From 09e2c20b0a41a36161547b2628366db1e048eaf8 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= Date: Tue, 12 Oct 2021 07:44:15 +0200 Subject: add some info on elliptic functions --- buch/chapters/020-exponential/Makefile.inc | 2 + buch/chapters/020-exponential/chapter.tex | 2 + buch/chapters/020-exponential/dilog.tex | 11 + buch/chapters/020-exponential/eili.tex | 8 + buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc | 2 + buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex | 15 + buch/chapters/030-geometrie/flaeche.tex | 286 ++++++++++++++++++ buch/chapters/030-geometrie/images/Makefile | 14 + .../030-geometrie/images/hyperbelflaeche.pdf | Bin 0 -> 20736 bytes .../030-geometrie/images/hyperbelflaeche.tex | 49 ++++ .../030-geometrie/images/polargleichung.pdf | Bin 0 -> 35148 bytes .../030-geometrie/images/polargleichung.tex | 108 +++++++ buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex | 324 +++++++++++++++++++++ buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc | 11 + 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Fachhochschule +% +\section{Dilogarithmus +\label{buch:exponential:section:dilogarithmus}} +\rhead{Dilogarithmus} + +XXX Dilogarithmus \\ +XXX Polylogarithmus diff --git a/buch/chapters/020-exponential/eili.tex b/buch/chapters/020-exponential/eili.tex new file mode 100644 index 0000000..5f83e6e --- /dev/null +++ b/buch/chapters/020-exponential/eili.tex @@ -0,0 +1,8 @@ +% +% eili.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Integrallogarithmus und Integralexponentialfunktion +\label{buch:exponential:section:eili}} +\rhead{Integrallogarithmus und Integralexponentialfunktion} diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc b/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc index a34633e..a79e614 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc +++ b/buch/chapters/030-geometrie/Makefile.inc @@ -8,4 +8,6 @@ CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ chapters/030-geometrie/trigonometrisch.tex \ chapters/030-geometrie/sphaerisch.tex \ chapters/030-geometrie/hyperbolisch.tex \ + chapters/030-geometrie/flaeche.tex \ + chapters/030-geometrie/laenge.tex \ chapters/030-geometrie/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex index ea63b6e..974a3a4 100644 --- a/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex +++ b/buch/chapters/030-geometrie/chapter.tex @@ -9,9 +9,24 @@ \lhead{Spezielle Funktionen aus der Geometrie} \rhead{} +Die ältesten geometrisch definierten speziellen Funktionen +sind die Wurzeln. +Sie haben ermöglicht, die Kantenlänge eines Quadrates mit vorgegebenem +Flächeninhalt zu bestimmen. +Sie werden unmittelbar gefolgt von den trigonometrischen Funktionen, +die ebenfalls bereits im Altertum bekannt waren. +Die Analysis hat die Möglichkeit geschaffen, die Länge von Kurven +zu definieren und zu berechnen, wie auch den Flächeninhalt von +Gebieten, die von Kurven berandet sind. +Es stellt sich heraus, dass bereits anscheinend einfache Aufgaben +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/hyperbolisch.tex} +\input{chapters/030-geometrie/laenge.tex} +\input{chapters/030-geometrie/flaeche.tex} %\section*{Übungsaufgaben} %\rhead{Übungsaufgaben} diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/flaeche.tex b/buch/chapters/030-geometrie/flaeche.tex new file mode 100644 index 0000000..468e175 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/flaeche.tex @@ -0,0 +1,286 @@ +% +% flaeche.