Analysis II für Studierende der Ingenieurwissenschaften
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- Nicole Busch
- vor 6 Jahren
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1 Fchbereich Mthemtik der Uiversität Hmburg SoSe 2015 Dr. K. Rothe Alysis II für Studierede der Igeieurwisseschfte Hörslübug mit Beispielufgbe zu Bltt 3 Recheregel für Potezreihe Stz: Die Potezreihe g(z = k z k besitze de Kovergezrdius R > 0 ud es gelte g(0 = 0 0, d besitzt die Fuktio f = 1/g eie Potezreihe f(z = 1 g(z = d k z k mit eiem Kovergezrdius r > 0. Die Berechug der Koeffiziete d k erfolgt über ds Cuchy-Produkt ( ( k 1 = g(z d k z k = d j k j z k j=0 mit Koeffizietevergleich ud führt uf die Rekursiosformel: d 0 = 1 0, d k = 1 k 1 d j k j, k = 1, 2,... 0 j=0 Stz: Differetitio eier Potezreihe Die Potezreihe f(x = k (x x 0 k ist im Iere des Kovergezitervlls, lso für x 0 r < x < x 0 + r mit r > 0 beliebig oft differezierbr. Die Ableituge ergebe sich durch gliedweises Differeziere: f (x = k k (x x 0 k 1, f (x = k=1 k(k 1 k (x x 0 k 2,... Die bgeleitete Reihe besitze de gleiche Kovergezrdius wie f. k=2
2 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Aufgbe 9: Gegebe sei die durch f(x = 6 defiierte Fuktio. 5 4x M bestimme die Glieder der Potezreiheetwicklug vo f mit Etwicklugspukt x 0 = 0 über die Rekursiosformel us dem Cuchy-Produkt vo Reihe, sowie de zugehörige Kovergezrdius. b M bereche die Lösug der gewöhliche Differetilgleichug erster Ordug y = y mit dem Afgswert y(0 = 3 i folgeder Potezreihedrstellug y(x = k x k. Lösug: 6 5 4x = f(x = d 0 + d 1 x + d 2 x 2 + d 3 x = (5 4x(d 0 + d 1 x + d 2 x 2 + d 3 x 3 + Koeffizietevergleich: = 5d 0 + (5d 1 4d 0 x + (5d 2 4d 1 x 2 + (5d 3 4d 2 x = 5d 0, 0 = 5d k 4d k 1 d 0 = 6 5, d k = 4 5 d k 1 = = Kovergezrdius: r = lim ( k 4 d 0 = k d k d k+1 ( k 4 5 f(x = ( 6 4 = lim 5 5 ( k k k+1 = ( k 4 x k 5 Altertivrechug mit de Formeluswertuge us dem Skript (Methode idetisch: f(x = 6 5 4x = 1 5 4x =: 1 g(x 6 6 D g(0 0, besitzt f i x 0 = 0 eie Potezreiheetwicklug f(x = 1 g(x = d k x k
3 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe mit Kovergezrdius r > 0 ud die Koeffiziete d k lsse sich ch der Rekursiosformel us dem Cuchy-Produkt bereche: 0 d 0 = 1, k 1 0 d k = d j k j j=0 mit g(x = k x k = x 0 = 5 6, 1 = 4 6, k = 0, k 2. M erhält dmit d 0 = 1 0 = 6 5, d k = 1 k 1 0 j=0 d j k j = 1 0 d k 1 = 4 5 d k 1 = ( k 4 d 0 = ( k 4 5 b Im Iere des Kovergezitervlls drf die Potezreihe gliedweise differeziert werde. Setzt m die Potezreihe ud ihre erste Ableitug i die Differetilgleichug ei, so ergibt sich k kx k 1 = k x k k=1 k kx k 1 k x k = k=1 ( k+1 (k + 1 k x k = 0. Aus dem Koeffizietevergleich mit der Nullfuktio ergibt sich folgede Rekursiosformel zur Berechug der k : k+1 (k + 1 k = 0 k+1 = k k + 1 = k 1 (k + 1k = = 0 (k + 1!. Der Afgswert ergibt y(0 = 0 = 3 k = 3 k! ud dmit 3 k! xk = 3 x k k! = 3ex ls Lösug der Differetilgleichug. Der Kovergezrdius berechet sich durch r = lim k k = lim 3(k + 1! k 3 k! = lim (k + 1 =. k k+1
4 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Elemetre Fuktioe Die Biomilreihe für IR ud x ] 1, 1[ (1 + x = m=0 lutet: ( m x k mit de Biomilkoeffiziete: ( m := ( j m 1 j=0, m IN 0 m! Stz: Itegrtio eier Potezreihe Die Potezreihe f(x = k (x x 0 k besitzt im Iere des Kovergezitervlls, lso für x 0 r < x < x 0 + r mit r > 0 eie Stmmfuktio F, d.h. es gilt F = f. Durch gliedweises Itegriere erhält m: F (x = C + k k + 1 (x x 0 k+1, C IR. Die Stmmfuktio F besitze de gleiche Kovergezrdius wie f. Abelscher Grezwertstz: Besitzt die reelle Potezreihe g(x := k (x x 0 k de edliche Kovergezrdius r > 0 ud kovergiert sie im rechte Rdpukt x 0 + r, so ist die Summefuktio g(x i x 0 + r (liksseitig stetig, d.h. es gilt lim g(x = k r k. x x 0 +r Etsprechedes gilt für de like Rdpukt x 0 r.
