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Entwicklungssatz nach Heaviside

Definition

Bezugnehmend auf die Partialbruchzerlegung und in Anlehnung an das Residuenkalkül erfolgt hier Erläuterung zur Koeffizentenbestimmung


Sei $ f(x)=\bruch{Z(x)}{N(x)}=\bruch{\summe_{i=1}^{m}{b_i x^i}}{\summe_{i=1}^{n}{a_i x^i}}\quad mit\quad a_n=1\ \wedge\ m<n $

Unter der Voraussetzung, dass

$ (1)\quad \summe_{i=1}^{r}{n_i}=n\quad \wedge\quad n_i=-x_i\quad f"ur\quad i=1,2,.... $

lässt sich das Nennerpolynom N(x) als Produkt darstellen

$ (2)\quad \summe_{i=1}^{n}{a_ix^i}=\produkt_{i=1}^{r}{(x+x_i)^{n_i}} $

Die zugehörige Partialbruchzerlegung lautet nun:

$ (3)\quad f(x)=b_m+\summe_{i=1}^{r}\summe_{k=1}^{n_i}\bruch{A_{ik}}{(x+x_i)^k}\quad mit\quad b_m=0\quad f"ur\quad m<n $

Es gilt nach dem Residuensatz

$ (4)\quad A_{ik}\ =\ \limes_{x\rightarrow -x_i}\ \bruch{1}{(n_i-k)!}\bruch{d^{n_i-k}}{dx^{n_i-k}}\big[(x-x_i)^{n_i}\cdot{}f(x))\big] $

Das war bis hierher der theoretische Part, nun folgen einige einfache Beispiele, anhand derer die Formel angewendet und erklärt wird. Die Ableitungen, sofern von Nöten, werden ausnahmslos mit der Quotientenregel durchgeführt und jeweils der erste Zwischenschritt notiert (vereinfachte Darstellung):


$ \left(\bruch{u}{v}\right)'=\bruch{u'v-uv'}{v^2} $

Um die Lesbarkeit zu erhöhen oder Stellen, welche gerade bearbeitet werden müssen, hervorzuheben, werden zunächst verschiedene Farben eingesetzt, auf die immer wieder zurückgegriffen wird


$ A_{ik}\ =\ \limes_{x\rightarrow -\blue{x_i}}\ \bruch{1}{(\red{n_i}-\green{k})!}\bruch{d^{\red{n_i}-\green{k}}}{dx^{\red{n_i}-\green{k}}}\big[(x-\blue{x_i})^{\red{n_i}}\cdot{}\color{Black}f(x))\big] $



Beispiele

$ \mathbf{Beispiel\ 1} $: Es liegt eine gebrochen-rationale Funktion vor, dessen zwei reelle Nullstellen im Nennerpolynom einfach vorhanden sind (vgl. Artikel: Partialbruchzerlegung):

$ f(x)=\bruch{4x-2}{x^2-2x-35}=\bruch{4x-2}{(x+5)\cdot{}(x-7)} $

Nach (3) gilt erst einmal:

$ \bruch{4x-2}{(x+\blue{5})^{\red{1}}\cdot{}(x-\blue{7})^{\red{1}}}=\bruch{A_{11}}{(x+\blue{5})^{\green{1}}}+\bruch{A_{21}}{(x-\blue{7})^{\green{1}}} $

Nach (4) gilt zunächst für  $ A_{11} $:

$ A_{11}\ =\ \limes_{x\rightarrow -5}\ \bruch{1}{({\red{1}}-\green{1})!}\bruch{d^{\red{1}-\green{1}}}{dx^{\red{1}-\green{1}}}\left[(x+\blue{5})^{\red{1}}\cdot{}\left(\bruch{4x-2}{(x+\blue{5})\cdot{}(x-7)}\right)\right] $

Das schaut noch alles etwas unübersichtlich aus, jedoch ist   $ ({\red{1}}-\green{1})!=1 $   und mit   $ \bruch{d^{\red{1}-\green{1}}}{dx^{\red{1}-\green{1}}}=\bruch{d^0}{dx^0} $   wird die Ableitung nicht gebildet. Zu guter Letzt kann der Teil in den eckigen Klammern noch vereinfacht werden, da sich (x+5) herauskürzt. Es bleibt übrig:

$ A_{11}\ =\ \limes_{x\rightarrow -5}\ \bruch{4x-2}{x-7}=\bruch{11}{6} $

Für die Bestimmung von $ A_{21} $ wird natürlich das gleiche Prinzip angewendet

$ A_{21}\ =\ \limes_{x\rightarrow +7}\ \bruch{4x-2}{x+5}=\bruch{13}{6} $

$ \mathbf{Ergebnis}:\quad  \bruch{4x-2}{x^2-2x-35}=\bruch{11}{6\cdot{}(x+5)}+\bruch{13}{6\cdot{}(x-7)} $







$ \mathbf{Beispiel\ 2} $: Es liegt eine gebrochen-rationale Funktion vor, dessen drei reelle Nullstellen im Nennerpolynom einfach vorhanden sind:

$ f(x)=\bruch{1}{x\cdot{}(x+a)\cdot{}(x+b)} $

Ansatz für die Partialbruchzerlegung:

$ \bruch{1}{x\cdot{}(x+a)\cdot{}(x+b)}=\bruch{A_{11}}{x}+\bruch{A_{21}}{(x+a)}+\bruch{A_{31}}{(x+b)} $

$ A_{11}\ =\ \limes_{x\rightarrow 0}\ \bruch{1}{(x+a)\cdot{}(x+b)}=\bruch{1}{ab} $
$ A_{21}\ =\ \limes_{x\rightarrow -a}\ \bruch{1}{x\cdot{}(x+b)}=\bruch{1}{a^2-ab} $
$ A_{31}\ =\ \limes_{x\rightarrow -b}\ \bruch{1}{x\cdot{}(x+a)}=\bruch{1}{b^2-ab} $

$ \mathbf{Ergebnis}:\quad \bruch{1}{x\cdot{}(x+a)\cdot{}(x+b)}=\bruch{1}{abx}+\bruch{1}{(a^2-ab)(x+a)}+\bruch{1}{(b^2-ab)(x+b)} $






weitere Beispiele folgen :-)



Erstellt: Do 05.11.2009 von Herby
Letzte Änderung: Mi 20.01.2010 um 16:29 von Herby
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