From 45e236bc519b62e8afc1aea7d2e625df4c145348 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Andreas=20M=C3=BCller?= Date: Wed, 22 Jun 2022 11:49:27 +0200 Subject: add ell stuff --- buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex | 135 +++++++++++++++------------- 1 file changed, 72 insertions(+), 63 deletions(-) (limited to 'buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex') diff --git a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex index a284f75..61476a0 100644 --- a/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex +++ b/buch/chapters/110-elliptisch/lemniskate.tex @@ -32,26 +32,26 @@ mit der Gleichung \end{equation} Sie ist in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:fig:lemniskate} dargestellt. -Der Fall $a=1/\sqrt{2}$ ist eine Kurve mit der Gleichung +Der Fall $a=1/\!\sqrt{2}$ ist eine Kurve mit der Gleichung \[ (x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, \] wir nennen sie die {\em Standard-Lemniskate}. \subsubsection{Scheitelpunkte} -Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\sqrt{2}$. +Die beiden Scheitel der Lemniskate befinden sich bei $X_s=\pm a\!\sqrt{2}$. Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht \begin{equation} \biggl( -\biggl(\frac{X}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 + -\biggl(\frac{Y}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 \biggr)^2 = 2\frac{a^2}{2a^2}\biggl( -\biggl(\frac{X}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{X}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 - -\biggl(\frac{Y}{a\sqrt{2}}\biggr)^2 +\biggl(\frac{Y}{a\!\sqrt{2}}\biggr)^2 \biggr). \qquad \Leftrightarrow @@ -59,7 +59,7 @@ Dividiert man die Gleichung der Lemniskate durch $X_s^2=4a^4$ entsteht (x^2+y^2)^2 = x^2-y^2, \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatenormiert} \end{equation} -wobei wir $x=X/a\sqrt{2}$ und $y=Y/a\sqrt{2}$ gesetzt haben. +wobei wir $x=X/a\!\sqrt{2}$ und $y=Y/a\!\sqrt{2}$ gesetzt haben. In dieser Normierung, der Standard-Lemniskaten, liegen die Scheitel bei $\pm 1$. Dies ist die Skalierung, die für die Definition des lemniskatischen @@ -104,7 +104,7 @@ die durch die Gleichungen \begin{equation} X^2-Y^2 = Z^2 \qquad\text{und}\qquad -(X^2+Y^2) = R^2 = \sqrt{2}aZ +(X^2+Y^2) = R^2 = \!\sqrt{2}aZ \label{buch:elliptisch:eqn:kegelparabolschnitt} \end{equation} beschrieben wird. @@ -254,9 +254,9 @@ Sie ist eine Lemniskaten-Gleichung für $a=2$. \subsection{Bogenlänge} Die Funktionen \begin{equation} -x(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, +x(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1+r^2}, \quad -y(r) = \frac{r}{\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} +y(r) = \frac{r}{\!\sqrt{2}}\sqrt{1-r^2} \label{buch:geometrie:eqn:lemniskateparam} \end{equation} erfüllen @@ -281,9 +281,9 @@ Kettenregel berechnen kann: \begin{align*} \dot{x}(r) &= -\frac{\sqrt{1+r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1+r^2}}{\!\sqrt{2}} + -\frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} +\frac{r^2}{\!\sqrt{2}\sqrt{1+r^2}} &&\Rightarrow& \dot{x}(r)^2 &= @@ -291,7 +291,7 @@ Kettenregel berechnen kann: \\ \dot{y}(r) &= -\frac{\sqrt{1-r^2}}{\sqrt{2}} +\frac{\!\sqrt{1-r^2}}{\!\sqrt{2}} - \frac{r^2}{\sqrt{2}\sqrt{1-r^2}} &&\Rightarrow& @@ -316,7 +316,7 @@ Durch Einsetzen in das Integral für die Bogenlänge bekommt man s(r) = \int_0^r -\frac{1}{\sqrt{1-t^4}}\,dt. +\frac{1}{\!