Springer-Lehrbuch
Wilhelm Forst Dieter Hoffmann Gewöhnliche Differentialgleichungen Theorie und Praxis - vertieft und visualisiert mit Maple ~ Springer
Professor Dr. Wilhelm Forst Universität Ulm Fakultät für Mathematik und Wirtschaftswissenschaften Abteilung Numerik 89069 Ulm, Deutschland E-mail: forst@mathematik.uni-ulm.de Professor Dr. Dieter Hoffmann Universität Konstanz Fachbereich Mathematik und Statistik Fach D 198 78457 Konstanz, Deutschland E-mail: dieter.hoffmann@uni-konstanz.de Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Mathematics Subject Classification (2000): 34-01 ISBN 3-540-22226-X Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+ Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz: Reprodnktionsfertige Vorlage von den Autoren Herstellung: LE- TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10989555 44/3142YL - 5 43210
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis........................................ Einleitung.............................................. IX 1 Einführende Überlegungen............................... 1 1.1 Er. te A pekte...................................... Was i t eine Differentialgleichung?.................. 3 W lehe Fragen teilen wir?......................... Mathematische Modellierung....................... 5 1.2 Richtungsfeld r................................... 7 EULER-Polygonzugverfahren...................... Historische Notizen zu EULER und CAUCHY.................. 10.. Maple Worksheets zu Kapitell.................... 11....... 2 Elementare Integrationsmethoden................... 19..... 2.1 Differentialgleichungen mi,getrennten Variablen'......... 19 2.2 Differentialgleichungen vom Typ y' = f(p lxtq'~ltrl).... 23 P2x Q2Y r2 2.3 Lineare Differentialgleichungen 1. Ordnung................ 26 2.4 BERNOULLI-Differentialgleichung....................... 2 2.5 RI CCATI-Differentialgleichung............................ 29 Zusarrunenhang mit homogener linearer DGL 2. Ordnung. 30 Elementare Integration bei bekannter spezieller Lösung... 3 1 2.6 Exakte Differentialgleichungen... 33 Multiplikator n............................ 34 2.7 CLAIRAUT-Diff) r ntia1g1 ichung................... 36....... Historische Notizen zu BERNOULLI, CLAIRAUT und RI CCATI..... 41 Maple Worksheets zu Kapitel 2................... 43........
VI 3 Existenz- und E indeutigkeitssatz... 67 3.1 EinleitlUlg........... 67 3.2 Fixpunktsatz für verallgemeinerte Kontraktionen.......... 70 3.3 Exi tenz- und Eind utigkeit atz................... 75 Diller ntialgl ichung y tem 1. Ordnung............ 7. Explizit Differ ntialgleichung n k-t r Ordnung..... 79. 3.4 Fehlerabschätzungen und Abhängigkeitsüberlegungen..... 0 3.5 Lösungen im Großen'................................. Maximale Existenzintervalle..................... 4 3.6 Qualitative Beschreibung autonomer Systeme............ 6.. athema isches Pendel......................... 90 Räuber-Beute-Modell...................... 93...... Fluß zu einer gegebenen DGL................... 97.. 3.7 Modifikation d Haupt atz für Funkti nen mit Wert n im C k 98 Hi tori ehe otiz n zu BANACH......................... 99.... Maple Worksheets zu Kapitel 3....... 101 4 Lineare Differentialgleichungen und DGL-Systeme I... 123 4.1 Existenz- luld Eindeutigkeitssatz.................. 123 4.2 Linear-algebraische Folgerungen.............. 124 4.3 Homogene lineare Differentialgleichungssysteme........... 125 4.4 Homogen lin ar DGLen höher r Ordnung.......... 129 4.5 TI:ansformation von Differentialgleichung y tem n......... 130 4.6 Inhomog n lineare Diller ntialgleichungen................. 131 Inhomogene li neare DGL k-ter Ordnung... 131 4.7 Reduktion der Ordnung................... 133 Historische otizen zu 0' ALEMBERT................... 136 Maple Worksheets zu Kapitel 4............... 137
