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Magnetfeld des Drahtes Quasistationäre Näherung:

Im Dokument Lösungen der Übungsaufgaben (Seite 166-200)

Ri

dρ∫ dz B(ρ) =lcμrμ0

I

Ra

Ri

dρ1 ρ

=lcμrμ0

I 2πlnRa

Ri

. Hieraus folgt:

Der den RaumRi<ρ<Radurchsetzende magnetische Fluss pro Längeneinheit beträgt:

Φ= Φc

lc =μrμ0

ln(Ra/Ri) 2π I. Hieraus folgt:

Selbstinduktion pro Längeneinheit des Hohlrohrsystems:

L=μrμ0

ln(Ra/Ri)

2π .

Lösung zu Aufgabe4.2.2

1. Magnetfeld des Drahtes Quasistationäre Näherung:

rotHj . Zylinderkoordianten(ρ,φ,z).

Symmetrie⇒Ansatz:

H1=H(ρ)e(1)φ . z

I1

Abb. A.46

Kρ: Kreis in der Ebene senkrecht zum Draht mit Radiusρ:

Kρ

rotHdf = ∫

∂Kρ

Hdr=2π ρ H(ρ) ≈ ∫

Kρ

jdf =I1

H1= I1

2π ρe(1)φ . Fluss durch Leiterschleife

Flächenelement: df2= −dxdyez. Dort ist offenbare(φ1)=ez; ρ=y.

Daraus folgt der magnetische Fluss:

Φ21= ∫ B1df2= −μ0I1

a

0

dx

d+b

d

dy

y = −μ0I1

aln(1+b

d) =L21I1

L21= −μ0 a

2π ln(1+b d) . 2. Magnetische Wechselwirkungsenergie (4.72):

L12=L21

Wm=L21I1I2. Änderung des AbstandesdbeiI1,I2=const:

dWm=I1I2dL21 = −μ0

a

I1I2b/d2

1+b/ddd=I1I2

μ0a b 2π d(d+b)dd, dWmech= −dWm= −Fydd

Fy=I1I2

μ0a b 2π d(d+b). 3.

I1(t) =I0(1−eαt) ⇒ ˙I1(t) =αI0eαt. Das bedeutet:

Uind(t) = −L21˙I1(t) =μ0

a

2πln(1+b

a)αI0e−αt.

Lösung zu Aufgabe4.2.3 1. Einschaltvorgang

Zu lösende Differenzialgleichung:

L˙I(t) +R(t)I(t) =U. Diese lautet für 0≤tτ:

L˙I(t) +R0τI(t) t =U. Naheliegender Ansatz:

I(t) =α t. Dies führt zu:

L α+R0τ α=Uα= U L+R0τ . Es gilt also:

I(t) = U

L+R0τt 0≤tτ. FürtτistR(t) ≡R0.

Dann ist zu lösen:

L˙I(t) +R0I(t) =U

L˙I(t) +R0(I(t) − U R0) =0

Ld

dt(I(t) − U

R0) +R0(I(t) − U R0) =0 . Lösung:

I(t) − U

R0 = (I(τ) − U

R0)exp[−R0

L(t−τ)] . Stetigkeit vonI(t):

I(τ) = U τ L+R0τ= U

R0

τ L/R0+τ , I(τ) − U

R0 = U R0( τ

L/R0+τ−1) = U R0

−L/R0

L/R0+τ

I(t) = U

R0{1− L/R0

L/R0+τexp[−R0

L (tτ)]} τt.

Der EndwertU/R0wird exponentiell erreicht.

Zeitkonstante des Einschaltvorganges:L/R0

schnellesEinschalten: τL/R0I(τ) ≪U/R0, langsamesEinschalten: τL/R0I(τ) ≈U/R0. 2. Ausschaltvorgang

L˙I(t) +R(t)I(t) =U.

Dies ist eine inhomogene Differenzialgleichung erster Ordnung!

