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