5 Lineare Differentialgleichungen und DGL-Systeme II... 151 VII 5.1 Exponentialfunktion von Matrizen... 152 5.2 Homogene lineare DGL-Systeme mit konstanten Koeffizienten 155 5.3 Zw idimensionale Sy tem Stabilität......... 159 5.4 Linear DGL-Sy tem mit kon tanten K effizient n und peziehen Inhomogenitäten... 169 5.5 Lineare DGLen höherer Ordnung mit konstanten Koeffizienten............................. 172.......... 5.6 Homogene lineare Differentialgleichungen mit periodischen Koeffizi nt nfunktion n................ 175 Historische otizen zu JORDAN.............................. 1 2 Maple Worksheets zu Kapitel 5......................... 1 3 6 Nützliche - nicht nur für den Praktiker................. 205 6.1 Lösungen über Potenzreihenansatz................. 205....... HERMTTE-Differentialgleichung............ 207 LEGENDRE-Differentialgleichung......... 208 6.2 Schwach inguläre Punk e.............................. 214 BESSEL-DiH r ntialgl ichwlg....................... 220 6.3 LAPLACE-Transformation.............................. 224 Anwendung auf Anfang \V rtaufgaben.............. 231 Unstetige Inhomogenitäten........... 236 Zur inversen LAPLACE-Transformation......... 23 Kleine Tabelle von LA PLACE-Transformierten....... 240 Historische otizen zu LAPLACE........ 242 Maple Worksheets zu Kapitel 6................ 243 7 Rand- und Eigenwertprobleme....... 265 7.1 Randwertaufgaben für lineare DGL-Systeme mit linearen Rand bedingung n................................ 266 GREEN-Matrix.............................. 269
VIII 7.2 Randwertprobleme für lineare DGLen k-ter Ordnung........ 274 7.3 icht-lineare Randwertallfgaben und Fixpunktprobleme..... 282 7.4 Selbstadjllngierte Randwertaufgaben... 283 7.5 Selb tadjungiert Randeigenwertaufgab n............ 2 7 FOURIER-REIH EN..................... 292 Entwicklung ätz.................... 294 7.6 TURM- LIO UVILLE-Randeigenwertaufgaben............... 301 Historische Notizen zu FOURIER......................... 304 Maple Worksheets zu Kapitel 7......................... 305 8 Anhang über Matrixfunktionen... 325.1 Matrixpolynome.............................. 325 pektraldarstellung von YLVESTER-BuCHHEIM...... 32.2 Matrixfllnktionen: Definition, Eigenschaften............... 331.3 Bei piele zur BereclulUng von Matrixfunktionen............ 339 Hi tori eh Notizen zu SYLVE TER............................ 345 Maple Worksheets zum Anhang über Matrixfunktionen.. 347 Anhang zu Maple..................................... 359 Sy mbolverzeichnis........................................... 371 N a me n- und Sachverzeichnis................................. 373 Index zu Maple... 3 1 Literaturverzeichnis..................................... 3 5
