Elliptische Integrale

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Ein elliptisches Integral ist ein Integral vom Typ

wobei eine rationale Funktion in zwei Variablen und ein Polynom dritten oder vierten Grades ohne mehrfache Nullstelle ist. Das Integral heißt elliptisch, weil Integrale dieser Form bei der Berechnung des Umfangs von Ellipsen und der Oberfläche von Ellipsoiden auftreten. Auch in der Physik gibt es weitreichende Anwendungen.

Elliptische Integrale lassen sich im Allgemeinen nicht durch elementare Funktionen darstellen, sie können aber durch Umformungen in eine Summe von elementaren Funktionen und Integralen der unten beschriebenen Form überführt werden. Diese Integrale heißen elliptische Integrale erster, zweiter und dritter Art.

I. Art:
II. Art:
III. Art:

Dabei ist der "elliptische Modul" Zum Teil wird in der Literatur auch der Parameter statt in den Funktionsaufruf eingesetzt und der Definitionsbereich auf erweitert.

Vollständige elliptische Integrale

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Graph der vollständigen elliptischen Integrale und

Definition der vollständigen elliptischen Integrale

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Die Integrale mit unterer Integralgrenze 0 nennt man unvollständige elliptische Integrale. Ist zusätzlich die obere Integralgrenze , spricht man im Falle der I. und II. Art von vollständigen elliptischen Integralen. Die vollständigen elliptischen Integrale I. und II. Art stehen im direkten Bezug zur Gauß’schen hypergeometrischen Funktion , das vollständige elliptische Integral III. Art zur Appell'schen hypergeometrischen Funktion

In der nachfolgenden Tabelle sind die vollständigen elliptischen Integrale in der Integraldarstellung mit den Parametern und dargestellt. Die Jacobi-Form lässt sich mit der Substitution in die Legendre-Normalform[1] überführen. In den Funktions-Bibliotheken von Matlab, Wolfram-Alpha, Mathematica, Python (SciPy) und GNU Octave ist der Parameter in Verwendung.

Definition der vollständigen elliptischen Integrale mit Parametern und
Konvention mit Parameter Konvention mit Parameter
I. Art: Jacobi-Form
I. Art: Legendre-Normalform
II. Art: Jacobi-Form
II. Art: Legendre-Normalform
III. Art: Jacobi-Form
III. Art: Legendre-Normalform

Definition der komplementären Integrale und des Nomens

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Die komplementären vollständigen elliptischen Integrale und sind mit der komplementären Variable wie im Folgenden dargestellt definiert.

So ist das Elliptische Nomen beziehungsweise die Jacobische Entwicklungsgröße definiert:

Das Elliptische Nomen stellt die Kernbeziehung zur Jacobischen Thetafunktion her:

Darstellungsformen

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Weitere Integraldarstellungen

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Für die vollständigen elliptischen Integrale erster und zweiter Art existieren folgende weitere Integraldarstellungen:

Elliptisches Integral erster Art Elliptisches Integral zweiter Art

Die soeben gezeigten Integraldarstellungen entstehen insbesondere dann, wenn man die genannte standardisierte Legendresche Normalform mit der Arkustangensfunktion als innere Funktion substituiert und dabei nach dem Muster der infinitesimalanalytischen Kettenregel nachdifferenziert.

Darstellung per MacLaurinscher Reihe

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Die vollständigen elliptischen Integrale lassen sich als Potenzreihe beziehungsweise MacLaurinsche Reihe darstellen.[2] Die angegebenen Potenzreihen können zur numerischen Auswertung verwendet werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Konvergenz vom Argument abhängig ist. Die Verwendung von Potenzreihen ist bezüglich der Rechenzeit nicht die effizienteste Methode zur numerischen Auswertung. Denn die Potenzreihen für die Funktionen und konvergieren mit der Konvergenzgeschwindigkeit der Maclaurinschen Reihen für die Funktionen Arkussinus und Areatangens hyperbolicus und können mit Hilfe ihrer genannten Integraldarstellungen hergeleitet werden. Ist in einer physikalischen Anwendung klar, dass das Argument in einem bezüglich der Genauigkeit geeignetem Bereich liegt, so bietet die Potenzreihen-Darstellung im Sinne der Linearisierung eine nützliche Methode zur Angabe von Näherungslösungen oder Faustformeln. Die Maclaurinsche Reihe des vollständigen elliptischen Integrals erster Art beinhaltet in Abhängigkeit vom Summenindex den Quotienten vom Quadrat des Zentralbinomialkoeffizienten dividiert durch die Sechzehnerpotenz als Vorfaktor zur Potenz des Abszissenwertes potenziert mit dem Doppelten des Summenindex als Summandenfunktion der betroffenen Summenreihe. Und die Maclaurinsche Reihe des vollständigen elliptischen Integrals zweiter Art unterscheidet sich von derjenigen des vollständigen elliptischen Integrals erster Art alleine darin, dass bei der Summandenfunktion der Summenreihe von der Funktion der negativ geschaltete Vorgänger der Verdopplungsfunktion in Abhängigkeit vom Summenindex steht.

