From 0b3bf5fb8563de4eb3d51e803718baf018e35c10 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: haddoucher Date: Fri, 26 Aug 2022 10:50:47 +0200 Subject: Korrekturen Wahrscheinlich die letzten --- buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex | 9 --------- buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex | 6 +++--- buch/papers/sturmliouville/main.tex | 13 +++++++++---- .../papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex | 16 ++++++++-------- .../papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 20 ++++++++++---------- 5 files changed, 30 insertions(+), 34 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex index c0a6e8f..82046ba 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex @@ -3,12 +3,3 @@ % % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Beispiele -\label{sturmliouville:sec:examples}} -\rhead{Beispiele} - -% Fourier: Erik work -\input{papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex} - -% Tschebyscheff -\input{papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex} \ No newline at end of file diff --git a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex index 6c5fb59..9912595 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/einleitung.tex @@ -36,7 +36,7 @@ Wenn die lineare homogene Differentialgleichung als \begin{equation} \label{sturmliouville:eq:sturm-liouville-equation} - \frac{d}{dx} (p(x) \frac{dy}{dx}) + (q(x) + + \frac{d}{dx} \biggl ( p(x) \frac{dy}{dx}\biggr ) + (q(x) + \lambda w(x)) y = 0 @@ -49,12 +49,12 @@ in die Form der Gleichung \eqref{sturmliouville:eq:sturm-liouville-equation} umgewandelt werden. Damit es sich um ein Sturm-Liouville-Problem handelt, benötigt es noch die -Randbedingungen, die im nächsten Unterkapitel behandelt wird. +Randbedingungen, die im nächsten Unterkapitel behandelt werden. \subsection{Randbedingungen \label{sturmliouville:sub:was-ist-das-slp-randbedingungen}} Geeignete Randbedingungen sind erforderlich, um die Lösungen einer -Differentialgleichung genau zu bestimmen. +Differentialgleichung eindeutig zu bestimmen. Die Sturm-Liouville-Gleichung mit homogenen Randbedingungen des dritten Typs \begin{equation} \begin{aligned} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/main.tex b/buch/papers/sturmliouville/main.tex index a36e85a..9d4ce96 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/main.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/main.tex @@ -23,12 +23,17 @@ Zuletzt wird anhand von zwei Beispielen gezeigt, dass durch das Sturm-Liouville-Problem die Eigenschaften der Lösungen bereits vor dem vollständingen Lösen der Beispiele bekannt sind. -\input{papers/sturmliouville/einleitung.tex} %einleitung "was ist das sturm-liouville-problem" -\input{papers/sturmliouville/eigenschaften.tex} +\input{papers/sturmliouville/einleitung.tex} + %Eigenschaften von Lösungen eines solchen Problems -\input{papers/sturmliouville/beispiele.tex} -%Beispiele sind: Wärmeleitung in einem Stab, Tschebyscheff-Polynome +\input{papers/sturmliouville/eigenschaften.tex} + +% Fourier: Erik work +\input{papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex} + +% Tschebyscheff +\input{papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex} \printbibliography[heading=subbibliography] \end{refsection} diff --git a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex index dfc6798..d5c2dc6 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex @@ -4,7 +4,7 @@ % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\subsection{Tschebyscheff-Polynome +\section{Tschebyscheff-Polynome \label{sturmliouville:sub:tschebyscheff-polynome}} \rhead{Tschebyscheff-Polynome} In diesem Unterkapitel wird anhand der @@ -14,7 +14,7 @@ Zu diesem Zweck werden die Koeffizientenfunktionen nochmals dargestellt, so dass Sobald feststeht, ob das Problem regulär oder singulär ist, zeigt eine kleine Rechnung, dass die Lösungen orthogonal sind. -\subsubsection*{Definition der Koeffizientenfunktion} +\subsection*{Definition der Koeffizientenfunktion} Im Kapitel \ref{sub:beispiele_sturm_liouville_problem} sind die Koeffizientenfunktionen, die man braucht, schon aufgelistet: \begin{align*} @@ -25,8 +25,8 @@ Koeffizientenfunktionen, die man braucht, schon aufgelistet: Da die Sturm-Liouville-Gleichung \begin{equation} \label{eq:sturm-liouville-equation-tscheby} - \frac{d}{dx} (\sqrt{1-x^2} \frac{dy}{dx}) + - (0 + \lambda \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}) y + \frac{d}{dx} \biggl (\sqrt{1-x^2} \frac{dy}{dx}\biggr ) + + \biggl (0 + \lambda \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\biggr ) y = 0 \end{equation} @@ -34,7 +34,7 @@ nun mit den Koeffizientenfunktionen aufgestellt werden kann, bleibt die Frage, ob es sich um ein reguläres oder singuläres Sturm-Liouville-Problem handelt. Zunächst werden jedoch die Randbedingungen betrachtet. -\subsubsection*{Randwertproblem} +\subsection*{Randwertproblem} Für die Verifizierung der Randbedingungen benötigt man erneut $p(x)$. Die Randwerte setzt man $a = -1$ und $b = 1$. Beim Einsetzen in die Randbedingung \eqref{sturmliouville:eq:randbedingungen}, @@ -61,7 +61,7 @@ damit die Bedingung $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ erfüllt ist, beliebige $h_a \ne 0$ und $h_b \ne 0$ gewählt werden. Es wurde somit gezeigt, dass die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllt sind. -\subsubsection*{Handelt es sich um ein reguläres oder Singuläres Problem?} +\subsection*{Handelt es sich um ein reguläres oder Singuläres Problem?} Für das reguläre Problem muss laut der Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} die funktion $p(x) = \sqrt{1-x^2}$, $p'(x) = -2x$, $q(x) = 0$ und @@ -89,14 +89,14 @@ Da auch die Randbedingungen erfüllt sind, handelt es sich um ein reguläres Stu illustriert. Dazu verwendet man das Skalarprodukt \[ - \int_{a}^{b} w(x) y_m y_n = 0. + \int_{a}^{b} w(x) y_m(x) y_n(x) = 0. \] Eigesetzt ergibt dies $y_m(x) = T_1(x)$ und $y_n(x) = T_2(x)$, sowie $a=-1$ und $b = 1$ ergibt \[ \begin{aligned} \int_{-1}^{1} \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} x (2x^2-1) dx &= - \lbrack - \frac{\sqrt{1-x^2}(2x^2+1)}{3}\rbrack_{-1}^{1}\\ + \biggl [ - \frac{\sqrt{1-x^2}(2x^2+1)}{3} \biggr ]_{-1}^{1}\\ &= 0. \end{aligned} \] diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index 356e259..f888d02 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -5,7 +5,7 @@ % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\subsection{Fourierreihe als Lösung des Sturm-Liouville-Problems +\section{Fourierreihe als Lösung des Sturm-Liouville-Problems (Wärmeleitung)} In diesem Abschnitt wird das Problem der Wärmeleitung in einem homogenen Stab @@ -34,7 +34,7 @@ Tempreatur gehalten werden. % % Randbedingungen für Stab mit konstanten Endtemperaturen % -\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\subsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} Die Enden des Stabes auf konstanter Temperatur zu halten bedeutet, dass die Lösungsfunktion $u(t,x)$ bei $x = 0$ und $x = l$ nur die vorgegebene @@ -54,7 +54,7 @@ als Randbedingungen. % Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden % -\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} +\subsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} Bei isolierten Enden des Stabes können beliebige Temperaturen für $x = 0$ und $x = l$ auftreten. In diesem Fall ist es nicht erlaubt, dass Wärme vom Stab @@ -80,7 +80,7 @@ als Randbedingungen. % Lösung der Differenzialgleichung mittels Separation % -\subsubsection{Lösung der Differenzialgleichung} +\subsection{Lösung der Differenzialgleichung} Da die Lösungsfunktion von zwei Variablen abhängig ist, wird als Lösungsansatz die Separationsmethode verwendet. @@ -191,7 +191,7 @@ somit auch zu orthogonalen Lösungen führen. % Lösung von X(x), Teil mu % -\subsubsection{Lösund der Differentialgleichung in $x$} +\subsection{Lösund der Differentialgleichung in $x$} Als erstes wird auf die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingegangen. Aufgrund der Struktur der Gleichung @@ -360,10 +360,10 @@ wie auch mit isolierten Enden \end{equation} % TODO: infinite base vectors and fourier series -\subsubsection{TODO: Auf Anzahl Lösungen und Fourierreihe eingehen} +\subsection{TODO: Auf Anzahl Lösungen und Fourierreihe eingehen} % TODO: check ease of reading -\subsubsection{Berechnung der Koeffizienten} +\subsection{Berechnung der Koeffizienten} % TODO: move explanation A/B -> a_n/b_n to fourier subsection @@ -625,7 +625,7 @@ Es bleibt also noch % Lösung von T(t) % -\subsubsection{Lösung der Differentialgleichung in $t$} +\subsection{Lösung der Differentialgleichung in $t$} Zuletzt wird die zweite Gleichung der Separation~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} betrachtet. Diese wird über das charakteristische Polynom @@ -656,7 +656,7 @@ werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. % TODO: elaborate -\subsubsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\subsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} \[ \begin{aligned} u(t,x) @@ -670,7 +670,7 @@ werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. \end{aligned} \] -\subsubsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} +\subsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} \[ \begin{aligned} u(t,x) -- cgit v1.2.1 From 14cc0d2e128ce21fdeddc47f29e4b462bc65c0d0 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 11:54:13 +0200 Subject: Cleaned up folder. --- buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc | 1 - buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex | 5 ----- buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 4 ++-- 3 files changed, 2 insertions(+), 8 deletions(-) delete mode 100644 buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc index 7ffdad2..4000fa7 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc +++ b/buch/papers/sturmliouville/Makefile.inc @@ -9,6 +9,5 @@ dependencies-sturmliouville = \ papers/sturmliouville/references.bib \ papers/sturmliouville/einleitung.tex \ papers/sturmliouville/eigenschaften.tex \ - papers/sturmliouville/beispiele.tex \ papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex \ papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex diff --git a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex b/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex deleted file mode 100644 index 82046ba..0000000 --- a/buch/papers/sturmliouville/beispiele.tex +++ /dev/null @@ -1,5 +0,0 @@ -% -% teil2.tex -- Beispiel-File für teil2 -% -% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil -% diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index 290bf35..19dad5e 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -216,7 +216,7 @@ somit auch zu orthogonalen Lösungen führen. % Lösung von X(x), Teil mu % -\subsection{Lösund der Differentialgleichung in $x$} +\subsection{Lösung der Differentialgleichung in \texorpdfstring{$x$}{x}} Als erstes wird auf die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingegangen. Aufgrund der Struktur der Gleichung @@ -684,7 +684,7 @@ was sich wie folgt nach $a_0$ auflösen lässt: % Lösung von T(t) % -\subsection{Lösung der Differentialgleichung in $t$} +\subsection{Lösung der Differentialgleichung in \texorpdfstring{$t$}{t}} Zuletzt wird die zweite Gleichung der Separation~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} betrachtet. Dazu betrachtet man das charakteristische Polynom -- cgit v1.2.1 From 241305e4f895dfb63b57a9e54b6ec661f8999c36 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 13:18:40 +0200 Subject: Grammar and formatting mistakes corrected in solution properties and fourier example. --- buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex | 18 ++--------- .../sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 36 +++++++++++----------- 2 files changed, 20 insertions(+), 34 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex index 8616172..fc9c3da 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -5,20 +5,6 @@ % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -% TODO: -% state goal -% use only what is necessary -% make sure it is easy enough to understand (sentences as shot as possible) -% -> Eigenvalue problem with matrices only -% -> prepare reader for following examples -% -% order: -% 1. Eigenvalue problems with matrices -% 2. Sturm-Liouville is an Eigenvalue problem -% 3. Sturm-Liouville operator (self-adjacent) -% 4. Spectral theorem (brief) -% 5. Base of