Einleitung Es gibt viele gute und auch einige sehr gute Bücher über Gewöhnliche Differentialgleichungen. Das vorliegende Buch versucht keineswegs, allein die Zahl solcher Bücher zu erhöhen; das Hauptziel wird aus dem Untertitel" Theorie und Praxis" und dem Zusatz "vertieft und visualisiert mit Maple" deutlich. Sein besonderer Reiz liegt in der Kombination einer sehr sorgfältig ausgearbeiteten zeitgemäßen Einführung in die Theorie mit zahlreichen Beispielen und zugehörigen Arbeitsblättern mit,maple vom Feinsten '. Das Computeralgebrasystem wird so mit den Inhalten der Theorie verknüpft, daß das Schwergewicht auf Erklärung, Vertiefung, Einübung und Visualisierung liegt. Es wird eine Einführung in die Theorie der Gewöhnlichen Differentialgleichungen gegeben für Mathematiker, Physiker, Wirtschaftswissenschaftler und Ingenieure - allgemeiner auch für Studierende mit Mathematik als Nebenfach. Dabei haben wir durchaus auch die vermehrt eingeführten Bachelor Studiengänge im Blick, bei denen eine angemessene Stoffreduzierung gegenüber vielen herkömmlichen Darstellungen unumgänglich ist. Gerade auch bei den Differentialgleichungen ist Visualisierung, oft gekoppelt mit dynamischen Abläufen, besonders wichtig. Bei uns wird zusätzlich gezeigt, wie man solche Dinge relativ leicht selbst verwirklichen kann. Solide Grundkenntnisse der Linearen Algebra vorausgesetzt, kann unser Buch nach einer zweisemestrigen Einführung in die Analysis, also ab dem 3. Studiensemester, gewinnbringend für alle Studiengänge herangezogen werden. Dem Lernenden werden mathematisch,saubere' und leistungsfähige Methoden an die Hand gegeben, was die praktische Arbeit wesentlich erleichtert. Der Lehrende findet ein ansprechendes und ausgefeiltes Buch, das er zur Orientierung oder als Begleittext ohne jeden Vorbehalt empfehlen kann. Gleich zu Beginn sei ausdrücklich gesagt: Vokabeln wie etwa,leser' sollten stets als,leser in und Leser' verstanden werden. Sprachliche Spielereien wie,leserinnen' oder,der (die) Leser(in), und Ähnliches finden wir unschön und wenig sinnvoll. Auch wenn wir das nicht fortwährend betonen: Weibliche und männliche Leser des Buches sind uns gleichermaßen willkommen. Das vorliegende Buch kann den Lernenden von Beginn an begleiten und als Grundlage oder Ergänzung zu einer Einführung in die Gewöhnlichen Differentialgleichungen im Grundstudium dienen. Es schafft gute Voraussetzungen für die Beschäftigung mit weiterführenden oder allgemeineren Themen und vor allem für die vielfältigen Anwendungen. Das Buch kann dem Lehrenden, der die zu präsentierenden Themen und Methoden stärker heutigen computerunterstützten Möglichkeiten anpassen will, eine gute Hilfe und zuverlässiger Wegweiser sein.
x Einleitung Wir haben uns immer wieder bemüht, dem Leser die zugrundeliegenden Ideen nahezubringen und ihn zum Mitmachen zu animieren. Dies hat die Darstellung stark geprägt. Zu allen Themen finden sich im Text zahlreiche, meist vollständig durchgerechnete und mit Bedacht ausgewählte Beispiele. Die große Fülle der ausgeführten Beispiele zeigt ausgiebig das "Wie", der sonstige Text erläutert das" Warum". Die Maple-Arbeitsblätter zeigen dann, wie man die Dinge mit einem Computeralgebrasystem umsetzen kann. Sie geben vielfältige Anregungen zum selbständigen Experimentieren. Instruktive und sorgfältig ausgewählte Abbildungen tragen - auch schon im Textteil - zur Veranschaulichung des Stoffes bei und erleichtern so das Verständnis. Auf ein detailliertes Durchgehen der Gliederung des Buches verzichten wir. Das ausführlich gehaltene Inhaltsverzeichnis gibt vorweg genügend Übersicht. Ein erstes Durchblättern dürfte zur Lektüre des gesamten Buches verführen. Es seien nur einige Besonderheiten des Textes erwähnt: Anders als in vielen sonstigen Lehrbüchern wird der Stoff an dem