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% hyperbolisch.tex
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% (c) 2021 Prof Dr Andreas Müller, OST Ostschweizer Fachhochschule
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\section{Hyperbolische Funktionen
\label{buch:geometrie:section:hyperbolisch}}
\rhead{Hyperbolische Funktionen}
Drehmatrizen werden durch die Eigenschaft charakterisiert, dass
sie Längen von und Winkel zwischen Vektoren in der Ebene nicht
ändern.
Die trigonometrischen Funktionen ermöglichten, alle Drehungen
zu parametrisieren.

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% Das Minkowski-Skalarprodukt
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\subsection{Das Minkowski-Skalarprodukt in der Ebene}

\begin{definition}
Das Minkowski-Skalarprodukt in der Ebene ist definiert als
\[
\langle x,y\rangle
=
-x_0y_0+x_1y_1
\]
für $x,y\in\mathbb{R}$.
\end{definition}

Das Minkowski-Skalarprodukt ist nicht definit, es gibt Vektoren, die
``Länge''  $0$ haben, zum Beispiel ist 
\[
\biggl\langle
\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix},
\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}
\biggr\rangle
=
0
\qquad\text{und}\qquad
\biggl\langle
\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix},
\begin{pmatrix}1\\0\end{pmatrix}
\biggr\rangle
=
-1,
\]
es ist daher nicht einfach möglich, eine Vektorlänge mit
$\sqrt{\langle x,x\rangle}$ zu definieren.
Die Gram-Matrix des Skalarproduktes ist
\[
G
=
\begin{pmatrix}
\langle e_0,e_0\rangle& \langle e_0,e_1\rangle\\
\langle e_1,e_0\rangle& \langle e_1,e_1\rangle
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix*}[r]
-1&0\\
 0&1
\end{pmatrix*} 
\]
wobei $e_0$ und $e_1$ die Standardbasisvektoren der Ebene sind.

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% Matrizen, die das Skalarprodukt invariant lassen
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\subsection{Matrizen, die das Skalarprodukt invariant lassen}
In Anlehnung an das Vorgehen bei den Drehmatrizen suchen wir jetzt nach
Matrizen
\[
A
=
\begin{pmatrix}
a_{00}&a_{01}\\
a_{10}&a_{11}
\end{pmatrix}
,
\]
die das Minkowski-Skalarprodukt nicht ändern.

\subsubsection{Gleichungen für $A$}
Erhaltung des Skalarproduktes bedeutet, dass 
\[
AGA^t = G
\]
gelten muss.
Durch Ausmultiplizieren findet man
\begin{align*}
AG&=
\begin{pmatrix*}[r]
-a_{00}& a_{01}\\
-a_{10}& a_{11}
\end{pmatrix*},
\\
AGA^t
&=
\begin{pmatrix*}[r]
-a_{00}& a_{01}\\
-a_{10}& a_{11}
\end{pmatrix*}
\begin{pmatrix}
a_{00}&a_{10}\\
a_{01}&a_{11}
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
-a_{00}^2+a_{01}^2 & -a_{00}a_{10} +a_{01}a_{11} \\
-a_{00}a_{10} +a_{01}a_{11} & -a_{10}^2+a_{11}^2
\end{pmatrix}.
\end{align*}
Daraus ergeben sich die folgenden Gleichungen für die Koeffizienten
der Matrix $A$
\begin{align*}
-1 &= -a_{00}^2+a_{01}^2          & 0 &= -a_{00}a_{10} +a_{01}a_{11} \\
 0 &= -a_{00}a_{10} +a_{01}a_{11} & 1 &= -a_{10}^2+a_{11}^2
\end{align*}
Die beiden Gleichungen in der linken unteren und der rechten oberen Ecke
sind identisch.
Aus der Gleichung in der linken oberen Ecke folgt, dass $|a_{00}|\ge 1$
sein muss.
Ebenso folgt aus der Gleichung in der rechten unteren Ecke, dass
$|a_{11}| \ge 1$ sein muss.
Insbesondere kann man die anderen beiden Gleichungen durch die 
$a_{00}a_{11}$ teilen und erhält
\begin{equation}
\frac{a_{10}}{a_{11}} = \frac{a_{01}}{a_{00}}
\label{buch:geometrie:hyperbolisch:eqn:aaaa}
\end{equation}

