Wir wollen damit beginnen anhand einiger weniger Bespiele zu erläutern, worum
wir uns mit Analysis und damit mit Grenzprozessen oder ungenau formuliert
dem unendlich Kleinen beschäftigen müssen.
1.1.1 Der freie Fall.
In der Physik erkennt man, daß sich Körper, die keinen Kräften ausgesetzt sind,
gleichförmig bewegen, d.h. ihre Geschwindigkeit konstant bleibt, also in gleicher Zeit
gleich langer Weg zurückgelegt wird.
Falls andererseits eine konstante Kraft (wie z.B. die Erdanziehung in Bodennähe)
auf den Körper wirkt,
so ändert sich seine Geschwindigkeit proportional zur vergangenen Zeit und zur Kraft.
Sei also die Geschwindigkeit zum Zeitpunkt (wir setzen der Einfachheit
halber voraus) und eine Zeitspanne,
dann gilt
mit einem Proportionalitätsfaktor .
Setzen mit und
so erhalten wir
.
Nun interessiert uns aber nicht primär die Geschwindigkeit sondern der zurückgelegte
Weg . Mittlere Geschwindigkeiten sind per Definition
der Quotient aus zurückgelegten Weg und verstrichener Zeit, die Momentangeschwindigkeit
sollte also durch
angenähert werden,
und zwar umso besser, je näher
an liegt, d.h. je kleiner
ist. Dies ist der Anstieg der Sehne von im Zeit-Weg-Diagramm. Die
Momentangeschwindigkeit sollte also der Anstieg der Tangente zum Zeitpunkt sein,
d.h.
Vorläufig nur durch Probieren erhalten wir die Lösung
dieser Differentialgleichung, denn
dann ist
Eine Konsequenz davon ist, daß geworfene/geschossene Gegenstände sich
längs einer Parabel bewegen (mit konstanter horizontaler Geschwindigkeit).
1.1.2 Berechnung von .
Per Definition ist die Länge eines Halbkreises mit Radius 1
oder auch die Fläche eines Vollkreises mit selben Radius.
Natürlich ist nicht klar, daß dies die gleiche Zahl liefert.
Auch ist uns vorerst nur bekannt, wie die Fläche von Rechtecken und damit von
rechtwinkeligen Dreiecken berechnet werden kann. Und ebenso nur die Länge
von Polygonzügen. Die Länge einer Kurve
können wir nur durch
die Länge von Polygonzügen
annähern, wobei
eine Zerlegung der Strecke von 0 nach ist.
Wir definieren folglich die Länge der Kurve
als
.
Nun betrachten wir regelmäßige Vielecke, die wir dem Einheitskreis ein- und umschreiben.
Die Fläche des Einheitskreises liegt dann offensichtlich zwischen jener
der eingeschriebenen und der umgeschriebenen Vielecke.
Es sei
-
- ...der Radius des Inkreises des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...die halbe Seitenlänge des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...der halbe Umfang des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...die Fläche des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...der Radius des Umkreises des umschriebenen -Ecks
-
- ...die halbe Seitenlänge des umschriebenen -Ecks
-
- ...der halbe Umfang des umschriebenen -Ecks
-
- ...die Fläche des umschriebenen -Ecks
Sei weiters
-
- ...der Mittelpunkt des Kreises
-
- ...der Berührpunkt des Inkreises des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...eine benachbarte Ecke des eingeschriebenen -Ecks
-
- ...eine Ecke des umschriebenen -Ecks
Entsprechend bezeichnen gestrichene Variablen die selben Größen aber für
-Ecke mit .
Dann sind folgende rechtwinkelige Dreiecke ähnlich:
und somit
Damit ist
,
also
Somit ist
das
harmonische Mittel
Es ist
also
Weiters ist wegen
und somit das geometrische Mittel aus und :
Diese Gleichungen ermöglichen es also aus den halben Umfängen bzw. den Flächen
jenen der Vielecke mit doppelt sovielen Ecken rekursive zu berechnen.
Für die Quadrate ergibt sich
und somit sowie
und damit
,
,
und .
Offensichtlich ist
Fläche des Kreises und, da die approximierenden Polygonzüge
des Kreises stückweise kürzere Längen haben als die Projektion auf
das umschriebene Vieleck, gilt ebenso
Länge des Halbkreises.
Wir machen nun noch eine Fehlerabschätzung:
Es ist
Wegen
, nimmt die Genauigkeit nach jeweils 5 Rekursionsschritten
um 3 Dezimalstellen zu. Die Größen approximieren somit
beliebig genau und insbesonders ist die Fläche und der halbe Umfang des
Einheitskreises gleich groß.
Wir werden später die Fläche des Einheitskreises wie folgt durch ein
Integral berechnen
1.1.3 Rekursive Berechnung von .
Die Wurzel erfüllt
, d.h. wir versuchen in ein Produkt
zweier gleicher Zahlen zu zerlegen.
Sei o.B.d.A. , andernfalls bestimmen wir
.
Wir versuchen es mit , dann wäre und somit
. Also probieren wir ein neues besseres
.
Das zugehörige erfüllt
, denn
. Fahren wir so fort, so erhalten wir
Folgen
Beachte, daß
Die geometrische Idee dahinter ist, daß wir eine Nullstelle von
suchen. Dazu wählen wir eine Näherungsnullstelle
, legen die Tangente an im Punkte
, d.h.
und ersetzen nun durch die
Nullstelle der Tangente, also
1.1.4 Brennspiegel.
Wir wollen nun einen Spiegel konstruieren, der parallel einfallende Lichtstrahlen
in einem Punkt konzentriert. Das ist natürlich auch für Radioteleskope und
in umgekehrter Richtung für Scheinwerfer interessant.
Da Lichtstrahlen kürzeste Verbindungslinien sind, ist der Einfallswinkel auf eine
Fläche gleich dem Ausfallswinkel.
Sei also ein Punkt auf der Schnittkurve und der Anstieg der Schnittkurve
.
Die Ähnlichkeit von Dreiecken ergibt
und somit
oder direkter
wobei wir als positiven Abstand aufgefaßt haben. Die -Koordinate des Punktes
ist jedoch negativ, so daß die Gleichung für diese
lautet und somit
Wegen (für ) müssen wir bei wählen.
Dies ist eine Differentialgleichung für die Kurve, welche wir mit dem Ansatz
lösen können:
Andreas Kriegl
2001-07-01