturmliouville:section:teil0}} +\rhead{Einleitung} +Das Sturm-Liouville-Problem wurde benannt nach dem schweizerisch-französischen Mathematiker und Physiker Jacques Charles Fran\c{c}ois Sturm und dem französischen Mathematiker Joseph Liouville. +Gemeinsam haben sie in der mathematischen Physik die Sturm-Liouville-Theorie entwickelt und gilt für die Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen, jedoch verwendet man die Theorie öfters bei der Lösung von partiellen Differentialgleichungen. +Normalerweise betrachtet man für das Strum-Liouville-Problem eine gewöhnliche Differentialgleichung 2. Ordnung, und wenn es sich um eine partielle Differentialgleichung handelt, kann man sie in mehrere gewöhnliche Differentialgleichungen umwandeln. Wie z. B. den Separationsansatz, die partielle Differentialgleichung mit mehreren Variablen. + +\begin{definition} + \index{Sturm-Liouville-Gleichung}% +Wenn die lineare homogene Differentialgleichung +\begin{equation} + \frac{d^2y}{dx^2} + a(x)\frac{dy}{dx} + b(x)y = 0 +\end{equation} +als +\begin{equation} + \label{eq:sturm-liouville-equation} + \frac{d}{dx}\lbrack p(x) \frac{dy}{dx} \rbrack + \lbrack q(x) + \lambda w(x) \rbrack y = 0 +\end{equation} +geschrieben werden kann, dann wird diese Gleichung als Sturm-Liouville-Gleichung bezeichnet. +\end{definition} +Alle homogene 2. Ordnung lineare gewöhnliche Differentialgleichungen können in die Form der Gleichung \ref{eq:sturm-liouville-equation} umgeformt werden. + +\subsection{Randbedingungen\label{sub:was-ist-das-slp-randbedingungen}} +Wenn von der Funktion $y(x)$ die Werte $x$ des jeweiligen Randes des Definitionsbereiches anzunehmen sind, also +\begin{equation} + y(a) = y(b) = 0, +\end{equation} +so spricht man von einer Dirichlet-Randbedingung\footnote{Die Dirichlet-Randbedingung oder auch Randbedingung des ersten Typs genannt ist nach dem deutschen Mathematiker Peter Gstav Lejeune Dirichlet benannt. Sie findet Anwendung auf gewöhnliche oder patielle Differentialgleichungen und gibt mit der Bedingung die Werte an, die für die abgeleitete Lösung innerhalb der Domänengrenze gelten.}, und von einer Neumann-Randbedingung\footnote{Die Neumann-Randbedingung oder auch Randbedingung des zweiten Typs genannt, ist nach dem deutschen Mathematiker Carl Neumann benannt. Sie legt die Werte fest, die eine Lösung entlang der Domänengrenze annehmen muss, wenn eine gewöhnliche oder partielle Differentialgleichung gestellt wird.} spricht man, wenn +\begin{equation} + y'(a) = y'(b) = 0 +\end{equation} +ergibt. + +Die Sturm-Liouville-Theorie besagt, dass, wenn man die Sturm-Liouville-Gleichung mit den homogenen Randbedingungen des dritten Typs\footnote{Die Randbedingung des dritten Typs, oder Robin-Randbedingungen (benannt nach dem französischen mathematischen Analytiker und angewandten Mathematiker Victor Gustave Robin), wird genannt, wenn sie einer gewöhnlichen oder partiellen Differentialgleichung auferlegt wird, so sind die Spezifikationen einer Linearkombination der Werte einer Funktion sowie die Werte ihrer Ableitung am Rande des Bereichs} +\begin{equation} +\begin{aligned} + \label{eq:randbedingungen} + k_a y(a) + h_a p(a) y'(a) &= 0 \\ + k_b y(b) + h_b p(b) y'(b) &= 0 +\end{aligned} +\end{equation} +kombiniert, dann bekommt man das klassische Sturm-Liouville-Problem. + +\subsection{Eigenwertproblem} +Die Gleichungen \ref{eq:sturm-liouville-equation} hat die Form eines Eigenwertproblems +Wenn bei der Sturm-Liouville-Gleichung \ref{eq:sturm-liouville-equation} alles konstant bleibt, aber der Wert von $\lambda$ sich ändert, erhält man eine andere Eigenfunktion, weil man eine andere gewöhnliche Differentialgleichung löst; +der Parameter $\lambda$ wird als Eigenwert bezeichnet. +Es ist genau das gleiche Prinzip wie bei den Matrizen, andere Eigenwerte ergeben andere Eigenvektoren. +Es besteht eine Korrespondenz zwischen den Eigenwerten und den Eigenvektoren. +Das gleiche gilt auch beim Sturm-Liouville-Problem, und zwar +\begin{equation} + \lambda \overset{Korrespondenz}\leftrightarrow y. +\end{equation} + +Die Theorie besagt, wenn $y_m$, $y_n$ Eigenfuktionen des Sturm-Liouville-Problems sind, die verschiedene Eigenwerte $\lambda_m$, $\lambda_n$ ($\lambda_m \neq \lambda_n$) entsprechen, so sind $y_m$, $y_n$ orthogonal zu y - +dies gilt für das Intervall (a,b). +Somit ergibt die Gleichung +\begin{equation} + \label{eq:skalar-sturm-liouville} + \int_{a}^{b} w(x)y_m y_n = 0. +\end{equation} + +\subsection{Koeffizientenfunktionen} +Die Funktionen $p(x)$, $q(x)$ und $w(x)$ werden als Koeffizientenfunktionen mit ihren freien Variablen $x$ bezeichnet. +Die Funktion $w(x)$ (manchmal auch $r(x)$ genannt) wird als Gewichtsfunktion oder Dichtefunktion bezeichnet. +Es gibt zwei verschiedene Sturm-Liouville-Probleme: das reguläre Sturm-Liouville-Problem und das singuläre Sturm-Liouville-Problem. +Die Funktionen für das reguläre und das singuläre Sturm-Liouville-Problem sind nicht dieselben. + +% +%Kapitel mit "Das reguläre Sturm-Liouville-Problem" +% + +\subsection{Das reguläre Sturm-Liouville-Problem\label{sub:reguläre_sturm_liouville_problem}} +Damit es sich um ein reguläres Sturm-Liouville-Problem handelt, müssen einige Bedingungen beachtet werden. +\begin{definition} + \label{def:reguläres_sturm-liouville-problem} + \index{regläres Sturm-Liouville-Problem} + Die Bedingungen für ein reguläres Sturm-Liouville-Problem sind: + \begin{itemize} + \item Die Funktionen $p(x), p'(x), q(x)$ und $w(x)$ müssen stetig und reell sein. + \item sowie müssen in einem endlichen Intervall $[a,b]$ integrierbar sein. + \item $p(x)$ und $w(x)$ sind $>0$. + \item Es gelten die Randbedingungen \ref{eq:randbedingungen}, wobei $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ mit $i=a,b$. + \end{itemize} +\end{definition} +Bei einem regulären Sturm-Liouville-Problem geht es darum, wichtige Eigenschaften der Eigenfunktionen beschreiben zu können, ohne sie genau zu kennen. + + +% +%Kapitel mit "Das singuläre Sturm-Liouville-Problem" +% + + +\subsection{Das singuläre Sturm-Liouville-Problem\label{sub:singuläre_sturm_liouville_problem}} +Von einem singulären Sturm-Liouville-Problem spricht man, wenn die Bedingungen des regulärem Problem nicht erfüllt sind. +\begin{definition} + \label{def:singulär_sturm-liouville-problem} + \index{singuläres Sturm-Liouville-Problem} +Es handelt sich um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem, wenn: + \begin{itemize} + \item wenn sein Definitionsbereich auf dem Intervall $[ \ a,b] \ $ unbeschränkt ist oder + \item wenn die Koeffizienten an den Randpunkten Singularitäten haben. + \end{itemize} +\end{definition} +Allerdings kann nur eine der Bedingungen nicht erfüllt sein, so dass es sich bereits um ein singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. + +\begin{beispiel} + Das Randwertproblem + \begin{equation} + \begin{aligned} + x^2y'' + xy' + (\lambda^2x^2 - m^2)y &= 0, 0<x<a,\\ + y(a) &= 0 + \end{aligned} + \end{equation} + ist kein reguläres Sturm-Liouville-Problem. + Wenn man die Gleichung in die Sturm-Liouville Form umformen, dann ergeben die Koeffizientenfunktionen $p(x) = w(x) = x$ und $q(x) = -m^2/x$. + Schaut man jetzt die Bedingungen im Kapitel \ref{sub:reguläre_sturm_liouville_problem} an und vergleicht diese unseren Koeffizientenfunktionen, so erkennt man einige Probleme: + \begin{itemize} + \item $p(x)$ und $w(x)$ sind nicht positiv, wenn $x = 0$ ist. + \item $q(x)$ ist nicht kontinuierlich, wenn $x = 0$ ist. + \item Die Randbedingung bei $x = 0$ fehlt. + \end{itemize} +\end{beispiel} + +Verwendet man das reguläre Sturm-Liouville-Problem, obwohl eine oder beide Bedingungen nicht erfüllt sind, dann ist es schwierig zu sagen, ob die Lösung eindeutige Ergebnisse hat. +Es ist schwierig, Kriterien anzuwenden, da die Formulierungen z. B. in der Lösungsfunktion liegen. +Ähnlich wie bei der Fourier-Reihe gegenüber der Fourier-Transformation gibt es immer noch eine zugehörige Eigenfunktionsentwicklung, und zwar die Integraltransformation sowie gibt es weiterhin verallgemeinerte Eigenfunktionen. + + + + + diff --git a/buch/papers/sturmliouville/main.tex b/buch/papers/sturmliouville/main.tex index a7d2857..4b5b8af 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/main.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/main.tex @@ -1,36 +1,20 @@ +% !TeX root = ../../buch.tex % % main.tex -- Paper zum Thema <sturmliouville> % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:sturmliouville}} -\lhead{Thema} +\chapter{Sturm-Liouville-Problem\label{chapter:sturmliouville}} +\lhead{Sturm-Liouville-Problem} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} +\chapterauthor{Réda Haddouche und Erik Löffler} -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/sturmliouville/teil0.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil1.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil2.tex} -\input{papers/sturmliouville/teil3.tex} +\input{papers/sturmliouville/einleitung.tex} +%einleitung "was ist das sturm-liouville-problem" +\input{papers/sturmliouville/eigenschaften.tex} +%Eigenschaften von Lösungen eines solchen Problems +\input{papers/sturmliouville/beispiele.tex} +%Beispiele sind: Wärmeleitung in einem Stab, Tschebyscheff-Polynome \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/references.bib b/buch/papers/sturmliouville/references.bib index f66a74d..0c4724b 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/references.bib +++ b/buch/papers/sturmliouville/references.bib @@ -4,6 +4,19 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % +@online{sturmliouville:spektralsatz-wiki, + title = {Spektralsatz}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Spektralsatz}, + date = {2020-08-15}, + year = {2020}, + month = {8}, + day = {15} +} + +% +% examples (not referenced in book) +% + @online{sturmliouville:bibtex, title = {BibTeX}, url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, diff --git a/buch/papers/sturmliouville/teil0.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil0.tex deleted file mode 100644 index ffcb8f3..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/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{sturmliouville: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{sturmliouville: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/sturmliouville/teil1.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil1.tex deleted file mode 100644 index c23c1d6..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/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{sturmliouville: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{sturmliouville: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{sturmliouville: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{sturmliouville: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{sturmliouville: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/sturmliouville/teil2.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil2.tex deleted file mode 100644 index 7fc3d2c..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/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{sturmliouville: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{sturmliouville: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/sturmliouville/teil3.tex b/buch/papers/sturmliouville/teil3.tex deleted file mode 100644 index 3aa1b40..