\subsubsection{Orientierungstreue Abbildungen}
Wir verlangen jetzt zusätzlich, dass $\det A= a_{00}a_{11}-a_{01}{a_{10}} = 1$
ist.
Löst man \eqref{buch:geometrie:hyperbolisch:eqn:aaaa} nach $a_{10}$ aus
und setzt in die Determinante ein, erhält man
\[
1
=
a_{00}a_{11} - a_{01} \frac{a_{01}a_{11}}{a_{00}} 
=
\frac{ a_{00}^2-a_{01}^2}{a_{00}} a_{11} 
=
\frac{a_{11}}{a_{00}},
\]
woraus $a_{00}=a_{11}$ folgt, wir schreiben dafür zur Abkürzung $c=a_{00}$.
Durch Umstellen der Gleichung \eqref{buch:geometrie:hyperbolisch:eqn:aaaa}
folgt jetzt auch
\[
\frac{a_{01}}{a_{10}} = \frac{a_{11}}{a_{00}} = 1
\qquad\Rightarrow\qquad
a_{01}=a_{10},
\]
wir schreiben dafür $s=a_{01}=a_{10}$.
Die Gleichungen reduzieren sich jetzt auf
\begin{equation}
1= c^2-s^2,
\label{buch:geometrie:hyperbolish:eqn:cs}
\end{equation}
die anderen Gleichungen sind automatisch erfüllt.

\subsubsection{Erhaltung der Zeitrichtung}
In der speziellen Relativitätstheorie spielt das Minkowski-Skalarprodukt
eine besondere Rolle.
Die Koordinaten $x_0$ hat darin die Bedeutung der Zeit,
man weiss aus Experimenten wie dem Michelson-Morley-Experiment,
dass die Grösse $\langle x,x\rangle$ eine Invariante ist.
Die Transformationen mit der Matrix $A$ beschreiben also zulässige
Koordinatentransformationen, die Invariante erhalten.

Für Transformationen, die zusätzlich die Zeitrichtung erhalten sollen,
muss $a_{00}=a_{11}=c>0$ verlangt werden.

\subsubsection{Parametrisierung mit $t=s/c$}
Unter der Annahme $c>0$ lässt sich die Matrix vollständig
durch den Parameter $t=s/c$ beschreiben.
Dividiert man \eqref{buch:geometrie:hyperbolish:eqn:cs} durch $c^2$,
kann man $c$ durch $t$ ausdrücken:
\[
\frac{1}{c^2}
=
 1-\frac{s^2}{c^2}
=
1-t^2
\qquad\Rightarrow\qquad
c = \frac{1}{\sqrt{1-t^2}}.
\]
Daraus kann man jetzt auch 
\[
s=\frac{t}{\sqrt{1-t^2}}
\]
bestimmen.
Wir schreiben
\[
H_t
=
\frac{1}{\sqrt{1+t^2}}
\begin{pmatrix}
1&t\\
t&1
\end{pmatrix}.
\]
Diese Formeln erinnern natürlich an die Formeln, mit denen
der hyperbolische Sinus und Kosinus aus dem hyperbolischen
Tangens berechnet werden können.
Dieser Zusammenhang soll im nächsten Abschnitt hergestellt
werden.

%
% Hyperbolische Funktionen
% 
\subsection{Hyperbolische Funktionen}
Die trigonometrischen Funktionen ermöglichten eine Parametrisierung
der Drehmatrizen $D_\alpha$ derart, dass
$D_{\alpha+\beta}=D_\alpha D_\beta$.
Die Parametrisierung der Matrizen $H_t$ mit $t=s/c$ erfüllt diese
Bedingung nicht.

\subsubsection{Additionstheoreme}
Die Additionsregeln für $t$, $s$ und $c$ ergeben sich, indem die
Matrizen $H_{t_1}$ und $H_{t_2}$ ausmultipliziert werden:
\begin{align*}
H_{t_1}H_{t_2}
&=
\begin{pmatrix}
c_1&s_1\\
s_1&c_1
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
c_2&s_2\\
s_2&c_2
\end{pmatrix}
\\
&=
\begin{pmatrix}
c_1c_2+s_1s_2 & c_1s_2 + s_1c_2 \\
s_1c_2+c_1s_2 & s_1s_2 + c_1c_2
\end{pmatrix}
=
H_t.
\end{align*}
Für die Parameter der Matrix $H_t$ folgt damit
\[
\left.
\begin{aligned}
c&=c_1c_2+s_1s_2
\\
s&=c_1s_2+s_1c_2
\end{aligned}
\quad\right\}
\qquad\Rightarrow\qquad
t
=
\frac{c_1s_2+s_1c_2}{c_1c_2+s_1s_2}
=
\frac{\frac{s_2}{c_2}+\frac{s_1}{c_1}}{1+\frac{s_1}{c_1}\frac{s_2}{c_2}}
=
\frac{t_1+t_2}{1+t_1t_2}.
\]
Auch diese Formel ist aus der Theorie der hyperbolischen Funktionen
als das Additionstheorem für den hyperbolischen Tangens bekannt.

