Analysis I

Analysis I

Analysis I


A. NB.
Diese Lernkarten decken grundlegende Konzepte der Analysis auf Universitätsniveau ab. Sie konzentrieren sich auf Funktionen, Zahlenfolgen, Potenzreihen, Kurven und ihre Eigenschaften wie Krümmung, Tangenten und Evoluten. Zudem werden wichtige Sätze wie der Mittelwertsatz, der Satz von Rolle und der Nullstellensatz behandelt. Die Karteikarten sind ideal für Studierende der Mathematik, die ihre Kenntnisse in Analysis vertiefen und verstehen möchten, wie Funktionen und Folgen analysiert und berechnet werden.
Karten
121
Lernende
1
Sprache
Deutsch
Kategorie
Mathematik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
12.01.2023 / 22.02.2023

Cartes-fiches

Was ist der Konvergenzbereich? (Achtung: =/= Konvergenzradius)

  • Menge aller x, für welche die dazugehörige Potenzreihe konvergiert, inkl. Präzisierung der Grenzen (siehe unten)
  • d.h. nach dem Berechnen des Konvergenzradius, \(\pm\rho\) überprüfen, und die Klammern entsprechend anpassen:
    • anfänglich K.bereich = \(x \in (-\rho,\rho)\)
    • \(\pm\rho\) überprüfen
    • falls e.g. \(-\rho\) konvergiert und \(\rho\) divergiert dann ist der K.bereich bzw. K.intervall: \(x \in [-\rho,\rho)\)
    • falls e.g. \(\pm\rho\) konvergieren ist der K.bereich bzw. K.intervall: \(x \in [-\rho,\rho]\)

Was ist der Konvergenzradius? (Achtung: =/= Konvergenzbereich)

  • eindeutig bestimmte Zahl \(\rho \in [0,\infty]\), sodass Potenzreihe konvergiert für alle \(x \in (-\rho,\rho)\) konvergiert und für alle \(x \notin [-\rho,\rho]\) divergiert
  • für \(\pm\rho\) muss separat geprüft werden, indem diese in die Potenzreihe eingesetzt werden und analysiert, ob diese konvergiert oder divergiert

Funktion: \(\frac{1}{1-x}\) (Geometrische Reihe)

Potenzreihe der Geometrischen Reihe, inkl. Def.bereich?

Dazugehörige Funktion?

Potenzreihe: \(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty x^k\)

  • Def.bereich: \(\forall x \in (-1,1)\)

Bem.: Aufgeleitet gibt es die Potenzreihe von \(ln(|1-x|) = -\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{ x^k}{k}\)

Darf man Potenzreihen integrieren oder ableiten? (ohne Formel)

Ja, innerhalb des Konvergenzbereichs können wir Potenzreihen (die denselben Entwicklungspunkt haben) genau wie Polynome addieren und multiplizieren, und gliedweise differenzieren und integrieren.

Ausserdem gilt für eine Potenzreihe \(P(x) = \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} a_n*x^n\) mit Konvergenzradius ρ, dass die Funktion P(x) auf (−ρ, ρ) differenzierbar und integrierbar ist.

Der Konvergenzradius der abgeleiteten/integrierten Potenzreihen ist der Konvergenzradius ρ der ursprünglichen Reihe. 

 

Wie wird der Konvergenzradius bei Potenzreihen berechnet?

Es gibt 2 Formeln. Je nach der Form der Reihe, ist die eine oder andere Formel hilfreicher:

\(\rho = \lim\limits_{n \to \infty} |\left(\frac{a_n}{a_{n+1}}\right)|\)

oder

\(\rho = \lim\limits_{n \to \infty} \sqrt[n]{ |\left(\frac{1}{a_n}\right)|} = \lim\limits_{n \to \infty} \left(\frac{1}{\sqrt[n]{|a_n|}}\right)\)

 

Funktion =  \(e^x\)

Potenzreihe? Def.bereich?

