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chrbeckm committed Oct 1, 2024
1 parent 6ce16cd commit 71dc1a0
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Showing 4 changed files with 187 additions and 21 deletions.
7 changes: 6 additions & 1 deletion exercises-latex/06-math/Makefile-loesung
Original file line number Diff line number Diff line change
@@ -1,9 +1,14 @@
all: build/loesung.pdf
all: build/loesung.pdf \
build/loesung-2.pdf

build/loesung.pdf: loesung.tex | build
lualatex --output-directory=build --interaction=batchmode --halt-on-error loesung.tex
lualatex --output-directory=build --interaction=batchmode --halt-on-error loesung.tex

build/loesung-2.pdf: loesung-2.tex | build
lualatex --output-directory=build --interaction=batchmode --halt-on-error loesung-2.tex
lualatex --output-directory=build --interaction=batchmode --halt-on-error loesung-2.tex

build:
mkdir -p build

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9 changes: 8 additions & 1 deletion exercises-latex/06-math/aufgabe.txt
Original file line number Diff line number Diff line change
@@ -1,5 +1,5 @@
Hinweis: Falls du die hier benötigten Gesetze und Gleichungen nicht mehr weißt,
kannst du einen Blick in die PDF der Musterlösung werfen.
kannst du einen Blick in die PDF der Musterlösung werfen.
(Nicht in die .tex)

Aufgabe 1:
Expand Down Expand Up @@ -41,3 +41,10 @@ Aufgabe 8:

Aufgabe 9:
Setze die DGL für den gedämpften harmonischen Oszillator sowie ihre Lösung.

Aufgabe 10:
Versuche die Gleichungsnummern so zu setzen, wie sie in `build/loesung-2.pdf`
gesetzt sind. Das ist nicht einfach, ein paar Stichpunkte sind:
- minipage,
- align tag,
- setcounter.
155 changes: 155 additions & 0 deletions exercises-latex/06-math/loesung-2.tex
Original file line number Diff line number Diff line change
@@ -0,0 +1,155 @@
\documentclass{scrartcl}

\usepackage[aux]{rerunfilecheck}

\usepackage{fontspec}

\usepackage[ngerman]{babel}

\usepackage{amsmath}
\usepackage{amssymb}
\usepackage{mathtools}

\usepackage[
math-style=ISO,
bold-style=ISO,
sans-style=italic,
nabla=upright,
partial=upright,
mathrm=sym,
]{unicode-math}

\usepackage[unicode]{hyperref}
\usepackage{bookmark}

\begin{document}

\section{Biot--Savart}

Das Magnetfeld $\symbf{B}$ am Ort $\symbf{r}$ eines stromdurchflossenen Leiters
ergibt sich zu
\begin{equation*}
\symbf{B}(\symbf{r}) = \frac{\mu_0}{4 \symup{\pi}}
\int_V \symbf{j}(\symbf{r}') \times
\frac{\symbf{r} - \symbf{r}'}{\lvert \symbf{r} - \symbf{r}' \rvert^3}
\, \symup{d}V' \, .
\end{equation*}
Hierbei bezeichnet $\symbf{j}$ die Stromdichte am Ort $\symbf{r}'$ und $\mu_0$
die magnetische Feldkonstante.

\section{Fehlerfortpflanzung}

\begin{equation*}
\sigma_f = \sqrt{
\sum_{i = 1}^N
\left( \frac{\partial f}{\partial x_i} \sigma_i \right)^{\!\! 2}
}
\end{equation*}

\section{Die vier Maxwellgleichungen}

\begin{minipage}{.48\textwidth}
\begin{align}
\nabla \cdot \symbf{E} &= \frac{\rho}{\varepsilon_0} \\
\addtocounter{equation}{+1}
\nabla \times \symbf{E} &= - \partial_t \symbf{B}
\end{align}
\end{minipage}
\hfill
\begin{minipage}{.48\textwidth}
\begin{align}
\addtocounter{equation}{-2}
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \\
\addtocounter{equation}{+1}
\nabla \times \symbf{B} &= \mu_0 \symbf{j} + \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t \symbf{E}
\end{align}
\end{minipage}