\subsubsection{Matrixexponentialform}
Die Reihenentwicklung der trigonometrischen Funktionen in
Abschnitt~\ref{buch:geometrie:trigo:matrixexp} hat gezeigt,
dass eine Lösung für die Drehmatrix, die das Additionstheorem
erfüllt, besonders einfach mit Hilfe der Matrixexponentialfunktion
gefunden werden kann.
Die Grundlage dafür war die Matrix $J$.

Für die hyperbolischen Funktionen verwenden wir die Matrix
\begin{equation}
K
=
\begin{pmatrix}
0&1\\
1&0
\end{pmatrix},
\label{buch:geometrie:hyperbolisch:matrixK}
\end{equation}
damit lässt sich $H_t$ als
\[
H_t
=
c E + s K
=
\frac{1}{\sqrt{1+t^2}} E + \frac{t}{\sqrt{1+t^2}} K
\]
schreiben.
Die Matrix $K$ hat die Potenzen
\[
E
=
K^2 =  K^4 = \dots = K^{2j}
\qquad\text{und}\qquad
K
= K^3 = K^5 = \dots = K^{2j+1},
\]
für $j\in\mathbb{N}$.

Die Exponentialreihe von $\tau K$ ist
\begin{align*}
\exp(\tau K)
&=
\sum_{k=0}^\infty \frac{\tau^k}{k!} K^k
\\
&=
\biggl(
\sum_{k=0}^\infty \frac{\tau^{2j}}{(2j)!}
\biggr)
E
+
\biggl(
\sum_{k=0}^\infty \frac{\tau^{2j+1}}{(2j+1)!}
\biggr)
K
\end{align*}
Dies ist eine Matrix der Form $H_t$, wenn man
\begin{equation}
\begin{aligned}
s(\tau)&=
\sum_{k=0}^\infty \frac{\tau^{2j+1}}{(2j+1)!}
\\
c(\tau)&=
\sum_{k=0}^\infty \frac{\tau^{2j}}{(2j)!}
\end{aligned}
\label{buch:geometrie:hyperbolisch:hypreihen}
\end{equation}
schreibt.

\subsubsection{Definition der hyperbolischen Funktionen}
Die beiden Reihen~\eqref{buch:geometrie:hyperbolisch:hypreihen}
kann man auch direkt aus der Exponentialfunktion bekommen.
Wir definieren

\begin{definition}
\label{buch:geometrie:hyperbolisch:def}
Die Funktionen
\[
\begin{aligned}
\sinh(\tau)&=\frac{e^\tau-e^{-\tau}}2
&&\text{und}&
\cosh(\tau)&=\frac{e^\tau+e^{-\tau}}2.
\end{aligned}
\]
heissen der {\em hyperbolische Sinus} und der {\em hyperbolische Kosinus}.
Die Quotienten
\[
\begin{aligned}
\tanh\tau &= \frac{\sinh \tau}{\cosh \tau}
&&\text{und}&
\coth\tau &= \frac{\cosh \tau}{\sinh \tau}
\end{aligned}
\]
heissen der {\em hyperbolische Tangens} und der {\em hyperbolische Kotangens}.
\end{definition}

\begin{satz}
\index{Satz!hyperbolische Gruppe}%
\label{buch:geometrie:hyperbolisch:Hparametrisierung}
Die orientierungserhaltenden $2\times 2$-Matrizen, die das
Minkowski-Skalarprodukt invariant lassen und die Zeitrichtung
erhalten, lassen sich mit den hyperbolischen Funktionen als
\[
H_{\tau}
=
\begin{pmatrix}
\cosh \tau & \sinh \tau \\
\sinh \tau & \cosh \tau
\end{pmatrix}
\]
parametrisieren.
\end{satz}

