| @@ -59,9 +59,10 @@ | |||||
| axis lines=middle, | axis lines=middle, | ||||
| enlargelimits={abs=0.2}, | enlargelimits={abs=0.2}, | ||||
| ymax=1, | ymax=1, | ||||
| ymin=0 | |||||
| ymin=0, | |||||
| xmax=1.1, | |||||
| ] | ] | ||||
| \addplot[domain=0:1.1,samples=1000,smooth,red] {(and(x>=0 , x<1) * 0 + (and(x>=1, x< 10) * 1}; | |||||
| \addplot[domain=0:1.001,samples=1000,red] {(and(x>=0 , x<1) * 0 + (and(x>=1, x< 10) * 1}; | |||||
| \end{axis} | \end{axis} | ||||
| \end{tikzpicture} | \end{tikzpicture} | ||||
| \caption{$f_n(x) = x^{n}$ und ihre Grenzfunktion} | \caption{$f_n(x) = x^{n}$ und ihre Grenzfunktion} | ||||
| @@ -125,7 +126,7 @@ | |||||
| ymin=-0.4, | ymin=-0.4, | ||||
| ] | ] | ||||
| \addplot[domain=0:1.1,samples=50,smooth,dashed, blue] {0.3}; | \addplot[domain=0:1.1,samples=50,smooth,dashed, blue] {0.3}; | ||||
| \addplot[domain=0:1.001,samples=1000,smooth,red] {(and(x>=0 , x<1) * 0 + (and(x>=1, x< 10) * 1}; | |||||
| \addplot[domain=0:1.001,samples=1000,red] {(and(x>=0 , x<1) * 0 + (and(x>=1, x< 10) * 1}; | |||||
| \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,blue] {x^8}; | \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,blue] {x^8}; | ||||
| \addplot[domain=0:1.1,samples=50,smooth,dashed, blue] {-0.3}; | \addplot[domain=0:1.1,samples=50,smooth,dashed, blue] {-0.3}; | ||||
| \end{axis} | \end{axis} | ||||
| @@ -62,7 +62,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| \begin{definition}[Skalarprodukt] | \begin{definition}[Skalarprodukt] | ||||
| Sei $V$ Vektorraum über $\mathbb{K}$. Die Abbildung $<\cdot, \cdot >\colon V \times V \to \mathbb{K}$ | |||||
| Sei $V$ Vektorraum über $\mathbb{K}$. Die Abbildung $\langle\cdot, \cdot \rangle\colon V \times V \to \mathbb{K}$ | |||||
| heißt Skalarprodukt auf $V$, falls $\forall u, v, w \in V$ und $\alpha \in \mathbb{K}$ gilt: | heißt Skalarprodukt auf $V$, falls $\forall u, v, w \in V$ und $\alpha \in \mathbb{K}$ gilt: | ||||
| \begin{enumerate}[(S1)] | \begin{enumerate}[(S1)] | ||||
| \item $\langle v, u\rangle = \overline{\langle u, v\rangle}$ (Symmetrie, | \item $\langle v, u\rangle = \overline{\langle u, v\rangle}$ (Symmetrie, | ||||
| @@ -150,7 +150,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \begin{definition}[Konvergenz im Quadratischen Mittel ($L^2$-Konvergenz)] | \begin{definition}[Konvergenz im Quadratischen Mittel ($L^2$-Konvergenz)] | ||||
| Seien $f_n \in R[a,b], n \in \N, f \in R[a,b]$. $f_n$ konvergiert gegen $f$ im Quadratischen | Seien $f_n \in R[a,b], n \in \N, f \in R[a,b]$. $f_n$ konvergiert gegen $f$ im Quadratischen | ||||
| Mittel $f_n \xrightarrow[L^2]{n \to \infty}$, wenn gilt | |||||
| Mittel $f_n \xrightarrow[L^2]{n \to \infty}f$, wenn gilt | |||||
