Landens transformasjon

**Landens transformasjon** er en omskrivning av et elliptisk integral til et annet integral av samme form, men med nye variable. En av disse er den «elliptiske modulus» og forandringen av denne gir det enkleste eksempel på en «modulær transformasjon» som spiller en viktig rolle i moderne matematikk.

En lignende transformasjon ble først benyttet av den engelske matematiker John Landen på midten av 1700-tallet. Han klarte å vise at lengden av en hyperbelbue kunne uttrykkes ved lengdene av buene til to forskjellige ellipser. Hver av disse har en eksentrisitet som kan identifiseres med den elliptiske modulus. Den spesielle sammenhengen mellom eksentrisitetene i de to ellipsene som Landen fant, bar senere navnet hans. Den nåværende form av Landens transformasjon ble utviklet av Lagrange, Legendre og Gauss. Spesielt arbeidene til Legendre spilte en stor rolle for Niels Henrik Abel og Carl Gustav Jacobi i deres utvikling av elliptiske funksjoner.

## Matematiske egenskaper

Et elliptisk integral av første type kan skrives som

:  F(\phi,k) = \int_0^\phi \frac {d\phi}{\sqrt{1 - k^2 \sin^2 \phi}} 

hvor parameteren  0 1&thinsp; definert ved ligningen

:  \sin(2\phi_1 - \phi) = k\sin\phi .

Den følger fra en enkel, geometrisk betraktning. Da *k* &le; 1, vil derfor 2*&phi;*1 - *&phi;* &le; *&phi;*&thinsp; slik at den transformerte vinkelen *&phi;*1 &le; *&phi;*&thinsp; dermed blir mindre enn den opprinnelige vinkelen.

Ved å bruke en  trigonometrisk identitet for sinus til en differanse av to vinkler, kan man skrive transformasjonen på formen

:  \tan\phi = {\sin 2\phi_1\over k + \cos 2\phi_1} 

hvor den transformerte vinkelen er isolert på den ene siden av ligningen.

Nå gjelder også identiteten

:  \sin\theta = {\tan\theta\over\sqrt{1 + \tan^2\theta}} 

slik at transformasjonen kan skrives på den alternative måten som

:  \sin\phi =  {\sin 2\phi_1\over \sqrt{1 + k^2 + 2k\cos 2\phi_1}} 

Men nå er

:  1 + k^2 + 2k\cos 2\phi_1 = 1 + k^2 + 2k - 4k\sin^2\phi_1  = (1 +k)^2 \Big(1 - {4k\over (1 + k)^2}\sin^2\phi_1\Big) 

slik at

:  \sin\phi = {2\over 1 + k} {\sin\phi_1\cos\phi_1\over\sqrt{1 - k_1^2\sin^2\phi_1}} .

hvor

:  k_1 = {2\sqrt{k}\over 1 + k} 

er den transformerte modulusen. Da *k* 1 > &radic;*k*&thinsp; som betyr at *k*1 &ge; *k*. Dermed blir modulus større og dette kalles en **økende Landen-transformasjon**. Den komplimentære verdien er

:  k_1' = \sqrt{ 1 - k_1^2} = {1 - k\over 1 + k} 

slik at

:  ( 1 + k)(1 + k_1') = 2 .

Fra sin*&phi;*&thinsp; kan man videre finne cos*&phi;*. Den sentrale faktoren i integranden til det elliptiske integralet kan dermed omformes til

: \begin{align} \sqrt{1 - k^2\sin^2\phi} &= \sqrt{1 - \sin^2(2\phi_1 - \phi)} = \cos (2\phi_1 - \phi) \\
                                 &= {1+ k\cos 2\phi_1\over\sqrt{1 + k^2 + 2k\cos 2\phi_1}}    \end{align}

I det elliptiske integralet inngår differensialet *d&phi;*. Det kan enklest beregnes fra

:  d\tan\phi = {d\phi\over\cos^2\phi} = (1 + \tan^2\phi) d\phi 

som gir at

:  d\phi = {2(1 + k\cos 2\phi_1)\over 1 + k^2 + 2k\cos 2\phi_1} d\phi_1  

Dermed er

:  {d\phi\over\sqrt{1 - k^2\sin^2\phi}} = {2\over 1 + k} {d\phi_1\over\sqrt{1 - k_1^2\sin^2\phi_1}} 

som betyr at de tilsvarende integralene er relatert ved

:  F(\phi,k) = {2\over 1 + k}F(\phi_1,k_1) = (1 + k_1')F(\phi_1,k_1)  .

Transformasjon av de to andre typene elliptiske integral kan beregnes på samme måte, men resultatet kan ikke skrives så kompakt som for dette integralet av første type.