Für 0≤t<τdefinieren wir:

α= R0τ L . Homogene Differenzialgleichung:

˙I(t) + α

τtI=0 ⇒ ˙I I = − α

τt ,

⇒ d

dtlnI= d

dtln(τt)α

Ihom(t) =c(τt)α. Spezielle Lösung:

Ansatz:IS(t) =β(τt). Einsetzen:

β L+ R0τ

τ(τt) =Uβ= U

L(α−1) (α≠1)

IS(t) = U

L(α−1)(τt). Allgemeine Lösung der inhomogenen Differenzialgleichung:

I(t) =c(τt)α+ U

L(α−1)(τt). Randbedingung:

I(0) = U

R0 =c τα+ U τ L(α−1)

c= U R0

ταU τ1−α L(α−1)

I(t) = U R0(1− t

τ)αU τ

L(α−1)(1− t

τ)α+ U τ

L(α−1)(1− t τ)

=U(1− t τ)α( 1

R0τ

R0τL) +U τ α L

α

α−1(1− t τ)

= U R0(1− t

τ)α −1 α−1+ U

R0

α

α−1(1−t τ) . Dies bedeutet:

I(t) = U R0

α(1−t/τ) − (1t/τ)α

α−1 .

Spezialfälle:

I(t=0) = U R0

; I(t=τ) =0 .

Lösung zu Aufgabe4.2.4

1. t>t0:

U0=UC+UR , I=Q˙ =CU˙C

U0=UC+RCU˙C. Allgemeine Lösung der homogenen Differenzialgleichung:

U˙C+ 1 RCUC=0

U(hom)C (t) =Aet/RC . Spezielle Lösung:

UC=U0 (nach der Einschwingphase) . Allgemeine Lösung der inhomogenen Differenzialgleichung:

UC(t) =U0+Aet/RC.

Anfangsbedingungen:

UC(t=t0) =0 ⇒ A= −U0et0/RC . Lösung:

UC(t) =U0(1−e−(tt0)/RC), I(t) =CU˙C(t) = U0

Re−(t−t0)/RC, UR(t) =R I(t) =U0e−(t−t0)/RC. 2.

t>t1∶ 0=UC+RCU˙C, t=t1U0=UC

UC(t) =Ae−t/RC; U0=Ae−t1/RC. Lösung:

UC(t) =U0e−(t−t1)/RC , I(t) = −U0

R e−(tt1)/RC, UR(t) = −U0e−(tt1)/RC .

Lösung zu Aufgabe4.2.5 Spannungsbilanzen:

links:

Ue(t) − 1 C1

t

I1dt+ 1 C1

t

I2dt+UL1 =0 . rechts:

− ( 1 C21 + 1

C1+ 1 C22)

t

I2dt+ 1 C1

t

I1dt+UL2 =0 . Induktivitäten

UL1= −L1˙I1; UL2= −L2˙I2.

Wir definieren zur Abkürzung 1 C2 ≡ 1

C21 + 1 C1 + 1

C22

und differenzieren die Spannungsgleichungen nach der Zeit:

1 C1

I1− 1 C1

I2+L1¨I1=U˙e,

− 1 C2

I2+ 1 C1

I1L2¨I2=0 .

Zur Berechnung der Eigenfrequenzen mussUe=0 gesetzt werden! Mit dem Ansatz für das dann homogene Gleichungssystem,

I1=I10eiωt ; I2=I20eiωt , bleibt dann zu lösen:

( 1

C1ω2L1)I10− 1 C1

I20=0 , 1

C1

I10+ (− 1

C2 +ω2L2)I20=0 .

Eine nicht-triviale Lösung erfordert das Verschwinden der Säkulardeterminante:

( 1

C1ω2L1) (− 1

C2+ω2L2) + 1 C21 =0

↷ (1−ω2C1L1) (1−ω2C2L2) = C2

C1

. Mit den Eigenfrequenzen der ungekoppelten Kreise,

ω21= 1 L1C1

; ω22= 1 L2C2

muss schließlich die Lösung zu

21ω2) (ω22ω2) =C2

C1

ω21ω22

gefunden werden. Das sind dann die Eigenfrequenzen der kapazitiv gekoppelten Kreise:

ω2±=1

2(ω21+ω22) ±

√1

4(ω21ω22)2+C2

C1

ω21ω22.