\section{Wellengleichung}

Im Vakuum gelten $\rho = 0$ und $\symbf{j} = 0$, womit sich die Maxwellgleichungen zu
\begin{align*}
\nabla \cdot \symbf{E} = 0 \label{eqn:max1} \stepcounter{equation}\tag{\theequation} \\
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \\
\nabla \times \symbf{E} &= - \partial_t \symbf{B}
\label{eqn:max3} \stepcounter{equation}\tag{\theequation} \\
\nabla \times \symbf{B} &= \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t \symbf{E}
\label{eqn:max4} \stepcounter{equation}\tag{\theequation}
\intertext{reduzieren.
Nach erneuter Anwendung der Rotation auf~\eqref{eqn:max3} ergibt sich}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= \nabla \times \left( - \partial_t \symbf{B} \right) \, .
\intertext{Nach dem Satz von Schwarz lassen sich die partiellen Ableitungen vertauschen,
was zu}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \partial_t \! \left( \nabla \times \symbf{B} \right)
\intertext{führt. Wir setzen auf der rechten Seite~\eqref{eqn:max4} ein:}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} \, .
\intertext{Aus der linken Seite wird mit}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= \nabla \cdot \left( \nabla \cdot \symbf{E} \right) - \increment \symbf{E}
\shortintertext{und Ausnutzen von~\eqref{eqn:max1}}
- \increment\symbf{E} &= -\mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} .
\intertext{Dies ist die Wellengleichung für das elektrische Feld,
in der sich die Lichtgeschwindigkeit}
\symup{c} &= \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}
\intertext{identifizieren lässt.
Damit können wir}
\left(\increment - \frac{1}{\symup{c}^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} \right)
\! \symbf{E} &= 0
\end{align*}
schreiben.

\section{Wellengleichung}

Ebene Welle:
\begin{equation}
\nabla^2 A - \frac{1}{\symup{c}^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} A = 0
\end{equation}
Eine Lösung:
\begin{equation}
A = A_0 \exp(\mathrm{i} (\symbf{k} \symbf{x} - \omega t))
\end{equation}
Gruppen- und Phasengeschwindigkeit:
\begin{align}
v_\text{Gr} &= \frac{\partial \omega}{\partial k} &
v_\text{Ph} &= \frac{\omega}{k}
\end{align}

\section{Multipolentwicklung}

\begin{align*}
\Phi(\symbf{r}) &= \frac{1}{4 \symup{\pi} \varepsilon_0} \left(
\frac{Q}{r} + \frac{\symbf{r} \cdot \symbf{p}}{r^3}
+ \frac{1}{2} \sum_{k, l} Q_{k l} \frac{r_k r_l}{r^5} + \dotsb
\right) \, ,
\shortintertext{wobei}
Q_{k l} &= \sum_{i\,=\,1}^n q_i
\left( 3 r_{i k} r_{i l} - r_i^2 \symup{\delta}_{k l} \right) \, .
\end{align*}

\section{Jacobi-Matrix}

\begin{equation}
\symbf{J} =
\begin{pmatrix}
\frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
\frac{\partial f_m}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n}
\end{pmatrix}
\end{equation}

\section{Harmonischer Oszillator}

\begin{equation}
\ddot{x} + 2 \gamma \dot{x} + \omega_0^2 x = 0
\end{equation}
Reelle Lösung:
\begin{align}
x(t) &= \symup{e}^{-\gamma t} (A \cos(\omega t) + B \sin(\omega t)) \, ,
\shortintertext{mit}
\omega &= \sqrt{\omega_0^2 - \gamma^2} \, .
\end{align}

\end{document}
37 changes: 18 additions & 19 deletions exercises-latex/06-math/loesung.tex
Original file line number Diff line number Diff line change
Expand Up @@ -26,7 +26,8 @@