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/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{sturmliouville: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{sturmliouville: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/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex new file mode 100644 index 0000000..3817dc0 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex @@ -0,0 +1,82 @@ +% +% tschebyscheff_beispiel.tex +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% + +\subsection{Sind Tschebyscheff-Polynome orthogonal zueinander?\label{sub:tschebyscheff-polynome}} +\subsubsection*{Definition der Koeffizientenfunktion} +Im Kapitel \ref{sub:beispiele_sturm_liouville_problem} sind die Koeffizientenfunktionen, die man braucht, schon aufgeliste, und zwar mit +\begin{align*} + w(x) &= \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ + p(x) &= \sqrt{1-x^2} \\ + q(x) &= 0 +\end{align*}. +Da die Sturm-Liouville-Gleichung +\begin{equation} + \label{eq:sturm-liouville-equation-tscheby} + \frac{d}{dx} (\sqrt{1-x^2} \frac{dy}{dx}) + (0 + \lambda \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}) y = 0 +\end{equation} +nun mit den Koeffizientenfunktionen aufgestellt werden kann, bleibt die Frage, ob es sich um ein reguläres oder singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. + +\subsubsection*{regulär oder singulär?} +Für das reguläre Problem laut der Definition \ref{def:reguläres_sturm-liouville-problem} muss die funktion $p(x) = \sqrt{1-x^2}$, $p'(x) = -2x$, $q(x) = 0$ und $w(x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}$ stetig und reell sein --- und sie sind es auch. +Auf dem Intervall $(-1,1)$ sind die Tschebyscheff-Polynome erster Art mit Hilfe von Hyperbelfunktionen +\begin{equation} + T_n(x) = \cos n (\arccos x) +\end{equation}. +Für $x>1$ und $x<-1$ sehen die Polynome wie folgt aus: +\begin{equation} + T_n(x) = \left\{\begin{array}{ll} \cosh (n \arccos x), & x > 1\\ + (-1)^n \cosh (n \arccos (-x)), & x<-1 \end{array}\right. +\end{equation}, +jedoch ist die Orthogonalität nur auf dem Intervall $[ -1, 1]$ sichergestellt. +Die nächste Bedingung beinhaltet, dass die Funktion $p(x)$ und $w(x)>0$ sein müssen. +Die Funktion +\begin{equation*} + p(x)^{-1} = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} +\end{equation*} +ist die gleiche wie $w(x)$ und erfüllt die Bedingung. + +\subsubsection*{Randwertproblem} +Für die Verifizierung der Randbedingungen benötigt man erneut $p(x)$. +Da sich die Polynome nur auf dem Intervall $[ -1,1 ]$ orthogonal verhalten, sind $a = -1$ und $b = 1$ gesetzt. +Beim einsetzen in die Randbedingung \ref{eq:randbedingungen}, erhält man +\begin{equation} +\begin{aligned} + k_a y(-1) + h_a y'(-1) &= 0 + k_b y(-1) + h_b y'(-1) &= 0. +\end{aligned} +\end{equation} +Die Funktion $y(x)$ und $y'(x)$ sind in diesem Fall die Tschebyscheff Polynome (siehe \label{sub:definiton_der_tschebyscheff-Polynome}). +Es gibt zwei Arten von Tschebyscheff Polynome: die erste Art $T_n(x)$ und die zweite Art $U_n(x)$. +Jedoch beachtet man in diesem Kapitel nur die Tschebyscheff Polynome erster Art (\ref{eq:tschebyscheff-polynome}). +Die Funktion $y(x)$ wird nun mit der Funktion $T_n(x)$ ersetzt und für die Verifizierung der Randbedingung wählt man $n=2$. +Somit erhält man +\begin{equation} + \begin{aligned} + k_a T_2(-1) + h_a T_{2}'(-1) &= k_a = 0\\ + k_b T_2(1) + h_b T_{2}'(1) &= k_b = 0. +\end{aligned} +\end{equation} +Ähnlich wie beim Beispiel der Wärmeleitung in einem homogenen Stab kann man, damit die Bedingung $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ erfüllt ist, können beliebige $h_a \ne 0$ und $h_b \ne 0$ gewählt werden. +Somit ist erneut gezeigt, dass die Randbedingungen der Tschebyscheff-Polynome auf die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllt und alle daraus resultierenden Lösungen orthogonal sind. + +\begin{beispiel} + Die Gleichung \ref{eq:skalar-sturm-liouville} mit $y_m = T_1(x)$ und $y_n(x) = T_2(x)$ eingesetzt sowie $a=-1$ und $b = 1$ ergibt + \[ + \int_{-1}^{1} w(x) x (2x^2-1) dx = 0. + \] +\end{beispiel} + + + + + + + + + + + + diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex new file mode 100644 index 0000000..a72c562 --- /dev/null +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -0,0 +1,675 @@ +% +% waermeleitung_beispiel.tex -- Beispiel Wärmeleitung in homogenem Stab. +% Author: Erik Löffler +% +% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% + +\subsection{Wärmeleitung in einem Homogenen Stab} + +In diesem Abschnitt wird das Problem der Wärmeleitung in einem homogenen Stab +betrachtet und wie das Sturm-Liouville-Problem bei der Beschreibung dieses +physikalischen Phänomenes auftritt. + +Zunächst wird ein eindimensionaler homogener Stab der Länge $l$ und +Wärmeleitkoeffizient $\kappa$ betrachtet. +Es ergibt sich für das Wärmeleitungsproblem +die partielle Differentialgleichung +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} + \frac{\partial u}{\partial t} = + \kappa \frac{\partial^{2}u}{{\partial x}^{2}}, +\end{equation} +wobei der Stab in diesem Fall auf der $X$-Achse im Intervall $[0,l]$ liegt. + +Da diese Differentialgleichung das Problem allgemein für einen homogenen +Stab beschreibt, werden zusätzliche Bedingungen benötigt, um beispielsweise +die Lösung für einen Stab zu finden, bei dem die Enden auf konstanter +Tempreatur gehalten werden. + +% +% Randbedingungen für Stab mit konstanten Endtemperaturen +% +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} + +Die Enden des Stabes auf konstanter Temperatur zu halten bedeutet, dass die +Lösungsfunktion $u(t,x)$ bei $x = 0$ und $x = l$ nur die vorgegebene +Temperatur zurückgeben darf. Diese wird einfachheitshalber als $0$ angenomen. +Es folgt nun +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} + u(t,0) + = + u(t,l) + = + 0 +\end{equation} +als Randbedingungen. + +% +% Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden +% + +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} + +Bei isolierten Enden des Stabes können beliebige Temperaturen für $x = 0$ und +$x = l$ auftreten. In diesem Fall ist es nicht erlaubt, dass Wärme vom Stab +an die Umgebung oder von der Umgebung an den Stab abgegeben wird. + +Aus der Physik ist bekannt, dass Wärme immer von der höheren zur tieferen +Temperatur fliesst. Um Wärmefluss zu unterdrücken, muss also dafür gesorgt +werden, dass am Rand des Stabes keine Temperaturdifferenz existiert oder +dass die partiellen Ableitungen von $u(t,x)$ nach $x$ bei $x = 0$ und $x = l$ +verschwinden. +Somit folgen +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} + \frac{\partial}{\partial x} u(t, 0) + = + \frac{\partial}{\partial x} u(t, l) + = + 0 +\end{equation} +als Randbedingungen. + +% +% Lösung der Differenzialgleichung mittels Separation +% + +\subsubsection{Lösung der Differenzialgleichung} + +Da die Lösungsfunktion von zwei Variablen abhängig ist, wird als Lösungsansatz +die Separationsmethode verwendet. +Dazu wird +\[ + u(t,x) + = + T(t)X(x) +\] +in die partielle +Differenzialgleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} +eingesetzt. +Daraus ergibt sich +\[ + T^{\prime}(t)X(x) + = + \kappa T(t)X^{\prime \prime}(x) +\] +als neue Form. + +Nun können alle von $t$ abhängigen Ausdrücke auf die linke Seite, sowie alle +von $x$ abhängigen Ausdrücke auf die rechte Seite gebracht werden und mittels +der neuen Variablen $\mu$ gekoppelt werden: +\[ + \frac{T^{\prime}(t)}{\kappa T(t)} + = + \frac{X^{\prime \prime}(x)}{X(x)} + = + \mu +\] +Durch die Einführung von $\mu$ kann das Problem nun in zwei separate +Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} + X^{\prime \prime}(x) - \mu X(x) + = + 0 +\end{equation} +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} + T^{\prime}(t) - \kappa \mu T(t) + = + 0 +\end{equation} + +% +% Überprüfung Orthogonalität der Lösungen +% + +Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Gleichung in $x$ in +Sturm-Liouville-Form ist. +Erfüllen die Randbedingungen des Stab-Problems auch die Randbedingungen des +Sturm-Liouville-Problems, kann bereits die Aussage getroffen werden, dass alle +Lösungen für die Gleichung in $x$ orthogonal sein werden. + +Da die Bedingungen des Stab-Problem nur Anforderungen an $x$ stellen, können +diese direkt für $X(x)$ übernomen werden. Es gilt also $X(0) = X(l) = 0$. +Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen also die Gleichungen +\begin{equation} +\begin{aligned} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} + k_a X(a) + h_a p(a) X'(a) &= 0 \\ + k_b X(b) + h_b p(b) X'(b) &= 0 +\end{aligned} +\end{equation} +erfüllt sein und es muss ausserdem +\begin{equation} +\begin{aligned} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-coefficient-constraints} + |k_a|^2 + |h_a|^2 &\neq 0\\ + |k_b|^2 + |h_b|^2 &\neq 0\\ +\end{aligned} +\end{equation} +gelten. + +Um zu verifizieren, ob die Randbedingungen erfüllt sind, wird zunächst +$p(x)$ +benötigt. +Dazu wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} +mit der +Sturm-Liouville-Form~\eqref{eq:sturm-liouville-equation} verglichen, was zu +$p(x) = 1$ führt. + +Werden nun $p(x)$ und die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +in \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} eigesetzt, erhält +man +\[ +\begin{aligned} + k_a y(0) + h_a y'(0) &= h_a y'(0) = 0 \\ + k_b y(l) + h_b y'(l) &= h_b y'(l) = 0. +\end{aligned} +\] +Damit die Gleichungen erfüllt sind, müssen $h_a = 0$ und $h_b = 0$ sein. +Zusätzlich müssen aber die +Bedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-coefficient-constraints} +erfüllt sein und da $y(0) = 0$ und $y(l) = 0$ sind, können belibige $k_a \neq 0$ +und $k_b \neq 0$ gewählt werden. + +Somit ist gezeigt, dass die Randbedingungen des Stab-Problems für Enden auf +konstanter Temperatur auch die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen und +alle daraus reultierenden Lösungen orthogonal sind. +Analog dazu kann gezeit werden, dass die Randbedingungen für einen Stab mit +isolierten Enden ebenfalls die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen und +somit auch zu orthogonalen Lösungen führen. + +% +% Lösung von X(x), Teil mu +% + +\subsubsection{Lösund der Differentialgleichung in $x$} +Als erstes wird auf die +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingegangen. +Aufgrund der Struktur der Gleichung +\[ + X^{\prime \prime}(x) - \mu X(x) + = + 0 +\] +wird ein trigonometrischer Ansatz gewählt. +Die Lösungen für $X(x)$ sind also von der Form +\[ + X(x) + = + A \cos \left( \alpha x\right) + B \sin \left( \beta x\right). +\] + +Dieser Ansatz wird nun solange differenziert, bis alle in +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} enthaltenen +Ableitungen vorhanden sind. +Man erhält also +\[ + X^{\prime}(x) + = + - \alpha A \sin \left( \alpha x \right) + + \beta B \cos \left( \beta x \right) +\] +und +\[ + X^{\prime \prime}(x) + = + -\alpha^{2} A \cos \left( \alpha x \right) - + \beta^{2} B \sin \left( \beta x \right). +\] + +Eingesetzt in Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} +ergibt dies +\[ + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) - \beta^{2}B\sin(\beta x) - + \mu\left(A\cos(\alpha x) + B\sin(\beta x)\right) + = + 0 +\] +und durch umformen somit +\[ + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) - \beta^{2}B\sin(\beta x) + = + \mu A\cos(\alpha x) + \mu B\sin(\beta x). +\] + +Mittels Koeffizientenvergleich von +\[ +\begin{aligned} + -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) + &= + \mu A\cos(\alpha x) + \\ + -\beta^{2}B\sin(\beta x) + &= + \mu B\sin(\beta x) +\end{aligned} +\] +ist schnell ersichtlich, dass $ \mu = -\alpha^{2} = -\beta^{2} $ gelten muss für +$ A \neq 0 $ oder $ B \neq 0 $. +Zur Berechnung von $ \mu $ bleiben also noch $ \alpha $ und $ \beta $ zu +bestimmen. +Dazu werden nochmals die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +und \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} +benötigt. + +Da die Koeffizienten $A$ und $B$, sowie die Parameter $\alpha$ uns $\beta$ im +allgemeninen ungleich $0$ sind, müssen die Randbedingungen durch die +trigonometrischen Funktionen erfüllt werden. + +Es werden nun die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} +für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur in die +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingesetzt. +Betrachten wir zunächst die Bedingung für $x = 0$. +Dies fürht zu +\[ + X(0) + = + A \cos(0 \alpha) + B \sin(0 \beta) + = + 0. +\] +Da $\cos(0) \neq 0$ ist, muss in diesem Fall $A = 0$ gelten. +Für den zweiten Summanden ist wegen $\sin(0) = 0$ die Randbedingung erfüllt. + +Wird nun die zweite Randbedingung für $x = l$ mit $A = 0$ eingesetzt, ergibt +sich +\[ + X(l) + = + 0 \cos(\alpha l) + B \sin(\beta l) + = + B \sin(\beta l) + = 0. +\] + +$\beta$ muss also so gewählt werden, dass $\sin(\beta l) = 0$ gilt. +Es bleibt noch nach $\beta$ aufzulösen: +\[ +\begin{aligned} + \sin(\beta l) &= 0 \\ + \beta l &= n \pi \qquad n \in \mathbb{N} \\ + \beta &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N} +\end{aligned} +\] + +Es folgt nun wegen $\mu = -\beta^{2}$, dass +\[ + \mu_1 = -\beta^{2} = -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}} +\] +sein muss. +Ausserdem ist zu bemerken, dass dies auch gleich $-\alpha^{2}$ ist. +Da aber $A = 0$ gilt und der Summand mit $\alpha$ verschwindet, ist dies keine +Verletzung der Randbedingungen. + +Durch alanoges Vorgehen kann nun auch das Problem mit isolierten Enden gelöst +werden. +Setzt man nun die +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} +in $X^{\prime}$ ein, beginnend für $x = 0$. Es ergibt sich +\[ + X^{\prime}(0) + = + -\alpha A \sin(0 \alpha) + \beta B \cos(0 \beta) + = 0. +\] +In diesem Fall muss $B = 0$ gelten. +Zusammen mit der Bedignung für $x = l$ +folgt nun +\[ + X^{\prime}(l) + = + - \alpha A \sin(\alpha l) + 0 \beta \cos(\beta l) + = + - \alpha A \sin(\alpha l) + = 0. +\] + +Wiedrum muss über die $\sin$-Funktion sicher gestellt werden, dass der +Ausdruck den Randbedingungen entspricht. +Es folgt nun +\[ +\begin{aligned} + \sin(\alpha l) &= 0 \\ + \alpha l &= n \pi \qquad n \in \mathbb{N} \\ + \alpha &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N} +\end{aligned} +\] +und somit +\[ + \mu_2 = -\alpha^{2} = -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}}. +\] + +Es ergibt sich also sowohl für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur +wie auch mit isolierten Enden +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-mu-solution} + \mu + = + -\frac{n^{2}\pi^{2}}{l^{2}}. +\end{equation} + +% +% Lösung von X(x), Teil: Koeffizienten a_n und b_n mittels skalarprodukt. +% + +Bisher wurde über die Koeffizienten $A$ und $B$ noch nicht viel ausgesagt. +Zunächst ist wegen vorhergehender Rechnung ersichtlich, dass es sich bei +$A$ und $B$ nicht um einzelne Koeffizienten handelt. +Stattdessen können die Koeffizienten für jedes $n \in \mathbb{N}$ +unterschiedlich sein. +Die Lösung $X(x)$ wird nun umgeschrieben zu +\[ + X(x) + = + a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right). +\] + +Um eine eindeutige Lösung für $X(x)$ zu erhalten werden noch weitere +Bedingungen benötigt. +Diese sind die Startbedingungen oder $u(0, x) = X(x)$ für $t = 0$. +Es gilt also nun die Gleichung +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} + u(0, x) + = + a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) +\end{equation} +nach allen $a_n$ und $b_n$ aufzulösen. +Da aber $a_n$ und $b_n$ jeweils als Faktor zu einer trigonometrischen Funktion +gehört, von der wir wissen, dass sie orthogonal zu allen anderen +trigonometrischen Funktionen der Lösung ist, kann direkt das Skalarprodukt +verwendet werden um die Koeffizienten $a_n$ und $b_n$ zu bestimmen. +Es wird also die Tatsache ausgenutzt, dass die Gleichheit in +\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} nach Anwendung des +Skalarproduktes immernoch gelten muss und dass das Skalaprodukt mit einer +Basisfunktion sämtliche Summanden auf der rechten Seite auslöscht. + +Zur Berechnung von $a_m$ mit $ m \in \mathbb{N} $ wird beidseitig das +Skalarprodukt mit der Basisfunktion $ \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)$ +gebildet: +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} + \langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \rangle + = + \langle a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right), + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\rangle +\end{equation} + +Bevor diese Form in die Integralform umgeschrieben werden kann, muss überlegt +sein, welche Integralgrenzen zu verwenden sind. +In diesem Fall haben die $\sin$ und $\cos$ Terme beispielsweise keine ganze +Periode im Intervall $x \in [0, l]$ für ungerade $n$ und $m$. +Um die Skalarprodukte aber korrekt zu berechnen, muss über ein ganzzahliges +Vielfaches der Periode der trigonometrischen Funktionen integriert werden. +Dazu werden die Integralgrenzen $-l$ und $l$ verwendet und es werden ausserdem +neue Funktionen $\hat{u}_c(0, x)$ für die Berechnung mit Cosinus und +$\hat{u}_s(0, x)$ für die Berechnung mit Sinus angenomen, welche $u(0, t)$ +gerade, respektive ungerade auf $[-l, l]$ fortsetzen: +\[ +\begin{aligned} + \hat{u}_c(0, x) + &= + \begin{cases} + u(0, -x) & -l \leq x < 0 + \\ + u(0, x) & 0 \leq x \leq l + \end{cases} + \\ + \hat{u}_s(0, x) + &= + \begin{cases} + -u(0, -x) & -l \leq x < 0 + \\ + u(0, x) & 0 \leq x \leq l + \end{cases}. +\end{aligned} +\] + +Die Konsequenz davon ist, dass nun das Resultat der Integrale um den Faktor zwei +skalliert wurde, also gilt nun +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + \\ + \int_{-l}^{l}\hat{u}_s(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx. +\end{aligned} +\] + +Zunächst wird nun das Skalaprodukt~\eqref{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} +berechnet: +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + =& + \int_{-l}^{l} \left[a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right)\right] + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + \\ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + =& + a_0 \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[a_n\int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx\right] + \\ + &+ + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[b_n\int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx\right]. +\end{aligned} +\] + +Betrachtet man nun die Summanden auf der rechten Seite stellt man fest, dass +nahezu alle Terme verschwinden, denn +\[ + \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) dx + = + 0, +\] +da hier über ein ganzzahliges Vielfaches der Periode integriert wird, +\[ + \int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + 0 +\] +für $m\neq n$, da Cosinus-Funktionen mit verschiedenen Kreisfrequenzen +orthogonal zueinander stehen und +\[ + \int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + 0 +\] +da Sinus- und Cosinus-Funktionen ebenfalls orthogonal zueinander sind. + +Es bleibt also lediglich der Summand für $a_m$ stehen, was die Gleichung zu +\[ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + = + a_m\int_{-l}^{l}\cos^2\left(\frac{m\pi}{l}x\right)dx +\] +vereinfacht. Im nächsten Schritt wird nun das Integral auf der rechten Seite +berechnet und dann nach $a_m$ aufgelöst. Am einnfachsten geht dies, wenn zuerst +mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert wird: +\[ + \begin{aligned} + 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\int_{-m\pi}^{m\pi}\cos^2\left(u\right)du + \\ + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\left[\frac{u}{2} + + \frac{\sin\left(2u\right)}{4}\right]_{u=-m\pi}^{m\pi} + \\ + &= + a_m\frac{l}{m\pi}\biggl(\frac{m\pi}{2} + + \underbrace{\frac{\sin\left(2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0} - + \frac{-m\pi}{2} - + \underbrace{\frac{\sin\left(-2m\pi\right)}{4}}_{\displaystyle = 0}\biggr) + \\ + &= + a_m l + \\ + a_m + &= + \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + \end{aligned} +\] + +Analog dazu kann durch das Bilden des Skalarproduktes mit +$ \sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right) $ gezeigt werden, dass +\[ + b_m + = + \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\sin\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx +\] +gilt. + +Etwas anders ist es allerdings bei $a_0$. +Wie der Name bereits suggeriert, handelt es sich hierbei um den Koeffizienten +zur Basisfunktion $\cos\left(\frac{0 \pi}{l}x\right)$ beziehungsweise der +konstanten Funktion $1$. +Um einen Ausdruck für $a_0$ zu erhalten, wird wiederum auf beiden Seiten +der Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} das +Skalarprodukt mit der konstanten Basisfunktion $1$ gebildet: +\[ +\begin{aligned} + \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)dx + &= + \int_{-l}^{l} a_0 + + + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + + + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right)dx + \\ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + &= + a_0 \int_{-l}^{l}dx + + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[a_n\int_{-l}^{l}\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + dx\right] + + \sum_{n = 1}^{\infty}\left[b_n\int_{-l}^{l}\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + dx\right]. +\end{aligned} +\] + +Hier fallen nun alle Terme, die $\sin$ oder $\cos$ beinhalten weg, da jeweils +über ein Vielfaches der Periode integriert wird. +Es bleibt also noch +\[ + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + = + a_0 \int_{-l}^{l}dx +\] +, was sich wie folgt nach $a_0$ auflösen lässt: +\[ +\begin{aligned} + 2\int_{0}^{l}u(0, x)dx + &= + a_0 \int_{-l}^{l}dx + \\ + &= + a_0 \left[x\right]_{x=-l}^{l} + \\ + &= + a_0(l - (-l)) + \\ + &= + a_0 \cdot 2l + \\ + a_0 + &= + \frac{1}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)dx +\end{aligned} +\] + +% +% Lösung von T(t) +% + +\subsubsection{Lösung der Differentialgleichung in $t$} +Zuletzt wird die zweite Gleichung der +Separation~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} betrachtet. +Diese wird über das charakteristische Polynom +\[ + \lambda - \kappa \mu + = + 0 +\] +gelöst. + +Es ist direkt ersichtlich, dass $\lambda = \kappa \mu$ gelten muss, was zur +Lösung +\[ + T(t) + = + e^{\kappa \mu t} +\] +führt und mit dem Resultat~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-mu-solution} +\[ + T(t) + = + e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} +\] +ergibt. + +Dieses Resultat kann nun mit allen vorhergehenden Resultaten zusammengesetzt +werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. + +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\[ +\begin{aligned} + u(t,x) + &= + \sum_{n=1}^{\infty}b_{n}e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} + \sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \\ + b_{n} + &= + \frac{2}{l}\int_{0}^{l}u(0,x)sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) dx +\end{aligned} +\] + +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} +\[ +\begin{aligned} + u(t,x) + &= + a_{0} + \sum_{n=1}^{\infty}a_{n}e^{-\frac{n^{2}\pi^{2}\kappa}{l^{2}}t} + \cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \\ + a_{0} + &= + \frac{1}{l}\int_{0}^{l}u(0,x) dx + \\ + a_{n} + &= + \frac{2}{l}\int_{0}^{l}u(0,x)sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right) dx +\end{aligned} +\] diff --git a/buch/papers/zeta/Makefile.inc b/buch/papers/zeta/Makefile.inc index 11c7697..14babe2 100644 --- a/buch/papers/zeta/Makefile.inc +++ b/buch/papers/zeta/Makefile.inc @@ -7,8 +7,7 @@ dependencies-zeta = \ papers/zeta/packages.tex \ papers/zeta/main.tex \ papers/zeta/references.bib \ - papers/zeta/teil0.tex \ - papers/zeta/teil1.tex \ - papers/zeta/teil2.tex \ - papers/zeta/teil3.tex + papers/zeta/einleitung.tex \ + papers/zeta/analytic_continuation.tex \ + papers/zeta/zeta_gamma.tex \ diff --git a/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex b/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex new file mode 100644 index 0000000..d45a6ae --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/analytic_continuation.tex @@ -0,0 +1,537 @@ +\section{Analytische Fortsetzung} \label{zeta:section:analytische_fortsetzung} +\rhead{Analytische Fortsetzung} + +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 $\Re(s) = \frac{1}{2}$. +Wie bereits erwähnt sind diese 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 $\Re(s) = \frac{1}{2}$ Geraden 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/images/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 wir die Dirichletsche Etafunktion als +\begin{equation}\label{zeta:equation:eta} + \eta(s) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{(-1)^{n-1}}{n^s}, +\end{equation} +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 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} + \color{red} + \zeta(s) + &= + \sum_{n=1}^{\infty} + \color{red} + \frac{1}{n^s} \label{zeta:align1} + \\ + \color{blue} + \frac{1}{2^{s-1}} + \zeta(s) + &= + \sum_{n=1}^{\infty} + \color{blue} + \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({\color{red}1} - {\color{blue}\frac{1}{2^{s-1}}} \right) + \zeta(s) + &= + {\color{red}\frac{1}{1^s}} + \underbrace{ + - + {\color{blue}\frac{2}{2^s}} + + + {\color{red}\frac{1}{2^s}} + }_{\displaystyle{-\frac{1}{2^s}}} + + + {\color{red}\frac{1}{3^s}} + \underbrace{- + {\color{blue}\frac{2}{4^s}} + + + {\color{red}\frac{1}{4^s}} + }_{\displaystyle{-\frac{1}{4^s}}} + \ldots + \\ + &= \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{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}. +Wir beginnen damit, die Gammafunktion für den halben Funktionswert zu berechnen als +\begin{equation} + \Gamma \left( \frac{s}{2} \right) + = + \int_0^{\infty} t^{\frac{s}{2}-1} e^{-t} dt. +\end{equation} +Nun substituieren wir $t = \pi n^2 x$ und $dt=\pi n^2 dx$ und erhalten +\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. +\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}}} + \frac{1}{n^s} + = + \int_0^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + e^{-\pi n^2 x} + \,dx, +\end{equation} +und finden $\zeta(s)$ durch die Summenbildung über alle $n$ +\begin{align} + \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} + \\ + &= + \int_0^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx, +\end{align} +wobei die Summe $\sum_{n=1}^{\infty} e^{-\pi n^2 x}$ als $\psi(x)$ abgekürzt wird. +Zunächst teilen wir nun das Integral auf in zwei Teile +\begin{equation}\label{zeta:equation:integral2} + \int_0^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + = + \underbrace{ + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + }_{\displaystyle{I_1}} + + + \underbrace{ + \int_1^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + }_{\displaystyle{I_2}} + = + I_1 + I_2. +\end{equation} +Abschnitt \ref{zeta:subsubsec:intcal} beschreibt wie das Integral $I_1$ umgestellt werden kann um ebenfalls die Integrationsgrenzen $1$ und $\infty$ zu bekommen. +Die Lösung, beschrieben in Gleichung \eqref{zeta:equation:intcal_res}, lautet +\begin{equation*} + I_1 + = + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + = + \int_{1}^{\infty} + x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} + \psi(x) + \,dx + + + \frac{1}{s(s-1)}. +\end{equation*} +Dieses Resultat setzen wir nun ein in \eqref{zeta:equation:integral2}, um schlussendlich +\begin{align} + \frac{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)}{\pi^{\frac{s}{2}}} + \zeta(s) + &= + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + + + \int_1^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + \nonumber + \\ + &= + \frac{1}{s(s-1)} + + + \int_{1}^{\infty} + x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} + \psi(x) + \,dx + + + \int_1^{\infty} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + \\ + &= + \frac{1}{s(s-1)} + + + \int_{1}^{\infty} + \left( + x^{-\frac{s}{2}-\frac{1}{2}} + + + x^{\frac{s}{2}-1} + \right) + \psi(x) + \,dx + \\ + &= + \frac{-1}{s(1-s)} + + + \int_{1}^{\infty} + \left( + x^{\frac{1-s}{2}} + + + x^{\frac{s}{2}} + \right) + \frac{\psi(x)}{x} + \,dx, +\end{align} +zu erhalten. +Wenn wir dieses Resultat genau anschauen, erkennen wir dass sich nichts verändert wenn $s$ mit $1-s$ ersetzt wird. +Somit haben wir die analytische Fortsetzung gefunden als +\begin{equation}\label{zeta:equation:functional} + \frac{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)}{\pi^{\frac{s}{2}}} + \zeta(s) + = + \frac{\Gamma \left( \frac{1-s}{2} \right)}{\pi^{\frac{1-s}{2}}} + \zeta(1-s), +\end{equation} +was einer Spiegelung an der $\Re(s) = \frac{1}{2}$ Geraden entspricht. +Eine ganz ähnliche Spiegelungseigenschaft wurde bereits in Abschnitt \ref{buch:funktionentheorie:subsection:gammareflektion} für die Gammafunktion gefunden. + +\subsection{Berechnung des Integrals $I_1 = \int_0^{1} x^{\frac{s}{2}-1} \psi(x) \,dx$} \label{zeta:subsubsec:intcal} + +Ziel dieses Abschnittes ist, zu zeigen wie das Integral $I_1$ aus Gleichung \eqref{zeta:equation:integral2} durch ein neues Integral mit den Integrationsgrenzen $1$ und $\infty$ ersetzt werden kann. +Da dieser Schritt ziemlich aufwendig ist, wird er hier in einem eigenen Abschnitt behandelt. +Zunächst wird die poissonsche Summenformel hergeleitet \cite{zeta:online:poisson}, da diese verwendet werden kann um $\psi(x)$ zu berechnen. + +Um die poissonsche Summenformel 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} + }_{\displaystyle{\text{\eqref{zeta:equation:fourier_dirac}}}} + \, dx, \label{zeta:equation:1934} + \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 in Gleichung \eqref{zeta:equation:1934} erhalten wir + \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} + was der gesuchte Beweis für die poissonsche Summenformel ist. +\end{proof} + +Erinnern wir uns nochmals an unser Integral aus Gleichung \eqref{zeta:equation:integral2} +\begin{align*} + I_1 + &= + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \sum_{n=1}^{\infty} + e^{-\pi n^2 x} + \,dx + \\ + &= + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + . +\end{align*} + +Wir wenden nun diese poissonsche Summenformel $\sum f(n) = \sum F(n)$ an auf $\psi(x)$. +In unserem Problem ist also $f(n) = e^{-\pi n^2 x}$ 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} + \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}} + \Biggl( + 2 + \sum_{n=1}^{\infty} + e^{\frac{-n^2 \pi}{x}} + + + 1 + \Biggr) + \\ + 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}}.\label{zeta:equation:psi} +\end{align} +Diese Form von $\psi(x)$ eingesetzt in $I_1$ ergibt +\begin{align} + I_1 + = + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + &= + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \Biggl( + - \frac{1}{2} + + \frac{\psi\left(\frac{1}{x} \right)}{\sqrt{x}} + + \frac{1}{2 \sqrt{x}} + \Biggr) + \,dx + \\ + &= + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \psi \left( \frac{1}{x} \right) + + \frac{1}{2} + \biggl( + x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + - + x^{\frac{s}{2}-1} + \biggl) + \,dx + \\ + &= + \underbrace{ + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \psi \left( \frac{1}{x} \right) + \,dx + }_{\displaystyle{I_3}} + + + \underbrace{ + \frac{1}{2} + \int_0^1 + x^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + - + x^{\frac{s}{2}-1} + \,dx + }_{\displaystyle{I_4}}. \label{zeta:equation:integral3} +\end{align} +Darin kann für das zweite Integral $I_4$ eine Lösung gefunden 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 + = + \frac{1}{s(s-1)}. +\end{equation} +Das erste Integral $I_3$ aus \eqref{zeta:equation:integral3} mit $\psi \left(\frac{1}{x} \right)$ ist hingegen 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} + \left( + \frac{1}{u} + \right)^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \psi(u) + \frac{-du}{u^2} + &= + \int_{1}^{\infty} + \left( + \frac{1}{u} + \right)^{\frac{s}{2}-\frac{3}{2}} + \psi(u) + \frac{du}{u^2} + \\ + &= + \int_{1}^{\infty} + x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} + \psi(x) + \,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 $I_2$ von \eqref{zeta:equation:integral2} sind. +Wir setzen beide Lösungen in Gleichung \eqref{zeta:equation:integral3} ein und erhalten +\begin{equation} + I_1 + = + \int_0^{1} + x^{\frac{s}{2}-1} + \psi(x) + \,dx + = + \int_{1}^{\infty} + x^{(-1) \left(\frac{s}{2}+\frac{1}{2}\right)} + \psi(x) + \,dx + + + \frac{1}{s(s-1)}. \label{zeta:equation:intcal_res} +\end{equation} +Diese Form des Integrals $I_1$ hat die gewünschten Integrationsgrenzen und ein essentieller Bestandteil des Beweises der Funktionalgleichung in Abschnitt \ref{zeta:subsection:auf_ganz}. diff --git a/buch/papers/zeta/einleitung.tex b/buch/papers/zeta/einleitung.tex new file mode 100644 index 0000000..828678d --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/einleitung.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +\section{Einleitung} \label{zeta:section:einleitung} +\rhead{Einleitung} + +Die Riemannsche Zetafunktion $\zeta(s)$ ist für alle komplexe $s$ mit $\Re(s) > 1$ definiert als +\begin{equation}\label{zeta:equation1} + \zeta(s) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n^s}. +\end{equation} +Die Zetafunktion ist bekannt als Bestandteil der Riemannschen Vermutung, welche besagt das alle nichttrivialen Nullstellen der Zetafunktion einen Realteil von $\frac{1}{2}$ haben. +Mithilfe dieser Vermutung kann eine gute Annäherung an die Primzahlfunktion gefunden werden. +Die Primzahlfunktion steigt immer an, sobald eine Primzahl vorkommt. +Eine Darstellung davon ist in Abbildung \ref{fig:zeta:primzahlfunktion} zu finden. +Die Riemannsche Vermutung ist eines der ungelösten Millennium-Probleme der Mathematik, auf deren Lösung eine Belohnung von einer Million Dollar ausgesetzt ist \cite{zeta:online:millennium}. +Auf eine genauere Beschreibung der Riemannschen Vermutung wird im Rahmen dieses Papers nicht eingegangen. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/zeta/images/primzahlfunktion2.tex} + \caption{Die Primzahlfunktion von $0$ bis $30$.} + \label{fig:zeta:primzahlfunktion} +\end{figure} + +Der grundlegende Zusammenhang der Primzahlen und der Zetafunktion wird im ersten Abschnitt \ref{zeta:section:eulerprodukt} über das Eulerprodukt gezeigt. +Danach folgt die Verbindung zur bereits bekannten Gammafunktion in Abschnitt \ref{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion}. +Schlussendlich folgt die Beschreibung der analytischen Fortsetzung die gesamte komplexe Ebene in Abschnitt \ref{zeta:section:analytische_fortsetzung}. + +Diese analytische Fortsetzung wird für die Riemannsche Vermutung benötigt, ermöglicht aber auch andere interessante Aussagen. +So findet sich zum Beispiel immer wieder die aberwitzige Behauptung, das die Summe aller natürlichen Zahlen +\begin{equation*} + \sum_{n=1}^{\infty} n + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n^{-1}} + = + -\frac{1}{12} +\end{equation*} +sei. +Obwohl diese Behauptung offensichtlich falsch ist, hat sie doch ihre Berechtigung, wie durch die analytische Fortsetzung gezeigt werden wird. + +Die folgenden mathematischen Herleitungen sind, sofern nicht anders gekennzeichnet, eigene Darstellungen basierend auf den überaus umfangreichen Wikipedia-Artikeln auf Deutsch \cite{zeta:online:wiki_de} und Englisch \cite{zeta:online:wiki_en} sowie einer Video-Playlist \cite{zeta:online:mryoumath}. diff --git a/buch/papers/zeta/euler_product.tex b/buch/papers/zeta/euler_product.tex new file mode 100644 index 0000000..9c08dd2 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/euler_product.tex @@ -0,0 +1,86 @@ +\section{Eulerprodukt} \label{zeta:section:eulerprodukt} +\rhead{Eulerprodukt} + +Das Eulerprodukt stellt die gesuchte Verbindung der Zetafunktion und der Primzahlen her. +Wie der Name bereits sagt, wurde das Eulerprodukt bereits 1727 von Euler entdeckt. +Um daraus die Riemannsche Vermutung herzuleiten, wäre aber noch einiges mehr nötig. + +\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} + \biggl( + \frac{1}{p_i^s} + \biggr)^{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 + \biggl( + \frac{1}{p_1^{k_1}} + \frac{1}{p_2^{k_2}} + \ldots + \biggr)^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 der Kehrwert genau einer natürlichen Zahl $n \in \mathbb{N}$. + 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 + \biggl( + \frac{1}{p_1^{k_1}} + \frac{1}{p_2^{k_2}} + \ldots + \biggr)^s + = + \sum_{n=1}^\infty + \frac{1}{n^s} + = + \zeta(s), + \end{equation} + wodurch das Eulerprodukt bewiesen ist. +\end{proof} + diff --git a/buch/papers/zeta/fazit.tex b/buch/papers/zeta/fazit.tex new file mode 100644 index 0000000..027f324 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/fazit.tex @@ -0,0 +1,94 @@ +\section{Der Wert $\zeta(-1)$} \label{zeta:section:fazit} +\rhead{Der Wert $\zeta(-1)$} + +Ganz zu Beginn dieses Papers wurde die Behauptung erwähnt, dass die Summe aller natürlichen Zahlen $-\frac{1}{12}$ sei. +Diese Summe ist nichts anderes als die Zetafunktion am Wert $s=-1$. +Da wir die analytische Fortsetzung mit der Funktionalgleichung \eqref{zeta:equation:functional} gefunden haben, können wir den Wert $s=-1$ einsetzen und erhalten +\begin{align*} + \zeta(s) + &= + \frac{\Gamma \left( \frac{1-s}{2} \right)}{\pi^{\frac{1-s}{2}}} + \zeta(1-s) + \frac{\pi^{\frac{s}{2}}}{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)} + \\ + \zeta(-1) + &= + \frac{\Gamma(1)}{\pi} + \zeta(2) + \frac{\pi^{-\frac{1}{2}}}{\Gamma \left( -\frac{1}{2} \right)}. +\end{align*} +Also fehlen uns drei Werte, $\zeta(2)$, $\Gamma(1)$ und $\Gamma(-\frac{1}{2})$. + +Zunächst konzentrieren wir uns auf $\zeta(2)$, welches im konvergenten Bereich der Reihe liegt und auch bekannt ist als das Basler Problem. +Wir lösen das Basler Problem \cite{zeta:online:basel} mithilfe der parsevalschen Gleichung \cite{zeta:online:pars} +\begin{align} + \int_{-\pi}^{\pi} |f(x)|^2 dx + &= + 2\pi \sum_{n=-\infty}^{\infty} |c_n|^2 \\ + c_n + &= + \frac{1}{2\pi} + \int_{-\pi}^{\pi}f(x)e^{-inx} dx, +\end{align} +welche besagt dass die Summe der quadrierten Fourierkoeffizienten einer Funktion identisch ist mit dem Integral der quadrierten Funktion. +Wenn wir dies für $f(x) = x$ auswerten erhalten wir +\begin{align} + c_n + &= + \begin{cases} + \frac{(-1)^n}{n} i, & \text{for } n\neq0, \\ + 0, & \text{for } n=0 + \end{cases} + \\ + \int_{-\pi}^{\pi} x^2 dx + &= + 2\pi \sum_{n=-\infty}^{\infty} |c_n|^2 + = + 4\pi \underbrace{\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}}_{\displaystyle{\zeta(2)}}. +\end{align} +Durch einfaches Umstellen erhalten wir somit die Lösung des Basler Problems als +\begin{equation} + \zeta(2) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{1}{4\pi} + \int_{-\pi}^{\pi} x^2 dx + = \frac{\pi^2}{6}. +\end{equation} + +Als nächstes berechnen wir $\Gamma(1)$ und $\Gamma(-\frac{1}{2})$ mithilfe der Integraldefinition der Gammafunktion (Definition \ref{buch:rekursion:def:gamma}). +Da das Integral für $\Gamma(-\frac{1}{2})$ nicht konvergiert, wird die Reflektionsformel aus \ref{buch:funktionentheorie:subsection:gammareflektion} verwendet, welche das konvergierende Integral von $\Gamma(\frac{3}{2})$ verwendet. +Es ergeben sich die Werte +\begin{align*} + \Gamma(1) + &= 1\\ + \Gamma\biggl(-\frac{1}{2}\biggr) + &= \frac{\pi}{\sin\left(-\frac{\pi}{2}\right) + \Gamma\left(\frac{3}{2}\right)} + = -\frac{\sqrt{\pi}}{2}. +\end{align*} + +Wenn wir diese Werte in die Funktionalgleichung einsetzen, erhalten wir das gewünschte Ergebnis +\begin{align*} + \zeta(-1) + &= + \frac{\Gamma(1)}{\pi} + \zeta(2) + \frac{\pi^{-\frac{1}{2}}}{\Gamma \left( -\frac{1}{2} \right)} + \\ + &= + \frac{1}{\pi} + \frac{\pi^2}{6} + \frac{\pi^{-\frac{1}{2}}}{ + -\frac{\sqrt{\pi}}{2}} + \\ + &= + -\frac{1}{12}. +\end{align*} + +Weiter wurde zu Beginn dieses Papers auf die Riemannsche Vermutung hingewiesen, wonach alle nichttrivialen Nullstellen der Zetafunktion auf der $\Re(s)=\frac{1}{2}$ Geraden liegen. +Abbildung \ref{zeta:fig:einzweitel} zeigt die Funktionswerte dieser Geraden. +\begin{figure} + \centering + \input{papers/zeta/images/zetaplot.tex} + \caption{Die komplexen Werte der Zetafunktion für die kritische Gerade $\Re(s)=\frac{1}{2}$ im Bereich $\Im(s) = 0\dots40$. + Klar sichtbar sind die immer wiederkehrenden Nullstellen, wie sie Gegenstand der Riemannschen Vermutung sind.} + \label{zeta:fig:einzweitel} +\end{figure} diff --git a/buch/papers/zeta/images/Makefile b/buch/papers/zeta/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..611662d --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/Makefile @@ -0,0 +1,10 @@ +# +# Makefile to build images +# +all: primzahlfunktion2.pdf zetaplot.pdf + +primzahlfunktion2.pdf: primzahlfunktion2.tex + pdflatex primzahlfunktion2.tex + +zetaplot.pdf: zetaplot.tex zetapath.tex + pdflatex zetaplot.tex diff --git a/buch/papers/zeta/images/continuation_overview.tikz.tex b/buch/papers/zeta/images/continuation_overview.tikz.tex new file mode 100644 index 0000000..836ab1d --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/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/images/primzahlfunktion.pgf b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion.pgf new file mode 100644 index 0000000..7d4f4fc --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion.pgf @@ -0,0 +1,505 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\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}}{% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.528485in}{2.040000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.678788in}{2.040000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.678788in}{2.376000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.829091in}{2.376000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.829091in}{2.376000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.979394in}{2.376000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.979394in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.129697in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.129697in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.280000in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.280000in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.430303in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.430303in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.580606in}{2.712000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.580606in}{3.048000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.730909in}{3.048000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.730909in}{3.048000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.881212in}{3.048000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.881212in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.031515in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.031515in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.181818in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.181818in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.332121in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.332121in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.482424in}{3.384000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.482424in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.632727in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.632727in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.783030in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.783030in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.933333in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.933333in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.083636in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.083636in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.233939in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.233939in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.384242in}{3.720000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.384242in}{4.056000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.534545in}{4.056000in}}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\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{5.760000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{0.528000in}}% +\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{0.800000in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.pdf b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..8998fb8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.pdf diff --git a/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.tex b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.tex new file mode 100644 index 0000000..7425ce5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion2.tex @@ -0,0 +1,63 @@ +% +% primzahlfunktion2.tex -- Primzahlfunktion, alternativer Vorschlag +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\dx{0.38} +\def\dy{0.5} + +\foreach \x in {1,...,30}{ + \draw[color=gray!20] ({\x*\dx},0) -- ({\x*\dx},{10.5*\dy}); +} +\foreach \y in {1,...,10}{ + \draw[color=gray!20] (0,{\y*\dy}) -- ({30.5*\dx},{\y*\dy}); +} + +\draw[->] (-0.1,0) -- ({30.8*\dx},0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-0.1) -- (0,{10.9*\dy}) coordinate[label={right:$\pi(x)$}]; + +\def\segment#1#2#3{ + %\draw[line width=0.1pt] ({#3*\dx},0) -- ({#3*\dx},{#2*\dy}); + \draw[color=blue,line width=1.4pt] + ({#1*\dx},{#2*\dy}) -- ({#3*\dx},{#2*\dy}); + \draw[color=blue,line width=0.3pt] + ({#3*\dx},{#2*\dy}) -- ({#3*\dx},{(#2+1)*\dy}); + \draw ({#3*\dx},-0.1) -- ({#3*\dx},0.1); + \node at ({(#3)*\dx},-0.1) [below] {$#3\mathstrut$}; +} + +\foreach \y in {2,4,...,10}{ + \draw (-0.1,{\y*\dy}) -- (0.1,{\y*\dy}); + \node at (-0.1,{\y*\dy}) [left] {$\y\mathstrut$}; +} + +\begin{scope} +\clip (0,-0.5) rectangle ({30*\dx},{10.1*\dy}); + +\segment{0}{0}{2} +\segment{2}{1}{3} +\segment{3}{2}{5} +\segment{5}{3}{7} +\segment{7}{4}{11} +\segment{11}{5}{13} +\segment{13}{6}{17} +\segment{17}{7}{19} +\segment{19}{8}{23} +\segment{23}{9}{29} +\segment{29}{10}{31} +\end{scope} + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion_paper.pgf b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion_paper.pgf new file mode 100644 index 0000000..b9d67d3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/primzahlfunktion_paper.pgf @@ -0,0 +1,505 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{5.440000in}{3.480000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.440000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.440000in}{3.480000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{3.480000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.680000in}{0.382800in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.896000in}{0.382800in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.896000in}{3.062400in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.680000in}{3.062400in}}% +\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}}{% 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a/buch/papers/zeta/images/zeta_re_-1_plot.pgf b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_-1_plot.pgf new file mode 100644 index 0000000..dd15ba1 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_-1_plot.pgf @@ -0,0 +1,1147 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\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}}{% 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b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_0.5_paper.pgf new file mode 100644 index 0000000..44fffce --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_0.5_paper.pgf @@ -0,0 +1,1137 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{3.700000in}{3.100000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.700000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.700000in}{3.100000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{3.100000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.555000in}{0.465000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.330000in}{0.465000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.330000in}{2.728000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.555000in}{2.728000in}}% +\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}}{% 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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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\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}}{% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.408846in}{3.021754in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.479646in}{3.023538in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.550049in}{3.020260in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.619666in}{3.011973in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.688115in}{2.998759in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.755020in}{2.980724in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.820015in}{2.957998in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.882747in}{2.930736in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.942875in}{2.899118in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.000071in}{2.863344in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.054029in}{2.823637in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.104457in}{2.780240in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.151084in}{2.733412in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.193661in}{2.683435in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.231962in}{2.630602in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.265784in}{2.575223in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.294948in}{2.517619in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{4.319303in}{2.458123in}}% 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+\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.866097in}{1.427508in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.804007in}{1.400243in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.739950in}{1.377299in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.674282in}{1.358792in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.607365in}{1.344815in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.539567in}{1.335433in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.471260in}{1.330684in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.402816in}{1.330582in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.402816in}{1.330582in}}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% 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+\endgroup% diff --git a/buch/papers/zeta/images/zeta_re_0_plot.pgf b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_0_plot.pgf new file mode 100644 index 0000000..29a844e --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/zeta_re_0_plot.pgf @@ -0,0 +1,1242 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{0.800000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{5.760000in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.800000in}{4.224000in}}% +\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}}{% 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+fprintf(fn, "\n}\n"); +fclose(fn); + diff --git a/buch/papers/zeta/images/zetaplot.pdf b/buch/papers/zeta/images/zetaplot.pdf Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..c6d3693 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/zetaplot.pdf diff --git a/buch/papers/zeta/images/zetaplot.tex b/buch/papers/zeta/images/zetaplot.tex new file mode 100644 index 0000000..521bb1a --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/images/zetaplot.tex @@ -0,0 +1,47 @@ +% +% zetaplot.tex -- Abbildung der kritischen Geraden +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\documentclass[tikz]{standalone} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{times} +\usepackage{txfonts} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{csvsimple} +\usetikzlibrary{arrows,intersections,math} +\begin{document} +\def\skala{1} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\dx{2} +\def\dy{2} + +\draw[->] ({-1.6*\dx},0) -- ({3.4*\dx},0) + coordinate[label={$\Re\zeta(\frac12+it)$}]; +\draw[->] (0,{-2.1*\dx}) -- (0,{2.2*\dx}) + coordinate[label={left:$\Im\zeta(\frac12+it)$}]; + +\foreach \x in {-1,1,2,3}{ + \node at ({\x*\dx},-0.1) [below] {$\x$}; +} +\node at (-0.1,{1*\dy}) [above left] {$i$}; +\node at (-0.1,{2*\dy}) [left] {$2i$}; +\node at (-0.1,{-1*\dy}) [below left] {$-i$}; +\node at (-0.1,{-2*\dy}) [left] {$-2i$}; + +\foreach \x in {-1,1,2,3}{ + \draw ({\x*\dx},-0.1) -- ({\x*\dx},0.1); +} +\foreach \y in {1,2}{ + \draw (-0.1,{\y*\dy}) -- (0.1,{\y*\dy}); + \draw (-0.1,{-\y*\dy}) -- (0.1,{-\y*\dy}); +} + +\input{papers/zeta/images/zetapath.tex} + +\draw[color=blue,line width=1pt] \zetapath; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/papers/zeta/main.tex b/buch/papers/zeta/main.tex index 1d9e059..de297a0 100644 --- a/buch/papers/zeta/main.tex +++ b/buch/papers/zeta/main.tex @@ -3,34 +3,17 @@ % % (c) 2020 Hochschule Rapperswil % -\chapter{Thema\label{chapter:zeta}} -\lhead{Thema} +\chapter{Riemannsche Zetafunktion\label{chapter:zeta}} +\lhead{Riemannsche Zetafunktion} \begin{refsection} -\chapterauthor{Hans Muster} +\chapterauthor{Raphael Unterer} -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/zeta/teil0.tex} -\input{papers/zeta/teil1.tex} -\input{papers/zeta/teil2.tex} -\input{papers/zeta/teil3.tex} +\input{papers/zeta/einleitung.tex} +\input{papers/zeta/euler_product.tex} +\input{papers/zeta/zeta_gamma.tex} +\input{papers/zeta/analytic_continuation.tex} +\input{papers/zeta/fazit} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/zeta/presentation/presentation.tex b/buch/papers/zeta/presentation/presentation.tex new file mode 100644 index 0000000..53fd305 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/presentation/presentation.tex @@ -0,0 +1,368 @@ +\documentclass[ngerman, aspectratio=169]{beamer} + +%style +\mode<presentation>{ + \usetheme{Frankfurt} +} +%packages +\usepackage[utf8]{inputenc} +\usepackage[english]{babel} +\usepackage{graphicx} +\usepackage{array} + +\newcolumntype{L}[1]{>{\raggedright\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}} +\usepackage{ragged2e} + +\usepackage{bm} % bold math +\usepackage{amsfonts} +\usepackage{amssymb} +\usepackage{mathtools} +\usepackage{amsmath} +\usepackage{multirow} % multi row in tables +\usepackage{scrextend} + +\usepackage{tikz} + +\usepackage{algorithmic} + +%\usepackage{algorithm} % http://ctan.org/pkg/algorithm +%\usepackage{algpseudocode} % http://ctan.org/pkg/algorithmicx + +%\usepackage{algorithmicx} + + +%citations +\usepackage[style=verbose,backend=biber]{biblatex} +\addbibresource{references.bib} + + + +\usefonttheme[onlymath]{serif} + +%Beamer Template modifications +%\definecolor{mainColor}{HTML}{0065A3} % HSR blue +\definecolor{mainColor}{HTML}{D72864} % OST pink +\definecolor{invColor}{HTML}{28d79b} % OST pink +\definecolor{dgreen}{HTML}{38ad36} % Dark green + +%\definecolor{mainColor}{HTML}{000000} % HSR blue +\setbeamercolor{palette primary}{bg=white,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette secondary}{bg=orange,fg=mainColor} +\setbeamercolor{palette tertiary}{bg=yellow,fg=red} +\setbeamercolor{palette quaternary}{bg=mainColor,fg=white} %bg = Top bar, fg = active top bar topic +\setbeamercolor{structure}{fg=black} % itemize, enumerate, etc (bullet points) +\setbeamercolor{section in toc}{fg=black} % TOC sections +\setbeamertemplate{section in toc}[sections numbered] +\setbeamertemplate{subsection in toc}{% + \hspace{1.2em}{$\bullet$}~\inserttocsubsection\par} + +\setbeamertemplate{itemize items}[circle] +\setbeamertemplate{description item}[circle] +\setbeamertemplate{title page}[default][colsep=-4bp,rounded=true] +\beamertemplatenavigationsymbolsempty + +\setbeamercolor{footline}{fg=gray} +\setbeamertemplate{footline}{% + \hfill\usebeamertemplate***{navigation