Der Zentralbinomialkoeffizient ist auf folgende Weise definiert:

Das Kürzel CBC[3][4] steht für den englischen Begriff Central Binomial Coefficient und wurde unter anderem durch die Mathematiker David Kessler and Jeremy Schiff eingeführt. Das Elliptische Nomen beziehungsweise die Jacobische Entwicklungsgröße q(k) hat eine MacLaurinsche Reihe, welche an allen Stellen[5] geradzahlige Exponenten und positive Koeffizienten trägt:

Der Konvergenzradius dieser Maclaurin-Reihe[6] ist 1. Hierbei ist Kt(n) (OEIS A005797) eine Zahlenfolge von ausschließlich natürlichen Zahlen Kt(n) ∈ ℕ für alle natürlichen Zahlen n ∈ ℕ und sie ist nicht elementar, sondern elliptisch aufgebaut.

Darstellung per unendlichem Produkt

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In der folgenden Tabelle sind Produktdarstellungen des vollständigen elliptischen Integrals 1. Art und des komplementären elliptischen Integrals 1. Art angegeben. Oftmals wird auch die komplementäre Variable zur kompakteren Darstellung verwendet. Auffällig ist die Vertauschung von und bezüglich der beiden Produktformeln beim Vergleich zum Komplementär.

Produktdarstellung des vollständigen elliptischen Integrals I. Art
Vollständiges elliptisches Integral I. Art Komplementäres elliptisches Integral I. Art
Anfangswert
Rekursionsgleichung
Produktformeln

Darstellung per AGM-Algorithmus

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Neben den Potenzreihen existiert eine Darstellung als Grenzwert des iterierten arithmetisch-geometrischen Mittelwertes (AGM-Algorithmus). Im Folgenden stellt den arithmetischen Mittelwert, den geometrischen Mittelwert und eine Hilfsvariable dar. Die Anfangswerte sind wie angegeben durch das Argument definiert. Zu beachten ist, dass für das vollständige elliptische Integral I. Art ins Unendliche läuft. Deshalb kann nicht berechnet werden. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da dieser Wert exakt zu bekannt ist. Bei einer Implementierung bedarf es also einer Fallunterscheidung. Die Parameter-Konvention lässt sich ebenfalls mit dem AGM-Algorithmus berechnen. Es bedarf ausschließlich der Substitution . In der Praxis zeigt sich, dass bei Verwendung von double-precision ( dezimalen Nachkommastellen) eine Wahl von Rekursionsschritten die besten Ergebnisse liefert. Bei sinkt die Genauigkeit aufgrund von Rundungsfehlern. Diese geringe Anzahl an Rekursionsschritten zeigt die Effizienz des AGM-Algorithmus.

AGM-Algorithmus zur Berechnung elliptischer Integrale
Anfangswerte Rekursionsgleichungen Elliptische Integrale

Durch Substitution gemäß findet sich weiterhin der sogenannte Quartic-AGM-Algorithmus, dessen Iterationsvorschrift in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist. Die Bezeichnung „Quartic“ bezieht sich auf die Konvergenz des Algorithmus. Die Konvergenzordnung des Algorithmus in der oberen Tabelle ist quadratisch.

