Funkcje eliptyczne

Download Report

Transcript Funkcje eliptyczne

Slide 1

Funkcje eliptyczne
Krzysztof Głód


Slide 2

Plan


Ogólna definicja funkcji eliptycznych



Funkcje eliptyczne Weierstrassa



Funkcje eliptyczne Jacobiego



Przykład zastosowania funkcji eliptycznych

2


Slide 3



Def. Funkcja regularna w punkcie a - funkcja jednowartościowa, która w
otoczeniu punktu a posiada zbieżne rozwinięcie w szereg Taylora.



Def. Biegun (regularny punkt osobliwy) funkcji f - punkt izolowany a,
w otoczeniu którego funkcja f posiada rozwinięcie:

gdzie g jest funkcją regularną w punkcie a, Ai są stałymi. Liczba naturalna
n nazywana jest stopniem bieguna.


Def. Funkcja meromorficzna obszaru D - funkcja zespolona zmiennej
zespolonej, określona na otwartym podzbiorze D płaszczyzny zespolonej
poza zbiorem swoich biegunów, różniczkowalna w sensie zespolonym w
otoczeniu każdego punktu podzbioru D poza zbiorem swoich biegunów.
3


Slide 4



Def. Funkcja okresowa - funkcja f, dla której istnieje niezerowa stała P taka,
że:



Def. Funkcja n-okresowa - funkcja f, dla której istnieje n niewspółmiernych,
niezerowych stałych Pi takich, że:



Def. Dwie stałe zespolone P1 i P2 są niewspółmierne wtedy i tylko wtedy,
gdy:

4


Slide 5



Tw. Jednowartościowe funkcje meromorficzne płaszczyzny zespolonej
dzielą się na:
– nieokresowe,
– jednookresowe,
– dwuokresowe.



W szczególności nie istnieją tego typu funkcje trój i więcej okresowe.

5


Slide 6



Def. Funkcja algebraiczna - rozwiązanie równania:

gdzie ai są wielomianami.


Funkcje niebędące funkcjami algebraicznymi nazywane są funkcjami
przestępnymi.

6


Slide 7



Def. Funkcja posiadająca algebraiczne twierdzenie sumacyjne - funkcja f
taka, że dla każdego u, v z dziedziny funkcji f wielkość f(u+v) można
wyrazić w sposób algebraiczny poprzez wielkości f(u) i f(v).



Tw. Jeśli funkcja meromorficzna posiada algebraiczne twierdzenie
sumacyjne, to istnieje algebraiczny związek pomiędzy tą funkcją a jej
pierwszą pochodną w postaci zwyczajnego, autonomicznego równania
różniczkowego pierwszego rzędu (tzw. równanie eliminacyjne).



Tw. Jeśli funkcja meromorficzna posiada algebraiczne twierdzenie
sumacyjne o stałych współczynnikach, to funkcja do niej odwrotna daje się
przedstawić w postaci całki z funkcji algebraicznej.

7


Slide 8



Tw. Jeśli dana funkcja f jest jednowartościową funkcją meromorficzną,
posiadającą algebraiczne twierdzenie sumacyjne, to dla każdego u, v
z dziedziny funkcji f wielkość f(u+v) można wyrazić w sposób wymierny
poprzez wielkości f(u), f(v), f’(u) i f’(v).



Tw. Jednowartościowe funkcje meromorficzne płaszczyzny zespolonej,
posiadające algebraiczne twierdzenie sumacyjne dzielą się na:
– wymierne (w klasie nieokresowych),
– trygonometryczne (w klasie jednookresowych),
– eliptyczne (w klasie dwuokresowych).



Pierwsze dwa typy są zdegenerowanymi przypadkami trzeciego typu.

8


Slide 9



Podstawowy równoległobok okresowości:

P2
P1



Tw. Jeśli P1 i P2 są okresami funkcji eliptycznej, to są nimi również P1’ i P2’:

9


Slide 10



Funkcja dwuokresowa ograniczona wewnątrz podstawowego
równoległoboku okresowości jest stała (wniosek z twierdzenia Liouvillea).