orientiert, was in einem Semester im Grundstudium machbar ist. Die vielen ungewöhnlich positiven Rückmeldungen von Studenten und Kollegen zu unserem entprechenden Buch über Funktionentheorie zeigen, daß eine Darstellung der vorgelegten Art sehr willkommen ist. Exemplarisch werden Anwendungsbeispiele unter verschiedenen Aspekten angesprochen. LAPLACE- Transformationen werden angemessen behandelt, da sie - besonders für viele Praktiker - ein unverzichtbares Werkzeug darstellen. Viele Themen werden relativ früh mit Vorteil für allgemeine DGL-Systeme behandelt und dann jeweils auf den zweidimensionalen Fall beziehungsweise Differentialgleichungen höherer Ordnung spezialisiert. Dies erweist sich als fruchtbar und erhöht die Durchsichtigkeit. Nach der Pflicht in den ersten 7 Kapiteln enthält der Anhang über Matrixfunktionen noch ein Kürprogramm. Die Beschäftigung mit diesem Thema entwickelte sich ursprünglich aus der Frage, wie ein Computeralgebrasystem - hier speziell Maple - die Exponentialfunktion von Matrizen beziehungsweise allgemeiner Matrixfunktionen berechnet. Zahlreiche historische Anmerkungen und Notizen unterstreichen, daß sich hinter den zentralen Begriffen und Theorien der Mathematik das Wirken herausragender Einzelpersönlichkeiten verbirgt. Natürlich konnten nicht alle Themen behandelt werden: So fehlen etwa bewußt der Satz von PEANO, separate Eindeutigkeitsüberlegungen, Ausführungen zum LORENTz-Attraktor und weitergehende Stabilitätsaussagen.
Einleitung XI Zur inhaltlichen und didaktischen Konzeption ist folgendes zu sagen: Unser Buch soll den Lernenden ab dem dritten Semester begleiten und wird sicher auch später noch zuverlässiger Ratgeber und Nachschlagemöglichkeit sein. Es ist durchaus auch zum Selbststudium geeignet; denn es ermuntert fortwährend zu aktivem Mitdenken und eigenem Thn. Dabei ist die mathematische Darstellung durch die Computerrealisierung begleitet. Beide Ebenen werden jedoch bewußt voneinander getrennt. Die Darstellung ist weit entfernt davon, eine bloße Sammlung von Kochrezepten zu sein. Gerade die mathematisch strenge Herleitung zentraler Ideen und durchgehend präzise Formulierung fördern entscheidend Verständnis und Durchblick und geben so erst die gewünschte Sicherheit bei der Anwendung. Nur ganz vereinzelt, wo ein vollständiger strenger Beweis nicht ratsam schien, beschränken wir uns auf einen Literaturverweis. Zu Maple Wir wollen Lernende, Lehrende und Praktiker gewinnen, ein Computeralgebrasystem im,alltag' angemessen einzusetzen. Anwender können stärker für die erforderliche Theorie gewonnen werden, wenn - mehr als sonst meist üblich - Verbindungen zum praktischen Rechnen erkennbar sind. Das dauernde Wechselspiel zwischen Text, dort auch mit vielen ausführlich durchgerechneten instruktiven Beispielen, und,maple-worksheets', kurz MWSs, führt zu einer wesentlich besseren Durchdringung des Stoffes. Viele Beispiele des Textteils werden in den MWSs aufgegriffen und neue Gesichtspunkte beleuchtet, die nicht nur für Maple-Nutzer interessant sind. Auch andere Leser finden hier ergänzendes Material und ausführlich durchgerechnete Aufgaben. Wir hoffen, daß etwas von unserer Begeisterung auf die Leser überspringt und Lehrende neue Impulse für die Gestaltung ihrer Vorlesungen mitnehmen. Computeralgebrasysteme wie etwa Maple können in Kombination mit innovativen Ansätzen Lehre, Lernen und den Gebrauch von Mathematik nachhaltig reformieren. Wir stehen