| \[ | \[ | ||||
| \Vert f_n - f \Vert_{L^2} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | \Vert f_n - f \Vert_{L^2} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | ||||
| .\] Das heißt, dass die quadratische Abweichung zwischen $f_n$ und $f$ gegen Null konvergiert: | .\] Das heißt, dass die quadratische Abweichung zwischen $f_n$ und $f$ gegen Null konvergiert: | ||||
| @@ -199,7 +199,7 @@ | |||||
| \left.\gamma\right|_{[s_{i-1}, s_i]} \in C^1([s_{i-1},s_i], \R^n),\quad \forall i = 1, \dots, M. | \left.\gamma\right|_{[s_{i-1}, s_i]} \in C^1([s_{i-1},s_i], \R^n),\quad \forall i = 1, \dots, M. | ||||
| \] | \] | ||||
| Dann ist $\gamma$ rektifizierbar und hat die Länge \[S(\gamma) = \int_a^b \norm{\gamma'(t)}_2\d t = \sum_{i = 1}^{M}\int_{s_{i-1}}^{s_i} \norm{\gamma'(t)}_2 \d t.\] | Dann ist $\gamma$ rektifizierbar und hat die Länge \[S(\gamma) = \int_a^b \norm{\gamma'(t)}_2\d t = \sum_{i = 1}^{M}\int_{s_{i-1}}^{s_i} \norm{\gamma'(t)}_2 \d t.\] | ||||
| Insbesondere hat der Graph einer $C_1$-Funktion $f\in C^1([a,b], \R), \ \gamma_f(t)\coloneqq (t, f(t))^T$ die Länge \[S(\gamma_f) = \int_a^b \sqrt{1 + f'(t)^2} \d t.\] | |||||
| Insbesondere hat der Graph einer $C^1$-Funktion $f\in C^1([a,b], \R), \ \gamma_f(t)\coloneqq (t, f(t))^T$ die Länge \[S(\gamma_f) = \int_a^b \sqrt{1 + f'(t)^2} \d t.\] | |||||
| \end{satz} | \end{satz} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| Sei $\mathcal{Z} = \{t_0, \dots, t_N\}$ eine Partition, betrachte $\mathcal{Z}^* = \mathcal{Z} \cup \{s_0,\dots, s_M\} = \{x_0,\dots, x_K\}$. Dann gilt | Sei $\mathcal{Z} = \{t_0, \dots, t_N\}$ eine Partition, betrachte $\mathcal{Z}^* = \mathcal{Z} \cup \{s_0,\dots, s_M\} = \{x_0,\dots, x_K\}$. Dann gilt | ||||
| @@ -219,8 +219,8 @@ | |||||
| Dann ist $\gamma$ ein geschlossener Integrationsweg, also folgt | Dann ist $\gamma$ ein geschlossener Integrationsweg, also folgt | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| 0 &= \int_{\gamma}^{} F \\ | 0 &= \int_{\gamma}^{} F \\ | ||||
| &= \int_{-1}^{0} (F(\gamma_1(t)), \gamma_1'(t)) \d t + \int_{0}^{1} (F(\gamma_2(-t), - \gamma_2'(-t)) \d t \\ | |||||
| &\stackrel{s \coloneqq -t}{=} \int_{\gamma_1}^{} F + \int_{0}^{-1} (F(\gamma_2(s)), \gamma_2'(s) \d s \\ | |||||
| &= \int_{-1}^{0} (F(\gamma_1(t)), \gamma_1'(t)) \d t + \int_{0}^{1} (F(\gamma_2(-t)), - \gamma_2'(-t)) \d t \\ | |||||
| &\stackrel{s \coloneqq -t}{=} \int_{\gamma_1}^{} F + \int_{0}^{-1} (F(\gamma_2(s)), \gamma_2'(s)) \d s \\ | |||||
| &= \int_{\gamma_1}^{} F - \int_{\gamma_2}^{} F | &= \int_{\gamma_1}^{} F - \int_{\gamma_2}^{} F | ||||
| .\end{salign*} | .\end{salign*} | ||||
| @@ -256,7 +256,7 @@ | |||||
| \int_{\gamma} F = \varphi(x) - \varphi(x_0) | \int_{\gamma} F = \varphi(x) - \varphi(x_0) | ||||
