From 53aea87685ea9f37f982f1ec90a82ce168d6d7cb Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= <andreas.mueller@ost.ch>
Date: Mon, 23 May 2022 11:34:57 +0200
Subject: rewriting the risch algorithm stuff

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 buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex | 1957 +-------------------
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-% differentialalgebren.tex
+% differentialkoerper.tex
 %
 % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
 %
-\section{Differentialkörper und der Satz von Liouville
+\section{Differentialkörper 
 \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}
+\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}
-- 
cgit v1.2.1


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From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= <andreas.mueller@ost.ch>
Date: Tue, 24 May 2022 16:23:27 +0200
Subject: Integrale von R(x,y)

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 buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex | 12 +++++++++++-
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index 66bb0c1..a071ae2 100644
--- a/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex
+++ b/buch/chapters/060-integral/differentialkoerper.tex
@@ -3,9 +3,19 @@
 %
 % (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
 %
-\section{Differentialkörper 
+\section{Differentialkörper und das Integrationsproblem
 \label{buch:integrale:section:dkoerper}}
 \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.
+
 \input{chapters/060-integral/rational.tex}
 \input{chapters/060-integral/erweiterungen.tex}
 \input{chapters/060-integral/diffke.tex}
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