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% teil1.tex -- Mathematischer Hintergrund
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% (c) 2022 Fabian Dünki, Hochschule Rapperswil
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\section{Mathematischer Hintergrund
\label{0f1:section:mathHintergrund}}
\rhead{Mathematischer Hintergrund}
Basierend auf den Herleitungen des vorhergehenden Kapitels \ref{buch:rekursion:section:hypergeometrische-funktion}
und dem Seminarbuch Numerik \cite{0f1:kettenbrueche}, werden im nachfolgenden Abschnitt nochmals die Resultate
beschrieben.
\subsection{Hypergeometrische Funktion
\label{0f1:subsection:hypergeometrisch}}
Als Grundlage der umgesetzten Algorithmen dient die Hypergeometrische Funktion $\mathstrut_0F_1$. Diese ist eine Unterfunktion der allgemein definierten Funktion $\mathstrut_pF_q$.
\begin{definition}
\label{0f1:math:qFp:def}
Die hypergeometrische Funktion
$\mathstrut_pF_q$ ist definiert durch die Reihe
\[
\mathstrut_pF_q
\biggl(
\begin{matrix}
a_1,\dots,a_p\\
b_1,\dots,b_q
\end{matrix}
;
x
\biggr)
=
\mathstrut_pF_q(a_1,\dots,a_p;b_1,\dots,b_q;x)
=
\sum_{k=0}^\infty
\frac{(a_1)_k\cdots(a_p)_k}{(b_1)_k\cdots(b_q)_k}\frac{x^k}{k!}.
\]
\end{definition}
Angewendet auf die Funktion $\mathstrut_pF_q$ ergibt sich für $\mathstrut_0F_1$:
\begin{equation}
\label{0f1:math:0f1:eq}
\mathstrut_0F_1
\biggl(
\begin{matrix}
\\
b_1
\end{matrix}
;
x
\biggr)
=
\mathstrut_0F_1(;b_1;x)
=
\sum_{k=0}^\infty
\frac{x^k}{(b_1)_k \cdot k!}.
\end{equation}
\subsection{Airy Funktion
\label{0f1:subsection:airy}}
Die Airy-Funktion $Ai(x)$ und die verwandte Funktion $Bi(x)$ werden als Airy-Funktion bezeichnet. Sie werden zur Lösung verschiedener physikalischer Probleme benutzt, wie zum Beispiel zur Lösung der Schrödinger-Gleichung. \cite{0f1:wiki-airyFunktion}
\begin{definition}
\label{0f1:airy:differentialgleichung:def}
Die Differentialgleichung
$y'' - xy = 0$
heisst die {\em Airy-Differentialgleichung}. \cite{0f1:wiki-airyFunktion}
\end{definition}
Die Airy Funktion lässt sich auf verschiedene Arten darstellen. \cite{0f1:wiki-airyFunktion}
Als hypergeometrische Funktion berechnet, ergibt sich wie in Kapitel \ref{buch:differentialgleichungen:section:hypergeometrisch} hergeleitet, folgende Lösungen der Airy-Differentialgleichung zu den Anfangsbedingungen $A(0)=1$ und $A'(0)=0$, sowie $B(0)=0$ und $B'(0)=0$.
\begin{align}
\label{0f1:airy:hypergeometrisch:eq}
Ai(x)
=
\sum_{k=0}^\infty
\frac{1}{(\frac23)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{x^3}{9}\biggr)^k
=
\mathstrut_0F_1\biggl(
\begin{matrix}\text{---}\\\frac23\end{matrix};\frac{x^3}{9}
\biggr).
\\
Bi(x)
=
\sum_{k=0}^\infty
\frac{1}{(\frac43)_k} \frac{1}{k!}\biggl(\frac{x^3}{9}\biggr)^k
=
x\cdot\mathstrut_0F_1\biggl(
\begin{matrix}\text{---}\\\frac43\end{matrix};
\frac{x^3}{9}
\biggr).
\qedhere
\end{align}
In diesem speziellem Fall wird die Airy Funktion $Ai(x)$ \eqref{0f1:airy:hypergeometrisch:eq}
benutzt, um die Stabilität der Algorithmen zu $\mathstrut_0F_1$ zu überprüfen.
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