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+++ b/main.tex
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 \begin{document}
 
-\title{\huge Galaxy Simulation\\ \large Jugend Forscht 2018/2019}
-\date{2018 - 2019}
-\author{Emile Hansmaennel}%\\ Theodor-Fliedner-Gymnasium, Heinrich Heine
-%Universität Düsseldorf}
-
-\maketitle
-
-\begin{multicols*}{2}[
-\abstract{
-    \parbox{0.85\textwidth}{
-    \centering
-             \parbox{0.6\textwidth}{
-             \centering
-             \bigskip
-                Ist es möglich die Entstehung von Galaxien zu simulieren?  Um
-diese Frage zu beantworten bin ich zu dem Schluss gekommen, dass ich das doch
-einfach mal ausprobieren sollte. Dazu habe ich das Navarro-Frenk-White Profil
-implementiert um anschließen die Kräfte die Zwischen den Sternen wirken zu
-berechnen. Dabei stattete ich die Sterne mit einer zufälligen Masse aus und
-Unterteilte die Galaxie in dynamisch-große Zellen um die Simulation stark zu
-beschleunigen.  Um eine Stabile Galaxie zu simulieren müssen jedoch alle Sterne
-in der Galaxie eine Anfangsgeschwindigkeit besitzen die sie auf eine Kreisbahn
-lenkt, damit die Kraft, welche die Sterne in die Mitte der Galaxie zieht
-ausgeglichen werden.
-             \bigskip
-             }
-    }
-} 
-]
-
-\renewcommand{\contentsname}{Inhaltsverzeichnis} \tableofcontents[Inhalt]
-
-\section{Einleitung}
-Das Projekt ist nach meinem vorletzten Jugend-Forscht Projekt entstanden: Ich
-habe ein Praktikum in Astronomischen Recheninstitut in Heidelberg genutzt, um
-mit einem Doktoranden\footnote{Tim Tugendhat} das Navarro-Frenk-White Profil,
-das zum generien von Punktwolken genutzt wird, zu visualizieren. Anschließend
-hat sich das Projekt ein bisschen verlaufen, irgendwann beschloss ich jedoch,
-dass das Projekt weiterzuführen und statt nur statische Galaxien zu generieren
-dazu überzugehen die Galaxien zu simulieren, also die Entwicklung einer
-virtuellen Galaxie zu untersuchen.  Eines der Entscheidenden Probleme war die
-Laufzeit der Simulation. Das Problem das es zu lösen galt, war die nutzung von
-mehreren Threads mit der nutzung des Barnes-Hut Algorithmus zu kombinieren.
-Das Ergebniss ist sehr schön: Durch die nutzung der Programmiersprache Golang
-war das einbauen der nutzung von mehreren Threads vergleichsweise einfach.
-
-\section{Vorgehensweise}
-
-Wie schon in der Einleitung beschrieben habe ich mehrere Techniken kombiniert
-um mein Ziel zu erreichen. Das komplette Projekt lässt sich in mehrere
-Abschnitte unterteilen: Die Generierung der Punktwolke, aus der eine Galaxie
-abstrahiert wird.  Die Simulation der Galaxie bei der die Kräfte die in der
-Galaxie wirken berechnet werden und daraus die Geschwindigkeit und Richtung in
-die der Stern fliegt.
-
-\section{Generieren}
-
-Das Generieren der Statischen Punktwolke aus der die Galaxie abstrahiert wird
-ist ein wichtiger Bestandteil des Gesamtprojektes, denn alles baut auf ihr auf.
-Kurz: um Kräfte zwischen Sternen zu berechnen braucht man erstmal Sterne!
