We use (dr'/dt_o). See [5]
(%i1) assume ( G > 0 , M > 0 , r0 > 3 · G · M ) ;
[ G > 0 , M > 0 , r0 > 3 · G · M ]
(%i2) assume ( rm > 0 , rm < r0 ) ;
[ rm > 0 , r0 > rm ]
(%i3) assume ( rp > 0 , rp > r0 ) ;
[ rp > 0 , rp > r0 ]
(%i4) frm : 1 2 · G · M / rm ;
1 2 · G · M rm
(%i5) frp : 1 2 · G · M / rp ;
1 2 · G · M rp
(%i6) fr0 : 1 2 · G · M / r0 ;
1 2 · G · M r0
The derivative of the test particle is negative (free falls towards the center)
(%i7) drm_dt : sqrt ( 2 · G · M · ( 1 / rm 1 / r0 ) ) ; /* Eq.[25] */
( 2 · G · M · 1 rm 1 r0 )
(%i8) dt_drm : 1 / drm_dt ;
( 1 2 · G · M · 1 rm 1 r0 )
(%i9) δtm : integrate ( dt_drm , rm , r0 , rm ) ;
r0 2 · rm r0 · rm 2 + r0 3 2 · atan ( r0 rm rm ) 2 · G · M
(%i10) δrm : drm_dt · δtm ;
( 1 rm 1 r0 · ( r0 2 · rm r0 · rm 2 + r0 3 2 · atan ( r0 rm rm ) ) )
(%i11) drp_dt : ( 1 / rp ) · sqrt ( 2 · G · M · ( r0 ^ 2 / rp rp ^ 2 / r0 ) + rp ^ 2 r0 ^ 2 ) ; /* Eq.[18] */
2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2 rp
(%i12) assume ( ε > 0 , χ12 > 0 ) ;
[ ε > 0 , χ12 > 0 ]
χ12 is the ratio (drp/drm)².
Afterwards, we'll unify rp=r0+ε*γ, rm=r0-ε for ε->0+
(%i13) χ12_a : drp_dt ^ 2 / drm_dt ^ 2 ; /* Eq.[18]²:Eq.[25]² */
2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2 2 · G · M · ( 1 rm 1 r0 ) · rp 2
Initial χ1 guess... Weak Equivalence Principle sugests 1
(%i14) χ1 : 1 ;
1
χ1²=limit χ12_a(γ) ε->0+ is recursive!
We hope that there's a "fixed point" in the recursive function
(%i15) χ12_b : subst ( rp = ( r0 + ε · abs ( χ1 ) ) , subst ( rm = ( r0 ε ) , χ12_a ) ) ;
2 · G · M · ( r0 2 ε + r0 ( ε + r0 ) 2 r0 ) + ( ε + r0 ) 2 r0 2 2 · G · M · ( 1 r0 ε 1 r0 ) · ( ε + r0 ) 2
Find the limit when ε->0+
(%i16) χ12 : factor ( limit ( χ12_b , ε , 0 , plus ) ) ;
r0 3 · G · M G · M
Remember the result χ12 is the ratio squared.
Iterating, you can see that χ1 converges finally to the value %o16 shown above.
To prove it, we let χ1=(value of χ1²), instead of its squareroot.
(%i17) χ1 : χ12 ;
( r0 3 · G · M G · M )
(%i18) χ12_b : subst ( rp = ( r0 + ε · abs ( χ1 ) ) , subst ( rm = ( r0 ε ) , χ12_a ) ) ;
2 · G · M · ( r0 2 ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2 r0 ) + ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2 r0 2 2 · G · M · ( 1 r0 ε 1 r0 ) · ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2
(%i19) χ12 : factor ( limit ( χ12_b , ε , 0 , plus ) ) ;
( r0 3 · G · M ) 2 G 2 · M 2
So, we feed a value and the squareroot of the result is the same value.
It's the solution.
We know γ is negative for r0>3GM.
(%i20) χ1 : sqrt ( χ12 ) ;
( r0 3 · G · M G · M )
(%i21) δrp : χ1 · δrm ;
( r0 3 · G · M ) · 1 rm 1 r0 · ( r0 2 · rm r0 · rm 2 + r0 3 2 · atan ( r0 rm rm ) ) G · M
(%i22) dΘ_dt : ( r0 / rp ^ 2 ) · sqrt ( frp ) ; /* Eq.[31] */
r0 · 1 2 · G · M rp rp 2
(%i23) drp_dt : ( 1 / rp ) · sqrt ( 2 · G · M · ( r0 ^ 2 / rp rp ^ 2 / r0 ) + rp ^ 2 r0 ^ 2 ) ;
2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2 rp
(%i24) dΘ_drp : dΘ_dt / drp_dt ; /* Eq.[31]:Eq.[18] */
r0 · 1 2 · G · M rp rp · 2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2
(%i25) δΘ : dΘ_drp · δrp ;
r0 · ( r0 3 · G · M ) · 1 rm 1 r0 · ( r0 2 · rm r0 · rm 2 + r0 3 2 · atan ( r0 rm rm ) ) · 1 2 · G · M rp G · M · rp · 2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2
(%i26) χ2a : r0 · δΘ ^ 2 / δrm ;
( r0 3 · ( r0 3 · G · M ) 2 · 1 rm 1 r0 · ( r0 2 · rm r0 · rm 2 + r0 3 2 · atan ( r0 rm rm ) ) · ( 1 2 · G · M rp ) G 2 · M 2 · rp 2 · ( 2 · G · M · ( r0 2 rp rp 2 r0 ) + rp 2 r0 2 ) )
(%i27) χ2b : subst ( rp = ( r0 + ε · abs ( χ1 ) ) , subst ( rm = ( r0 ε ) , χ2a ) ) ;
( r0 3 · ( r0 3 · G · M ) 2 · ( r0 2 · ( r0 ε ) r0 · ( r0 ε ) 2 + r0 3 2 · atan ( ε r0 ε ) ) · 1 r0 ε 1 r0 · ( 1 2 · G · M ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) G 2 · M 2 · ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2 · ( 2 · G · M · ( r0 2 ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2 r0 ) + ( ( r0 3 · G · M ) · ε G · M + r0 ) 2 r0 2 ) )
(%i28) χ2 : limit ( χ2b , ε , 0 , plus ) ;
2 r0 G · M
(%i29) χ0 : ratsimp ( χ2 χ1 ) ;
1

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