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ana1.tex

@@ -0,0 +1,358 @@
+\documentclass{../../../lecture}
+
+\begin{document}
+
+\section{Folgen und Reihen von Funktionen}
+
+\subsection{Funktionenfolgen und gleichmäßige Konvergenz}
+
+\begin{definition}
+    Sei für $n \in \N$, $f_n \colon D \to  \R$, $D \subset \R$ eine Funktion.
+    Die Folge $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert punktweise gegen
+    eine Funktion $f\colon D \to \R$ falls $\forall x \in D$
+    die Folge $(f_n(x))_{n\in\N}$ gegen $f(x)$ konvergiert, d.h.
+    \[
+        \forall \epsilon > 0 \quad \exists N = N(\epsilon, x) > 0 \text{ s.d. }
+        |f_n(x) - f(x)| < \epsilon \quad \forall n \ge N
+    .\] 
+\end{definition}
+
+\begin{bsp}
+    \begin{enumerate}[(a)]
+        \item \begin{align*}
+                &f_n(x)\colon [0,2] \to  \R \\
+                &f_n(x) = \begin{cases}
+                    n^2x & 0 \le x \le \frac{1}{n} \\
+                    2n - n^2x & \frac{1}{n} \le x \le \frac{2}{n} \\
+                    0 & \frac{2}{n} \le x \le 2
+                \end{cases}
+            .\end{align*}
+            $(f_n(x))_{n\in\N}$ konvergiert punktweise gegen $f(x) \equiv 0$ $\forall x \in [0,2]$.
+
+            $x=0$: $f_n(0) = 0 = f(0)$\\
+            $0 < x \le 2$: $\forall n \ge \frac{2}{x}$, $f_n(x) = 0 = f(x)$
+        \item $f_n(x) = x^{n}$, $f_n\colon [0,1] \to \R$.
+            \begin{figure}[h!]
+                \begin{tikzpicture}
+                    \begin{axis}%
+                        [grid=both,
+                         minor tick num=4,
+                         grid style={line width=.1pt, draw=gray!10},
+                         major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50},
+                         axis lines=middle,
+                         enlargelimits={abs=0.2},
+                         ymax=1,
+                         ymin=0
+                        ]
+                        \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,red] {x^1};
+                        \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,red] {x^2};
+                        \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,red] {x^3};
+                        \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,red] {x^4};
+                      \end{axis}
+                \end{tikzpicture}
+                \begin{tikzpicture}
+                    \begin{axis}%
+                        [grid=both,
+                         minor tick num=4,
+                         grid style={line width=.1pt, draw=gray!10},
+                         major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50},
+                         axis lines=middle,
+                         enlargelimits={abs=0.2},
+                         ymax=1,
+                         ymin=0
+                        ]
+                        \addplot[domain=0:1.1,samples=1000,smooth,red] {(and(x>=0  , x<1)   * 0 + (and(x>=1, x< 10) * 1};
+                      \end{axis}
+                \end{tikzpicture}
+                \caption{$f_n(x) = x^{n}$ und ihre Grenzfunktion}
+            \end{figure}
+            \begin{align*}
+                (f_n(x))_{n\in\N} \xrightarrow[\text{punktweise}]{n \to \infty} f(x)
+                = \begin{cases}
+                    1 & \text{ falls } x = 1 \\
+                    0 & \text{ falls } 0 \le x < 1
+                \end{cases}
+            .\end{align*}
+    \end{enumerate}
+    \label{bsp:punktweisekonvergenz}
+\end{bsp}
+
+\begin{bem}
+    Punktweiser Limes stetiger Funktionen muss nicht stetig sein.
+\end{bem}
+
+\begin{definition}
+    Die Folge $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig gegen $f\colon D \to \R$ falls gilt
+    \[
+        \forall \epsilon > 0 \quad \exists N = N(\epsilon) \text{ s.d. }
+        |f_n(x) - f(x)| < \epsilon \quad \forall x \in D \text{ und } n \ge N
+    .\] 
+\end{definition}
+
+\begin{bem}
+    $\forall \epsilon > 0$, $\exists N = N(\epsilon)$, $\forall n \ge N$ gilt
+    \[
+        \text{graph}(f_n) \subset \epsilon\text{-Umgebung von Graphen von } f
+        := \{ (x, y) \in D \times \R  \mid | y - f(x)| < \epsilon\} 
+    .\] 
+    \begin{figure}[h!]
