| @@ -93,7 +93,7 @@ | |||||
| $\forall \epsilon > 0$, $\exists N = N(\epsilon)$, $\forall n \ge N$ gilt | $\forall \epsilon > 0$, $\exists N = N(\epsilon)$, $\forall n \ge N$ gilt | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \text{graph}(f_n) \subset \epsilon\text{-Umgebung von Graphen von } f | \text{graph}(f_n) \subset \epsilon\text{-Umgebung von Graphen von } f | ||||
| := \{ (x, y) \in D \times \R \mid | y - f(x)| < \epsilon\} | |||||
| \coloneqq \{ (x, y) \in D \times \R \mid | y - f(x)| < \epsilon\} | |||||
| .\] | .\] | ||||
| \begin{figure}[ht!] | \begin{figure}[ht!] | ||||
| \begin{tikzpicture}[scale = 0.97] | \begin{tikzpicture}[scale = 0.97] | ||||
| @@ -138,7 +138,7 @@ | |||||
| \end{bem} | \end{bem} | ||||
| \begin{bsp} | \begin{bsp} | ||||
| $f_n\colon [0,2] \to \R$, $f_n(x) := \frac{1}{n} \sin \left( 2\pi n \cdot x \right) $ konvergiert | |||||
| $f_n\colon [0,2] \to \R$, $f_n(x) \coloneqq \frac{1}{n} \sin \left( 2\pi n \cdot x \right) $ konvergiert | |||||
| gleichmäßig gegen $f(x) = 0$. | gleichmäßig gegen $f(x) = 0$. | ||||
| \[ | \[ | ||||
| | \sin(2 \pi n \cdot x) | \le 1 \quad \forall x \in R \implies | | \sin(2 \pi n \cdot x) | \le 1 \quad \forall x \in R \implies | ||||
| @@ -188,7 +188,7 @@ | |||||
| Es sei $D$ ein beschränktes, abgeschlossenes Intervall $I = [a,b]$ und | Es sei $D$ ein beschränktes, abgeschlossenes Intervall $I = [a,b]$ und | ||||
| $f\colon [a,b] \to \R$ (oder $\mathbb{C}$) stetig. Dann | $f\colon [a,b] \to \R$ (oder $\mathbb{C}$) stetig. Dann | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \Vert f \Vert_\infty := \max \{ |f(x)| \mid x \in [a,b]\} | |||||
| \Vert f \Vert_\infty \coloneqq \max \{ |f(x)| \mid x \in [a,b]\} | |||||
| .\] Das Maximum existiert wegen der Stetigkeit des Absolutbetrags und weil $[a,b]$ beschränkt und | .\] Das Maximum existiert wegen der Stetigkeit des Absolutbetrags und weil $[a,b]$ beschränkt und | ||||
| abgeschlossen ist. | abgeschlossen ist. | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -240,7 +240,7 @@ | |||||
| \forall n,m \ge N_0 \quad \forall x \in [a,b] | \forall n,m \ge N_0 \quad \forall x \in [a,b] | ||||
| .\] $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ ist eine Cauchy-Folge in $\R$.\\ | .\] $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ ist eine Cauchy-Folge in $\R$.\\ | ||||
| $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ konvergiert \\ | $\implies (f_n(x))_{n\in\N}$ konvergiert \\ | ||||
| $\implies$ Definiere $f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x)$, $x \in [a,b]$. | |||||
| $\implies$ Definiere $f(x) \coloneqq \lim_{n \to \infty} f_n(x)$, $x \in [a,b]$. | |||||
| Dann gilt $\forall n \ge N_0$, $\forall x \in [a,b]$: | Dann gilt $\forall n \ge N_0$, $\forall x \in [a,b]$: | ||||
| \[ | \[ | ||||
| @@ -262,7 +262,7 @@ | |||||
| \begin{definition} | \begin{definition} | ||||
| Der Funktionenraum $C[a,b]$ definiert durch | Der Funktionenraum $C[a,b]$ definiert durch | ||||
| \[ | \[ | ||||
| C[a,b] := \{ f \colon [a,b] \to \R \mid f \text{ stetig }\} | |||||
| C[a,b] \coloneqq \{ f \colon [a,b] \to \R \mid f \text{ stetig }\} | |||||
| ,\] ist mit $\Vert f \Vert_\infty$ ein normierter Vektorraum. | ,\] ist mit $\Vert f \Vert_\infty$ ein normierter Vektorraum. | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -306,7 +306,7 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^ | |||||
