Wellen in der Klein-Gordon-Gleichung Vortrag im Bachelorseminar "Modellierung und Analysis von Wellen" bei Prof. Dr. Michael Herrmann Dirk Janßen Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Existenz periodischer Lösungen 1 2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2.2 Energieniveaulinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 Approximation periodischer Lösungen 8 Dirk Janssen 1 WWU Einleitung Diese Seminararbeit beschäftigt sich mit Wellen in der Klein-Gordon-Gleichung. Dabei wird diese zunächst in Kaptitel 1 auf die Existenz von periodischen Lösungen untersucht. Im zweiten Kapitel wird eine Approximation der periodischen Lösungen bestimmt. Grundlage der Arbeit bilden folgende Quellen: Vladimir I. Arnold: Gewöhnliche Differentialgleichungen, 2. Auflage, Springer, S. 140-149 Peter D. Miller: Applied Asymptotic Analysis, Graduate Studies in Mathematics Volume 75, American Mathematical Society, S. 382-391 G. B. Whitham: Linear and Nonlinear Waves, Wiley-Interscience, S. 485-489 2 Existenz periodischer Lösungen 2.1 Grundlagen Wir betrachten die nichtlineare Klein-Gordon-Gleichung: 'xx + V 0 (') = 0, 'tt (1) mit einer nichtlinearen Funktion V 0 ('), welche im weiteren Verlauf als Ableitung der potentiellen Energie V (') betrachtet wird. Wir wollen die Klein-Gordon-Gleichung zunächst auf Existenz periodischer Lösungen überprüfen. Dazu wählen wir: '= (✓), ✓ = x (2) !t Damit ergibt sich für die Klein-Gordon-Gleichung: (! 2 2 ) ✓✓ = V 0( ) (3) Gleichung (3) ist äquivalent zu dem System: 0 1 2 = 2, (! 2 2 ) 0 2 = EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN V 0( 1) ( 1, 2) 2I ⇥R (4) 1 Dirk Janssen WWU mit I ⇥ R als Phasenraum, 1 und = 2 0 = In diesem Phasenraum betrachten wir außerdem die folgenden Funktionen: T = (! 2 2 ) 2 2 kinetische Energie 2 V potentielle Energie E =T +V gesamte Energie Satz: Die Energie E ist eine Erhaltungsgröße für das System (4) Beweis: d d✓ ✓ (! 2 = (! 2 2.2 2 ) 2 ) 2 2 (✓) 2 +V( 2 0 2 +V0 0 1 1 (✓) ◆ V0 = 2 +V0 2 =0 Energieniveaulinien Wir untersuchen nun die Lösungen von (4) im Phasenraum. Diese Phasenkurven liegen in den Niveaumengen der Energie. Wie betrachten diese Niveaumengen für feste Werte von E: Ne = ⇢ ( 1, 2 )| (! 2 2 ) 2 2 2 +V( 1) =e Wir schauen uns die Phasenkurven für ausgewählte potentielle Energien an. V1 ( 1) = 2 1 2 Um die Phasenkurven zu skizzieren stellen wir uns ein Kügelchen vor, das in der Potentialsenke rollt. Wir betrachten eine Gesamtenergie E > 0. Da die kinetische Energie nichtnegativ ist, ist die potentielle Energie nie größer als die Gesamtenergie E. Das bedeutet übertragen auf unser Kügelchen, dass es nie den Wert E übersteigt. Rollt das Kügelchen nun in der Potentialsenke hinunter, so erhöht sich dessen Geschwindigkeit ( 2 ), rollt es hinauf so sinkt dessen Geschwindigkeit. Die Geschwindkeit istqim Betrag also umso V ( 1 )) größer, je kleiner die potentielle Energie ist (| 2 | = 2(E ). An den (! 