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@@ -24,15 +24,15 @@ |
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\begin{satz}[Mittelwertsatz] |
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\begin{satz}[Mittelwertsatz] |
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Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R$ stetig differenzierbar, sei $x \in D$ und $h \in \R^{n}$ sodass $x + sh \in D$, für $s \in [0,1]$. Dann gilt: |
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Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R$ stetig differenzierbar, sei $x \in D$ und $h \in \R^{n}$ sodass $x + sh \in D$, für $s \in [0,1]$. Dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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f(x+h) - f(h) = \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}, h \right)_{2} = \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}\right)^{T} \cdot h. |
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f(x+h) - f(x) = \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}, h \right)_{2} = \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}\right)^{T} \cdot h. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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Sei $f: D \to \R^{m}$ stetig differenzierbar, mit Jacobi-Matrix $J_{f}(x)$, dann gilt: |
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Sei $f: D \to \R^{m}$ stetig differenzierbar, mit Jacobi-Matrix $J_{f}(x)$, dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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f(x+h) - f(h) = \left( \int_{0}^{1} J_{f}(x + sh) \d{s} \right) h. |
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f(x+h) - f(x) = \left( \int_{0}^{1} J_{f}(x + sh) \d{s} \right) h. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\end{satz} |
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\end{satz} |
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\begin{proof} |
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\begin{proof} |
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Sei $f: D \to \R^{m}$. Sei $g_{j}: [0,1] \to \R ,\ g_{j}(s) \coloneqq f_{j}(x+sh)$. Dann gilt: |
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Sei $f: D \to \R^{m}$. Sei $g_{j}\colon [0,1] \to \R ,\ g_{j}(s) \coloneqq f_{j}(x+sh)$. Dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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f_{j}(x+h) - f_{j}(x) = g_{j}(1) - g_{j}(0) & \overset{\text{HDI}}{=} \int_{0}^{1} g_{j}'(s) \d{s} \overset{\text{Kettenregel}}{=} \int_{0}^{1} \sum_{i=1}^{n} \pdv{f_j}{x_{i}}(x+sh) \cdot h_{i} \d{s}. |
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f_{j}(x+h) - f_{j}(x) = g_{j}(1) - g_{j}(0) & \overset{\text{HDI}}{=} \int_{0}^{1} g_{j}'(s) \d{s} \overset{\text{Kettenregel}}{=} \int_{0}^{1} \sum_{i=1}^{n} \pdv{f_j}{x_{i}}(x+sh) \cdot h_{i} \d{s}. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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@@ -56,6 +56,7 @@ |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\end{bem} |
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\end{bem} |
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\begin{lemma} |
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\begin{lemma} |
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\label{lemma:dreieck-integrale} |
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Seien $v: [a,b] \to \R^{n}$ und $A: [a,b] \to \R^{m \times n}$ stetig. Dann gilt: |
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Seien $v: [a,b] \to \R^{n}$ und $A: [a,b] \to \R^{m \times n}$ stetig. Dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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\norm{\int_{a}^{b} v(s) \d{s} }_{2} \leq \int_{a}^{b} \norm{v(s)}_{2} \d{s}, && \norm{\int_{a}^{b} A(s) \d{s} }_{2} \leq \int_{a}^{b} \norm{A(s)}_{2} \d{s} |
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\norm{\int_{a}^{b} v(s) \d{s} }_{2} \leq \int_{a}^{b} \norm{v(s)}_{2} \d{s}, && \norm{\int_{a}^{b} A(s) \d{s} }_{2} \leq \int_{a}^{b} \norm{A(s)}_{2} \d{s} |
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@@ -76,7 +77,7 @@ |
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|
$D \subset \mathbb{K}^{n}$ heißt \underline{konvex}, genau dann wenn: für alle $x,x' \in D$ und für alle $\lambda \in [0,1]$ gilt $\lambda \cdot x + (1-\lambda)x' \in D$. \\ |
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$D \subset \mathbb{K}^{n}$ heißt \underline{konvex}, genau dann wenn: für alle $x,x' \in D$ und für alle $\lambda \in [0,1]$ gilt $\lambda \cdot x + (1-\lambda)x' \in D$. \\ |
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|
Geometrisch: Für zwei Punkte in $D$ liegt die Verbindungsstrecke der beiden Punkte stets ganz in $D$. |
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|
Geometrisch: Für zwei Punkte in $D$ liegt die Verbindungsstrecke der beiden Punkte stets ganz in $D$. |
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\end{definition} |