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Flächeninhalt +\label{buch:geometrie:section:flaeche}} +\rhead{Flächeninhalt} +Die elementare Definition des Integrals versucht, den Flächeninhalt +unter dem Graphen der Funktion $y=f(x)$ zu definieren. +Die Erfahrung zeigt, dass es nicht immer einfach ist, ein Integral in +geschlossener Form zu berechnen. +Solche Integrale können auf sinnvolle neue spezielle Funktionen führen. + +\subsection{Berechnung des Flächeninhaltes in kartesischen Koordinaten} +Wir betrachten in diesem Abschnitt nur die Berechnung des +Flächeninhaltes von Teilgebieten der Ebene $\mathbb{R}^2$ +aus ihrer Berandung. +Sei $\gamma\colon I \to\mathbb{R}^2$ eine Kurve und +\[ +a=t_01$ entstehen Hyperbeln, die im grün hinterlegten Teil +der Ebene liegen. +\label{buch:geometrie:fig:polargleichung}} +\end{figure} +Das zweite Keplersche Gesetz über Planetenbahnen besagt, dass sich ein +Planet auf seiner elliptischen Bahn um die Sonne so bewegt, dass +sein Radiusvektor in gleichen Zeiten gleiche Flächen überstreicht. +Die bisher verwendete Parametrisierung hat den Mittelpunkt der Ellipse +im Nullpunkt, nach dem ersten Keplerschen Gesetz ist aber müssen +wir eine Parametrisierung verwenden so, dass der Brennpunkt im +Ursprung liegt. +In Polarkoordinaten ist +\begin{equation} +r(\varphi) = \frac{p}{1+\varepsilon \cos\varphi} +\label{buch:geometrie:eqn:polargleichung} +\end{equation} +die sogenannte {\em Polargleichung} für die Kegelschnitte. +Für $\varepsilon=0$ wird $r(\varphi)=p$ konstant, die Gleichung +beschreibt in diesem Fall einen Kreis. +Für $\varepsilon=1$ entsteht eine Parabel. +Werte zwischen $0$ und $1$ parametrisieren Ellipsen mit verschiedener +Exzentrizität, Werte grösser als $1$ führen auf Hyperbeln. +Abbildung~\ref{buch:geometrie:fig:polargleichung} zeigt alle vier Fälle. + +Die zwischen den Polarwinkeln $\alpha$ und $\beta$ überstrichene Fläche +wird durch das Integral +\[ +F(\alpha,\beta) += +\int_\alpha^\beta +\frac{r(\varphi)^2}2 +\,d\varphi += +\frac12 \int_\alpha^\beta +\frac{p^2 \,d\varphi}{(1+\varepsilon\cos\varphi)^2} +\] +Das Integral kann in geschlossener Form angegeben werden, die Formeln +sind aber ziemlich kompliziert und für uns hier nicht weiter nützlich. + + + diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/Makefile b/buch/chapters/030-geometrie/images/Makefile new file mode 100644 index 0000000..8796cf6 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/images/Makefile @@ -0,0 +1,14 @@ +# +# Makefile for images +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +all: hyperbelflaeche.pdf polargleichung.pdf + +hyperbelflaeche.pdf: hyperbelflaeche.tex + pdflatex hyperbelflaeche.tex + +polargleichung.pdf: polargleichung.tex + pdflatex polargleichung.tex + diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.pdf b/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.pdf new file mode 100644 index 0000000..a475b07 Binary files /dev/null and b/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.pdf differ diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.tex b/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.tex new file mode 100644 index 0000000..11e865f --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/images/hyperbelflaeche.tex @@ -0,0 +1,49 @@ +% +% hyperbelflaeche.tex -- Argument der Hyperbelfunktionen +% +% (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{2} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\fill[color=blue!20] + (0,0) + -- + plot[domain=0:1,samples=100] ({cosh(\x)},{sinh(\x)}) + -- cycle; +\draw[color=blue] + (0,0) + -- + plot[domain=0:1,samples=100] ({cosh(\x)},{sinh(\x)}) + -- cycle; + +\begin{scope} +\clip (-1.8,-2) rectangle (2.5,2); +\draw[color=red,line width=1.4pt] plot[domain=-2:2,samples=100] + ({cosh(\x)},{sinh(\x)}); +\draw[color=red,line width=1.4pt] plot[domain=-2:2,samples=100] + ({-cosh(\x)},{sinh(\x)}); +\end{scope} + +\fill[color=white] ({cosh(1)},{sinh(1)}) circle[radius=0.03]; +\draw ({cosh(1)},{sinh(1)}) circle[radius=0.03]; + +\node at ({cosh(1)},{sinh(1)}) [right] {$\gamma(t)=(\cosh t,\sinh t)$}; + +\draw[->] (-1.8,0) -- (3.1,0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-2) -- (0,2.1) coordinate[label={right:$y$}]; + +\node[color=blue] at (0.8,0.3) {$t$}; +\node at (0,0) [below left] {$O$}; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.pdf b/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.pdf new file mode 100644 index 0000000..40115ea Binary files /dev/null and b/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.pdf differ diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.tex b/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.tex