Lösung zu Aufgabe4.2.6

1. n: Einheitsvektor senkrecht zur Drahtfläche:

df =dfn ,

∢(n, B) =φ(t) =ω(tt0), Uind= −

∂tΦ, Φ= ∫

Ring

df B= ∫

Ring

dfnB=Bcos[ω(tt0)]∫

Ring

df =B π R2cos[ω(tt0)]

Uind=B π R2ωsin[ω(tt0)]. 2.

Uind= ∮

Ring

Edr= 1 σ

Ring

jdr , j↑↑dr , Uind= 1

σ

Ring

jdr= I σ A

Ring

dr=2π R σ AI

I(t) = 1

2σ B A R ωsin(ω(tt0)).

Lösung zu Aufgabe4.2.7

1. Welcher Teil der rechteckigen Leiterschleife wird von der magnetischen Induk-tion überdeckt?

Abb. A.47

0≤vt<d:

F(t) =a2vt dvt<a1:

F(t) =a2d a1vt<a1+d:

F(t) =a2(a1+dvt)

⇒ magnetischer Fluss durch die Leiterschleife:

Φ(t) = ∫

F0

B⋅df = ∫

F(t)

B⋅df

=B0a2

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎩

vt, falls 0≤vt<d, d, fallsdvt<a1 , a1+dvt, fallsa1vt<a1+d,

0 , sonst .

⇒induzierte Spannung:

Uind= −Φ˙

= −B0a2v

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎩

+1 , falls 0≤vt<d, 0 , fallsdvt<a1,

−1 , fallsa1vt<a1+d, 0 , sonst .

Abb. A.48

2. Endlicher Überlapp der Leiterschleife mit der homogenen magnetischen Induk-tionB=B0ezfür

0<vt≤2R.

Abb. A.49

Vom Feld überdeckte Fläche ist die Differenz aus Kreissegment Δα=αR2

und Dreieck

ΔΔ= 1

2(Rcosα)(2Rsinα)

=R2cosαsinα

F(t) =R2(α−cosαsinα). Der Winkelαist zeitabhängig:

α=α(t); cosα(t) =Rvt R ,

α(t)˙ sinα(t) = v R . Außerdem gilt:

F(t) =πR2=const , fallsvt≥2R. Magnetischer Fluss:

Φ= ∫ B⋅df =B0F(t).

Induzierte Spannung:

Uind= −Φ˙= −R2(1+sin2α−cos2α)α(t)B˙ 0

= −2R2sin2αα(t)B˙ 0

= −2R2sinαv RB0

sinα=√

1−cos2α=

√ 1− 1

R2(R2−2Rvt+v2t2)

Uind= −2B0Rv

vt R (2−vt

R).

Abb. A.50

Man mache sich klar, dass es sich um eine Kreisgleichung handelt:

x= Uind

2B0Rv y= vt

R

x2=2y−y2= −(y−1)2+1

x2+ (y−1)2=1 . Mittelpunkt bei

(x,y) = (0, 1).

Lösung zu Aufgabe4.2.8

1. Quasistationäre Näherung

rotE= −B ; rot H˙ =j , divD=ρ; divB=0 . Coulomb-Eichung (divA=0)

⇒Δφ(r,t) = −1

ε0ρ(r,t) = −1 ε0ρ(r) ΔA(r,t) = −μ0j(r,t),

φ(r,t) ≡φ(r) = q

4πε0r (r>R).

Bzgl. Vektorpotential dasselbe Problem wie in Aufgabe3.3.1, allerdings mit zeit-abhängigem magnetischem Moment!

m(t) =1

3qR2ω(t) A(r,t) = μ0

m(t) ×r r3 Elektrisches Feld

E= E0 vor der Ab-E

bremsung(γ=0)

+E1

E0= −∇φ= q 4πε0r3r induziertes Zusatzfeld:E1= −A˙

ω(t) = −γω(t) (t˙ >0)

E1= −μ0

4π⋅1

3qR2ω(t) ×˙ r r3 , E1(r,t) = μ0γqR2

12πr3 (ω(t) ×r) (t>0). 2.