2 2 ) Punkten V ( 1) = E ist die Geschwindigkeit null. Gilt für die Gesamtenergie E = 0, so ruht das Kügelchen in der Potentialsenke. Die Phasenkurve ist also ein Punkt (0,0). Für E < 0 ist eine Bewegung des Kügelchen physikalisch nicht möglich. Es gibt also keine Phasenkurven. Die Phasenkurven sind also geschlossene, kreisförmige und symmetrische Kurven um den Punkt (0,0). 2 EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN 2 Dirk Janssen Unsere Lösungen WWU 1 (✓) = (✓) von (3) sind also periodisch. Die Phasenkur- ven für drei unterschiedliche Energien E > 0 und die Energie E = 0 sehen dementsprechend wie folgt aus: V ( 1) 1 2 2 1 1 2 N3 N2 N1 1 Wir betrachten nun die potentielle Energie V2 ( 1) = 2 1 2 und möchten die Phasenkurven für drei unterschiedliche Energien skizzieren (E > 0, E = 0 und E < 0). Für E > 0 rollt das Kügelchen (ob von links oder rechts kommend) den ”Potentialberg” hinauf und rollt auf der anderen Seite wieder hinunter. Die Geschwindigkeit sinkt in der Steigung und erhöht sich im Gefälle. Für E = 0 nähert sich das Kügelchen mit sinkender Geschwindigkeit dem Maximum, wird dieses allerdings nie erreichen. Ein sich im Gefälle befindliches Kügelchen ist in einem Punkt gestartet der biliebig nahe am Maximum liegt. Für E < 0 rollt das Kügelchen mit sinkender Geschwindigkeit bis zum Wert von E hinauf und rollt anschließend mit wachsender Geschwindigkeit 2 EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN 3 Dirk Janssen WWU wieder hinunter. Die Phasenkurven sehen für diese Gesamtenergien wie folgt aus: V( 1) 1 1 2 2 1 2 1 Die Phasenkurven sind also nicht geschlossen. Es existieren keine periodischen Lösungen. Wir möchten ein letztes Potential betrachten: V ( 2 EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN 1) = 1 2 2 1 + 4 1 4 Dirk Janssen WWU Das Potiential und die Phasenkurven sehen dann wie folgt aus: V( 1) 1 2 1 Die Steigung dieses Potential unterscheidet sich von der des ersten Potentials. Aufgrunddessen nähern sich die Phasenkurven einer "Rechteckform". Die Phasenkurven sind also geschlossen und es existieren periodische Lösungen. Wir möchten nun die Periode der Lösungen bestimmen. Unser Potential besitze nun eine Mulde im Intervall [a,b], wie in Abbildung 1. Also: V (a) = V (b) = E V (x) < E für a < x < b V 0 (a) < 0 und V 0 (b) > 0 2 EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN 5 Dirk Janssen V( WWU 1) E a b 1 Abbildung 1: Potentialmulde 2 a b 1 Für unsere betrachte Energie E ist die Phasenkurve also geschlossen. Es existiert also eine periodische Lösung. Es gilt wieder E = (! 2 Die Auflösung nach 2 0 1 2 2 ) 2 2 2 +V( 1 ). ergibt: = 2 =± s 2(E V ( 1 )) (! 2 2 ) EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN (5) 6 Dirk Janssen WWU Sei T̄ die Periode der Lösung. Dann gilt: T̄ = 2 Z T̄ 2 1 d✓ = 0 Z b 1 a d 1 d 1 d✓ = 1 (0) Z bs a = 1 (T̄ ) = a und (! 