orthonormal functions - \section{Eigenschaften von Lösungen \label{sturmliouville:sec:solution-properties}} \rhead{Eigenschaften von Lösungen} @@ -99,9 +85,9 @@ Analog zur Matrix $A$ aus Abschnitt~\ref{sturmliouville:sec:eigenvalue-problem-matrix} kann auch für $L$ gezeigt werden, dass dieser Operator selbstadjungiert ist, also dass \[ - \langle L v, w\rangle + \langle L u, v\rangle = - \langle v, L w\rangle + \langle u, L v\rangle \] gilt. Wie in Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} bereits diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index 19dad5e..30ba8f6 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -5,12 +5,11 @@ % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Fourierreihe als Lösung des Sturm-Liouville-Problems -(Wärmeleitung)} +\section{Wärmeleitung in homogenem Stab} In diesem Abschnitt wird das Problem der Wärmeleitung in einem homogenen Stab betrachtet, angeschaut wie das Sturm-Liouville-Problem bei der Beschreibung -dieses physikalischen Phänomenes auftritt und hergeleitet wie die Fourierreihe +dieses physikalischen Phänomens auftritt und hergeleitet wie die Fourierreihe als Lösung des Problems zustande kommt. Zunächst wird ein eindimensionaler homogener Stab der Länge $l$ und @@ -113,7 +112,7 @@ der neuen Variablen $\mu$ gekoppelt werden: = \frac{X^{\prime \prime}(x)}{X(x)} = - \mu + \mu. \] Durch die Einführung von $\mu$ kann das Problem nun in zwei separate Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: @@ -127,7 +126,7 @@ Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: \label{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} T^{\prime}(t) - \kappa \mu T(t) = - 0 + 0. \end{equation} % @@ -137,7 +136,7 @@ Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Gleichung in $x$ in Sturm-Liouville-Form ist. Erfüllen die Randbedingungen des Stab-Problems auch die Randbedingungen des -Sturm-Liouville-Problems, kann bereits die Aussage getroffen werden, dass alle +Sturm-Liouville-Problems, kann bereits die Aussage gemacht werden, dass alle Lösungen für die Gleichung in $x$ orthogonal sein werden. Da die Bedingungen des Stab-Problems nur Anforderungen an $x$ stellen, können @@ -259,14 +258,14 @@ ergibt dies = 0 \] -und durch umformen somit +und durch Umformen somit \[ -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) - \beta^{2}B\sin(\beta x) = \mu A\cos(\alpha x) + \mu B\sin(\beta x). \] -Mittels Koeffizientenvergleich von +Mittels Koeffizientenvergleich auf beiden Seiten von \[ \begin{aligned} -\alpha^{2}A\cos(\alpha x) @@ -297,7 +296,7 @@ für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur in die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} eingesetzt. Betrachten wir zunächst die Bedingung für $x = 0$. -Dies fürht zu +Dies führt zu \[ X(0) = @@ -324,7 +323,7 @@ Es bleibt noch nach $\beta$ aufzulösen: \begin{aligned} \sin(\beta l) &= 0 \\ \beta l &= n \pi \qquad n \in \mathbb{N}_0 \\ - \beta &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N}_0 + \beta &= \frac{n \pi}{l} \qquad n \in \mathbb{N}_0. \end{aligned} \] @@ -472,14 +471,14 @@ Skalarprodukt mit der Basisfunktion $ \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)$ gebildet: \begin{equation} \label{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} - \langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \rangle + \biggl\langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \biggr\rangle = - \langle a_0 + \biggl\langle a_0 + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right), - \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\rangle + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\biggr\rangle \end{equation} Bevor diese Form in die Integralform umgeschrieben werden kann, muss überlegt @@ -513,7 +512,7 @@ gerade, respektive ungerade auf $[-l, 0]$ fortsetzen: \] Diese Funktionen wurden gerade so gewählt, dass nun das Resultat der Integrale -um den Faktor zwei skalliert wurde. +um den Faktor $2$ skalliert wurde. Es gilt also \[ \int_{-l}^{l}\hat{u}_c(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx @@ -586,8 +585,9 @@ Es bleibt also lediglich der Summand mit $a_m$ stehen, was die Gleichung zu vereinfacht. Im