Elliptisches Nomen
In der Mathematik ist das Elliptische Nomen (analog zum englischen Wort "nome": Bezirk, Name) eine nicht elementare Funktion. Diese Funktion entsteht durch eine elementare Kombination aus vollständigen elliptischen Integralen erster Art. Das elliptische Nomen findet in der Theorie über elliptische Modulfunktionen Anwendung. Alternativ kann nach Robert Fricke das elliptische Nomen auch als Jacobische Entwicklungsgröße bezeichnet werden.
Definition
Das Elliptische Nomen ist der Exponentialfunktionswert vom negativem Produkt aus der Kreiszahl und dem reellen Halbperiodenverhältnis. Das reelle Halbperiodenverhältnis ist der Quotient des vollständigen Elliptischen Integrals erster Art vom pythagoräisch komplementären Modul dividiert durch das vollständige elliptische Integral erster Art vom Modul selbst. Jener elliptische Modul bildet die Abszisse der elliptischen Nomenfunktion. Das Elliptische Nomen[1] wird mit dem Buchstaben q gekennzeichnet:
Dabei ist das vollständige elliptische Integral erster Art auf folgende Weise[2] definiert:
Zum imaginären Halbperiodenverhältnis steht das elliptische Nomen in diesem Zusammenhang:
Denn es gilt:
Das imaginäre Halbperiodenverhältnis wird mit dem kleinen griechischen Buchstaben Tau abgekürzt.
Kurvendiskussion
Verlauf des Graphen
Alle reellen x-Werte des Intervalls [-1;+1] werden in der Nomenfunktion q(x) reellen Zahlen zwischen eingeschlossen Null und eingeschlossen Eins zugeordnet. Die elliptische Nomenfunktion ist zur Ordinatenachse achsensymmetrisch. Somit gilt: q(x) = q(-x). Sie verläuft durch den Koordinatenursprung mit der Steigung Null und der Krümmung Plus Ein Achtel. Für das reellwertige Intervall ]-1;+1[ ist die elliptische Nomenfunktion q(x) streng monoton linksgekrümmt.
Maclaurinsche Reihe
Die Maclaurinschen Reihe von q(x) hat an allen Stellen[3] geradzahlige Exponenten und positive Koeffizienten:
Der Konvergenzradius dieser Maclaurin-Reihe ist 1. Hierbei ist Ks(n) (OEIS A005797) eine Zahlenfolge von ausschließlich natürlichen Zahlen Ks(n) ∈ ℕ für alle natürlichen Zahlen n ∈ ℕ und sie gehorcht folgender Erzeugungsvorschrift:
Als Startwert gilt der Wert Ks(1) = 1 und die darauf folgenden Werte dieser Folge werden mit jenen zwei für alle Zahlen n ∈ ℕ gültigen Formeln erzeugt:
Somit gilt auch:
Diese Zahlenfolge[4] Ks(n) wurde durch den tschechischen Mathematiker[5] und Feenschachkomponisten Václav Kotěšovec[6] (geboren im Jahre 1956) erforscht.
Mit ZA(n) wird eine Abwandlung[7] (OEIS A036917) der Apery-Folge[8] bezeichnet, welche durch die Mathematiker Sun Zhi-Hong und Reinhard Zumkeller erforscht wurde.
Von diesen beiden Folgen werden im nun Folgenden einige Zahlen genannt:
Position n | Folgenzahl ZA(n) | Folgenzahl Ks(n) |
---|---|---|
1 | 1 | 1 |
2 | 8 | 8 |
3 | 88 | 84 |
4 | 1088 | 992 |
5 | 14296 | 12514 |
6 | 195008 | 164688 |
7 | 2728384 | 2232200 |
8 | 38879744 | 30920128 |
9 | 561787864 | 435506703 |
10 | 8206324928 | 6215660600 |
11 | 120929313088 | 89668182220 |
12 | 1794924383744 | 1305109502496 |
13 | 26802975999424 | 19138260194422 |
14 | 402298219288064 | 282441672732656 |
15 | 6064992788397568 | 4191287776164504 |
16 | 91786654611673088 | 62496081197436736 |
17 | 1393772628452578264 | 935823746406530603 |
Václav Kotěšovec schrieb die Zahlenfolge Ks(n) auf der Onlineenzyklopädie der Zahlenfolgen bis zur siebenhundertsten Folgenzahl nieder.