Quartic-AGM-Algorithmus zur Berechnung elliptischer Integrale
Anfangswerte Rekursionsgleichungen Elliptische Integrale

Kunde der elliptischen Zahlenfolgen

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Der deutsche Mathematiker Adolf Kneser untersuchte in seinem Aufsatz Neue Untersuchung einer Reihe aus der Theorie der elliptischen Funktionen die ganzzahlige Folge des elliptischen Periodenverhältnisses und zeigte, dass die erzeugende Funktion dieser Folge eine elliptische Funktion ist. Auch ein weiterer Mathematiker namens Robert Fricke analysierte in seinem Aufsatz Die elliptischen Funktionen und ihre Anwendungen diese ganzzahlige Folge und beschrieb die exakten Rechenmethoden unter Verwendung dieser genannten Folge. Die Knesersche Zahlenfolge Kn(n) kann folgendermaßen erzeugt werden:

Mit den großen Rundklammerausdrücken in diesen beiden Formeln werden die Binomialkoeffizienten ausgedrückt.

Ausgeführte Rechenbeispiele:

In der OEIS wurde diese Zahlenfolge nach Kneser mit Code A227503 eingetragen:

Kn(1) Kn(2) Kn(3) Kn(4) Kn(5) Kn(6) Kn(7) Kn(8)
1 13 184 2701 40456 613720 9391936 144644749

Die Kneser-Folge erscheint in der Taylor-Reihe des Periodenverhältnisses (Halbperiodenverhältnis):

Die Ableitung dieser Gleichung bezüglich führt zu dieser Gleichung, die die erzeugende Funktion der Kneser-Zahlenfolge zeigt:

Dieses Ergebnis erscheint deswegen, weil die Legendresche Identität im Zähler des Bruchs von der Ableitung bei der Anwendung der Quotientenregel erscheint.

Das elliptische Nomen hat diese bereits genannte Definition:

Das elliptische Nomen hat eine zu den bereits genannten Definitionen identische Definition über die Zahlenfolge[7][8][9] nach Hermann Schwarz:

In der Online-Enzyklopädie der Zahlenfolgen OEIS wurde diese Zahlenfolge nach Schellbach und Schwarz[10][11][12][13][14] mit Code A002103 eingetragen:

Sc(1) Sc(2) Sc(3) Sc(4) Sc(5) Sc(6) Sc(7) Sc(8)
1 2 15 150 1707 20910 268616 3567400

Die zuletzt genannte Reihenentwicklung wird im nun Folgenden exemplarisch anhand ihrer ersten fünf Summanden dargestellt:

Der Mathematiker Karl Heinrich Schellbach entdeckte die ganzzahlige Zahlenfolge, die in der MacLaurinschen Reihe von der vierten Wurzel des Quotienten vom Elliptischen Nomen dividiert durch die quadrierende Funktion vorkommt. Dieser Wissenschaftler[15][16] hat diese Folge A002103 in seinem Werk „Die Lehre von den elliptischen Integralen und den Thetafunktionen“ im Detail aufgebaut. Speziell auf Seite 60 dieses Werkes ist in seinem Werk eine Syntheseroute dieser Sequenz niedergeschrieben. Auch der schlesisch-deutsche Mathematiker Hermann Amandus Schwarz schrieb in seinem Werk Formeln und Lehrsätze zum Gebrauche der elliptischen Funktionen im Kapitel Berechnung der Grösse k auf den Seiten 54 bis 56 diese ganzzahlige Zahlenfolge nieder. Diese Schellbach-Schwarz-Zahlenfolge Sc(n) wurde im 20. Jahrhundert auch von den Mathematikern Karl Theodor Wilhelm Weierstraß und Louis Melville Milne-Thomson analysiert. Die Synthesemethode der Schellbachschen Zahlen erfolgt nach diesem Muster:

Exemplarisch soll im nun Folgenden gezeigt werden, wie die Schellbachschen Zahlen sukzessiv aufgebaut werden. Hierfür werden die Beispiele mit den Zahlen Sc(4) = 150, Sc(5) = 1707 and Sc(6) = 20910 in ihrem Erzeugungsalgorithmus dargestellt:

Herleitung der MacLaurinschen Reihen

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Gegeben sind diese MacLaurinschen Reihen:

Es gelten diese beiden binomischen Maclaurin-Reihen für |kx| < 1:

