3.5. DIE EXPONENTIALREIHE 73

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1 3.5. DIE EXPONENTIALREIHE 73 wichtigen Formeln auf, ohne diese Zahl ist die Analysis nicht denkbar! Wir werden ihr oft begegnen und dadurch wird diese Bedeutung offenbar werden. Will man diese Zahl mittels dieser Definition ausrechnen, so kann man natürlich nur endlich viele Summanden berücksichtigen und man braucht eine Abschätzung für den Fehler, der durch den Abbruch der Reihe entsteht. Eine solche Abschätzung ist auch oft von theoretischem Interesse und wir werden am Ende dieses Kapitels noch eine Anwendung sehen. Satz (Fehler beim Abbruch der E-Reihe) Der Abbruchfehler beim Abbruch der Exponentialreihe nach dem k-ten Glied f k (z) = n! zn k n! zn lässt sich für z + k 2 d. h. abschätzen durch das doppelte des k + -Summanden, f k (z) 2 (n + )! z n+. Beweis. f k (z) = n! zn n=k+ = z k+ (k + )! z k+ (k + )! z k+ (k + )! = 2 z k+ (k + )!. z n n j= (k + + n) ( ) n z k für z n k + 2 < 2 er nach St. Petersburg zurück. Selbst seine Erblindung stoppte sein wissenschaftliches Schaffen nicht. Neben der Zahl e gibt es noch viele mathematische Objekte, die nach ihm benannt sind, wir werden einige davon kennenlernen. Für die Analysis ist besonders wichtig, dass er an der Formulierung des Funktionsbegriffes arbeitete, dies ist Grundlage der modernen Analysis und ihrer Anwendbarkeit durch die Beschreibung von physikalischen (und anderen) Phänomenen durch sogenannte Differentialgleichungen.

2 74 KAPITEL 3. REIHEN Bemerkung (e Numerischer Wert) Der numerische Wert von e ergibt sich nach Abbruch mit k = 0 zu e [ , ]. Satz (Funktionalgleichung der Exponentialreihe) Für z, z 2 C gilt E(z ) E(z 2 ) = E(z + z 2 ). (3.2) Beweis. E(z + z 2 ) = = = = n! (z + z 2 ) n n n! k=0 n k=0 n! zn ( ) n z n k z2 k k (n k)! zn k j=0 j! zj 2. k! zk 2 Korollar (Konsequenz aus der Funktionalgleichung) Für z C gilt E( z) = (E(z)). (3.3) Beweis. = E(0) = E(z z) = E(z)E( z). Die Gleichung (3.2) wird als Funktionalgleichung des Exponentialfunktion bezeichnet. Lemma (Positivität der E-Reihe) Für x R ist E(x) > 0. Beweis. Zunächst ist für x 0 nach Definition E(x) = + x + x , wobei alle Summanden nicht negativ sind. Also ist E(x) 0. Für x > 0 gilt = E(0) = E(x x) = E(x) E( x).

3 3.5. DIE EXPONENTIALREIHE 75 Damit ist E( x) > 0. Wir wollen nun die komplexen Winkelfunktionen einführen und reelle Argumente etwas genauer betrachten. Sie werden später noch eingehender untersucht werden. Definition (Sinus und Cosinus) Für z C setzen wir cos(z) = sin(z) = ( ) n z2n (2n)! ( ) n z 2n+ (2n + )! Lemma (Konvergenz der Sinus/Kosinusreihen) Die Reihen für cos(z) und sin(z) sind für jedes z C absolut konvergent. Beweis. Aus dem Beweis der Konvergenz der Exponentialreihe folgt sofort, dass für jedes z C beide Reihen absolut konvergent sind. Wir betrachten nun einen Spezialfall, die Exponentialreihe für rein imaginäre Argumente, also für komplexe Zahlen der Form ix, wobei x R ist. Lemma (Cosinus/Sinus und E-Reihe) Für x R gilt cos(x) = Re E(ix) sin(x) = Im E(ix). Beweis. Für gerades n = 2j gilt Im(i n ) = 0 und Re(i n ) = Re(i 2j ) = Re(( ) j ) = ( ) j und für ungerades n = 2j + gilt Re(i n ) = 0 und eine entsprechende Rechnung zeigt, dass die Folge alternierendes Vorzeichen hat. Damit ergeben sich die behaupteten Darstellungen. Satz 3.5. (Euler) Für x R gilt E(ix) = cos(x) + i sin(x). Beweis. Folgt aus dem bereits gesagten.