| .\] Damit folgt | .\] Damit folgt | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \varphi(x) - \varphi(x_0) = \varphi_0(x) \implies \varphi(x) = \varphi_0(x) + \underbrace{\varphi(x_0)}_{\text{konst}} = \varphi_0(x) + c | |||||
| \varphi(x) - \varphi(x_0) = \varphi_0(x) \implies \varphi(x) = \varphi_0(x) + \underbrace{\varphi(x_0)}_{\text{konst.}} = \varphi_0(x) + c | |||||
| .\] | .\] | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| @@ -31,7 +31,7 @@ | |||||
| .\] mit z.B. $\gamma(t) \coloneqq t \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} $, $t \in [0,1]$. | .\] mit z.B. $\gamma(t) \coloneqq t \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} $, $t \in [0,1]$. | ||||
| Dann gilt | Dann gilt | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| \int_{\gamma} F &= \int_{0}^{1} \left( F(\gamma(t), \gamma'(t) \right) \d t \\ | |||||
| \int_{\gamma} F &= \int_{0}^{1} \left( F(\gamma(t)), \gamma'(t) \right) \d t \\ | |||||
| &= \int_{0}^{1} \left( \begin{pmatrix} ty \\ tx \end{pmatrix} , \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \right) \d t \\ | &= \int_{0}^{1} \left( \begin{pmatrix} ty \\ tx \end{pmatrix} , \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \right) \d t \\ | ||||
| &= \int_{0}^{1} \left( t y x + tx y \right) \d t \\ | &= \int_{0}^{1} \left( t y x + tx y \right) \d t \\ | ||||
| &= \int_{0}^{1} 2 t x y \d t \\ | &= \int_{0}^{1} 2 t x y \d t \\ | ||||
| @@ -87,24 +87,24 @@ Die Integrabilitätsbedingungen sind nicht hinreichend. | |||||
| Kurven. | Kurven. | ||||
| \begin{enumerate}[(i)] | \begin{enumerate}[(i)] | ||||
| \item Es gelte $\gamma_0(a) = A = \gamma_1(a)$ und | \item Es gelte $\gamma_0(a) = A = \gamma_1(a)$ und | ||||
| $\gamma_0(b) = B = \gamma_1(b)$. $y_0$ und $y_1$ heißen \underline{homotop} in $D$, falls | |||||
| $\gamma_0(b) = B = \gamma_1(b)$. $\gamma_0$ und $\gamma_1$ heißen \underline{homotop} in $D$, falls | |||||
| eine stetige Abbildung $H\colon [a,b] \times [0,1] \to D$ (Homotopie) existiert, s.d. | eine stetige Abbildung $H\colon [a,b] \times [0,1] \to D$ (Homotopie) existiert, s.d. | ||||
| $H(t, 0) = \gamma_0(t)$ und $H(t,1) = \gamma_1(t)$, $\forall t \in [a,b]$ und | |||||
| $H(t, 0) = \gamma_0(t)$ und $H(t,1) = \gamma_1(t)$, $\forall t \in [a,b]$ sowie | |||||
| $H(a, s) = A$ und $H(b,s) = B$, $\forall s \in [0,1]$. | $H(a, s) = A$ und $H(b,s) = B$, $\forall s \in [0,1]$. | ||||
| Für $s \in [0,1]$ sind | Für $s \in [0,1]$ sind | ||||
| $\gamma_s^{(t)} \coloneqq H(t,s)$, $t \in [a,b]$ mit $\gamma_s(a) = A$ und $\gamma_s(b) = B$ | |||||
| $\gamma_s(t) \coloneqq H(t,s)$, $t \in [a,b]$ mit $\gamma_s(a) = A$ und $\gamma_s(b) = B$ | |||||