Zusätzlich ist jenes Integral für alle Zahlen n ∈ ℕ₀ gültig:

Deswegen gilt für das vollständige elliptische Integral erster Art:

Und für das vollständige elliptische Integral zweiter Art gilt:

Singuläre elliptische Integralwerte

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Als Singuläre elliptische Integralwerte und im englischen Sprachraum als Elliptic Integral Singular Values werden diejenigen vollständigen elliptischen Integrale[17] bezeichnet, welche als algebraische Kombination von den Gammafunktionswerten rationaler Zahlen dargestellt werden können. Eine solche Darstellung ist dann möglich, wenn der Modulbetrag beziehungsweise Exzentrizitätsbetrag der betroffenen elliptischen Integrale gleich einem elliptischen Lambda-Stern-Wert von einer positiven rationalen Zahl ist. Im nun folgenden sollen genau solche elliptischen Integralidentitäten aufgestellt werden:

Eulersche Betafunktionsidentitäten der Integrale K und E
Elliptischer Modul k Elliptische Integrale erster Art Elliptische Integrale zweiter Art

Dabei bezeichnet die Lemniskatische Konstante und mit wird die reduzierte Eulersche Betafunktion dargestellt.

Hier werden mit , und wieder die komplementären Größen ausgedrückt.

Und mit dem Ausdruck wird die Elliptische Lambda-Stern-Funktion dargestellt. Diese Funktion erfüllt generell folgendes Kriterium:

Damit zusammenhängend gilt auch:

Nun folgen noch weitere Identitäten:

Die genannten Elliptischen Lambda-Stern-Werte kommen auch mit Hilfe des Lösens dieser für alle n ∈ ℕ gültigen Formeln hervor:

Dabei stellt die Amkürzung dn das Delta Amplitudinis aus der Gruppe der Jacobischen Amplitudenfunktionen dar!

Außerdem gelten folgende Identitäten für das vollständige elliptische Integral dritter Art:

Spezielle Identitäten

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Spezielle Funktionswerte:[18]

Modultransformationen der vollständigen Integrale

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Reflexive Transformationen

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Die Transformationen des elliptischen Moduls[19] erfolgen nach den nunfolgenden Mustern:

Bezüglich des standardisierten Legendreschen Moduls beziehungsweise bezüglich der numerischen Exzentrizität ist die soeben gezeigte Transformation imaginär beschaffen. Wenn diese Modultransformation auf sich selbst angewandt wird beziehungsweise zweimal hintereinander durchgeführt wird, dann entsteht wieder der anfängliche Modul. Somit hat diese Modultransformation einen reflexiven Charakter.

Landensche Transformationen

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Die Landensche Transformation bringt den ersten Tochtermodul in Bezug auf den gegebenen Muttermodul hervor. Der erste Tochtermodul ist das tangentielle Gegenstück vom Pythagoräischen Gegenstück vom Muttermodul. Somit geht der erste Tochtermodul ebenso als Quadrat von der Tangens-Hyperbolicus-Halbierung vom Muttermodul hervor. Wenn zwei elliptische Module zueinander Pythagoräische Gegenstücke sind, dann ergeben die Quadrate der betroffenen Module miteinander addiert den Wert Eins. Wenn zwei elliptische Module zueinander tangentielle Gegenstücke sind, dann ergeben die Nachfolger der betroffenen Module miteinander multipliziert den Wert Zwei. Das Elliptische Nomen vom Landenschen Tochtermodul ist das Quadrat des elliptischen Nomens vom gegebenen Muttermodul. Denn das reelle Halbperiodenverhältnis[20] verdoppelt sich bei der Landenschen Modultransformation:

Der Landensche Tochtermodul der Legendreschen Form wird exakt so hervorgerufen:

Elliptisches Nomen vom Landenschen Tochtermodul:

Für die Integrale K und E selbst gelten analog diese Formeln:

Exemplarisch sollen im Folgenden drei Beispiele mit der Landen-Transformation behandelt werden:

Landensche Modultransformationen
Muttermodul Tangens-Hyperbolicus-Halbierung Gegenstück-Rechenverfahren Periodenverhältnis Nomenfunktion

Der ist das Pythagoräische Gegenstück zum :

Der ist das tangentielle Gegenstück zum :

Der ist mit dem Nachfolger vom identisch.