⇒ ∣E1

∣E0∣ ≤ ε0μ0

3 γR2∣ω∣≪! 1 ,

γω0R2≪3⋅c2 (c: Lichtgeschwindigkeit) .

3. pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie (4.48)

S(V)df ⋅S(r,t) =W˙S. S(V): Oberfläche einer Kugel mit RadiusR+ S(r,t): Poynting-Vektor

S(r,t) =E(r,t) ×H(r,t), df =dfer

⇒ df⋅S=dfer⋅ (E1×H), da E0er. Abstrahlung also nur durch Bremsvorgang.

Es gilt wie in Aufgabe3.3.1 H(r,t) = 1

4π(3(r⋅m(t))r r5m

r3)

E1×H= μ0γqR2

48π2r6 ((ω×r) × (3(mer)erm))

= μ0γq2R4

144π2r6 ((ω×r) × (3(ω⋅er)erω)) 566666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666667666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668

−2(ω⋅r)ω+r(3(ω⋅er)2−ω2)

er⋅ (E1×H) =r((ω⋅er)2ω2)μoγ( qR2 12πr3)

2

=μ0γ( qR2 12πr3)

2

2(cos2ϑ−1).

⇒ pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie

W˙S(t) =μ0γ(qR2ω 12πR3)

2

R3

+1

1

d cosϑ(cos2ϑ−1) 56666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666766666666666666666666666666666666666666666666666666666666666668

23−2=−43

= −μ0γ8π 3 (

12πR)2R3

W˙S(t) = −μ0γq2R

54πω2 (t>0).

4.

WS=

0

W˙S(t)dt

= −μ0γq2R 54πω20

0

dte2γt

= −μ0 q2R 108πω20

unabhängig vonγ, proportional zum Quadrat der Anfangswinkelgeschwindig-keit.

Abschnitt 4.3.18

Lösung zu Aufgabe4.3.1

1. Lorentz-Kraft:

F=q[E+ (v×B)]. Bewegungsgleichung:

r=q[E+ (˙r×B)]. Zeitliche Änderung der Teilchenenergie:

W˙ =vF=qvE . 2. Maxwell-Gleichungen(ρf =0, jf =0, σ=0):

divE=0 ; divB=0 ; rotE= −B ; rot B˙ = 1

u2E ,˙ wobeiu=1/√εrε0μrμ0.

rotE=ex(∂Ez

∂y∂Ey

∂z ) +ey(∂Ex

∂z∂Ez

∂x) +ez(∂Ey

∂x∂Ex

∂y )

= −∂Ey

∂z ex+ ∂Ex

∂zey+ (∂Ey

∂x∂Ex

∂y )ez

= −k E(cos(kzωt), sin(kzωt), 0) = −kEB˙ =kE . Dies bedeutet:

B=k E(−1

ωsin(kzωt), 1

ωcos(kzωt), 0). Magnetische Induktion:

B= −1

u(Ey,−Ex, 0) = 1 uez×E , B= 1

ωk×E . 3. Bewegungsgleichung:

mr¨=q[E+ (˙r×B)] =q{E+1

ur× (ez×E)]}

=q[E+1

uezrE) −1

uE(˙rez)] . Komponenten:

mx¨=q Ex(1− ˙z

u) =q E(1−˙z

u)cos(kz−ωt), m¨y=q Ey(1−z˙

u) =q E(1− ˙z

u)sin(kz−ωt), m¨z= q

urE). 4. Forderung

W˙ =0 erfüllt, falls vE=0 für alle Zeiten gültig . Dies bedeutet:

z¨=0 ⇔ z˙=const=v0z(t) =v0t (z(0) =0).