+        \begin{tikzpicture}
+            \begin{axis}%
+                [grid=both,
+                 minor tick num=4,
+                 grid style={line width=.1pt, draw=gray!10},
+                 major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50},
+                 axis lines=middle,
+                 enlargelimits={abs=0.2},
+                 ymax=1,
+                 ymin=0
+                ]
+                \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,dashed, blue] {0.3*sin(deg(8*x)) + 0.2*x + 0.7};
+                \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,red] {0.3*sin(deg(8*x)) + 0.2*x + 0.5};
+                \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,blue] {0.1 * sin(deg(40*x)) + 0.3*sin(deg(8*x)) + 0.2*x + 0.5};
+                \addplot[domain=0:1,samples=50,smooth,dashed, blue] {0.3*sin(deg(8*x)) + 0.2*x + 0.3};
+              \end{axis}
+        \end{tikzpicture}
+        \begin{tikzpicture}
+            \begin{axis}%
+                [grid=both,
+                 minor tick num=4,
+                 grid style={line width=.1pt, draw=gray!10},
+                 major grid style={line width=.2pt,draw=gray!50},
+                 axis lines=middle,
+                 enlargelimits={abs=0.2},
+                 ymax=1,
+                 ymin=-0.4,
+                ]
+                \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,samples=50,smooth,blue] {x^8};
+                \addplot[domain=0:1.1,samples=50,smooth,dashed, blue] {-0.3};
+              \end{axis}
+        \end{tikzpicture}
+        \caption{Links: ,,$\epsilon$-Schlauch'', Rechts: \ref{bsp:punktweisekonvergenz} (b) nicht gleichmäßig konvergent}
+    \end{figure}
+    Beispiele \ref{bsp:punktweisekonvergenz} (a) und (b) nicht gleichmäßig konvergent, zu (a):
+    Für $\epsilon = \frac{1}{2}$ gilt
+    $\left|f_n\left(\frac{1}{n}\right)- f\left(\frac{1}{n}\right)\right| = n > \frac{1}{2}$
+\end{bem}
+
+\begin{bsp}
+    $f_n\colon [0,2] \to \R$, $f_n(x) := \frac{1}{n} \sin \left( 2\pi n \cdot x \right) $ konvergiert
+    gleichmäßig gegen $f(x) = 0$.
+    \[
+        | \sin(2 \pi n \cdot x) | \le 1 \quad \forall x \in R \implies
+        f_n(x) \xrightarrow{n \to \infty} 0 \quad \forall x \in [0,2] \implies \text{punktweise Konvergenz}
+    .\] Sei nun $\epsilon > 0$, dann $\exists N \in \N$ mit $\frac{1}{N} < \epsilon$. Damit folgt
+    \[
+        \forall n \ge N \quad |f_n(x)| \le \frac{1}{N} < \epsilon \quad \forall x
+        \implies \text{gleichmäßige Konvergenz}
+    .\] 
+\end{bsp}
+\begin{bem}
+    Konvergiert $f_n \colon D \to \R$ gleichmäßig gegen $f \colon  D \to \R$, dann konvergiert $f_n$ punktweise
+    gegen $f$. Die Umkehrung gilt nicht, siehe \ref{bsp:punktweisekonvergenz} (a) und (b).
+\end{bem}
+
+\begin{satz}[Gleichmäßiger Limes stetiger Funktionen ist stetig]
+    Es sei $D \subset \R$ und $f_n\colon D \to \R$ $\forall n \in \N$ stetig in $D$.
+    Sei $(f_n)_{n\in\N}$ gleichmäßig konvergent gegen $f\colon D \to \R$. Dann gilt:
+    $f$ ist stetig in $D$.
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+    Seien $x_0 \in D$ und $\epsilon > 0$.
+    Zu zeigen:
+    $\exists \delta > 0$ $\forall x \in D\colon |x - x_0| < \delta \implies |f(x) - f(x_0)| < \epsilon$.
