diff --git a/S2/AGLA/VL/AgIIVL1.typ b/S2/AGLA/VL/AgIIVL1.typ deleted file mode 100644 index 781c4c1..0000000 --- a/S2/AGLA/VL/AgIIVL1.typ +++ /dev/null @@ -1,7 +0,0 @@ -// AGLA template -#import "../preamble.typ": * - -#show: conf.with(num: 1) - -= Uebersicht - diff --git a/S2/AGLA/VL/AgIIVL7.typ b/S2/AGLA/VL/AgIIVL7.typ new file mode 100644 index 0000000..a715c36 --- /dev/null +++ b/S2/AGLA/VL/AgIIVL7.typ @@ -0,0 +1,160 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 7, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +#theorem()[ + Sei $F,M$ unitaere R-Moduln, und $F$ sei frei (mit Basis erzeugt). + Sei $phi: M -> F$ surjektiv Modul-Hom. + Dann gibt es einen Hom. $psi: F -> M$ mit $phi compose psi = "Id"$, und es gilt $M = ker phi plus.circle psi (F)$. +] + +#proof[ + Sei $S$ eine Basis von $F$. Zu jedem $s in S$ gibt es $m_(s) in M$ mit $phi (m_(s) ) = s$. + $ + psi (s) := m_(s) space forall s in S ==> exists! "Hom." psi: F -> M "mit diesen Eigenschaften" \ + phi compose psi (s) = s space forall s in S ==> phi compose psi = id_(F) + $ + Fuer jedes $m in M$ schreibe + $ + m = underbrace(psi compose phi (m), psi (F)) + (m - psi compose phi (m)). + $ + Aber + $ + phi (m - psi compose phi (m)) = phi (m) - phi compose psi compose phi (m) = phi (m) - phi (m) = 0, + $ + also + $ + M = ker phi + psi (F). + $ + Wir wollen jetzt zeigen, dass die Summe direkt ist, also + $ + ker phi sect psi (F) = {0}. + $ + Sei $x in ker phi sect psi (F)$. Dann gibt es $y in F$ mit $x = psi (y)$. Wegen $x in ker phi$ ist + $ + 0 = phi (x) = phi compose psi (y) = y, "dann" x = psi (0) = 0. + $ + +] + +#theorem[ + Ist $U$ Untermodul des R-Moduls $M$ und $M slash U$ frei, dann gibt es Untermodul $V$ von $M$ mit $M = U plus.circle V$. +] + += 5 Moduln ueber HIR + +#theorem[ + Sei $M$ endlich erzeugter freier Modul ueber dem HIR $R$. Sei $U$ ein Untermodul von $M$. Dann ist $U$ frei und der Rang von $U <= "Rang von" M$ . +] +#proof[ + Induktion nach $n = "Rang" M$. Ist $n = 0$, dann $M = {0}$, $U = {0}$. + Jetzt sei $n >= 1$, und Satz sei bekannt fuer alle M mit $"Rang" M < n$. + Sei $M$ mit $"Rang" M = n$ gegeben, $U subset M$ U-Modul. Zu zeigen ist jetzt, dann U frei ist. + Sei $e_1, ..., e_n $ eine Basis fuer M. jedes $u in U$ schreibe als Linearkombination der Basisvektoren. + Beobachten die Koeffizienten vor den Basisvektoren + $ + alpha = {beta in R: exists beta_2, ... ,beta_n in R: beta e_1 + beta_2 e_2 + ... + beta_n e_n in U} + $ + ist ein Ideal in R. + Ist $beta in alpha$ und $r in R$, dann ist $r beta in alpha$, weil $U$ Modul ist. + $ + beta, beta' in alpha ==> exists beta_j, beta'_j in R "mit" beta e_1 + beta_2 e_2 + ... + beta_n e_n in U, beta' e_1 + beta'_2 e_2 + ... + beta'_n e_n in U, \ + ==> (beta - beta') e_1 + (beta_2 - beta'_2) e_1 + ... in U, "also" beta - beta' in alpha. + + $ + R ist also ein HIR, d.h. $exists gamma in R$ mit $alpha = (gamma) = gamma R$. Es gitb wegen $gamma in alpha$ ein $u in U$ mit + $ + u = gamma e_1 + gamma_2 e_2 + ... + gamma_n e_n, gamma_j in R "geeignet". + + ==> "jedes" v in V$ ist von der Form $v = rho gamma e_1 + beta_2 e_2 + ... + beta_n e_n "mit" rho in R, beta_j in R "geeignet". \ + ==> v - rho u in angle.l e_2 \, ... \, e_n angle.r := M', "ist U-Modul, frei, Rang" M' = n-1. + $ + Aber es gilt auch + $ + v - rho u in U, "also" v - rho u in M' sect U = U', "ist U-Modul von" M'. + $ + Nach Induktionsvorraussetzung ist $U'$ frei mit $"Rang" M' <= n-1$. Ist $gamma = 0$, dann ist $U' = U$, also sind wir fertig. + + Also nehmen wir an, dass $gamma != 0$. Ist $y_1, ..., y_(t) $ eine Basis von $U'$, dann ist $u, y_1 , ... y_t $ Basis von U. + Die Begruendung dafuer ist + $ + v - rho u in U', v - rho u = mu_1 y_1 + ... + mu_(t) y_(t) , v = rho u + mu_1 y_(t) in angle.l u \, y_1 \, ... \, y_(t) angle.r = U. + $ + Das kleine u und alle $y_j $ sind linear unabhaengig. + Auch sind die $y_j $ Linearkombinationen der Basiselemente ohne $e$. Aber alle Basisvektoren sind linear unabhaengig. + Nur $u$ hat einen Anteil $e_i ==> gamma = 0$. Dann $mu_(j) = 0$, weil Basis von $U'$ bilden. +] + +#theorem[ + Endlich erzeugte torsionsfreie Moduln uber HIR sind frei. +] +#proof[ + Sei $M$ ein torsionsfreies R-Modul, mit R HIR und es gelte $M = angle.l x_1 \, ... \, x_(s) angle.r , space x_j in M$. + + Jedes $x_j $ ist linear unabhaengig, denn $r x_j = 0 ==> r = 0, "da" x_j "kein Torsionselement ist."$ + In der Menge ${x_1, ..., x_(s) }$ waehle eine nach der Anzahl der Elemente groesste Teilmenge, die linear unabhaengig ist. + Hat diese $t$ Elemente, dann nimm an, diese sind $x_1, ..., x_(t) $. + + Ist $s = t$, dann ist diese Menge eine Basis $==>$ M ist frei. Bleibt also $t < s$. + Dann ist ${x_1, ..., x_(t), x_(j) }, t < j <= s$ linear abhaengig. Es gibt also $alpha_(j) in R$, nicht alle Null, mit + $ + alpha_j x_j = sum_(i = 1)^(t) alpha_i x_(i). + $ + Es gilt ist $alpha_j != 0, "weil" x_1, ..., x_(t) "lin. abhaengig sind." $ + Def. $alpha = alpha_(s) alpha_(s - 1), ..., alpha_(t + 1) != 0$. Es folgt $alpha x_j in R x_1 plus.circle R x_2 plus.circle ... plus.circle R x_(t) =: F, t < j <= s $.\ + $==>$ $alpha x_(i) in F space forall 1 <= i <= s$, also sogar $alpha x in F space forall x in M$. Also hat $- alpha M$ in F eine Basis. + Da M torsionsfrei ist, gilt $M -> alpha M, m |-> alpha m$ ein Isomorphismus, also M frei. +] + +M endl. erz. ueber HIR R $==>$ $M\/"Tor"M$ frei. +$==>$ $M = ("Tor"M)plus.circle U, "mit" U "geeignetes U-Modul"$. +$ + M \/ "Tor"M = "Tor"M + U \/ "Tor"M tilde.equiv U \/ U sect "Tor"M. +$ + +#theorem[ + Sei R HIR, M endl. erz. R-Modul. Dann gibt es einen freien Modul $F subset M$ mit + $ + M = ("Tor"M) plus.circle F, "und" F tilde.equiv M \/ "Tor"M. + $ +] + +Gegeben sei ein Torsionsmodul M (d.h. jedes Element ist Torsionsmodul). + +Q: Lassen sich diese klassifizieren? + += 6. Torsionsmoduln + +Stets sei R ein HIR, M ein unitaeres R-Modul. Weil R kommutativ ist, ist $"Ann"(m) = {r in R: r m = 0}$ in R ein Ideal, also gibt es $delta (m) "mit" "Ann"(m) = (delta (m)) = R delta (m)$. Die $delta (m)$ heisst Ordnung von $m$, des Ideal $delta (m)$ heisst Ordnugngsideal und steht eindeutig fest. + +Ist U Untermodulvon M, dann gibt es $"Ann"(U) = sect.big_(u in U) "Ann"(u) = sect.big_(u in U) delta (u) R = (delta (U)) $. \ +Dabei heisst $delta (U)$ die Ordnung von U, es gilt $(delta (U)) subset (delta (u)), "also" delta (u) | delta (U) space forall u in U$. + +Ist M Torsionsmodul, dann $delta (u) != 0 space forall u in M$, und $delta (U) " der ggT"_(u in U) delta (u) $. + +Es gibt auch $delta (M) != 0$ fuer Torsionsmoduln M. + +#example[ + G abelsch Gruppe aufgefasst als Modul der ganzen Zahlen. Sei $\# G < oo$. + Fuer jedes $g in G$ gibt es ein $n in NN$ mit $n g = 0$. Die $n in NN$ mit $n g = 0$ bilden ideal in $ZZ$, + also ${n in ZZ: n g = 0} = k ZZ$, $k>0$ minimal, $k g = 0$. Hier heisst $k$ die Ordnung von $g$. + ] + diff --git a/S2/AGLA/Zettel4.typ b/S2/AGLA/Zettel4.typ new file mode 100644 index 0000000..91bcb65 --- /dev/null +++ b/S2/AGLA/Zettel4.typ @@ -0,0 +1,79 @@ +AGLA Zettel 4 + +18.05.2025 + +Max Offermann + +Jonas Hahn + +Horst Kretschmer + += Aufgabe 1 + +== Teil a + +Angenommen $QQ$ ist endlich erzeugt. Dann gilt +$ + QQ = (q_1, ..., q_n ), q_i = (a_i ) / (b_i ). +$ + +Waehle $q_0 = (1) / (b) in QQ $ mit $b > product_(i) b_i$ und $b$ eine Primzahl. Da $b_i >= 1, space forall 1 <= i <= n$ gilt folgt +aus der Konstruktion von $b$, dass +$ + b != b_i, space forall 1 <= i <= n. +$ + +Erlaubte Operationen, um das Erzeugnis in diesem $ZZ$-Modul zu bilden, sind +1. Multiplikation mit $ZZ$ $==>$ Variation von $a$ +2. Addition innerhalb des Moduls mit + $ + (a_1 , b_1 ) + (a_2, b_2 ) = (a_1 b_2 + a_2 b_1 ) / (b_1 b_2 ) + $ + $==>$ der Nenner innerhalb des Ereugnis kann nur Vielfache der $b_i $ aus dem Erzeugendensystem annehmen + +Nun ist $b$ eine Primzahl ist und nicht in ${b_i: 1 <= i <= n }$ enthalten, also auch kein Vielfaches der $b_i $. Somit gilt $1/b in.not QQ$. Widerspruch. +Also ist $QQ$ nicht endlich erzeugt. + +== Teil b + +Es gilt zu zeigen, dass $QQ$ torsionsfrei und nicht frei ist. + +=== $QQ$ ist nicht frei + +Angenommen $QQ$ ist frei. Dadurch ist $QQ$ durch eine Basis erzeugt, von welcher jede endliche Teilmenge linear unabhaengig