1 Funktionen und Flächen
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- Hanna Flater
- vor 7 Jahren
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1 Fuktioe ud Fläche. Fläche Defiitio: Die Ebee R ist defiiert als Mege aller geordete Paare vo reelle Zahle: R = {(,, R} Der erste Eitrag heißt da auch Koordiate ud der zweite Koordiate. Für zwei Pukte (,, (, R ist der Abstad defiiert als: d((,, (, := ( + ( Defiitio: Ei Kreis mit Mittelpukt a = ( 0, 0 R ud Radius r R ist die Mege: Aalog ist die Kreisscheibe K a,r := {(, R ( 0 + ( 0 = r } B a,r := {(, R ( 0 + ( 0 r } (B für Ball. Speziell ist der Eiheitskreis die Mege {(, R + = = } dito Eiheitskreisscheibe. Die Flächeaiome: Sei D R ud D B a,r für eie Ball B a,r (dies stellt sicher, daß D begrezt ist. D wird eie icht egative reelle Zahl zugeordet, die Fläche. Es gelte die folgede Aiome: i Kogrueze (Drehuge, Spiegeluge, Verschiebuge äder die Fläche vo D icht. ii Wird D i edlich viele, icht überlappede Bereiche aufgeteilt, so ist die Fläche vo D die Summe der Teilfläche. iii Ist E D, so ist die Fläche vo E höchstes so groß wie die vo D. iv Ei Quadrat der Seiteläge hat die Fläche. Defiitio (Flächeihalt Sei D R ud es eistiere B a,r mit D B a,r (d.h., daß D beschräkt ist. Es sei M := { R ist ichtüberlapped aus Rechtecke zusammegesetzt}. Die Elemete vo M habe also eie Fläche, die die Summe der Fläche der Dreiecke/Rechtecke sid, aus dee sie sich zusammesetze. Wir betrachte U = {Fläche vo M D} ud O := {Fläche vo M D }. Eistiere sup U ud if U ud gilt sup U = if O, da ist dieser Wert der Flächeihalt vo D. Beispiel: Der Eiheitskreis liegt komplett im Quadrat mit de 4 Eckpukte (±, ±, welches de Flächeihalt 4 hat. Wählt ma u beliebig viele Pukte auf dem Eiheitskreis ud bildet aus zwei beachbarte Pukte ud dem Mittelpukt Dreiecke, so ist die Summe dieser Dreiecksfläche sicher kleier als die Fläche des Eiheitskreises. Das Supremum all dieser ist die Fläche des Eiheitskreises ud heißt π (ud ist gleich dem Ifimum aller Fläche, i dee der Kreis ethalte ist. Defiitio: Zu eiem auf dem Eiheitskreis gegebee Pukt betrachte wir das Kreissegmet, das vo der Verbidugsliie vo Pukt ud Mittelpukt ud der positive Achse gebildet wird. Das Zweifache vo desse Fläche ist der Wikel des Puktes. Isbesodere ist also der Vollwikel π.
2 . Trigoometrische Fuktioe Defiitio Für de Pukt (, auf dem Eiheitskreis mit Wikel φ [0, π ist: cos(φ := si(φ := Diese seie π periodisch fortgesetzt durch si(φ + π = si(φ ud cos(φ + π = cos(φ. Folgeruge: cos(, si( cos(φ + si(φ = si(φ = cos(φ für alle φ mit si(φ 0 si( φ = si(φ cos( φ = cos(φ Durch eifache geometrische Überleguge erhält ma auch die folgede Wertetabelle: cos si 0 0 π 0 π 4 π 0 Der Sius ist auf [ π, π ] streg mooto steiged. Die Umkehrfuktio heißt arcsi:[, ] [ π, π ] Aalog: arccos:[, ] [0, π] Satz (Additiostheoreme: cos(α + β = cos(α cos(β si(α si(β si(α + β = si(β cos(α + si(α cos(β Grud: Wird bei de komplee Zahle gegebe. Folgeruge: cos + = cos si( si si( = si( si + = cos si( + si cos( = cos(
3 .3 Eigeschafte vo Fuktioe Häufig sid Fuktioe durch eie Abbildugsvorschrift defiiert: f : R R, + 5. Es gibt aber auch adere Möglichkeite eie Fuktio zu beschreibe, z.b. durch Fläche. Dazu das folgede Beispiel: Sei f : R R, f ( = m (für m > 0. F(a sei die Fläche uter zwische der Gerade f ( ud der Achse ud de Gerade = a ud = 0. Also F(a = ma. f( = m ma a Beachte Sie: Für < gilt m < m( + < m ud daher m( < m( + ( < m(. Wir habe isgesamt: ( m < m m < ( m Ist also f ( = m ud F( = m, so gilt: ( f ( < F( F( < ( f ( Klappt das auch bei krummliig begrezte Fläche? Beispiel: Es sei f ( :=. Für alle 0 < < gilt: + + < + + < + + Multiplikatio mit liefert: ( < < ( also wieder obige Doppelugleichug, diesmal mit f ( = ud F( = 3 3. Satz: Sei f : [a, b] R streg mooto ud f ( 0 für alle [a, b]. Da eistiert die Fläche zwische = a, = b ud dem Graph vo f. Grud: Wir betrachte de Fall mooto steiged. Wir uterteile das Itervall wie folgt: Sei t i = a + i b a. Da ist a = t 0 < t <... < t = b ud t i+ t i = b a. Da liegt der Graph vo