new file mode 100644 index 0000000..5210903 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/images/polargleichung.tex @@ -0,0 +1,108 @@ +% +% polargleichung.tex -- Kegelschnitte in Polardarstellung +% +% (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{2} +\definecolor{darkgreen}{rgb}{0,0.6,0} +\begin{tikzpicture}[>=latex,thick,scale=\skala] + +\def\p{1} + +\begin{scope} +\clip (-4,-3) rectangle (1.1,3); +\fill[color=blue!20] + (0,1) + -- + plot[domain=90:-90,samples=100] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- + (0,-1) arc (-90:90:1) + -- + cycle; + +\fill[color=blue!20] + (0,1) arc (90:270:1) + -- + plot[domain=-90:-145,samples=20] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- + plot[domain=145:90,samples=20] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- + cycle; + +\fill[color=darkgreen!20] + plot[domain=90:-90,samples=100] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- cycle; + +\fill[color=darkgreen!20] + (0,1) + -- + (0,3) + -- + plot[domain=145:90,samples=20] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- + cycle; + +\fill[color=darkgreen!20] + (0,-1) + -- + (0,-3) + -- + plot[domain=-145:-90,samples=20] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}) + -- + cycle; + +\end{scope} + +\draw[->] (-4.1,0) -- (1.3,0) coordinate[label={$\varphi=0$}]; +\draw (0,-3.1) -- (0,3.1); + +\begin{scope} +\clip (-4,-3) rectangle (1.1,3); +\draw[color=red,line width=1.4pt] (0,0) circle[radius=1]; +\foreach \e in {10,20,...,90}{ + \draw[color=blue!\e!red,line width=1.4pt] + plot[domain=0:360,samples=100] + (\x:{\p/(1+(\e/100)*cos(\x))}); +} + +\draw[color=blue,line width=1.4pt] + plot[domain=-145:145,samples=100] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}); + +\foreach \e in {10,30,50,70,90}{ + \draw[color=darkgreen!\e!blue,line width=1.4pt] + plot[domain={-138+\e/5}:{138-\e/5},samples=100] + (\x:{\p/(1+((\e+100)/100)*cos(\x))}); +} +\end{scope} + +\fill[color=white] (0,1) circle[radius=0.04]; +\draw (0,1) circle[radius=0.04]; +\fill[color=white] (0,-1) circle[radius=0.04]; +\draw (0,-1) circle[radius=0.04]; +\node at (0,0.6) [left] {$p$}; + +\node at (0,0) [below left] {$O$}; +\fill[color=white] (0,0) circle[radius=0.04]; +\draw (0,0) circle[radius=0.04]; + +\node[color=red] at (45:1) [above right] {$\varepsilon=0$}; +\node[color=red] at ($(45:1)+(0,0.2)$) [above right] {Kreis:}; +\node[color=blue!70!red] at (-3.5,0.7) {$\varepsilon=0.7$}; +\node[color=blue!70!red] at (-3.5,0.9) {Ellipse:}; +\node[color=blue] at (-3.4,2.65) [rotate=-18] {Parabel: $\varepsilon=1$}; +\node[color=darkgreen!90!blue] at (-1,2.8) [right] {Hyperbel: $\varepsilon=1.9$}; + +%\draw[color=yellow] +% plot[domain=90:-90,samples=100] ({\x}:{\p/(1+cos(\x))}); + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex b/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex new file mode 100644 index 0000000..b0b1b32 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/030-geometrie/laenge.tex @@ -0,0 +1,324 @@ +% +% ellipsenbogen.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Bogenlänge +\label{buch:geometrie:section:ellipsenbogen}} +\rhead{Bogenlänge} +Die Möglichkeit, die Länge einer Kurve zu definieren und zu bestimmen, +ist eine der Leistungen der Infinitesimalrechnung. +In einigen Fällen lässt sich die Länge auch auf elementare Art und +Weise bestimmen oder mit Integralen, die leicht auflösbar sind. +Bereits bei der Bogenlänge entlang einer Ellipse sieht die Lage +jedoch ganz anders aus. + +\subsection{Berechnung der Bogenlänge} +In diesem Abschnitt sollen ein paar Methoden zusammgengestellt werden, +mit denen die Länge einer Kurve berechnet werden kann. + +\subsubsection{Länge einer parametrisierten Kurve} +Beispiele wie die Kochsche Schneeflockenkurve, deren Länge schwer +zu definieren ist, zeigen, dass der Begriff einer Kurve für die Zwecke +dieses Abschnittes genügend eng gefasst werden muss. +Die folgende Definition tut dies. + +\begin{definition} +\label{buch:geometrie:def:kurve} +Sei $I=[a,b]\subset\mathbb{R}$ ein