Analysis III. Vorlesung 72. Korollar Es sei (M,A,µ) ein σ-endlicher Maßraum und v: M R n eine messbare Abbildung. Dann ist die Abbildung

Ähnliche Dokumente
Analysis III. Vorlesung 69. Integrierbare Funktionen

Mathematik III. Vorlesung 74. Folgerungen aus dem Satz von Fubini. (( 1 3 x3 1 2 x2 y +2y 3 x) 1 2)dy. ( y +2y y +4y3 )dy

Mathematik III. Vorlesung 68. Das Verhalten von Maßen bei linearen Abbildungen

Lösung zu den Übungsaufgaben zur Lebesgueschen Integrationstheorie. Tobias Ried

Analysis IV. Gruppenübungen

Mathematik III. Vorlesung 71

Mathematik für Anwender II

46 Der Satz von Fubini

Mathematik für Anwender II

9. Übung zur Maß- und Integrationstheorie, Lösungsskizze Aufgaben

8 Beispiele von Koordinatentransformationen

2.6 Der Satz von Fubini

Analysis III. Vorlesung 61

Ferienkurs in Maß- und Integrationstheorie

Mathematik III. Prof. Dr. H. Brenner Osnabrück WS 2010/2011. Vorlesung 62 In diesem Kurs beschäftigen wir uns mit dem

Analysis 3 - Klausur - Lösung

Lösungen zu Übungsblatt 9

Aufgaben zu Kapitel 0

Maße auf Produkträumen

A. Maß- und Integrationstheorie

Analysis I. Vorlesung 21. Die Zahl π

Abbildung 10.1: Das Bild zu Beispiel 10.1

6 Integration auf Untermannigfaltigkeiten

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Das Volumen und die Oberfläche einer n-dimensionalen Kugel

Repetitorium Analysis II für Physiker

Seite 1. sin 2 x dx. b) Berechnen Sie das Integral. e (t s)2 ds. (Nur Leibniz-Formel) c) Differenzieren Sie die Funktion f(t) = t. d dx ln(x + x3 ) dx

Flächeninhalt, Volumen und Integral

(u, v) z(u, v) u Φ(u, v) (v = const.) Parameterlinie v = const. v Φ(u, v) (u = const.) Parameterlinie u = const.

Lineare Algebra und analytische Geometrie II

Mathematik III. Produkt-Präringe

10 Untermannigfaltigkeiten

Analysis II. Vorlesung 52. Diffeomorphismen

Klausur zur Analysis I WS 01/02

Analysis I. 1. Beispielklausur mit Lösungen

1 falls x 2. falls x = 1 und. 0 falls x > 1. eine Lebesgue-integrierbare Majorante. Somit können wir den Satz von Lebesgue anwenden:

Körper- und Galoistheorie

Parametrisierung und Integralsätze

Lehrstuhl IV Stochastik & Analysis. Stochastik II. Wahrscheinlichkeitstheorie I. Skriptum nach einer Vorlesung von Hans-Peter Scheffler

Übungen zu Doppel- und Dreifachintegralen Lösungen zu Übung 15

Serie 5. Figure 1: 1.a)

Scheinklausur zur Vorlesung Stochastik II

Meßbare Funktionen. Die angemessenen Abbildungen zwischen Meßräumen sind die meßbaren Funktionen.

Übungen Analysis I WS 03/04

Mathematik für Anwender I

D-ERDW, D-HEST, D-USYS Mathematik II FS 15 Dr. Ana Cannas. Serie 9: Satz von Stokes und Divergenzsatz

Das mehrdimensionale Riemann-Integral. 1. Volumenintegrale

Mathematik III. Vorlesung 61. Abzählbare Mengen

Mathematik I. Vorlesung 24. Reihen

Analog ist ein Bereich D in R 3 ein Normalbereich, wenn er von der Form. ist, wobei die Rollen der Koordinaten x, y, z vertauscht sein können.

