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author | Marvin Borner | 2023-01-06 18:13:24 +0100 |
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committer | Marvin Borner | 2023-01-06 18:13:24 +0100 |
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diff --git a/notes/mathe3/header.tex b/notes/mathe3/header.tex index 4c487db..a540df1 100644 --- a/notes/mathe3/header.tex +++ b/notes/mathe3/header.tex @@ -48,6 +48,9 @@ \newcommand{\Ezh}{\CYRABHDZE} \newcommand\yogh{\text\Ezh} +\newcommand\defeq{\mathrel{\vcentcolon=}} +\newcommand\defiff{\mathrel{\vcentcolon\Longleftrightarrow}} + \DeclareMathOperator{\sgn}{sgn} \DeclareMathOperator{\ggT}{ggT} \DeclareMathOperator{\kgV}{kgV} diff --git a/notes/mathe3/main.md b/notes/mathe3/main.md index 2ac7aaa..5562493 100644 --- a/notes/mathe3/main.md +++ b/notes/mathe3/main.md @@ -219,11 +219,11 @@ Ausgabe: y (=ggT(a,b)) ::: bsp EA mit $a=48$ und $b=-30$: - x y r + x y r ----- ------- ---- - 48 -30 18 - -30 18 6 - 18 **6** 0 + 48 -30 18 + -30 18 6 + 18 **6** 0 Damit ist der größte gemeinsame Teiler mit 6 gefunden. ::: @@ -238,7 +238,7 @@ $a,b\in\Z$, nicht beide $=0 \implies \exists s,t\in\Z:\ggT(a,b)=sa+tb$ \begin{align*} b = 0:\quad&\ggT(a,b) = |a| = sa+0b,\quad s=\mathrm{sgn}(a)\\ b\ne0,\ b\mid a:\quad&\ggT(a,b)=|b|=0a+tb,\quad t=\mathrm{sgn}(b)\\ -b\ne0,\ b\nmid a:\quad&a_0:=a,a_1:=b\implies\mathrm{EA}\implies\ggT(a,b)=a_n,\quad n\ge2\\ +b\ne0,\ b\nmid a:\quad&a_0\defeq a,a_1\defeq b\implies\mathrm{EA}\implies\ggT(a,b)=a_n,\quad n\ge2\\ &\text{Zeige mit vollst. Induktion: }\exists s_j,t_j\in\Z: a_j=s_ja_0+t_ja_1\quad\forall j=0,..,n \end{align*} \end{proof} @@ -337,7 +337,7 @@ $a,b\in\Z$, nicht beide $=0,\ c\in\Z$ \begin{proof} In beide Richtungen: \begin{itemize} - \item \enquote{$\implies$}:\quad Gelte $sa+tb=1$. Annahme: $\ggT(a,b)>1$\\$d:=\ggT(a,b)\implies d\mid a,\quad d\mid b$ $\implies \exists k_1,k_2\in\Z:a=k_1d,\ b=k_2d$ $\implies sa+tb=d(sk_1+tk_2)\ne1$, da $d>1\ \lightning$, also $d=1$ + \item \enquote{$\implies$}:\quad Gelte $sa+tb=1$. Annahme: $\ggT(a,b)>1$\\$d\defeq\ggT(a,b)\implies d\mid a,\quad d\mid b$ $\implies \exists k_1,k_2\in\Z:a=k_1d,\ b=k_2d$ $\implies sa+tb=d(sk_1+tk_2)\ne1$, da $d>1\ \lightning$, also $d=1$ \item \enquote{$\impliedby$}:\quad $\exists s,t\in\Z: 1=sa+tb\implies c=sac+tbc$, also $a\mid a$ und $a\mid bc$ $\implies a\mid(\underbrace{sac+tbc}_{=c})$ \end{itemize} \end{proof} @@ -467,11 +467,11 @@ $$x\equiv\begin{cases}a_1\pmod{m_1}\\\vdots\\a_n\pmod{m_n}\end{cases}$$ ::: proof ```{=tex} \begin{proof} -Setze $M_i:=\frac{M}{m_i}\in\Z\implies\ggT(m_i,M_i)=1\quad\forall i=1,...,n$ +Setze $M_i\defeq\frac{M}{m_i}\in\Z\implies\ggT(m_i,M_i)=1\quad\forall i=1,...,n$ $\implies \exists s_i,t_i\in\Z: s_i\cdot m_i + t_iM_i = 1$ -Setze $e_i:=t_iM_i\implies e_i\equiv\begin{cases}0\pmod{m_j}&j\ne i\\1\pmod{m_i}\end{cases}$ +Setze $e_i\defeq t_iM_i\implies e_i\equiv\begin{cases}0\pmod{m_j}&j\ne i\\1\pmod{m_i}\end{cases}$ $\implies x = \left(\sum_{i=1}^n a_ie_i\right)\pmod{M}$ Lösung, da: @@ -728,13 +728,14 @@ $(\Z_n,\oplus,\odot)$ Körper $\iff n\in\P$. Analog in $K[x]$: Sei $f\in K[x],\ \grad(f)=n$. Dann ist $(K[x]_n,+,\odot_f)$ mit - $K[x]_n=\{g\in K[x]\mid\grad(g)<n\}$ -- $g\odot_f h := g\cdot h\pmod{f}$ +- $g\odot_f h \defeq g\cdot h\pmod{f}$ ein kommutativer Ring mit Eins. Invertierbare Elemente bezüglich $\odot_f$: -$K[x]_n^*:=\{g\in K[x]_n\mid\ggT(g,f)=1\}$ (Beweis wie für $\Z_n^*$). Es -folgt $\exists s,t\in K[x]: sg+tf=1\implies s\cdot g\equiv1\pmod{f}$ und +$K[x]_n^*\defeq\{g\in K[x]_n\mid\ggT(g,f)=1\}$ (Beweis wie für +$\Z_n^*$). Es folgt +$\exists s,t\in K[x]: sg+tf=1\implies s\cdot g\equiv1\pmod{f}$ und $g^{-1}\equiv s\pmod{f}$. Damit erhält man $(K[x]_n,+,\odot_f)$ Körper $\iff f$ irreduzibel. @@ -872,15 +873,15 @@ Die Rechenregeln für Folgen in $\R$ gelten analog im $\R^n$. $K_\varepsilon(x_0)=\{x\in\R^n\mid\|x-x_0\|<\varepsilon\}$ heißt offene $\varepsilon$-Kugel um $x_0$ - $U\subseteq\R^n$ offen - $:\iff\forall x\in U\exists\varepsilon>0:K_\varepsilon(x)\subseteq U$ -- $U$ heißt Umgebung von $x\in D\subseteq\R^n:\iff U$ offen und + $\defiff\forall x\in U\exists\varepsilon>0:K_\varepsilon(x)\subseteq U$ +- $U$ heißt Umgebung von $x\in D\subseteq\R^n\defiff U$ offen und $x\in U$ und $U\subseteq D$ -- $A\subseteq\R^n$ abgeschlossen $:\iff A^C=\R^n\setminus A$ offen +- $A\subseteq\R^n$ abgeschlossen $\defiff A^C=\R^n\setminus A$ offen ## Rand $x\in\R^n$ Randpunkt von -$D\subseteq\R^n:\iff K_\varepsilon(x)\cap D\ne\emptyset$ und +$D\subseteq\R^n\defiff K_\varepsilon(x)\cap D\ne\emptyset$ und $K_\varepsilon(x)\cap D^C\ne\emptyset\quad\forall\varepsilon>0$. $\partial D$ ist die Menge aller Randpunkte von $D$. @@ -940,7 +941,7 @@ Sei $\{U_i\}_{i\in\N}$ ein System offener Mengen. Dann: \item Sei $x\in\bigcup_{i=1}^\infty U_i$ \begin{align*}&\implies\exists i\in\N:x\in U_i\\&\implies\exists\varepsilon>0:K_\varepsilon(x)\subseteq U_i\text{, da $U_i$ offen}\\&\implies K_\varepsilon(x)\subseteq\bigcup_{i=1}^\infty U_i\\&\implies\bigcup_{i=1}^\infty U_i\text{ offen}\end{align*} \item $x\in U_1\cap U_2$ - \begin{align*}&\implies\exists\varepsilon_1,\varepsilon_2>0:K_{\varepsilon_1}(x)\subseteq U_1,\ K_{\varepsilon_2}(x)\subseteq U_2\\&\varepsilon:=\min\{\varepsilon_1,\varepsilon_2\}\\&\implies K_\varepsilon(x)\subseteq K_{\varepsilon_1}(x)\subseteq U_1\land K_\varepsilon(x)\subseteq K_{\varepsilon_2}(x)\subseteq U_2\\&\implies K_\varepsilon(x)\subseteq U_1\cap