Intervall. +Eine {\em Kurve} ist eine differenzierbare Abbildung +$\gamma \colon I \to \mathbb{R}^n$. +\index{Kurve} +\end{definition} + +\begin{beispiel} +XXX TODO Bild der Helix im Zylinder und Abrollung +\\ +Die Abbildung +\begin{equation} +\gamma +\colon +[0,2\pi] \to \mathbb{R}^3 +: +t\mapsto\begin{pmatrix}r\cos t\\ r\sin t\\ th/2\pi\end{pmatrix} +\label{buch:geometrie:eqn:helix} +\end{equation} +beschreibt eine Schraubenlinie oder Helix. +\index{Schraubenlinie}% +\index{Helix}% +Die Abbildung ist ganz offensichtlich differenzierbar und hat die +Ableitung +\begin{equation} +\frac{d}{dt}\gamma(t) += +\dot{\gamma}(t) += +\begin{pmatrix} -r\sin t \\ r\cos t \\ h/2\pi\end{pmatrix}. +\label{buch:geometrie:eqn:helixdot} +\end{equation} +Die Länge dieser Schraubenlinie lässt sich direkt berechnen. +Die Schraubenlinie liegt auf dem Mantel eines Zylinders mit +Radius $r$ und Höhe $h$. +Durch Abrollen des Zylinders erkennt man, dass die Schraubenlinie +die Hypothenuse eines rechtwinkligen Dreiecks mit Katheten +$2\pi r$ und $h$ ist. +Die Länge $l$ der Schraubenlinie ist daher +\begin{equation} +l = \sqrt{(2\pi r)^2 +h^2} +\label{buch:geometrie:eqn:helixlaenge} +\end{equation} +nach dem Satz von Pythagoras. +\end{beispiel} + +Unterteilt man das Intervall $I$ in den Teilpunkten $t_i$ mit +\[ +a = t_0 < t_1 < t_2 < \dots < t_{n-1} < t_n = b, +\] +dann ist die Summe +\[ +L += +\sum_{i=0}^{n-1} |\gamma(t_{i+1}) - \gamma(t_{i})| +\] +eine Approximation für die Länge der Kurve. +Die Differenz auffeinanderfolgender Punkte kann mit Hilfe der +Ableitung als +\[ +\gamma(t_{i+1})-\gamma(t_i) +\approx +\dot{\gamma}(t_{i}) \cdot (t_{i+1}-t_i) +\] +approximiert werden. +Damit wird die Summe $L$ approximiert durch +\[ +L\approx \sum_{i=0}^{n-1} |\dot{\gamma}(t_i)| \cdot (t_{i+1}-t_i). +\] +Dies ist eine Riemannsche Summe für das Integral +\[ +\int_a^b |\dot{\gamma}(t)|\,dt, +\] +wir definieren die Bogenlänge einer Kurve daher wie folgt. + +\begin{definition} +\label{buch:geometrie:def:kurvenlaenge} +Sei $\gamma\colon I\to\mathbb{R}$ eine Kurve im Sinne der +Definition~\ref{buch:geometrie:def:kurve}. +Dann ist die {\em Bogenlänge} entlang der Kurve zwischen dem Punkt +$\gamma(a)$ und $\gamma(t)$ definiert durch das +Integral +\[ +l(t) = \int_{a}^t |\dot{\gamma}(\tau)|\,d\tau. +\] +\end{definition} + +\begin{beispiel} +Die Helix mit der Parametrisierung~\eqref{buch:geometrie:eqn:helix} +hat die Kurvenlänge +\begin{align*} +l(t) +&= +\int_0^t |\dot{\gamma}(\tau)|\,d\tau += +\int_0^t \sqrt{r^2\sin^2 \tau + r^2\cos^2\tau + (h/2\pi)^2}\,d\tau +\\ +&= +\int_0^t \sqrt{r^2 + (h/2\pi)^2}\,d\tau += +t\sqrt{r^2+(h/2\pi)^2}. +\end{align*} +Für eine ganze Umdrehung, also für $t=2\pi$ finden wir +\( +l(2\pi) = \sqrt{4\pi^2 r^2 + h^2}, +\) +was mit dem elementaren Resultat~\eqref{buch:geometrie:eqn:helixlaenge} +übereinstimmt. +\end{beispiel} + +\subsubsection{Länge eines Graphen} +Der Graph einer auf dem Intervall $I=[a,b]$ definierte Funktion +$y=f(x)$ kann als Parametrisierung einer Kurve +\[ +\gamma +\colon +[a,b] \to \mathbb{R}^2 +: +x \mapsto \begin{pmatrix}x\\f(x)\end{pmatrix} +\] +betrachtet werden. +Nach Definition~\ref{buch:geometrie:def:kurvenlaenge} +ist Länge dieser Kurven zwischen den Punkten $(a,f(a))$ und $(x,f(x))$ +durch das Integral +\[ +l(x) += +\int_a^x \biggl| \begin{pmatrix}1\\f'(\xi)\end{pmatrix}\biggr|\,d\xi += +\int_a^x \sqrt{1+f'(\xi)^2}\,d\xi +\] +gegeben. + +\begin{beispiel} +Die auf dem Intervall $I=[0,b]$ definierte quadratische Funktion $f(x)=cx^2$ +mit $b>0$ und $c>0$ hat die Bogenlänge +\begin{align*} +l(x) +&= +\int_0^x \sqrt{1+f'(\xi)^2}\,d\xi += +\int_0^x \sqrt{1+4c^2\xi^2}\,d\xi += +\biggl[ +\frac{ \operatorname{arsinh}2c\xi)}{4c} + \frac{\xi\sqrt{4c^2\xi^2+1}}{2} +\biggr]_0^x +\\ +&= +\frac{ \operatorname{arsinh}(2cx)}{4c}. +\end{align*} +Die Stammfunktion wurde mit einem Computeralgebraprogramm gefunden. +\end{beispiel} + +\subsubsection{Kurvenlänge in Polarkoordinaten} +Eine Kurve kann in Polarkoordinaten in der Ebene durch eine Funktion +$r=r(\varphi)$ beschrieben werden. +Dies führt