### Iterasjon

Siden denne Landen-transformasjonen gir en stadig økende verdi for modulus, kan man gjenta den flere ganger etter hverandre til man til slutt kommer til den maksimale verdien . For denne verdien av modulus kan det elliptiske integralet regnes ut analytisk,

:  F(\phi,1) = \int_0^\phi \frac {d\theta}{\sqrt{1 - \sin^2 \theta}} = \ln \tan (\phi/2+ \pi/4).

Hvis man starter ut med en vilkårlig modulus *k*&thinsp; og amplitude *&phi;*&thinsp;, kan et generelt elliptisk integral av første type finnes numerisk fra

:  F(\phi,k) = {2\over 1 + k}F(\phi_1,k_1) = {2\over 1 + k}{2\over 1 + k_1}F(\phi_2,k_2) = {2\over 1 + k}{2\over 1 + k_1}\cdots {2\over 1 + k_{n-1}}F(\phi_n,k_n) 

Her er *k*2&thinsp; relatert til *k*1&thinsp; på samme måte som denne er relatert til *k*. Kun etter en håndfull iterasjoner konvergerer dette produktet til en forholdsvis nøyaktig verdi med  &thinsp; og hvor det siste integralet da er gitt ved *F*(*&phi;*n,1).

## Avtagende transformasjon

Denne samme matematikken kan benyttes til å finne den motsatte transformasjon hvor man går fra en modulus til en med mindre verdi. Dette omtales derfor som en **avtagende Landen-transformasjon**. Den kan finnes ved å bytte om  *k*1&thinsp; og *k&thinsp;* samtidig som *&phi;*1&thinsp; og *&phi;*&thinsp; byttes om. Det resulterer i

:  \sin(2\phi - \phi_1) = k_1\sin\phi_1 

eller

:  \tan\phi_1 = {\sin 2\phi\over k_1 + \cos 2\phi} 

hvor nå

:  k = {2\sqrt{k_1}\over 1 + k_1} .

Det betyr at

:  k' = {1 - k_1\over 1 + k_1} \;\; \mbox{eller} \;\; k_1 = {1 - k'\over 1 + k'} = {k^2\over (1 + k')^2} 

som viser tydelig at nå er *k*1 &le; *k*. Det betyr også at man har den viktige sammenhengen

:  (1 + k')(1 + k_1) = 2 .

For praktiske beregninger er det hensiktsmessig at man skriver transformasjonsformelen mellom vinklene  som  etterfulgt av sinus til en sum og differans mellom to vinkler. Det gjør det mulig å isolere forskjellen mellom den nye og den gamle vinkelen:

: \tan(\phi_1 - \phi) = k'\tan\phi 

Ved å bruke tangens til en differanse av to vinkler er dette ekvivalent med det alternative uttrykket

:  \tan\phi_1 = {(1 + k')\tan\phi\over 1 - k'\tan^2\phi} 

for den transformerte vinkelen.

Det endelige resultatet for det transformerte integralet kan også la seg finne ved den samme ombyttingen av varible og er derfor

:  F(\phi_1,k_1) = {2\over 1 + k_1}F(\phi,k) = (1 + k')F(\phi,k)  .

Herav følger også hvordan det fullstendige, elliptiske integralet *K*(*k*&thinsp;) transformerer. Dette tilsvarer *&phi;* = &pi;/2 som blir transformert til den dobbelte vinkelen . Da  = 2*K*(*k*1), vil det fullstendige integralet derfor transformere som

:  K(k) = (1 + k_1)K(k_1) 

under en avtagende Landen-transformasjon. De to andre typene av elliptiske integral forandrer seg på tilsvarende måter under denne transformasjonen, men noe mer omstendelig enn for dette integralet av første type.

### Iterasjon

Blir denne Landen-transformasjonen gjentatt, vil den gi en stadig mindre verdi for modulus. Etter et stort antall *n*&thinsp; ganger ender man dermed opp med en verdi  og det elliptiske integralet gir ganske enkelt *F*(*&phi;*n,0) = *&phi;*n. På den måten får man

:  F(\phi,k) = {1 + k_1\over 2} F(\phi_1,k_1) = {1 + k_1\over 2} {1 + k_2\over 2} F(\phi_2,k_2) = {1 + k_1\over 2} {1 + k_2\over 2}\cdots {1 + k_n\over 2}F(\phi_n,k_n) 

slik at

:  F(\phi,k) = \phi_\infty\prod_{n=1}^\infty {1 + k_n\over 2}

hvor *&phi;*&infin;&thinsp; er den asympotiske verdien av den transformerte vinkelen. For det fullstendig integralet finner man tilsvarende

:  K(k) = (1 + k_1)K(k_1) = (1 + k_1)(1 + k_2)K(k_2) =  {\pi\over 2}\prod_{n=1}^\infty (1 + k_n) .

Etter ganske få iterasjoner gir dette uttrykket meget nøyaktige resultat for integralet.

## Referanser


## Eksterne lenker

* Paramanand's Math Notes, Landen's Transformation. Matematisk blogg.