6. Folgen und Grenzwerte

Ähnliche Dokumente
Numerisches Lösen von Gleichungen

Analysis I - Stetige Funktionen

Stetigkeit. Definitionen. Beispiele

Kapitel 3. Konvergenz von Folgen und Reihen

Ein Kennzeichen stetiger Funktionen ist es, dass ihre Graphen (evtl. auch nur in Intervallen) nicht. Knicke im Funktionsgraphen auftreten.

8.3 Lösen von Gleichungen mit dem Newton-Verfahren

Funktionsgrenzwerte, Stetigkeit

6 Iterationsverfahren für lineare und nichtlineare Gleichungssysteme

Nichtlineare Gleichungen

Mathematische Anwendersysteme Einführung in MuPAD

Kapitel 16 : Differentialrechnung

Mathematische Probleme lösen mit Maple

1 Praktische Ergebnisse zur n-periodizität und Attraktion

Numerisches Programmieren, Übungen

LAF Mathematik. Näherungsweises Berechnen von Nullstellen von Funktionen

von Intervallen, wie sie als Definitionsmengen von Funktionen auftreten können. 1 x Q f : R R ; x

Kapitel 6 Folgen und Stetigkeit

Newtonverfahren Die folgende Abbildung beschreibt das Newtonverfahren zur näherungsweisen Berechnung von Nullstellen:

Gleichungen höheren Grades

Stetigkeit von Funktionen

Folgen, Reihen, Grenzwerte u. Stetigkeit

Anwendungen der Differentialrechnung

Lösungshinweise zu den Hausaufgaben:

Nichtlineare Optimierung ohne Nebenbedingungen

B: 2 x = 7 logarithmiert zur Basis 10 nicht zu verwechseln mit lg( 7 / 2 ) = lg 7 - lg 2

Inhalt Kapitel I: Nichtlineare Gleichungssysteme

9.1 Eine Gleichung mit einer Unbekannten exakt lösen x Beispiel 1: Die Gleichung x 2 = 4 lösen. solve( x / (x 2) = 4, x ); 8 3

10. Grenzwerte von Funktionen, Stetigkeit, Differenzierbarkeit. Der bisher intuitiv verwendete Grenzwertbegriff soll im folgenden präzisiert werden.

Übungen Ingenieurmathematik

Der Abschluss D ist die Menge, die durch Hinzunahme der Intervallränder entsteht, in den obigen Beispielen also

Konvergenz einer Folge. 1-E1 Ma 1 Lubov Vassilevskaya

Übungsaufgaben zur Vorlesung ANALYSIS I (WS 12/13) Lösungsvorschlag Serie 12

1.2 Einfache Eigenschaften von Funktionen

Mathematik für Naturwissenschaftler I WS 2009/2010

Kapitel 8 Einführung der Integralrechnung über Flächenmaße

Unterricht 13: Wiederholung.

Stetige Funktionen. Definition. Seien (X, d) und (Y, ϱ) metrische Räume und f : X Y eine Abbildung. D(f) X sei der Definitionsbereich von f.

Kapitel 8: Graphische Darstellung von Funktionen in einer Variablen

Übungen zur Vorlesung Differential und Integralrechnung I Lösungsvorschlag

15 Hauptsätze über stetige Funktionen

Lösungen Klausur. k k (n + 1) n. für alle n N. Lösung: IA: Für n = 1 ist 1. k k + (n + 1) n+1. k k = k=1. k=1 kk = 1 1 = 1 2 = 2 1.

SBP Mathe Aufbaukurs 3. Imaginäre und komplexe Zahlen. Komplexe Zahlen in der Gaußschen Zahlenebene. Darstellungen komplexer Zahlen.

Iterative Lösung von nichtlinearen Gleichungen und Gleichungssystemen

5 Stetigkeit und Differenzierbarkeit

13. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

ε δ Definition der Stetigkeit.