Außerdem gilt:
Die Maclaurinsche Reihe des Nomens vom Quotienten der identischen Abbildungsfunktion dividiert durch ihren Pythagoräischen Nachfolger lautet so:
Denn es gilt:
Mit dem Buchstaben i wird die imaginäre Einheit repräsentiert.
Exemplarische Herleitung der Zahlenfolge
Es gilt mit dem Startwert Ks(1) = 1:
Tabelle aller Folgen:
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
ZA(n) | 1 | 8 | 88 | 1088 | 14296 | 195008 | 2728384 |
16ZA(n-1)-ZA(n) | 8 | 40 | 320 | 3112 | 33728 | 391744 | |
Ks(n) | 1 | 8 | 84 | 992 | 12514 | 164688 | 2232200 |
Exemplarische Erzeugung:
Die Faktoren kommen aus den beiden letzten Zeilen der Tabelle.
Außerdem gilt:
Erste Exemplare:
Werte und Theoreme
Liste der Werte
Im nun Folgenden werden einige Nomenfunktionswerte angegeben:
Dabei steht der Großbuchstabe Phi für die Goldene Zahl.
Potenzierungsgesetze
Alle Potenzen mit dem Nomen von einer positiven algebraischen Zahl als Basis und einer positiven rationalen Zahl als Exponent ergeben Nomina von positiven algebraischen Zahlen:
Beispielsweise gilt:
Für algebraische x-Werte im reellwertigen Intervall [-1;1] sind die abgebildeten Sinus-Amplitudinis-Ausdrücke nach Jacobi immer algebraisch.
Generell gilt für alle natürlichen Zahlen n:
Das Theorem für die Kubizierung kann vereinfacht auch so parametrisiert werden:
Rechenhinweise
Folgende Sinus-Amplitudinis-Ausdrücke lösen nachfolgende Gleichungen:
Dreiteilung:
löst die Gleichung |
Fünfteilung:
löst die Gleichung |
Siebenteilung:
löst die Gleichungen und | |
Elfteilung:
löst die Gleichung |
Pythagoräische und tangentielle Modulgegenstücke
Wenn zwei Zahlen a und b positive zueinander Pythagoräische Gegenstücke sind und somit a² + b² = 1 ist, dann gilt: ln[q(a)] ln[q(b)] = π²
Wenn zwei Zahlen c und d positive zueinander tangentielle Gegenstücke sind und somit (c + 1) (d + 1) = 2 ist, dann gilt: ln[q(c)] ln[q(d)] = 2π²
Somit sind folgende vier Darstellungen für alle reellen Zahlen x gültig und ergeben überall reelle Werte:
Pythagoräische Gegenstücke:
Tangentielle Gegenstücke:
Beispiele für die Ermittlung der Nomina
Beispiel 1:
Für x = 0 entsteht aus der Formel der Pythagoräischen Gegenstücke diese Gleichung:
Beispiel 2:
Für x = 0 entsteht aus der Formel der tangentiellen Gegenstücke diese Gleichung:
Beispiel 3:
Für x = sqrt(3) entsteht aus der Formel der Pythagoräischen Gegenstücke jene Gleichung:
Aus dem vorher genannten Theorem für die Kubizierung ergibt sich für w = 1/sqrt(2) folgende Gleichung:
Die Lösung des Gleichungssystems mit zwei Unbekannten lautet dann so:
Ableitungen und Differentialgleichungen
Ableitungsliste
Die elliptische Nomenfunktion wird so abgeleitet:
Die zweite Ableitung lautet wie folgt:
Und die dritte Ableitung nimmt diese Form an:
Dabei ist das vollständige elliptische Integral zweiter Art auf folgende Weise definiert:
Synthese der quartischen Differentialgleichung
Aus diesen Gleichungen folgt durch die Eliminierung des vollständigen elliptischen Integrals zweiter Art:
Somit gilt diese quartische Differentialgleichung[9] dritter Ordnung:
Entdeckung und Anwendung
Summenreihen und Produktreihen
Durch Richard Dedekind wurde das Elliptische Nomen erforscht und dieses bildet in seiner Theorie über die Etafunktion das Fundament. Das Elliptische Nomen bildet den Anfangspunkt bei der Konstruktion der Lambert-Reihe und wird als Abszisse in den Theta-Nullwertfunktionen von Carl Gustav Jacobi den algebraischen Kombinationen des Arithmetisch Geometrischen Mittels zugeordnet. Generell werden sehr viele Reihenentwicklungen durch das Elliptische Nomen[10] beschrieben:
Das Viereck stellt die Quadratzahlen von n dar, weil in der regulären Schreibweise ein Exponent im Exponent zu klein aussieht. Es gilt also: □(n) = n²
Mit E(ε) wird das vollständige elliptische Integral zweiter Art zum Ausdruck gebracht, welches das Verhältnis des Viertelumfangs zur größeren Halbachse bei der Ellipse mit der spezifischen Exzentrizität ε nennt.