4 Absolutstetige Verteilungen und Zufallsvariablen 215/1

Analysis II. Vorlesung 44. Partielle Ableitungen

Reelle Zufallsvariablen

DWT 1.4 Rechnen mit kontinuierlichen Zufallsvariablen 234/467 Ernst W. Mayr

Analysis I. 2. Beispielklausur mit Lösungen

1 Umkehrfunktionen und implizite Funktionen

Mathematik II: Übungsblatt 01: Lösungen

Serie 6. x 2 + y 2, 0 z 4.

Universität Ulm Abgabe: Mittwoch,

Ist C eine Kurve mit Anfangspunkt a und Endpunkt b und f eine stetig differenzierbare Funktion, grad f( r ) d r = f( b) f( a).

4.1. Vektorräume und lineare Abbildungen

Normalbereiche in R 2 sehen wie folgt aus: Analog ist ein Bereich D in R 3 ein Normalbereich, wenn er von der Form

Mathematische Grundlagen für die Vorlesung. Differentialgeometrie

Analysis I. Vorlesung 13. Der Zwischenwertsatz

Mathematik I. Vorlesung 11. Lineare Unabhängigkeit

Mathematik III. Vorlesung 76. Das Konzept einer Mannigfaltigkeit

Fachbereich Mathematik/Informatik 16. Juni 2012 Prof. Dr. H. Brenner. Mathematik für Anwender II. Testklausur mit Lösungen

1 Das Prinzip von Cavalieri

Analysis II. Vorlesung 47

12. Übungsblatt zur Analysis II

I Grundbegriffe 1 1 Wahrscheinlichkeitsräume Bedingte Wahrscheinlichkeiten und Unabhängigkeit Reellwertige Zufallsvariablen...

Lösungsvorschläge für das 5. Übungsblatt

Lernstraße zum Thema geometrische Körper. Vorbemerkungen. Liebe 10 a, nun sämtliche Arbeitsblätter; aufgrund einer Erkrankung

Kapitel 16 SATZ VON FUBINI UND DIE TRANSFORMATIONSFORMEL

I Grundbegriffe 1 1 Wahrscheinlichkeitsräume Bedingte Wahrscheinlichkeiten und Unabhängigkeit Reellwertige Zufallsvariablen...

Klausur zur Vorlesung Stochastik II

Mathematik für Anwender II

Vorkurs Mathematik. Vorlesung 8. Angeordnete Körper

Einführung in die Algebra

Mathematik I. Vorlesung 27. Differenzierbare Funktionen. In diesem Abschnitt betrachten wir Funktionen f :D K, wobei D K eine offene Menge in K ist.

Lösungsvorschlag zur Übungsklausur zur Analysis I

Teil IV : Integration über Untermannigfaltigkeiten. 9 Untermannigfaltigkeiten von R n

Spektraltheorie. 2. Übungsblatt - Lösungsvorschläge. (Elementare Aussagen über Spektrum & Resolventenfunktion)

1. Aufgabe Auf dem Bildschirm eines Oszillographen durchlaufe ein Elektronenstrahl eine Bahn mit dem zeitabhängigen Ortsvektor

Mathematik I. Zusammenhängende Räume

Mathematik für Anwender I

2 Allgemeine Integrationstheorie

Implizite Funktionen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fakultät für Mathematik. Wiederholungsklausur Mathematik 4 für Physiker (Analysis 3)

Einführung in die mathematische Logik

2. Integration. {x : f(x) <a+ 1 n }

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Vektoranalysis Orientierte Flächenintegrale, Satz von Gauß, Satz von Stokes

Satz von Gauß. Satz von Gauß 1-1

Mathematik für Anwender II

Mathematik I. Vorlesung 16. Eigentheorie

Serie 2 Lösungsvorschläge

Lineare Algebra und analytische Geometrie II

Mathematik für Anwender II

Lineare Algebra II 8. Übungsblatt

Transkript:

Prof. Dr. H. Brenner Osnabrück WS 15/16 Analysis III Vorlesung 7 Korollar 7.1. Es sei (,A,µ) ein σ-endlicher aßraum und v: R n eine messbare Abbildung. Dann ist die Abbildung bijektiv und maßtreu. ϕ v : R n R n, (x,y) (x,y +v(x)), Beweis. Die Abbildung ϕ v ist messbar nach Lemma 64.11 und nach Lemma 68.3. Sie ist ferner bijektiv, die Umkehrabbildung ist ϕ v. Sei T messbar. Wir müssen zeigen. Für x ist (µ λ n )(T) = (µ λ n )(ϕ 1 v (T)) (ϕ 1 v (T))(x) = { y R n (x,y) ϕ 1 v (T) } = {y R n (x,y +v(x)) T}. Aufgrund der Translationsinvarianz des Borel-Lebesgue-aßes besitzt diese enge das gleiche aß wie {y +v(x) R n (x,y +v(x)) T} = {z R n (x,z) T} = T(x). Aufgrund der Integrationsversion des Cavalieri-Prinzips gilt also (µ λ n )(T) = λ n (T(x))dµ(x) = λ n(( ϕ 1 v (T) ) (x) ) dµ(x) = (µ λ n ) ( ϕ 1 v (T) ). 1

Einige Volumina Definition 7.. Zu einer Teilmenge T R R nennt man { (x,y cos α,y sin α) R 3 (x,y) T, α [,π] } die zugehörige Rotationsmenge (um die x-achse). Satz 7.3. Es sei f: [a,b] R, t f(t), eine nichtnegative messbare Funktion und sei K R 3 der Rotationskörper zum Subgraphen von f um die x-achse. Dann besitzt K das Volumen b λ 3 (K) = π (f(t)) dλ(t) = π (f(t)) dt, [a,b] wobei für die zweite Formel f als stetig vorausgesetzt sei. Beweis. ach dem Cavalieri-Prinzip und nach der Formel für den Flächeninhalt des Kreises ist (λ λ )(K) = λ (K(t))dλ(t) = π (f(t)) dλ(t). [a,b] [a,b] Für stetiges f ist dies nach Satz 7.5 gleich π b a (f(t)) dt. Den Oberflächeninhalt eines Rotationskörpers zu einer (differenzierbaren) Funktion werden wir in Satz 85.5 berechnen. a

Beispiel 7.4. Wir wollen das Volumen einer n-dimensionalen abgeschlossenen Kugel vom Radius r berechnen, also von B n (r) = {x R n x r}. Wegen Satz 67. gilt dabei λ n (B n (r)) = r n λ n (B n (1)), d.h. es geht im Wesentlichen darum, das Volumen der Einheitskugel auszurechnen. Ihr Volumen bezeichnen wir mit β n = λ n (B n ), zur Berechnung gehen wir induktiv vor (es ist β 1 = ). Wir betrachten B n R n 1 R. Für jedes fixierte h, 1 h 1, kann man den Querschnitt als B n (h) = { (x 1,...,x n 1 ) R n 1 (x 1,...,x n 1,h) B n } = { (x 1,...,x n 1 ) R n 1 x 1 + +x n 1 +h 1 } = { (x 1,...,x n 1 ) R n 1 x 1 + +x n 1 1 h } = B n 1 (, 1 h ) schreiben, d.h. als eine (n 1)-dimensionale Kugel vom Radius 1 h. Aufgrund des Cavalieri-Prinzips ist daher 1 β n = λ n (B n (1)) = ( λ n 1 λ 1) (B n (1)) = λ (B n 1 n 1 ( ) 1 h ) dλ 1 [ 1,1] ( ) n 1λ = 1 h n 1 (B n 1 (1)) dλ 1 [ 1,1] ( ) n 1 = λ n 1 (B n 1 (1)) 1 h dλ 1 [ 1,1] ( ) n 1 = β n 1 1 h dλ 1. [ 1,1] Dabei können wir das Integral rechts wegen Satz 7.5 und Korollar 4.7 über Stammfunktionen ausrechnen. Die Substitution h = sin t liefert 1 ( n 1 π π 1 h ) dh = cos n t dt = sin n t dt. π Im Beweis zu Korollar 5.4 wurden diese Integrale berechnet; mit a n = π sin n t dt gilt a n = { (n 1)(n 3) 3 1 n(n ) 4 (n 1)(n 3) 4 n(n ) 5 3 π bei n gerade, bei n ungerade. it diesen Formeln und der Rekursionsvorschrift β n = β n 1 a n kann man schließlich mit Hilfe der Fakultätsfunktion das Kugelvolumen als β n = π n/ Fak(n/) 3