Bewegungsgleichungen:

m¨x=qE(1−v0

u)cos(ω(v0

u −1)t) m¨y=qE(1−v0

u)sin(ω(v0

u −1)t) . Integration:

x(t) = −˙ qE

sin(ω(v0

u −1)t) +x˙0

˙y(t) = + qE

cos(ω(v0

u −1)t) +˙y0.

˙

x0, ˙y0noch unbekannt:

0=! vE=x(t)˙ Exy(t)Ey

= qE2

(−sin(kzωt)cos(kzωt) +cos(kzωt)sin(kzωt)) +Exx˙0+Eyy˙0

=Exx˙0+Ey˙y0.

Das muss so für beliebige Zeitentund alle Orter gelten. Die Anfangsbedingun-gen sind deshalb so zu wählen, dass

˙x0=y˙0=0

gilt. Mitz(t=0) =0 bedeutet das für die Anfangsgeschwindigkeit:

˙r(t=0) = (0, qE ,v0) . 5.

p= (−qE

ω sin(kzωt), qE

ω cos(kzωt),mv0) Vergleich mit Teil 2.:

p= (px,py, 0) = q kB . 6. Lösung der Bewegungsgleichung:

x(t) = −qE

⎝− 1

ω(vu0 −1)cos(ω(v0

u −1)t)

⎠+x0

x(t=0) =0= qE 2

1

v0

u −1+x0.

Dies ergibt für diex-Komponente:

x(t) = qE 2

u

v0u(cos(v0u

u ωt) −1) . Für diey-Komponente ergibt sich:

y(t) = qE

1

ω(vu0 −1)sin(ω(v0

u −1)t) +y0

y(t=0) =0=y0. Es bleibt:

y(t) = qE 2

u

v0usin(v0u u ωt) . Schließlich gilt noch:

z(t) =v0t. 7. Man setze

R= − qE 2

u

v0u (u>v0) und findet dann:

(x(t) −R)2+ (y(t))2=R2.

Die Bahn ist also ein Kreis in derxy-Ebene mit dem RadiusRund einem Mittel-punkt bei(R, 0)

Lösung zu Aufgabe4.3.2 1. Magnetische Induktion

rotE= −B .˙

a)

rotE= (∂Ez

∂y∂Ey

∂z ,∂Ex

∂z∂Ez

∂x,∂Ey

∂x∂Ex

∂y )

= (−

∂zEy,

∂zEx, 0) =k(−E0y,E0x, 0)cos(kz−ωt)

B˙= (E0y,−E0x, 0)kcos(kzωt)

B= k

ω(−E0y,E0x, 0)sin(kz−ωt) = 1

ω(k×E). b)

rotE= (−

∂zEy,

∂zEx, 0) = −E0k[cos(kzωt)ex+sin(kzωt)ey]

B˙ =E0k[cos(kzωt)ex+sin(kz−ωt)ey]

B=E0

k

ω[−sin(kz−ωt)ex+cos(kz−ωt)ey]

= k

ω(−Ey,Ex, 0) = 1

ω(k×E). 2. Poynting-Vektor

S(r,t) =E×H= 1

μrμ0E×B (Energiestromdichte). Für beide Fälle (a) und (b) gilt:

S(r,t) = 1 μrμ0

1

ωE× (k×E)

= 1

ωμrμ0(kE2E(E⋅k) c=0

) = 1 rμ0E2ez

Das bedeutet:

(a)

S(r,t) =

εrε0

μrμ0

E20 sin2(kzωt)ez . (b)

S(r,t) =

εrε0

μrμ0

E20ez.

3. Strahlungsdruck

udt

( )ϑ

dS

n

Pr r r,μ ε

Abb. A.51

Strahlungsdruck≙Impulsübertrag auf Fläche≙Normalkomponente(nF)der auf die Ebene ausgeübten KraftF pro Fläche.

Dichte des Feldimpulses:

̂pFeld=D×B=εrμrε0μ0S= 1 u2S , u: Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle.

Alle Wellenfronten in dem schiefen Zylinder, dessen Volumen ΔV=udtcosϑdS

beträgt, erreichen in der Zeit dtdas Flächenelement dS. Die Ebene sei total ab-sorbierend, d. h. Feldimpuls auf dSin dt= ̂pFeldΔV.