erst am Anfang einer rasanten Entwicklung. Der Stoff kann effizienter und weniger fehleranfällig präsentiert werden, als dies allein mit Bleistift und Papier bzw. Kreide und Tafel möglich ist. Vor allem können viel komplexere Beispiele bearbeitet und visualisiert werden. Die ausgeführten und didaktisch aufbereiteten Worksheets geben Vorschläge und Anregungen, die selbständig ergänzt und modifiziert werden können. Zur Lösung von Differentialgleichungen gibt es - vergleichbar etwa mit der Bestimmung von Stammfunktionen - kein Patentrezept, keine Methode, die immer zum Ziel führt. Zu vielen Differentialgleichungen existiert gar keine analytische Lösung. Dies trifft durchaus bereits auf solche zu, die bei der Modellierung von einfachen Problemen der Praxis auftreten. Deshalb zieht
XII Einleitung Maple - wie andere Computeralgebrasysteme - neben analytischen Verfahren auch numerische Methoden heran. Mit der zusätzlichen Möglichkeit der Visualisierung (Richtungsfelder, Phasenportraits,... ) h at man eine leistungsfähige Arbeitsumgebung zur Hand, in der auch l ebensnahe Aufgaben angegangen werden können und nicht nur einfache Übungsaufgaben, die mit zumutbarem Aufwand,von Hand' gelöst werden können. Jedoch nur mit sicheren theoretischen Kenntnissen und intensivem Einüben der zugehörigen Ergebnisse können solche Computeralgebrasysteme sinnvoll eingesetzt werden. Sonst ist man ihnen hilflos ausgeliefert. Wir wollen k eineswegs Maple unkritisch preisen, sondern weisen durchaus immer wieder auch auf Grenzen, Schwächen und,macken' des Systems hin. Maple ist sicher k ein Rundum-Sorglos-P aket! Wie bei vielen Dingen im Computerbereich in der heutigen Zeit, wünschen sich die Nutzer eigentlich ruhigere und dafür deutlich ausgereiftere,produkt-zyklen'. Neben faszinierenden Dingen stehen nämlich auch solche, bei denen man den Kopf schüttelt. Wir nutzen Maple nicht nur, wie oft zu sehen, sondern gestalten damit und setzen Ideen um, hier speziell bei Gewöhnlichen Differentialgleichungen. Wir sind überzeugt, auch m it diesem Buch einen neuen Qualitätsmaßstab zu setzen, was für die Akzeptanz von Computeralgebrasystemen im Hochschulbereich - auch ausbaufähig in Richtung e-leaming - förderlich sein wird. Natürlich soll niemand mühsam Maple-Code abtippen. Diesen findet man später auch mit Aktualisierungen - über http://www.springeronline.com/3-540-22226-x A n die Lehrenden Das Konzept des Buches basiert auf unseren langj ährigen Erfahrungen mit recht verschiedenartigen Veranstaltungen aus dem Gesamtspektrum der Analysis. Neben vielen Vorlesungen für Mathematik- und Physikstudenten der Anfangssemester bis hin zum Aufbaustudium an d en Universitäten Konstanz und Ulm haben wir beide oft auch Serviceveranstaltungen abgehalten und so Gespür dafür entwickelt, was außerhalb des,elfenbeinturms' benötigt wird. Gerade durch die Anforderung, Mathematik auf sehr verschiedenen Niveaus bei unterschiedlichen Ausrichtungen und zum Teil noch deutlich auseinander liegenden Eingangsvoraussetzungen zu lehren, ist im Laufe der Zeit vieles mehrfach überarbeitet, geglättet, verbessert und ergänzt worden und auf diese Weise ein - mathematisch und didaktisch - überzeugendes und bewährt es Konzept entstanden. Leistungsfähige und zugkräftige Methoden erwachsen in dieser Darstellung aus dem Zusammenspiel zwischen mathematisch,richtiger' Sichtweise, die Eleganz und Transparenz nach sich zieht, und Anwendungsorientierung.