nächsten Schritt wird nun das Integral auf der rechten Seite -berechnet und dann nach $a_m$ aufgelöst. Am einnfachsten geht dies, wenn zuerst -mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert wird: +berechnet und dann nach $a_m$ aufgelöst. +Am einfachsten geht dies, wenn zuerst mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert +wird: \[ \begin{aligned} 2\int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx @@ -609,7 +609,7 @@ mit $u = \frac{m \pi}{l}x$ substituiert wird: \\ a_m &= - \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx + \frac{2}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)\cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)dx. \end{aligned} \] @@ -676,7 +676,7 @@ was sich wie folgt nach $a_0$ auflösen lässt: \\ a_0 &= - \frac{1}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)dx + \frac{1}{l} \int_{0}^{l}u(0, x)dx. \end{aligned} \] -- cgit v1.2.1 From ad4935f4a4cf53e4456b7bef5fbf4462e8a03f2c Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 13:46:45 +0200 Subject: Adjusted sections/subsections in fourier example. --- buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 17 ++++++++++------- 1 file changed, 10 insertions(+), 7 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index 30ba8f6..c01a164 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -5,7 +5,7 @@ % (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil % -\section{Wärmeleitung in homogenem Stab} +\section{Beispiel: Wärmeleitung in homogenem Stab} In diesem Abschnitt wird das Problem der Wärmeleitung in einem homogenen Stab betrachtet, angeschaut wie das Sturm-Liouville-Problem bei der Beschreibung @@ -34,7 +34,8 @@ werden. % % Randbedingungen für Stab mit konstanten Endtemperaturen % -\subsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\subsection{Randbedingungen} +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} Die Enden des Stabes auf konstanter Temperatur zu halten bedeutet, dass die Lösungsfunktion $u(t,x)$ bei $x = 0$ und $x = l$ nur die vorgegebene @@ -54,7 +55,7 @@ als Randbedingungen. % Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden % -\subsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} +\subsubsection{Randbedingungen für Stab mit isolierten Enden} Bei isolierten Enden des Stabes können grundsätzlich beliebige Temperaturen für $x = 0$ und $x = l$ auftreten. @@ -82,7 +83,7 @@ als Randbedingungen. % Lösung der Differenzialgleichung mittels Separation % -\subsection{Lösung der Differenzialgleichung} +\subsection{Separation der Differenzialgleichung} Da die Lösungsfunktion $u$ von zwei Variablen abhängig ist, wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} zunächst @@ -716,10 +717,12 @@ führt und mit dem Resultat~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-mu-solution \] ergibt. -Dieses Resultat kann nun mit allen vorhergehenden Resultaten zusammengesetzt +\subsection{Lösung des Wärmeleitungsproblems} + +Nun können alle vorhergehenden Resultate zusammengesetzt werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. -\subsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur} \[ \begin{aligned} u(t,x) @@ -733,7 +736,7 @@ werden um die vollständige Lösung für das Stab-Problem zu erhalten. \end{aligned} \] -\subsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} +\subsubsection{Lösung für einen Stab mit isolierten Enden} \[ \begin{aligned} u(t,x) -- cgit v1.2.1 From b974a188da38b2ce84423718df982561630f8448 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 14:27:04 +0200 Subject: Reordered small section in fourier example to make more sense. --- .../sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 62 ++++++++++++---------- 1 file changed, 33 insertions(+), 29 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index c01a164..f346fa2 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -131,14 +131,33 @@ Differenzialgleichungen aufgeteilt werden: \end{equation} % -% Überprüfung Orthogonalität der Lösungen +% Überprüfung SLP, dann Orthogonalität der Lösungen % -Es ist an dieser Stelle zu bemerken, dass die Gleichung in $x$ in -Sturm-Liouville-Form ist. -Erfüllen die Randbedingungen