ist. + +Da die Basis B von $Q$ nicht endlich sein kann, also auch mehr als ein Element enthaelt, waehle +$ + q_1, q_2 in B , space q_1 = a/b "und" q_2 = c/d. +$ + +Betrachte $n,m in ZZ$ + +$ + n a/b + m c/d = (n overbrace(a d,u) + m overbrace(c b, v)) / (d b). +$ + +Waehle $n = v "und" m = -u$, dann folgt +$ + v u - u v = 0 \ + ==> v a/b + (-u) c/d = 0 \ + ==> q_1 "und" q_2 "sind linear abhaengig." +$ + +Widerspruch. +Also ist $QQ$ nicht frei. + +=== $QQ$ ist torsionsfrei + + +Sei $m in QQ \\ {0}$ beliebig, mit $m = a/b$, dann gilt $a,b in ZZ \\ {0}$. \ +Sei $z in ZZ \\ {0}$ beliebig. + +Betrachte +$ + a dot z = c in ZZ. +$ + +Es gilt durch $a,z != 0$, dass $c != 0$, da $ZZ$ Nullteilterfrei ist. \ +Somit folgt $m r != 0$, womit $QQ$ torsionsfrei ist. + diff --git a/S2/AnaMech/VL/AnMeVL10.typ b/S2/AnaMech/VL/AnMeVL10.typ new file mode 100644 index 0000000..b2b5ffa --- /dev/null +++ b/S2/AnaMech/VL/AnMeVL10.typ @@ -0,0 +1,226 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 10, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +Bei der Lagrange II fuer einen MP mit $arrow(r) in RR^(3) $ gilt die Trafo: $x_(i) = x_(i) (q_1, q_2, q_3 )$, wobei $q_i $ beliebige Koordinaten sind. +Und die $x_(i) $ die kartesischen Koordinaten sind. + +Mit Newton gilt +$ + m dot.double(x)_(i) = f_i , space arrow(f) = vec(f_1, f_2, f_3 ) \ + <=> dif / (dif t) ((partial T) / (partial dot(q)_(i) ) )- (partial T) / (partial q_i) = arrow(g)_(i) * arrow(f) , space i = 1,2,3. +$ + += Konservative Systeme + +Es gilt +$ + arrow(f) = - arrow(nabla) V (arrow(r)) <=> f_i = - partial_(i) V , space partial_(i) = partial / (partial x_(i) ). +$ + +Lagrangefunktion +$ + L (q_1, q_2, q_3, dot(q)_(1) , dot(q)_(2) , dot(q)_(3) ) = T (q_1, q_2, q_3, dot(q)_(1) , dot(q)_(2) , dot(q)_(3) ) - V (q_1, q_2, q_3 ). +$ + +Lagrange BWGL II +$ + p_(i) = (partial L) / (partial dot(q)_(i) ) \ + dif / (dif t) (partial L) / (partial dot(q)_(i) ) - (partial L) / (partial q_(i) ) = 0 , space i = 1,2,3 +$ +ist forminvariant. + +Die skalare Funktion der Lagrangefunktion ist eine Hilfsgroesse, wobei sie beliebigen $q_i "und" dot(q)_(i) $, welche unabhaengige Variablen sind +einen skalaren Wert zuordnet. +Wobei gilt +$ + dot(q) = (dif q) / (dif t). +$ + += Vorgehen + +1. Transformation in allgemeine Koordinaten auf deren Bewegung keine Kraefte wirken. Diese muss man Raten oder sie sind vorgegeben +2. Die kinetische und potentielle Energie als Funktion von kartesischen Korrdinaten aufstellen +3. Diese Energien in allgemeine Koordinaten transformieren + +Dabei gilt +$ + T = m/2 dot(x)_(i) , space dot(x) = m/2 g_(i j) dot(q)_(i) dot(q)_(j) , space g_(i j) = g_(i j) (q). + +$ + +#example[ + Zentralpotential mit konstantem Drehimpuls + $ + dif / (dif t) arrow(L) = 0 => 2"D". + $ + Waehle die generalisierten Koordinaten + $ + q_(1) = r, \ + q_(2) = phi. + $ + Berechne Transformationen + $ + x_1 = r cos phi \ + x_2 = r sin phi \ + dot(x)_(1) = dot(r) cos phi - r sin phi dot(phi) \ + dot(x)_(2) = dot(r) sin phi + r cos phi dot(phi) \ + $ + Berechne die kinetische Energie + $ + T &= m/2 (dot(x)_(1) ^2 + dot(x)_(2) ^2 ) = m/2 vec(dot(q)_(1), dot(q)_(2) )^(T) mat( + 1, 0; + 0, r^2 ; + ) vec(dot(q)_(1) , dot(q)_(2) ) \ + &= m/2 (dot(r)^2 + r^2 dot(phi)^2 ). + $ + Dann folgt fuer die Lagrangefunktion + $ + L = T - V, \ + V = -alpha/r. + $ + Berechne die Partiellen Ableitungen + $ + (partial L) / (partial dot(r) ) = m dot(r) \ + (partial L) / (partial r) = m r dot(phi)^2 - V' (r) \ + (partial L) / (partial dot(phi)) = m r^2 dot(phi) , space (partial L) / (partial phi) = 0 + => m dot.double(r) - m r dot(phi)^2 + V' (r) = 0 \ + dif / (dif t) (m r^2 dot(phi)) = 0 \ + => m r^2 dot(phi) = "const." = L_(z) = abs(arrow(L)) = p_(phi). + $ +] + +#example[ +Das Mathematische Pendel. + +Hier gilt die Transformation +$ + vec(x,y)= l vec(sin phi, - cos phi) +$ +wobei $l$ die Laenge des Pendels ist. + +Hier gibt es zwei Zwangsbedingungen, denn es muss immer gelten +$ + g_(2) (x,y,z,t) = x^2 + y^2 - l^2 = 0 \ + g_(1) (x,y,z,t) = z = 0. +$ +Die Zahl der unabhaengigen Koordinaten ist gegeben durch +$ + f = N - R = 1. +$ + +Die Lagrange Funktion in kartesischen Koordinaten +$ + L = T - V = m/2 (dot(x)^2 + dot(y)^2 ) - m g y \ + L = L (phi, dot(phi)) = m/2 dot(l)^2 dot(phi)^2 + m g l cos phi \ + (partial L) / (partial dot(phi)) = l^2 m dot(phi) , space (partial L) / (partial phi) = - m g l sin phi \ + => l^2 m dot.double(phi) + m g l sin phi = 0. +$ + Fuer die Zwangskraefte gilt dann + $ + arrow(Z)_(1) prop arrow(e)_(z) \ + arrow(Z)_(2) = - arrow(f)_(perp). + $ +] + +Von den generalisierten Koordinaten wird erwartet, dass sie die Zwangsbedingungen immer erfuellen. + +Das Ziel ist nun die Forminvarianz der BWGL fuer N Massepunkte. + +#definition[ + Zwangsbedingungen koennen holonom und skeleronom sein. + Dabei gilt dann fuer die skalare Funktion + $ + g_(alpha) (arrow(x), t) = 0 , space alpha = 1, ..., R + $ + wobei $R$ die Anzahl der Zwangsbedingungen ist. + Es gilt + $ + arrow(x), arrow(F), m in RR^(3 N). + $ +] + +Im allgeinen ist die Anzahl der unabhaengigen Koordinaten gegeben durch +$ + f = 3 N - R. +$ + +#definition[ + Fuer jede Zwangsbedingung $g_(alpha) $ gibt es eine Zwangskraft $arrow(Z)_(alpha) $, welche diese Zwangsbedingung physikalisch realisiert. + Diese sind im allgemeinen nicht zeitlich konstant. +] + +Als Loesungsansatz gilt dann +$ + arrow(Z)_(alpha) = lambda_(alpha) arrow(nabla) g_(alpha) => "skalare Groesse" lambda_(alpha). +$ + += Lagrangegleichung I fuer N MP + +Zunaechst sei angenommen $R <= 2$ und +$ + m dot.double(arrow(r)) = arrow(f) + sum_(alpha = 1)^(R) lambda_(alpha) arrow(nabla) g_(alpha) \ + g_(alpha) (arrow(r), t) = 0. +$ + +Im Allgemeinen gilt dann +$ + m_(n) dot.double(x)_(n) = F_(n) + sum_(alpha = 1)^(R) lambda_(alpha) (partial g_(alpha) ) / (partial x_(n) ) , space n = 1, ..., 3 N \ + g_(alpha) (arrow(x), t) = 0 , space alpha 1, ..., R \ + arrow(nabla) _(n) g_(alpha) = (partial g_(alpha) ) / (partial x_(n) ). +$ + +=== Allgemeines Loesungsverfahren +1. Zwangsbedingungen aufstellen +2. Lagrangegleichung I +3. Man muss die $lambda_(alpha) $ aus den BWGL eleminieren $==>$ $lambda_(alpha) = lambda_(alpha) (arrow(x), dot(arrow(x)), t) $: funktional +4. Loese die 3N BWGL mit 6N Integrationskonstanten +5. Die 2R Integrationskonstanten sind schon durch die Zwangsbedingungen fixiert +6. Die konrete Loesung $==>$ $arrow(x), dot(arrow(x)) -> lambda_(alpha) (arrow(x), dot(arrow(x)), t) $ $==>$ $Z_(n) = lambda_(alpha) partial_(x_(n) ) g_(alpha) $ + +#example[ + Schiefe Ebene. + + Skizze der Schiefen Ebene mit relevanten Groessen. + + Zuerst die elementare Loesung + $ + m dot.double(s) = - m g sin alpha => s (t) = - g/2 r^2 + v_0 t + s_0 \ + arrow(r) = vec(s cos alpha, 0 , s sin alpha). + $ + Lagrange I liefert + $ + g_(2) (x,y,z,t) = y = 0 \ + g_(1) (x,y,z,t) = x sin alpha - z cos alpha = 0 \ + m dot.double(arrow(r)) = - m g arrow(e)_(z) + lambda_(1) arrow(nabla) g_(1) + lambda_(2) arrow(nabla) g_(2). + $ + + Dann muessen wir die (zweimal) Zwangsbedingungen ableiten + $ + dot.double(y) = 0 , space dot.double(x) sin alpha - dot.double(z) cos alpha = 0 \ + m dot.double(x) = lambda_1 sin alpha \ + m dot.double(y) = lambda_2 => lambda_2 = 0 => dot.double(z) = arrow(0) \ + m dot.double(z) = - m g - lambda_1 cos alpha => lambda_1 = - cos alpha m g + $ +] + +Technisch kompliziert kann die richtige Beruecksichtigung der Kettenregel sein. + diff --git a/S2/AnaMech/VL/AnMeVL9.typ b/S2/AnaMech/VL/AnMeVL9.typ new file mode 100644 index 0000000..4e5f7e9 --- /dev/null +++ b/S2/AnaMech/VL/AnMeVL9.typ @@ -0,0 +1,169 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 9, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Exkurs in die Geometrie + +Zunaechst betrachten wir einen Massepunkt $m$ in $arrow(r) in RR^(3) $. + +Wir kennen die kartesischen Raumkoordinaten. +Der Ursprung bleibt bei der Transformation gleich. + +Es gilt fuer die Basisvektoren +$ + arrow(e)_(i) * arrow(e)_(j) = delta_(i j). +$ + +Die Koordinatentransformation muss umkehrbar sein in fast jedem Punkt +$ + x_(i) = x_(i) (q_1, q_2, ..., q_n ). +$ + +Theoretische Physik geht los wenn alle griechischen Buchstabe fuer Indizes verbraucht sind. + +$ + arrow(r) = underbrace(x_(i) arrow(e)_(i), forall