Geometrische Reihe: \(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{ x^k}{k!}, x\in\mathbb{R}\)

Dazugehörige Funktion?

Bei der Taylorreihe/Beim Taylorpolynom, wie rechne ich den Restglied aus und welche Bedeutung trägt es?

= wie 'gut' ist die Approximation = Differenz zwischen 'ursprünglichen' Funktion und Taylorpolynom/-reihe

\(R_n(x) := f(x) - T_n(x)\)

\(R_n(x) := \frac{f^{n+1}(\xi) }{(n+1)!}*(x-x_0)^{n+1},\quad\xi\in(0,x),\quad x\in\mathbb{R}\)

  • Als nächstes lässt man n gegen unendlich laufen, und schaut, was passiert (e.g. ist der Limes des Restgliedes der e^x Potenzreihe 0, also ist der Restglied =0)
  • Einige wichtige Funktionen stimmen mit der Taylorreihe überein bei \(\lim\limits_{n \to \infty}R_n(x) =0\)
  • \(R_n(x)\) hat die gleiche Form wie der letzte Summand vom Taylorpolynom für n+1
    • da aber x_0 beim letzten Summand nicht der gleiche ist wie bei den restlichen, verwendet man xi
    • xi ist unbekannt
  • Ableitungen sind wichtige Werkzeuge für Approximationen

Wie bestimme ich die Symmetrie bei Funktionen?

Um das Symmetrieverhalten zu bestimmen, f(-x) anschauen:

  • Die Funktion ist achsensymmetrisch zur y-Achse, wenn f(-x) = f(x)
    Beispiel mit f(x) = x²:     f(-x) = (-x)² = x² = f(x)
  • Die Funktion ist punktsymmetrisch zum Ursprung, wenn f(-x) = -f(x)
    Beispiel mit f(x) = x³:      f(-x) = (-x)³ = -x³ = -f(x)     

Was ist die Hyperbolische Sinusfunktion?

\(x\mapsto\sinh(x) = \frac{e^x-e^{-x}}{2}, D = \mathbb{R}, W = \mathbb{R}\)

 

  • Ist eine Funktion, welche mit der Exponentialfunktion beschrieben wird
  • Eigenschaften:
    • streng monoton steigend
    • Wendepunkt bei \(x=0\), keine Extrema
    • Punktsymmetrisch zum Ursprung
    • Nullstelle bei \(x=0\)

!!!Wie bestimme ich die Symmetrie bei Parametrisierten Kurven?

TBD

Was ist die Hyperbolische Kosinusfunktion?

\(x\mapsto\cosh(x) = \frac{e^x+e^{-x}}{2}, D = \mathbb{R}, W = [1,\infty) \)

 

  • Ist eine Funktion, welche mit der Exponentialfunktion beschrieben wird
  • wird auch Kettenlinie, Katenoide oder Kettenkurve genannt
  • Eigenschaften:
    • streng monoton steigend \(\forall x \geq 0\), streng monoton fallend \(\forall x \leq 0\)\(\forall\)
    • Scheitelpunkt bei \(x = 0\), 1 Extrema
    • Achsensymmetrisch zur y-Achse bei \(x = 0\)
    • keine Nullstellen

Was ist eine Taylorreihe und welche Funktion/welchen Ziel hat es?

Wie lautet die Folge \(a_k\)?

Die Taylorreihe ist die Potenzreihe des Taylorpolynoms, d.h. bei \(n \rightarrow \infty, x_0 = Entwicklungsstelle\)

\(T(x) = T(x,x_0):=\displaystyle\sum_{k=0}^\infty \frac{f^{k}(x_0) }{k!}*(x-x_0)^k\)

Analog zum Taylorpolynom, ist es ein 'Werkzeug' um 'weniger einfachere' Funktionen mit einfacheren Funktionen (Polynome, welche der Taschenrechner addieren und multiplizieren kann) zu approximieren. Wie gut eine Approximation ist, hängt davon ab, wie viele Ableitungen jeweils mit der Funktion übereinstimmen.

