Wirtschaftsmathematik für International Management (BA) und Betriebswirtschaft (BA)

Transkript

1 Wirtschftsmthemtik für Interntionl Mngement (BA) und Betriebswirtschft (BA) Wintersemester 2013/14 Stefn Etschberger Hochschule Augsburg

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5 Mthemtik: Gliederung 1 Aussgenlogik 2 Linere Algebr 3 Linere Progrmme 4 Folgen und Reihen 5 Finnzmthemtik 6 Reelle Funktionen 7 Differenzieren 1 8 Differenzieren 2 9 Integrtion 9 Integrtion Unbestimmte Integrle Bestimmte Integrle Uneigentliche Integrle Mehrdimensionle Integrle 10 Differentilgleichungen

6 Einleitung Mthemtik Stefn Etschberger Umkehrung der Frgestellung der Differentilrechnung Jetzt gesucht: Funktion, deren Änderungsverhlten beknnt ist Beispiel: Beknnt: Geschwindigkeit eines Körpers in Abhängigkeit der Zeit Gesucht: Ort in Abhängigkeit der Zeit Gliederung 1 Unbestimmte Integrle 2 Riemnnsche Summen und bestimmte Integrle 3 Uneigentliche Integrle 4 Anmerkungen zu mehrdimensionlen Integrlen 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 183

7 Stmmfunktion Mthemtik Stefn Etschberger Eine differenzierbre Funktion F : D R mit D R heißt Stmmfunktion der Funktion f : D R, wenn für lle x D gilt F (x) = f(x) 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme Sind F, ˆF beliebige Stmmfunktionen von f, gilt für lle x D: ˆF(x) F(x) = konstnt Also: Ht mn eine Stmmfunktion F gefunden, gilt für lle nderen Stmmfunktionen ˆF(x) = F(x) + c 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 184

8 Unbestimmtes Integrl Mthemtik Stefn Etschberger Ist F : D R eine Stmmfunktion von f : D R, so heißt f(x) dx = F (x) dx = F(x) + c für beliebiges c R 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme ds unbestimmte Integrl der Funktion f. Weitere Bezeichnungen: x : Integrtionsvrible f(x) : Integrnd c : Integrtionskonstnte 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle Unbestimmte Integrtion ist Umkehrung der Differentition 185

9 Einige unbestimmte Integrle Mthemtik Stefn Etschberger Sei f eine reelle Funktion und c R eine beliebige Konstnte. Dnn gilt: ) f(x) = ( R) f(x) dx = x + c b) f(x) = x n (n N, x R) f(x) dx = 1 f(x) = x m (m = 2, 3,..., x 0) f(x) = x r (r R, r 1, x > 0) f(x) dx = f(x) dx = 1 n + 1 xn+1 + c 1 m + 1 xm+1 + c r + 1 xr+1 + c c) f(x) = x 1 (x 0) f(x) dx = ln x + c d) f(x) = sin x (x R) f(x) dx = cos x + c f(x) = cos x (x R) f(x) dx = sin x + c e) f(x) = e x (x R) f(x) dx = e x + c f(x) = x ( > 0, 1, x R) f(x) dx = 1 ln x + c 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 186

10 Rechenregeln Mthemtik Stefn Etschberger Summen und konstnte Fktoren Für die reellen Funktionen f, g : D R, D R existiere ds unbestimmte Integrl. Dnn gilt: ) b) (f(x) + g(x)) dx = f(x) dx + g(x) dx f(x) dx = f(x) dx für lle R 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik Prtielle Integrtion Für zwei stetig differenzierbre Funktionen f, g : D R, D R gilt: f(x)g (x) dx = f(x)g(x) f (x)g(x) dx 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 187

11 Rechenregeln Mthemtik Stefn Etschberger Substitutionsregel Die Funktion f : D R, D R besitze eine Stmmfunktion F und g : D 1 R, D 1 R, g(d 1 ) D sei stetig differenzierbr. Dnn existiert die zusmmengesetzte Funktion f g : D 1 R mit z = f(y) = f(g(x)) = (f g) (x) und es gilt mit y = g(x) f(g(x))g (x) dx = f(y) dy = F(y) + c = F(g(x)) + c = (F g) (x) + c 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle mit c R beliebig. 188