symbols} + \hspace{0.5cm} + \insertframenumber{}\hspace{0.2cm}\vspace{0.2cm} +} + +\usepackage{caption} +\captionsetup{labelformat=empty} + +%Title Page +\title{Riemannsche Zeta Funktion} +\author{Raphael Unterer} +\institute{Mathematisches Seminar 2022: Spezielle Funktionen} + +\newcommand*{\HL}{\textcolor{mainColor}} +\newcommand*{\RD}{\textcolor{red}} +\newcommand*{\BL}{\textcolor{blue}} +\newcommand*{\GN}{\textcolor{dgreen}} +\newcommand*{\YE}{\textcolor{violet}} + + + + +\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} + + +\begin{document} + + %Titelseite + \begin{frame} + \titlepage + \end{frame} + + %Inhaltsverzeichnis +% \begin{frame} +% \frametitle{Inhalt} +% \tableofcontents +% \end{frame} + + \section{Motivation} + + \begin{frame} + \frametitle{Summe aller Natürlichen Zahlen} + \begin{equation*} + \sum_{n=1}^{\infty} n + = + 1 + 2 + 3 + \ldots + \infty + = + - \frac{1}{12} + \end{equation*} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Summe aller Natürlichen Zahlen} + \begin{center} + \includegraphics[width=0.7\textwidth]{../images/youtube_screenshot.png} + \end{center} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Riemannsche Zeta Funktion} + \begin{equation*} + \zeta(s) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n^s} + \end{equation*} + \pause + \begin{equation*} + \zeta(-1) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n^{-1}} + = + \sum_{n=1}^{\infty} n + \end{equation*} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Originaler Definitionsbereich} + Wir kennen die divergierende harmonische Reihe + \begin{equation*} + \zeta(1) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n} + \rightarrow + \infty, + \end{equation*} + und somit ist $\Re(s) > 1$. + \end{frame} + + \section{Analytische Fortsetzung} + \begin{frame} + \frametitle{Plan für die Analytische Fortsetzung von $\zeta(s)$} + \begin{center} + \input{../images/continuation_overview.tikz.tex} + \end{center} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Fortsetzung auf $\Re(s) > 0$} + Dirichletsche Etafunktion ist + \begin{equation*}\label{zeta:equation:eta} + \eta(s) + = + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{(-1)^{n-1}}{n^s}, + \end{equation*} + und konvergiert im Bereich $\Re(s) > 0$. + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Fortsetzung auf $\Re(s) > 0$} + \begin{align} + \zeta(s) + &= + \RD{ + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{1}{n^s} \label{zeta:align1} + } + \\ + \frac{1}{2^{s-1}} + \zeta(s) + &= + \BL{ + \sum_{n=1}^{\infty} + \frac{2}{(2n)^s} \label{zeta:align2} + } + \end{align} + \pause + \eqref{zeta:align1} - \eqref{zeta:align2}: + \begin{align*} + \left(1 - \frac{1}{2^{s-1}} \right) + \zeta(s) + &= + \RD{\frac{1}{1^s}} + \underbrace{-\BL{\frac{2}{2^s}} + \RD{\frac{1}{2^s}}}_{-\frac{1}{2^s}} + + \RD{\frac{1}{3^s}} + \underbrace{-\BL{\frac{2}{4^s}} + \RD{\frac{1}{4^s}}}_{-\frac{1}{4^s}} + \ldots + \\ + &= \eta(s) + \end{align*} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Fortsetzung auf $\Re(s) > 0$} + Somit haben wir die Fortsetzung gefunden als + \begin{equation} \label{zeta:equation:fortsetzung1} + \zeta(s) + := + \left(1 - \frac{1}{2^{s-1}} \right)^{-1} \eta(s). + \end{equation} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Spiegelungseigenschaft für $\Re(s) < 0$} + \begin{equation*}\label{zeta:equation:functional} + \frac{\Gamma \left( \frac{s}{2} \right)}{\pi^{\frac{s}{2}}} + \zeta(s) + = + \frac{\Gamma \left( \frac{1-s}{2} \right)}{\pi^{\frac{1-s}{2}}} + \zeta(1-s). + \end{equation*} + \end{frame} + %TODO maybe explain gamma-fct + + \section{Euler Produkt und Primzahlen} + \begin{frame} + \frametitle{Wieso ist die Zeta Funktion so bekannt?} + \begin{itemize} + \item Interessante Funktionswerte z.B. $\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}$ + \item Primzahlenverteilung (Riemannhypothese) + \item Forschungsgebiet der analytischen Zahlentheorie seit dem 18. Jahrhundert + \item ... + \end{itemize} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Euler Produkt: Verbindung von Zeta und Primzahlen} + \begin{equation*} + \zeta(s) + = + \sum_{n=1}^\infty + \frac{1}{n^s} + = + \prod_{p \in P} + \frac{1}{1-p^{-s}} + \end{equation*} + \pause + Geometrische Reihe + \begin{equation*} + \prod_{p \in P} + \frac{1}{1-p^{-s}} + = + \prod_{p \in P} + \left( + 1 + + + \frac{1}{p^s} + + + \frac{1}{p^{2s}} + + + \frac{1}{p^{3s}} + + + \ldots + \right) + \end{equation*} + \pause + Erste Terme ausmultiplizieren + \begin{align*} + \left( + 1 + + + \RD{\frac{1}{2^s}} + + + \GN{\frac{1}{2^{2s}}} + + + \frac{1}{2^{3s}} + + + \ldots + \right) + \left( + 1 + + + \BL{\frac{1}{3^s}} + + + \frac{1}{3^{2s}} + + + \frac{1}{3^{3s}} + + + \ldots + \right) + \left( + 1 + + + \YE{\frac{1}{5^s}} + + + \frac{1}{5^{2s}} + + + \frac{1}{5^{3s}} + + + \ldots + \right) + \ldots + \\ + = + 1 + + + \RD{\frac{1}{2^s}} + + + \BL{\frac{1}{3^s}} + + + \GN{\frac{1}{4^s}} + + + \YE{\frac{1}{5^s}} + + + \ldots + \end{align*} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Primzahlfunktion} + \begin{center} + \scalebox{0.5}{\input{../images/primzahlfunktion.pgf}} + \end{center} + \end{frame} + + + \section{Darstellungen} + + \begin{frame} + \frametitle{Farbcodierung} + \begin{center} + \scalebox{0.6}{\input{zeta_color_plot.pgf}} + \end{center} + \end{frame} + + \begin{frame} + \frametitle{Konstanter Realteil $\Re(s)=-1$ und $\Im(s)=0\ldots40$} + \begin{center} + \scalebox{0.6}{\input{../images/zeta_re_-1_plot.pgf}} + \end{center} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Konstanter Realteil $\Re(s)=0$ und $\Im(s)=0\ldots40$} + \begin{center} + \scalebox{0.6}{\input{../images/zeta_re_0_plot.pgf}} + \end{center} + \end{frame} + \begin{frame} + \frametitle{Konstanter Realteil $\Re(s)=0.5$ und $\Im(s)=0\ldots40$} + \begin{center} + \scalebox{0.6}{\input{../images/zeta_re_0.5_plot.pgf}} + \end{center} + \end{frame} + +\end{document} + diff --git a/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot-img0.png b/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot-img0.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..b8c7298 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot-img0.png diff --git a/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot.pgf b/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot.pgf new file mode 100644 index 0000000..0fd7cb8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/presentation/zeta_color_plot.pgf @@ -0,0 +1,402 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.588156in}{4.224000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{2.588156in}{0.528000in}}{\pgfqpoint{1.383688in}{3.696000in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsys@transformshift{2.588156in}{0.528000in}% +\pgftext[left,bottom]{\includegraphics[interpolate=true,width=1.390000in,height=3.700000in]{zeta_color_plot-img0.png}}% +\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{2.588156in}{0.528000in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.588156in,y=0.430778in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-10}\)}% +\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{3.050619in}{0.528000in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.050619in,y=0.430778in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-5}\)}% +\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{3.513081in}{0.528000in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=3.513081in,y=0.430778in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {0}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% 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+\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.281054in, y=0.489420in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-20}\)}% +\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{2.588156in}{0.990462in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% 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+\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.281054in, y=1.414345in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-10}\)}% +\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{2.588156in}{1.915387in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% 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+\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.431905in, y=2.801732in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {5}\)}% +\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{2.588156in}{3.302775in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.372877in, y=3.264194in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {10}\)}% +\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{2.588156in}{3.765237in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.372877in, y=3.726657in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {15}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.225499in,y=2.376000in,,bottom,rotate=90.000000]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle \Im\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.588156in}{4.224000in}}% +\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{3.971844in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\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{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{0.528000in}}% +\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{2.588156in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/zeta/python/plot_zeta.py b/buch/papers/zeta/python/plot_zeta.py new file mode 100644 index 0000000..53097c5 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/python/plot_zeta.py @@ -0,0 +1,39 @@ +import numpy as np +from mpmath import zeta +import matplotlib.pyplot as plt +from matplotlib import colors +import matplotlib +matplotlib.use("pgf") +matplotlib.rcParams.update( + { + "pgf.texsystem": "pdflatex", + "font.family": "serif", + "font.size": 8, + "text.usetex": True, + "pgf.rcfonts": False, + "axes.unicode_minus": False, + } +) + +print(zeta(-1)) +print(zeta(-1 + 2j)) + +re_values = np.arange(-10, 5, 0.04) +im_values = np.arange(-20, 20, 0.04) +plot_matrix = np.zeros((len(im_values), len(re_values), 3)) +for im_i, im in enumerate(im_values): + print(im_i) + for re_i, re in enumerate(re_values): + z = complex(zeta(re + 1j*im)) + h = (np.angle(z) + np.pi) / (2*np.pi) + v = np.abs(z) + s = 1.0 + plot_matrix[im_i, re_i] = [h, s, v] + +log10_v = np.log10(plot_matrix[:, :, 2]) +log10_v += np.abs(np.min(log10_v)) +plot_matrix[:, :, 2] = (log10_v) / np.max(log10_v) +plt.imshow(colors.hsv_to_rgb(plot_matrix), extent=[re_values.min(), re_values.max(), im_values.min(), im_values.max()]) +plt.xlabel("$\Re$") +plt.ylabel("$\Im$") +plt.savefig(f"zeta_color_plot.pgf") diff --git a/buch/papers/zeta/python/plot_zeta2.py b/buch/papers/zeta/python/plot_zeta2.py new file mode 100644 index 0000000..b730703 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/python/plot_zeta2.py @@ -0,0 +1,31 @@ +import numpy as np +from mpmath import zeta +import matplotlib.pyplot as plt +import matplotlib +matplotlib.use("pgf") +matplotlib.rcParams.update( + { + "pgf.texsystem": "pdflatex", + "font.family": "serif", + "font.size": 