2 2 ) d 2(E V ( 1 )) 1 T̄ 1( 2 ) =b (6) Die Grenzen a und b lassen sich bestimmen durch: V (b) = E und V (a) = E T̄ ist also eine Funktion von !, und E. Sei nun ! 2 V( 1) = 4 1 + 1 2 2 = 1 und 2 1 Das T̄ -E-Diagramm hat dann folgende Gestalt: T̄ (E) E Je größer die Energie also ist, desto kleiner ist die Periode. 2 EXISTENZ PERIODISCHER LÖSUNGEN 7 Dirk Janssen 3 WWU Approximation periodischer Lösungen Wir möchten nun die periodischen der Klein-Gordon-Gleichung approximieren. Dazu verwenden wir: ' = ✏ (✓), ✓ = x (7) !t mit der Wellenzahl und der Frequenz ! Wir überführen die Klein-Gordon-Gleichung in die Form: ✏(! 2 2 ) 00 + V 0 (✏ (✓)) = 0 Mit Taylorentwichlung von V 0 (✏ (✓)) um 0 ergibt sich: 0 = ✏(! 2 + ✏2 00 2 ) + V 0 (0) + V 00 (0)✏ (✓) V 0 (✏ (✓)) V 0 (0) ✏2 (8) V 00 (0)✏ (✓) Außerdem setzen wir: V 0 (0) = 0, V 00 (0) = 1 und G( ; ✏) := V 0 (✏ (✓)) V 0 (0) ✏2 V 00 (0)✏ (✓) 0 (9) mit G(0; ✏) = 0 und G (0; ✏) = 0 Setzen wir nun (9) in (8) ein und teilen durch ✏, so ergibt sich: (! 2 2 ) 00 + + ✏G( ; ✏) = 0 (10) Wir betrachten also den linearen harmonischen Oszillator mit einer kleinen Störung (✏ ⌧ 1). Außerdem wählen wir für G: G( ; ✏) = 4 3 Insgesamt möchten wir also periodische Lösungen der folgenden Differentialgleichung bestimmen: (! 2 3 2 ) 00 + + ✏4 APPROXIMATION PERIODISCHER LÖSUNGEN 3 =0 (11) 8 Dirk Janssen WWU Wir verwenden hierzu den Ansatz (✓; ✏) = ! 2 2 = 1 X n (✓)✏ n=0 1 X n (12) n✏ n n=0 0 (0) = ↵ (13) (0) = 0 und setzen (12) in Gleichung (11) ein, um anschließend die Koeffizienten und n n zu berechnen. Für die Terme die unabhängig von ✏ sind ergibt sich: 0 00 0 + 0 (14) =0 Wir suchen 2⇡-periodische Lösungen und wählen deshalb: 0 = 1. Mit den Anfangsbedingungen (13) ergibt sich damit als Lösung von (14): 0 (✓) = ↵ cos(✓) Für die Terme die proportional zu ✏ sind ergibt sich eine Differentialgleichung für 1: 0 Einsetzen von 0 0 00 1 00 1 + 1 = 4 3 0 1 00 0 (15) in die Differentialgleichung (15) liefert: + 1 = = 4↵3 cos3 (✓) + 1 ↵ cos(✓) 3 ↵ (3 cos(✓) + cos(3✓)) + 1 ↵ cos(✓) (16) Wir lösen diese Differentialgleichung mit Variation der Konstanten und wählen den Ansatz mit der Bedingung a0 (✓) cos(✓) Ansatzes in (16) liefert: + 1 (✓) = a(✓) cos(✓) + b(✓) sin(✓) 0 b (✓) sin(✓) = 0. Einsetzen unseres a0 (✓) = ↵3 sin(✓)(3 cos(✓) + cos(3✓)) b0 (✓) = 3 1 ↵ cos(k✓) sin(✓) ↵3 cos(✓)(3 cos(✓) + cos(3✓)) + APPROXIMATION PERIODISCHER LÖSUNGEN 1 ↵ cos 2 (✓) (17) (18) 9 Dirk Janssen WWU Um 2⇡-periodische Lösungen zu erhalten muss gelten: Z 2⇡ 1 a0 (✓) d✓ = 0 2⇡ 0 Z 2⇡ 1 b0 (✓) d✓ = 0 2⇡ 0 Dies ist der Fall wenn: 1 = 3↵2 Setzen wir dies in (17) und (18) ein und integrieren anschließend so erhalten wir a(✓), b(✓) und als Lösung für 1 (✓) !2 2 1: 1 3 ↵ (cos(3✓) cos(✓)) 8 = 1 + 3↵2 ✏ + O(✏2 ) (19) = (20) Insgesamt ergibt sich als Lösung von (11): (✓) = 0 (✓) + 1 (✓)✏ + O(✏2 ) 1 = ↵ cos(✓) + ↵3 (cos(3✓) 8 (21) cos(✓))✏ + O(✏2 ) (✓) ↵ ✓ -2⇡ -⇡ ⇡ 2⇡ -↵ 3 APPROXIMATION PERIODISCHER LÖSUNGEN 10