12 Riemnnsche Summen Mthemtik Stefn Etschberger Gegeben: Beschränkte und stetige Funktion f : [, b] R mit < b und f 0 Unterteilen von [, b] in [, x 1 ], [x 1, x 2 ],..., [x i 1, x i ],..., [x n 1, b] mit = x 0, b = x n In jedem Teilintervll: Wähle Mximum und Minimum: f(u i ) = min {f(x) : x [x i 1, x i ]} f(v i ) = mx {f(x) : x [x i 1, x i ]}. f(x) und 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion f 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle f(v i ) f(u i ) 4. Mehrdimensionle Integrle = x 0 x 1 x 2 x 3 x 4... x i 1 x i... b = x n x 189

13 Riemnnsche Summen Mthemtik Stefn Etschberger Untere und obere Grenze I n min I In mx für Flächeninhlt unter Kurve mit: n I n min = n f(u i )(x i x i 1 ), I n mx = f(v i )(x i x i 1 ) i=1 i=1 f(x) f f(v i ) f(u i ) 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik = x 0 x 1 x 2 x 3 x 4... x i 1 x i... b = x n x 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 190

14 Riemnnsche Summen Mthemtik Stefn Etschberger Untere und obere Grenze I n min I In mx für Flächeninhlt unter Kurve mit: n I n min = n f(u i )(x i x i 1 ), I n mx = f(v i )(x i x i 1 ) i=1 i=1 Jetzt: Verfeinerung der Unterteilung von [, b] Folgen (I n min ) und (In mx) Existieren für n die Grenzwerte der beiden Folgen und gilt für den whren Flächeninhlt I unter der Kurve lim n In min = lim n In mx = I dnn heißt f Riemnn-integrierbr im Intervll [, b] Schreibweise: I = f(x) dx Bezeichnungen: I Bestimmtes Integrl von f im Intervll [, b] x Integrtionsvrible f(x) Integrnd, b Integrtionsrenzen 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 190

15 Existenz von bestimmten Integrlen Mthemtik Stefn Etschberger Gegeben: Reelle Funktion f : [, b] R. Dnn gilt: ) f stetig in [, b] f(x) dx existiert b) f monoton in [, b] f(x) dx existiert 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 191

16 Existenz von bestimmten Integrlen Mthemtik Stefn Etschberger Gegeben: Reelle Funktion f : [, b] R. Dnn gilt: ) f stetig in [, b] f(x) dx existiert b) f monoton in [, b] Beispiele: Gesucht: +1 1 f i(x) dx für { 2 für x < 0 f 1 (x) = und 1 für x 0 f 2 (x) = x f 1 (x) 2 1 f(x) dx existiert f 2 (x) 1 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 1 1 x 1 1 x 191

17 Sätze zu bestimmten Integrlen Mthemtik Stefn Etschberger Gegeben: Integrierbre Funktionen f, g : [, b] R. Dnn gilt: ) cf(x) dx = c f(x) dx b) f(x) g(x) für lle x [, b] für lle c R f(x) dx g(x) dx 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik c) f(x) dx = c f(x) dx + c f(x) dx für lle c (, b) 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle Definiert wird ußerdem: f(x) dx = 0, f(x) dx = b f(x) dx 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 192

18 Zusmmenhng bestimmtes und unbestimmtes Integrl Mthemtik Stefn Etschberger Zusmmenhng Gegeben f : D R, D R eine in D stetige Funktion. Dnn existiert eine Stmmfunktion F von f mit F (x) = f(x) 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr sowie ds unbestimmte Integrl f(x)dx = F(x) + c 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik und ds bestimmte Integrl Unterschiede f(x) dx = F(b) F() 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle Bestimmtes Integrl entspricht einer reellen Zhl Unbestimmtes Integrl entspricht Schr von Funktionen 193

19 Integrtionsregeln Mthemtik Stefn Etschberger ) Für integrierbre Funktionen f, g : [, b] R gilt die Additionsregel (f(x) + g(x)) dx = f(x) dx + g(x) dx. b) Für stetig differenzierbre Funktionen f, g : [, b] R gilt die Regel der prtiellen Integrtion f(x)g (x) dx = f(x)g(x) b f (x)g(x) dx c) Ist f : [α, β] R integrierbr mit der Stmmfunktion F und g : [, b] R mit g[, b] [α, β] stetig differenzierbr, so gilt die Substitutionsregel f(g(x)) g (x) dx = F(g(x)) b = F(g(b)) F(g()) = g(b) g() f(y) dy. 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 194