| $\sum_{n=0}^{\infty} f_n$ konvergiere gleichmäßig auf $[a,b]$, d.h. die Folge der Partialsummen | $\sum_{n=0}^{\infty} f_n$ 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: | $(\sum_{n=0}^{N} f_n)_{n\in\N}$ sei gleichmäßig konvergent. Dann gilt: | ||||
| \[ | \[ | ||||
| f(x) := \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \quad \forall x \in [a,b] | |||||
| f(x) \coloneqq \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \quad \forall x \in [a,b] | |||||
| .\] ist stetig und Riemann-integrierbar und | .\] ist stetig und Riemann-integrierbar und | ||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| \int_{a}^{b} f(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \\ | \int_{a}^{b} f(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \\ | ||||
| @@ -9,9 +9,9 @@ | |||||
| \begin{enumerate}[(1)] | \begin{enumerate}[(1)] | ||||
| \item Ist $f: [a,b] \to \R$ differenzierbar, dann gilt (HDI): | \item Ist $f: [a,b] \to \R$ differenzierbar, dann gilt (HDI): | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f(x+h) - f(x) = \int_{0}^{1} \dv{}{s} f(x+sh) \d{s} &\stackrel{\text{Kettenregel}}{=} \int_{0}^{1} f'(x+sh) \cdot h \d{s} \\ &= \left( \int_{0}^{1} f'(x+sh) \d{x} \right) \cdot h. | |||||
| f(x+h) - f(x) = \int_{0}^{1} \dv{}{s} f(x+sh) \d{s} &\stackrel{\text{Kettenregel}}{=} \int_{0}^{1} f'(x+sh) \cdot h \d{s} \\ &= \left( \int_{0}^{1} f'(x+sh) \d{s} \right) \cdot h. | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| . \item Mittelwertsatz der Differentialrechnung: $\exists \tau \in (0,1)$ sodass: | |||||
| \item Mittelwertsatz der Differentialrechnung: $\exists \tau \in (0,1)$ sodass: | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f(x+h) - f(x) = f'(x+ \tau h) \cdot h. | f(x+h) - f(x) = f'(x+ \tau h) \cdot h. | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| @@ -22,7 +22,7 @@ | |||||
| \end{enumerate} | \end{enumerate} | ||||
| \end{bem} | \end{bem} | ||||
| \begin{satz}[Mittelwertsatz] | \begin{satz}[Mittelwertsatz] | ||||
| Seien $D \in \R^{n}$ 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: | |||||
| 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: | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| 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. | 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. | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| @@ -32,13 +32,13 @@ | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| \end{satz} | \end{satz} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| Sei $f: D \to \R^{m}$. Sei $g_{j}: [0,1] \to \R ,g_{j}(s) \coloneqq f_{j}(x+sh)$. Dann gilt: | |||||
| Sei $f: D \to \R^{m}$. Sei $g_{j}: [0,1] \to \R ,\ g_{j}(s) \coloneqq f_{j}(x+sh)$. Dann gilt: | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f_{j}(x+h) - f_{j}(x) = g_{j}(1) - g_{j}(0) & \ \ \stackrel{\text{MWS}}{=} \ \ \int_{0}^{1} g_{j}'(s) \d{s} \ \ \ \ \stackrel{\text{Kettenregel}}{=} \ \ \ \ \int_{0}^{1} \sum_{i=1}^{n} \pdv{f}{x_{i}}(x+sh) \cdot h_{i} \d{s}. | |||||
| 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}. | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| Ist $m = 1$, so gilt: | Ist $m = 1$, so gilt: | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f(x+h) - f(x) &= \int_{0}^{1} \sum_{i=1}^{n} \pdv{f}{x_{i}}(x+sh) \d{s} \cdot h_{i} = \sum_{i=1}^{n} \left( \int_{0}^{1} \pdv{f_{i}}{x_{i}}(x+sh) \d{s} \right) \cdot h_{i} \\ &= \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}, h\right)_{2} | |||||