auf eine Parametrisierung +\[ +\varphi \mapsto \gamma(\varphi)=\begin{pmatrix} +r(\varphi)\cos\varphi\\ +r(\varphi)\sin\varphi +\end{pmatrix} +\] +durch den Polarwinkel $\varphi$. +Die Kurvenlänge kann gemäss +Definition~\label{buch:geometrie:def:kurvenlaenge} braucht +die Ableitung der Parametrisierung, also die Funktion +\[ +\dot{\gamma}(\varphi) += +\begin{pmatrix} +r'(\varphi)\cos\varphi - r(\varphi)\sin\varphi\\ +r'(\varphi)\sin\varphi + r(\varphi)\cos\varphi +\end{pmatrix}. +\] +Die Länge von $\dot{\gamma}$ ist +\begin{align*} +|\dot{\gamma}(\varphi)|^2 +&= +\bigl( +r'(\varphi)\cos\varphi - r(\varphi)\sin\varphi +\bigr)^2 ++ +\bigl( +r'(\varphi)\sin\varphi + r(\varphi)\cos\varphi +\bigr)^2 +\\ +&= +r'(\varphi)^2\cos^2\varphi +-2r(\varphi)r'(\varphi)\cos\varphi\sin\varphi ++r(\varphi)^2\sin^2\varphi +\\ +&\qquad ++r'(\varphi)^2\sin^2\varphi ++2r(\varphi)r'(\varphi)\sin\varphi\cos\varphi ++r(\varphi)^2\cos^2\varphi +\\ +&=r'(\varphi)^2(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi) ++ r(\varphi)^2(\sin^2\varphi+\cos^2\varphi). +\\ +&= +r'(\varphi)^2 + r(\varphi)^2. +\end{align*} +Dies führt auf das +Integral +\begin{equation} +l(\alpha) += +\int_a^\alpha \sqrt{r'(\varphi)^2 + r(\varphi)^2}\,d\varphi +\end{equation} +für die Länge der Kurve. + +\subsection{Kreis} +Die Länge eines Bogens auf dem Einheitskreis zwischen dem Punkt +$(1,0)$ und $P=(x,y)$ mit $x^2+y^2=1$ ist nach Definition der +Winkel $\alpha$ zwischen der $x$-Achse und $P$. +Es gilt also +\[ +\tan\alpha = \frac{y}{x} +\qquad\text{oder}\qquad +\sin\alpha = y = \sqrt{1-x^2}. +\] +Der Kreis kann auch als Graph $y=f(x)=\sqrt{1-x^2}$ parametrisiert werden, +in der die Länge des Bogens +\begin{align*} +l(x) += +\int_x^1 \sqrt{1+f'(t)^2}\,dt += +\int_x^1 \sqrt{1+\frac{t^2}{1-t^2}}\,dt += +\int_x^1 \sqrt{\frac{1-t^2+t^2}{1-t^2}}\,dt += +\int_x^1 \frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}. +\end{align*} +Aus dem bekannten Wert der Länge des Bogens erhalten wir jetzt die +Formel +\begin{equation} +\arcsin \sqrt{1-x^2} = \int_x^1 \frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}. +\label{buch:geometrie:eqn:kreislaenge} +\end{equation} +Tatsächlich ist die Ableitung davon +\[ +\frac{d}{dx}\arcsin\sqrt{1-x^2} += +-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}, +\] +was mit der Integralformel~\ref{buch:geometrie:eqn:kreislaenge} +übereinstimmt. + +\subsection{Hyperbeln und Ellipsen +\label{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen}} +Die Funktion $f(x)=\sqrt{1+x^2}$ beschreibt eine gleichseitige +Hyperbel. +Die Bogenlänge zwischen dem Punkt $(0,1)$ und $(x,y)$ auf der +Hyperbel ist gegeben durch das Integral: +\[ +l(x) += +\int_0^x \sqrt{1+f'(t)^2}\,dt += +\int_0^x \sqrt{1+\frac{t^2}{1+t^2}}\,dt += +\int_0^x \sqrt{\frac{1+2t^2}{1+t^2}}\,dt. +\] +Dieses Integral ist nicht in geschlossener Form lösbar. +Natürlich können auch andere Parametrisierungen für die Hyperbel +verwendet werden, die entstehenden Integrals, dies ändert jedoch +nichts an der Schwierigkeit, einen Ausdruck für den Wert des +Integrals anzugeben. + +Für eine Ellipse kann man die Parameterdarstellung +\[ +t\mapsto \begin{pmatrix}a\cos t\\b\sin t\end{pmatrix} +\] +verwenden. +Die Länge eines Ellipsenbogens zwischen den Winkelargumenten $\alpha$ und +$\beta$ ist dann +\[ +l(\alpha,\beta) += +\int_\alpha^\beta +a^2 \sin^2 t + b^2 \cos^2t +\,dt += +a^2 +\int_\alpha^\beta +\sin^2 t + \frac{b^2}{a^2} \cos^2t +\,dt. +\] +Auch dieses Integral ist nicht in geschlossener Form lösbar. +Die elliptischen Funktionen von Jacobi, die in Kapitel~\ref{XXX} +beschrieben werden, ermöglichen, Ausdrücke für diese Integrale +anzugeben. + + + + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc new file mode 100644 index 0000000..0ca1392 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/Makefile.inc @@ -0,0 +1,11 @@ +# +# Makefile.inc -- Makefile dependencies for chapter 11 +# +# (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +# + +CHAPTERFILES = $(CHAPTERFILES) \ + chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex \ + chapters/110-elliptisch/jacobi.tex \ + chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex \ + chapters/110-geometrie/chapter.tex diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex new file mode 100644 index 0000000..4f74408 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/chapter.tex @@ -0,0 +1,30 @@ +% +% chapter.tex -- Beschreibung des Inhaltes +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil +% +% !TeX spellcheck = de_CH +\chapter{Elliptische Funktionen +\label{buch:chapter:geometrie}} +\lhead{Elliptische Funktionen} +\rhead{} + +Der Versuch, die Länge eines Ellipsenbogens zu berechnen, hat +in Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +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. + +\input{chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/jacobi.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex} + +%\section*{Übungsaufgaben} +%\rhead{Übungsaufgaben} +%\aufgabetoplevel{chapters/020-exponential/uebungsaufgaben} +%\begin{uebungsaufgaben} +%\uebungsaufgabe{0} +%\uebungsaufgabe{1} +%\end{uebungsaufgaben} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex new file mode 100644 index 0000000..1e35616 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/ellintegral.tex @@ -0,0 +1,181 @@ +% +% ellintegral.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Elliptische Integrale +\label{buch:elliptisch:section:integral}} +\rhead{Elliptisches Integral} +Bei der Berechnung des Ellipsenbogens in +Abschnitt~\ref{buch:geometrie:subsection:hyperbeln-und-ellipsen} +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 +neue spezielle Funktionen zu definieren. + +\subsection{Definition +\label{buch:elliptisch:subsection:definition}} +Ein elliptisches Integral ist ein Integral der Form +\begin{equation} +\int R\left( x, \sqrt{p(x)}\right)\,dx +\label{buch:elliptisch:def:allgemein} +\end{equation} +wobei $R(x,y)$ eine rationale Funktion von zwei Variablen ist und +$p(x)$ ein Polynom dritten oder vierten Grades. +Hätte $p(x)$ ein mehrfache Nullstelle $x_0$, müsste es durch $(x-x_0)^2$ +teilbar sein, man könnte also einen Faktor $(x-x_0)$ aus der +Wurzel im Integraneden von \eqref{buch:elliptisch:def:allgemein} +ausklammern und damit das Integral in eine Form bringen, wo $p(x)$ +höchstens zweiten Grades ist. +Solche Integrale lassen sich meistens mit trigonometrischen Substitutionen +berechnen. +Wir verlangen daher, dass $p(x)$ keine mehrfachen Nullstellen hat. + +Man kann zeigen, dass sich elliptische Integrale in Summen von +elementaren Funktionen und speziellen elliptischen Integralen +der folgenden Form überführen lassen. + +\begin{definition} +\label{buch:elliptisch:def:integrale123} +Die elliptischen Integrale erster, zweiter und dritter Art sind die +Integrale +\[ +\begin{aligned} +\text{1.~Art:}&&& +\int \frac{dx}{\sqrt{(1-x^2)(1-k^2x^2)}} +\\ +\text{2.~Art:}&&& +\int \sqrt{\frac{1-k^2x^2}{1-x^2}}\,dx +\\ +\text{3.~Art:}&&& +\int \frac{dx}{(1-nx^2)\sqrt{(1-x^2)(1-k^2x^2)}} +\end{aligned} +\] +mit $0=latex,thick,scale=\skala] + +\draw[color=red,line width=1.0pt] + plot[domain=-45:45,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); +\draw[color=red,line width=1.0pt] + plot[domain=135:225,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); + +\def\a{18} +\def\b{39} + +\draw[->,color=blue,line width=1pt] (0,0) -- (\a:{sqrt(2*cos(2*\a))}); + +\draw[color=red,line width=2.0pt] + plot[domain=45:\a,samples=100] ({\x}:{sqrt(2*cos(2*\x))}); + +\draw[->] (-1.5,0) -- (1.5,0) coordinate[label={$x$}]; +\draw[->] (0,-0.7) -- (0,0.7) coordinate[label={right:$y$}]; + +\fill[color=white] (1,0) circle[radius=0.02]; +\draw (1,0) circle[radius=0.02]; +\fill[color=white] (-1,0) circle[radius=0.02]; +\draw (-1,0) circle[radius=0.02]; + +\node[color=blue] at (\a:{0.6*sqrt(2*cos(2*\a))}) [below] {$r$}; +\node[color=red] at ({\b}:{sqrt(2*cos(2*\b))}) [above] {$s$}; + +\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]; + +\end{tikzpicture} +\end{document} + diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex new file mode 100644 index 0000000..d3e5d62 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/jacobi.tex @@ -0,0 +1,30 @@ +% +% jacobi.