Einleitung XIII Was die Kombination der Differentialgleichungen mit Computeralgebrasystemen angeht, findet man im deutschsprachigen Bereich noch relativ wenige ausgereifte Darstellungen. Die Skepsis mancher Kollegen in Bezug auf den Einsatz eines solchen Systems ist oft auch uneingestandene Angst vor dem Unbekannten und noch nicht Vertrauten. Wir wollen besonders auch diejenigen Kollegen ansprechen, sie ermuntern und ihnen Hilfen geben, die bisher dem Einsatz von Computeralgebrasystemen auch in der Lehre eher distanziert gegenüberstehen. Die Möglichkeiten, das Lernen und Begreifen von Mathematik durch ein solches System zu unterstützen, sind beeindruckend - nur wissen das viele Kollegen gar nicht und zögern daher noch, solche Dinge auch in den Lehrveranstaltungen einzusetzen. Der Einsatz Neuer Medien in der Lehre birgt besonders in der Mathematik neben Chancen auch zahlreiche Risiken. Gerade deshalb sollten die Lehrenden ihre Sachkenntnis einbringen und dieses Gebiet mitgestalten, bevor fachfremde Instanzen die Alleinkompetenz beanspruchen. Wir sind überzeugt, daß unser Buch langfristig neben den Klassikern der Theorie einen festen und besonderen Platz im Angebot einnehmen wird. Das mathematisch ausgereifte - jedoch recht anspruchsvolle - Buch [Sc/Sc] von FRIEDRICH-WILHELM SCHÄFKE und DIETER SCHMIDT und Lehrveranstaltungen dieser beiden Autoren schon während der 6Oer-Jahre haben einige Teile unseres Buches deutlich geprägt. Doch haben wir diese Dinge dann,aufgebohrt' und mit durchgerechneten Beispielen angereichert, weil wir in vielen Jahren die Erfahrung gemacht haben, daß der überwiegende Teil der Studenten deutlich mehr Hilfen benötigt, als dort gegeben werden. Auf diese Weise entstand ein Buch, das nicht allein für die Kollegen, sondern vor allem für die Lernenden geschrieben, aber gewiß kein Nürnberger Trichter ist. Die Lernenden werden von uns ein Stück des Weges an der Hand geführt, sie bekommen die Schönheiten am Wegesrand gezeigt, werden allerdings nicht in einer Sänfte getragen! Da sich das Buch nicht ausschließlich an Studierende der Mathematik, Wirtschaftswissenschaften und Physik und sicher nicht an Spezialisten wendet, hat es - in Umfang, Tiefe und Stoffauswahl - deutlich andere und wesentlich bescheidenere Ziele als etwa die Darstellungen von [Sc/Sc], [Wal], [Co/Le] oder auch [Hs/Si]. Diese Bücher empfehlen wir besonders interessierten Studenten zur ergänzenden und weiterführenden Lektüre. Im Vergleich dazu liegen hier mathematisches Niveau und Stoffumfang niedriger. Für den Gebrauch zu und neben Vorlesungen haben wir insgesamt einen realistischen Zeitplan im Auge und mußten uns so beschränken! An die Lernenden Mathematik lernt man - wie fast alles im Leben - vor allem durch eigenes Tun. Man sollte beim Durcharbeiten eines Mathematikbuches Bleistift, Pa-
XIV Einleitung pier und einen (großen) Papierkorb - und in diesem speziellen Fall möglichst auch einen Computer mit Maple - parat haben und fleißig nutzen. Au drücklich ei gesagt: Di Läng d r Darst llung in inzeln n Th ma in der Vorlesung oder in einem Buch entspricht nur selten dem zeitlichen Aufwand der für das Durcharbeiten bis zum wirklichen Verständnis erforderlich ist. Zum Gebrauch des Buches o soll das Ende eines Beweises optisch hervorheben. Mit " j " haben wir gelegentlich Rou ine-überlegungen,abgehakt'. Manche Dinge haben wir farbig eingerahmt, um sie optisch stärker hervorzuheben. atürlich gehört etwa bei Symbolen od r Notierungsw i en der Rahmen nicht dazu. In Bewei n haben wir manchmal,linke Seite' und,i' cht Seit ' mit,e.8.' bzw.,t. S. abg kürzt.,m' steh für,ohne Einschränkung. Häufig haben wir einzelne Wörter oder Formulierungen mit einfachen Anführungsstrichen versehen: Dabei handelt es sich meist um,eigentlich' noch zu präzisierende Dinge. Die Beispiele im Text sind kapitel weise numeriert. Animationen die im Buch natürlich nur auszugsweise zu sehen sind haben wir am Rand dur h da Symbol gekennzeichnet. Durch die Daumenindizes können die einzelnen Kapitel und aufgefunden werden. fwss leicht Zum Maple-Layout Da die recht einfache Darstellung über Export I!;\1EX' unter Maple bei uns doch viele Wünsche - für eine Buchwiedergabe - offenließ, haben wir einen eigenen uns voll befriedigenden Stil für die Ein- und Ausgabe von faple g wählt und dabei da mögliche Zu ammen piel aple-:g\1ex-po tscript genutzt. Um in be res Sclu-iftbild zu erhalten, hab n wir manch Au gaben geringfü gig,geschönt' z. B. Klammern weggela s n oder hinzugefügt manchmal etwa cp tatt <.P oder PI ta t P _1 ge chrieben. Um Platz zu paren ind oft Maple-Au gaben (auch Graphiken) nebeneinander plaziert. Titel von Graphikn wurden dur hg h nd im T xt g tzt.