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\end{definition} |
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\begin{korrolar} |
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\begin{korollar} |
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Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$ stetig differenzierbar. Sei $x \in D$ und $\varepsilon > 0$ sodass $K_{\varepsilon}(x) \subset D$. Dann gilt: |
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Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$ stetig differenzierbar. Sei $x \in D$ und $\varepsilon > 0$ sodass $K_{\varepsilon}(x) \subset D$. Dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall y \in K_{\varepsilon} |
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\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall y \in K_{\varepsilon} |
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@@ -87,24 +88,25 @@ |
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|
\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall x,y \in D |
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\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall x,y \in D |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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mit $M \coloneqq \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist auf $D$ Lipschitz-stetig. |
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mit $M \coloneqq \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist auf $D$ Lipschitz-stetig. |
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\end{korrolar} |
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\end{korollar} |
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\begin{proof} |
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\begin{proof} |
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Aus obigem Lemma folgt: |
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Aus Lemma \ref{lemma:dreieck-integrale} folgt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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\norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+sh) h \d{s} }_{2} &\leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+sh)}_{2} \norm{h}_{2} \d{s} \\ & \leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+sh)}_{2} \norm{h}_{2} \d{s} \leq \sup_{0<s<1} \norm{J_{f}(x+sh)}_{2} \cdot \norm{h}_{2} \\ \hfill \\ \implies \ & \norm{f(x+h) - f(x)}_{2} = \norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+sh)h \d{s}}_{2} \leq M \cdot \norm{x+h-x}_{2}. |
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\norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+sh) h \d{s} }_{2} &\leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+sh) h}_{2} \d{s} \\ & \leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+sh)}_{2} \norm{h}_{2} \d{s} \\ &\leq \sup_{0<s<1} \norm{J_{f}(x+sh)}_{2} \cdot \norm{h}_{2} \\ \hfill \\ \implies \ & \norm{f(x+h) - f(x)}_{2} = \norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+sh)h \d{s}}_{2} \leq M \cdot \norm{x+h-x}_{2}. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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Sei $D$ nun konvex. Für $x,y \in D$ gilt dann: $$z = ty + (1-t)x = x + t(y-x) \in D, \ \ \ \ \ t \in [0,1].$$ |
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Sei $D$ nun konvex. Für $x,y \in D$ gilt dann: $$z = ty + (1-t)x = x + t(y-x) \in D, \ \ \ \ \ t \in [0,1].$$ |
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|
Sei $g(t) \coloneqq f(x+ t(x-y))$ für $t \in [0,1]$. Dann gilt für $i \in \{1,...,m\}$: |
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Sei $g(t) \coloneqq f(x+ t(y-x))$ für $t \in [0,1]$. Dann gilt für $i \in \{1,...,m\}$: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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f_{i}(y) - f_{i}(x) = g_{i}(1) - g_{i}(0) = \int_{0}^{1} g_{i}'(s) \d{s} = \int_{0}^{1} \sum_{j=1}^{n} \pdv{f_{i}(x+s(y-x))}{x_{j}}(y_{j}-x_{j}) \d{s}. |
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f_{i}(y) - f_{i}(x) = g_{i}(1) - g_{i}(0) = \int_{0}^{1} g_{i}'(s) \d{s} = \int_{0}^{1} \sum_{j=1}^{n} \pdv{f_{i}(x+s(y-x))}{x_{j}}(y_{j}-x_{j}) \d{s}. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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Und damit in Vektorform: |
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Und damit in Vektorform: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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\norm{f(y) - f(x)}_{2} &= \norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x) \d{s}}_{2} \\ |
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\norm{f(y) - f(x)}_{2} &= \norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x) \d{s}}_{2} \\ |
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&\stackrel{\text{Lemma}}{\leq} \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x)}_{2} \d{s} \\ |