-
-\subsection{Das Navarro-Frenk-White Profil}
-Das Navarro-Frenk-White Profil (NFW-profil) ist ein Profil zur Generierung von
-Koordinaten in n-Dimensionalen Systemen. Das Profil gibt einem die
-Warscheinlichkeit \( \rho \) zurück, dass ein Punkt im Abstand \( r \) zum
-Mittelpunkt des raumes existiert.  Die dazugehörige Funktion sieht wiefolgt
-aus:
-
-\begin{equation} \label{eq:NFW_profile}
-  \rho_{NFW}(r) = \frac{ 1 }{ \sqrt{ 2 \pi } \cdot \sigma } \cdot
-  \exp \left( \frac{ -\phi(r) }{ \sigma^{ 2 } } \right)
-\end{equation}
-
-\begin{equation*}
-  \phi(r) = \frac{ 4\pi \cdot G \cdot f_{0} \cdot R_{s}^3 }{ r } \cdot
-  ln{ \left( 1 + \frac{ r }{ R_{s} } \right) }
-\end{equation*}
-
-Möchte man nun herausfinden wie weit ein Punkt mit der Koordinate \( (x_1, x_2,
-... , x_n) \) mit \( x \in \mathbb{N} \) vom Mittelpunkt des Raumes entfernt
-ist, kann der Satz des Pythagoras (\ref{eq:pythagoras}) verwendet werden.
-
-\begin{equation} \label{eq:pythagoras}
-r_n = \sqrt{\sum_{i=0}^{n} x_i^2} \qquad n \in \mathbb{N}
-\end{equation}
-
-Der Abstand \( r \) zum Mittelpunkt des Raumes kann nun in das NFW-Profil
-\ref{eq:NFW_profile} gegeben werden wodurch ein Wert \( s \) entstehet:
-
-\begin{equation}
-\rho_{NFW}(r) = \dots = s
-\end{equation}
-
-Dieser Wert \( s \) stellt die Warscheinlichkeit dar, das ein Stern der
-eine Entfernung \( r \) vom Mittelpunkt der Galaxie besitzt existiert.
-
-Die Galaxie Wirkt nun aus der Ferne wie ein Würfel, da die aus \( \rho \)
-retultierende Kurve aprubt endet. Dies kann gelöst werden, indem statt \(
-\rho_{NFW}(r) \) folgendes gerechnet wird: \( \rho_{NFW}(r) -
-\rho_{NFW}(r_{max}) \) 
-
-\subsection{Random Sampling}
-Sei \( s \) ein zufälliger Wert im Intervall \( \psi = [ \rho(r_{min}); \rho(r_{max}) ]
-\).  Generiert man nun einen zufälligen Wert \( r \) im Intervall \( \psi \),
-kann man schauen ob \( s > r \lor s < r \) gilt. Ist \( r > s \), wird der Stern verworfen,
-ist \( r < s \) wird der Stern behalten.
-
-\subsection{Lookup Tabellen}
-Statt bei der generierung eines Punktes jedes mal das NFW-Profil
-(\ref{eq:NFW_profile}) anzuwenden, kann das NFW-Profil für einen Bereich
-vorberechnet werden und in einer Tabelle abgespeichert werden. Somit kann wenn
-eine Entfernung \( r \) zum Mittelpunkt des Raumes vorliegt der entsprechende
-Wert aus der Tabelle ausgelesen werden.  Die Tabelle kann jedoch nicht so
-genaue Ergebnisse liefern wie das NFW-Profil, sie kann jedoch so angepasst
-werden, dass sie in den Arbeisspeicher passt und somit das Generieren stark
-verschnellert. Mit genügend Arbeitsspeicher ist der Fehler auch
-vernachlässigbar.
-
-\subsection{Beschleunigung der Generierung}
-Es existieren mehere Möglichkeiten das Generierung der Punkte zu verschnellern.
-
-Eine gute Möglichkeit ist die Nutzung von mehr Rechenleistung.  Bei der Nutzung
-von \( n \) Rechenkernen ist das Generieren von Sternen \( n \) mal schneller.
-Die Server des Server-Hosters Hetzner können dabei gut verwendet werden:
-Es wird stündlich aberechnet und 32 Kerne mit 128 GB RAM kosten \( \approx \)
-50ct / h was es ermöglicht für einen vergleichsweisen Günstigen Preis, sehr
-viele Koordinates zu generieren.
-
-Die Ausgabe von jeder Potentiellen Koordinate in die Kommandozeile verlangsamt
-die Generierung unglaublich stark, da der Rechner darauf wartet das die Ausgabe
-fertig ist bevor er mit der nächsten rechnung beginnt was zu einer relativ
-starken verlangsamung der Generierung führt.