4 76 KAPITEL 3. REIHEN Lemma (E-Reihe mit rein imaginären Argumenten) Für x R gilt E(ix) =. Beweis. Es gilt Damit ist E(ix) =. E(ix) 2 = E(ix)E(ix) = E(ix)E(ix) = E(ix)E( ix) = E(ix ix) =. Lemma (Quadrate von Sinus und Kosinus addieren sich zu ) Für x R gilt cos(x) 2 + sin(x) 2 =. Beweis. Folgt aus Lemmata 3.5.2, Satz (Additionstheoreme) Für x, y R gilt cos(x + y) = cos(x) cos(y) sin(x) sin(y) sin(x + y) = sin(x) cos(y) + sin(y) cos(x). Diese Gleichungen werden oft als Additionstheoreme bezeichnet. Beweis. Da E(i(x + y)) = E(ix + iy) = E(ix)E(iy) folgt mit Lemma 3.5. cos(x + y) + i sin(x + y) = (cos(x) + i sin(x))(cos(y) + i sin(y)) und damit die Behauptung. 3.6 Der Logarithmus In diesem Abschnitt definieren wir die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion, den Logarithmus. Es ist eine der wichtigen Funktionen, die überall in Naturwissenschaften und Technik auftauchen. Lemma 3.6. (Monotonie der Exponentialfunktion) Für x, y R, x > y ist E(x) > E(y). Beweis. E(x) = E(y + (x y)) = E(y) E(y x) > E(y).

5 3.6. DER LOGARITHMUS 77 Also ist die Funktion E : R R + : x E(x), D(E) = R streng monoton steigend auf R. Wir wollen nun den Bildbereich B(E) ermitteln. Satz (Bijektivität der Exponentialfunktion) E : R R + ist eine Bijektion. Beweis. Wir wissen bereits, dass E streng monoton steigend, also injektiv ist. Weiter wissen wir e = E() > E(0) =, denn für alle x > 0 ist aufgrund der obigen Monotonieaussage E(x) >. Es gilt für alle n N denn e = E(). Denn: Sei A = e n = E(n), so erhalten wir e n = E(n), { } n N e n = E(n) Angenommen n A, also e n+ = e n e = E(n) E() = E(n + ) nach der Funktionalgleichung für die Exponentialreihe. Damit ist n + A und A = N. Da e = + (e ) gilt nach der Bernoullischen Ungleichung e n + n(e ). Also konvergiert die Folge {e n } n N in R erw gegen. Da es zu jedem K R damit eine Zahl N N gibt, so dass n > N impliziert e n > K, folgt lim n e n = 0. Damit würde man nun vermuten B(E) = R +. Um die Surjektivität zu zeigen, greifen wir auf das Dedekindsche Schnittaxiom zurück. Sei y R +. Wir betrachten die Mengen A = {q Q E(q) y}, B = {q Q E(q) > y}. Dann sind beide Mengen nicht leer, da ein n N existiert mit E( n) = e n < y < e n = E(n). Wegen der strengen Monotonie ist A B = und natürlich gilt für jedes q Q entweder E(q) y oder E(q) > y, da R vollständig geordnet ist. Also, nach dem Dedekindschen Schnittaxiom, gibt es ein x R mit a x b für alle a A und alle b B. Bleibt zu zeigen E(x) = y. Mit a A und b B gilt a x b und damit Nun ist für a A und b B E(a) E(x) E(b). E(b) E(a) = E(a + (b a)) E(a) = E(a)E(b a) E(a) wegen der Funktionalgleichung der Exponentialfunktion = E(a)(E(b a) ).

6 78 KAPITEL 3. REIHEN Gibt es nun zu jedem ε > 0 ein Paar a, b mit 0 < E(b) E(a) < ε, so ist E(x) y < ε und damit E(x) = y. Wir müssen also zeigen, dass zu jedem ε > 0 ein Paar a A und b B existiert mit E(b) E(a) < ε. Dazu reicht es aber zu zeigen, dass zu jeder ε > 0 ein s Q, s > 0 existiert mit E(s) < ε. Wähle ( ) ε ε s < min 2,. 2 Dann ist mit der Fehlerabschätzung für k = der Wert von E(s) < + s + f (s) und damit Damit B(E) = log : R + R mit E(s) < s + f (s) < ε 2 + 2s2 2! < ε 2 + ε 2 = ε. { r R } r > 0 = R + und es existiert eine Umkehrfunktion log(x y) = log(x) + log(y). (3.4) Definition (Logarithmus) Diese Funktion wird als Logarithmus bezeichnet. Gleichung (3.4) nennt man die Funktionalgleichung des Logarithmus.