P) = x_(i) (q_1, q_2, q_3 ) arrow(e)_(i) =^(!) q_j arrow(q)_(j) <- "haengen von" P "ab". +$ + +Die $q_i $ Kurven koennen krummlinieg verlaufen. Die Basisvektoren im Punkt $P$ sind gegeben durch +$ + arrow(q)_(i) = (partial arrow(r) (p)) / (partial q_i) , arrow(r) = x_(i) (q_1, q_2, q_3) arrow(e)_(i), \ + arrow(q)_(i) = (partial x_(j) ) / (partial q_i ) arrow(e)_(arrow(j)) , arrow(e)_(i) = (partial q_j ) / (partial x_(i) ) arrow(q)_(j). +$ + +In fast jedem Punkt sind diese linear unabhaengig. Dreibein ${arrow(q)_(1) , arrow(q)_(2) , arrow(q)_(3) }$. + +#example[ + Kugelkoordinaten. + + $ + x_1 = r cos phi sin theta \ + x_2 = r sin phi sin theta \ + x_3 = r cos theta \ + r >0 , space theta in [0, pi] , space phi in [0, 2 pi) + $ + + Durch Ableiten kann so das Dreibein gebildet werden. Dieses erfuellt die gefordeten Eigenschaften von linearer Unabhaengigkeit. +] + +Es gilt +$ + d arrow(r) &= (partial arrow(r)) / (partial r) d r + (partial arrow(r)) / (partial theta) d theta + (partial arrow(r)) / (partial phi) d phi ==> d arrow(r) * d arrow(r) = d^2 r + r^2 d^2 theta + r^2 sin^2 theta d^2 phi \ + &= d x_1 arrow(e)_(2) + d x_2 arrow(e)_(2) + d x_3 arrow(e)_(3). +$ + += Metrischer Tensor + +Wird auch metrisches Dings genannt. + +Es gilt +$ + g_(i j) &= arrow(g)_(i) * arrow(g)_(j), \ + g_(i j) &= mat( + 1, 0, 0; + 0, r^2 , 0; + 0, 0, r^2 sin^2 theta; + ), \ + g_(i j) &= (partial x_m ) / (partial q_i ) arrow(e)_(m) * (partial x_k ) / (partial q_(j) ) arrow(e)_(k) = (partial x_(m) ) / (partial q_(i) ) (partial x_(k) ) / (partial q_(j) ) underbrace(arrow(e)_(m) * arrow(e)_(k), = delta_(m k) ) = (partial x_k ) / (partial q_i ) (partial x_k ) / (partial q_j ). +$ + += Bewegungsgleichung fuer $q_i $ + +Hier sind $dot(q)_(j)$ die verallgemeinerten Geschwindigkeiten. + +Berechne +$ + dif / (dif t) T = m dot(x)_(i) dot.double(x)_(i) \ + T = m/2 dot(arrow(r)) * dot(arrow(r)) = m/2 dot(x)_(i) dot(x)_(i) \ + dot(arrow(r)) (t) = (partial arrow(r)) / (partial q_(j) ) dot(q)_(j) = dot(q)_(j) arrow(g)_(j) , space dot(q)_(j) "verallgemeinerte Geschwindigkeiten" \ + (partial dot(arrow(r))) / (partial dot(q)_(j) ) = arrow(g)_(i); quad arrow(g)_(i) = (partial arrow(r)) / (partial q_(i) ) \ + arrow(r) = x_(i) arrow(e)_(i) \ + (dif arrow(r)) / (dif t) = dot(x)_(i) arrow(e)_(i) = (partial x_(i) ) / (partial q_j ) dot(q)_(j) arrow(e)_(i) = (partial arrow(r)) / (partial q_(j) ) dot(q)_(j). +$ + +Wir starten von Newton II +$ + m dot.double(arrow(r)) = arrow(f) \ + <==> m arrow(e)_(i) * dot.double(arrow(r)) = arrow(e)_(i) * arrow(f) \ + m dot.double(x)_(i) = f_(i) , i = 1,2.3. +$ + +Jetzt werden beliebige Koordinaten gewaehlt +$ + m arrow(g)_(i) * dot.double(arrow(r)) = arrow(g)_(i) * arrow(f) \ + <==> m (arrow(g)_(i) * dot.double(arrow(r)) + dot(arrow(g))_(i) * dot(arrow(r))) = arrow(g)_(i) * arrow(f) + m dot(arrow(g))_(i) * dot(arrow(r)) \ + <==> m dif / (dif t) (arrow(g)_(i) * dot(arrow(r))_(i) ) = arrow(g)_(i) * arrow(f) + m dot(arrow(r)) * (partial dot(arrow(r))) / (partial q_(i) ) \ + <==> m partial / (partial t) ((partial dot(arrow(r))_(i) ) / (partial q_(i) ) * dot(arrow(r))_(i) ) = arrow(g)_(i) arrow(f) + m dot(arrow(r))* (partial dot(arrow(r))) / (partial q_(i) ) +$ + +Nebenrechung + +$ + dot(arrow(g))_(i) = dif / (dif t) (partial arrow(r)) / (partial q_(i) ) = partial / (partial q_(j) ) ((partial arrow(r)) / (partial q_(i) ) )dot(q)_(j) \ + = (partial ^2 arrow(r)) / (partial q_(j) q_(i) ) dot(q)_(j) partial / (partial q_(i) ) ((partial arrow(r)) / (partial q_(j) ) dot(q)_(j) ) = partial / (partial q_i ) dot(arrow(r)) "und" arrow(q)_(i) = (partial dot(arrow(r))) / (partial dot(q)_(i) ) = (partial arrow(r)) / (partial q_(i) ) +$ + +Betrachtung der kinetischen Energie +$ + T = T (dot(x)_(1) , dot(x)_(2) , dot(x)_(3) ) = T (q_1, q_2, q_3, dot(q)_(1) , dot(q)_(2) , dot(q)_(3) ) \ + ==> dif / (dif t) ((partial T) / (partial dot(q)_(i) ) ) = (partial T) / (partial q_(i) ) + arrow(g)_(i) * arrow(f). +$ + + +Allgemein gilt fuer die Produktregel +$ + (partial T) / (partial dot(q)_(j) ) = m/2 ((partial dot(x)_(i) ) / (partial dot(q)_(j) ) dot(x)_(i) + dot(x)_(i) (partial dot(x)_(i) ) / (partial dot(q)_(j) ) ). +$ + +Skalarprodukt ist eine Projektion. + +Verallgemeinere die kinetische Energie + +$ + T &= m/2 dot(arrow(r))^2 = m/2 (dot(x)_(i) * dot(x)_(i) ) = m/2 (dot(q)_(i) arrow(g)_(i) ) * (dot(q)_(j) arrow(g)_(j)) = m/2 dot(q)_(i) dot(q)_(j) space arrow(g)_(i) * arrow(g)_(j) \ + &= m/2 sum_(i,j) g_(i j) dot(q)_(i) dot(q)_(j), \ + &g_(i j) = g _(i j) (q_1, q_2, q_3 ). +$ + += Konservative Kraftfelder + +Betrachte die Kraft mit $V = V (x_1, x_2, x_3 ) = V (x_1 (q_1, q_2, q_3), ...) = V (q_1, q_2, q_3 )$ und der Lagrangefunktion als $L (q_1, q_2, q_3, dot(q)_(1) , dot(q)_(2) , dot(q)_(3) ) := T (q_(i) , dot(q)_(i) ) - V (q_(i) )$ +$ + arrow(f) (arrow(r)) = - arrow(nabla) V (arrow(r)) = - (partial V) / (partial arrow(r)) \ + arrow(f) * arrow(g)_(i) = - (partial V) / (partial arrow(r)) * (partial arrow(r)) / (partial q_(i) ) = - (partial V) / (partial x_(j) ) (partial x_(j) ) / (partial q_(i) ) = - (partial V) / (partial q_(i) ) \ + ==> dif / (dif t) ((partial T) / (partial dot(q)_(i) ) ) - (partial T) / (partial q_(i) ) + (partial V) / (partial dot(q)_(i) ) =^(!) 0 \ + V = V (q_1, q_2, q_3 ) ==> (partial V) / (partial dot(q)_(i) ) = 0 \ + ==> dif / (dif t) (partial L) / (partial dot(q)_(i) ) - (partial L) / (partial q_(i) ) = 0 +$ + +Diese Lagrangegleichung der II Art ist +- Forminvariant +- Nicht messbar +- Nicht eindeutig + +Das meschanische System ist so definiert durch $q_(i) "und" L$. +Der *verallgemeinerte Impuls* ist gegeben durch +$ + p_(i) := (partial L) / (partial dot(q)_(i) ). +$ +Eine *zyklische verallgemeinerte Koordinate* $q_(i) $ erfuellt +$ + (partial L) / (partial q_(i) ) = 0 ==> dif / (dif t) (partial L) / (partial dot(q)_(i) ) = 0 <==> (dif p_(i) ) / (dif t) = 0 <==> p_(i) "erhalten" +$ + diff --git a/S2/AnaMech/Zettel/AnaMech_Hahn_Penning_Zettel_1.typ b/S2/AnaMech/other/AnaMech_Hahn_Penning_Zettel_1.typ similarity index 100% rename from S2/AnaMech/Zettel/AnaMech_Hahn_Penning_Zettel_1.typ rename to S2/AnaMech/other/AnaMech_Hahn_Penning_Zettel_1.typ diff --git a/S2/AnaMech/other/Hahn_Blatt5A5.py b/S2/AnaMech/other/Hahn_Blatt5A5.py new file mode 100644 index 0000000..e4e62db --- /dev/null +++ b/S2/AnaMech/other/Hahn_Blatt5A5.py @@ -0,0 +1,19 @@ +# Hilfreiche Pakete +import numpy as np +import matplotlib.pyplot as plt + +theta = np.linspace(-np.pi, np.pi, 1000) +cs = 1 / np.sin(theta/2)**4 + +plt.semilogy(theta*180/np.pi, cs) +plt.xlabel(r"Streuwinkel $\theta$ [deg]") +plt.ylabel(r"$\csc^4(\theta/2)$") +plt.title("Differentieller Wirkungsquerschnitt für $U(r) = \\alpha/r^2$") +plt.show() + +# Task +# Calculate the differential Wirkungsquerschnitt ds/dOm fuer das repulsive +# Potential V(r) = a/r^2, a > 0 + +# Plotte den Wirkungsquerschnitt als funktion des Raumwinkels theta + diff --git a/S2/AnaMech/preamble.typ b/S2/AnaMech/preamble.typ index 637eacc..bb21806 100644 --- a/S2/AnaMech/preamble.typ +++ b/S2/AnaMech/preamble.typ @@ -4,7 +4,7 @@ #let rot = math.op("rot") #let grad = math.op("grad") -#let conf(num: none, date: "", type: none, body, ueb: false) = { +#let conf(num: none, date: "", type: none, ueb: false, body) = { // Global settings show: default diff --git a/S2/CWR/VL/CwrVL5.typ b/S2/CWR/VL/CwrVL5.typ new file mode 100644 index 0000000..4cbcbab --- /dev/null +++ b/S2/CWR/VL/CwrVL5.typ @@ -0,0 +1,110 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 5, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Weiter in der Diskussion ueber den Fussball + +Velocity Verlet lautet im allgemeinen +$ + x (t + Delta t ) = x (t) + v (t) Delta t + 1/2 (F (x (t))) / (m) Delta t ^2 \ + V (t + Delta t ) = V (t) + (F (x (t + Delta t )) + F (x (t))) / (2) Delta t. +$ +Aus der letzten Stunde wissen wir, dass die Kraft, welche auf den Ball wirkt gegeben ist durch +$ + arrow(F) = - m g hat(e)_(z) - c_(W) 1/2 rho A abs(arrow(v))^2 hat(e )_(v) - c_(M) 1/2 rho A R arrow(omega)times arrow(v). +$ + +Wir wahlen die Zeit als $tau = 1"s"$ und die Laenge als $L = 1"m"$ in den skalierten Einheitgen folgt dann +$ + dot.double(x) = - tilde(g) hat(e)_(z) - tilde(c)_(W) abs(dot(x))^2 hat(e)_(x) + tilde(c)_(M) arrow(omega)times