4 schreiben. Diese Formel ergibt sich durch Induktion aus Satz 3.3. Speziell ergibt sich für die Fläche des Einheitskreises der Wert π, für das Volumen der Einheitskugel der Wert 4 π und für das vierdimensionale Volumen 3 der vierdimensionalen Standardkugel der Wert π. Definition 7.5. Es sei B R n = R n und P R n+1 ein Punkt. Dann nennt man die enge K B = {P +t(q P) Q B, t [,1]} den Kegel zur Basis B mit der Spitze P. Satz 7.6. Es sei B R n messbar, P R n+1 ein Punkt und K B der zugehörige Kegel. Es sei h = P n+1 die letzte Koordinate von P. Dann ist K B ebenfalls messbar, und es gilt λ n+1 (K B ) = 1 n+1 λn (B) h. Beweis. Bei h = liegt der gesamte Kegel in R n und sein λ n+1 -aß ist nach Lemma 66.11, sei also h. Der Durchschnitt von K = K B mit der durch x n+1 = t, t zwischen und h, gegebenen Hyperebene ist K(t) = {(x { 1,...,x n ) (x 1,...,x n,t) K B } = (x 1,...,x n ) (x 1,...,x n,t) = P + (h t) (Q P), Q B h Wegen der Translationsinvarianz und Korollar 67.3 ist dessen Volumen gleich n λ n (B). ach dem Cavalieri-Prinzip ist also (mit s = h t) h t h h λ n+1 (K B ) = λ n (K(s))ds h ( ) n s = λ n (B) ds h = λ n 1 h (B) h n s n ds = λ n 1 1 (B) h n n+1 h n+1 }.

5 = λ n (B) 1 n+1 h. Beispiel 7.7. Wir stellen eine falsche Berechnung der Kugeloberfläche an, die auf einem falsch interpretierten Cavalieri-Prinzip beruht. Wir betrachten die obere Einheitshalbkugel. Zu jeder Höhe h [,1] ist der Querschnitt der Kugeloberfläche mit der durch z = h definierten Ebene eine Kreislinie mit dem Radius 1 h. Der Kreisumfang eines solchen Kreises ist π 1 h. Wir wollen die Oberfläche der oberen Halbkugel berechnen, indem wir diese Umfänge über die Höhe aufintegrieren. Für die Kugeloberfläche würde sich dann (mit der Substitution h = sin s) A = = 4π = 4π 1 1 π π 1 h dh 1 h dh cos s ds = 4π 1 (s+ sin s cos s) π = π π = π. Der wahre Wert ist aber mit 4π deutlich größer. Der Satz von Fubini Es seien (,A,µ) und (,B,ν) zwei σ-endliche aßräume und sei f: R einemessbarefunktion.dersatzvonfubinibringtdasintegral f d(µ ν) mit dem Integral über der Funktion R, x f(x,y)dν(y), in Verbindung. Er erlaubt es, Integrale über einem höherdimensionalen Bereich auf eindimensionale Integrale zurückzuführen. Sein Beweis beruht auf dem Cavalieri-Prinzip, angewendet auf den Produktraum R, und ist prinzipiell nicht schwierig. Allerdings muss man bei einigen Details (ichtnegativität, Undefiniertheitsstellen, ullmengen) doch präzise sein, so dass wir einige vorbereitende Lemmata anführen. Eine Teilmenge Z eines aßraumes heißt ullmenge, wenn µ(z) = ist. Beispielsweise ist jede abzählbare enge in R n eine ullmenge. anchmal verwendet man diesen Begriff auch für nicht notwendigerweise messbare