Transformationen höheren Grades

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Mit dem Sinus Amplitudinis und dem Delta Amplitudinis können folgende Modultransformationen durchgeführt werden:

Hierbei löst der Jacobische Sinus-Amplitudinis-Ausdruck für x die Gleichung auf.

Insgesamt gilt für alle Werte n ∈ ℕ und 0 ≤ k ≤ 1 folgende Formel:

Hierbei ist sn der Sinus Amplitudinis und dn das Delta amplitudinis.

Für die genannte Transformation dritten Grades sollen zwei zueinander verwandte Beispiele im nun Folgenden dargestellt werden:

Durch Gegenüberstellung in X-förmigem Muster werden zueinander Pythagoräisch komplementäre elliptische Module auf beiden Seiten der Gleichungswaage sichtbar:

Hierbei sind gleichgefärbte Module zueinander Pythagoräisch komplementär.

Ableitungen der vollständigen Integrale

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Die vollständigen elliptischen Integrale erster, zweiter und dritter Art werden so abgeleitet:

Herleitung der Ableitungen

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Beweis für die Ableitung des elliptischen Integrals erster Art:

Beweis für die Ableitung des elliptischen Integrals zweiter Art:

Stammfunktionen

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Stammfunktionen der m-Form

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Stammfunktionen für das vollständige elliptische Integral erster, zweiter und dritter Art nach :

Stammfunktionen der Legendreschen k-Form

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Die Ursprungsstammfunktion für die Produkte der Integrale K und E mit der identischen Funktion können direkt mit den soeben genannten Integralen dargestellt werden:

Auch eine solche direkte Darstellungsmöglichkeit ergibt sich für folgende Funktionen:

Die Stammfunktionen vom K-Integral und E-Integral in der k-Form direkt können nicht mit den vollständigen elliptischen Integralen alleine dargestellt werden, sondern benötigen Integralfunktionsdarstellungen. Die Ursprungsstammfunktionen für die vollständigen elliptischen Integrale erster und zweiter Art nach werden im nun Folgenden zusammen mit jeweiligen Beispielen präsentiert:

Dabei ist G die Catalansche Konstante und mit Ti₂(x) wird das Arkustangensintegral zum Ausdruck gebracht.

Wenn jetzt als innere Funktion in die K-Funktion und E-Funktion die quadrierende Funktion eingesetzt wird, dann entstehen folgende Stammfunktionen und Integrale, welche als lemniskatisch beschaffene Integralfunktionen mit Hilfe des sogenannten Arkussinus Lemniscatus dargestellt werden können:

Mit dem Kürzel wird hierbei die Lemniskatische Konstante dargestellt.

Auch dann, wenn sich die vollständigen elliptischen Integrale im Nenner befinden, können unter anderem Stammfunktionen aufgestellt werden, welche als elementare Kombination der nicht elementaren elliptischen Integrale dargestellt werden können. Adolf Kneser und Robert Fricke analysierten folgende Funktion mit ihrer zugehörigen Ursprungsstammfunktion:

Die Richtigkeit dieser Formel geht direkt aus der Legendreschen Identität bei Anwendung der infinitesimalanalytischen Quotientenregel hervor.

Die genannte Legendresche Identität wird in diesem Artikel weiter unten bewiesen werden!

Die nun genannte Formel für die Ursprungsstammfunktion hat für alle reellen Werte Gültigkeit.

Basierend auf der genannten erzeugenden Funktion der Kneserschen Zahlenfolge kann durch Bildung der Ursprungsstammfunktion eine Reihenentwicklung für den Periodenverhältnis aufgestellt werden:

Mit Hilfe einer Aperyschen Zahlenfolge des folgenden Muster kann die Knesersche Folge alternativ erzeugt werden:

Diese Funktion mit dem Quadrat des K-Integrals im Nenner behandelte Robert Fricke in seinem berühmten Werk Die elliptischen Funktionen und ihre Anwendungen und leitete diese Formel mit der Legendreschen Identität her. Adolf Kneser erforschte diese Funktion ebenso und stellte zu dieser Funktion in seinem Werk Neue Untersuchung einer Reihe aus der Theorie der elliptischen Funktionen die zugehörige MacLaurinsche Reihenentwicklung auf, welche die Koeffizienten der Zahlenfolge (OEIS A227503) enthalten.