dot(arrow(x)). +$ +Q: Wie schiesst man en Ball in die linke obere Ecke des Tors? + +Wir betrachten die Situation als ein AWP mit +$ + arrow(x) (0) = vec(x (0), y (0), z (0)), \ + arrow(v) (0) = vec(v_(x) (0), v_(y) (0), v_(z) (0)), \ + arrow(omega) = vec(omega_(x) , omega_(y) , omega_(z) ). +$ + +Nach einer Zeit $T$ soll unser System die Konfiguration +$ + x (T) = L, y (T) = B/2, z (T) = H +$ +annehmen. + +Dabei gibt es 10 Pramenter, 3 Bedingungen fuer die Endposition und nochmal 3 fuer den Start $==>$ 4 dimensionale Loesung. + +Eine eindeutige Loesung $(v_(y) (0),v_(z) (0))$ soll aus gegebenem $arrow(omega) and v_(x) (0)$ bestimmt werden. +T wird dabei aus $x (T) = L$ (durch simulation) bestimmt. + +Methoden Nullstellen zu finden. + +Ein Problem fuer Newton in mehreren Dimensionen ist die Invertierung der Matrix der Ableitung. + +Q: Wie wird bei dem Torbeispiel die Ableitung gebildet? + +Muss bei dem gradientenfreien Newton-Verfahren nicht auch die Simulation mehrmals durchlaufen werden? Wie soll es sonst funktionieren? + += Mehr Dimensionen + +Tricks fuer mehrere Dimensionen (Molekulare Dynamik und Vielteilchensimulationen) ++ Parallelisierung der Kraftberechnung ++ Symetrisierung von Rechnungen (symetrische Kraefte) ++ Wechselwirkungen in Simuationen haben nur endliche Reichweite ++ Bei kleinen Simulationsboxen sind die Randbedingungen wichtig (z.B. Wasser in einem Nanometer) + + Besser sollten die Randbedingungen periodisch sein + +Idee der Paralleliseriung ist verschiedene Schleifenkoerper auf unterschiedliche Cores zu verteilen. +Dies funktioniert ueber den shared memory (jeder Core kann auf den gesamten Speicher zugreifen) der CPU. + +#example[ + Betrachte das Integral + $ + I = integral_(0)^(1) d x sin^2 (pi x) = 1/2 \ + = sum_(i = 1)^(N) 1/N sin^2 ( i/N). + $ + + Diese kann nun auf den verschiedenen + + + Sequential + + Just distribute the loop with reduction + + Distribute all without reduction + + Distrubute just the partial sums over the cores + + // Q: what does OMP stand for? + // Open MP + // link with -fopenmp + // C code to parralleize loops + // #pramga omp parallel for default(shared) reducion (+:sum) +] + +#example[ + Typische Wechselwirkungen zwischen Teilchen koennen durch ein Lennert-Jones Potential dargestellt werden + $ + V (r) = 4 epsilon (1/r^(12) - 1/r^(6) ) + $ + wobei der erste Term der Volumenausschluss ist und der zweite Term van der Waals ist. + Der Abstand kann mittels eines Trees oder eines spatial Hashes schneller berechnet werden. + + Auch kann man den Raum im Gitterzellen aufteilen und dann nur noch den Abstand zu jeder Zelle berechnen. +] + +Bei der Abstandsberechnung mit periodischen Randbedingungen muss die minimum image convention beachtet werden. + diff --git a/S2/CWR/VL/CwrVL6.typ b/S2/CWR/VL/CwrVL6.typ new file mode 100644 index 0000000..82dec4c --- /dev/null +++ b/S2/CWR/VL/CwrVL6.typ @@ -0,0 +1,57 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 5, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + += Partielle Differentialgleichungen + +ODE +$ + arrow(x) (t) => m (dif ^2 arrow(x)) / (dif t^2 ) = F (arrow(x), dot(arrow(x))). +$ +PDE +$ + (partial ^2 psi) / (partial t^2 ) = u^2 (partial ^2 psi) / (partial x^2 ) , space psi (x,t) \ + (partial T) / (partial t) = D (partial ^2 T) / (partial x^2 ) , space "Fourier Gesetz" arrow(j) = kappa arrow(nabla) T. +$ +Poisson-Gleichung +$ + Delta phi = - (rho (arrow(x))) / (epsilon_0 ). +$ +Lineare partielle DGL +$ + L [phi (arrow(x))] = rho (arrow(x)) \ + phi (arrow(x)) = phi_0 (arrow(x)) "auf Rand" partial Omega \ + "gesucht ist die Loesung von Gebiet" Omega. +$ + +#example[ + Poisson-Gleichung. + + Fuehre eine Diffferenzdiskretisierung durch + $ + phi (x,y) tilde.equiv phi (I_(x) , I_(y) ) \ + Delta phi = (partial ^2 phi) / (partial x^2 ) + (partial ^2 phi) / (partial y^2 ) = (phi (i_(x) + 1 , i_(y) ) - 2 phi (i_(x) , i_() )) / () + $ +] + +Doolittle Verfahren +Gauss-Elimination Verfahren + diff --git a/S2/DiffII/VL/DiIIVL8.typ b/S2/DiffII/VL/DiIIVL8.typ new file mode 100644 index 0000000..1c2e421 --- /dev/null +++ b/S2/DiffII/VL/DiIIVL8.typ @@ -0,0 +1,196 @@ +// Main VL template + +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 8, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Wiederholung + +Betrachte eine Funktion $f: U subset RR^n -> RR$ und $a,b in U$. +Angenommen ${a+t (b -a), 0 <= t <= 1} subset U$ und $g: [0, 1] -> RR$ mit $g' (xi) = arrow(nabla) f (gamma (xi)) dot(gamma) (xi)$. + +Betrachte +$ + f (b) - f (a) = d f (xi) (b - a). +$ + +Es ist bereits bekannt, dass wenn $n = 1 and f' (c) = 0 space forall c in I$ fuer eine Funktion $f: I -> RR$, dann ist $f$ konstant. + +Gilt dies auch fuer $RR^n $, also ist $f: U -> RR$ diffbar $and d f (xi) = 0 space forall xi in U ==> f "konstant"$? +Ein Problem kann bei nicht zusammenhaengenden Mengen enstehen. + += Zusammenhaengend + +#definition[ + Wir nennen einen metrischen Raum $(X, d)$ *zusammenhaengend* falls es nicht zwei offene Mengen gibt, welche eine Zerlegung von $X$ mit $U union V = X$ mit $U,V != emptyset $ offen und $U sect V = emptyset $ bilden. +] + +#definition[ + Wir nennen einen metrischen Raum $(X, d)$ *wegzusammenhaengend* falls es fuer zwei Punkte $a,b in X$ eine stetige Abbildung $gamma: [0, 1] -> X$ mit $gamma (0) = a$ und $gamma (1) = b$ gibt. +] + +Diese Begriffe sind im allgemeinen nicht aequivalent, wobei der Zusammenhang staerker ist. + +#theorem[ + Sei $(X, n)$ ein normierter Raum und $U subset X$ offen. Dann ist $U$ genau dann zusammenhaengend wenn $U$ wegzusammenhaengend ist. +] + +Fuer $a,b in X$ schreibe $[a,b] = {a + t (b -a): 0 <= t <= 1} $ fuer das Stueck was $a$ und $b$ verbindet. Dies wird *Streckenzug* genannt. +Im allgemeinen muss dies nicht ein gerader Streckenzug sein sondern kann beliebig gekruennt sein. Dieser ist eine Folge von Punkten mit $a_0 = a, a_n = b$, sodass $[a_j, a_(j +1) ] subset U$. + +#proof[ + Wie zeigen, dass Zusammenhang auch Wegzusammenhang impliziert. + + Sei $U subset X$ offen und zusammenhaengend. Ist $U != subset $, so waehle $a in U$ und $tilde(U) = {x in U: "es gibt einen Streckenzug in" U "von" a "nach" x}$. Sei $y in tilde(U)$, dann existiert eine Kugel mit $epsilon>0$ um $y$ welche eine Teilmenge von $U$ ist durch deren Offenheit. Nun kann ein Streckenzug von allen Elementen in der Kugel zu $x$ gebildet werden und so gibt es einen Streckenzug von $a$ zu allen Elementen aus $B_(epsilon) (y)$. + + Betrachte nun $y in U\\tilde(U)$ und $r>0$ mit $B_(r) (y) subset U$. Angenommen $B_(r) (y) sect tilde(U) != emptyset $, so folgt wie zuvor, dass $B_(r) (y) subset tilde(U)$ $==>$ $y in.not tilde(U)$. Widerspruch. + + Es gilt also $U = tilde(U) union (U\\tilde(U))$ mit $tilde(U), U\\tilde(U)$ offen und $tilde(U) != subset $ d.h. $U\\tilde(U) = emptyset $ $==>$ $tilde(U) = U$. +] + +#remark[ + Wir haben in @s8 gezeigt, dass zwei Punkte in einer offenen zusammenhaengenden Menge in einem normierten Raum mit einem Streckenzug + verbunden werden koennen. +] + +Betrachte auf dem Uebungsblatt die oszilierende Funktion, welche immer schneller oszilliert $sin (1/x)$ um etwas zu zeigen mit zusammenhaengend. + +#theorem[ + Sei $U subset RR^n $ zusammenhaengend $<==> $ wegzusammenhaengend und offen und $f: U -> CC$ diffbar mit $arrow(nabla) f (a) = 0 space forall u in U$. Dann ist $f$ konstant. +] + +#proof[ + Betrachte $R (f)$ und $I (f)$ separat, d.h. wir koennen annehmen, dass $f: U -> RR$ reell ist. Fuer $a,b in U$ waehle einen Streckenzug $[a, a_1 ]union ... union [a_n , b] subset U$. Nach Satz wahle $xi in [a_i, a_(i+1) ], 0 <= i <= n$ mit + $ + f (a_(i+1) ) - f (a_(i) ) = underbrace(d f (xi_(i) ), =0) (a_(i + 1) - a_(i) ) space forall 0 <= i <= n. + $ + Es folgt, dass $f (a) = f (a_(1) ) = f (a_(2) ) = ... = f (a_n ) = f (b)$. + Hier wurde ausgenutzt, dass sich die Funktionswerte auf dem Streckenzug nicht veraendern. +] + +#definition[ + Ist $U subset RR^n $ offen und $f: U -> CC$ differenzierbar, so nennen wir $f$ *stetig differenzierbar* (auf $U$) falls die Abbildung + $ + f': U -> CC^(n), x |-> (partial / (partial x_1 ) f (x), ..., partial / (partial x_(n) ) f (x) ) + $ + stetig ist. +] + +Wir schreiben $C^(1) (U)$ fuer den $CC$-Vektorraum der stetig differenzierbaren