2.3 Exponential- und Logarithmusfunktionen

2004, x 0 (e 2x + x) x 1, x > 0. Untersuchen Sie die Funktion auf Stetigkeit an der Stelle x 0 = 0!

Numerische Ableitung

Ergänzungen zur Analysis I

Beispiel. Gegeben sei die Folge (a n ) n N mit. a n := n 2 + 5n + 1 n. Es gilt. (n 2 + 5n + 1) n 2 = n2 + 5n + 1 n) n2 + 5n n, woraus folgt

Theorie und Praxis geometrischer Algorithmen

Lösungshinweise zu den Hausaufgaben:

Musterlösung zu Blatt 11, Aufgabe 1

Radizieren mit dem Heron-Verfahren

Mathematik am Computer 7. Vorlesung: Matlab, Teil II

5 Interpolation und Approximation

Brückenkurs Rechentechniken

Mathematik für Bauingenieure

Prof. Dr. Wolfgang Konen Mathematik 1, WS Warum Informatiker Funktionen brauchen

3 Nichtlineare Gleichungssysteme

2.6 Stetigkeit und Grenzwerte

2 Polynome und rationale Funktionen

f(x nk ) = lim y nk ) = lim Bemerkung 2.14 Der Satz stimmt nicht mehr, wenn D nicht abgeschlossen oder nicht beschränkt ist, wie man z.b.

Vorlesung Mathematik für Ingenieure (WS 11/12, SS 12, WS 12/13)

Stetigkeit. Kapitel 4. Stetigkeit. Peter Becker (H-BRS) Analysis Sommersemester / 543

Numerische Verfahren Übungen und Lösungen, Blatt 1

Aus meiner Skriptenreihe: "Keine Angst vor "

Funktionen. D. Horstmann: Oktober

Newton-Verfahren für ein Skalarfunktion

Thema 4 Limiten und Stetigkeit von Funktionen

Regula Falsi Die folgende Abbildung beschreibt das Näherungsverfahren regula falsi zur Berechnung von Nullstellen:

Mathematik für das Ingenieurstudium

NEXTLEVEL im WiSe 2011/12

Definition: Differenzierbare Funktionen

Mathematik II für Inf und WInf

11 Spezielle Funktionen und ihre Eigenschaften

Die Lösungen der Gleichung b x = log b (x)

18 Höhere Ableitungen und Taylorformel

11. Übungsblatt zur Mathematik I für Maschinenbau

Mathematik I Herbstsemester 2014

Analysis I für Studierende der Ingenieurwissenschaften

Lösungen zur Klausur A Grundkurs Mathematik für Wirtschaftswissenschaft

Differential- und Integralrechnung

Zusammenfassung zur Konvergenz von Folgen

Da der Nenner immer positiv ist, folgt. g (x) > 0 2x(2 x) > 0 0 < x < 2 g (x) < 0 2x(2 x) < 0 x < 0 oder x > 2

Höhere Mathematik 1 Übung 9

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler

Unendliche Potenzen. Thomas Peters Thomas Mathe-Seiten 7. August 2010

6.2 Die Regeln von de l Hospital. Ausgangsfrage: Wie berechnet man den Grenzwert. Beispiel: Sei f(x) = x 2 und g(x) = x. Dann gilt. lim.

MINT-Circle-Schülerakademie

Mathematik 3 für Informatik

5 DIFFERENZIALRECHNUNG EINFÜHRUNG

Beispiel: Bestimmung des Werts 3 2 ( 2 1, 4142) Es gilt 3 1,41 = 3 141/100 = , 707. Es gilt 3 1,42 = 3 142/100 = , 759.