| stetige Kurven von $A$ nach $B$ in $D$. $H$ heißt stetige Deformation von $\gamma_0$ nach | stetige Kurven von $A$ nach $B$ in $D$. $H$ heißt stetige Deformation von $\gamma_0$ nach | ||||
| $\gamma_1$. | $\gamma_1$. | ||||
| \item $\gamma_0$ und $\gamma_1$ seien geschlossen. $\gamma_0$ und $\gamma_1$ heißen | \item $\gamma_0$ und $\gamma_1$ seien geschlossen. $\gamma_0$ und $\gamma_1$ heißen | ||||
| \underline{frei homotop} in $D$ falls eine stetige Abbildung | |||||
| $H\colon [a,b] \times [0,1] \to D$ mit $H(t,0) = \gamma_0(t)$, $\forall t \in [a,b]$ und | |||||
| $H(a,s) = H(b,s)$, $\forall x \in [0,1]$ d.h. für $s \in [0,1]$ sind $\gamma_s(t) \coloneqq H(t,s)$ | |||||
| geschlossene Kurven in $D$. | |||||
| \underline{frei homotop} in $D$, falls eine stetige Abbildung | |||||
| $H\colon [a,b] \times [0,1] \to D$ existiert mit $H(t,0) = \gamma_0(t)$ und $H(t,1) = \gamma_1(t)$, $\forall t \in [a,b]$ und | |||||
| $H(a,s) = H(b,s)$, $\forall s \in [0,1]$, d.h. für $s \in [0,1]$ ist $\gamma_s(t) \coloneqq H(t,s)$ | |||||
| eine geschlossene Kurve in $D$. | |||||
| $H$ heißt stetige Deformation innerhalb von $D$ der | $H$ heißt stetige Deformation innerhalb von $D$ der | ||||
| geschlossenen Kurve $\gamma_0$ nach der geschlossenen Kurve $\gamma_1$. | geschlossenen Kurve $\gamma_0$ nach der geschlossenen Kurve $\gamma_1$. | ||||
| \item Eine geschlossene Kurve heißt zusammenziehbar in $D$, wenn sie frei homotop zu | |||||
| \item Eine geschlossene Kurve heißt \underline{zusammenziehbar} in $D$, wenn sie frei homotop zu | |||||
| einer konstanten Kurve ist, d.h. sie sich in $D$ zu einem Punkt zusammenziehen lässt. | einer konstanten Kurve ist, d.h. sie sich in $D$ zu einem Punkt zusammenziehen lässt. | ||||
| \end{enumerate} | \end{enumerate} | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -134,7 +134,7 @@ Die Integrabilitätsbedingungen sind nicht hinreichend. | |||||
| \begin{satz}[Zweiter Hauptsatz der Kurvenintegrale: Homotopieinvarianz] | \begin{satz}[Zweiter Hauptsatz der Kurvenintegrale: Homotopieinvarianz] | ||||
| Sei $D \subseteq \R^{n}$ offen, $F \in C^{1}(D, \R^{n})$ erfülle | Sei $D \subseteq \R^{n}$ offen, $F \in C^{1}(D, \R^{n})$ erfülle | ||||
| die Integrabilitätsbedingungen und $\gamma_0, \gamma_1 \colon [a,b] \to D$ Integrationswege. | |||||
| die Integrabilitätsbedingungen und seien $\gamma_0, \gamma_1 \colon [a,b] \to D$ Integrationswege. | |||||
| Sind $\gamma_0$ und $\gamma_1$ homotop in $D$ mit gemeinsamem Anfangs- und Endpunkt oder | Sind $\gamma_0$ und $\gamma_1$ homotop in $D$ mit gemeinsamem Anfangs- und Endpunkt oder | ||||
| geschlossen und frei homotop in $D$, dann gilt | geschlossen und frei homotop in $D$, dann gilt | ||||