U_2\end{align*} + \begin{align*}&\implies\exists\varepsilon_1,\varepsilon_2>0:K_{\varepsilon_1}(x)\subseteq U_1,\ K_{\varepsilon_2}(x)\subseteq U_2\\&\varepsilon\defeq\min\{\varepsilon_1,\varepsilon_2\}\\&\implies K_\varepsilon(x)\subseteq K_{\varepsilon_1}(x)\subseteq U_1\land K_\varepsilon(x)\subseteq K_{\varepsilon_2}(x)\subseteq U_2\\&\implies K_\varepsilon(x)\subseteq U_1\cap U_2\end{align*} \end{abc} \end{proof} ``` @@ -969,10 +970,10 @@ Sei $\{A_i\}_{i=1}^\infty$ ein System abgeschlossener Mengen. Dann: Sei $D\subseteq\R^n$. -- $\bar{D}=D\cup\partial D$ ist abgeschlossen und heißt Abschluss von - $D$. -- $\mathring{D}:=D\setminus\partial D$ ist offen und heißt Inneres von - $D$. +- $\bar{D}\defeq D\cup\partial D$ ist abgeschlossen und heißt + Abschluss von $D$. +- $\mathring{D}\defeq D\setminus\partial D$ ist offen und heißt + Inneres von $D$. - $\partial D$ ist abgeschlossen ::: proof @@ -999,8 +1000,8 @@ Sei $D\subseteq\R^n$. ## Beschränkte/kompakte Mengen - $D\subseteq\R^n$ beschränkt - $:\iff\exists K>0:\|x\|<K\quad\forall x\in D$ -- $D\subseteq\R^n$ kompakt $:\iff$ Jede Folge in $D$ besitzt eine in + $\defiff\exists K>0:\|x\|<K\quad\forall x\in D$ +- $D\subseteq\R^n$ kompakt $\defiff$ Jede Folge in $D$ besitzt eine in $D$ konvergente Teilfolge. ## Charakterisierung kompakter Mengen @@ -1031,11 +1032,11 @@ TODO. ::: bsp - Skalare Funktionen mit $D\subseteq\R^2$ lassen sich grafisch darstellen: - - $\mathrm{Graph}(f):=\left\{\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\in\R^3\mid\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\in D,\ z=f(x,y)\right\}$ + - $\mathrm{Graph}(f)\defeq\left\{\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\in\R^3\mid\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}\in D,\ z=f(x,y)\right\}$ ist eine Fläche im $\R^3\\$ Beispiel: $f(x,y)=5-2xy+x^3+y^2\\$ `\begin{tikzpicture}\begin{axis}[xlabel={$y$},ylabel={$x$},zlabel={$z$}]\addplot3[surf, mesh, samples=30]{5-2*x*y+x^3+y^2};\end{axis}\end{tikzpicture}`{=tex} - Höhen-/Niveaulinien: - $N_C(f):=\left\{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}\in\R^2\mid f(x,y)=c\right\},\quad c\in\R.\\$ + $N_C(f)\defeq\left\{\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}\in\R^2\mid f(x,y)=c\right\},\quad c\in\R.\\$ Beispiel: $f:\R^2\to\R,\ f(x,y)=x^2+y^2\\$ `\begin{tikzpicture}\begin{axis}[xlabel={$y$},ylabel={$x$},zlabel={$z$}]\addplot3[surf, mesh, samples=30]{x^2+y^2};\end{axis}\end{tikzpicture}\\`{=tex} `TODO%\begin{tikzpicture}\begin{axis}[view={0}{90},enlarge x limits,xlabel={$y$},ylabel={$x$},zlabel={$z$}]\addplot3[domain=-3:3,domain y=-3:3,contour gnuplot={levels={-1,1}},samples=30]{x^2+y^2};\end{axis}\end{tikzpicture}\\`{=tex} @@ -1062,8 +1063,8 @@ Sei $f:D\subset\R^n\to\R^m$. - $c\in\R^m$ heißt Grenzwert von $f$ in $a\in\R^n$, falls für jede Folge $(x_k)$ mit $x_k\to a,\ x_k\ne a\quad\forall k\in\N$ gilt: $f(x_k)\to c$. Schreibweise: $\lim_{x\to a}f(x)=c$ -- $f$ stetig in $a\in D :\iff \lim_{x\to a}f(x)=f(a)$ -- $f$ stetig auf $D :\iff f$ stetig in $a\quad\forall a\in D$ +- $f$ stetig in $a\in D \defiff \lim_{x\to a}f(x)=f(a)$ +- $f$ stetig auf $D \defiff f$ stetig in $a\quad\forall a\in D$ ::: bem - $f:D\subset\R^n\to\R^m$ stetig in @@ -1092,7 +1093,7 @@ Sei $f:D\subset\R^n\to\R^m$. (TODO: Graph) $$f(x,y)=\begin{cases}0&(x,y)=(0,0)\\\frac{3x^2}{x^2+y^2}&\text{ sonst}\end{cases}$$ - Sei - $a_k:=\begin{pmatrix}1/k\\1/k\end{pmatrix}\in\R^2\setminus\left\{\begin{pmatrix}0\\0\end{pmatrix}\right\}$. + $a_k\defeq\begin{pmatrix}1/k\\1/k\end{pmatrix}\in\R^2\setminus\left\{\begin{pmatrix}0\\0\end{pmatrix}\right\}$. Es gilt `\begin{align*}&a_k\to0\\\implies&f(a_k)=\frac{3(1/k)^2}{(1/k)^2+(1/k)^2}=\frac{3}{2}\\\implies&f(a_k)\to\frac{3}{2}\end{align*}`{=tex} - $f(0,0)=0\implies f(a_k)\not\to f(0,0)$ und $f$ unstetig in @@ -1157,7 +1158,7 @@ $\implies f(x_{k_j})=y_{k_j}$ Teilfolge von $(y_k)$ in $f(A)$ mit Grenzwert $f(a ## Beschränktheit von Funktionen -Sei $D=\emptyset$, $f:D\subseteq\R^n\to\R^m$ beschränkt $:\iff f(D)$ +Sei $D=\emptyset$, $f:D\subseteq\R^n\to\R^m$ beschränkt $\defiff f(D)$ beschränkt. ## Minimax-Theorem von Weierstraß @@ -1190,8 +1191,8 @@ $\implies f$ hat Maximum und Minimum auf $S$ ## Kontraktion -Sei $A\subseteq\R^n$ abgeschlossen und sei $f:A\to\R^n$. \$fA heißt -Kontraktion auf $A :\iff$ +Sei $A\subseteq\R^n$ abgeschlossen und sei $f:A\to\R^n$. $f$ heißt +Kontraktion auf $A\defiff$ - $f(A)\subseteq A$ - $\|f(x)-f(y)\|\le q\|x-y\|,\ q\in[0,1)\quad\forall x,y\in A$ @@ -1214,7 +1215,7 @@ $A$. Dann: 1. $\exists!\bar{x}\in A: A(\bar{x})=\bar{x}$. $\bar{x}$ heißt Fixpunkt. -2. Für $x_0\in A$ und $x_n:=f(x_{x_n-1}),\ n\in\N$, gilt: +2. Für $x_0\in A$ und $x_n\defeq f(x_{x_n-1}),\ n\in\N$, gilt: $x_n\to\bar{x}$ und $\|x_n-\bar{x}\|\le\frac{qn}{1-q}\|x_1-x_0\|$ ::: proof @@ -1239,18 +1240,18 @@ Sei $D\subseteq\R^n$ offen, $f:D\to\R^m$, $f(x)=(f_1(x),...,f_m(x))$ und $a=(a_1,...,a_n)^\top\in D$. - $f$ heißt an der Stelle $a$ partiell nach $x_j$ differenzierbar, - falls für jede der Funktion $f_i: \R^n\to\R$ gilt: Die skalare + falls für jede der Funktionen $f_i: \R^n\to\R$ gilt: Die skalare Funktion $f_i(a_1,...,a_{j-1},x_j,a_{j+1},...,a_n)$ einer Veränderlichen ist an der Stelle $a_j$ differenzierbar, d.h. `\begin{align*}&\lim_{k\to0}\frac{f_i(a_1,...,a_{j-1},a_j+h,a_{j+1},...,a_n)-f_i(a_1,...,a_n)}{h}\\=&\lim_{h\to0}\frac{f_i(a+h\cdot e_j)-f(a)}{h}\end{align*}`{=tex} existiert für alle $1\le i\le m$. - Dieser Grenzwert heißt dann partielle Ableitung von $f_i$ nach $x_j$ - an der Stelle $a$. Sschreibweise: + an der Stelle $a$. Schreibweise: $\frac{\partial f_i}{\partial x_j}(a)$. - Sind alle $f_i$ nach allen $x_j$ partiell differenzierbar in $a$, so heißt $f$ partiell differenzierbar und man definiert die Jacobimatrix von $f$ in $a$ durch - $$f'(a):=\begin{pmatrix}\frac{\partial f_1}{\partial x_1}(a)&...