 

Die Folge lautet:

\(a_k = \frac{f^{k}(x_0) }{k!}\)

Definition & Allgemeine Formel für Potenzreihen

Unter einer Potenzreihe versteht man eine Reihe der Form

\(\displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} a_k*(x-x_0)^k\)

Hierbei ist {ak} eine Folge von reellen Koeffizienten, die feste Zahl x0 heisst der Entwicklungspunkt

 

Bem.:

Substitution mit t = x − x0:
\(\displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} a_k*t^k\)

 

 

Wie sieht die abgleitete u/o integrierte Form einer Potenzreihe aus?

Für \(P(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n*x^n\)

Differentiation:

\(P'(x) = \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} (a_n*x^n)' = \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} n*a_n*x^{n-1} = \displaystyle\sum_{k=0}^{\infty} (k+1)*a_{k+1}*x^k\)

Integration:

\(\int \mathrm{P(x)}\mathrm{d}x ={\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \int\mathrm a_n*x^n }\,\mathrm{d}x = \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} a_n*\frac{x^{n+1}}{n+1} + C = \displaystyle\sum_{k=1}^{\infty} a_{k-1}*\frac{x^k}{k} + C\)

 

Hinweis:

  • In der Regel, verschiebt sich der Index unter der Summe um +1 beim Ableiten und -1 beim Integrieren
  • Die letzten Schritte der Formeln sind Resultat einer Indexverschiebung \((k = n \pm 1)\)

Was ist die Hyperbolische Tangensfunktion und welche Eigenschaften hat es?

\(x\mapsto\tanh(x) = \frac{\sinh(x)}{\cosh(x)} = \frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}, D = \mathbb{R}, W = (1,-1) \)

  • Ist eine Funktion, welche mit der Exponentialfunktion beschrieben wird
  • Eigenschaften:
    • streng monoton steigend
    • Wendepunkt und Nullstellen bei \(x = 0\)
    • Punktsymmetrisch zum Ursprung bei \(x = 0\)
    • 2 Asymptoten bei \(f(x) = \pm1\)

Was ist ein Taylorpolynom und welche Funktion/welchen Ziel hat es?

Wie lautet die Folge \(a_k\) ?

≈ Approximation an einer Funktion durch ein Polynom n. Grades

Es ist ein 'Werkzeug' um 'weniger einfachere' Funktionen mit einfacheren Funktionen (Polynome, welche der Taschenrechner addieren und multiplizieren kann) zu approximieren. Wie gut eine Approximation ist, hängt davon ab, wie viele Ableitungen jeweils mit der Funktion übereinstimmen.

Sei f eine Funktion und x_0 die Entwicklungstelle/der Entwicklungspunkt:

\(T_n(x) := f(x_0) + f'(x_0) * \frac{(x-x_0)^1}{1!} + f''(x_0) * \frac{(x-x_0)^2}{2!} + ...+ f^{n}(x_0) * \frac{(x-x_0)^n}{n!} = \displaystyle\sum_{k=0}^n \frac{f^{n}(x_0) }{n!}*(x-x_0)^n\)

Das ist das n-te Taylorpolynom von f an der Entwicklungsstelle x_0. 

Die Folge lautet:

\(a_k = \frac{f^{k}(x_0) }{k!}\)

Funktion: ln(|1+x|)

Def.bereich? Dazugehörige Potenzreihe?

\(\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{ (-1)^{k-1}}{k}*x^k, x\in(-1,1]\)

 

Dazugehörige Funktion?

Wie stelle ich eine Potenzreihe mit gegebener Funktion auf?

 

  • Funktion soweit umformen, dass diese wie einer der bekannten Standard-Potenzreihen aussieht; Potenzreihe nehmen und anpassen
  • Dazu gehört auch die Ab- und Aufleitung der Potenzreihe
  • Alternativ Taylorpolynom aufstellen und Approx.-Fehlerbestimmen
  • Wichtig zu beachten ist der Index unter dem Sigma

Funktion: sinh(x)

Dazugehörige Potenzreihe? Def.bereich?