| f(x+h) - f(x) &= \int_{0}^{1} \sum_{i=1}^{n} \pdv{f}{x_{i}}(x+sh) \d{s} \cdot h_{i} = \sum_{i=1}^{n} \left( \int_{0}^{1} \pdv{f}{x_{i}}(x+sh) \d{s} \right) \cdot h_{i} \\ &= \left( \int_{0}^{1} \nabla f(x+sh) \d{s}, h\right)_{2} | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| Ist $m \geq 2$, so gilt analog zu oben: | Ist $m \geq 2$, so gilt analog zu oben: | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| @@ -46,11 +46,11 @@ | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{bem} | \begin{bem} | ||||
| Für $m = 1$, d.h. $f: \R^{n} \supset D \to \R$ gilt sogar für ein bestimmtest $\tau \in (0,1)$: | |||||
| Für $m = 1$, d.h. $f: \R^{n} \supset D \to \R$ gilt sogar für ein bestimmtes $\tau \in (0,1)$: | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f(x+h) - f(x) = \int_{0}^{1} \left( \nabla^{T} f(x+sh) \cdot h \right)\d{s} = \nabla^{T} f(x+\tau h) \cdot h. | f(x+h) - f(x) = \int_{0}^{1} \left( \nabla^{T} f(x+sh) \cdot h \right)\d{s} = \nabla^{T} f(x+\tau h) \cdot h. | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| Für $m \geq 2$ im Allgemeinen aber (da $\tau \in [0,1]$ nicht für alle Komponenten gleich gewählt werden kann): | |||||
| Für $m \geq 2$ im Allgemeinen aber nicht (da $\tau \in [0,1]$ nicht für alle Komponenten gleich gewählt werden kann): | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| f(x+h) - f(x) \neq J_{f}(x + \tau h) \cdot h. | f(x+h) - f(x) \neq J_{f}(x + \tau h) \cdot h. | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| @@ -74,29 +74,29 @@ | |||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{definition} | \begin{definition} | ||||
| $D \subset \mathbb{K}^{n}$ heißt \underline{konvex}, genau dann wenn: für alle $x,x' \in D$ und für alle $\lambda \in [0,1]$ gilt $\lambda \cdot x + (1-\lambda)x' \in D$. \\ | $D \subset \mathbb{K}^{n}$ heißt \underline{konvex}, genau dann wenn: für alle $x,x' \in D$ und für alle $\lambda \in [0,1]$ gilt $\lambda \cdot x + (1-\lambda)x' \in D$. \\ | ||||
| Geometrische: für zwei Punkte in $D$ liegt die Verbindungsstrecke der beiden Punkte stets ganz in $D$. | |||||
| Geometrisch: Für zwei Punkte in $D$ liegt die Verbindungsstrecke der beiden Punkte stets ganz in $D$. | |||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| \begin{korrolar} | \begin{korrolar} | ||||
| Seien $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{n}$ stetig differenzierbar. Sei $x \in D$ und $\varepsilon > 0$ sodass $K_{\varepsilon}(x) \subset D$. Dann gilt: | |||||
| 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: | |||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| \norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall y \in K_{\varepsilon} | \norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall y \in K_{\varepsilon} | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| mit $M \coloneqq \sup_{z \in K_{\varepsilon}(x)} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist lokal Lipschitz-stetig. \\ | mit $M \coloneqq \sup_{z \in K_{\varepsilon}(x)} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist lokal Lipschitz-stetig. \\ | ||||
| Sei $D$ konvex, dann gilt | Sei $D$ konvex, dann gilt | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| \norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall x,y \in K_{\varepsilon} | |||||