+    \[
+        (f_n)_{n\in\N} \xrightarrow[\text{gleichmäßig}]{n \to  \infty} f
+        \implies \exists N \in \N \text{ s.d. } \forall n \ge N \quad \forall x \in D
+        \text{ gilt } | f_n(x) - f(x)| < \frac{\epsilon}{3}
+    .\] 
+    \[
+    f_n \text{ stetig in } x_0 \implies \exists \delta \text{ s.d. } \forall x \in D \text{ gilt }
+    |x - x_0| < \delta \implies |f_n(x) - f_n(x_0)| < \frac{\epsilon}{3}
+    .\] 
+    Zusammen: $\forall x$ mit $|x - x_0| < \delta $ gilt:
+    \begin{align*}
+        |f(x) - f(x_0)| &= |f(x) - f_n(x) + f_n(x) - f_n(x_0) + f_n(x_0) - f(x_0)| \\
+                        &\le |f(x) - f_n(x)| + |f_n(x) - f_n(x_0)| + |f_n(x_0) - f(x_0)| \\
+                        &\le \frac{\epsilon}{3} + \frac{\epsilon}{3} + \frac{\epsilon}{3} \\
+                        &= \epsilon
+    .\end{align*}
+\end{proof}
+
+\subsection{Der Funktionenraum $C[a,b]$}
+
+\begin{definition}[Maximumnorm $\Vert\cdot \Vert_\infty$]
+    Es sei $D$ ein beschränktes, abgeschlossenes Intervall $I = [a,b]$ und
+    $f\colon [a,b] \to \R$ (oder $\mathbb{C}$) stetig. Dann
+    \[
+        \Vert f \Vert_\infty := \max \{ |f(x)|  \mid  x \in [a,b]\} 
+    .\] Das Maximum existiert wegen der Stetigkeit des Absolutbetrags und weil $[a,b]$ beschränkt und
+    abgeschlossen ist.
+\end{definition}
+
+\begin{satz}[$\Vert \cdot \Vert_\infty$ und gleichmäßige Konvergenz]
+    Es sei $D = [a,b]$ und $f\colon [a,b] \to \R$ stetig. Dann gilt
+    \begin{enumerate}[(i)]
+        \item $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig gegen $f \colon [a,b] \to \R
+            \iff \Vert f_n - f \Vert_\infty \to 0$, $n \to \infty$
+        \item Cauchy-Kriterium: $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig auf $[a,b]
+            \iff \forall \epsilon > 0$ $\exists N_0 \in \N$, s.d. $\forall n, m \ge N_0$ gilt
+            $\Vert f_n - f_m \Vert_{\infty} < \epsilon$
+    \end{enumerate}
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+    \begin{enumerate}[(i)]
+        \item ,,$\implies$'': Sei $\epsilon > 0$. Dann $\exists N \in \N$ s.d.
+            $|f_n(x) - f(x)| < \frac{\epsilon}{2}$ $\forall x \in [a,b]$ und $\forall n \ge N$. Damit folgt:
+            \[
+                \max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f(x)| = \Vert f_n - f \Vert_{\infty} < \frac{\epsilon}{2} < \epsilon \implies \Vert f_n - f \Vert_{\infty} \xrightarrow{n \to \infty} 0
+            .\] 
+            ,,$\impliedby$'': Sei $\epsilon > 0$. Wegen
+            $\Vert f_n -f \Vert_{\infty} \xrightarrow{n \to \infty} 0$ $\exists N \in \N$ s.d.
+            $\Vert f_n - f \Vert_\infty < \epsilon$ $\forall n \ge N$. Damit folgt
+            $\forall n \ge N$ und $\forall x \in [a,b]$
+            \[
+                |f_n(x) - f(x)| \le \max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f(x)| =
+                \Vert f_n - f \Vert_{\infty} < \epsilon \implies \text{gleichmäßige Konvergenz}
+            .\] 
+        \item ,,$\implies$'' $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig auf $[a,b]$, d.h.
+            $\exists f: [a,b] \to \R$ s.d. $f_n \xrightarrow[\text{gleichmäßig}]{n \to \infty} f$.
+
+            Sei $\epsilon > 0$, dann $\exists N_0 \in \N$ s.d. $|f_n(x) - f(x)| < \frac{\epsilon}{4}$
+            $\forall n \ge N_0$ und $\forall x \in [a,b]$.