\(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{ 1}{(2k+1)!}*x^{2k+1}, x\in\mathbb{R}\)

 

Dazugehörige Funktion?

Funktion: cosh(x)

Dazugehörige Potenzreihe? Def.bereich?

\(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{ 1}{(2k)!}*x^{2k}, x\in\mathbb{R}\)

 

Dazugehörige Funktion?

Funktion: sin(x)

Dazugehörige Potenzreihe? Def.bereich?

\(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^{k}}{(2k+1)!}*x^{2k+1}, x\in\mathbb{R}\)

 

Dazugehörige Funktion?

Funktion: cos(x)

Dazugehörige Potenzreihe? Def.bereich?

\(\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{(2k)!}*x^{2k}, x\in\mathbb{R}\)

 

Dazugehörige Funktion?

(Bernouilli De L'Hôpital)

Wann darf ich bei der Grenzwertberechnung den Quotient zweier Funktionen wie folgt ableiten?

\(\lim\limits_{x \to x_0}\frac{f(x)}{g(x)} = \lim\limits_{x \to x_0}\frac{f'(x)}{g'(x)}\)

Einer der folgenden Bedingungen muss erfüllt sein (Achtung: bei jedem Schritt müssen die Bedingungen erfüllt sein, nicht nur am Anfang):

  • \(\lim\limits_{x \to x_0}f(x) = \lim\limits_{x \to x_0}g(x)= 0\)
  •  
  • \(\lim\limits_{x \to x_0}f(x) = \lim\limits_{x \to x_0}g(x)= \pm\infty\)
  •  
  • \(x_0 = \pm\infty \quad oder \quad x_0 \in \mathbb{R}\)

WICHTIG: Bei der Prüfung immer hinschreiben, welche Form der Grenzwert hat (e.g. \("\frac{0}{0}"\)) und dann beim Gleichheitszeichen 'B-H' schreiben, als Verweis zu dieser Regel

Spezialfälle:

  • \(\lim\limits_{x \to x_0}f(x) * \lim\limits_{x \to x_0}g(x)= "0*\pm\infty" \rightarrow \frac{0}{\frac{1}{{\pm\infty}}}\)
  • \(\lim\limits_{x \to x_0}f(x) - \lim\limits_{x \to x_0}g(x)= "\infty-\infty" \rightarrow \frac{\frac{1}{g(x)}-\frac{1}{f(x)}}{\frac{1}{f(x)*g(x)}}\)

(ZU ERGÄNZEN) Grenzwertberechnung von Folgen u/o Funktionen: Welche Tricks und Methoden gibt es?

1) Mit Hilfe der Potenzreihen

  • Potenzreihen bei bekannten Funktionen einsetzen und sehen was passiert

2) Bernoulli De L'Hôpital Regel bei Quotienten

  • Falls Bedingungen erfüllt, Quotient ableiten; d.h. Limes beider Funktionen ist 0 bzw. unendlich (Achtung: bei jedem Schritt müssen die Bedingungen erfüllt sein, nicht nur am Anfang)

3) Polynomartige Ausdrücke bei Folgen und Funktionen \("\frac{\infty}{\infty}"\):

  1. Zähler und Nenner mit ...
    • höchster Nennerpotenz teilen \(\frac{1/n^k}{1/n^k}\) bei Folgen
    • kleinster Nennerpotenz teilen \(\frac{1/n^k}{1/n^k}\) bei Funktionen
  2. Brüche kürzen
  3. Alle Ausdrücke wo der Limes gegen 0 geht streichen

4) Polynomartige Ausdrücke bei Folgen \("\infty-\infty"\) : (3.binomische Formel verwenden)

  1. Ausdruck erweitern mit Bruch, wobei Zähler und Nenner eine Summe der beiden Folgen ist aber mit umgekehrten Operationszeichen falls \(a_n+b_n\): \(*\frac{a_n-b_n}{a_n-b_n}\)
  2. kürzen; Vereinfachung des Nenners anstreben
  3. Limes berechnen (allenfalls mit Methide unter 3))

 

Einsatz Taylorpolynom: Wie können Extrema bei grossen Polynomen berechnet werden?