Kraft=Impuls pro Zeit:

F= ̂pFelducosϑdS. Strahlungsdruck:

pS=nF

dS =ucosϑn̂pFeld= cosϑ u nS . Lösung:

(a)

pS= 1

u∣S∣cos2ϑ=εrε0E20sin2ωtcos2ϑ (Wand beiz=0). (b)

pS= 1

u∣S∣cos2ϑ=εrε0E20cos2ϑ.

Lösung zu Aufgabe4.3.3

1. Linear, homogen:B=μrμ0H; D=εrε0E.

Ungeladener Isolator:ρf≡0,jf≡0,σ=0.

Maxwell-Gleichungen:

divE=0 , divB=0 ,

rotE= −B , rot B˙ =εrε0μrμ0E˙ = 1 u2E .˙ 2.

rot rotB=grad(divB d=0

) −ΔB= 1

u2rot ˙E= −1 u2B ,¨

B=0 , wobei ◻ =Δ− 1 u2

2

∂t2 . 3.

rotE= −B˙

⇒ ik×E=iωB

B= 1

ωk×E= k ω

E0

5 (ez×ex−2ez×ey)ei(k⋅r−ωt). B ist linear polarisiert:

B= E0k

5ω(2ex+ey)ei(k⋅r−ωt) 4.

rotB= 1

u2E˙=ex[−B0kcos(kz−ωt)] +ey[−B0ksin(kz−ωt)]

E˙= −u ω B0[ex cos(kzωt) +eysin(kzωt)]

E=u B0[exsin(kzωt) −eycos(kzωt)], d. h.,E ist zirkular polarisiert.

Lösung zu Aufgabe4.3.4 1. Aus

E=E0ei(kz−ωt) B=B0ei(kz−ωt)

folgt für einen linearen, ungeladenen Isolator mit der Maxwell-Gleichung rotH=j+D˙ ⇒ rotB= 1

u2E .˙ Dies ist gleichbedeutend mit

k×B0= −ω u2E0. Wegen

B0= ̂B0(4ex−3ey) folgt

k×B0=kB̂0(4ey+3ex) = −k uE0. Elektrisches Feld

E= −uB̂0(4ey+3ex)ei(kz−ωt). E (wie auch B) ist linear polarisiert, da

tanα= Ey

Ex =const . 2. Es gilt die Maxwell-Gleichung

rotE= −B .˙ Wir brauchen also

rotE=ex(βkcos(kzωt+φ)) +ey(α(−ksin(kzωt+φ)). Zeitintegration liefert für die magnetische InduktionB mitω=ku:

B= 1

u(βsin(kzωt+φ)ex+αcos(kzωt+φ)ey) . Man erkennt

(Bx

β)

2

+ (By

α)2= 1 u2 . S→elliptisch polarisiert! Halbachsen:β/uundα/u.

Spezialfall:

α=βS→zirkular polarisiert!

Lösung zu Aufgabe4.3.5

1. Jede Lösung der Maxwell-Gleichungen ist automatisch auch Lösung der homo-genen Wellengleichung. Die Umkehrung gilt bekanntlich nicht.

2. Die Wellengleichung

(Δ− 1 u2

2

∂t2)B(r,t) =0 wird gelöst durch

(−k2+ω2

u2) =0 ↷ k= ω u . 3.

divB=0 ⇔ kB=0 ⇒ αkx+iγky=0 ⇒ kx=0 , ky=0 . Es ist also:

k=kez. 4.

rotB=μrμ0D˙ = 1

u2E˙= −iω1

u2E=! i(k×B). Damit folgt:

E= −u2

ω(k×B) = −u(ez×B) = −u(αey−iγex)ei(k⋅r−ωt),

̂E0(r) =u(iγexαey)eik⋅r . 5. Zeitgemittelte Energiedichte:

w(r,t) = 1

4Re(̂E0⋅ ̂D0+ ̂H0⋅ ̂B0) =1

4Re(εrε0∣̂E02+ 1

μrμ0∣̂B02) . Mit

∣̂B02= (α2+γ2); ∣̂E02=u22+γ2) bleibt:

w(r,t) = 1 2

1

μrμ02+γ2).