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Jacobisch elliptische Funktionen +\label{buch:elliptisch:section:jacobi}} +\rhead{Jacobische elliptische Funktionen} + +\subsection{Elliptische Funktionen als Trigonometrie} +% based on Willliam Schwalm, Elliptic functions and elliptic integrals +XXX als elliptische Integrale \\ +XXX algebraische Beziehungen \\ +XXX Additionstheoreme \\ +XXX Perioden +% use https://math.stackexchange.com/questions/3013692/how-to-show-that-jacobi-sine-function-is-doubly-periodic + +\subsection{Elliptische Funktionen und elliptische Integrale} +XXX Ableitungen \\ +XXX Werte \\ + +\subsection{Lösungen von Differentialgleichungen} +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 new file mode 100644 index 0000000..d4ad019 --- /dev/null +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -0,0 +1,171 @@ +% +% lemniskate.tex +% +% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule +% +\section{Lemniskatischer Sinus +\label{buch:elliptisch:section:lemniskate}} +\rhead{Lemniskatischer Sinus} +Historisch war der {\em lemniskatische Sinus} die erste ellptische +Funktion, die Gauss bereits als 19-jähriger untersucht, aber nicht +veröffentlich hat. +In diesem Abschnitt soll die Verbindung zu den Jacobischen +elliptischen Funktionen hergestellt werden. + +\subsection{Lemniskate +\label{buch:gemotrie:subsection:lemniskate}} +\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 $x=\pm a/\sqrt{2}$. + +In Polarkoordinaten $x=r\cos\varphi$ und $y=r\sin\varphi$ +gilt nach Einsetzen in \eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskate} +\begin{equation} +r^4 += +2a^2r^2(\cos^2\varphi-\sin^2\varphi) += +2a^2r^2\cos2\varphi +\qquad\Rightarrow\qquad +r^2 = 2a^2\cos 2\varphi +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatepolar} +\end{equation} +als Darstellung der Lemniskate in Polardarstellung. +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 +\[ +(x^2+y^2)^2 = 2(x^2-y^2). +\] + +\subsubsection{Bogelänge} +Die Funktionen +\begin{equation} +x(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, +\quad +y(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} +\label{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} +\end{equation} +erfüllen +\begin{align*} +x(r)^2-y(r)^2 +&= +\frac{r^2(1+r^2)}{2}-\frac{r^2(1-r^2)}{2} +\\ +& += +r^4 += +(x(r)^2 + y(r)^2)^2, +\end{align*} +sie stellen also eine Parametrisierung der Lemniskate dar. + +Mit Hilfe der Parametrsierung~\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 +Kettenregel berechnen kann: +\begin{align*} +\dot{x}(r) +&= +\frac{\sqrt{1+r^2}}{\sqrt{2}} ++ +\frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} +&&\Rightarrow& +\dot{x}(r)^2 +&= +\frac{1+r^2}{2} +r^2 + \frac{r^4}{2(1+r^2)} +\\ +\dot{y}(r) +&= +\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)} +\end{align*} +Die Summe der Quadrate ist +\begin{align*} +\dot{x}(r)^2 + \dot{y}(r)^2 +&= +1 + r^4\frac{1-r^2+1+r^2}{2(1+r^2)(1-r^2)} += +1+r^4\frac{2}{2(1-r^4)} += +\frac{1-r^4+r^4}{1-r^4} += +\frac1{1-r^4}. +\end{align*} +Durch Einsetzen in das Integral für die Bogenlänge bekommt man +\begin{equation} +s(r) += +\int_0^r +\frac{1}{\sqrt{1-t^4}}\,dt. +\label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} +\end{equation} + +\subsubsection{Darstellung als elliptisches Integral} +Das unvollständige elliptische Integral erster Art mit Parameter +$m=-1$ ist +\[ +F(r,-1) += +\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} += +\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{1-t^4}} += +s(r). +\] +Der lemniskatische Sinus ist also eine Umkehrfunktion des +ellptischen Integrals erster Art für einen speziellen Wert des +Parameters $m$ + +\subsubsection{Der lemniskatische Sinus und Kosinus} +Berechnet die Gegenkathete zu einer gegebenen Bogenlänge des Kreises. +Daher ist es naheliegend, die Umkehrfunktion von $s(r)$ in +\eqref{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} +den {\em