&\frac{\partial f_1}{\partial x_n}(a)\\\frac{\partial f_m}{\partial x_1}(a)&...&\frac{\partial f_m}{\partial x_n}(a)\\\end{pmatrix}\in\M_{m,n}(\R)$$ + $$f'(a)\defeq\begin{pmatrix}\frac{\partial f_1}{\partial x_1}(a)&...&\frac{\partial f_1}{\partial x_n}(a)\\\frac{\partial f_m}{\partial x_1}(a)&...&\frac{\partial f_m}{\partial x_n}(a)\\\end{pmatrix}\in\M_{m,n}(\R)$$ - Für skalare Funktionen besteht $f'(a)$ aus nur einer Zeile. Man bezeichnet den Vektor $$f'(a)^\top=\begin{pmatrix}\frac{\partial f}{\partial x_1}(a)\\\vdots\\\frac{\partial f}{\partial x_n}(a)\end{pmatrix}=:\nabla f(a)=\grad(f(a))\in\R^n$$ @@ -1372,7 +1373,7 @@ $$(g\circ f)'(a)=g'(f(a))\cdot f'(a)$$ ::: proof ```{=tex} \begin{proof} -Es seien $L:=f'(a)$, $K:=g'(f(a))$. +Es seien $L\defeq f'(a)$, $K\defeq g'(f(a))$. D.h.: $K\cdot L=g'(f(a))\cdot f'(a)$. @@ -1433,18 +1434,18 @@ $g'(x,y)=\begin{pmatrix}2x&0\\0&1\end{pmatrix}$ ### Mittelwertsatz für skalare Funktionen Sei $D\subseteq\R^n$ offen, $f:D\to\R$ differenzierbar und $a,b\in D$, -sodass $$S(a,b):=\{a+t(b-a)\mid t\in(0,1)\}\subseteq D$$ Dann existiert -ein $\xi\in S(a,b)$, sodass $$f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)$$ +sodass $$S(a,b)\defeq\{a+t(b-a)\mid t\in(0,1)\}\subseteq D$$ Dann +existiert ein $\xi\in S(a,b)$, sodass $$f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)$$ ::: proof ```{=tex} \begin{proof} -Sei $\varphi:[0,1]\to D$ mit $\varphi(t)=a+t(b-a)$, $g:=f\circ\varphi:[0,1]\to\R$. $f$ differenzierbar, $\varphi$ differenzierbar auf $(0,1)$ und stetig auf $[0,1]$. +Sei $\varphi:[0,1]\to D$ mit $\varphi(t)=a+t(b-a)$, $g\defeq f\circ\varphi:[0,1]\to\R$. $f$ differenzierbar, $\varphi$ differenzierbar auf $(0,1)$ und stetig auf $[0,1]$. $\implies g$ differenzierbar auf $(0,1)$ und stetig auf $[0,1]$ $\implies \exists\vartheta\in(0,1)$ mit $\frac{g(1)-g(0)}{1-0}=g'(\vartheta)$. -Sei $\xi:=\phi(\vartheta)$. +Sei $\xi\defeq\phi(\vartheta)$. \begin{align*} \implies f(b)-f(a)&=f(\varphi(1))-f(\varphi(0))=g(1)-g(0)\\ &=g'(\vartheta)=(f\circ\varphi)'(\vartheta)\\ @@ -1478,23 +1479,23 @@ Es lässt sich jedoch eine Abschätzung mithilfe von Integralen zeigen. Sei $[a,b]\subseteq\R$. -- $Z:=\{x_0,x_1,...,x_n\}\subseteq[a,b]$, $a=x_0<x_1<...<x_n=b$ heißt - Zerlegung von $[a,b]$ -- $|Z|:=\max_{i=1,...,n}(x_i-x_{i-1})$ heißt Feinheit von $Z$ +- $Z\defeq\{x_0,x_1,...,x_n\}\subseteq[a,b]$, $a=x_0<x_1<...