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% einleitung.tex -- Beispiel-File für die Einleitung
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% (c) 2020 Prof Dr Andreas Müller, Hochschule Rapperswil
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\section{Problem\label{parzyl:section:teil0}}
\rhead{Teil 0}
\subsection{Laplace Gleichung}
Die partielle Differentialgleichung
\begin{equation}
\Delta f = 0
\end{equation}
ist als Laplace Gleichung bekannt.
Sie ist eine spezielle Form der poisson Gleichung
\begin{equation}
\Delta f = g
\end{equation}
mit g als beliebige Funktion.
In der Physik hat die Laplace Gleichung in verschieden Gebieten
verwendet, zum Beispiel im Elektromagnetismus.
Das Gaussche Gesetz in den Maxwellgleichungen
\begin{equation}
\nabla \cdot E = \frac{\varrho}{\epsilon_0}
\label{parzyl:eq:max1}
\end{equation}
besagt das die Divergenz eines Elektrischen Feldes an einem
Punkt gleich der Ladung an diesem Punkt ist.
Das elektrische Feld ist hierbei der Gradient des elektrischen
Potentials
\begin{equation}
\nabla \phi = E.
\end{equation}
Eingesetzt in \eqref{parzyl:eq:max1} resultiert
\begin{equation}
\nabla \cdot \nabla \phi = \Delta \phi = \frac{\varrho}{\epsilon_0},
\end{equation}
was eine Possion gleichung ist.
An Ladungsfreien Stellen, ist der rechte Teil der Gleichung $0$.
\subsection{Parabolische Zylinderkoordinaten
\label{parzyl:subsection:finibus}}
Im parabloischen Zylinderkoordinatensystem bilden parabolische Zylinder die Koordinatenflächen.
Die Koordinate $(\sigma, \tau, z)$ sind in kartesischen Koordinaten ausgedrückt mit
\begin{align}
x & = \sigma \tau \\
y & = \frac{1}{2}\left(\tau^2 - \sigma^2\right) \\
z & = z.
\end{align}
Wird $\tau$ oder $\sigma$ konstant gesetzt reultieren die Parabeln
\begin{equation}
y = \frac{1}{2} \left( \frac{x^2}{\sigma^2} - \sigma^2 \right)
\end{equation}
und
\begin{equation}
y = \frac{1}{2} \left( -\frac{x^2}{\tau^2} + \tau^2 \right).
\end{equation}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics[scale=0.4]{papers/parzyl/img/koordinaten.png}
\caption{Das parabolische Koordinatensystem. Die roten Parabeln haben ein
konstantes $\sigma$ und die grünen ein konstantes $\tau$.}
\label{fig:cordinates}
\end{figure}
Abbildung \ref{fig:cordinates} zeigt das Parabolische Koordinatensystem.
Das parabolische Zylinderkoordinatensystem entsteht wenn die Parabeln aus der
Ebene gezogen werden.
\subsection{Differnetialgleichung}
Die Differentialgleichungen, welche zu den parabolischen Zylinderfunktionen führen tauchen, wie bereits erwähnt, dann auf, wenn die Helmholtz Gleichung
\begin{equation}
\Delta f(x,y,z) = \lambda f(x,y,z)
\end{equation}
im parabolischen Zylinderkoordinatensystem
\begin{equation}
\Delta f(\sigma,\tau,z) = \lambda f(\sigma,\tau,z)
\end{equation}
gelöst wird.
Wobei der Laplace Operator $\Delta$ im parabolischen Zylinderkoordinatensystem gegeben ist als
\begin{equation}
\nabla
=
\frac{1}{\sigma^2 + \tau^2}
\left (
\frac{\partial^2}{\partial \sigma^2}
+
\frac{\partial^2}{\partial \tau^2}
\right )
+
\frac{\partial^2}{\partial z^2}.
\end{equation}
Die Helmholtz Gleichung würde also wie folgt lauten
\begin{equation}
\nabla f(\sigma, \tau, z)
=
\frac{1}{\sigma^2 + \tau^2}
\left (
\frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial \sigma^2}
+
\frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial \tau^2}
\right )
+
\frac{\partial^2 f(\sigma,\tau,z)}{\partial z^2}
=
\lambda f(\sigma,\tau,z)
\end{equation}
Diese partielle Differentialgleichung kann mit Hilfe von Separation gelöst werden, dazu wird
\begin{equation}
f(\sigma,\tau,z) = g(\sigma)h(\tau)i(z)
\end{equation}
gesetzt.
Was dann schlussendlich zu den Differentialgleichungen
\begin{equation}\label{parzyl_sep_dgl_1}
g''(\sigma)
-
\left (
\lambda\sigma^2
+
\mu
\right )
g(\sigma)
=
0,
\end{equation}
\begin{equation}\label{parzyl_sep_dgl_2}
h''(\tau)
-
\left (
\lambda\tau^2
-
\mu
\right )
h(\tau)
=
0
\end{equation}
und
\begin{equation}\label{parzyl_sep_dgl_3}
i''(z)
+
\left (
\lambda
+
\mu
\right )
i(\tau)
=
0
\end{equation}
führt.
Wobei die Lösung von \ref{parzyl_sep_dgl_3}
\begin{equation}
i(z)
=
A\cos{
\left (
\sqrt{\lambda + \mu}z
\right )}
+
B\sin{
\left (
\sqrt{\lambda + \mu}z
\right )}
\end{equation}
ist und \ref{parzyl_sep_dgl_1} und \ref{parzyl_sep_dgl_2} die sogenannten Weberschen Differentialgleichungen sind, welche die parabolischen Zylinder Funktionen als Lösung haben.
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