8, + "text.usetex": True, + "pgf.rcfonts": False, + "axes.unicode_minus": False, + } +) +# const re plot +re_values = [-1, 0, 0.5] +im_values = np.arange(0, 40, 0.04) +buf = np.zeros((len(re_values), len(im_values), 2)) +for im_i, im in enumerate(im_values): + print(im_i) + for re_i, re in enumerate(re_values): + z = complex(zeta(re + 1j*im)) + buf[re_i, im_i] = [np.real(z), np.imag(z)] + +for i in range(len(re_values)): + plt.figure() + plt.plot(buf[i,:,0], buf[i,:,1], label=f"$\Re={re_values[i]}$") + plt.xlabel("$\Re$") + plt.ylabel("$\Im$") + plt.savefig(f"zeta_re_{re_values[i]}_plot.pgf") diff --git a/buch/papers/zeta/python/primzahlfunktion.py b/buch/papers/zeta/python/primzahlfunktion.py new file mode 100644 index 0000000..9434de9 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/python/primzahlfunktion.py @@ -0,0 +1,24 @@ +import matplotlib.pyplot as plt +import numpy as np + +primzahlfunktion = [0, 0, 0, 0] +x = [0, 1-1e-12, 1, 2-1e-12] +x_last = 1 +value = 0 +for i in range(2, 30, 1): + new_value = value + 1 + for j in range(2, i, 1): + if i % j == 0: + new_value = value + value = new_value + primzahlfunktion.append(new_value) + x_last += 1 + x.append(x_last) + primzahlfunktion.append(new_value) + x.append(x_last + 1 - 1e-12) + + +plt.rcParams.update({"pgf.texsystem": "pdflatex"}) +plt.plot(x, primzahlfunktion) +plt.show() + diff --git a/buch/papers/zeta/references.bib b/buch/papers/zeta/references.bib index a4f2521..f2a2f31 100644 --- a/buch/papers/zeta/references.bib +++ b/buch/papers/zeta/references.bib @@ -4,32 +4,58 @@ % (c) 2020 Autor, Hochschule Rapperswil % -@online{zeta:bibtex, - title = {BibTeX}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/BibTeX}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} +@online{zeta:online:millennium, + title = {The Millennium Prize Problems}, + url = {https://www.claymath.org/millennium-problems/millennium-prize-problems}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {4} } -@book{zeta: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} +@online{zeta:online:wiki_en, + title = {Riemann zeta function}, + url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Riemann_zeta_function}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} +} +@online{zeta:online:wiki_de, + title = {Riemannsche Zeta-Funktion}, + url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Riemannsche_Zeta-Funktion}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} +} + +@online{zeta:online:poisson, + title = {Deriving the Poisson Summation Formula}, + url = {https://www.youtube.com/watch?v=4Bex-4BFYWo}, + author = {Physics and Math Lectures}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} } -@article{zeta: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{zeta:online:mryoumath, + title = {Riemann Zeta Function Playlist}, + url = {https://www.youtube.com/playlist?list=PL32446FDD4DA932C9}, + author = {MrYouMath}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} } +@online{zeta:online:basel, + title = {Basel Problem}, + url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Basel_problem}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} +} +@online{zeta:online:pars, + title = {Parseval's identity}, + url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Parseval%27s_identity}, + year = {2022}, + month = {8}, + day = {7} +} diff --git a/buch/papers/zeta/teil0.tex b/buch/papers/zeta/teil0.tex deleted file mode 100644 index 56c0b1b..0000000 --- a/buch/papers/zeta/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{zeta: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{zeta: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/zeta/teil1.tex b/buch/papers/zeta/teil1.tex deleted file mode 100644 index 4017ee8..0000000 --- a/buch/papers/zeta/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{zeta: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{zeta: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{zeta: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{zeta: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{zeta: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/zeta/teil2.tex b/buch/papers/zeta/teil2.tex deleted file mode 100644 index 9e8a96e..0000000 --- a/buch/papers/zeta/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{zeta: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{zeta: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/zeta/teil3.tex b/buch/papers/zeta/teil3.tex deleted file mode 100644 index 6610cc3..0000000 --- a/buch/papers/zeta/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{zeta: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{zeta: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/zeta/zeta_color_plot-img0.png b/buch/papers/zeta/zeta_color_plot-img0.png Binary files differnew file mode 100644 index 0000000..b8c7298 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/zeta_color_plot-img0.png diff --git a/buch/papers/zeta/zeta_color_plot.pgf b/buch/papers/zeta/zeta_color_plot.pgf new file mode 100644 index 0000000..0fd7cb8 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/zeta_color_plot.pgf @@ -0,0 +1,402 @@ +%% 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} +%% +%% and, on pdftex +%% \usepackage[utf8]{inputenc}\DeclareUnicodeCharacter{2212}{-} +%% +%% or, on luatex and xetex +%% \usepackage{unicode-math} +%% +%% 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{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfusepath{use as bounding box, clip}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetmiterjoin% +\definecolor{currentfill}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetfillcolor{currentfill}% +\pgfsetlinewidth{0.000000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{1.000000,1.000000,1.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{0.000000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{0.000000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{6.400000in}{4.800000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{0.000000in}{4.800000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\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{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.588156in}{4.224000in}}% +\pgfpathclose% +\pgfusepath{fill}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfpathrectangle{\pgfqpoint{2.588156in}{0.528000in}}{\pgfqpoint{1.383688in}{3.696000in}}% +\pgfusepath{clip}% +\pgfsys@transformshift{2.588156in}{0.528000in}% +\pgftext[left,bottom]{\includegraphics[interpolate=true,width=1.390000in,height=3.700000in]{zeta_color_plot-img0.png}}% +\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{2.588156in}{0.528000in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.588156in,y=0.430778in,,top]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-10}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetbuttcap% +\pgfsetroundjoin% 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+\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.281054in, y=0.489420in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-20}\)}% +\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{2.588156in}{0.990462in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.281054in, y=0.951882in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-15}\)}% +\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{2.588156in}{1.452925in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.281054in, y=1.414345in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-10}\)}% +\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{2.588156in}{1.915387in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.340083in, y=1.876807in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {-5}\)}% +\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{2.588156in}{2.377850in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.431905in, y=2.339270in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\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{2.588156in}{2.840312in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.431905in, y=2.801732in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {5}\)}% +\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{2.588156in}{3.302775in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.372877in, y=3.264194in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {10}\)}% +\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{2.588156in}{3.765237in}% +\pgfsys@useobject{currentmarker}{}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.372877in, y=3.726657in, left, base]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle {15}\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\definecolor{textcolor}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{textcolor}% +\pgfsetfillcolor{textcolor}% +\pgftext[x=2.225499in,y=2.376000in,,bottom,rotate=90.000000]{\color{textcolor}\rmfamily\fontsize{8.000000}{9.600000}\selectfont \(\displaystyle \Im\)}% +\end{pgfscope}% +\begin{pgfscope}% +\pgfsetrectcap% +\pgfsetmiterjoin% +\pgfsetlinewidth{0.803000pt}% +\definecolor{currentstroke}{rgb}{0.000000,0.000000,0.000000}% +\pgfsetstrokecolor{currentstroke}% +\pgfsetdash{}{0pt}% +\pgfpathmoveto{\pgfqpoint{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{2.588156in}{4.224000in}}% +\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{3.971844in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\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{2.588156in}{0.528000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{0.528000in}}% +\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{2.588156in}{4.224000in}}% +\pgfpathlineto{\pgfqpoint{3.971844in}{4.224000in}}% +\pgfusepath{stroke}% +\end{pgfscope}% +\end{pgfpicture}% +\makeatother% +\endgroup% diff --git a/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex new file mode 100644 index 0000000..dd422e3 --- /dev/null +++ b/buch/papers/zeta/zeta_gamma.tex @@ -0,0 +1,61 @@ +\section{Zusammenhang mit der Gammafunktion} \label{zeta:section:zusammenhang_mit_gammafunktion} +\rhead{Zusammenhang mit der Gammafunktion} + +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. + +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 $t = nu$ und $dt = n\,du$ wird daraus +\begin{align*} + \Gamma(s) + &= + \int_0^{\infty} n^{s-1}u^{s-1} e^{-nu} n \,du \\ + &= + \int_0^{\infty} n^s u^{s-1} e^{-nu} \,du. +\end{align*} +Durch Division durch $n^s$ ergeben sich die Quotienten +\begin{equation*} + \frac{\Gamma(s)}{n^s} + = + \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. + \label{zeta:equation:zeta_gamma1} +\end{equation} +Die Summe über $e^{-nu}$ können wir als geometrische Reihe schreiben und erhalten +\begin{align} + \sum_{n=1}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n + &= + \sum_{n=0}^{\infty}\left(e^{-u}\right)^n + - + 1 + \\ + &= + \frac{1}{1 - e^{-u}} - 1 + \\ + &= + \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 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. +\end{equation} diff --git a/buch/splitpapers b/buch/splitpapers index 9ae5aae..e1b6834 100755 --- a/buch/splitpapers +++ b/buch/splitpapers @@ -16,7 +16,7 @@ then fi awk 'BEGIN { - offsetpage = 10 + offsetpage = 12 startpage = 0 identifier = "" chapterno = 0 |