| \norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall x,y \in D | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| mit $M \coloneqq \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist auf $D$ Lipschitz-stetig. | mit $M \coloneqq \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist auf $D$ Lipschitz-stetig. | ||||
| \end{korrolar} | \end{korrolar} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| Aus obigem Lemma folgt: | Aus obigem Lemma folgt: | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| \norm{\int_{0}^{2} 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}. | |||||
| \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}. | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| Sei $D$ nun konvex. Für $x,y \in D$ gilt dann: $$z = ty + (1-t)x = x + t(y-x) \in D, \ \ \ \ \ t \in [0,1].$$ | Sei $D$ nun konvex. Für $x,y \in D$ gilt dann: $$z = ty + (1-t)x = x + t(y-x) \in D, \ \ \ \ \ t \in [0,1].$$ | ||||
| Sei $g(t) \coloneqq f(x+ t(x-y))$ für $t \in [0,1]$. Dann gilt für $i \in \{1,...,m\}$: | Sei $g(t) \coloneqq f(x+ t(x-y))$ für $t \in [0,1]$. Dann gilt für $i \in \{1,...,m\}$: | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| 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_{i}-x_{i}) \d{s}. | |||||
| 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}. | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| Und damit in Vektorform: | Und damit in Vektorform: | ||||
| \begin{salign*} | \begin{salign*} | ||||
| @@ -108,7 +108,7 @@ | |||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{bem} | \begin{bem} | ||||
| Obige Lipschitz-Konstante liefert eine Abschätzung für die Ableitungen/Jacobi-Matrix von $f$. | |||||
| Obige Lipschitz-Konstante liefert eine Abschätzung für die Ableitungen / Jacobi-Matrix von $f$. | |||||
| \end{bem} | \end{bem} | ||||
| \section{Taylor-Entwicklung} | \section{Taylor-Entwicklung} | ||||
| @@ -125,9 +125,9 @@ | |||||
| &\Longleftrightarrow \ \ \ \partial_{i}f_{k}: D \to \R \ \text{ist stetig} \ \forall i \in \{1,...,n\}, k \in \{1,...,m\} \\ | &\Longleftrightarrow \ \ \ \partial_{i}f_{k}: D \to \R \ \text{ist stetig} \ \forall i \in \{1,...,n\}, k \in \{1,...,m\} \\ | ||||
| &\Longleftrightarrow \ \ \ f \ \text{ist total differenzierbar in} \ D \ \text{und} \ x \mapsto J_{f}(x) = (\partial_{i}f_{k})_{i,k} \ \text{stetig} | &\Longleftrightarrow \ \ \ f \ \text{ist total differenzierbar in} \ D \ \text{und} \ x \mapsto J_{f}(x) = (\partial_{i}f_{k})_{i,k} \ \text{stetig} | ||||
| \end{salign*} | \end{salign*} | ||||
| \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 sind stetig. Ananolg folgt induktiv, dass alle Ableitungen $j$-ter Ordnung mit $j\leq k$ stetig auf $D$ sind. | |||||
| \item Seien $D \subset \R^{m}$ 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 $$ \partial_{i}\partial_{j}f(a) = \partial_{j}\partial_{i}f(a).$$ | |||||
| \item Seien $D \subset \R^{m}$ und $f \in C^{k}(D, \R^{m})$. Sei $\pi \in \mathcal{S}_{k}$ eine Permutation, dann gilt: $$ \partial_{i_{k}}...\partial_{i_{1}}f = \partial_{i_{\pi(k)}}...\partial_{i_{\pi(1)}}f, \ \ \ \ \ \ \ \forall i_{1},...,i_{k} \in \{1,...,n\}.$$ | |||||
| \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. | |||||
| \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 $$ \partial_{i}\partial_{j}f(a) = \partial_{j}\partial_{i}f(a).$$ | |||||