5 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Aufgbe 10: (i M bereche die Ableitug vo f(x = l(2 + x ud dmit die Potezreihe vo l(2 + x zum Etwicklugspukt x 0 = 0 ud bestimme dere Kovergezrdius. (ii M utersuche ds Kovergezverhlte der uter (i bestimmte Potezreihe i de Rdpukte ud bereche im Flle der Kovergez de Wert der etsprechede Reihe. b M bereche die Potezreihe für die durch g(x = x gegebee Fuktio zum Etwicklugspukt x 0 = 0 ud bestimme dere Kovergezrdius. Lösug: (i Uter Beutzug der geometrische Reihe erhält m für x/2 < 1 x < 2 f (x = x = ( (x/2 = =0 ( x. die Potezreihe vo f mit dem Kovergezrdius r = 2. Gliedweise Itegrtio der Reihe liefert wege f(0 = l(2 die Potezreihe vo f f(x = l(2 + x = C + =0 ( 1 ( x+1 = l(2 + =0 ( 1 ( x+1. (ii Der Rdpukt x = 2 führt uf die hrmoische Reihe l(2 = ud m erhält keie Kovergez. Für de Rdpukt x = 2 erhält m mit der lterierede hrmoische Reihe ( 1 l( =0 Kovergez. Kovergiert eie Potezreihe i de Rdpukte, so ergibt sich ch dem Abelsche Grezwertstz dort der Wert der stetige Fortsetzug der Summefuktio im Iere. M erhält lso im Rdpukt x = 2 de Wert l(4 = l(2 + =0 ( ( =0 ( = l(2.
6 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe b Die Potezreihe vo g(x = 3 ( 8 + 3x = x 8 für 1 < 3x 8 < < x < 8 3 x < 8 3 berechet: 1/3 wird über die Biomilreihe ( x 8 1/3 = =0 ( 1/3 2 ( 3x = 8 =0 ( 1/ x. Der Kovergezrdius r = 8 bestätigt sich uch recherisch über die Koeffiziete ( ( 3 1/ /3 = mit = 1 1 ( 1 8! 3 k : r = lim +1 ( 1/3 2 3 = lim 8 ( 1/ = lim /3 = 8 3.
7 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Ds Riem-Itegrl Defiitio: Zerlegug eies Itervlls [, b]: Z = { = x 0 < x 1 < < x = b} b Gegebe sei eie Zerlegug Z vo [, b] ud eie beschräkte Fuktio f : [, b] IR: 1 (i Utersumme: U f (Z = if f([x i, x i+1 ](x i+1 x i 1 (ii Obersumme: O f (Z = sup f([x i, x i+1 ](x i+1 x i Bemerkug: Für zwei beliebige Zerleguge Z ud Z gilt immer U f (Z O f ( Z. Defiitio: Flls sup U f (Z = if O f(z gilt, heißt Z Z b f(xdx := sup U f (Z = if O f(z Z Z bestimmtes Riem-Itegrl vo f über ds Itervll [, b].
8 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Itegrleigeschfte ud Itegrierbrkeitskriterie Stz: Gegebe seie, b, c IR mit c b ud itegrierbre Fuktioe f : [, b] IR ud g : [, b] IR, d gilt Lierität b b αf(x + βg(xdx = α f(xdx + β b g(xdx, α, β IR b Mootoie b b f(xdx g(xdx, flls f(x g(x c b c b f(xdx = f(xdx + f(xdx Speziell wird defiiert: b f(xdx := f(xdx c ud f(xdx := 0. b Stz: Gegebe sei eie beschräkte Fuktio f : [, b] IR, d gilt: Riemsches Kriterium: f ist über [, b] itegrierbr geu d, we für jedes ε > 0 eie Zerlegug existiert für die gilt: O f (Z U f (Z < ε. b Ist f mooto uf [, b], d ist f über [, b] itegrierbr. c Ist f stetig uf [, b], d ist f über [, b] itegrierbr.