\section{Biot--Savart}

Das Magnetfeld $\symbf{B}$ am Ort $\symbf{r}$ eines stromdurchflossenen Leiters ergibt sich zu
Das Magnetfeld $\symbf{B}$ am Ort $\symbf{r}$ eines stromdurchflossenen Leiters
ergibt sich zu
\begin{equation}
\symbf{B}(\symbf{r}) = \frac{\mu_0}{4 \symup{\pi}}
\int_V \symbf{j}(\symbf{r}') \times
Expand All @@ -40,16 +41,16 @@ \section{Fehlerfortpflanzung}

\begin{equation}
\sigma_f = \sqrt{
\sum\limits_{i = 1}^N
\sum_{i = 1}^N
\left( \frac{\partial f}{\partial x_i} \sigma_i \right)^{\!\! 2}
}
\end{equation}

\section{Die vier Maxwellgleichungen}

\begin{align}
\nabla \cdot \symbf{E} &= \frac{\rho}{\varepsilon_0} &
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \\
\nabla \cdot \symbf{E} &= \frac{\rho}{\varepsilon_0} &
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \\
\nabla \times \symbf{E} &= - \partial_t \symbf{B} &
\nabla \times \symbf{B} &= \mu_0 \symbf{j} + \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t \symbf{E}
\end{align}
Expand All @@ -58,8 +59,8 @@ \section{Wellengleichung}

Im Vakuum gelten $\rho = 0$ und $\symbf{j} = 0$, womit sich die Maxwellgleichungen zu
\begin{align}
\nabla \cdot \symbf{E} &= 0 \label{eqn:max1} \\
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \label{eqn:max2} \\
\nabla \cdot \symbf{E} &= 0 \label{eqn:max1} \\
\nabla \cdot \symbf{B} &= 0 \label{eqn:max2} \\
\nabla \times \symbf{E} &= - \partial_t \symbf{B} \label{eqn:max3} \\
\nabla \times \symbf{B} &= \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t \symbf{E} \label{eqn:max4}
\intertext{reduzieren.
Expand All @@ -68,13 +69,13 @@ \section{Wellengleichung}
&= \nabla \times \left( - \partial_t \symbf{B} \right) \, .
\intertext{Nach dem Satz von Schwarz lassen sich die partiellen Ableitungen vertauschen,
was zu}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \partial_t \! \left( \nabla \times \symbf{B} \right)
\intertext{führt. Wir setzen auf der rechten Seite~\eqref{eqn:max4} ein:}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= - \mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} \, .
\intertext{Aus der linken Seite wird mit}
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
\nabla \times \left( \nabla \times \symbf{E} \right)
&= \nabla \cdot \left( \nabla \cdot \symbf{E} \right) - \increment \symbf{E}
\shortintertext{und Ausnutzen von~\eqref{eqn:max1}}
- \increment\symbf{E} &= -\mu_0 \varepsilon_0 \partial_t^2 \symbf{E} .
Expand Down Expand Up @@ -106,26 +107,24 @@ \section{Wellengleichung}

\section{Multipolentwicklung}

\begin{equation}
\Phi(\symbf{r}) = \frac{1}{4 \symup{\pi} \varepsilon_0} \left(
\begin{align}
\Phi(\symbf{r}) &= \frac{1}{4 \symup{\pi} \varepsilon_0} \left(
\frac{Q}{r} + \frac{\symbf{r} \cdot \symbf{p}}{r^3}
+ \frac{1}{2} \sum_{k, l} Q_{k l} \frac{r_k r_l}{r^5} + \dotsb
\right) \, ,
\end{equation}
wobei
\begin{equation*}
Q_{k l} = \sum_{i\,=\,1}^n q_i
\shortintertext{wobei}
Q_{k l} &= \sum_{i\,=\,1}^n q_i
\left( 3 r_{i k} r_{i l} - r_i^2 \symup{\delta}_{k l} \right) \, .
\end{equation*}
\end{align}

\section{Jacobi-Matrix}

\begin{equation}
\symbf{J} =
\begin{pmatrix}
\frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
\frac{\partial f_m}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n}
\frac{\partial f_1}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n} \\
\vdots & \ddots & \vdots \\
\frac{\partial f_m}{\partial x_1} & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n}
\end{pmatrix}
\end{equation}

Expand Down

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