Für \(f: I\to\mathbb{R}, x_0\in I, f'(x_0) = f''(x_0)= ...=f^{n-1}(x_0)=0, f^n(x_0) \ne0\)

und x sehr nah bei x_0:

\(f(x) \approx f(x_0)+\frac{f^n(x_0)}{n!}*(x-x_0)^n\)

  • Falls n ungerade --> Wendepunkt (betrachte links und rechts des Punktes um Richtung zu erfahren)
  • Falls n gerade 
    • \(f^n(x_0) >0 \to\)lokales Minimum
    • \(f^n(x_0) <0 \to\) lokales Maximum
  •  

Wie verwende ich Taylorpolynome um Werte zu approximieren (e.g. \(\sqrt{26}\))? 

  1. Umwandlung Ausdruck in Polynom mit x Variable
  2. Aufstellung Taylorpolynom n.Grades (je nach dem wie genau es sein soll):
    • Beispiel mit \(\sqrt{26}: T_2(1) = 5+\frac{1}{10}*x-\frac{1}{1000}*x^2 \approx5.099\)
    • Wobei x = 1 gewählt wurde (\(\sqrt{26} = \sqrt{25+x}\)
  3. Berechnung Fehler:
    • \(R_2(1) = \frac{f^{3}(\xi) }{3!}*(x-1)^{3}\le\frac{1}{50'000} = 0.00002\)

 

Am Ende noch alles zusammenfassen

Wie kann ich Taylorpolynome für die Integration einsetzen?

Verwende Standard-Potenzreihen: ersetze komplizierte Integranden durch deren Potenzreihenentwicklungen - und integriere diese gliedweise. Jedes Glied ist ein Monom (x^n)

Wie stelle ich ein Taylorpolynom auf?

  1. Die ersten Ableitungen der gegebenen Funktion ausrechnen an der Entwicklungsstelle x_0 (soweit es gebraucht wird)
  2. T(x) aufstellen gem. Formel mittels Einsetzen der im 1. Schritt aufgestellten Ableitungen
  3. T(x) als Summe mit dem Sigma aufstellen
  4. Fehler der Approx. erarbeiten \(R_n(x) = f(x)-T(x) \quad bei \quad n\to\infty \), geht es nach 0?
  5. Wenn der Fehler nicht gegen 0 strebt, so festhalten; T(x) ist dann eine Approx. und ist nicht eindeutig die gegebene Funktion

Bogenlänge berechnen mit Parameterdarstellung in Kartesische Koordinaten und Polarkoordinaten

\(L=\int_a^b\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}\mathrm{d}t\) (Kartesische Koordinaten)

 

\(L=\int_a^b\sqrt{R'(t)^2+R(t)^2}\mathrm{d}t\) (Polarkoordinaten) wobei a,b und t Winkel sind

 

Bogenlänge berechnen mit Funktionen

\(L=\int_a^b\sqrt{1+f'(x)^2}\mathrm{d}x\)

Fläche unter einem Graph berechnen einer Funktion

\(A=\pm\int_a^bf(x)\mathrm{d}x\)

Fläche unter einer Kurve in der Parameterdarstellung berechnen

 

\(A=\pm\int_a^b x'(t)*y(t)\mathrm{d}t\)

Sektorfläche berechnen in der Parameterdarstellung, KK und PK

\(Sektor A=\frac{1}{2}*\int_a^bx(t)*y'(t)-y(t)*x'(t)\mathrm{d}t\) (KK)

\(Sektor A=\frac{1}{2}\int_a^bR(t)^2\mathrm{d}t \) (PK) wobei a,b und t Winkel sind

Formel für partielle Integration

Was ist zu beachten

\(\int f'(x)*g(x) \mathrm{d}x = [f(x)*g(x)]-\int f(x)*g'(x) \mathrm{d}x \)

Zu beachten ist, welche Funktion Sinn macht auf- bzw. abzuleiten

Integration mittels Substitution:

  • 'Formel'
  • Vorgehen beim Lösen


\(\int f'(x)*g'(f(x)) \mathrm{d}x = [g(f(x))]\)

bzw.