Einleitung xv Dank Gern benutzen wir diese Gelegenheit, um noch einmal all denen zu danken, die uns bei der Erstellung des Buches unterstützt haben. Nur einige davon wollen wir namentlich besonders erwähnen: MARKUS SIGG hat das gesamte Manuskript durchgesehen. Er war uns mit seiner Sorgfalt und mathematischen und sprachlichen Kompetenz eine große Hilfe, gelegentlich kritisch und mahnend, immer der Sache dienend. STEFANIE ROHRER hat einige Kapitel aufmerksam gelesen und auf manche Unstimmigkeiten hingewiesen. Die Verantwortung für eventuell noch verbliebene Fehler liegt natürlich allein bei uns. ALBERT SCHNEIDER hat uns freundlicherweise das Kursmaterial [Sehn] zur Verfügung gestellt, aus dem wir einige Anregungen entnehmen konnten. D.H. verdankt RAINER JANSSEN als gutem Freund Anregungen, Ermutigung und manche Hilfe, was das Arbeitsumfeld angeht. Ein Buch wie dieses ist nicht ohne gute Computer-Arbeitsbedingungen zu realisieren. Hierfür danken wir unserem Ulmer Kollegen FRANZ SCHWEIGGERT sowie den Mitarbeitern seiner Abteilung. Von diesen sei ANDREAS BORCHERT namentlich erwähnt. Er hat - wie schon bei der Arbeit an unserem Buch über Funktionentheorie - bei der Computerverbindung Konstanz-Ulm mit bewundernswerter Sachkenntnis Starthilfe gegeben und uns immer wieder unterstützt. D. H. dankt noch OLIVER MARUHN für sehr kompetente Hilfen im Computerbereich. Wir danken THOMAS RICHARD von der Firma SCIENTIFIC COMPUTERS GMBH für Unterstützung bei der Arbeit mit Maple. Wir danken unseren Ehefrauen, die besonders in der langen Schlußphase der Bucherstellung viel Geduld mit ihren gestreßten und nur noch bedingt alltagstauglichen Männern aufbringen mußten. D.H. dankt noch LEON, ETIENNE, GABRIEL, NICOLAS und LucA, die zwar noch nicht wirklich bei der Arbeit an diesem Buch helfen konnten, ihm dabei aber einen wunderbaren Blick aus anderer Augenhöhe auf die nicht-mathematische Welt ermöglicht haben. Zum Schluß möchten wir allgemein, besonders aber auch den Fachleuten und Kennern, sagen: Wir würden uns über persönliche Reaktionen sehr freuen. Verbesserungsvorschläge, Hinweise auf Fehler(chen), Anregungen und konstruktive Kritik sind willkommen - aber auch Lob nehmen wir gerne entgegen! Ulm Konstanz 8. Dezember 2004 WILHELM FORST DIETER HOFFMANN