\sqrt{1-t^4}}\,dt. \label{buch:elliptisch:eqn:lemniskatebogenlaenge} \end{equation} @@ -329,11 +329,11 @@ $k^2=-1$ oder $k=i$ ist \[ K(r,i) = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-i^2 t^2)}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-i^2 t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{(1-t^2)(1-(-1)t^2)}} = -\int_0^x \frac{dt}{\sqrt{1-t^4}} +\int_0^x \frac{dt}{\!\sqrt{1-t^4}} = s(r). \] @@ -388,23 +388,23 @@ Y(t) \operatorname{cn}(t,k) \operatorname{sn}(t,k) \end{aligned} \quad\right\} -\qquad\text{mit $k=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}$} +\qquad\text{mit $k=\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}.$} \label{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} \end{equation} Abbildung~\ref{buch:elliptisch:lemniskate:bogenpara} zeigt die Parametrisierung. Dem Parameterwert $t=0$ entspricht der Scheitelpunkt -$S=(\sqrt{2},0)$ der Lemniskate. +$S=(\!\sqrt{2},0)$ der Lemniskate. % % Lemniskatengleichung % \subsubsection{Verfikation der Lemniskatengleichung} Dass \eqref{buch:elliptisch:lemniskate:bogeneqn} -tatsächlich eine Parametrisierung ist kann nachgewiesen werden dadurch, +tatsächlich eine Parametrisierung ist, kann dadurch nachgewiesen werden, dass man die beiden Seiten der definierenden Gleichung der Lemniskate berechnet. -Zunächst ist +Zunächst sind die Quadrate von $X(t)$ und $Y(t)$ \begin{align*} X(t)^2 &= @@ -414,8 +414,8 @@ X(t)^2 Y(t)^2 &= \operatorname{cn}(t,k)^2 -\operatorname{sn}(t,k)^2 -\\ +\operatorname{sn}(t,k)^2. +\intertext{Für Summe und Differenz der Quadrate findet man jetzt} X(t)^2+Y(t)^2 &= 2\operatorname{cn}(t,k)^2 @@ -447,15 +447,18 @@ X(t)^2-Y(t)^2 \bigr) \\ &= -2\operatorname{cn}(t,k)^4 -\\ +2\operatorname{cn}(t,k)^4. +\intertext{Beide lassen sich also durch $\operatorname{cn}(t,k)^2$ +ausdrücken. +Zusammengefasst erhält man} \Rightarrow\qquad (X(t)^2+Y(t)^2)^2 &= 4\operatorname{cn}(t,k)^4 = -2(X(t)^2-Y(t)^2). +2(X(t)^2-Y(t)^2), \end{align*} +eine Lemniskaten-Gleichung. % % Berechnung der Bogenlänge @@ -467,39 +470,26 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen \begin{align*} \dot{X}(t) &= -\sqrt{2}\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{dn}(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{dn}(t,k) + -\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{dn}'(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{cn}(t,k)\operatorname{dn}'(t,k) \\ &= --\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{dn}(t,k)^2 +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{dn}(t,k)^2 -\frac12\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\operatorname{cn}(t,k)^2 \\ &= --\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\bigl( +-\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k)\bigl( 1-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 +{\textstyle\frac12}-{\textstyle\frac12}\operatorname{sn}(t,k)^2 \bigr) \\ &= -\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k) +\!\sqrt{2}\operatorname{sn}(t,k) \bigl( {\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 \bigr) \\ -\dot{X}(t)^2 -&= -2\operatorname{sn}(t,k)^2 -\bigl( -{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 -\bigr)^2 -\\ -&= -{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 -- -6\operatorname{sn}(t,k)^4 -+2\operatorname{sn}(t,k)^6 -\\ \dot{Y}(t) &= \operatorname{cn}'(t,k)\operatorname{sn}(t,k) @@ -514,6 +504,19 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen \\ &= \operatorname{dn}(t,k)\bigl(1-2\operatorname{sn}(t,k)^2\bigr) +\intertext{und