Ausgleichsvorgänge in elektro-mechanischen Systemen mit Maple analysieren

Kapitel 5. Stetige Funktionen 5.1. Stetigkeit

Höhere Mathematik für Physiker II

Skript zur Analysis 1. Kapitel 3 Stetigkeit / Grenzwerte von Funktionen

lim Der Zwischenwertsatz besagt folgendes:

Kapitel 18 Numerisches Differenzieren und Integrieren

Transkript:

6. Folgen und Grenzwerte 6.1 Ermittlung von Grenzwerten Der Grenzwert einer Zahlenfolge a n berechnet man in Maple mit dem Befehl 6.1 limit(a(n), n=infinity); > a:=n-> 1+1/2ˆn: > Limit (a(n), n = infinity) = limit (a(n), n = infinity); lim 1+ 1 h 0 2 n =1 Wir stellen den Grenzwert zusammen mit einer ε-umgebung als Funktionsschaubild für die Folge (1 + 1 n )n graphisch dar. > a:=n-> (1 + 1/n)ˆn: > folge := [seq([n, a(n)], n = 1..100)]: > p1 := plot (folge, style=point): > n:= n : eps:=5*10ˆ(-2): > Grenzwert := limit (a(n), n=infinity); Grenzwert := e > p2 := plot ([Grenzwert-eps,Grenzwert,Grenzwert+eps], x = 0..100, 2..3): > with (plots): display ([p1, p2]); Abb. 6.1. Grenzwert der Folge (1 + 1 n )n Visualisierung mit Maple: Auf der Homepage befindet sich ein Maple-Worksheet, bei dem man selbst Folgen spezifizieren kann und diese Folgen dann - sofern sie einen Grenzwert besitzen - in Form einer Animation dargestellt werden. T. Westermann, Ingenieurmathematik kompakt mit Maple, DOI 10.1007/978-3-642-25053-8_7, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012

86 6. Folgen und Grenzwerte Beispiel 6.1 (Babylonisches Wurzelziehen, mit Maple-Worksheet): Die rekursiv definierte Folge a 0 = a, a n+1 = 1 ( a n + a ) 2 a n ist für jedes a>0 eine monoton fallende Folge, die gegen a konvergiert. > z:=2: #Aus dieser Zahl wird die Wurzel gezogen > n:=5: #Anzahl der Iterationen > > a:=z: > forifrom1ton > do > a:=1./2*(a+z/a); > print( Näherung für,sqrt(z) = a); > end do: Näherung für, 2=1.500000000 Näherung für, 2=1.416666666 Näherung für, 2=1.414215686 Näherung für, 2=1.414213562 Näherung für, 2=1.414213562 6.2 6.2 Graphische Darstellung von Funktionsfolgen In Maple kann man Funktionsfolgen anschaulich darstellen, indem sowohl die Folge (x n ) n als auch die Funktionsfolge (f (x n )) n in ein Schaubild gezeichnet werden. Zur graphischen Darstellung wählen f(x) =x 2 und als Folge x n = 2 1 n n 2. Gesucht ist der Funktionsgrenzwert lim f(x n): 2 n > f:=x-> xˆ2: > x:=n-> 2-1/nˆ2: > tabelle := n -> [ [x(n), 0], [x(n), f(x(n))], [0, f(x(n))] ]: > p1 := plot ([seq(tabelle(i), i = 1..10)], color = blue): > p2 := plot ([x, f(x), x = 0..2.1], x = 0..2.5, thickness = 2): > with (plots): display ([p1, p2]); Abb. 6.2. Linksseitiger Funktionsgrenzwert bei x 0 =2

