Analysis I
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Wie löse ich eine Gleichung mit komplexen Zahlen?
Glg umformen, sodass ich Wurzelziehen und als quadr. Glg lösen kann mittels der Mitternachtsformel
Ein weiterer Trick, ist die komplexe Zahl in das kartesische Koordinatensystem zu übersetzen, d.h. mit x und y Koordinate
Was sagt der Fundamentalsatz der Algebra aus?
- Jedes Polynom im Komplexen besitzt mind. 1 NS
- Jedes Polynom n.Grades kann in n nicht zwigenderweise verschiedene Linearfaktoren zerlegt werden, wobei \(z_i\) die NS sind
- Sei komplexes Polynom mit reellen Koeffizienten; die NS kommen jeweils paarweise mit den jeweiligen komplex Konjugierten vor; sollte der Grad des Polynoms ungerade sein, so ist mind. 1 NS reell
Was ist der Tangentialvektor bei parametrisierten Kurven? Was ist die Formel zur Berechnung?
\(Tangentialvektor = \lim\limits_{t\to0} = (\begin{matrix} x'(t_0) \\ y'(t_0) \end{matrix}) = r'(t_0)\)
\(Betrag/Länge=||r'(t_0)||=\sqrt{x'(t_0)^2+y'(t_0)^2}\)
Interpretation:
- Momentane Änderungsrate der Kurve; d.h. der Betrag/Länge des T.vektors ist die Geschwindigkeit und die Richtung des T.vektors ist auch die momentane Richtung der Kurve
- Vektor parallel zur Tangente am Punkt t_0
Wie stelle ich die Tangentialgleichung einer parametrisierten Kurve auf?
\(T(s) = r(t_0) +s*r'(t_0)\)
mit \(r(t_0) = \begin{matrix}x(t_0)\\y(t_0)\end{matrix};r'(t_0) = \begin{matrix}x'(t_0)\\y'(t_0)\end{matrix}\)
Was ist die Krümmung einer Kurve und wie rechne ich diese aus? Und die einer Funktion?
Kurve: \(\kappa (r(t))= \frac{1}{R} = \frac{y''(t)*x'(t)-y'(t)*x''(t)}{||r'(t)||^3}\), \(||r'(t_0)||=\sqrt{x'(t_0)^2+y'(t_0)^2}\)
Funktion: \(\kappa (t)= \frac{1}{R} = \frac{f''(t)}{(1+f'(t)^2)^{\frac{3}{2}}}\)
Interpretation:
- Fkt, die beschreibt, wie die Kurve sich an einem Punkt krümmt
- Approximation mit sog. Schmiegekreisen -> Kreis mit der gleichen Krümmung an einem Punkt
- unabhängig von der Parametrisierung
Falls die Krümmung einer Kurve...
- \(\kappa<0\) ist, dann...
- \(\kappa>0\) ist, dann...
- nimmt der Winkel ab und die Kurve ist rechtsgekrümmt
- nimmt der Winkel zu und die Kurve ist linksgekrümmt
Was ist die Evolute einer Kurve und wie berechne ich diese?
\(E_c(r(t)) =( \begin{matrix}x(t_0)\\y(t_0)\end{matrix})+\frac{1}{\kappa(r(t_0))}*(\frac{1}{||r'(t_0||}*(\begin{matrix}-y'(t_0)\\x'(t_0)\end{matrix}))\)
Dies entspricht: Startpunkt + Radius * Einheitsnormale/Normalenvektor
Interpretation:
- Die Evolute ist der geometrische Ort, also die Menge, aller Krümmungsmittelpunkte der Schmiegekreise eine Kurve/Funktion
- unabhängig von Param.
\(cos^2(x)+sin^2(x) = ...\)
(Trigonometrische Identitäten)
\(1\)
\(cosh^2(x)-sinh^2(x) = ...\)
(Identität der hyperb. Fkt.)
\(1\)
Was bedeutet, dass eine Funktion stetig ist?
Eine Fkt ist stetig, falls alle Stellen des Def.bereichs stetig sind. D.h.
- f ist an alle Stellen \(\hat{x}\) definiert,
- der \(\lim\limits_{x\to\hat{x}}f(x)\) existiert
- und dieser gleich \(f(\hat{x})\) ist
Was ist der Zwischenwertsatz?