davon die Quadrate} +\dot{X}(t)^2 +&= +2\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigl( +{\textstyle \frac32}-\operatorname{sn}(t,k)^2 +\bigr)^2 +\\ +&= +{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 +- +6\operatorname{sn}(t,k)^4 ++2\operatorname{sn}(t,k)^6 \\ \dot{Y}(t)^2 &= @@ -523,22 +526,22 @@ Dazu berechnen wir die Ableitungen &= 1-{\textstyle\frac{9}{2}}\operatorname{sn}(t,k)^2 +6\operatorname{sn}(t,k)^4 --2\operatorname{sn}(t,k)^6 -\\ +-2\operatorname{sn}(t,k)^6. +\intertext{Für das Bogenlängenintegral wird die Quadratsumme der Ableitungen +benötigt, diese ist} \dot{X}(t)^2 + \dot{Y}(t)^2 &= 1. -\end{align*} -Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den Parameterwerten $0$ und $t$ -\[ +\intertext{Dies bedeutet, dass die Bogenlänge zwischen den +Parameterwerten $0$ und $t$} \int_0^t \sqrt{\dot{X}(\tau)^2 + \dot{Y}(\tau)^2} \,d\tau -= +&= \int_0^s\,d\tau = t, -\] +\end{align*} der Parameter $t$ ist also ein Bogenlängenparameter. % @@ -556,18 +559,18 @@ hat daher eine Bogenlängenparametrisierung mit \begin{aligned} x(t) &= -\phantom{\frac{1}{\sqrt{2}}} -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)\operatorname{dn}(\sqrt{2}t,k) +\phantom{\frac{1}{\!\sqrt{2}}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k) \\ y(t) &= -\frac{1}{\sqrt{2}} -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)\operatorname{sn}(\sqrt{2}t,k) +\frac{1}{\!\sqrt{2}} +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k) \end{aligned} \quad \right\} \qquad -\text{mit $\displaystyle k=\frac{1}{\sqrt{2}}$} +\text{mit $\displaystyle k=\frac{1}{\!\sqrt{2}}.$} \label{buch:elliptisch:lemniskate:bogenlaenge} \end{equation} Der Punkt $t=0$ entspricht dem Scheitelpunkt $S=(1,0)$ der Lemniskate. @@ -630,21 +633,21 @@ r(t)^2 = x(t)^2 + y(t)^2 = -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)^2 +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 \biggl( -\operatorname{dn}(\sqrt{2}t,k)^2 +\operatorname{dn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 + \frac12 -\operatorname{sn}(\sqrt{2}t,k)^2 +\operatorname{sn}(\!\sqrt{2}t,k)^2 \biggr) = -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,k)^2. +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,k)^2. \] Die Wurzel ist \[ r(t) = -\operatorname{cn}(\sqrt{2}t,{\textstyle\frac{1}{\sqrt{2}}}) +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}t,{\textstyle\frac{1}{\!\sqrt{2}}}) . \] Der lemniskatische Sinus wurde aber in Abhängigkeit von @@ -654,7 +657,7 @@ $s=\varpi/2-t$ mittels = r(s) = -\operatorname{cn}(\sqrt{2}(\varpi/2-s),k)^2 +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}(\varpi/2-s),k)^2 \] definiert. Der lemniskatische Kosinus ist definiert als der lemniskatische Sinus @@ -666,7 +669,7 @@ der komplementären Bogenlänge, also = \operatorname{sl}(\varpi/2-s) = -\operatorname{cn}(\sqrt{2}s,k)^2. +\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)^2. \] Die Funktion $\operatorname{sl}(s)$ und $\operatorname{cl}(s)$ sind in Abbildung~\ref{buch:elliptisch:figure:slcl} dargestellt. @@ -674,4 +677,10 @@ Sie sind beide $2\varpi$-periodisch. Die Abbildung zeigt ausserdem die Funktionen $\sin (\pi s/\varpi)$ und $\cos(\pi s/\varpi)$, die ebenfalls $2\varpi$-periodisch sind. +Die Darstellung des lemniskatischen Sinus und Kosinus durch die +Jacobische elliptische Funktion $\operatorname{cn}(\!\sqrt{2}s,k)$ +zeigt einmal mehr den Nutzen der Jacobischen elliptischen Funktionen. + + + -- cgit v1.2.1