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Date: Fri, 13 May 2022 23:11:38 +0200
Subject: fresnel paper erste Fassung

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 buch/papers/fresnel/teil1.tex | 239 ++++++++++++++++++++++++++++++++++--------
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+++ b/buch/papers/fresnel/teil1.tex
@@ -1,55 +1,202 @@
 %
-% teil1.tex -- Beispiel-File für das Paper
+% teil1.tex -- Euler-Spirale
 %
 % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
 %
-\section{Teil 1
-\label{fresnel:section:teil1}}
-\rhead{Problemstellung}
-Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem
-accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam, eaque ipsa
-quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae
-dicta sunt explicabo.
-Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit aspernatur aut odit
-aut fugit, sed quia consequuntur magni dolores eos qui ratione
-voluptatem sequi nesciunt
-\begin{equation}
-\int_a^b x^2\, dx
-=
-\left[ \frac13 x^3 \right]_a^b
-=
-\frac{b^3-a^3}3.
-\label{fresnel:equation1}
-\end{equation}
-Neque porro quisquam est, qui dolorem ipsum quia dolor sit amet,
-consectetur, adipisci velit, sed quia non numquam eius modi tempora
-incidunt ut labore et dolore magnam aliquam quaerat voluptatem.
+\section{Euler-Spirale
+\label{fresnel:section:eulerspirale}}
+\rhead{Euler-Spirale}
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics{papers/fresnel/eulerspirale.pdf}
+\caption{Die Eulerspirale ist die Kurve mit der Parameterdarstellung
+$x\mapsto (C(x),S(x))$, sie ist rot dargestellt.
+Sie windet sich unendlich oft um die beiden Punkte $(\pm\frac12,\pm\frac12)$.
+\label{fresnel:figure:eulerspirale}}
+\end{figure}
+Ein besseres Verständnis für die beiden Funktionen $C(x)$ und $S(x)$
+als die Darstellung~\ref{fresnel:figure:plot} ermöglicht die
+Abbildung~\ref{fresnel:figure:eulerspirale}, die die beiden Funktionen
+als die $x$- und $y$-Koordinaten der Parameterdarstellung einer Kurve
+zeigt.
+Sie heisst die {\em Euler-Spirale}.
+Die Spirale scheint sich für $x\to\pm\infty$ um die Punkte
+$(\pm\frac12,\pm\frac12)$ zu winden.
 
-Ut enim ad minima veniam, quis nostrum exercitationem ullam corporis
-suscipit laboriosam, nisi ut aliquid ex ea commodi consequatur?
-Quis autem vel eum iure reprehenderit qui in ea voluptate velit
-esse quam nihil molestiae consequatur, vel illum qui dolorem eum
-fugiat quo voluptas nulla pariatur?
+\begin{figure}
+\centering
+\includegraphics{papers/fresnel/pfad.pdf}
+\caption{Pfad zur Berechnung der Grenzwerte $C_1(\infty)$ und
+$S_1(\infty)$ mit Hilfe des Cauchy-Integralsatzes
+\label{fresnel:figure:pfad}}
+\end{figure}
 
-\subsection{De finibus bonorum et malorum
-\label{fresnel:subsection:finibus}}
-At vero eos et accusamus et iusto odio dignissimos ducimus qui
-blanditiis praesentium voluptatum deleniti atque corrupti quos
-dolores et quas molestias excepturi sint occaecati cupiditate non
-provident, similique sunt in culpa qui officia deserunt mollitia
-animi, id est laborum et dolorum fuga \eqref{000tempmlate:equation1}.
 
-Et harum quidem rerum facilis est et expedita distinctio
-\ref{fresnel:section:loesung}.
-Nam libero tempore, cum soluta nobis est eligendi optio cumque nihil
-impedit quo minus id quod maxime placeat facere possimus, omnis
-voluptas assumenda est, omnis dolor repellendus
-\ref{fresnel:section:folgerung}.
-Temporibus autem quibusdam et aut officiis debitis aut rerum
-necessitatibus saepe eveniet ut et voluptates repudiandae sint et
-molestiae non recusandae.
-Itaque earum rerum hic tenetur a sapiente delectus, ut aut reiciendis
-voluptatibus maiores alias consequatur aut perferendis doloribus
-asperiores repellat.
+\begin{satz}
+Die Grenzwerte der Fresnel-Integrale für $x\to\pm\infty$ sind
+\[
+\lim_{x\to\pm\infty} C(x)
+=
+\lim_{x\to\pm\infty} S(x)
+=
+\frac12.
+\]
+\end{satz}
 