des Stab-Problems auch die Randbedingungen des -Sturm-Liouville-Problems, kann bereits die Aussage gemacht werden, dass alle -Lösungen für die Gleichung in $x$ orthogonal sein werden. +An dieser Stelle wird nun gezeigt, dass die Gleichung in $x$ ein +Sturm-Liouville-Problem ist. +Dazu werden zunächst die Koeffizientenfunktionen $p(x)$, $q(x)$ und $w(x)$ +benötigt. +Dafür wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} +mit der +Sturm-Liouville-Form~\eqref{sturmliouville:eq:sturm-liouville-equation} +verglichen, was zu +\[ +\begin{aligned} + p(x) &= 1 \\ + q(x) &= 0 \\ + w(x) &= 1 +\end{aligned} +\] +führt. + +Diese können bereits auf die Bedingungen in +Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} geprüft +werden. +Es ist schnell ersichtlich, dass die ersten drei Kriterien erfüllt sind. +Werden nun auch noch die Randbedingungen erfüllt, handelt es sich also um ein +reguläres Sturm-Liouville-Problem und es kann bereits die Aussage gemacht +werden, dass alle Lösungen für die Gleichung in $x$ orthogonal sein werden. Da die Bedingungen des Stab-Problems nur Anforderungen an $x$ stellen, können diese direkt für $X(x)$ übernomen werden. @@ -146,7 +165,7 @@ Es gilt also beispielsweise wegen \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant}, dass $X(0) = X(l) = 0$. -Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen nun also die Gleichungen +Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen also noch die Gleichungen \begin{equation} \begin{aligned} \label{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} @@ -164,28 +183,6 @@ erfüllt sein und es muss ausserdem \end{equation} gelten. -Um zu verifizieren, dass die Randbedingungen erfüllt sind, werden also die -Koeffizientenfunktionen $p(x)$, $q(x)$ und $w(x)$ benötigt. -Dazu wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} -mit der -Sturm-Liouville-Form~\eqref{sturmliouville:eq:sturm-liouville-equation} -verglichen, was zu -\[ -\begin{aligned} - p(x) &= 1 \\ - q(x) &= 0 \\ - w(x) &= 1 -\end{aligned} -\] -führt. - -Diese können bereits auf die Bedingungen in -Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} geprüft -werden. -Es ist schnell ersichtlich, dass die ersten drei Kriterien erfüllt sind. -Werden nun auch noch die Randbedingungen erfüllt, handelt es sich also um ein -reguläres Sturm-Liouville-Problem. - Es werden nun $p(x)$ und die Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} des Stab-Problems in \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} @@ -204,6 +201,7 @@ und $k_b \neq 0$ gewählt werden. Somit ist gezeigt, dass die Randbedingungen des Stab-Problems für Enden auf konstanter Temperatur auch die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllen. + Daraus folg zunächst, dass es sich um ein reguläres Sturm-Liouville-Problem handelt und weiter, dass alle daraus resultierenden Lösungen orthogonal sind. Analog dazu kann gezeit werden, dass die Randbedingungen für einen Stab mit @@ -291,6 +289,9 @@ Da die Koeffizienten $A$ und $B$, sowie die Parameter $\alpha$ und $\beta$ im allgemeinen ungleich $0$ sind, müssen die Randbedingungen durch die trigonometrischen Funktionen erfüllt werden. +\subsubsection{Einsetzen der +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant}} + Es werden nun die Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant} für einen Stab mit Enden auf konstanter Temperatur in die @@ -337,6 +338,9 @@ Ausserdem ist zu bemerken, dass dies auch gleich $-\alpha^{2}$ ist. Da aber $A = 0$ gilt und der Summand mit $\alpha$ verschwindet, ist dies keine Verletzung der Randbedingungen. +\subsubsection{Einsetzen der +Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated}} + Durch analoges Vorgehen kann nun auch das Problem mit isolierten Enden gelöst werden. Setzt man die -- cgit v1.2.1 From fefadac123a94fd60a2e20a05e2cf2461f1892d6 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 15:01:14 +0200 Subject: Added reference to modified dot product to solution properties. --- buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex | 20 ++++++++++++++++---- 1 file changed, 16 insertions(+), 4 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex index fc9c3da..2e3d4fd 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -83,13 +83,25 @@ Um auf die Orthogonalität der Lösungsfunktion zu schliessen, wird dafür der Operator $L$ genauer betrachtet. Analog zur Matrix $A$ aus Abschnitt~\ref{sturmliouville:sec:eigenvalue-problem-matrix} kann auch für -$L$ gezeigt werden, dass dieser Operator selbstadjungiert ist, also dass +$L$ gezeigt werden, dass dieser Operator selbstadjungiert ist. + +Dazu wird das modifizierte Skalarprodukt +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:modified-dot-product} + \langle f, g \rangle_w + = + \int_a^b f(x)g(x)w(x)\,dx +\end{equation} +aus Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} verwendet, +welches auch die Gewichtsfunktion $w(x)$ berücksichtigt. +Damit $L$ bezüglich dieses Skalarproduktes selbstadjungiert ist, muss also \[ - \langle L u, v\rangle + \langle L u, v\rangle_w = - \langle u, L v\rangle + \langle u, L v\rangle_w \] -gilt. +gelten. + Wie in Kapitel~\ref{buch:integrale:subsection:sturm-liouville-problem} bereits gezeigt, ist dies durch die Randbedingungen~\eqref{sturmliouville:eq:randbedingungen} des -- cgit v1.2.1 From 2160618b9c1ed8b6c8171bbbcb742cadd6e18257 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 15:44:27 +0200 Subject: Embedded modified dot product into fourier example. --- .../sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 26 +++++++++++++++++----- 1 file changed, 20 insertions(+), 6 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index f346fa2..ff32bf1 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -83,7 +83,8 @@ als Randbedingungen. % Lösung der Differenzialgleichung mittels Separation % -\subsection{Separation der Differenzialgleichung} +\subsection{Separation der Differenzialgleichung +\label{sturmliouville:subsec:separation}} Da die Lösungsfunktion $u$ von zwei Variablen abhängig ist, wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-heat-equation} zunächst @@ -425,8 +426,20 @@ gilt, endet man somit bei \] Dies ist die allgemeine Fourierreihe, welche unsere Stab-Probleme löst. Wie zuvor bereits erwähnt, wissen wir dass sämtliche Lösungsfunktionen -orthogonal zueinander sind, da es sich hier um die Lösung eines -Sturm-Liouville-Problems handelt. +orthogonal zueinander sind bezüglich des +Skalarproduktes~\eqref{sturmliouville:eq:modified-dot-product}. +Dieses vereinfacht sich noch etwas, da aus +Abschnitt~\ref{sturmliouville:subsec:separation} bereits $w(x) = 1$ gegeben ist. +Somit ist das Skalarprodukt +\begin{equation} + \label{sturmliouville:eq:example-fourier-dot-product} + \langle f, g \rangle_w + = + \int_a^b f(x)g(x)w(x)\,dx + = + \int_a^b f(x)g(x)\,dx. +\end{equation} + Es gilt also \[ \begin{aligned} @@ -464,7 +477,8 @@ Es gilt also nun die Gleichung nach allen $a_n$ und $b_n$ aufzulösen. Da aber $a_n$ und $b_n$ jeweils als Faktor zu einer trigonometrischen Funktion gehört, von der wir wissen, dass sie orthogonal zu allen anderen -trigonometrischen Funktionen der Lösung ist, kann direkt das Skalarprodukt +trigonometrischen Funktionen der Lösung ist, kann direkt das +Skalarprodukt~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-dot-product} verwendet werden um die Koeffizienten $a_n$ und $b_n$ zu bestimmen. Es wird also die Tatsache ausgenutzt, dass die Gleichheit in \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-initial-conditions} nach Anwendung des @@ -476,14 +490,14 @@ Skalarprodukt mit der Basisfunktion $ \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)$ gebildet: \begin{equation} \label{sturmliouville:eq:dot-product-cosine} - \biggl\langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \biggr\rangle + \biggl\langle u(0, x), \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right) \biggr\rangle _w = \biggl\langle a_0 + \sum_{n = 1}^{\infty} a_n\cos\left(\frac{n\pi}{l}x\right) + \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right), - \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\biggr\rangle + \cos\left(\frac{m \pi}{l}x\right)\biggr\rangle _w \end{equation} Bevor diese Form in die Integralform umgeschrieben werden kann, muss überlegt -- cgit v1.2.1 From 0f9fe03b68dc81c69a2f926d2a6782fe933d70f6 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?Erik=20L=C3=B6ffler?