-
-\section{Simulieren}
-
-\subsection{Die Entstehung von Galaxien}
-``Eine Galaxie ist eine durch gravitation gebundene große Ansammlung von
-Sternen, Planetensystemen, Gasnebeln und sonstigen Stellaren Objekten.``
-\footnote{ https://de.wikipedia.org/wiki/Galaxie}
-
-Demnach ist es relativ Einfach eine Galaxie zu generieren: es werden einfach
-ganz viele Objekte in einen Raum geworfen. Das reicht jedoch nicht um die
-Objekte als Galaxie definieren zu können, da sie nicht ``durch Gravitation
-gebunden`` sind.
-
-Um dies zu tun muss die Kraft zwischen allen Objekten in der Galaxie berechnet
-werden und damit die Position des Objektes nach einer bestimmten Zeit bestimmt
-werden.
-
-Dies reicht jedoch auch nicht um eine ``stabile`` Galaxie zu generieren:
-berechnet man nur die Kräfte die auf ruhende Objete in einem Reibungfreiem Raum
-wirken, würden alle Objekte zum Massemittelpunkt gezugen werden und die Galaxie
-würde somit implodieren. Es ist also nötig auf die Sterne in der Galaxie
-anfangskräfte auszuwirken.  Diese Kräfte sind durch die Rotation der Galaxie um
-den Massemittelpunkt der Galaxie definiert, man rotiert also die Galaxie und
-gleicht dadurch die Kraft die Alle Sterne richtung Massemittelpunkt zieht aus.
-Rotiert man die Galaxie jedoch zu schnell, explodiert sie Förmlich, da die
-Sterne nicht mehr zusammengehalten werden und die Fliehkraft sie einfach
-auseinanderzieht.
-
-\subsection{Berechnung der Beschleunigungen}
-Um die Beschleunigung die auf einen Stern wirk zu berechnen wird folgendes
-berechnet:
-
-\begin{equation} \label{eq:beschleunigung}
-    a = G \cdot \frac{\Delta{M_2}}{\Delta{r}^2}
-\end{equation}
-
-\( G \) steht hier fúr die Universellt Gravitaionskraft, \( \Delta M \) für die
-Masse des Objektes das Umkresit wird und \( \Delta r \) für die Entfernung zum
-Mittelpunkt des Objektes das umkreist wird.
-Problem ist, dass kein Objekt umkreist wird sondern eine große Anzahl an Sternen.
-Es ist also nich möglich mithilfe von herkömmlichen Methoden die Beschleunigung
-die auf einen Stern wirkt zu berechnen.
-
-\subsubsection{Die Kraft als Vektor}
-Um die Kraft als Vektor darkzustellen, muss die Formel \ref{eq:beschleunigung}
-mithilfe von Vektoren neu aufgestellt werden:
-
-\begin{equation} \vec{F}_{12} = \underbrace{-G \frac{m_1 m_2}{|r_{12}|^2}}_{Scalar}
-\cdot \underbrace{\frac{r_2 - r_1}{|r_2 - r_1|}}_{Vector} \end{equation}
-
-Die Summe der Kräfte die auf einen Stern wirken ist somit die Summe aller
-Kräfte die zwischen dem jeweiligen Stern \( a \) und allen anderen Sternen
-wirken:
-
-\begin{equation} F_{a} = \sum_{i=0}^{n-1} F_{ai} \end{equation}
-
-\subsubsection{Probleme}
-Ein Problem das auftritt wenn die Kräfte zwischen allen Sternen berechnet
-werden ist, dass der Rechenaufwand \( O(n \cdot n-1) \approx O(n^2) \) beträgt.
-Problematisch wird es, wenn der mittlere Fehler, der bei der Berechnung der
-Kraft entsteht, größer als die Kraft wird. Das passier bei Sternen die sehr
-weit von einander entfernt liegen.  Statt weiterzurechnen kann man die Sterne
-dann einfach weglassen, da die Daten unzuverlässig sin.