Całka okrężna z funkcji dwuokresowej po brzegu podstawowego
równoległoboku okresowości znika. Funkcja dwuokresowa wewnątrz
podstawowego równoległoboku okresowości nie może więc posiadać
pojedynczego bieguna 1. stopnia (wniosek z twierdzenia o residuach).



Tw. Funkcja dwuokresowa wewnątrz podstawowego równoległoboku
okresowości posiada co najmniej:

– jeden biegun 2. stopnia (przypadek Weierstrassa) lub
– dwa bieguny 1. stopnia (przypadek Jacobiego).

10


Slide 11

Funkcje eliptyczne Weierstrassa


Funkcja P Weierstrassa (definicja poprzez funkcję odwrotną):



Wielkości g2, g3 nazywane są niezmiennikami. Gdy są one ustalone, to
można je pominąć, jeśli nie prowadzi to do niejednoznaczności.



Wielkości e1, e2, e3 są uporządkowanymi pierwiastkami wielomianu
4 z3 – g2 z – g3, związanymi z niezmiennikami w następujący sposób:

11


Slide 12

12


Slide 13



Pochodne funkcji P:



Funkcja P jest rozwiązaniem równania różniczkowego:



Zachowanie funkcji P przy skalowaniu argumentu:

13


Slide 14



Okresowość funkcji P (wielkości ω, ω’ nazywane są półokresami):



Funkcja P jest parzysta, natomiast funkcja P’ jest nieparzysta:



Algebraiczne twierdzenie sumacyjne dla funkcji P:

14


Slide 15

Funkcje eliptyczne Jacobiego


Sinus modularny (sinus amplitudy):



Wielkość m nazywana jest parametrem (kwadratem modułu). Stosując
odpowiednie transformacje skalujące, można zawsze sprawić, by 0 ≤ m ≤ 1.



Cosinus modularny (cosinus amplitudy):



Delta amplitudy:

15


Slide 16

16


Slide 17

17


Slide 18



Związki pomiędzy funkcjami sn, cn, dn:



Pochodne funkcji sn, cn, dn:



Funkcja sn jest rozwiązaniem równania różniczkowego:

18


Slide 19



Okresowość funkcji sn, cn, dn (wielkości K, K’ nazywane są
ćwierćokresami, wielkość K zupełną całką eliptyczną pierwszego rodzaju):



Funkcja sn jest nieparzysta, natomiast funkcje cn, dn są parzyste:

19


Slide 20



Algebraiczne twierdzenie sumacyjne dla funkcji sn:



Przejścia graniczne dla m = 0:



Przejścia graniczne dla m = 1:

20


Slide 21

Wahadło matematyczne


Punkt o masie m, umieszczony na
końcu nieważkiej nici o długości L,
waha się swobodnie wokół
położenia równowagi w
jednorodnym polu grawitacyjnym
o przyspieszeniu g.



Zakłada się, że chwili początkowej
t = 0 było:

21


Slide 22



Prędkość kątowa ω i prędkość styczna υ:



Energia kinetyczna EK i energia potencjalna EP:



Całkowita energia mechaniczna nie zależy od czasu:

22


Slide 23



Stąd otrzymujemy całkę:

która po przekształceniu przechodzi w rozwiązanie:



Okres ruchu wahadła T:

23


Slide 24

Literatura


H. Hancock, Theory of Elliptic Functions (Dover, New York, 1958)



A. G. Greenhill, The Applications of Elliptic Functions (Dover, New York,
1959)



F. Oberhettinger, W. Magnus, Zastosowania funkcji eliptycznych w fizyce i
technice (PWN, Warszawa, 1963)



P. F. Byrd, M. D. Friedman, Handbook of Elliptic Integrals for Engineers and
Physicists (Springer, Berlin, 1954)



E. T. Whittaker, G. N. Watson, A Course of Modern Analysis (Cambridge
University Press, Cambridge, 1996)

24