lemniskatischen Sinus} zu nennen mit der Bezeichnung +$r=\operatorname{sl} s$. + +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 +\[ +\varphi += +2\int_0^1\sqrt{\frac{1}{1-t^4}}\,dt += +2.6220575542. +\] +Lemniskatenbogens zwischen dem Nullpunkt und $(1,0)$ hat die Länge +$\varpi/2$. + +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/part1.tex b/buch/chapters/part1.tex index 8fd0100..04aba57 100644 --- a/buch/chapters/part1.tex +++ b/buch/chapters/part1.tex @@ -11,7 +11,7 @@ % algebraisch und geometrisch definierte spezielle Funktionen \input{chapters/010-potenzen/chapter.tex} \input{chapters/020-exponential/chapter.tex} -%\input{chapters/030-geometrie/chapter.tex} +\input{chapters/030-geometrie/chapter.tex} %\input{chapters/040-rekursion/chapter.tex} % analytisch definierte spezielle Funktionen @@ -25,7 +25,7 @@ % Spezielle Funktionenfamilien %\input{chapters/100-kombinatorisch/chapter.tex} -%\input{chapters/110-elliptisch/chapter.tex} +\input{chapters/110-elliptisch/chapter.tex} %\input{chapters/120-besselstruve/chapter.tex} %\input{chapters/130-airy/chapter.tex} %\input{chapters/140-kugel/chapter.tex} diff --git a/buch/chapters/references.bib b/buch/chapters/references.bib index 15c0ea0..b047d23 100644 --- a/buch/chapters/references.bib +++ b/buch/chapters/references.bib @@ -16,14 +16,14 @@ year = {2016}, } -@online{buch:fftw, - title = {Fastest Fourier Transform in the West}, - url = {http://www.fftw.org/}, - DAY = {23}, - MONTH = {july}, - YEAR = 2018 +@book{buch:linalg, + title = {Lineare Algebra}, + author = {Andreas Müller und Tabea Méndez }, + url = {https://github.com/AndreasFMueller/LinAlg.git}, + year = {2018} } + @online{buch:repo, subtitle = {Source Code Repository}, author = {Andreas Müller}, @@ -33,85 +33,6 @@ YEAR = 2022 } -@book{buch:henrici, - author = {Peter Henrici}, - title = {Essentials of numerical analysis}, - subtitle = {With pocket calculator demonstrations}, - year = 1982, - publisher = {John Wiley and Sons, Inc.}, - isbn = {0-471-05904-8} -} - -@online{buch:tartaglia, - title = {Niccolò Tartaglia}, - url = {https://de.wikipedia.org/wiki/Niccolò_Tartaglia}, - date = {2020-02-06}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {6} -} - -@online{buch:kahan-summation, - title = {Kahan summation algorithm}, - url = {https://en.wikipedia.org/wiki/Kahan_summation_algorithm}, - date = {2020-02-29}, - year = {2020}, - month = {2}, - day = {29} -} - -@book{buch:watkins, - title = {Fundamentals of Matrix Computations}, - author = {David S. Watkins}, - year = 2010, - publisher = {John Wiley and Sons, Inc.}, - edition = {3} -} - -@online{buch:lissajous, - title = {Makeing Shapes with PSLab Oscilloscope}, - author = {CloudyPadmal}, - url = {https://blog.fossasia.org/making-shapes-with-pslab-oscilloscope/}, - DAY = 7, - month = 3, - year = 2020 -} -@book{buch:richardson, - title = {The emergence of numerical weather prediction: Richardson's dream}, - author = {Peter Lynch}, - year = 2006, - publisher = {Cambridge University Press}, - isbn = {978-0-52-185729-1} -} - -@book{buch:dieudonne, - title={Foundations of Modern Analysis}, - author={Jean Dieudonn{\'e}}, - number={Vol. 1}, - lccn={60008049}, - series={Dieudonn{\'e}, Jean: Treatise on analysis}, - year={1960}, - publisher={Academic Press} -} - -@book{buch:ebbinghaus, - title = {Zahlen}, - year = 1983, - inseries = {Grundwissen Mathematik}, - volume = 1, - publisher = {Springer-Verlag}, - author = { Hans-Dieter Ebbinghaus et al }, - isbn = { 3-540-12666-X } -} - -@online{buch:primitivepolynomiallist, - title = {Primitive Polynomial List}, - url = {https://www.partow.net/programming/polynomials/index.html}, - day = 8, - month = 3, - year = 2021 -} - @book{skript:landaulifschitz1, author = {Landau, L. D. and Lifschitz, E. M.}, title = {Mechanik}, @@ -140,5 +61,10 @@ year = 1982 } - +@online{buch:wolfram, + author = {Stephen Wolfram}, + title = {The History and Future of Special Functions}, + year = {2005}, + url = {https://www.stephenwolfram.com/publications/history-future-special-functions/} +} -- cgit v1.2.1