Zeta Amplitudinis und Delta Amplitudinis
Die elliptischen Funktionen Zeta Amplitudinis und Delta Amplitudinis können vereinfacht mit der elliptischen Nomenfunktion[11] definiert werden:
Beide Formeln gelten im reellen Zahlenbereich für alle k-Werte von ausgeschlossen −1 bis ausgeschlossen +1.
Sukzessiv können dann die Jacobischen Funktionen Sinus Amplitudinis und Cosinus Amplitudinis aufgestellt werden:
Vollständige elliptische Integrale
Ebenso kann das Nomen für die Definition von den vollständigen elliptischen Integralen erster Art und zweiter Art verwendet werden:
In diesem Falle ist Theta-Strich die Ableitung der genannten Theta-Nullwertfunktion.
Bringsches Radikal
Auch das zum Lösen von quintischen Gleichungen dienende Bringsche Radikal kann mit dem Nomen vereinfacht elliptisch definiert werden.
Gemäß der Standarddefinition nach Bring mit positiver erster Ableitung ist das Bringsche Radikal die Umkehrfunktion von der Summe aus fünfter Potenzfunktion und identischer Abbildungsfunktion:
Diese Funktion hat für alle reellen Werte diese elliptisch formulierte Identität:
Das elliptische Nomen eingesetzt in die Rogers-Ramanujan-Kettenbruchfunktion und die Thetafunktion ergibt diese Identität.
Dabei gilt für die genannten elliptischen Funktionen:
Und das Quadrat des Cotangens Lemniscatus Hyperbolicus von der Hälfte des Areacosinus Lemniscatus Hyperbolicus hat folgende algebraische Identität:
Liste der Identitätsformeln
In Kombination mit den Thetafunktionen liefert das elliptische Nomen die Werte der Jacobischen Amplitudenfunktionen:
Herleitungsformeln für die Thetafunktionsquotienten
Diese Identitäten dienen zur Herleitung der genannten Thetafunktionsquotienten:
Dieser Wert auf beiden Seiten der Gleichungswaage löst als y-Wert folgende Gleichung auf:
Und es gilt weiter:
Jener Wert auf beiden Seiten der Gleichungswaage löst als z-Wert nachfolgende Gleichung auf:
Herleitung von der Ableitung der Hauptthetafunktion
Die Ableitung der Hauptfunktion unter den Jacobischen Thetafunktionen kann auf folgende Weise mit Hilfe der Kettenregel und der Ableitungsformel des elliptischen Nomens hergeleitet werden:
Denn es gilt die nun genannte Identität zwischen Thetafunktion und elliptischem Integral erster Art:
Daraus folgt diese Gleichung:
Es gilt für die vollständigen elliptischen Integrale zweiter Art folgende Identität:
So entsteht mit dieser Modulidentität folgende Umformung:
Weiter gilt diese Identität:
Mit den Thetafunktionsausdrücken ϑ₀₀(x) und ϑ₀₁(x) kann die gezeigte Formel so dargestellt werden:
Daraus folgt jene Endgleichung:
Umkehrfunktion
Die Umkehrfunktion des elliptischen Nomens, invertiertes oder inverses Nomen genannt, ergibt sich als Quotient der Theta-Nullwertfunktionsquadrate. Die Ausdrucksweise dieser Umkehrfunktion beinhaltet ein q in Basisstellung und eine Minus Eins in Dachklammern in Exponentenstellung:
Nach der Definition der Thetafunktionen durch Sir Edmund Taylor Whittaker und Professor George Neville Watson gilt:
Somit gilt gemäß der Definition für 0 ≤ x ≤ 1:
Für das invertierte Nomen kann diese Reihenentwicklung aufgestellt werden:
Mit dem Delta werden die Dreieckszahlen von n dargestellt: Δ(n) = n(n+1)/2
Auf der Grundlage der Definition des invertierten Nomens über die Thetafunktionen kann auch die Elliptische Lambdafunktion definiert werden:
Demnach kann das invertierte Nomen für |x| ≤ 1 auch so definiert werden:
Literatur
- Milton Abramowitz and Irene A. Stegun: Handbook of Mathematical Functions, (1964) Dover Publications, New York. OCLC 1097832. See sections 16.27.4 and 17.3.17. 1972 edition: ISBN 0-486-61272-4
- Tom M. Apostol: Modular Functions and Dirichlet Series in Number Theory, Second Edition (1990), Springer, New York: ISBN 0-387-97127-0
- Folkmar Bornemann, Dirk Laurie, Stan Wagon und Jörg Waldvogel: Vom Lösen numerischer Probleme, Seite 275
- Toshio Fukushima: Fast Computation of Complete Elliptic Integrals and Jacobian Elliptic Functions. 2012, National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台)
- Nikolaos Bagis: On the solution of the general quintic using the Rogers-Ramanujan continued fraction. Pella, Makedonien, Griechenland, 2015
- Nikolaos Bagis: Solution of Polynomial Equations with Nested Radicals. Pella, Makedonien, Griechenland, 2020
- Viktor Prasolov (Прасолов) und Yuri Solovyev (Соловьёв): Elliptic Functions and Elliptic Integrals. Volume 170, Rhode Island, 1991. Seiten 149 – 159
- Sun Zhi-Hong: New congruences involving Apery-like numbers. Huaiyin Normal University, Huaian (淮安), China, 2020. Seite 2
- Robert Fricke: Die elliptischen Funktionen und ihre Anwendungen: Dritter Teil. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012. ISBN 978-3-642-20953-6, ISBN 978-3-642-20954-3 (eBook)
- Adolf Kneser: Neue Untersuchung einer Reihe aus der Theorie der elliptischen Funktionen. J. reine u. angew. Math. 157, 1927. Seiten 209 – 218
Einzelnachweise
- DLMF: 22.2 Definitions. Abgerufen am 21. August 2021.
- How to derive relationship between Dedekind's $\eta$ function and $\Gamma(\frac{1}{4})$. Abgerufen am 21. August 2021.
- Eric W. Weisstein: Nome. Abgerufen am 21. August 2021 (englisch).
- A005797 - OEIS. Abgerufen am 23. November 2021.
- Vaclav Kotesovec: Mathematical articles and books by Vaclav Kotesovec. Abgerufen am 28. Oktober 2021.
- Kotesovec: My 234 Best Fairy Chess Problems, no 22 of 50 num - Listing # 10533 - Preserving the past and the future. Abgerufen am 28. Oktober 2021.
- A036917 - OEIS. Abgerufen am 23. November 2021.
- Eric W. Weisstein: Apéry Number. Abgerufen am 23. November 2021 (englisch).
- Elliptic nome: Differentiation (subsection 20/01). Abgerufen am 22. August 2021.
- Table of Infinite Products Infinite Sums Infinite Series Elliptic Theta. Abgerufen am 30. September 2021.
- Eric W. Weisstein: Jacobi Theta Functions. Abgerufen am 1. Oktober 2021 (englisch).