Funktionen $f: U -> CC$. + +Differenzierbarkeit wird nur auf offenen Mengen diskutiert. + +#theorem[ + Sei $U subset RR^n $ offen mit $f in C^(1) (U)$ und $K subset U$ eine kompakte und konvexe Teilmenge. Setze + $ + norm(f')_(K) := max_(x in K) (abs(partial / (partial x_1 ) f (x)) + ... + abs(partial / (partial x_n) f (x))). + $ + Fuer $x,y in K$ gilt dann + $ + abs( f (y) - f (x)) <= norm(f')_(K) norm(y - x)_(oo). + $ +] +#proof[ + Da $K$ konvex ist, dgilt fuer $x, y in K$ auch $[a,b] subset K$. Wende den bekannten an Schrankensatz auf die Funktion + $ + g: [0, 1] -> CC, t |-> f(x + t (y -x)). + $ + Es folgt + $ + abs(f (y) - f (x)) = abs( g (1) - g (0)) <= sup_(t in [0, 1]) abs(g' (t)). + $ + Verwende fuer $0 <= t <= 1$ die Abschaetzung + $ + abs(g' (t)) &= abs(d f (x + t (y - x)) (y-x)) \ + &= abs(sum_(k = 1)^(n) partial / (partial x_k ) f (x + t (y -x))(y_k - x_k )) \ + &<= norm(y-x)_(oo) underbrace(sum_(k = 1)^(n) abs(partial / (partial x_k ) f (x + t (y -x))), <= norm(f')_(K) ). + $ +] + += Hoehere Ableitungen + +Sei $f: U -> CC$ diffbar mit $U subset RR^n $ offen. Wie koennen wir den Begriff einer zweiten Ableitung definieren? + ++ Betrachte $U -> L (RR^n, CC ), a |-> d f (a)$ ++ Betrachte fuer $1 <= k <= n$ die partiellen Ableitungen $partial / (partial x_k ) f: U -> CC, a |-> partial / (partial x_k ) f (a)$ + +#definition[ + Ist $U subset RR^n $ offen und $f: U -> CC$ sodass + $ + partial / (partial x_(i) ) f: U -> CC + $ + existiert fuer ein $1 <= i <= n$ und partiell in Richtung $x_j $ diffbar ist. Dann definieren wir + $ + partial^2 / (partial x_j x_(i) ) f := partial / (partial x_j) (partial / (partial x_(i) ) f) + $ + und nennen dann $partial^2 / (partial x_(i) x_(j) ) $ eine partielle Ableitung zweiter Ordnung von $f$. + + Ist $k in NN$, so definieren wir die + partielle Ableitung $k$-ter Ordnung als + $ + partial / (partial x_(i_1) ) ... partial / (partial x_(i_k) ) f := "Hintereinanderausfuehrung der partiellen Ableitungen". + $ +] + +Jetzt koennen wir nach der Vertauschbarkeit fragen. + +#example[ + Fuer die nichtvertauschbarkeit der partiellen Ableitungen. + Betrachte + $ + f: RR^2 -> RR, (x,y) |-> cases(x y (x^2 - y^2 ) / (x^2 + y^2 ) \, (x, y) != (0,0), 0 \, (x,y) = (0,0)). + $ + Diese Abbildung hat verschiedene Werte fuer die Ableitung zweiter Ordnung an der Stelle $(0, y) "bzw." (x, 0)$. + + #highlight[TODO: calculate this] +] +#theorem[ + Satz von Schwarz. + + Sei $U subset RR^n $ und $a in U$ und $f: U -> CC$ eine Funktion sodass die partiellen Ableitungen auf U existieren und + $partial / (partial x_(i) ) partial / (partial x_j ) f$ in $a$ stetig ist. Dann exisitiert $partial / (partial x_j ) partial / (partial x_(i) ) f (a)$ und es gilt + $ + partial / (partial x_j ) partial / (partial x_(i) ) f (a) = partial / (partial x_(i) ) partial / (partial x_j ) f (a). + $ +] + +#proof[ + Betrachten wir den Realteil und den Imaginaerteil von $f$ separat und die Abbildung + $ + g: RR^2 -> RR, V subset R^2, (x,y) |-> f (a + x e_i + y e_j ) + $ + fuer $(0, 0) in V$ offen und hinreichend klein, so genuegt es dem Satz fuer $n = 2, a = (0, 0), g: V -> RR, (x.y)|-> g (x,y), i = 2, j = 1$ zu beweisen. Da $partial / (partial x_(1) x_2 ) g$ in 0 stetig ist, gibt es fuer jedes $epsilon > 0$ eine Umgebung $B_(delta) (0) subset V$ sodass + $ + abs(partial_(2 1) g (x,y) - partial_(2 1) g (0,0)) < epsilon space forall (x,y) in B_(delta) (0). + $ + Seien $h, k != 0$ mit $Q_(h, k) := {(t h, s k), 0 <= t, s <= 1} <= B_(delta) (0)$. + Setze $phi (x) = g (x,y) - g (x, 0)$. Dann ist + $ + D_(Q h, k) g := g (h, k) - g (h, 0) - g (0, k) + g (0, 0) \ + = phi (h) - phi (0). + $ + Nach dem Mittelwertsatz gibt es $xi in {t h: 0 <= t <= 1}$ auf $phi (h) - phi (0) = h phi' (xi)$. + Es folgt $D_(Q h, k) g = h (partial_(1) g (xi, k) - partial_(1) g (xi, 0))$. + Genauso gibt es $nu in {s k: 0 <= s <= 1}$ mit + $ + D_(Q h k ) g = h k (partial_(2) partial_(1) g (xi, nu)). + $ + + #highlight[TODO: finish and understand this proof] +] + diff --git a/S2/DiffII/VL/DiIIVL9.typ b/S2/DiffII/VL/DiIIVL9.typ new file mode 100644 index 0000000..715306a --- /dev/null +++ b/S2/DiffII/VL/DiIIVL9.typ @@ -0,0 +1,194 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 9, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Wiederholung Schwarz + +Wir betrachten eine Funtion $f: U subset RR^(n) -> CC $ wobei die partiellen Ableitungen exisiieren und die +zweiten partiellen Ableitungen in einem Punkt a stetig sind. Dann gilt auch +$ + partial_(j i) f (a) = partial_(i j) f (a). +$ + +#definition[ + Sei $k >= 1$. ist $U subset RR^n $ offen und $f: U -> CC$ eine Funtktion fuer welche alle partiellen Ableitungen + der Ordnung k auf der Menge U existieren uns stetig sind, so nennen wir f k-Mal stetig differenzierbar und setzen + $ + C^(k) (U) := {f: U -> CC | f "k-Mal stetig differenzierbar"} + $ + sowie + $ + C^(oo) (U):= sect.big _(k = 1) ^(oo) C^(k) (U). + $ +] + +Partielle Ableitungen sind unsere Definition der Richtungsableitung. + += Differentiale hoeheren Ordnungen + +Ist eine Funktion $f: U subset RR^n -> CC$ stetig diffbar, so erhalten wir das Differential $d f (a)$ fuer $a in U$ aus den partiellen Ableitungen von f wie folgt +$ + d f (a) h = sum_(i=1)^(n) partial_(i) f (a) h_(i) = partial_(h) f (a) , space h in RR^n +$ +das bedeutet das Differential beschreibt die lineare Abbildung $d f (a): RR^n -> CC, h |-> partial_(h) f (a)$. + +Ist f zwei mal stetig differenzierbar und $h,k in RR^n $ so exisitert $partial_(h) (partial_(k ) f) (a)$ fuer ein $a in U$ und es gilt +$ + partial_(h) (partial_(k) f) (a) &= partial_(h) (sum_(i=1)^(n) k_i partial_(i) f)(a) = sum_(i=1)^(n) k_i partial_(h) (partial_(i) f)(a) \ + &= sum_(i=1)^(n) k_i sum_(j = 1)^(n) h_(j) partial_(j i ) f (a) = underbrace(sum_(i, j = 1)^(n) partial_(j) partial_(i) f (a) h_(j) k_(i), "Bilinearform in h,k"). +$ + +Q: Koennen die Differentiale in Integralen und der Alternativen schreibweise auch als diese Differentiale aufgefasst werden und wenn ja +wie genau funktioniert das, bzw. wie sehen diese aus? + +#definition[ + Ist $U subset RR^n $ offen, $f in C^(2) (U)$ und $a in U$, so definieren wir das Differential zweiter Ordnung $d^((2)) f (a)$ als die symetrische bilieare Abbildung + $ + d^((2)) f (a) : RR^n times RR^n -> CC, (h,k)|-> partial_(h) partial_(k) f (a) + $ + und die Hesse-Matrix $H_(f) (a)$ von f in a durch + $ + H_(f) (a) := mat( + partial_(1) partial_(1) f (a), partial_(1) partial_(2) f (a), ..., partial_(1) partial_(n) f (a); + partial_(2) partial_(1) f (a), , ; + , , , ; + , , , partial_(n) partial_(n) f (a); + ). + $ +] + +#remark[ + Nach dem Satz von Schwarz gilt dann + $ + H_(f) (a)^(t) = H_(f) (a) + $ + und fuer $h, k in RR^n $ ist + $ + d ^((n)) f (h,k) = h^(t) H_(f) (a) k. + $ +] + +#example[ + Betrachte die symetrische komplexe Matrix A und $f: RR^n -> CC, x |-> x^(t) A x = sum_(i, j = 1)^(n) a_(i j) x_(i) x_j $. \ Dann gilt $H_(f) (x_0 ) = 2 A$ fuer $x_0 in RR^n $. +] +#definition[ + Sei $k >= 1$ und $U subset RR^n $ offen und $f in C^(k) (U)$ und $a in U$. Wir definieren das Differential k-ter Ordnung $d ^((k)) f (a)$ von f in a durch die Abbildung + $ + d^((k)) f (a): RR^n times ... times RR^n, (h^((1)), ..., h^((k)) ) |-> partial_(h^((1)) ) ... partial_(h^((k)) ) f (a). + $ +] + +#remark[ + Wie im Fall $n = 2$ gilt + $ + d ^((k)) f (a) (h^((1)) , ..., h ^((k)) ) = sum_(i_(1) \, ..., i_(k) = 1)^(n) h_(i_(1) ) ^((1)) ... h_(i_(k) ) ^((k)) partial_(i_1 ... i_k ) f (a). + $ + Nach dem Satz von Schwarz ist dies eine symetrische Mutlilinearform. +] + += Satz von Taylor + +Das Ziel ist hier eine Verallgemeinerung der Taylor-Approximation aus der Diff I fuer Funktionen $f in C^(k) (U), U subset RR^n, k in NN$. + +Die Idee ist, dass im Fall von $n = 1$ f im Punkt $x_0 $ durch ein Polynom vom Grad $k$ approximiert werden kann. Diese Methode ist bereits bekannt. + +Nun kann die Funktion durch ein multidimensionales Polynom angenaehert werden. Dabei sind die ersten drei Terme zuerst der konstante Funktionswert, dann der Gradient und dann die Quadrik. + +=== Reduktion auf den eindimensionalen Fall + +Sei $U subset RR^n $ offen und $f in C^(k + 1) (U)$ fuer ein $k in NN, x_0 in U $ und $h in RR^n $ mit $[x_0 , x_0 + h] subset U$. +Betrachte fuer $t in [0, 1]$ die Funktion $g (t) := f (x_0 + t h$. + +Da dieses Funktion g hinreichend oft diffbar ist kann dort der Satz von Taylor angwendet werden es existiert also $xi in [0, 1]$ sodass gilt +$ + g (1) = sum_(j = 0)^(k) (1) / (j!) g^((j)) (0) + underbrace((g^(k + 1) ) / ((k + 1)!), "Restterm"). +$ + +Nach der Kettenregel aus Satz gilt dann noch +$ + g' (t) &= arrow(nabla) f (x_0 + t h) * h = sum_(i=1)^(n) partial_(i ) f (x_0 + t h) h_(i) \ + g ^((2)) (t) &= sum_(i=1)^(n) (arrow(nabla) partial_(i) f (x_0 + t h) h) h_i = sum_(i=1)^(n) sum_(k = 1)^(n) partial_(k) partial_(i) f (x_0 + t h) h_(i) h_(j) \ + g ^((j)) (t) &= sum_(i_(1) )^(n) ... sum_(i_(j) )^(n) partial_(i_1 ) ... partial_(i_j) f (x_0 + t h) h_(i_(1) ) ... h_(i_(j) ) , space 1 <= j <= k \ + &= d ^((j)) f (x_0 + t h) (h, ..., h) := d ^((j)) f (a) h^(j) . +$ +#theorem[ + Verallgemeinerter Taylor. + + Sei $U subset RR^n $ offen und $f in C^(k + 1) (U), k in NN, x_0 in U, h in RR^n $ mit $[x_0 , x_0 + h] subset U$. Dann gilt es ein $xi in [x_0, x_0 + h]$ sodass gilt + $ + f (x_0 + h) = sum_(i=1)^(k) (1) / (i!) d ^((i)) f (x_0 )h^(i) + (d ^(k + 1) f (xi) h ^(k + 1) ) / ((k + 1)!). + $ + +] + +#remark[ + Wie nennen das Polynom + $ + T_(k) f (x_0 , h):= sum_(i=1)^(n) 1/i! d ^((i)) f (x_0 ) h^(i) + $ + das *Taylorpolynom* von f in $x_0 $ von Ordnung $k$. +] + +#example[ + Im Fall $k = 2$ erhalten wir + $ + T_(2) f (x_0, h) = f (x_0 ) + underbrace(sum_(i=1)^(n) partial_(i) f (x_0 ) h_(i), arrow(nabla) f (x_0 ) h) + 1/2 underbrace(sum_(i,j=1)^(n) partial_(j) partial_(i) f (x_0 )h_(i) h_(j), h^(t) H_(f) (x_0 ) h ) + $ +] + +#corollary([ohne Beweis])[ + Ist $U subset RR^n $ offen $f in C^(k) (U)$ fuer ein $k in NN$ und $x_0 in U$ so gilt fuer $h in RR^n, h -> 0 $, dass + $ + f (x_0 + h) = T_(k) f (x_0 , h) + o (norm(h)^(k) ). + $ + Wenn zwei Funktionen $f, g: U -> RR$ auf einer offenen Umgebung von der Null und $g >= 0$, so schreiben wir, dass + $ + f (x) = o ((g x)) "fuer" x -> 0 + $ + falls es fuer jedes $epsilon > 0: exists delta > 0: abs(f (x)) < epsilon g (x) space forall x : norm(x) < delta$. +] + +== Anwendung fuer Maxima und Minima + +#definition[ + Ist $X subset RR^n , f: X -> RR$ eine Funktion und $a in X$ so nennen wir $a$ ein lokales Maximum bzw. lokales Minimum falls + $ + exists U subset X: a in U: f (x) >= f (a) space forall x in U "bzw." f (x) <= f (a) space forall x in V. + $ + Der Punkt $a$ wird dann auch als lokales Extremum bezeichnet. +] + +Lemmas sind auch Beobachtungen. + +#lemma[ + Sei $U subset RR^n $ offen und $f: U -> R$ in $a in U$ diffbar und $a$ ein lokales Extremum von f. Dann gilt + $ + arrow(nabla) f (a) = 0. + $ +] + +#proof[ + Fuer $h in RR^n $ betrachte die Funktion $g (t) = f (a + t h), t in RR$. Dann + ist $a$ lokales Extremum von $g$ und es ist bekannt, dass $g' (0) = 0$. Nach der Kettenregel + erhalten wir + $ + arrow(nabla) f (a) h = 0 space forall h in RR^n => arrow(nabla) f (a) = arrow(0). + $ +] + diff --git a/S2/DiffII/preamble.typ b/S2/DiffII/preamble.typ index 846e5b1..3680316 100644 --- a/S2/DiffII/preamble.typ +++ b/S2/DiffII/preamble.typ @@ -1,8 +1,6 @@ #import "../../data/default.typ": * #import "../../data/theorems.typ": * -#let rot = math.op("rot") -#let grad = math.op("grad") #let conf(num: none, date: "", type: none, body) = { // Global settings diff --git a/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL6.typ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL6.typ new file mode 100644 index 0000000..bf112e0 --- /dev/null +++ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL6.typ @@ -0,0 +1,101 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 6, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +Es gilt +$ + integral _(A) arrow(nabla) times arrow(E) d A = integral.cont arrow(E) d arrow(r), \ + Phi (arrow(r)) = integral_(arrow(r))^(oo) arrow(E) (arrow(s)) d arrow(s). +$ + +== Exkurs Computer + +Die Beschleunigung von Elektronen im Vakuum ist von grosser Relevanz fuer die Entwicklung. + +Entweder werden Elektronen durch ein Streugitter durchgelassen, sodass die Elektronen bis zur Anode fliegen (1) oder die Elektronen werden abgelenkt, +sodass kein Strom fliesst (0). + +== 1.5 Spezielle Ladungsverteilungen + +=== 1.5.1 Elektrisches Feld einer Punktladung + +Bekanntlicher Weise ist das elektrische Feld einer Punktladung gegeben durch: +$ + arrow(E) = (q) / (4 pi epsilon_0 ) (arrow(r)) / (r^3 ). +$ + +Doch wie stellt man korrekt die Punktladung als Ladungsverteilung dar? +Man verwendet +$ + integral.cont _(A) arrow(E) d arrow(A) = (Q) / (epsilon_0 ) \ + integral_(-oo)^(oo) delta (x) d x = 1 \ + integral_(-oo)^(oo) f (x) delta (x) d x = f (0) + +$ +Die Punktladung hat die Ladungsdichte +$ + rho (arrow(r)) = q delta (arrow(r)) = q delta (x) delta (y) delta (z). +$ +Verwende die Poissongleichung zur Berechnung von $Phi (arrow(r)) + arrow(E) (arrow(r))$. + +=== 1.5.2 Das elektrische Feld einer Hohlkugel + +Es gilt, dass die Feldlinien immer Senkrecht auf der Oberflaeche stehen, da sonst die Ladungen so lange verschoben werden wuerden +bis diese verschiebende Komponente verschwindet. Also gilt $arrow(E) || arrow(n)$, wobei $arrow(n)$ der Flaechennormalenvektor ist +$ + ==> integral.cont _(A) arrow(E) d arrow(A) = (Q) / (epsilon_0 ). +$ +Angenommen die Gesamtladung ist $Q$. Betrachte das Feld ausserhalb der Kugel $r>R_0 $. +Hier werden Kugelkoordinaten verwendet mit einer kugelsymetrischen Ladungsverteilung $rho$. $arrow(E)$ weist in Richtung von $arrow(r)$ ($arrow(E) || arrow(n)$). +Auch ist $r$ konstant, da wir eine Kugel betrachten. + +Berechne das Feld ausserhalb der Kugel +$ + integral.cont _(A) arrow(E) d arrow(A) = abs(arrow(E)) integral.cont _(A) d arrow(A), \ + integral.cont _(A) d arrow(A) = integral_(0 = phi)^(2 pi) integral_(0 = psi)^(pi) r^2 sin (psi) d psi d phi = 4 pi r^2, \ + ==> E = 4 pi r^2 = (Q) / (epsilon_0 ) ==> E = k (Q) / (r^2 ), space r > R_0. +$ + +Nun betrachten wir einen Punkt, welcher innerhalb der Kugel liegt. + +Q: Wie elektrisches Feld mit einem Oberflaechenintergral im Raum (e.g. Kugelobeflaeche) bestimmen? + +Die eingeschlossene Ladung einer Kugel mit dem selben Mittelpunkt als die Ladungskugel aber mit kleinerem Radius ist Null +$ + ==> ^(?) E = 0. +$ + +Ausserhalb der Kugel gilt +$ + Phi (r) = integral_(r)^(oo) E (arrow(s))d arrow(s) = (Q) / (4 pi epsilon_0 ) integral_(r)^(oo) (1) / (s^2 ) d s = k (Q) / (r) = Phi (r). +$ + +Innerhalb gilt +$ + Phi (r) = integral_(r)^(R_0 ) 0 d s + integral_(R_(0) )^(oo) k (Q) / (s ^2 ) d s = 0 + k (Q) / (R_(0) ), \ + ==> "Potential innerhalb der Kugel ist" Phi = k (Q) / (R_(0) ). +$ + +Allgemein gilt, dass in jeder komplett geschlossenen leitenden Huelle das elektrische Feld Null ist. Dies gilt auch fuer elektromagnetische Wellen. Dieser Zusammenhang kann mithilfe +eines Faraday'schen-Kaefigs demonstriert werden. + +Auch ist es so, dass die Ladungen in einem Kaefig nur auf er Aussenseite sitzen und auf der Innenseite alles neutral ist. + diff --git a/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL7.typ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL7.typ new file mode 100644 index 0000000..31e2664 --- /dev/null +++ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL7.typ @@ -0,0 +1,98 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 7, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + +Literatur: Feynman lectures on physics + += Uebersicht + +Beantworten der Frage von letzter Stunde. + +Mit dem Gesetz von Gauss koennen wir innerhalb eines Kondensators keine Aussage uber das elektrische Feld machen. + +Q: Wie kann das elektrische Feld eines Faradaykaefigs mit bestimmter Lochgroesse +im Vergleich zum elektrischen Feld in einer voll geschlossenen Oberflaeche berechnet werden? + +$ + abs(E) integral.cont d arrow(A) = (Q_("ein") ) / (epsilon_0 ) = 0 \ + ==> arrow(E) = 0 +$ + +Q: Wie kann ich mir vorstellen, dass $E = 0$ in geladener Kugel? + +Konstruiere den Schnitt von gegenueberligenden Kegeln mit der Kugeloberflaeche. + +Diese heben sich genau weg. Das geht nur wegen der $1/r^2 $ abhaengigkeit der staerke des elektrischen Feldes. + +Bedeutung der *Abschirmlaenge* bei gladenen Oberflaechen. + +Was ist die maximale Aufladung eines metallischen Objekts (z.B. Becher)? + +Auf das