| \item Seien $D \subset \R^{n}$ und $f \in C^{k}(D, \R^{m})$. Sei $\pi \in \mathcal{S}_{k}$ eine Permutation, dann gilt: $$ \partial_{i_{k}}...\partial_{i_{1}}f = \partial_{i_{\pi(k)}}...\partial_{i_{\pi(1)}}f, \ \ \ \ \ \ \ \forall i_{1},...,i_{k} \in \{1,...,n\}.$$ | |||||
| \end{enumerate} | \end{enumerate} | ||||
| Reminder - Taylor-Entwicklung in $\R$: | Reminder - Taylor-Entwicklung in $\R$: | ||||
| \begin{enumerate}[(1)] | \begin{enumerate}[(1)] | ||||
| @@ -12,7 +12,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| $\text{Im}(f)$ Riemann-integrierbar sind. | $\text{Im}(f)$ Riemann-integrierbar sind. | ||||
| Man setzt | Man setzt | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \int_{a}^{b} f(x) \d x := \int_{a}^{b} \text{Re} f(x) \d x + i \int_{a}^{b} \text{Im} f(x) \d x | |||||
| \int_{a}^{b} f(x) \d x \coloneqq \int_{a}^{b} \text{Re} f(x) \d x + i \int_{a}^{b} \text{Im} f(x) \d x | |||||
| .\] | .\] | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -39,10 +39,10 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \item in jeder dieser Unstetigkeitsstellen $\xi \in [a,b]$ die links- bzw. | \item in jeder dieser Unstetigkeitsstellen $\xi \in [a,b]$ die links- bzw. | ||||
| rechtsseitigen Grenzwerte | rechtsseitigen Grenzwerte | ||||
| \[ | \[ | ||||
| f(\xi_{\pm} := \lim_{h \searrow 0} f(\xi \pm h) | |||||
| f(\xi_{\pm}) \coloneqq \lim_{h \searrow 0} f(\xi \pm h) | |||||
| .\] existieren. Für $\xi \in (a,b)$ wird | .\] existieren. Für $\xi \in (a,b)$ wird | ||||
| \[ | \[ | ||||
| f(\xi) := \frac{f(\xi_{-} + f(\xi_{+})}{2} | |||||
| f(\xi) \coloneqq \frac{f(\xi_{-}) + f(\xi_{+})}{2} | |||||
| .\] gesetzt. | .\] gesetzt. | ||||
| \end{enumerate} | \end{enumerate} | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -57,7 +57,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \begin{definition} | \begin{definition} | ||||
| Wir definieren | Wir definieren | ||||
| \[ | \[ | ||||
| (f, g) := \int_{a}^{b} f(x) \overline{g(x)} \d x \qquad (\text{,,Sesquilinearform``}) | |||||
| (f, g) \coloneqq \int_{a}^{b} f(x) \overline{g(x)} \d x \qquad (\text{,,Sesquilinearform``}) | |||||
| .\] Dies ist wohldefiniert da für $f, g \in R[a,b]$ das Produkt $f(x) \cdot \overline{g(x)} \in R[a,b]$ ist. | .\] Dies ist wohldefiniert da für $f, g \in R[a,b]$ das Produkt $f(x) \cdot \overline{g(x)} \in R[a,b]$ ist. | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -113,7 +113,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \[ | \[ | ||||
| 0 \le (f + \alpha g, f + \alpha g) = (f,f) + \alpha(g,f) + \overline{\alpha}(f,g) | 0 \le (f + \alpha g, f + \alpha g) = (f,f) + \alpha(g,f) + \overline{\alpha}(f,g) | ||||
| + \alpha \cdot \overline{\alpha}(g,g) | + \alpha \cdot \overline{\alpha}(g,g) | ||||
| .\] Setze $\alpha := - \frac{(f,g)}{(g,g)} = - \frac{\overline{(g,f)}}{(g,g)}$. Dann gilt | |||||
| .\] Setze $\alpha \coloneqq - \frac{(f,g)}{(g,g)} = - \frac{\overline{(g,f)}}{(g,g)}$. Dann gilt | |||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| 0 &\le (f,f) - \frac{(f,g) \cdot (g, f)}{(g,g)} - \frac{(g, f) \cdot (f,g)}{(g,g)} | 0 &\le (f,f) - \frac{(f,g) \cdot (g, f)}{(g,g)} - \frac{(g, f) \cdot (f,g)}{(g,g)} | ||||
| + \frac{(f,g)(g,f)(g,g)}{(g,g)(g,g)} \\ | + \frac{(f,g)(g,f)(g,g)}{(g,g)(g,g)} \\ | ||||
| @@ -128,7 +128,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \begin{definition}[$L^2$-Norm] | \begin{definition}[$L^2$-Norm] | ||||