6.3 Berechnung von Funktionsgrenzwerten 87 6.3 Berechnung von Funktionsgrenzwerten Mit Maple lassen sich rechts- und linksseitige Grenzwerte ebenfalls mit dem limit-befehl berechnen, wenn man zusätzlich die Option left oder right setzt: 6.3 Beispiel 6.2. sin (x) lim. x 0 x > f(x) := sin(x)/x: > limit (f(x), x = 0, right); 1 > Limit (f(x), x = 0) = limit (f(x), x = 0); e x 1 Beispiel 6.3. lim. x 0 x sin x lim x 0 x =1 > f(x) := (exp(x) - 1)/x: > Limit (f(x), x = 0) = limit (f(x), x = 0); e x 1 lim =1 x 0 x 6.4 Bisektionsverfahren Grundlage für eine einfache numerische Methode zur Bestimmung von Nullstellen einer Funktion bildet der anschauliche Satz: Jede stetige Funktion, die auf einem Intervall [a, b] einen Vorzeichenwechsel hat, besitzt in diesem Intervall eine Nullstelle (siehe Abb. 6.3): 6.4 Abb. 6.3. Intervallhalbierungs-Methode Die Idee des numerischen Algorithmus besteht darin, dass man zu gegebenem Intervall [a, b] die Intervallmitte m bestimmt und die Funktionswerte f(a), f(m), f(b) miteinander vergleicht: Man ersetzt den Intervallrand durch m, dessen Funktionswert dasselbe Vorzeichen wie f(m) besitzt. Anschließend wiederholt man

88 6. Folgen und Grenzwerte die Vorgehensweise auf dem halbierten Intervall usw. Da man ständig die Intervalllänge halbiert, nennt man das Verfahren auch Intervallhalbierungs- Methode. Umsetzung mit Maple. Bei der Realisierung der Intervallhalbierungs-Methode mit Maple wird der Algorithmus direkt übernommen. > bise := proc() > localiter,x1,x2,x3,f1,f2,f3,delta,f,func,x; > > func := args[1]: x := op(1, args[2]); > f := unapply (func, x): > x1 := op(1, op(2, args[2])); > x2 := op(2, op(2, args[2])); > f1 := f(x1): f2 := f(x2): > > iter := 0: delta := 1e-4: > while x2 - x1 > delta > do iter := iter + 1: > x3 := (x2 + x1)/2.: f3 := f(x3): > if (evalf (f3 * f2) <= 0)thenx1:=x3: f1:=f3: > else x2 := x3: f2 := f3: > fi; > lprint ( [, x1,,, x2, ] ): > end do; > print ( Die Nullstelle liegt nach, iter; Iterationen bei xi =, x3); > end: Der Aufruf der Prozedur bise erfolgt wie der plot-aufruf für einen Ausdruck. > bise (xˆ3 - sqrt(xˆ2 + 1), x = 1..2); [ 1., 1.500000000 ] [ 1., 1.250000000 ] [ 1.125000000, 1.250000000 ] [ 1.125000000, 1.187500000 ] [ 1.125000000, 1.156250000 ] [ 1.140625000, 1.156250000 ] [ 1.148437500, 1.156250000 ] [ 1.148437500, 1.152343750 ] [ 1.150390625, 1.152343750 ] [ 1.150390625, 1.151367188 ] [ 1.150878907, 1.151367188 ] [ 1.150878907, 1.151123048 ] [ 1.150878907, 1.151000978 ] Die Nullstelle liegt nach, 13, Iterationen bei xi =, 1.150939943

6.5 Zusammenstellung der Maple-Befehle 89 Visualisierung mit Maple: Auf der Homepage befindet sich eine erweiterte Maple-Prozedur, bise ext, die den Konvergenzprozess in Form einer Animation visualisiert. Darüber hinaus gibt es auf der Homepage ein eigenes Kapitel über das numerische Lösen von Gleichungen. 6.5 Zusammenstellung der MAPLE-Befehle 6.5 Grenzwertbildung mit Maple a:=n-> 1/n Definition der Folge a n = 1 n. limit(a(n), n=infinity) Berechnung des Grenzwertes lim n a n. Limit(a(n), n=infinity) Symbolische Darstellung des Grenzwertes. limit(f(x), x=x0) Berechnung des Grenzwertes lim x x0 f(x). Limit(f(x), x=x0) Symbolische Darstellung des Grenzwertes. MAPLE-Worksheets zu Kapitel 6 Die folgenden elektronischen Arbeitsblätter stehen für Kapitel 6 mit Maple zur Verfügung. Zahlenfolgen Babylonisches Wurzelziehen Funktionsfolgen Bisektionsmethode

http://www.springer.com/978-3-642-25052-1