Vollständiges elliptisches Integral II. Art

Im Beitrag Vollständiges elliptisches Integral I. Art erwähne ich die Beschäftigung mit der Hertz’schen Pressung. Diese verlangt aber auch noch nach der II. Art dieser Kategorie eines Elliptischen Integrals.

Die 3. Formel der angeführten Reihenentwicklungen auf THE WOLFRAM FUNCTIONS SITE ist \( K(z) \) sehr ähnlich: \[ E(z) = \frac \pi 2 \sum_{k = 0}^\infty \frac {\left( – \frac 1 2 \right)_k \left( \frac 1 2 \right)_k z^k}{k!^2} \]
Die darin vorkommenden indizierten Klammerausdrücke sind das bereits veröffentlichte Pochhammer-Symbol.
Da eine Konvergenz nur für \( |z|<1 \) gegeben ist, braucht es für \( z<-1 \) noch die Identität \( E(z<-1) = \sqrt {1-z} E \left( \frac z {z-1} \right) \), als zweite von 7 angebotenen auf THE WOLFRAM FUNCTIONS SITE.
Um eine annehmbare Genauigkeit zu erhalten, müssen ausreichend viele Glieder aufsummiert werden, wobei Fakultäten – insbesondere potenziert – dem allzu schnell ein Ende setzen können. Es bietet sich hier also an, die Quotienten \( \frac {\left( – \frac 1 2 \right)_k}{k!} \) und \( \frac {\left( \frac 1 2 \right)_k}{k!} \) zu multiplizieren, was mit \( \left( – \frac 1 2 \right)_k = – \frac {(2k – 2)!}{2^{2k-1} (k-1)!} \) und \( \left( \frac 1 2 \right)_k = \frac {(2k – 1)!}{2^{2k-1} (k-1)!} \) zu \( – \frac 1 {2 \pi} \frac {\Gamma \left[ – \frac 1 2 +k \right]}{\Gamma \left[ 1+k \right]} \frac {\Gamma \left[ \frac 1 2 +k \right] }{\Gamma \left[ 1+k \right]} \) führt. \( \Gamma \) steht dabei für die Gamma-Funktion, die Excel anbietet, weswegen einer Formel nichts mehr im Wege steht. Als Besonderheiten müssen noch folgende speziellen Werte berücksichtigt werden: \( K(1) = 1 \) , \( K(0) = \frac \pi 2 \) und \( K(-1) = \frac {2 \Gamma \left( \frac 3 4 \right)^4 + \pi^2}{2 \sqrt {2 \pi} \Gamma \left( \frac 3 4 \right)^2} \).

Damit die Formel alle Glieder aufsummiert, muss sie als Matrixformel (Arrayformel) eingegeben werden. Die Begrenzung der Gliederanzahl kommt dabei von der größtmöglichen positiven Zahl in Excel, weswegen die Gamma-Funktion keine größere ganze Zahl als 171 zulässt.

Das kann auch mittels der Benutzerdefnierten Funktion E_z(z) erfüllt werden, wobei z eine einzelne Zahl, eine Matrix-Konstante, eine einzelne Zelle oder ein einzeiliger oder einspaltiger Zellbereich sein darf. Nicht mehr die Anzahl der Glieder ist schlagend, sondern die geforderte Genauigkeit, fixiert auf die 15 signifikanten Stellen in Excel, bei deren Erreichen abgebrochen wird. Die Restriktion der Gamma-Funktion kann umgangen werden, weil in einer Schleife nicht jedes Glied gänzlich neu berechnet werden muss. Auch noch Rechenzeit sparend, ist ein neues Glied das vorhergehende multipliziert mit deren Quotienten.

Die nachfolgenden Datei enthält alles obig Beschriebene nachvollziehbar, wobei der Vergleich mit Werten aus Mathematica gezogen wird:

Bemerkung: Wegen der Funktion GAMMA nicht als 97-2003-Version.