<x_n=b$ + heißt Zerlegung von $[a,b]$ +- $|Z|\defeq\max_{i=1,...,n}(x_i-x_{i-1})$ heißt Feinheit von $Z$ - $\sum[a,b]$: Menge aller Zerlegungen von $\yogh[a,b]$ ### Riemannsche Summe Sei $f:[a,b]\to\R$ und $Z=\{x_0,...,x_n\}\in\yogh[a,b]$. -- $\xi:=(\xi_1,...,\xi_n)$, $\xi_i\in[x_{i-1},x_i]$, heißt +- $\xi\defeq (\xi_1,...,\xi_n)$, $\xi_i\in[x_{i-1},x_i]$, heißt Zwischenvektor von $Z$ -- $S(f,Z,\xi):=\sum_{i=1}^nf(\xi_i)(x_i-x_{i-1})$ heißt Riemannsche - Summe +- $S(f,Z,\xi)\defeq\sum_{i=1}^nf(\xi_i)(x_i-x_{i-1})$ heißt + Riemannsche Summe ### Riemann-Integral -$f:[a,b]\to\R$ heißt $R$-integrierbar auf $[a,b] :\iff$ für jede Folge +$f:[a,b]\to\R$ heißt $R$-integrierbar auf $[a,b] \defiff$ für jede Folge $Z_n\in\yogh[a,b]$ mit Zwischenvektor $\xi_n$ und $|Z_n|\xrightarrow[n\to\infty]{}0$ konvergiert $S(f,Z_n,\xi_n)$ gegen $A\in\R$. @@ -1510,7 +1511,7 @@ Die Definition ist äquivalent zu derjenigen aus Mathe 1. Sei $f:[a,b]\to\R^m$. - Für $Z$, $\xi$ wie zuvor ist - $S(f,Z,\xi):=\sum_{i=1}^nf(\xi_i)(x_i-x_{i-1})$ + $S(f,Z,\xi)\defeq\sum_{i=1}^nf(\xi_i)(x_i-x_{i-1})$ - Für $Z_n$, $\xi_n$ sei $A\in\R^m$ der Grenzwert von $S(f,Z_n,\xi_n)$, falls existent.$\\$Bezeichnung: $A=\int_a^bf(x)\mathrm dx$ @@ -1522,7 +1523,7 @@ Sei $f:[a,b]\to\R^m$. - Eine Matrix $A(x)\in\M_{m,n}(\R)$ kann man mit einem Vektor $v(x)\in\R^m\cdot n$ identifizieren, indem alle Matrixeingänge in eine Spalte geschrieben werden. Daher kann man - definieren:$\\$$\int_a^bA(x)\mathrm dx:=\left(\int_a^ba_{ij}(x)\mathrm dx\right)_{i,j}$ + definieren:$\\$$\int_a^bA(x)\mathrm dx\defeq\left(\int_a^ba_{ij}(x)\mathrm dx\right)_{i,j}$ und es gilt $$\int_a^bA(x)\cdot h\mathrm dx=\int_a^bA(x)\mathrm dx\cdot h\quad\forall h\in\R^n$$ ::: @@ -1550,17 +1551,17 @@ partiellen Ableitungen stetig sind (d.h. $f$ stetig differenzierbar). Ferner seien $a,b\in D$, sodass $$S=\{a+t(b-a)\mid t\in[0,1]\}\subseteq D.$$ -Für $h:=b-a$ folgt: +Für $h\defeq b-a$ folgt: - $f(b)-f(a)=\underbrace{\int_0^1f'(a+th)\mathrm dt}_{\in\M_{m,n}(\R)}\cdot h\in\R^m$ - $\|f(b)-f(a)\|\le M\cdot\|h\|$, wobei - $M:=\max_{x\in S}\underbrace{\|f'(x)\|}_{\mathclap{\text{stetig, da alle partiellen Ableitungen stetig}}}$ + $M\defeq\max_{x\in S}\underbrace{\|f'(x)\|}_{\mathclap{\text{stetig, da alle partiellen Ableitungen stetig}}}$ ::: proof ```{=tex} \begin{proof} \begin{itemize} -\item $\varphi_j: [0,1]\to\R$, $\varphi_j(t):=f_j(a+t\cdot h)$, $h=b-a$. +\item $\varphi_j: [0,1]\to\R$, $\varphi_j(t)\defeq f_j(a+t\cdot h)$, $h=b-a$. \begin{align*} \implies f_j(b)-f_j(a)&=\varphi_j(1)-\varphi_j(0)\\ &=\int_0^1\varphi_j'(t)\mathrm dt\\ @@ -1596,7 +1597,7 @@ TODO. ::: bem - Partielle Differenzierbarkeit gilt auch für vektorwertige Funktionen $f:D\subseteq\R^n\to\R^m$ ($D$ offen) -- Die Stetigkeit der paritellen Ableitung ist ein hinreichendes, aber +- Die Stetigkeit der partiellen Ableitung ist ein hinreichendes, aber kein notwendiges Kriterium für Differenzierbarkeit - Alle Polynome sind differenzierbar, da die partiellen Ableitungen alle stetig sind @@ -1734,12 +1735,12 @@ $\implies\exists\xi_1\in(a_1,a_1+h):\varphi(a_1+h)-\varphi(a_1)=h\cdot\varphi'(\ Setze \begin{align*} -F(h,k)&:=\overbrace{f(a_1+h,a_2+k)-f(a_1+h,a_2)}^{\varphi(a_1+h)}-\overbrace{f(a_1,a_2+k)+f(a_1,a_2)}^{\-\varphi(a_1)}\\ +F(h,k)&\defeq\overbrace{f(a_1+h,a_2+k)-f(a_1+h,a_2)}^{\varphi(a_1+h)}-\overbrace{f(a_1,a_2+k)+f(a_1,a_2)}^{\-\varphi(a_1)}\\ &=h\cdot\varphi'(\xi_1)\\ &=h\bigg[\underbrace{\frac{\partial f}{\partial x}(\xi_1,a_2+k)-\frac{\partial f}{\partial x}(\xi_1,a_2)}_{\mathclap{=\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(\xi_1,\vartheta_1)\cdot k\text{ für ein }\vartheta_1\in(a_2,a_2+k)}}\bigg]\\ &\implies F(h,k)=h\cdot k\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(\xi_1,\vartheta_1) \end{align*} -\item Analog erhält man für $\psi(t):=f(a_1+h,t)=f(a_1,t)$, dass $F(h,k)=\psi(a_2+k)-\psi(a_2)$ und $F(h,k)=h\cdot k\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}(\xi_2,\vartheta_2)$ für $\xi_2\in(a_1,a_1+h)$, $\vartheta\in(a_2,a_2+k)$. +\item Analog erhält man für $\psi(t)\defeq f(a_1+h,t)=f(a_1,t)$, dass $F(h,k)=\psi(a_2+k)-\psi(a_2)$ und $F(h,k)=h\cdot k\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}(\xi_2,\vartheta_2)$ für $\xi_2\in(a_1,a_1+h)$, $\vartheta\in(a_2,a_2+k)$. \item Insgesamt folgt, da $h,k\ne0$: $\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(\xi_1,\vartheta_1)=\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}(\xi_2,\vartheta_2)$ $\xRightarrow{h,k\to0}\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(a_1,a_2)$, da $f\in\mathcal{C}^2(D).$ @@ -1766,16 +1767,16 @@ Lagrange) ::: bem Die Taylorreihe -$T(x):=\sum_{j=0}^\infty\frac{f^{(j)}(x_0)}{j!}(x-x_0)^j$ konvergiert -gegen $f(x)\iff\lim_{k\to\infty}R_k(x)=0$. (Vorausgesetzt $f$ ist -unendlich oft differenzierba.r) +$T(x)\defeq\sum_{j=0}^\infty\frac{f^{(j)}(x_0)}{j!}(x-x_0)^j$ +konvergiert gegen $f(x)\iff\lim_{k\to\infty}R_k(x)=0$. (Vorausgesetzt +$f$ ist unendlich oft differenzierbar.) ::: ::: bsp Berechne $\sin(1)$ mit Fehlerdifferenz $<10^{-3}!$. Entwickle dazu $f(x)=\sin(x)$ um $x_0=0$. Suche $k\in\N$, sodass -$$|R_k(1)|=\frac{|f^{(k+1)}(\xi)|}{(k+1)!}|1-0|^{k+1}<\frac{1}{1000}, \xi\text{ zwischen }0\text{ und } 1.$$ +$$|R_k(1)|=\frac{|f^{(k+1)}(\xi)|}{(k+1)!}|1-0|^{k+1}<\frac{1}{1000},\quad\xi\text{ zwischen }0\text{ und } 1.$$ $f(x)=\sin x$, $f'(x)=\cos x$, $f''(x)=-\sin x, f'''(x)=-f'(x), f^{(4)}(x)=f(x)$ @@ -1785,7 +1786,7 @@ für $n\ge0$ $\implies|R_k(1)|\le\frac{1}{(k+1)!