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&\leq \ \ \ \ \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \d{s} \\ |
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&\leq \ \ \ \sup_{0<s<1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \\ |
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&\stackrel{D \ \text{konvex}}{\leq} \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} = M \cdot \norm{y-x}_{2}. |
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&\stackrel{\text{Lemma \ref{lemma:dreieck-integrale}}}{\leq} \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x)}_{2} \d{s} \\ |
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&\leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \d{s} \\ |
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&\leq \sup_{0<s<1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \\ |
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&\stackrel{D \ \text{konvex}}{\leq} \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \\ |
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&= M \cdot \norm{y-x}_{2}. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\end{proof} |
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\end{proof} |
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\begin{bem} |
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\begin{bem} |
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@@ -117,7 +119,8 @@ |
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|
\begin{enumerate}[(1)] |
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\begin{enumerate}[(1)] |
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\item Sei $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$ partiell differenzierbar. Seien alle partiellen Ableitungen $$\partial_{i}f: D \to \R^{m}, \ \partial_{i}f = \begin{pmatrix} |
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\item Sei $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$ partiell differenzierbar. Seien alle partiellen Ableitungen $$\partial_{i}f: D \to \R^{m}, \ \partial_{i}f = \begin{pmatrix} |
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\partial_{i} f_{1} \\ \vdots \\ \partial_{i}f_{m} |
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\partial_{i} f_{1} \\ \vdots \\ \partial_{i}f_{m} |
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\end{pmatrix}, \ \ \ \partial_{i}f = \pdv{}{x_{i}} f$$ wieder partiell differenzierbar. Dann ist $f$ zweimal differenzierbar auf $D$ \ (mit Ableitungen $\partial_{j}\partial_{i}f, \ i,j \in \{1,...,n\}$). \\ Allgemein: (induktiv) $f: D \to \R^{m}$ ist $(k+1)$-mal partiell differenzierbar, wenn $f$ $k$-mal partiell differenzierbar ist und alle partiellen Ableitungen $k$-ter Ordnung $\partial_{i_{k}}\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}$ \ ($i_{k-1},...,i_{1} \in \{1,...,n\}$) partiell differenzierbar sind. |
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\end{pmatrix}, \ \ \ \partial_{i}f = \pdv{}{x_{i}} f$$ wieder partiell differenzierbar. Dann ist $f$ zweimal differenzierbar auf $D$ \ (mit Ableitungen $\partial_{j}\partial_{i}f, \ i,j \in \{1,...,n\}$). \\ Allgemein: (induktiv) $f: D \to \R^{m}$ ist $(k+1)$-mal partiell differenzierbar, wenn $f$ $k$-mal partiell differenzierbar ist und alle partiellen Ableitungen $k$-ter Ordnung $\partial_{i_{k}}\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f$ |
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\ ($i_{k},...,i_{1} \in \{1,...,n\}$) partiell differenzierbar sind. |
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\item $f: D \to \R^{m}$ ist $k$-mal stetig partiell differenzierbar, wenn $f$ \ $k$-mal differenzierbar ist und alle partiellen Ableitungen der $k$-ten Ordnung stetig sind ($f \in C^{k}(D,\R^{m})$). |
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\item $f: D \to \R^{m}$ ist $k$-mal stetig partiell differenzierbar, wenn $f$ \ $k$-mal differenzierbar ist und alle partiellen Ableitungen der $k$-ten Ordnung stetig sind ($f \in C^{k}(D,\R^{m})$). |
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\item Es gilt: |
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\item Es gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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@@ -125,19 +128,19 @@ |
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&\Longleftrightarrow \ \ \ \partial_{i}f_{k}: D \to \R \ \text{ist stetig} \ \forall i \in \{1,...,n\}, k \in \{1,...,m\} \\ |
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&\Longleftrightarrow \ \ \ \partial_{i}f_{k}: D \to \R \ \text{ist stetig} \ \forall i \in \{1,...,n\}, k \in \{1,...,m\} \\ |
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&\Longleftrightarrow \ \ \ f \ \text{ist total differenzierbar in} \ D \ \text{und} \ x \mapsto J_{f}(x) = (\partial_{i}f_{k})_{i,k} \ \text{stetig} |