-
-Die Lösung des Problems ist die verwendung des Barnes-Hut Algorithmuses, der
-duch die Unterteilung der Galaxie in verschiden große Zellen die
-Rechenkomplexität von \( O(n^2) \) auf \( O(n \log(n) \) runterbricht:
-
-\subsubsection{Berechnung der Umlaufgeschwindigkeit}
-Die Umlaufgeschwindigket kann berechnet werden, indem die Kraft die die Sterne
-in die Mitte der Galaxie zieht \( \left( F = G \cdot \frac{m \cdot M}{r^2}
-\right) \) mit der Zentripetalkraft \( \left( F_z = \frac{m \cdot v^2}{r}
-\right)\) gleichgesetzt wird:
-
-\begin{equation}
-v = \sqrt{\frac{G \cdot M_E}{r}}
-\end{equation}
-
-\( M_E \) steht dabei für die Masse der Erde, \( G \) für die
-Gravitaitonskonstante und \( r \) für den Bahnradius.  Da wir jedoch nicht in
-der Erdumlaufbahn, sondern in einer Galaxienumlaufbahn hantieren, können wir
-nicht die Masse der Erde nutzen. Wir müssen daher eine andere Möglichkeit
-nutzen, die größe der Masse, die den Stern in Richtung Massemittelpunkt zieht zu
-berechnen.
-
-\subsubsection{Ellipsen und die Geschwindigkeit der Sterne}
-Da die Sterne nicht auf perfekten Kreisbahnen um den Mittelpunkt der Galaxie
-fliegen muss in betracht gezogen werden wie die Sterne auf Elliptischen Bahnen
-orbitieren.  Wichtigt ist dabei die Geschwindigkeit, diese muss zwischen der
-ersten Kosmischen Geschwindigkeit \( v_k \) und der zweiten Kosmischen
-Geschwindigkeit \( v_P \) liegen. Die beiden Kosmischen Geschwindigkeiten sind
-folgendermaßen definiert:
-
-\begin{equation}
-v_{k1} = \sqrt{\frac{GM}{r}}
-\end{equation}
-\begin{equation}
-v_{k2} = \sqrt{\frac{2GM}{r}}
-\end{equation}
-
-Die Tatsache das die Sterne auf Elliptischen Bahnen unterwegs sind ist für die
-Berechnung irrelevant, da eh für jeden Zeitschritt \( t \) eine neue Kraft
-berechnet wird aus der eine Beschleunigung berechnet wird die wiederum die neue
-Position des Sternes ergibt.  Hält man die Geschwindigkeit der Sterne somit im
-interval \( (v_{k1} ; v_{k2}) \), dann ergibt sich (in der Therorie) von
-alleine eine elliptische Bahn.
-
-\subsection{Entwicklung der nötigen Software}
-Die Software ist komplett in Golang geschrieben was die nutzung von mehreren
-Threads mithilfe von Go-Methoden stark vereinfacht.  Um den Barnes-Hut
-Algorithmus anzuwenden muss die Galaxie in einen Octree unterteilt werden.
-Dabei wird eine Zelle definiert die alle Sterne beinhaltet welche anschließen
-solange unterteilt, bis eine der drei Endbedingungen eintrifft: \begin{itemize}
-	\item Die Zelle enthält weniger als eine vordefinierte mindestmenge an
-		Sternen \item Die Zelle ist kleiner als eine vordefinierte
-mindestgröße \item Es wurde eine maximale Anzahl an Unterteilungen vorgenommen
-\end{itemize} Ein wichtiger Aspekt ist jedoch auch, dass die Zellen rekursiv
-generiert werden. Kurzgesagt, die 'kinder'-Zellen dürfen müssen aus der
-Koordinates der 'Eltern'-Zellen generiert werden. Ist eine die übergeordnete
-Zell beispielweise definiert durch ihren Mittelpunkt \( m \)  und die Maximale
-Breite \( b \) des Feldes, kann die Position der jeweiligen untergeordneten Zelle
-folgendermaßen berechnet werden:
-
-
-\begin{equation}
-	NW = \left( m \pm \frac{b}{2}, m \pm \frac{b}{2} \right)
-\end{equation}
-
-
-\bigskip
-
-\begin{center}
-\begin{tikzpicture}
-	% First Layer
-	\draw [line width=0.5mm] (0, 0) rectangle (6, 6);
-
-	% Second Layer 
-	\draw [line width=0.25mm] (0, 0) rectangle (3, 3);
-        \draw [line width=0.25mm] (3, 0) rectangle (6, 3) node[pos=0.5] { \( \delta \) };
-        \draw [line width=0.25mm] (0, 3) rectangle (3, 6) node[pos=0.5] { \( \alpha \) };
-        \draw [line width=0.25mm] (3, 3) rectangle (6, 6) node[pos=0.5] { \( \beta \) };
-
-	% Third Layer
-	\draw [line width=0.125mm] (0, 0) rectangle (1.5, 1.5) node[pos=0.5] { \( \gamma \gamma \) };
-	\draw [line width=0.125mm] (1.5, 0) rectangle (3, 1.5) node[pos=0.5] { \( \gamma \delta \) };
-	\draw [line width=0.125mm] (0, 1.5) rectangle (1.5, 3) node[pos=0.5] { \( \gamma \alpha \) };
-	\draw [line width=0.125mm] (1.5, 1.5) rectangle (3, 3) node[pos=0.5] { \( \gamma \beta \) };
-\end{tikzpicture}
-\end{center}
-
-Nehmen wir als Beispiel das Feld \( \gamma \beta \).