+\begin{proof}[Beweis]
+Die komplexe Funktion 
+\[
+f(z) = e^{-z^2}
+\]
+ist eine ganze Funktion, das Integral über einen geschlossenen
+Pfad in der komplexen Ebene verschwindet daher.
+Wir verwenden den Pfad in Abbildung~\ref{fresnel:figure:pfad}
+bestehend aus den drei Segmenten $\gamma_1$ entlang der reellen
+Achse von $0$ bis $R$, dem Kreisbogen $\gamma_2$ um $0$ mit Radius $R$
+und $\gamma_3$ mit der Parametrisierung $t\mapsto te^{i\pi/4}$.
+
+Das Teilintegral über $\gamma_1$ ist
+\[
+\lim_{R\to\infty}
+\int_{\gamma_1} e^{-z^2}\,dz
+=
+\int_0^\infty e^{-t^2}\,dt
+=
+\frac{\sqrt{\pi}}2.
+\]
+Das Integral über $\gamma_3$ ist
+\begin{align*}
+\lim_{R\to\infty}
+\int_{\gamma_3} 
+e^{-z^2}\,dz
+&=
+-\int_0^\infty \exp(-t^2 e^{i\pi/2}) e^{i\pi/4}\,dt
+=
+-
+\int_0^\infty e^{-it^2}\,dt\,
+e^{i\pi/4}
+\\
+&=
+-e^{i\pi/4}\int_0^\infty \cos t^2 - i \sin t^2\,dt
+\\
+&=
+-\frac{1}{\sqrt{2}}(1+i)
+\bigl(
+C_1(\infty)
+-i
+S_1(\infty)
+\bigr)
+\\
+&=
+-\frac{1}{\sqrt{2}}
+\bigl(
+C_1(\infty)+S_1(\infty)
++
+i(C_1(\infty)-S_1(\infty))
+\bigr),
+\end{align*}
+wobei wir
+\[
+C_1(\infty) = \lim_{R\to\infty} C_1(R)
+\qquad\text{und}\qquad
+S_1(\infty) = \lim_{R\to\infty} S_1(R)
+\]
+abgekürzt haben.
 
+Das Integral über das Segment $\gamma_2$ lässt sich
+mit der Parametrisierung
+\(
+\gamma_2(t)
+=
+Re^{it}
+=
+R(\cos t + i\sin t)
+\)
+wie folgt
+abschätzen:
+\begin{align*}
+\biggl|\int_{\gamma_2} e^{-z^2} \,dz\biggr|
+&=
+\biggl|
+\int_0^{\frac{\pi}4}
+\exp(-R^2(\cos 2t + i\sin 2t)) iR e^{it}\,dt
+\biggr|
+\\
+&\le
+R
+\int_0^{\frac{\pi}4}
+e^{-R^2\cos 2t}
+\,dt
+\le
+R
+\int_0^{\frac{\pi}4}
+e^{-R^2(1-\frac{4}{\pi}t)}
+\,dt.
+\intertext{Dabei haben wir $\cos 2t\ge 1-\frac{4}\pi t$ verwendet.
+Mit dieser Vereinfachung kann das Integral ausgewertet werden und
+ergibt}
+&=
+Re^{-R^2}
+\int_0^{\frac{\pi}4}
+e^{R^2\frac{\pi}4t}
+\,dt
+=
+Re^{-R^2}
+\biggl[
+\frac{4}{\pi R^2}
+e^{R^2\frac{\pi}4t}
+\biggr]_0^{\frac{\pi}4}
+=
+\frac{4}{\pi R}
+e^{-R^2}(e^{R^2}-1)
+=
+\frac{4}{\pi R}
+(1-e^{-R^2})
+\to 0
+\end{align*}
+für $R\to \infty$.
+Im Grenzwert $R\to \infty$ kann der Teil $\gamma_2$ des Pfades
+vernachlässigt werden.
+
+Das Integral über den geschlossenen Pfad $\gamma$ verschwindet.
+Da der Teil $\gamma_2$ keine Rolle spielt, müssen sich die
+Integrale über $\gamma_1$ und $\gamma_3$ wegheben, also
+\begin{align*}
+0
+=
+\int_\gamma e^{-z^2}\,dz
+&=
+\int_{\gamma_1} e^{-z^2}\,dz
++
+\int_{\gamma_2} e^{-z^2}\,dz
++
+\int_{\gamma_3} e^{-z^2}\,dz
+\\
+&\to
+\frac{\sqrt{\pi}}2
+-\frac{1}{\sqrt{2}}(C_1(\infty)+S_1(\infty))
+-\frac{i}{\sqrt{2}}(C_1(\infty)-S_1(\infty)).
+\end{align*}
+Der Imaginärteil ist $C_1(\infty)-S_1(\infty)$, da er verschwinden
+muss, folgt $C_1(\infty)=S_1(\infty)$.
+Nach Multlikation mit $\sqrt{2}$ folgt aus der Tatsache, dass auch
+der Realteil verschwinden muss
+\[
+\frac{\sqrt{\pi}}{\sqrt{2}} = C_1(\infty)+S_1(\infty)
+\qquad
+\Rightarrow
+\qquad
+C_1(\infty)
+=
+S_1(\infty)
+=
+\frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{2}}
+\]
+Aus
+\eqref{fresnel:equation:arg}
+erhält man dann auch die Grenzwerte
+\[
+C(\infty)=S(\infty)=\frac12.
+\qedhere
+\]
+\end{proof}
-- 
cgit v1.2.1


From 2b1142edd31d88f9c4b050abf4aeb1e885925ad5 Mon Sep 17 00:00:00 2001
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Date: Fri, 13 May 2022 23:15:21 +0200
Subject: typos

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 buch/papers/fresnel/teil1.tex | 6 +++---
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@@ -45,9 +45,9 @@ Die Grenzwerte der Fresnel-Integrale für $x\to\pm\infty$ sind
 
 \begin{proof}[Beweis]
 Die komplexe Funktion 
-\[
+\(
 f(z) = e^{-z^2}
-\]
+\)
 ist eine ganze Funktion, das Integral über einen geschlossenen
 Pfad in der komplexen Ebene verschwindet daher.
 Wir verwenden den Pfad in Abbildung~\ref{fresnel:figure:pfad}
@@ -190,7 +190,7 @@ C_1(\infty)
 =
 S_1(\infty)
 =
-\frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{2}}
+\frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{2}}.
 \]
 Aus
 \eqref{fresnel:equation:arg}
-- 
cgit v1.2.1