= <100943759+erik-loeffler@users.noreply.github.com> Date: Fri, 26 Aug 2022 16:51:57 +0200 Subject: Final corrections. --- buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex | 2 +- buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex | 2 +- buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex | 12 ++++++------ 3 files changed, 8 insertions(+), 8 deletions(-) (limited to 'buch/papers') diff --git a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex index 2e3d4fd..0f1f235 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/eigenschaften.tex @@ -9,7 +9,7 @@ \label{sturmliouville:sec:solution-properties}} \rhead{Eigenschaften von Lösungen} -Im weiteren werden nun die Eigenschaften der Lösung eines +Im Weiteren werden nun die Eigenschaften der Lösung eines Sturm-Liouville-Problems diskutiert. Im wesentlichen wird darauf eingegangen, wie die Orthogonalität der Lösungen zustande kommt, damit diese später in den Beispielen verwendet werden kann. diff --git a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex index c509b96..5d13df6 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/tschebyscheff_beispiel.tex @@ -63,7 +63,7 @@ damit die Bedingung $|k_i|^2 + |h_i|^2\ne 0$ erfüllt ist, beliebige $h_a \ne 0$ und $h_b \ne 0$ gewählt werden. Es wurde somit gezeigt, dass die Sturm-Liouville-Randbedingungen erfüllt sind. -\subsection*{Handelt es sich um ein reguläres oder Singuläres Problem?} +\subsection*{Handelt es sich um ein reguläres oder singuläres Problem?} Für das reguläre Problem muss laut der Definition~\ref{sturmliouville:def:reguläres_sturm-liouville-problem} die funktion $p(x) = \sqrt{1-x^2}$, $p'(x) = -2x$, $q(x) = 0$ und diff --git a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex index ff32bf1..93a1eb0 100644 --- a/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex +++ b/buch/papers/sturmliouville/waermeleitung_beispiel.tex @@ -139,8 +139,8 @@ An dieser Stelle wird nun gezeigt, dass die Gleichung in $x$ ein Sturm-Liouville-Problem ist. Dazu werden zunächst die Koeffizientenfunktionen $p(x)$, $q(x)$ und $w(x)$ benötigt. -Dafür wird die Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} -mit der +Um diese zu erhalten, wird die +Gleichung~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-x} mit der Sturm-Liouville-Form~\eqref{sturmliouville:eq:sturm-liouville-equation} verglichen, was zu \[ @@ -166,7 +166,7 @@ Es gilt also beispielsweise wegen \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-constant}, dass $X(0) = X(l) = 0$. -Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen also noch die Gleichungen +Damit die Lösungen von $X$ orthogonal sind, müssen also die Gleichungen \begin{equation} \begin{aligned} \label{sturmliouville:eq:example-fourier-randbedingungen} @@ -287,7 +287,7 @@ und \eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-boundary-condition-ends-isolated} benötigt. Da die Koeffizienten $A$ und $B$, sowie die Parameter $\alpha$ und $\beta$ im -allgemeinen ungleich $0$ sind, müssen die Randbedingungen durch die +Allgemeinen ungleich $0$ sind, müssen die Randbedingungen durch die trigonometrischen Funktionen erfüllt werden. \subsubsection{Einsetzen der @@ -425,7 +425,7 @@ gilt, endet man somit bei \sum_{n = 1}^{\infty} b_n\sin\left(\frac{n\pi}{l}x\right). \] Dies ist die allgemeine Fourierreihe, welche unsere Stab-Probleme löst. -Wie zuvor bereits erwähnt, wissen wir dass sämtliche Lösungsfunktionen +Wie zuvor bereits erwähnt, wissen wir, dass sämtliche Lösungsfunktionen orthogonal zueinander sind bezüglich des Skalarproduktes~\eqref{sturmliouville:eq:modified-dot-product}. Dieses vereinfacht sich noch etwas, da aus @@ -706,7 +706,7 @@ was sich wie folgt nach $a_0$ auflösen lässt: \subsection{Lösung der Differentialgleichung in \texorpdfstring{$t$}{t}} Zuletzt wird die zweite Gleichung der Separation~\eqref{sturmliouville:eq:example-fourier-separated-t} betrachtet. -Dazu betrachtet man das charakteristische Polynom +Dazu nimmt man das charakteristische Polynom \[ \lambda - \kappa \mu = -- cgit v1.2.1