-
-\subsubsection{Barnes-Hut-simulation}
-Wie bereits beschrieben wird die Galaxie in Zellen unterteilt. Dabei kann, wenn
-eine Zelle weit genug von einem spezifischen Stern entfernt ist, die Zelle zu
-ihrem Massemittelpunkt vereinfacht werden. Der Massemittelpunkt kann wiefolgt
-berechnet werden:
-
-\begin{equation}
-\left( \frac{ \sum_{i=0}^{n} x_i \cdot m_i }{ \sum_{i=0}^{n} m},
-\frac{ \sum_{i=0}^{n} y_i \cdot m_i }{ \sum_{i=0}^{n} m } \right)
-\end{equation}
-
-Dabei wird die mithilfe ihrer Masse gewichtete Summe der Sterne durch die
-gesamt Masse geteilt um die geweilige Coordinaten-komponente zu erhalten.  Dies
-muss für jede Zelle einmal getan werden und in der jeweiligen Zellen-struktur
-gespeichert werden wodurch am Ende jede Zelle die Koordinaten ihres
-Massemittelpunktes kennt.
-
-Der Barnes-Hut-Algorithmus verringert die Anzahl zu berechnenden Kräfte durch
-geeignetes Zusammenfassen von Teilchengruppen zu Pseudoteilchen
-\footnote{https://de.wikipedia.org/wiki/Barnes-Hut-Algorithmus}. 
-
-Der um eine Abschätzung zu bekommen, wie gut es ist, die Sterne zu bündeln,
-muss darauf geachtet werden, das das Verhältnis vom Gruppendurchmesser \( d \)
-zum Radius \( r \) möglichst gering ist:
-
-\begin{equation} \label{theta} \theta = \frac{d}{r} \end{equation}
-
-Die Datenstruktur die einen Barnes-Hut Baum speichert ist am besten wiefolgt
-definiert:
-
-\subsubsection{Datentypen}
-Um generell irgendwas zu tun muss in fast allen fällen etwas definiert werden.
-Zur Simulation von Galaxien brauchen wir voallem eine Methode, Sterne
-einheitlich zu definieren. Der unten definierte Vec2-typ kann einen Vektor oder
-eine Koordinate darstellen was ihn in der Anwendung zu einem praktischen
-Hilfsmittel macht.  Er speichert die X und Y Komponente der jeweiligen Struktur
-die er darstellen soll als float64-typ. 
-
-\begin{lstlisting}
-type Vec2 struct {
-        X               float64 
-        Y               float64 
-}
-\end{lstlisting}
-
-Mithilfe des Vec2-typens kann ein Kompletter Stern definiert werden. Dabei wird
-ein Stern mithilfe seine Position \( C \), seiner Geschwindigkeit \( V \), und
-seiner Masse \( M \) beschrieben. 
-
-\begin{lstlisting}
-type Star2D struct {
-        C               Vec2 
-        V               Vec2 
-        Mass            float64
-}
-\end{lstlisting}
-
-Um einen sogennanten quadtree bzw. octree aufzubauen wird erstmal eine
-Räumliche Begrenzung benötigt, die einem Raum beschriebt indem die Sterne
-enthalten sind oder nicht.  Diese grenze ist als `Boundary` definiert, es wird
-dabei der Mittelpunkt der Begrenzung und die kürzeste Entfernung zwischen
-mittelpunkt und äußerer Begrenzung genutzt um den Raum zu definieren.