9 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Huptstz Defiitio: Eie Fuktio F : [, b] IR heißt Stmmfuktio zur Fuktio f : [, b] IR, flls F (x = f(x für x [, b] gilt. Huptstz der Differetil- ud Itegrlrechug: Gegebe sei eie stetige Fuktio f : [, b] IR, d gilt x F (x := f(tdt ist eie Stmmfuktio vo f. b Jede dere Stmmfuktio F vo f besitzt die Form F (x = F (x + C mit eier Kostte C IR. c Ist F eie Stmmfuktio vo f, d ist ds bestimmte Itegrl berechebr durch: b f(xdx = F (b F ( =: F (x b. Defiitio: Eie beliebige Stmmfuktio eier stetige Fuktio f wird mit f(xdx bezeichet ud ubestimmtes Itegrl vo f get.
10 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Aufgbe 11: Gegebe sei die Fuktio f : [ 1, 1] IR mit f(x = 3x + 4. M bereche für die äquidistte Zerlegug { Z = 1, 2, 4, 6 },, 1 des Itervlls I = [ 1, 1] Uter- ud Obersumme, lso U f (Z ud O f (Z, zu f. b M weise die Itegrierbrkeit vo f ch. c M bereche 1 3x + 4 dx über de Huptstz. Lösug: 1 Mit x i = 2i U f (Z = O f (Z = = für i = 0, 1,..., erhält m = 1 if f([x i, x i+1 ](x i+1 x i 1 ( 3 2i ( 2(i i = 2 1 ( + 6i = 2 ( 2 ( sup f([x i, x i+1 ](x i+1 x i = ( ( 2(i + 1 2(i i = 2 1 ( + 6i + 6 = 2 ( 2 ( b Für lle ε > 0 existiert ei N mit N > 12, d gilt: ε O f (Z N U f (Z N = 12 N < ε, + 6 = d.h. die Zerlegug Z N erfüllt ds Riemsche Kriterium ud f ist itegrierbr. Altertiv folgt die Itegrierbrkeit vo f türlich uch drus, dss f mooto wächst oder stetig ist. 1 c 3x + 4dx = 1 ( 3x x 1 = 8
11 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Aufgbe 12: M bereche de Flächeihlt F 1, der durch die Teilmege M 1 = { (x, y IR 2 : x 3 y x } des IR 2 gegebe ist. b Die Gerde y = x/2 + 1 zerteilt de Kreis x 2 + y 2 = 4 i zwei Segmete. Wieviel Prozet Fläche verliert der Kreis durch ds Abtree des kleiere der beide Segmete? Lösug: Die Schittpukte vo f(x = x ud g(x = x 3 ergebe sich durch x = x 3 0 = x 6 x = x(x 5 1. Nur zwische de Schittpukte x 1 = 0 ud x 2 = 1 gilt g(x y f(x. Dher berechet sich der Flächeihlt durch F 1 = 1 f(x g(x dx = 1 x x 3 dx = [ x3/2 1 4 x ] = = Bild 14 : Mege M 1 b Schittpukte vo Gerde ud Kreis: ( x 2 4 = x 2 + y 2 = x x 2 = 4 + x + 1 x 1 = 2, x 2 = 6 5 Fläche des kleiere Segmets: S = 6/5 4 x2 dx 6/5 x/2 + 1 dx 6/5 2 2 x/2 + 1 dx = 2 ( x 2 6/5 4 + x 2 = 64 25
12 Alysis II, K. Rothe, SoSe 2015, Hörslübug 3 (Beispielufgbe Mit prtieller Itegrtio erhält m: cos 2 t dt = cos t si t + si 2 t dt = cos t si t + cos 2 t dt = 1 (t + si t cos t + C 2 1 cos 2 t dt Ds Itegrl 6/5 2 x = 2 si t dx = 2 cos(t dt. Itegrtiosgreze: 6/5 = 2 si t 2 t 2 = rcsi 3 5, 4 x2 dx wird gelöst durch Substitutio 2 = 2 si t 1 t 1 = rcsi( 1 = π 2 6/5 4 x2 dx = rcsi 3/5 ( 4 4 si 2 t 2 cos t dt 2 = 4 rcsi 3/5 cos 2 t dt π/2 π/2 rcsi 3/5 = 2 (t + si t cos t π/2 = 2 ( 3 = 2 rcsi S = 2 rcsi ( rcsi ( ( cos rcsi + π si 2 rcsi 3 ( π = 2 rcsi 5 ( π = S 4π = % = % 4π π 2 y x -1-2 Bild 14 b: Kreissegmete
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