6. Zeitgemittelte Energiestromdichte S(r,t) = 1

2Re(̂E0(r) × ̂H0(r))

= u

rμ0

Re((iγexαey) × (αex−iγey))

= u

rμ0 Re(γ2ezα2(−ez)). Es ist also

S(r,t) = u

2μrμ0(α2+γ2)ez=u w(r,t)ez.

Lösung zu Aufgabe4.3.6 1.

π x

−2 2π

) (x f

π

π

Abb. A.52

f(x) =⎧⎪⎪

⎨⎪⎪⎩

x∶ −πx≤0 , +x∶ 0≤xπ. Allgemeine Fourier-Reihe:

f(x) =f(x+2a), quadratintegrabel in[−a,a]

f(x) =f0+ ∑

n=1

[ancos(n π

a x) +bnsin(n π a x)] . Hier:

a=π,

f(x)gerade ⇒ bn=0 ∀n. f0= 1

2a

+a

a

f(x)dx= 1 2π

π

f(x)dx= 1 2π

⎛⎜

π

0

xdx+

0

π

(−x)dx⎞

⎟⎠

f0= π

Fourier-Reihe: Dann bleibt zu berechnen:

f0= 1

Damit lautet die Fourier-Reihe:

f(x) = π2

(b) Fürx=πsindf(π) =π2und cos() = (−1)n. Die Fourier-Reihe aus 3.) lie-fert somit für diesen Spezialfall:

π2 6 =∑

n=1

1 n2 .

Lösung zu Aufgabe4.3.7

Nützlich sind die Additionstheoreme der trigonometrischen Funktionen ((1.60), (1.61) in Bd. 1), aus denen folgt:

cos( Damit folgt im Einzelnen fürnm:

+a

+a

Hier kann man bereits ausnutzen, dass der Integrand eine ungerade Funktion vonxist. Dies folgt wie oben wegen des ungeraden Integranden.

Zusammenfassung:

Damit lassen sich die Relationen (4.175) sehr leicht zeigen:

Damit sind die Beziehungen aus (4.175) bewiesen.

Lösung zu Aufgabe4.3.8

f(x) ≡x2+ (b−a)xab. Nullstellenf(xi)=! 0:

x2+ (b−a)x=ab

↷ (x+1

2(ba))2=1

4(ba)2+ab= 1 4(b+a)2

x1,2 = −1

2(b−a) ±1 2(b+a)

x1 =a; x2= −b. Mitf(x) =2x+ (ba)folgt:

f(x1) =a+b; f(x2) = −(a+b). Damit gilt:

δ(f(x)) =∑2

i=1

1

∣f(xi)∣δ(xxi) = 1

a+b(δ(x−a) +δ(x+b)) . Fourier-Transformierte:

̃f(k) = 1

√2π

+∞

−∞

dx δ(f(x))eikx= 1

√2π(a+b)(eika+eikb) .

Kontrolle:

f(x) = 1

√2π

+∞

−∞

dk( 1

√2π(a+b)(eika+eikb))eikx

= 1

a+b

⎝ 1 2π

+∞

−∞

dkeik(xa)+ 1 2π

+∞

−∞

dkeik(x+b)

= 1

a+b(δ(x−a) +δ(x+b)) ↷ q. e. d.

1. a) Die Taylor-Entwicklung vonf(x)umx0wird in das folgende Integral einge-setzt:

+∞

−∞

dxδ(1)l (xx0)f(x) = ∑

r=0 +∞

−∞

dx δ(1)l (xx0)f(r)(x0)

r! (xx0)r

= ∑

r=0

f(r)(x0) r!

+∞

−∞

du δ(1)l (u)ur

= ∑

r=0

f(2r)(x0) (2r)!

+∞

−∞

du δ(l1)(u)u2r.