Umkehrfunktionen

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Umkehrfunktionen oder algebraische Funktionen von Umkehrfunktionen der elliptischen Integrale heißen elliptische Funktionen. Sie sind mit den trigonometrischen Funktionen verwandt. Die Umkehrfunktionen von den unvollständigen elliptischen Integralen erster Art in Legendre-Form sind die Jacobischen Amplitudenfunktionen Sinus Amplitudinis (sn), Cosinus Amplitudinis (cn) und Delta Amplitudinis (dn).

Wenn man von diesen drei Funktionen die Kehrwertfunktionen mit Kürzeln ausdrücken möchte, dann müssen von den soeben gezeigten Funktionskürzeln die beiden Buchstaben jeweils ausgetauscht werden. Wenn eine der drei gezeigten Funktionen als Dividendfunktion durch eine andere von diesen drei Funktionen als Divisorfunktion geteilt wird, dann trägt das zweibuchstabige Kürzel der jeweiligen neuen Funktion an erster Stelle den Anfangsbuchstaben vom Kürzel der Dividendfunktion und an zweiter Stelle den Anfangsbuchstaben vom Kürzel der Divisorfunktion. Beispielsweise hat der Quotient des Cosinus Amplitudinis dividiert durch das Delta Ampitudinis das Kürzel cd. Denn die Dividendfunktion ist der Cosinus Amplitudinis. Der Anfangsbuchstabe vom Kürzel dieser Funktion ist das c. Und die Divisorfunktion ist das Delta Amplitudinis. Der Anfangsbuchstabe vom Kürzel jener Funktion ist das d.

Die Jacobischen Amplitudenfunktionen haben genauso wie die trigonometrischen Funktionen und Hyperbelfunktionen Additionstheoreme mit algebraischer Struktur, welche aus den Theoremen der unvollständigen elliptischen Integrale erster Art hervorgehen. Deswegen zählen die sn-Werte, cn-Werte und dn-Werte von den Produkten aus einer rationalen Zahl und dem elliptischen K-Integral des betroffenen Moduls komplett immer zu den algebraischen Zahlen.

Bei den Umkehrfunktionen der unvollständigen elliptischen Integrale zweiter Art ist das jedoch nicht der Fall. Diese inversen elliptischen Integrale zweiter Art haben keine Additionstheoreme mit algebraischer Struktur. Diese Funktionen ordnen die Bogenmaße beziehungsweise Kurvenlängen der Ellipsen den jeweiligen Höhen und Breiten der betroffenen Kurvenpunkte zu.

Unvollständige elliptische Integrale

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Definition der unvollständigen elliptischen Integrale

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Graph der elliptischen Integrale erster Art in Legendre-Form für verschiedene Parameter
Graph der elliptischen Integrale zweiter Art in Legendre-Form für verschiedene Parameter

In der nachfolgenden Tabelle sind die Definitionen der unvollständigen elliptischen Integrale in Jacobi-Form und in Legendre-Normalform angegeben. Die Jacobi-Form lässt sich mit der Substitution in die Legendre-Normalform überführen. Die unvollständigen elliptischen Integrale besitzen im Vergleich zu den vollständigen elliptischen Integralen einen zusätzlichen Freiheitsgrad, welcher der oberen Integrationsgrenze entspricht. Somit stellen die vollständigen elliptischen Integrale einen Spezialfall der Unvollständigen dar. In den Funktions-Bibliotheken von Matlab, Wolfram-Alpha, Mathematica, Python (SciPy) und GNU Octave ist der Parameter und die Legendre-Normalform in Verwendung.

Definition der unvollständigen elliptischen Integrale mit Parametern und
Konvention mit Parameter Konvention mit Parameter
I. Art: Jacobi-Form
I. Art: Legendre-Normalform
II. Art: Jacobi-Form
II. Art: Legendre-Normalform
III. Art: Jacobi-Form
III. Art: Legendre-Normalform

Durch innere Substitution mit dem Arkussinus erhält man folgende Identitäten:

Durch innere Substitution mit dem Arkustangens erhält man folgende Identitäten:

Additionstheoreme

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Mit folgenden Theoremen können die unvollständigen elliptischen Integrale additiv verknüpft werden. Die Legendre-Normalform wird zur Darstellung verwendet.