-
-\begin{lstlisting}
-type Boundary struct {
-        Center          Vec2 
-        HalfDimension   float64 
-}
-\end{lstlisting}
-
-Der eigentliche QuadTree bzw. Octree beinhaltet einige Informationen: Die
-Anzahl in ihm enthaltene Sterne, die Räumliche ausbreitung, die eigentlichen
-Sterne als Star2D definiert und die RecursionTiefe als integer.  Die Definition
-des QuadTrees der Unten zu sehen ist enthält Zeiger zu den Kindern des
-Quadtrees und ist somit rekusriv definiert was es einfach macht neue Kinder zu
-erstellen, da diese eine Kopie ihere Eltern mit einer anderen Begrenzung
-darstellen wodurch die in ihnen enthaltenen Sterne weniger werden.
-
-\begin{lstlisting}
-type QuadTree struct {
-        StarCount       int 
-        Boundary        Boundary 
-        Star            []Vec2 
-
-        NorthWest       *QuadTree
-        NorthEast       *QuadTree
-        SouthWest       *QuadTree
-        SouthEast       *QuadTree
-
-        ReccursionDepth int
-}
-\end{lstlisting}
-
-\paragraph{Idee:}
-Wenn man bei herrausfinden welcher Stern in welcher Zelle liegt jedem Stern
-eine Zellen-id zuweist, kann man wenn man die Kraft zwischen zwei sehr weit
-entfernten Sternen berechnen will direkt dazu übergehen, die Kraft zum
-Massemittelpunkt der Zelle indem der weit eintferne Stern liegt zu berechnen.
-
-\subsubsection{Runge-Kutta methods}
-Die Runge-Kutta Methode wird genutzt, um die Position eines objektes nach einer
-Beliebigen Zeit zu approximieren. Dabei kann, bei nutzung eines mglich kleinen
-Zeitschrittes, ein sehr genaues Ergebniss erzielt werden.  In unserem Fall
-haben wir einen Stern auf den eine Kraft wirkt. Wir wollen die Position des
-Sternens nach einem Zeitschritt berechnen, jedoch auch eine andere Kraft
-miteinbringen um die Sterne auf eine Ellipische Bahn um die Mitte der Galaxie
-zu bringen.
-Die Geschwindigkeit die der Stern dabei annnimmt kann mit der fogenden Formel
-berechnet werden:
-
-\begin{equation}
-    v = \sqrt{ar}
-\end{equation}
-
-\subsubsection{Goroutines}
-Die nutzung von mehreren sogennanten Go-Methoden ist unglaublich effektiv, da
-es die Zeit die gebraucht wird das Programm auszuführen drastisch verringert.
-Die implementation ist ebenfalls unglaublich einfach, es recht
-
-\section{Ergebnisse}
-Wie bewertest Du Deine Ergebnisse? Wie passt das zu dem, was Du über Dein Thema
-gelesen oder gehört hast? Was ist gut gelaufen im Projekt, was war schlecht,
-was könnte noch verbessert werden?  Das simulieren von Galaxien ist komplett
-ohne optimierungen ein sehr rechenaufwendiger prozess, weshalb einer der
-wichtigsten aspekte des Projektes war, die effizienz zu erhöhen.
-
-\subsection{Das n-Körper Problem}
-Das N-Körper Problem ist blöd (aber notwendig D:) (Und es ermöglicht das ganze
-erst!)
-
-\subsection{Beschleunigung der Berechnung von Kräften}
-\( n^2 \rightarrow n \cdot log(n) \) 
-iasd
-
-\subsection{Fazit}
-Welche Antwort kannst Du auf Deine Forschungsfrage geben? Hast Du Dein Ziel
-erreicht?  Langsam, Ok, schneller, Schnell, Hyperspeed!
-
-
-\section{Quellen und Literaturverzeichnis}
-
-THE INTERNET!
-
-\end{multicols*}
+\input{docs/titleabstract.tex}
+\tableofcontents
+
+\input{docs/einleitung}
+\input{docs/vorgehensweise}
+\input{docs/generieren}
+\input{docs/simulieren}
+\input{docs/ergebnisse}
+\input{docs/darstellung}
+\input{docs/vektoren}
+\input{docs/fazit}
+\input{docs/quellenliteraturverzeichniss}
 
 \end{document}