4 f auf dem Itervall [t i, t i+ ] überall oberhalb vo f (t i ud uterhalb vo f (t i+. Die Differez dieser Fläche ist (t i+ t i ( f (t i+ f (t i = b a ( f (t i+ f (t i. Aufsummiere liefert: b a i=0 ( f (t i+ f (t i = b a ( f (b f (a Dieser Ausdruck wird für geüged große beliebig klei ud es gilt: f (t i (t i+ t i I S i=0 i=0 f (t i+ (t i+ t i Dabei ist F = {(, R [a, b], 0 f (} ud I das Ifimum Flächeihalte aller meßbare Fläche, die Teilmege vom F sid, ud S das Supremum aller Flächeihalte aller meßbare Fläche, i dee F ethalte ist. Nu ist die Differez vo rechter Seite ud liker Seite b a ( f (b f (a, somit ist S I kleier als dieser Wert, wird also für großes beliebig klei. Daher ist I = S gleich der Fläche vo F. Beispiel:i f : R >0 R >0, ist streg mooto falled, de für > gilt: <. Wie wir scho gesehe hatte ist f ( sogar bijektiv, da jedes = 0 ei multiplikatives Iverses = hat. Ist f streg mooto falled, so ist f (a streg mooto steiged. Die Fläche zwische dem Graph vo f ud [a, b] ist da (b a( f (b f (a F Dabei ist F die Fläche zwische dem Graphe vo f (a ud [a, b]. Defiitio: Sei f : [a, b] R eie streg mooto steigede Fuktio ud f ( 0 für alle [a, b]. Gibt es eie Fuktio F : [a, b] R, mit F(a = 0 ud ( f ( < F( F( < ( f ( für alle, [a, b] mit <, so ist die Fuktio F mit dieser Eigeschaft eideutig bestimmt (siehe Ahag B. Eie solche (eideutig bestimmte Fuktio ee wir die Flächefuktio vo f (auf dem Itervall [a, b]. f( ( f( ( f( Satz: Eie solche Flächefuktio eistiert ud ist eideutig bestimmt. Weiter ist die Flächefuktio F : [a, b] [0, F(b] eier icht egative, streg mootoe Fuktio, streg mooto steiged ud bijektiv auf ihr Bild. Grud: Ahag B
5 .4 Der atürliche Logarithmus Defiitio: Für eie Zahl a > ist l(a defiiert als die Fläche zwische de sekrechte Gerade = ud = a ud der Achse ud der Kurve =. Für 0 < a < wird die Fläche egativ gezählt, es ist l(a der egative Wert der Fläche uter vo = a bis =., 5, 5 f( =, 5, 5 0, 5 0, 5 f( = l(, 5, 5 Eigeschafte: l( ist streg mooto steiged (als Flächefuktio. l( = 0 3 für alle >. Ist 0 < <, so gilt ( < l( l( < ( ( < l( l( < ( Diese Fläche werde aber egativ gezählt. Multiplikatio mit liefert wieder die obige Doppelugleichug. Folgerug: l(c = l(c + l( Grud: Wir betrachte die für festes c > 0 die Fuktioe L ( := l(c l(c. Da ist L ( = l(c l(c = 0 Da gilt: L ( L ( = l(c l(c. Es ist aber auch 0 < c < c für <. Wir ersetze i de obige Ugleichuge alle durch c ud dito durch c ud erhalte: (c c < l(c l(c = c also l(c l(c l(c + l(c < (c c c ( < L ( L ( < ( Es ist auch L ( = l(c l(c = 0. Wege der Eideutigkeit gilt aber: L ( = l( also l(c l(c = l( ud damit l(c = l(c + l(. ( Folgerug: l = l( l( für = 0. Speziell: l = l(. ( ( Grud: l + l( = l = l(, also die Behauptug
6 Folgerug: l( immt beliebig große (ud kleie egative Werte a. Grud: Es ist l > 0 ud l( = l(... = l( l( = l( ud l( = l( Defiitio: Die Abbildug l : R >0 R ist bijektiv. Ihre Umkehrabbildug ep : R R >0 ist die Epoetialabbildug. Schreibweise e := ep(. Recheregel:i e l( = für alle R >0 ud l(e = für alle R, da ep ud l Umkehrfuktioe voeiader sid. ii Ist a = l( (d.h. e a = ud b = l( (d.h. e b =, so gilt: iii e a+b = e l(+l( = e l( = = e a e b Defiitio: Für a R >0 ud R defiiere wir: a := e l a Bemerkug: Bis hierher hatte wir ur die Potezierug mit Brüche defiiert. Dies erlaubt u das Poteziere mit beliebige reelle Zahle. Die Potezregel: i a a = a + ii (a = a Grud: i a + = e (+ l a = e l a+ l a = e l a e l a = a a ii (a = ( e l a = e ( l a = e ( l a = a
1.3 Funktionen. Seien M und N Mengen. f : M N x M : 1 y N : y = f(x) nennt man Funktion oder Abbildung. Beachte: Zuordnung ist eindeutig.
1.3 Fuktioe Seie M ud N Mege f : M N x M : 1 y N : y fx et ma Fuktio oder Abbildug. Beachte: Zuordug ist eideutig. Bezeichuge: M : Defiitiosbereich N : Bildbereich Zielmege vo f Der Graph eier Fuktio:
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