| Das $L^2$-Skalarprodukt $(\cdot , \cdot )$ induziert die $L^2$-Norm auf $R[a,b]$ mit | Das $L^2$-Skalarprodukt $(\cdot , \cdot )$ induziert die $L^2$-Norm auf $R[a,b]$ mit | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \Vert f \Vert = \Vert f \Vert_{L^2} := (f,f)^{\frac{1}{2}} = \left(\int_{a}^{b} f \cdot \overline{f} \d x\right)^{\frac{1}{2}} | |||||
| \Vert f \Vert = \Vert f \Vert_{L^2} \coloneqq (f,f)^{\frac{1}{2}} = \left(\int_{a}^{b} f \cdot \overline{f} \d x\right)^{\frac{1}{2}} | |||||
| .\] | .\] | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -170,7 +170,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \Vert f_n - f \Vert_{\infty} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | \Vert f_n - f \Vert_{\infty} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | ||||
| \implies \Vert f_n - f \Vert_{L^2} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | \implies \Vert f_n - f \Vert_{L^2} \xrightarrow{n \to \infty} 0 | ||||
| .\] | .\] | ||||
| Die Umkehrung gilt i.A. nicht! Beispiel: $f_n(x) := x^{n}$, $x \in [-1, 1]$ | |||||
| Die Umkehrung gilt i.A. nicht! Beispiel: $f_n(x) \coloneqq x^{n}$, $x \in [-1, 1]$ | |||||
| \begin{figure}[h!] | \begin{figure}[h!] | ||||
| \centering | \centering | ||||
| \begin{tikzpicture} | \begin{tikzpicture} | ||||
| @@ -249,11 +249,11 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| \begin{satz} | \begin{satz} | ||||
| Die trigonometrischen Funktionen, für $k, l \in \N$ | Die trigonometrischen Funktionen, für $k, l \in \N$ | ||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| c_k(x) &:= \begin{cases} | |||||
| c_k(x) &\coloneqq \begin{cases} | |||||
| 1 & k = 0 \\ | 1 & k = 0 \\ | ||||
| \cos(k x) & \text{sonst} | \cos(k x) & \text{sonst} | ||||
| \end{cases} \\ | \end{cases} \\ | ||||
| s_l(x) &:= \sin (l x) | |||||
| s_l(x) &\coloneqq \sin (l x) | |||||
| \end{align*} bilden auf $R[a,b]$ bezüglich des $L^2$-Skalarprodukts ein | \end{align*} bilden auf $R[a,b]$ bezüglich des $L^2$-Skalarprodukts ein | ||||
| Orthogonalsystem und es gilt | Orthogonalsystem und es gilt | ||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| @@ -261,7 +261,7 @@ Jetzt: Fourier Analysis! | |||||
| &\int_{0}^{2\pi} c_k(x) c_l(x) \d x = \pi \delta_{kl} \\ | &\int_{0}^{2\pi} c_k(x) c_l(x) \d x = \pi \delta_{kl} \\ | ||||
| &\int_{0}^{2\pi} s_k(x) s_l(x) \d x = \pi \delta_{kl} | &\int_{0}^{2\pi} s_k(x) s_l(x) \d x = \pi \delta_{kl} | ||||
| \intertext{Hier sei} | \intertext{Hier sei} | ||||
| &\delta_{kl} := \begin{cases} | |||||
| &\delta_{kl} \coloneqq \begin{cases} | |||||
| 1 & k = l \\ | 1 & k = l \\ | ||||
| 0 & k \neq l | 0 & k \neq l | ||||
| \end{cases} \qquad \text{Kroneckersymbol} | \end{cases} \qquad \text{Kroneckersymbol} | ||||
| @@ -48,9 +48,9 @@ | |||||
| \begin{definition} | \begin{definition} | ||||
| (normierter Raum) Sei $V$ irgendein Vektorraum über $\K$ ($\K = \R$ oder $\K = \C$). Eine Abbildung $\norm{\cdot}: V \to \R$ heißt Norm (auf V), wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: | (normierter Raum) Sei $V$ irgendein Vektorraum über $\K$ ($\K = \R$ oder $\K = \C$). Eine Abbildung $\norm{\cdot}: V \to \R$ heißt Norm (auf V), wenn folgende Bedingungen erfüllt sind: | ||||
| \begin{enumerate}[N1] | \begin{enumerate}[N1] | ||||
| \item (Definitheit) $\norm{x} \geq 0$, $\norm{x} = 0 \Leftrightarrow x=0$. | |||||