Aeussere des Bechers koennen keine Ladungen aufgebracht +werden falls das Potentials des Bechers gleich dem Potential der Stromquelle ist. + +Im Inneren verteilen sich die Ladungen immer nach Aussen, da das elektrische Feld im Innern immer Null sein muss. + += Van de Graaf Generator + +Situation bei leitender Vollkugel. + +Ladungen bewegen sihch in leitern frei $==>$ Ladungen bewegen sich so lange bis keine +Kraft mehr auf sie wirkt d.h. kein Feld mehr vorhanden ist. + +Feld treibt Ladungen auf Oberflaeche $==>$ im Innern ist $E = 0 and Q = 0$, da in Leitern keine Potentialdifferenz $phi = "const"$ sonst. + +Gesamte Ladung auf sammelt sich auf der aeusseren Oberflaeche. + +#remark[ + Geladene nicht leitfaehige Vollkugel ist nicht feldfrei. +] + +=== 1.5.3 Der elektrische Dipol + +Zwei entegegengesetzte Ladungen mit $Q_(1) = - Q_(2) $ sind gegeben. + +Das Dipolmoment ist gegeben durch +$ + arrow(p) = Q * arrow(d) , space arrow(d) "zeigt von - nach plus". +$ + +Im $arrow(E)$-Feld wirkt auf Dipol ein Drehmoment +$ + arrow(D) = arrow(p) times arrow(E). +$ + +Ein Dipol erfaehrt im homogenen Feld keine tranlatorische Aenderung. Die potentielle Energie $E_("pot") = Q phi_1 - Q phi_2 $ kann mit $(phi_1 - phi_2)/(arrow(d)) = arrow(nabla) phi "und" arrow(E) = -arrow(nabla) phi$ umgeschrieben werden +$ + E_("pot") = - arrow(p) arrow(E). +$ + +=== 1.5.4 Feldstaerke von einer gladenen Spitze + +Im Modell sind zwei verbundene Kugeln geladen mit den Radien $R_(1) and R_(2) $ und den Ladungen $Q_(1) and Q_(2) $, mit Flaechenladungsdichten. + +Kugeln sind verbunden +$ + ==> phi_1 = phi_2 ==> (Q_(1) ) / (4 pi epsilon_0 R_(1) ) = (Q_(2) ) / (4 pi epsilon_0 R_(2) ) and E = sigma/epsilon_0 ==> sigma_1 R_(1) = sigma_2 R_(2) \ + ==> E_1 R_(1) = phi = E_(2) R_(2) ==> E_2 = phi/R_(2). +$ + +Der *elektrostatische Wind* treibt Flugrad. Dieser entsteht durch Entladung an einer scharfen Spitze. +Dieser Wind kann mit einer Kerze sichtbar gemacht werden. + diff --git a/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL8.typ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL8.typ new file mode 100644 index 0000000..850554f --- /dev/null +++ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL8.typ @@ -0,0 +1,156 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 8, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +== Dipol im elektrischen Feld + +Das Dipolmoment ist gegeben durch +$ + arrow(p) = d q. +$ +Dieses haengt im allgemeinen vom Bezugssystem ab. +Im homogenen Feld wird keine translatorische Kraft auf den Ladungsschwerpunkt. + +=== 1.5.5 Elektrisches Feld vor unendlich grosser geladener Platte + +Wir haben schon betrachtet, dass $E = (sigma) / (2 epsilon_0 ) $ vor einer unendlich ausgedehnten Platte. +Diese Rechnung kann einfach mit Gauss ueberprueft werden + +$ + Phi = integral.cont arrow(E) d arrow(A) = integral _(d A) (sigma) / (epsilon_0 ) d A = integral_(0)^(R) r d r = integral_(0)^(2 pi) d phi (sigma) / (epsilon_0 ) \ + = 1/2 4 pi R^2 E = 1/2 (sigma) / (epsilon_0 ). +$ + +=== 1.5.6 Zwei parallelen Platten unendlich ausgedehnt + +Mit dem Superpositionsprinzip addieren sich die Felder der beiden Platten auf. +Dadurch ist das Feld im + +=== 1.6.1 Influenz + +Dies beschreibt den Einfluss eines E-Feldes auf Materie. +Im Feld wirkt eine Kraft von +$ + arrow(F) = q * arrow(E). +$ +Diese Kraft wirkt so lange wie sich die Ladungen verschieben lassen und sich ein +Gleichgewicht einstellt. Dies gilt nur bei Leitern. + +=== 1.6.2 Kondensator + +Zwei gegenuebliegende leitende Platten, welche durch eine isolierende Schicht getrennt sind bilden +einen sogenannten *Kondensator*. Das isolierende Medium wird Dielektrikum genannt. + +Es ergibt sich dann (auch experimentell) der Zusammenhang +$ + C = Q/U. +$ + +Ladungen zu speichern wird Kapazitaet genannt. Eine typische Kapazitaet ist +$ + "pF" = 10^(-12) F "und" "nF" = 10^(-9) F. +$ + +Ein typischer Kondensatortyp ist der Plattenkondensator. + +Hier gilt wie gezeigt (beide platten haben betragsmaessig die gleiche Flaechenladungsdichte) +$ + E = (sigma) / (epsilon_0 ). +$ +Der Spannungsabfall ueber dem Kondensator ist gegeben durch +$ + U = integral_(0)^(d) E (x) d x = (sigma) / (epsilon_0 ) d. +$ +Mit $sigma = Q/A ==> U = (Q) / (epsilon_0 A) $ ergibt sich fuer die Kapazitaet des P-Kondensators +$ + C = Q/U = (A) / (epsilon_0 d). +$ +Diese Rechnung gilt nur fuer $A >> d$. + +Im elektrischen Feld ist Energie gespeichert (wie ist das zu verstehen) +$ + W = U Q. +$ +Bringe eine Ladung $d q$ auf eine Platte +$ +==> d W = U d q ==> W = integral_(0)^(Q) U d q = integral_(0)^(Q) (q) / (C) d q = 1/2 Q^2 /C. +$ +Im Plattenkondesator ist $C = (epsilon_0 A) / (d) , U = E d$ ferner ist +$ + W_("el") = 1/2 epsilon_0 E^2 * V \ + ==> sigma_(K) = W/V = 1/2 epsilon_0 E^2, +$ +wobei $sigma_(K) $ die Energiedichte des Kondensators ist. + +Experimentell kann getestet werden wie sich ein Plattenkondensator bei Veraenderung des Plattenabstands verhaelt. + +Dabei nutzen wir +$ + W = 1/2 (Q^2 ) / (C) = 1/2 (Q^2 ) / (epsilon_0 A) d , space C = (epsilon_0 A) / (d) \ + U = Q/C. +$ + +Die Energie ist wirklich im elektrischen Feld gespeichert (Trennungsenergie). Fuer beliebige Geometrien gilt +$ + w_("el") = 1/2 epsilon_0 E^2. +$ + +== Anwendung Kondensator + +Ein Smartphone hat rund $10^(9) $ Kondensatoren (diese sind im DRAM verbaut). + +Q: Wie viele Elektronen sind in all diesen Kondensatoren gespeichert? + +Berechne +$ + Q = n * e = C * U ==> n = (C U) / (e). +$ + +Q: Wie lange wuerde eine Fahrradlampe mit $I = 0.2 A$ leuchten (wenige Pikosekunden)? + +Berechne +$ + t = Q/I = (n * e) / (I). +$ + +Es gibt Messgeraete mit welchen einzelene Photonen gemessen werden koennen. + +Nur wenn man einen Kondensator kurzschliesst, dann gibt es eine schnelle Entladung. + += Schaltungen + +Parallelschaltung + +$ + Q = Q_(1) + Q_(2) = C_(1) U + C_(2) U = (C_(1) + C_(2) ) U +$ + +Reiehnschaltung + +$ + U = U_1 + U_2 = +$ + +=== 1.6.3 nichtleitende Stoffe (Dielektrika) + +$ + C = epsilon _(r) C_0 +$ diff --git a/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL9.typ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL9.typ new file mode 100644 index 0000000..c1d69cd --- /dev/null +++ b/S2/ExPhyII/VL/ExIIVL9.typ @@ -0,0 +1,183 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 9, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +Wiederholung zum Kondensator + +$ + W = 1/2 (Q^2 ) / (C) = 1/2 (Q^2 ) / (epsilon_0 A) d \ + d W = U d q. +$ + +=== 1.6.3 nichtleitende Stoffe Dilektrika im E-Feld + +Beim Versuch wurde ein Dielektrikum zwischen einen Plattenkondensator gebracht. +- Lade den Kondensator auf $U_0 $ auf, dann nehme den Kondensator vom Netz +- $U_0 = (Q) / (C) $ +- Bringe das Dielektrikum in den Kondensator +- $U > U^("Diel") -> "Da" Q "gleich" -> C "muss mit Dielektrikum groesser als ohne werden"$ + +Dabei laesst sich feststellen, dass +$ + E_("Diel") = (E) / (epsilon_(r) ) \ + C = epsilon_(r) C_0. +$ + +Verschiedene Materialien haben verschiedene relative Dielektrizitaetskonstanten. +Ein Metall ist der Extremfall eines Isolators. + +==== 1.6.3.1 Dielektrische Polarisation + +Wie bei der Influenz im aeusseren E-Feld werden Ladungen im Dielektrikum verschoben. Da Dielektrikum ein Nichtleiter ist erfolgt nur eine Verschiebung der Ladung +auf mikroskopischer Ebene. Dies wird induzierte Polarisation genannt. + +Die *atomare Polarisierarbeit* verschiebt die Elektronenwolke um ein Atom. +Fuer das Dipolmoment gilt bekanntlicherweise +$ + arrow(p) = d arrow(d) \ + arrow(p) = alpha arrow(E), +$ +wobei $alpha$ die Polarisierbarkeit (ein Mass fuer die Rueckstellkraefte im Atom, welche der Verschiebung entgegenwirken) ist. + +Die Verschiebung geht so weit bis die Rueckstellkraefte die verschobene Ladung kompensieren +$ + arrow(F) = q arrow(E). +$ + +Auch gibt es die *Orientierungspolarisation*, welches die Ausrichtung vorhandener Dipole beschreibt. + +Als Beispiel wird hier Wasser angefuehrt mit einem Dipolmoment $arrow(p)$. Durch ein elektrisches Feld erfahren die Molekuele keine Translation +wohl aber richten sie sich aus. + +#definition[ + Die Polarisation ist gegeben durch + $ + arrow(P) = 1/V sum_(i=1)^(n) arrow(p) , space arrow(p): "Dipol im Molekuel". + $ +] +Falls alle Dipole parallel zum