6 Teilmengen Z, für die es eine messbare enge Z Z gibt mit µ(z ) =. Für eine Eigenschaft E, die für die Punkte eines aßraumes erklärt ist, sagt man, dass die Eigenschaft fast überall gilt, wenn die Ausnahmemenge {x E(x) gilt nicht} eine ullmenge ist. Insbesondere spricht man von fast überall definierten Funktionen. Da es bei Integralen nicht auf ullmengen des Definitionsbereiches ankommt, kann man häufig solche kleinen Undefiniertheitsstellen ignorieren. Lemma 7.8. Es seien (,A,µ) und (,B,ν) zwei σ-endliche aßräume und sei f: R eine nichtnegative messbare Funktion. Dann gelten folgende Aussagen. (1) Für jedes x sind die Funktionen R, y f(x,y), und für jedes y sind die Funktionen R, x f(x,y), messbar. () Die Funktion R, y und die Funktion R, x sind messbar. (3) Es gilt f d(µ ν) = = ( ( f(x,y)dµ(x), f(x,y)dν(y), ) f(x,y)dν(y) dµ(x) ) f(x,y)dµ(x) dν(y). Beweis. (1) folgt direkt aus der essbarkeit der Inklusionen, x (x,y), für jedes y. () folgt aus Lemma 71.4 angewendet auf S(f) = ( R), da (S(f))(x) der Subgraph von f(x, ) und f(x, )dν = ν λ1 (S(f)(x)) ist. (3). ach Satz 71.5, angewendet auf das Produkt ( R), ist f d(µ ν) = ( µ ν λ 1) (S(f))

= = ( ) ν λ 1 ((S(f))(x)) dµ ( ) f(x,y)dν dµ. Da man die Rollen von und vertauschen kann, ergibt sich auch die andere Darstellung. Lemma 7.9. Es seien (,A,µ) und (,B,ν) zwei σ-endliche aßräume und sei f: R eine messbare Funktion. Dann ist f genau dann integrierbar, wenn ( ) ( ) f(x,y) dν(y) dµ(x) oder f(x,y) dµ(x) dν(y) endlich ist. Beweis. Die Integrierbarkeit von f ist nach Lemma 69.5 äquivalent zur Integrierbarkeit der Betragsfunktion, was die Endlichkeit von f d(µ ν) bedeutet. Die Aussage folgt daher aus Lemma 7.8. Wir kommen nun zum Satz von Fubini. Satz 7.1. Es seien (, A, µ) und (, B, ν) zwei σ-endliche aßräume und sei f: R eine integrierbare Funktion. Dann sind die beiden Funktionen R, x f(x,y)dν(y), und R, y f(x,y)dµ(x), fast überall reellwertig und fast überall integrierbar, und es gilt ( ) f d(µ ν) = f(x,y)dν(y) dµ(x) ( ) = f(x,y)dµ(x) dν(y) Beweis. ach Voraussetzung und nach Lemma 7.9 ist die Funktion x f(x,y) dν(y) integrierbar. Dies bedeutet insbesondere, dass das Integral f(x,y) dν(y) fast überall einen endlichen Wert hat, dass es also eine ullmenge Z gibt mit f(x,y) dν(y) < für x Z. Daher sind nach Lemma 69.5 für x Z die Integrale f(x,y)dν(y) definiert und endlich, und dies gilt ebenso für die positiven und negativen Teile f + (x,y) und f (x,y). 7

8 Da sich Integrale nicht ändern, wenn man im Integrationsgebiet eine ullmenge weglässt, und da Z eine ullmenge in der Produktmenge ist, kann man durch \Z ersetzen. Wir schreiben f d(µ ν) = (f + f )d(µ ν) = f + d(µ ν) f d(µ ν) und wenden auf die beiden Summanden Lemma 7.8 an, so dass dies gleich ( ) ( ) = f + (x,y)dν(y) dµ(x) f (x,y)dν(y) dµ(x) ( ) = (f + (x,y) f (x,y))dν(y) dµ(x) ( ) = f(x,y)dν(y) dµ(x) ist.

Abbildungsverzeichnis Quelle = Cavalieriho princip.svg, Autor = Benutzer Pajs auf cs Wikipedia, Lizenz = Public domain 1 Quelle = Integral apl rot objem3.svg, Autor = Benutzer Pajs auf cs Wikipedia, Lizenz = PD Quelle = Coneirr3.svg, Autor = Benutzer pfiz auf Commons, Lizenz = PD 4 9