\subsubsection{Elementare Eigenschaften}
Es ist nachzuprüfen, dass $\cosh^2 \tau-\sinh^2\tau=1$ ist.
Das kann man ebenfalls direkt nachrechnen:
\begin{align*}
\cosh^2\tau - \sinh^2\tau
&=
\biggl(
\frac{e^{\tau}+e^{-\tau}}2
\biggr)^2
-
\biggl(
\frac{e^{\tau}-e^{-\tau}}2
\biggr)^2
\\
&=
\frac14\bigl(
e^{2\tau}+2+e^{-2\tau}
-
e^{2\tau}-2+e^{-2\tau}
\bigr)
=1.
\end{align*}
Damit liefern die Funktionen $\cosh\tau$ und $\sinh\tau$
tatsächlich eine Parametrisierung der Matrizen
\[
\tau \mapsto H_{\tau}
=
\begin{pmatrix}
\cosh\tau & \sinh\tau \\
\sinh\tau & \cosh\tau 
\end{pmatrix},
\]
die das Minkowski-Skalarprodukt invariant lassen.

\subsubsection{Additionstheoreme}
Für die Definition~\ref{buch:geometrie:hyperbolisch:def} kann man die
Additionstheoreme auch direkt verifizieren.
Es gilt
\begin{align*}
\cosh(\tau_1+\tau_2)
&=
\frac{e^{\tau_1+\tau_2}+e^{-\tau_1-\tau_2}}{2}
\\
&=
\frac{e^{\tau_1}e^{\tau_2}+e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}}{2}
\\
&=
\frac{2e^{\tau_1}e^{\tau_2}
+
{\color{darkred}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
{\color{orange}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
{\color{blue}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
{\color{darkgreen}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
2e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}}{4}
\\
&=
\frac{
(e^{\tau_1}e^{\tau_2}
+
{\color{darkred}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
{\color{blue}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}
)
+
(
e^{\tau_1}e^{\tau_2}
-
{\color{orange}e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
{\color{darkgreen}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
e^{-\tau_1}e^{-\tau_2})
}{4}
\\
&=
\frac{
(e^{\tau_1}+e^{-\tau_1})
(e^{\tau_2}+e^{-\tau_2})
+
(e^{\tau_1}-e^{-\tau_1})
(e^{\tau_2}-e^{-\tau_2})
}{4}
\\
&=
\frac{ e^{\tau_1}+e^{-\tau_1} }{2}
\frac{ e^{\tau_2}+e^{-\tau_2} }{2}
+
\frac{e^{\tau_1}-e^{-\tau_1}}{2}
\frac{e^{\tau_2}-e^{-\tau_2}}{2}
\\
&=
\cosh\tau_1 \cosh\tau_2 + \sinh\tau_1\sinh\tau_2
\\
\sinh(\tau_1+\tau_2)
&=
\frac{e^{\tau_1+\tau_2}-e^{-\tau_1-\tau_2}}{2}
\\
&=
\frac{e^{\tau_1}e^{\tau_2}-e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}}{2}
\\
&=
\frac{2e^{\tau_1}e^{\tau_2}
-
{\color{darkred}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
{\color{orange}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
{\color{blue}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
{\color{darkgreen}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
2e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}}{4}
\\
&=
\frac{
(e^{\tau_1}e^{\tau_2}
-
{\color{darkred}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
+
{\color{blue}e^{-\tau_1}e^{\tau_2}}
-
e^{-\tau_1}e^{-\tau_2}
)
+
(
e^{\tau_1}e^{\tau_2}
+
{\color{orange}e^{\tau_1}e^{-\tau_2}}
-
{\color{darkgreen}e^{-\tau_1}e^{\tau_2}}
-
e^{-\tau_1}e^{-\tau_2})
}{4}
\\
&=
\frac{
(e^{\tau_1}+e^{-\tau_1})
(e^{\tau_2}-e^{-\tau_2})
+
(e^{\tau_1}-e^{-\tau_1})
(e^{\tau_2}+e^{-\tau_2})
}{4}
\\
&=
\frac{ e^{\tau_1}+e^{-\tau_1} }{2}
\frac{ e^{\tau_2}-e^{-\tau_2} }{2}
+
\frac{e^{\tau_1}-e^{-\tau_1}}{2}
\frac{e^{\tau_2}+e^{-\tau_2}}{2}
\\
&=
\cosh\tau_1 \sinh\tau_2 + \sinh\tau_1\cosh\tau_2.
\end{align*}
Damit sind die Additionstheoreme für die hyperbolischen Funktionen
bewiesen.