\(\int_{(a)}^{(b)} f(u(x))*u'(x) \mathrm{d}x = \int_{(u(a))}^{(u(b))} f(u(x)) \mathrm{d}u\)

Partialbruchzerlegung

  • Wann einzusetzen
  • Vorgehen

Partialbruchzerlegung einsetzen bei Integralen von Polynomielle Quotienten \(\frac{p(x)}{q(x)}\)

Vorgehen: (Ziel: Aufteilen in Brüche mit Faktoren, welche gliedweise integriert werden können)

  1. Polynomdiv. falls Grad des Polynoms in Zähler > Grad des Polynoms im Nenner; falls es Rest gibt, einfach dazu addieren
  2. Die Nenner in lineare und quadratische Faktoren zerlegen - Falls der Nenner der Form ist... dann zerlegen in
    • \((x-x_0): \frac{A}{x-x_0}\)
    • \((x-x_0)^r: \frac{A_1}{x-x_0} + \frac{A_2}{(x-x_0)^2} + ...+\frac{A_r}{(x-x_0)^r}\)
    • \((ax^2+bx+c): \frac{A+Bx}{ax^2+bx+c}; \quad wobei \quad b^2-4ac <0\)
  3. Wenn aufgestellt, dann alles gleichnamig machen und Koeffizienten vergleichen mittels LGS
  4. LGS um A,...,A_r aufstellen und die Koeff. ausrechnen
  5. Gliedweise integrieren wobei lineare Faktoren zu ln(...) werden, lineare Faktoren mit Vielfachheit einen Grad höher im Nenner werden und quadratische Faktoren mit Tricks (bekannte Integrationen nutzen)
    •  

MWS der Integralrechnung - Sei \(f[a,b] \to\mathbb{R}\) stetig...

 

Es existiert ein \(\xi\in[a,b]\), sodass

  • \(\int_a^bf(x)\mathrm{d}x = f(\xi)*(b-a)\)

Interpretation: Im Intervall [a,b] muss es mind. ein x bzw xi geben, der die gleiche Fläche als Quader aufzeigt wie das Integral des Intervalls

Rotationskörper Volumen berechnen (Funktion):

  • Was passiert
  • Formel

Der Flächeninhalt eines Graphen einer stetigen Funktion im Intervall [a,b] wird um die x-/y-Achse rotiert und von diesem Körper dann das Volumen berechnet

\(V_x=\pi*\int_a^bf(x)^2\mathrm{d}x\)

\(V_y=\pi*\int_a^bf(y)^2\mathrm{d}y\)

Rotationskörper Volumen berechnen (Kurve, KK):

  • Was passiert
  • Formel

Der Flächeninhalt einer parametrisierten Kurve im Intervall [a,b] wird um die x-/y-Achse rotiert und von diesem Körper dann das Volumen berechnet

\(V_x=\pi*\int_a^by(t)^2*x'(t)\mathrm{d}t\) (KK)

\(V_y=\pi*\int_a^bx(t)^2*y'(t)\mathrm{d}t\) (KK)

Rotationskörper Mantelfläche berechnen (Kurve, KK):

  • Was passiert
  • Formel

Der Flächeninhalt einer parametrisierten Kurve im Intervall [a,b] wird um die x-/y-Achse rotiert und von diesem Körper dann die Mantelfläche berechnet

\(O_x=2*\pi*\int_a^by(t)*\sqrt{(x'(t))^2+(y'(t))^2}\mathrm{d}t\) (KK)

\(O_y=2*\pi*\int_a^bx(t)*\sqrt{(x'(t))^2+(y'(t))^2}\mathrm{d}t\) (KK)

Étudier