Jacobische Zetafunktion

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Die Jacobische Zetafunktion, auch Zeta Amplitudinis genannt, ist in der Mathematik die logarithmische Ableitung der Jacobischen Theta-Funktion. Benannt ist sie nach dem deutschen Mathematiker Carl Gustav Jacob Jacobi.

Definition mit der Thetafunktion

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Das Zeta Amplitudinis ist auf folgende Weise als Ableitung[1][2] vom Logarithmus Naturalis der Thetafunktion ϑ₀₁ definiert:

Also ist die große Zetafunktion so definiert:

Dabei ist die genannte Thetafunktion nach Whittaker und Watson[3] durch diese Produktreihe definiert:

Die Theta-Strich-Funktion ist die Ableitung der Thetafunktion bezüglich des linken Klammereintrags:

Der Buchstabe K nennt das vollständige elliptische Integral erster Art:

Die Bezeichnung q(k) stellt das elliptische Nomen dar:

Analog zur genannten Formel kann diese Zetafunktion auch mit dem Derivat ϑ₀₀ der klassischen Thetafunktion definiert werden:

Für das Derivat der klassischen Thetafunktion gilt nach Whittaker und Watson:

Analog zur zuvor genannten Bezeichnung ist dieser Zusammenhang gültig:

Im englischen Sprachraum etablierte sich für diese Funktion der Name "Elliptic Theta Prime" als offizielle Bezeichnung.

Definition als unendliche Summe

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Wegen der Definition der Thetafunktion ϑ₀₁ als Produktreihe kann die Jacobische Zetafunktion auch als unendliche Summenreihe definiert werden.

Denn der Logarithmus aus dem Produkt ist gleich der Summe der Logarithmen:

Regeln für die Jacobischen elliptischen Funktionen

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Mit dem Kürzel sn wird der Sinus Amplitudinis genannt:

Und das Kürzel cd steht für den Quotienten des Cosinus Amplitudinis dividiert durch das Delta Amplitudinis:

Mit der Bezeichnung am wird die Jacobi-Amplitude zum Ausdruck gebracht:

Das Kürzel dn beschreibt das Delta Amplitudinis:

Darstellung mittels elliptischer Integrale

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Die Ableitung der Jacobischen Zetafunktion ist als Kombination des Delta Amplitudinis und der vollständigen Elliptischen Integrale darstellbar:

Die Jacobische Zetafunktion selbst ist die Ursprungsstammfunktion der nun genannten Funktion bezüglich u.

Somit kann sie mit Hilfe elliptischer Integrale durch die Jacobi-Amplitude definiert werden:

Somit gilt für die große Jacobische Zetafunktion:

Dabei ist E(x;k) ein unvollständiges elliptisches Integral zweiter Art und E(k) = E(π/2;k) ein vollständiges elliptisches Integral zweiter Art.[1]

Es gelten folgende Formeln:

Bezug zur Jacobischen Epsilonfunktion

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Eng verwandt ist die Jacobische Zetafunktion mit der Jacobischen Epsilonfunktion. Denn die Epsilonfunktion ist so[4] definiert:

Somit gilt:

Die Jacobische Epsilonfunktion hat dieses Additionstheorem:

Das Additionstheorem vom Sinus Amplitudinis lautet wie folgt:

Die Funktionen sn und cd vom selben Wertepaar stehen in jener Beziehung zueinander:

Basierend auf dem genannten Additionstheorem für die Jacobische Epsilonfunktion gilt somit auch folgende Beziehung:

Analog zu diesem Additionstheorem gilt das Additionstheorem für die Jacobische Zetafunktion:

Dieses zuletzt genannte Additionstheorem ist auch im von Irene Stegun und Milton Abramowitz erstellten Werk Handbuch der mathematischen Funktionen[5] auf der Seite 595 an der Stelle der Formelnummer 17.4.35 behandelt. Wegen der Richtigkeit dieses Theorems gilt auch:

Aus diesem Grund können auch die Jacobi-Funktionen sn, cn und dn mit der Zetafunktion zn definiert werden.

Elliptische Module

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Modultransformationen

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So kann bei der Jacobischen Zetafunktion die Modultransformation durchgeführt werden:

Die Bezeichnung sd markiert den Quotienten Sinus Amplitudinis durch Delta Amplitudinis. Beispielsweise gilt:

Hierbei stellen sl und cl die Lemniskatischen Funktionen Sinus Lemniscatus und Cosinus Lemniscatus dar.

Durch zusätzliche Modultransformation kann die Formel so formuliert werden:

Aus diesen Formeln für die Modultransformation folgen die für positive und negative rechte Klammereinträge gültigen Ableitungen der Thetafunktionen.

Diese partiellen Ableitungen nach dem linken Klammereintrag lauten wie folgt:

Spezialfälle der Module

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Wenn der elliptische Modul k den Wert 0 annimmt, dann ist die gesamte Funktion gleich Null.

Wenn der Modul den Wert 1 annimmt, dann ist die zn-Funktion gleich dem Tangens Hyperbolicus:

Jedoch gilt:

Wenn der Modul den Wert 1/sqrt(2) annimmt, dann ist die zn-Funktion lemniskatisch beschaffen:

Denn für die Ableitung gilt:

Mit dem Symbol ϖ wird die Lemniskatische Konstante dargestellt.

  • Christian Houzel Elliptische Funktionen und Abelsche Integrale, in Jean Dieudonné (Hrsg.) Geschichte der Mathematik 1700-1900, Vieweg 1985, S. 462 (Kapitel 7.1.10)
  • Leo Koenigsberger Zur Geschichte der Elliptischen Transcendenten in den Jahren 1826 bis 1829, Teubner 1879, S. 78, gutenberg
  • Sir Edmund Taylor Whittaker und Professor George Neville Watson: A Course in Modern Analysis. 4. Auflage. Cambridge, England, 1990. pp. 469 – 470

Einzelnachweise

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  1. a b Abramowitz, Milton; Stegun, Irene A., eds. (1965), "Kapitel 16", Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, New York: Dover, p. 578, ISBN 978-0486612720, MR 0167642.
  2. Gradshteyn, I. S. and Ryzhik, I. M. Tables of Integrals, Series, and Products, 6th ed. San Diego, CA: Academic Press, 2000, p. xxxiv.
  3. Eric W. Weisstein: Jacobi Theta Functions. Abgerufen am 7. September 2021 (englisch).
  4. DLMF: 22.16 Related Functions. Abgerufen am 8. September 2021.
  5. https://personal.math.ubc.ca/~cbm/aands/abramowitz_and_stegun.pdf