Im letzten Schritt haben wir ausgenutzt, dassδ(1)l (u)eine gerade Funktion vonuist, sodass nur die geraden Potenzen vonuzum Integral beitragen. Für das Integral gilt (Beweis gelingt leicht mit vollständiger Induktion!):

+∞

−∞

dx x2ne−αx2 =√ π α

(2n+1)!!

(2n+1)(2α)n

Damit bleibt:

+∞

−∞

dxδ(1)l (xx0)f(x) =∑

r=0

f(2r)(x0)

(2r+1)!(2r+1)!!l2r.

Fürl→0 überlebt nur derr=0-Summand:

llim→0 +∞

−∞

dx δ(l1)(x−x0)f(x) =f(x0) (A.5)

b)

liml0 +∞

−∞

dx δ(2)l (xx0)f(x)

=lim

l→0 +∞

−∞

dx sin(πl(x−x0)) 2 sin(π2(x−x0))f(x)

=lim

l0 +∞

−∞

du l 2

sin(πu)

sin(12lπu)f(x0+lu) (u=1/l(xx0))

=

+∞

−∞

dusin(πu) πu f(x0)

=f(x0)1 π

+∞

−∞

dysiny y .

Das verbleibende Integral kann mit dem Residuensatz gelöst werden (s. 2. Beispiel in Abschn.4.4.5):

+∞

−∞

dysiny y =π. Es gilt also:

llim0 +∞

−∞

dx δ(2)l (xx0)f(x) =f(x0). (A.6)

Das ist die Definitionsgleichung für die Deltafunktion:

llim→0δ(2)l (xx0) =δ(xx0). 2. Mit der Regel von l’Hospital findet man leicht:

δ(l2)(x=0) =1

l ↷ lim

l→0δl(2)(x=0) → ∞.

Dagegen bleibt liml0δ(2)l (x)fürx≠0 unbestimmt (oszillatorisches Verhal-ten!). Gleichung (A.6) reicht aber zur Definition der Deltafunktion aus!

Man betrachte nun fürx∈ (−1,+1):

+N n= −N

eiπnx= ∑N

n=0

(eiπnx+e−iπnx) −1

= 1−eiπ(N+1)x

1−eiπx +1−e−iπ(N+1)x 1−eiπx −1

= 2− (eiπx+eiπx) − (e(N+1)x+e(N+1)x) 2− (eiπx+e−iπx)

+ eiπNx+eiπNx 2− (eiπx−eiπx)−1

= cos(Nπx) −cos((N+1)πx) 1−cos(πx) . Wir benutzen noch ((1.60), (1.61) in Bd. 1):

1−cos(πx) =2 sin2πx 2 cos(Nπx) −cos((N+1)πx) =cos(((N+1

2) −1 2)πx)

−cos(((N+1 2) +1

2)πx)

=2 sin((N+1

2)πx)sin(π 2x) . Dies bedeutet:

+N

n= −Neiπnx= sin((N+12)πx)

sin(π2x) =2δ(l2)(x) mit l= 1 N+12 . Schlussfolgerung:

Nlim→ ∞

1 2

+N

n= −N

eiπnx=lim

l→0δ(l2)(x) =1 2

+∞

n= −∞eiπnx. Alle Ausdrücke sind periodisch gegenüber Transformationen

xS→x+2z mitz= ±1,±2,±3, . . . .

Man erhält also das entsprechende Verhalten auch in den anderen Intervallen.

Somit bleibt:

δ(x) = 1 2

+∞

n= −∞eiπnx .

3. Fürx,x∈ (0,x0)berechnen wir: Das war zu beweisen!

Lösung zu Aufgabe4.3.10 1.

Damit folgt:

y= x 3. Beweis durch Einsetzen:

+∞

Lösung zu Aufgabe4.3.11

1. f(x)ist eine ungerade Funktion vonx. Deshalb gilt für die Fourier-Transfor-mierte:

Iwurde in Teil 2a.) von Aufgabe4.3.10berechnet:

I

Im Dokument Lösungen der Übungsaufgaben (Seite 166-200)