| \item (Homogenität) $\norm{ \alpha x} = |\alpha| \cdot \norm{x}, \alpha \in \K$. | |||||
| \item (Dreiecksungleichung) $\norm{x+y} \leq \norm{x} + \norm{y}$. | |||||
| \item (Definitheit) $\norm{x} \geq 0$, $\norm{x} = 0 \Leftrightarrow x=0$. \label{def:N1} | |||||
| \item (Homogenität) $\norm{ \alpha x} = |\alpha| \cdot \norm{x}, \alpha \in \K$. \label{def:N2} | |||||
| \item (Dreiecksungleichung) $\norm{x+y} \leq \norm{x} + \norm{y}$. \label{def:N3} | |||||
| \end{enumerate} | \end{enumerate} | ||||
| Das Paar $(V, \norm{\cdot})$ heißt normierter Raum. | Das Paar $(V, \norm{\cdot})$ heißt normierter Raum. | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -81,9 +81,9 @@ | |||||
| \begin{definition}[Inneres, Abschluss] | \begin{definition}[Inneres, Abschluss] | ||||
| Sei $M \subset \mathbb{K}^{n}$ | Sei $M \subset \mathbb{K}^{n}$ | ||||
| \begin{itemize}\vspace*{-3mm} | \begin{itemize}\vspace*{-3mm} | ||||
| \item Die Menge $M^{\circ} := M \setminus \partial M$ heißt das | |||||
| \item Die Menge $M^{\circ} \coloneqq M \setminus \partial M$ heißt das | |||||
| \underline{Innere} von $M$. | \underline{Innere} von $M$. | ||||
| \item Die Menge $\overline{M} := M \cup \partial M$ heißt | |||||
| \item Die Menge $\overline{M} \coloneqq M \cup \partial M$ heißt | |||||
| der \underline{Abschluss} von $M$. | der \underline{Abschluss} von $M$. | ||||
| \end{itemize}\vspace*{-3mm} | \end{itemize}\vspace*{-3mm} | ||||
| \end{definition} | \end{definition} | ||||
| @@ -162,7 +162,7 @@ | |||||
| \item Sei | \item Sei | ||||
| \[ | \[ | ||||
| \left( x^{(k)}\right)_{k \in \N} \subset \mathbb{K}^{n}, x^{(k)} \xrightarrow{k \to \infty} x | \left( x^{(k)}\right)_{k \in \N} \subset \mathbb{K}^{n}, x^{(k)} \xrightarrow{k \to \infty} x | ||||
| .\] Dann ist $A := \{ x^{(k)} \mid k \in \N\} \cup {x}$ kompakt. | |||||
| .\] Dann ist $A \coloneqq \{ x^{(k)} \mid k \in \N\} \cup {x}$ kompakt. | |||||
| \item $]0,1[$ ist nicht kompakt, denn $\left( \frac{1}{2k} \right)_{k \in \N} \subset ]0,1[$, | \item $]0,1[$ ist nicht kompakt, denn $\left( \frac{1}{2k} \right)_{k \in \N} \subset ]0,1[$, | ||||
| $\frac{1}{2k} \xrightarrow{k \to \infty} 0$. | $\frac{1}{2k} \xrightarrow{k \to \infty} 0$. | ||||
| @@ -270,14 +270,14 @@ | |||||
| Wir zerlegen jedes $I_i$ in 2 abgeschlossene Intervalle mit halber Länge | Wir zerlegen jedes $I_i$ in 2 abgeschlossene Intervalle mit halber Länge | ||||
| $I_i^{(1)}$ und $I_i^{(2)}$ und setzen für $(s_1, \ldots, s_n) \in \{1, 2\}^{n}$ | $I_i^{(1)}$ und $I_i^{(2)}$ und setzen für $(s_1, \ldots, s_n) \in \{1, 2\}^{n}$ | ||||
| \[ | \[ | ||||
| Q_m^{s_1, \ldots, s_n} := I_1^{(s_1)} \times \ldots \times I_n^{(s_n)} | |||||
| Q_m^{s_1, \ldots, s_n} \coloneqq I_1^{(s_1)} \times \ldots \times I_n^{(s_n)} | |||||
| .\] Wir erhalten $2^{n}$ Würfel mit | .\] Wir erhalten $2^{n}$ Würfel mit | ||||
| \[ | \[ | ||||
| Q_m := \bigcup_{(s_1, \ldots, s_n) \in \{1, 2\}^{n}} Q_m^{(s_1, \ldots, s_n)} | |||||
| Q_m \coloneqq \bigcup_{(s_1, \ldots, s_n) \in \{1, 2\}^{n}} Q_m^{(s_1, \ldots, s_n)} | |||||
| .\] Da $M \cap Q_m$ nicht von endlich vielen $U_{i_k}$ überdeckt wird, gilt dies | .\] Da $M \cap Q_m$ nicht von endlich vielen $U_{i_k}$ überdeckt wird, gilt dies | ||||
| auch für einen Würfel | auch für einen Würfel | ||||
| \[ | \[ | ||||
| Q_{m+1} := Q_m^{(s_1, \ldots, s_n)} | |||||
| Q_{m+1} \coloneqq Q_m^{(s_1, \ldots, s_n)} | |||||