Sei \(f:[a,b]\to\mathbb{R}\) eine stetige Funktion mit abgeschlossenem Intervall; f nimmt jeden Wert zwischen f(a) und f(b) mind. 1 Mal an, somit existieren hier auch globale Min. und Max.
Was ist der Nullstellensatz?
Sei \(f:[a,b]\to\mathbb{R}\) eine stetige Funktion mit abgeschlossenem Intervall; falls f(a)*f(b) < 0 ist, dann existiert mind. 1 Nullstelle
Welche 2 Verfahren gibt es, um NS 'manuell' zu approximieren?
- Bisektionsverfahren:
- Intervall finden, sodass f(a)*f(b)<0
- Intervall in der Mitte zerlegen
- Intervall ab Mitte entweder nach rechts oder links so wählen, sodass das Produkt der Randwerte negativ sind
- neues Intervall nehmen und wieder in der Mitte teilen
- Schritte wiederholen bis NS zufriedenstellend approximiert ist, d.h. auf gewünschte Dezimalstellen
- Newton Verfahren
- \(x_0\) wählen
- Tangente in \((x_0, f(x_0))\) mit der x-Achse schneiden und nächstes 'x_0' erhalten; verallgemeinert heisst das: \(x_{n+1} = x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}\)
- Schritte wiederholen bis NS zufriedenstellend approximiert ist, d.h. auf gewünschte Dezimalstellen
Wie lautet das Differentialquotient und was bedeutet es?
\(f'(x_0) = \frac{df}{dx}(x_0) = \lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\)
Interpretation:
- Beschreibt die Ableitung einer Funktion und entspricht der momentanen Änderungsrate der Funktion
Was ist die Linearisierung einer Funktion?
Es handelt sich um das beste Polynom 1. Grades and der festen Stelle \((x_0, f(x_0))\), und die 1. Ableitung stimmt mit der von f(x) überein; \(x_0 \in D\)
\(y = f(x_0)+f'(x_0)*(x-x_0)\)
Wie berechne ich die Extrema einer Funktion?
- kritische Stellen einer Funktion finden durch das Lösen der Gleichung \(f(x)=0\) (zu lösen)
- Randpunkte identfizieren
- Die Werte der x-Stellen ausrechnen durch Einsetzen in die Funktion und diese auswerten
Was bedeutet, wenn bei einer Funktion \(f'(x)>0 (bzw. f(x)<0)\)?
Sie ist streng monoton steigend (bzw. fallend)
2.Ableitung Test - wie finde ich Extrema heraus, falls \(f'(x)=0\)?
Falls:
- \(f''(x) <0:\) Lokales Max.; f ist rechtsgekrümmt und monoton fallend (sad smiley)
- \(f''(x) >0:\) Lokales Min.; f ist linksgekrümmt und monoton steigend (happy smiley)
- \(f''(x) =0:\) Terassenpunkt (aber nur falls \(f'(x)=f''(x) =0\))
Was ist der Mittelwertsatz und der Satz von Rolle?
(Beide sind reine Existenzaussagen)
Satz von Rolle:
Sei \(f:[a,b]\to\mathbb{R}\) eine stetige, auf (a,b) diff'bare Funktion mit abgeschlossenem Intervall mit f(a)=f(b); es gibt eine Zwischenstelle c, sodass f'(c) = 0
ZWS:
Sei \(f:[a,b]\to\mathbb{R}\) eine stetige, auf (a,b) diff'bare Funktion mit abgeschlossenem Intervall; es gibt eine Zwischenstelle c, sodass die Steigung bei c gleich der Sekantensteigung zwischen den Randpunkten ist
\(f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{a-b}\)
Was passiert mit dem Index bei der Integration von Potenzreihen? Worauf muss ich achten?
- Bei der Integration ist aufzupassen: n =/= -1 beim Integrieren, da sonst der Nenner = 0; wird eigentlich schon berücksichtigt durch das Hinzufügen der Konstante (bei n=-1 wird x zu einer Konstante, welche mit C bereits berücksichtigt wird
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?
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Flashcards
Was passiert mit dem Index bei der Integration von Potenzreihen? Worauf muss ich achten?
- Bei der Integration ist aufzupassen: n =/= -1 beim Integrieren, da sonst der Nenner = 0; wird eigentlich schon berücksichtigt durch das Hinzufügen der Konstante (bei n=-1 wird x zu einer Konstante, welche mit C bereits berücksichtigt wird