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&\Longleftrightarrow \ \ \ f \ \text{ist total differenzierbar in} \ D \ \text{und} \ x \mapsto J_{f}(x) = (\partial_{i}f_{k})_{i,k} \ \text{stetig} |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\item Ist $f \in C^{k}(D,\R^{m})$, dann sind die Ableitungen der $k-1$-ten Ordnung $\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f: D \to \R^{m}$ total differenzierbar, weil stetig partiell differenzierbar. Also ist $\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f$ stetig und damit sind also alle Ableitungen $k-1$-ter Ordnung stetig. Ananolg folgt induktiv, dass alle Ableitungen $j$-ter Ordnung mit $j\leq k$ stetig auf $D$ sind. |
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\item Ist $f \in C^{k}(D,\R^{m})$, dann sind die Ableitungen der $k-1$-ten Ordnung $\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f: D \to \R^{m}$ total differenzierbar, weil stetig partiell differenzierbar. Also ist $\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f$ stetig und damit sind alle Ableitungen $k-1$-ter Ordnung stetig. Ananolg folgt induktiv, dass alle Ableitungen $j$-ter Ordnung mit $j\leq k$ stetig auf $D$ sind. |
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|
\item Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$. Existieren $\partial_{i}f, \partial_{j}f$ und $\partial_{j}\partial_{i}f$ auf $D$ \ ($i,j \in \{1,...,n\}$) \ und $\partial_{j}\partial_{i}f$ stetig in $a \in D$. Dann existiert $\partial_{i}\partial_{j}f$ und es gilt $$ \partial_{i}\partial_{j}f(a) = \partial_{j}\partial_{i}f(a).$$ |
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\item Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$. Existieren $\partial_{i}f, \partial_{j}f$ und $\partial_{j}\partial_{i}f$ auf $D$ \ ($i,j \in \{1,...,n\}$) \ und $\partial_{j}\partial_{i}f$ stetig in $a \in D$. Dann existiert $\partial_{i}\partial_{j}f$ und es gilt $$ \partial_{i}\partial_{j}f(a) = \partial_{j}\partial_{i}f(a).$$ |
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\item Seien $D \subset \R^{n}$ und $f \in C^{k}(D, \R^{m})$. Sei $\pi \in \mathcal{S}_{k}$ eine Permutation, dann gilt: $$ \partial_{i_{k}}...\partial_{i_{1}}f = \partial_{i_{\pi(k)}}...\partial_{i_{\pi(1)}}f, \ \ \ \ \ \ \ \forall i_{1},...,i_{k} \in \{1,...,n\}.$$ |
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\item Seien $D \subset \R^{n}$ und $f \in C^{k}(D, \R^{m})$. Sei $\pi \in \mathcal{S}_{k}$ eine Permutation, dann gilt: $$ \partial_{i_{k}}...\partial_{i_{1}}f = \partial_{i_{\pi(k)}}...\partial_{i_{\pi(1)}}f, \ \ \ \ \ \ \ \forall i_{1},...,i_{k} \in \{1,...,n\}.$$ |
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\end{enumerate} |
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\end{enumerate} |
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Reminder - Taylor-Entwicklung in $\R$: |
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Reminder - Taylor-Entwicklung in $\R$: |
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\begin{enumerate}[(1)] |
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\begin{enumerate}[(1)] |
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\item Sei $f: (a,b) \to \R$ \ $r$-mal stetig differenzierbar. Dann gilt: |
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\item Sei $f: (a,b) \to \R$ \ $(r+1)$-mal stetig differenzierbar. Dann gilt: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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f(x+h) = \sum_{k=0}^{r} \frac{f^{(k)}(x)}{k!} h^{k} + R_{r+1}^{f}(x,h). |
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f(x+h) = \sum_{k=0}^{r} \frac{f^{(k)}(x)}{k!} h^{k} + R_{r+1}^{f}(x,h). |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\item Für das Restglied in Lagrange-Form gilt ($\theta \in (0,1)$): |
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\item Für das Restglied in Lagrange-Form gilt ($\theta \in (0,1)$): |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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R_{r+1}^{f}(x,h) = \frac{f^{(r+1)}(x+\theta h) }{(r+1)!} h^{\theta + 1}. |
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R_{r+1}^{f}(x,h) = \frac{f^{(r+1)}(x+\theta h) }{(r+1)!} h^{r + 1}. |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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|
\item Für das Restglied in Integral-Form: |
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|
\item Für das Restglied in Integral-Form: |
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\begin{salign*} |
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\begin{salign*} |
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@@ -145,4 +148,4 @@ |
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\end{salign*} |
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\end{salign*} |
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\end{enumerate} |
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\end{enumerate} |
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\end{bem} |
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\end{bem} |
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\end{document} |
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\end{document} |