+
+            Damit gilt $\forall n, m \ge N_0$ und $\forall x \in [a,b]$:
+
+            \begin{align*}
+                &|f_n(x) - f_m(x)| \le |f_n(x) - f(x)| + |f(x) - f_m(x)|
+                \le \frac{\epsilon}{4} + \frac{\epsilon}{4} = \frac{\epsilon}{2} \\
+                \implies &\max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f_m(x)| = \Vert f_n - f_m \Vert_{\infty}
+                \le \frac{\epsilon}{2} < \epsilon \quad \forall n, m \ge N_0
+            .\end{align*}
+
+            ,,$\impliedby$'': Sei $\epsilon > 0$, dann $\exists N_0 \in \N$, s.d.
+            \[
+                |f_n(x) - f_m(x)| \le \Vert f_n - f_m \Vert_\infty < \frac{\epsilon}{2} \quad
+                \forall n,m \ge N_0 \quad \forall x \in [a,b]
+            .\] $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ ist eine Cauchy-Folge in $\R$.\\
+            $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ konvergiert \\
+            $\implies$ Definiere $f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x)$, $x \in [a,b]$.
+
+            Dann gilt $\forall n \ge N_0$, $\forall x \in [a,b]$:
+            \[
+                |f_n(x) - f(x)| = \lim_{m \to \infty} |f_n(x) - f_m(x)| < \frac{\epsilon}{2}
+                \implies (f_n)_{n\in\N} \text{ konvergiert gleichmäßig gegen } f
+            .\] 
+    \end{enumerate}
+\end{proof}
+
+\begin{bem}
+    $\Vert \cdot \Vert_{\infty}$ erfüllt s.g. Normeigenschaften:
+    \begin{enumerate}[(N1)]
+        \item $\Vert f \Vert_\infty = 0 \implies f(x) = 0, x \in [a,b]$ (Definitheit)
+        \item $\Vert \alpha f \Vert_{\infty} = |\alpha| \cdot \Vert f \Vert_\infty$, $\alpha \in \R$ (Homogenität)
+        \item $\Vert f + g \Vert_{\infty} \le \Vert f \Vert_\infty + \Vert g \Vert_\infty$ (Dreiecksungleichung)
+    \end{enumerate} folgen direkt aus den Eigenschaften des Absolutbetrags.
+\end{bem}
+
+\begin{definition}
+    Der Funktionenraum $C[a,b]$ definiert durch
+    \[
+        C[a,b] := \{ f \colon [a,b] \to \R  \mid f \text{ stetig }\}
+    ,\] ist mit $\Vert f \Vert_\infty$ ein normierter Vektorraum.
+\end{definition}
+
+\begin{satz}[Vollständigkeit]
+    Der Raum $C[a,b]$ ist vollständig bezüglich gleichmäßiger Konvergenz, d.h. jede
+    Cauchy-Folge von Funktionen aus $C[a,b]$ besitzt einen Limes in $C[a,b]$
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+    Rannacher
+\end{proof}
+
+\subsection{Integration und Grenzübergänge}
+
+Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^{b} f$?
+
+\begin{satz}
+    Seien $f_n \colon [a,b] \to R$ stetige Riemann-integrierbare Funktionen und $f\colon [a,b] \to \R$
+    mit $\Vert f_n - f \Vert_\infty \xrightarrow{n \to \infty} 0$ (gleichmäßige Konvergenz). Dann gilt
+    $f$ stetig und Riemann-integrierbar und
+    \[
+        \lim_{n \to \infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx = \int_{a}^{b} f(x) dx
+        = \int_{a}^{b} \lim_{n \to \infty} f_n(x) dx 
+    .\] 
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+    $f_n \xrightarrow[\text{gleichmäßig}]{n \to \infty} f \implies f$ stetig $\implies f$ Riemann-integrierbar.
+
+    Es gilt
+    \[
+        \left| \int_{a}^{b} f_n(x) dx - \int_{a}^{b} f(x) dx\right| = \left| \int_{a}^{b} (f_n(x) - f(x))dx\right|   
+        \le \int_{a}^{b} |f_n(x) - f(x)| dx \le \underbrace{\max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f(x)|}_{= \underbrace{\Vert f_n - f \Vert_\infty}_{\xrightarrow{n \to \infty} 0}\underbrace{(b-a)}_{\text{beschränkt}}}
+    .\] 
+\end{proof}
+
+\begin{satz}
+    Seien $f_n \colon [a,b] \to \R$ stetige Funktionen $(n \in \N)$ und die Reihe
+    $\sum_{n=0}^{\infty} f_n$ konvergiere gleichmäßig auf $[a,b]$, d.h. die Folge der Partialsummen
+    $(\sum_{n=0}^{N} f_n)_{n\in\N}$ sei gleichmäßig konvergent. Dann gilt:
+    \[
+        f(x) := \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \quad \forall x \in [a,b]
+    .\] ist stetig und Riemann-integrierbar und
+    \begin{align*}
+        \int_{a}^{b} f(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \\
+        \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx  
+    ,\end{align*} d.h. die Reihe wird gliedweise integriert.
