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.
Cartes-fiches
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Langue
Allemand
Catégorie
Mathématiques
Niveau
Université
Créé / Mis à jour
12.01.2023 / 22.02.2023

Cartes-fiches

Wie dividiere ich zwei kompexe Zahlen?

Indem ich den Quotient mit der komplex konjugierten des Nenners erweitere, kürze und den Realteil und Imaginärteil auseinander nehme, sodass ich am Ende eine komplexe Zahl habe:

\(\frac{z}{w}=\frac{a+b*i}{c+d*i}*\frac{c-d*i}{c-d*i}=...\)

\(\frac{1}{z}, z \in\mathbb{C}, =...\)

\(\frac{\overline{z}}{|z|^2}\) (Spezialfall der Division)

\(|\frac{1}{z}|, z \in\mathbb{C}, =...\)

\(\frac{|z|}{|z|^2}\)

Was beschreibt folgende Menge:

\(\{z\in\mathbb{C}||z-z_0|=R\}\)

Alle komplexen Zahlen z liegen am Rande eines Kreises mit Radius R und Mittelpunkt \(z_0\)

Dabei zu achten ist das Operationszeichen!

Wie rotiere ich eine komplexe Zahl um 90° im Gegenuhrzeigersinn in der kartesischen Form?

\(z *i\)

Multiplikation der komplexen Zahl mit i

(im Uhrzeigersinn dann *(-i))

Wie rotiere ich eine komplexe Zahl um den Winkel \(\phi\) in der Polarform?

\(z*e^{i*\phi}\)

Dabei bestimmt das Vorzeichen von \(\phi\), ob im oder gegen Uhrzeigersinn

Wie werden komplexe Zahlen in der Polarform dargestellt?

\(z=r*(cos(\phi)+i*sin(\phi))\)

\(z = r*e^{i*\phi}\)

(Eulersche Formel: \(cos(\phi)+i*sin(\phi) := e^{i*\phi}\); \(cos(\phi) = \frac{e^{i*\phi}+e^{-i*\phi}}{2}, sin(\phi)=\frac{e^{i*\phi}-e^{-i*\phi}}{2*i}, \))

Was ist das Argument einer komplexen Zahl?

\(arg(z) = \phi\)

Es ist der Winkel der zur komplexen Zahl in der Polardarstellung gehört

\(arg(z^2)=...\)

\(2*arg(z)\)

\(arg(\overline{z})=...\)

\(-arg(z)\)

\(|e^{i*\phi}|=...\)

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Wie sieht die komplex konjugierte in der Polardarstellung aus?

\(\overline{z} = r*e^{-i*\phi}\)

\(e^z=...\)

\(e^a*e^{b*i}=e^a*(cos(b)+i*sin(b))\)

\(e^{z+2*i*\pi}=...\)

\(e^z*e^{2*\pi*i}=e^z\)

\(e^{2*\pi*i}=...\)

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Was passiert, wenn zwei komplexe Zahlen in der Polardarstellung multipliziert werden?

Die Beträge, also Radien, werden ebenfalls multipliziert und die beiden Winkel bzw. Argumente addiert. Ersteres entspricht einer Streckung, und zweiteres einer Rotation

Was beschreibt die Moivresche Formel in \(\mathbb{C}\)?

Sie 'vereinfacht' das Potenzieren von komplexen Zahlen, in dem man die komplexe Zahl zuerst in der Polardarstellung aufstellt und dann potenziert:

\(z^n = (r*e^{i*\phi})^n=r^n*e^{n*i*\phi} =r^n*(cos(n*\phi)+i*(sin(n*\phi))\)

Wie dividiere ich zwei komplexe Zahlen?

Diese zuerst in der Polardarstellung umschreiben; die Radien bilden ein Quotient und die Winkel werden subtrahiert:

\(\frac{z}{w}=\frac{r_z}{r_w}*e^{i*(\phi_z-\phi_w)}\)

Wie ziehe ich Wurzeln von komplexen Zahlen? 

\(\sqrt[n]{z}=\sqrt[n]{r}*e^{i*(\frac{\phi}{n}+\frac{2*\pi*k}{n})}; k_{n-1}\)

Wie werden Wurzeln von komplexen Zahlen dargestellt?

  • alle Lösungen von Wurzeln liegen auf einem Kreis, mit genau n verschiedene Wurzeln, welche regelmässig auf dem Kreis verteilt sind (bilden n-Eck)
  • Der Kreis hat Radius/Betrag \(\sqrt[n]{r}\) und alle Winkel unterscheiden sich um \(\frac{2\pi}{n}\)

 

Was ist die Eulersche Identität?

\(e^{i\pi}=1\)

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...

  1. \(\kappa<0\) ist, dann...
  2. \(\kappa>0\) ist, dann...

  1. nimmt der Winkel ab und die Kurve ist rechtsgekrümmt
  2. 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?

  1. Bisektionsverfahren:
    1. Intervall finden, sodass f(a)*f(b)<0
    2. Intervall in der Mitte zerlegen
    3. Intervall ab Mitte entweder nach rechts oder links so wählen, sodass das Produkt der Randwerte negativ sind
    4. neues Intervall nehmen und wieder in der Mitte teilen
    5. Schritte wiederholen bis NS zufriedenstellend approximiert ist, d.h. auf gewünschte Dezimalstellen
  2. Newton Verfahren
    1. \(x_0\) wählen
    2. Tangente in \((x_0, f(x_0))\) mit der x-Achse schneiden und nächstes 'x_0' erhalten; verallgemeinert heisst das: \(x_{n+1} = x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}\)
    3. 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?

  1. kritische Stellen einer Funktion finden durch das Lösen der Gleichung \(f(x)=0\) (zu lösen)
  2. Randpunkte identfizieren
  3. 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

\(f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{a-b}\)

 

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