}<\frac{1}{1000}$ -$\iff (k+1)!>1000\iff k\ge6$ +$\iff (k+1)!>1000\iff k\ge6$`\medskip`{=tex} Für $k=6$ ist `\begin{align*}\sin(1)\approx T_6(1)&=\frac{\sin0}{0!}(1-0)^0+\frac{\cos0}{1!}(1-0)^1-\frac{\sin0}{2!}(1-0)^2\pm...\pm\frac{\sin0}{6!}(1-0)^6\\&=0+1+0-\frac{1}{6}+0+\frac{1}{120}+0=\frac{101}{120}\\&\approx 0.841\end{align*}`{=tex} @@ -1793,17 +1794,17 @@ Für $k=6$ ist ### Multiindex -$p:=(p_1,...,p_m)\in\N_0^m$ heißt Multiindex. +$p\defeq (p_1,...,p_m)\in\N_0^m$ heißt Multiindex. -$|p|:=p_1+...+p_m$ Ordnung von $p$. +$|p|\defeq p_1+...+p_m$ Ordnung von $p$. -$p!:=(p_1!)\cdot...\cdot(p_m!)$ +$p!\defeq (p_1!)\cdot...\cdot(p_m!)$ Für $x\in\R^m$, $x=(x_1,...,x_m)^\top$ sei -$x^P:=x_1^{P_1}\cdot...\cdot x_m^{P_m}.$ +$x^P\defeq x_1^{P_1}\cdot...\cdot x_m^{P_m}.$ Ist $f$ $k$-mal stetig differenzierbar, so sei -$\partial^Pf:=\frac{\partial^{|P|}f}{\partial x_1^{P_1}...\partial x_m^{P_m}}.$ +$\partial^Pf\defeq\frac{\partial^{|P|}f}{\partial x_1^{P_1}...\partial x_m^{P_m}}.$ ::: bsp - $P=(0,...,0)\implies\partial^Pf=f$ @@ -1829,7 +1830,7 @@ $a\in D$. Dann ist - $T_1(x)=\underbrace{f(a)}_{|p|=0}+\underbrace{\sum_{i=1}^n\frac{\partial f}{\partial x_i}(x_i-a_i)}_{|p|=1,p=(--\underbrace{1}_i--)}=f(a)+f'(a)(x-a)$ lineare Approximation in $a$ - $T_2(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2!}\sum_{i,j=1}^n\frac{\partial^2f}{\partial x_i\partial x_j}(a)(x_i-a_i)(x_j-a_j)$ - und $H_f(a):=(a_{ij})\in\M_n(\R)$, + und $H_f(a)\defeq (a_{ij})\in\M_n(\R)$, $a_{ij}=\frac{\partial^2f}{\partial x_i\partial x_j}(a)$ ist die sogenannte Hessematrix von $f$ in $a$. Damit erhält man $$T_2(x)f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}(x-a)^\top H_f(a)(x-a)$$ @@ -1858,7 +1859,7 @@ $$\text{Lagrange-Form des Restgliedes}$$ \begin{proof} Sei $v=x-a$. Dann ist $S(a,x)=\{a+tv\mid t\in(0,1)\}$. -Setze $\varphi:[0,1]\to\R$, $\varphi(t):=f(a+tv)$. +Setze $\varphi:[0,1]\to\R$, $\varphi(t)\defeq f(a+tv)$. \begin{align*} \implies\varphi'(t)&=f'(a+tv)\cdot v\\ &=\sum_{i=1}^n\frac{\partial f}{\partial x_i}(a+tv)v_i\\ @@ -1875,7 +1876,7 @@ $\implies\exists\vartheta\in(0,1)$ mit R_k^\varphi(1)&=\frac{\varphi^{(k+1)}(\vartheta)}{(k+1)!}(1-0)^{k+1}\\ &=\frac{\varphi^{(k+1)}(\vartheta)}{(k+1)!} \end{align*} -Sei $\xi:=\varphi(\vartheta)=a+\vartheta v\in S(a,x)$ +Sei $\xi\defeq\varphi(\vartheta)=a+\vartheta v\in S(a,x)$ \begin{align*} \implies R_k^\varphi(1)&=\sum_{|p|=k+1}\frac{\partial^Pf(\overbrace{a+\vartheta v}^{\mathclap{\xi}})}{P!}\underbrace{v^P}_{\mathclap{=(x-a)^P}}\\ &=R_k(x) diff --git a/notes/mathe3/main.pdf b/notes/mathe3/main.pdf Binary files differindex 3df36b6..f4550e2 100644 --- a/notes/mathe3/main.pdf +++ b/notes/mathe3/main.pdf |