+\end{satz}
+
+\begin{proof}
+    $f_n$ sind stetig $\implies \sum_{n=0}^{N} f_n(x)$ stetig und Riemann-integrierbar.
+
+    Die Folge der Partialsummen $(\sum_{n=0}^{N} f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig, d.h.
+    \[
+        f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \text{ stetig } = \lim_{n \to \infty} \left( \sum_{n=0}^{N} f_n(x) \right) \text{ gleichmäßiger Limes}
+    .\] Es gilt
+    \[
+        \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx =
+        \sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) dx + \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) dx
+    .\] Die Reihe konvergiert gleichmäßig, d.h. $\forall \epsilon > 0$ $\exists N_{\epsilon} \in \N$, s.d.
+    $\forall N \ge N_{\epsilon}$ gilt
+    \begin{align*}
+        &\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) dx \right| \le \epsilon \cdot (b-a)  \\
+        \implies &\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx - \sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \right| \le \epsilon \\
+        \implies& \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx = \lim_{N \to \infty} \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx = \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx   
+    .\end{align*}
+\end{proof}
+
+\begin{korrolar}[Integration von Potenzreihen]
+    Es sei $\sum_{n=0}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n}$ eine reelle Potenzreihe mit Konvergenzradius $\rho > 0$.
+    Dann konvergiert $\sum_{n=0}^{\infty} a_n (x - x_0)^{n}$ in jedem Intervall
+    $[x_0 - r, x_0 + r]$ für $0 < r < \rho$ gleichmäßig und für $[a,b] \subset \;]x_0 - \rho, x_0 + \rho[$ gilt
+    \[
+        \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n} dx = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n}{n+1}(x-x_0)^{n+1}
+        \Big|_{a}^{b}
+    .\] 
+\end{korrolar}
+
+\begin{proof}
+    Nur die gleichmäßige Konvergenz für $| x - x_0| \le r$ ist zu beweisen: Für $|x - x_0| \le r$, $r < \rho$ gilt:
+    \begin{align*}
+        \left\Vert \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x-x_0)^{n} - \sum_{n=0}^{N} a_n(x-x_0)^{n} \right\Vert_{\infty}
+        &= \left\Vert \sum_{n=N+1}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n}\right\Vert_\infty \\
+        &\stackrel{|x - x_0| < r}{\le} \quad \sum_{n=N+1}^{\infty} |a_n| \cdot r^{n} \\
+        &\stackrel{(*)}{\le} \sum_{n=N+1}^{\infty} \left(\frac{1}{\rho - \epsilon}\right)^{n} \cdot r^{n} \\
+        &= \sum_{n=N+1}^{\infty} \underbrace{\left( \frac{r}{\rho-\epsilon} \right)^{n}}_{< 1}
+        \xrightarrow[\text{geometrische Reihe}]{N \to \infty} 0
+    .\end{align*}
+    $(*)$: $\rho = \frac{1}{\limsup \sqrt[n]{|a_n|} }$, $r < \rho - \epsilon$ für ein $\epsilon > 0 \implies
+    \exists N_0 \in \N$, s.d. $\sqrt[n]{|a_n|} < \frac{1}{\rho - \epsilon} $ $\forall n \ge N_0$
+\end{proof}
+
+\end{document}

analysisII.tex

@@ -0,0 +1,22 @@
+\documentclass[titlepage]{../../../lecture}
+
+\usepackage{standalone}
+\usepackage{tikz}
+\usepackage{subcaption}
+
+\title{Analysis II}
+\author{Prof. Dr. Ekaterina Kostina}
+\date{SoSe 2020}
+
+\begin{document}
+
+\newgeometry{right=15mm, left=15mm}
+\maketitle
+\restoregeometry
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+\tableofcontents
+\newpage
+
+\input{ana1.tex}
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+\end{document}