20 Grenzen bei ± Mthemtik Stefn Etschberger Die reelle Funktion f sei für lle x R definiert und integrierbr. Dnn heißt der Grenzwert lim f(x) dx, flls er existiert, ds konvergente b uneigentliche Integrl von f im Intervll [, ), und mn schreibt lim f(x) dx = f(x) dx. b Andernflls spricht mn von einem divergenten uneigentlichen Integrl. Entsprechend definiert mn ds konvergente uneigentliche Integrl von f im Intervll (, b], flls folgender Grenzwert existiert: lim f(x) dx = f(x) dx Sind beide Integrle f(x) dx und f(x) dx konvergent, so existiert uch f(x) dx = f(x) dx + f(x) dx. 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 195

21 Beliebige Grenzen Mthemtik Stefn Etschberger Geg.: Reelle Funktion f : [, b) R, die für lle x [, b ɛ] mit ɛ (0, b ) integrierbr. Dnn heißt Grenzwert lim b ɛ ɛ 0 f(x) dx (flls er existiert) konvergentes uneigentliches Integrl von f im Intervll [, b]. Schreibweise: ɛ lim f(x) dx = f(x) dx. ɛ 0 Andernflls: Divergentes uneigentliches Integrl Anlog für lle x [ + ɛ, b] mit ɛ (0, b ), konvergentes uneigentliches Integrl von f in [, b], mit lim f(x) dx = ɛ 0 +ɛ f(x) dx. Ist f in (, b) definiert und sind für c (, b) die uneigentlichen Integrle c f(x) dx und c f(x) dx konvergent, dnn ist uch folgendes Integrl konvergent: c f(x) dx = f(x) dx + f(x) dx c 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 196

22 Prmeterintegrl: Stz Mthemtik Stefn Etschberger f(x 1, x 2 ) f(x 1, b 2 ) f(b 1, x 2 ) 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 0 F x 1 (b 2 ) F 2 (b 1 ) 2 b x 2 b Finnzmthemtik Ist die Funktion f : [ 1, b 1 ] [ 2, b 2 ] R stetig, so ist uch 1 F 1 : [ 2, b 2 ] R mit F 1 (x 2 ) = f(x 1, x 2 ) dx 1 und 1 F 2 : [ 1, b 1 ] R mit F 2 (x 1 ) = 2 2 f(x 1, x 2 ) dx 2 stetig. 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 197

23 Vertuschung: Intergrtion und Differentition Mthemtik Stefn Etschberger Gegeben: stetige Funktion f : [ 1, b 1 ] [ 2, b 2 ] R und f ist nch beiden Vriblen stetig prtiell differenzierbr. Dnn sind die Funktionen F 1, F 2 mit 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr F 1 (x 2 ) = 1 1 f(x 1, x 2 ) dx 1 und F 2 (x 1 ) = stetig differenzierbr, und es gilt: df 1 = d 1 f(x 1, x 2 ) dx 1 = dx 2 dx 2 1 df 2 = d dx 1 dx f(x 1, x 2 ) dx 2 = f(x 1, x 2 ) dx 2 f(x 1, x 2 ) dx 1 1 x f(x 1, x 2 ) x 1 dx 2 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle Also: Differentition und Integrtion können vertuscht werden. 198

24 Stz von Fubini Mthemtik Stefn Etschberger Die stetige Funktion f : [ 1, b 1 ] [ 2, b 2 ] R sei nch beiden Vriblen stetig prtiell differenzierbr. Dnn gilt: b 2 2 b 1 1 f(x 1, x 2 ) dx 1 dx 2 = b 1 1 b 2 2 f(x 1, x 2 ) dx 2 dx 1 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 199

25 Interprettion über Riemnnsche Summen Mthemtik Stefn Etschberger Existieren die Grenzwerte der unteren und oberen Schrnke von I nlog dem eindimensionlen Fll für n und sind sie identisch, so heißt die Funktion f : [ 1, b 1 ] [ 2, b 2 ] R in ihrem Definitionsbereich integrierbr. Ist f stetig und stetig prtiell differenzierbr, so gilt I = b 2 2 b 1 1 f(x 1, x 2 ) dx 1 dx 2 = b 1 1 b 2 2 f(x 1, x 2 ) dx 2 dx 1. Mn bezeichnet ds Doppelintegrl I ls ds bestimmte Integrl von f im Bereich [ 1, b 1 ] [ 2, b 2 ], ferner x 1, x 2 ls Integrtionsvrible, f(x 1, x 2 ) ls Integrnd und 1, b 1, 2, b 2 ls Integrtionsgrenzen 1. Aussgenlogik 2. Linere Algebr 3. Linere Progrmme 5. Finnzmthemtik 9. Integrtion 1. Unbestimmte Integrle 2. Bestimmte Integrle 3. Uneigentliche Integrle 4. Mehrdimensionle Integrle 200