Elliptische Integrale erster Art:

Elliptische Integrale zweiter Art:

Mit folgendem Theorem können arithmetische Mittlungen durchgeführt werden:

Der nun genannte Quotient kann wahlweise auch mit dem Arithmetischen Mittelungstheorem des Sinus und des Cosinus auf folgende Weise dargestellt werden:

Modultransformationen der unvollständigen Integrale

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Die Landensche Transformation erfolgt grundsätzlich nach folgendem Muster:

Insbesondere die analoge vollständige Formel wurde durch die Gebrüder Borwein in ihrem Werk Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity behandelt.

Für alle Werte n ∈ ℕ und |k| ≤ 1 gilt folgende Formel:

Unvollständige elliptische Integrale als Stammfunktionen

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Diese Ableitungsformel dient zur effizienten Integration der Kehrwerte von Quadratwurzeln aus kubischen Polynomen:

Folgende Ableitungsformel kann eingesetzt werden, um einige Kehrwerte von Quadratwurzeln aus Polynomen vierten Grades effizient zu integrieren:

Der auf der rechten Seite des Ausdrucks gezeigte elliptische Modul kann direkt mit dem Arithmetischen Mittelungstheorem des Areatangens Hyperbolicus hervorgerufen werden:

Auch mit den trigonometrischen Kreisfunktionen kann für den Elliptischen Modul eine direkte Identität gebildet werden:

Mit der unteren von den beiden eingerahmten Formeln kann durch lineare Verschiebung der inneren Funktion auch dieses Exemplar herausgearbeitet werden:

Durch Einsetzen des Cardanoschen Formelanalogon für quartische Gleichungen kann die gezeigte Gleichung vierten Grades unter der Quadratwurzel in zwei quadratische Polynome faktorisiert werden. So kann dann diese Gleichung mit der genannten eingerahmten Formel integriert werden. Das uneigentliche Integral von Minus Unendlich bis Plus Unendlich vom Kehrwert der Quadratwurzel aus einem quartischen Polynom ohne reelle Nullstellen ist komplett immer als Vollständiges elliptisches Integral erster Art K von einem in algebraischer Beziehung zu den Koeffizienten des quartischen Polynoms stehenden Modul darstellbar.

Ableitung des komplett verallgemeinerten Falls

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Für den allgemeinsten Fall gelten diese Ableitungsregeln:

Alternative Darstellungen

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Symmetrische Carlson-Formen

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Die symmetrischen Carlson-Formen sind eine alternative Menge an Funktionen, durch die die klassischen elliptischen Integrale ausgedrückt werden können. Die moderneren Carlson-Formen wurden erst in den 1960er Jahren erfunden, während die Legendre-Formen bereits 1825 formuliert worden waren. Die Carlson-Formen bieten einige Vorteile gegenüber den klassischen elliptischen Integralen.

Unvollständige elliptische Integrale

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Unvollständige elliptische Integrale können mit Hilfe der symmetrischen Carlson-Formen , und ausgerückt werden:

(für und )

Vollständige elliptische Integrale

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Vollständige elliptischen Integrale erhält man durch Einsetzen von φ = π/2:

Bulirsch-Integrale

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Eine alternative Darstellung der unvollständigen elliptischen Integrale sind die Bulirsch-Integrale.[21][22]

Unvollständige Bulirsch-Integrale

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Die unvollständigen Bulirsch-Integrale sind:

Eine verallgemeinerte Version wurde 1994 zusammen mit einem effizienten Berechnungsalgorithmus eingeführt:[23]

.

Relation zu den Legendre-Normalformen:

Die Bulirsch-Integrale haben den Vorteil, dass bestimmte in der Praxis vorkommende Kombinationen der Legendre-Elliptischen-Integrale als gemeinsame Funktion dargestellt werden können, und damit numerische Instabilitäten und undefinierte Wertebereiche vermieden werden können:[23]

Vollständige Bulirsch-Integrale

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Die vollständigen Bulirsch-Integrale sind

und das verallgemeinerte vollständige Bulirsch-Integral[22]