E-Feld sind +$ + arrow(p) = N arrow(p) = N q arrow(d), N = "Anzahl der Dipole pro Volumen". +$ + +==== 1.6.3.2 Polarisationsladungen + +Dies Orientiert sich am Giffiths. + +Durch die Ausrichtung von Dipolen oder induzierten Dipolen enstehen sogenannte Polarisationsladungen z.B. an den Stirnflaechen eines +Dielektrikums. + +Der spezialfall vom homogenen elektrischen Feld und einem homogenen Dielektrikum. + +Welches zusatzliche E-Feld wird von der polarisierten Materie erzeugt? Hier befindet sich die Materie im externen E-Feld. + +Berechne zunaechst Potential $Phi_(d) $ an Stelle $arrow(r)$ fuer den allgemeinen Fall eines inhomogenen E-Feldes +$ + Phi_(d) (arrow(r)) = (1) / (4 pi epsilon_0 ) (arrow(p) (arrow(r) - arrow(r)')) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')^3 ). +$ +Hier ist $arrow(r)$ irgendein Punkt im Raum und $arrow(r)'$ die Position der einzelenen Dipole $arrow(p)$. + +Das Potential fuer alle Dipole ist gegeben durch +$ + Phi_(D) = (1) / (4 pi epsilon_0 ) integral.vol d arrow(r)' (arrow(P) (arrow(r)') (arrow(r) - arrow(r)')) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')^3 ), +$ +mit +$ + arrow(p) = arrow(P) d arrow(r)' =^(?) arrow(P) (arrow(r)'). +$ + +Mit +$ + arrow(nabla)' ((1) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')) ) = (abs(arrow(r) - arrow(r)')) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')^3 ) +$ +folgt +$ + Phi_(D) (arrow(r)) = (1) / (4 pi epsilon_0 ) integral.vol d arrow(r)' arrow(P) (arrow(r)') * arrow(nabla) ' ((1) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')) ). +$ +Verwende nun die Produktregel $(f g)' = f' g + f g'$ +$ + Phi_(D) (arrow(r)) &= (1) / (4 pi epsilon_0 ) integral.vol d arrow(r)' [arrow(nabla) ' ((arrow(P) (arrow(r)'))/(abs(arrow(r)- arrow(r)'))) - (1) / (abs(arrow(r) - arrow(r)')) (arrow(nabla) ' * P (arrow(r)'))] \ + &= (1) / (4 pi epsilon_0 ) underbrace(integral.cont _(A) d arrow(A)' (arrow(P) (arrow(A)')) / (abs(arrow(r)- arrow(r)')), "I") - (1) / (4 pi epsilon_0 ) underbrace(integral.vol d arrow(r)' (1) / (abs(arrow(r)- arrow(r)')) (arrow(nabla) ' arrow(P) (arrow(r)')), "II"). +$ + +Dabei sieht I aus wie das Potentaial einer Oberflaechenladung +$ + d arrow(A) = d a * hat(n). +$ +#definition[ + Gebundene Oberflaechenpolarisation + $ + sigma_(g) = arrow(P) * hat(n). + $ + Gebundene Volumenpolarisation + $ + rho_(g) = - arrow(nabla) * arrow(P). + $ + +] + +Und II sieht aus wie das Potential eines Volumenladung +$ + ==> Phi_(D) (arrow(r)) = (1) / (4 pi epsilon_0 ) integral.surf (sigma_(g) (arrow(r)')) / (abs(arrow(r)- arrow(r)')) d arrow(r)' + (1) / (4 pi epsilon_0 ) integral.vol (rho_(g) (arrow(r)')) / (abs(arrow(r)- arrow(r)')) d arrow(r)' +$ + +== 1.7 Die dielektrische Verschiebung und Suszeptibilitaet + +Q: Wie gross ist das E-Feld im Dielektrikum? + +Die gesamte Ladungsdichte im Dielektrikum ist gegeben durch +$ + rho = rho_(g) + rho_(f) , space rho_(f): "freie Ladungen keine Folge der Polarisation". +$ + +Mit dem Gausschen Gesetz folgt +$ + epsilon_0 arrow(nabla) arrow(E) = rho = rho_(g) + rho_(f) = - arrow(nabla) * arrow(P) + rho_(f) \ + ==> arrow(nabla) (epsilon_0 arrow(E) + arrow(P)) = rho_(f). +$ + +#definition[ + Dielektrische Verschiebung + $ + arrow(D) = epsilon_0 arrow(E) + arrow(P). + $ +] + +Dann folgt das Gaussche Gesetz fuer diese dielektrische Verschiebung +$ + arrow(nabla) arrow(D) = phi_(f) ==> integral.cont arrow(D) d arrow(A) = Q_("feing"). +$ + +Die dielektrische Verschiebung $arrow(D)$ haengt nur von den freien Ladungstraegern ab, welche oft bekannt sind. + +Verbindung zur mikroskopischen Groessen +$ + arrow(P) = epsilon_0 chi_(e) arrow(E) , space chi_(e) = (N alpha) / (epsilon_0 ) : "elektrische Suszeptibilitaet". +$ + +Wir koennen auch umschreiben +$ + arrow(D) &= epsilon_0 arrow(E) + arrow(P) = epsilon_0 arrow(E) + epsilon_0 chi_(e) arrow(E) = epsilon_0 underbrace((1 + chi_(e) ), epsilon_(r) )arrow(E)\ + &= epsilon_0 epsilon_(r) arrow(E) = epsilon arrow(E). +$ + +Im allgemeinen gilt nicht, dass $arrow(D) = arrow(E) $, da nicht $rot(arrow(P)) = 0$ gelten muss. + diff --git a/S2/Neuro/VL/NeuroVL4.typ b/S2/Neuro/VL/NeuroVL4.typ new file mode 100644 index 0000000..bc4172f --- /dev/null +++ b/S2/Neuro/VL/NeuroVL4.typ @@ -0,0 +1,40 @@ +// Main VL template +#import "../preamble.typ": * + +// Fix theorems to be shown the right way in this document +#import "@preview/ctheorems:1.1.3": * +#show: thmrules + +// Main settings call +#show: conf.with( + // May add more flags here in the future + num: 5, + type: 0, // 0 normal, 1 exercise + date: datetime.today().display(), + //date: datetime( + // year: 2025, + // month: 5, + // day: 1, + //).display(), +) + += Uebersicht + +- Convolution +- Correlation +- Linearity and its problems + +Linearization of problems is used for saving energy also by the brain. + +Gabor functions look like +$ + g (x) = (1) / (sqrt(2 pi sigma)) exp((- (x - x_0 )^2 ) / (2 pi sigma)) "trig"(k x). +$ +Those can be used to model response patterns of some tissues. + +Filter operation is always a convulution. + +In the brain every cell is oriented to a specific point in space. + +Next time we will make applications of convolutions and correlations. + diff --git a/S2/PyCourse/input.txt b/S2/PyCourse/input.txt deleted file mode 100644 index d734d17..0000000 --- a/S2/PyCourse/input.txt +++ /dev/null @@ -1 +0,0 @@ -Have to find out when and what will be done in the Uebung. diff --git a/book.typ b/book.typ index 45fd7fd..24939f6 100644 --- a/book.typ +++ b/book.typ @@ -25,6 +25,13 @@ - #chapter("S2/ExPhyII/index.typ")[ExPhy II] - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL1.typ")[Einleitung und Historisches] - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL2.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL3.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL4.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL5.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL6.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL7.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL8.typ")[Elektrostatik] + - #chapter("S2/ExPhyII/VL/ExIIVL9.typ")[Elektrostatik] - #chapter("S2/CWR/index.typ")[CWR] - #chapter("S2/CWR/VL/CwrVL1.typ")[Nullstellen und Integration] @@ -43,6 +50,9 @@ - #chapter("S2/Neuro/index.typ")[Computational Neuroscience] - #chapter("S2/Neuro/VL/NeuroVL1.typ")[Verschiedene Ebenen] + - #chapter("S2/AGLA/index.typ")[AGLA II] + - #chapter("S2/AGLA/VL/AgIIVL7.typ")[Moduln] + = Semester III ] diff --git a/data/default.typ b/data/default.typ index 270f444..a03720f 100644 --- a/data/default.typ +++ b/data/default.typ @@ -15,8 +15,6 @@ // set heading(numbering: "1.1") set par(justify: true) - // set par(justify: true) - // equation setup show ref: equate show: equate.with(number-mode: "label", breakable: false) @@ -34,7 +32,6 @@ ($..$, $quad$), ) - // shiroa/zeta setup body } @@ -45,7 +42,14 @@ #let lin = math.op("lin") #let arccot = math.op("arccot") +// custom operators +#let sign = math.op("sign") +#let rot = math.op("rot") +#let grad = math.op("grad") +#let div = math.op("div") + // flashcards #let flashcard(id, front, back) = { back } + diff --git a/data/theorems.typ b/data/theorems.typ index 7f100b3..09ea03b 100644 --- a/data/theorems.typ +++ b/data/theorems.typ @@ -76,21 +76,26 @@ // Other boxes and fields -#let note = thmbox( //nte +#let note = thmenv( //pro "note", - "Note", - bodyfmt: body => [ - // Just make the text normally formatted - #body #h(1fr) -] + none, + none, + (name, number, body, color: black) => [ + #v(0.5em) + #align(left, [_Note_: #name #body]) #h(1fr) // float a QED symbol to the right + #v(0.5em) + ] ).with(numbering: none) -#let remark = thmplain( //rem +#let remark = thmenv( //pro "remark", - "Remark", - bodyfmt: body => [ - #body #h(1fr) -] + none, + none, + (name, number, body, color: black) => [ + #v(0.5em) + #align(left, [_Remark_: #name #body]) #h(1fr) // float a QED symbol to the right + #v(0.5em) + ] ).with(numbering: none) #let proof = thmenv( //pro @@ -98,6 +103,7 @@ none, none, (name, number, body, color: black) => [ + #v(0.5em) #align(left, [_Proof_: #name #body]) #h(1fr) $square$ // float a QED symbol to the right #v(0.5em) ] @@ -109,3 +115,4 @@ fill: rgb("#efefff99"), ).with(numbering: none) +