| .\] Es gilt für die Kantenlänge $(Q_{m+1})$ = $\frac{1}{2}$ Kantenlänge $(Q_m)$ = $2^{-(m+1)} L$. | .\] Es gilt für die Kantenlänge $(Q_{m+1})$ = $\frac{1}{2}$ Kantenlänge $(Q_m)$ = $2^{-(m+1)} L$. | ||||
| Für $k \in \N$ wähle $x^{(k)} \in Q_k \cap M$. Damit ist $\left( x^{(k)} \right)_{k \in \N}$ eine | Für $k \in \N$ wähle $x^{(k)} \in Q_k \cap M$. Damit ist $\left( x^{(k)} \right)_{k \in \N}$ eine | ||||
| @@ -88,16 +88,18 @@ Weitere Begriffe und Eigenschaften | |||||
| \end{itemize} | \end{itemize} | ||||
| \end{itemize} | \end{itemize} | ||||
| \begin{bsp} | \begin{bsp} | ||||
| $\norm{A}_F = \left(\sum_{j, k = 1}^{n}|a_{jk}|^2 \right)^{\frac{1}{2}}$ heißt \textbf{Frobenius}-Norm. Sie ist verträglich mit $\norm{\cdot}_2$ in $\K^n$ und submultiplikativ, aber keine natürliche Matrixnorm, weil $\norm{\mathbb{I}}_F = \sqrt{n} \neq 1$ für $n \geq 2$. | |||||
| $\norm{A}_F = \left(\sum_{j, k = 1}^{n}|a_{jk}|^2 \right)^{\frac{1}{2}}$ heißt \underline{Frobenius}-Norm. Sie ist verträglich mit $\norm{\cdot}_2$ in $\K^n$ und submultiplikativ, aber keine natürliche Matrixnorm, weil $\norm{\mathbb{I}}_F = \sqrt{n} \neq 1$ für $n \geq 2$. | |||||
| \end{bsp} | \end{bsp} | ||||
| \begin{lemma}[Natürliche Matrixnormen] | \begin{lemma}[Natürliche Matrixnormen] | ||||
| Die natürliche Matrixnormen zu $\norm{\cdot}_\infty$ ($\ell_\infty$ / Maximumnorm) und $\norm{\cdot}_1$ ($\ell_1$-Norm) in $\K^n$ sind | Die natürliche Matrixnormen zu $\norm{\cdot}_\infty$ ($\ell_\infty$ / Maximumnorm) und $\norm{\cdot}_1$ ($\ell_1$-Norm) in $\K^n$ sind | ||||
| $$\norm{A}_\infty \coloneqq \max\limits_{1 \leq i \leq n} \sum_{j = 1}^{n}|a_{ij}|\qquad \text{Maximale Zeilen-Summen-Norm}$$ | |||||
| $$\norm{A}_\infty \coloneqq \max\limits_{1 \leq j \leq n} \sum_{i = 1}^{n}|a_{ij}|\qquad \text{Maximale Spalten-Summen-Norm}$$ | |||||
| \begin{align*} | |||||
| \norm{A}_\infty &\coloneqq \max\limits_{1 \leq i \leq n} \sum_{j = 1}^{n}|a_{ij}| \qquad \text{Maximale Zeilen-Summen-Norm} \\ | |||||
| \norm{A}_1 &\coloneqq \max\limits_{1 \leq j \leq n} \sum_{i = 1}^{n}|a_{ij}| \qquad \text{Maximale Spalten-Summen-Norm} | |||||
| \end{align*} | |||||
| \end{lemma} | \end{lemma} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| \begin{enumerate} | \begin{enumerate} | ||||
| \item Matrixnorm $\norm{\cdot}_\infty$ ist eine Norm (d.h. erfüllt Normeigenschaften (N1), (N2) und (N3)) | |||||
| \item Matrixnorm $\norm{\cdot}_\infty$ ist eine Norm (d.h. erfüllt Normeigenschaften (\ref{def:N1}), (\ref{def:N2}) und (\ref{def:N3})) | |||||
| \item Z.z. Verträglichkeit | \item Z.z. Verträglichkeit | ||||
| $$\norm{Ax}_\infty\! = \max\limits_{1 \leq i \leq n} \left| \sum_{j = 1}^{n}a_{ij}x_j\right| \leq \max\limits_{1 \leq i \leq n}\left(\sum_{j = 1}^{n}|a_{ij}| \cdot |x_j|\right)\! \leq \norm{x}_\infty \cdot \max_{1\leq i \leq n} \sum_{j = 1}^{n} |a_{ij}| = \norm{x}_\infty \cdot \norm{A}_\infty$$ | $$\norm{Ax}_\infty\! = \max\limits_{1 \leq i \leq n} \left| \sum_{j = 1}^{n}a_{ij}x_j\right| \leq \max\limits_{1 \leq i \leq n}\left(\sum_{j = 1}^{n}|a_{ij}| \cdot |x_j|\right)\! \leq \norm{x}_\infty \cdot \max_{1\leq i \leq n} \sum_{j = 1}^{n} |a_{ij}| = \norm{x}_\infty \cdot \norm{A}_\infty$$ | ||||
| $\implies$ Verträglichkeit mit $\norm{\cdot}_\infty$ | $\implies$ Verträglichkeit mit $\norm{\cdot}_\infty$ | ||||
| @@ -160,7 +162,7 @@ Weitere Begriffe und Eigenschaften | |||||
| $\lambda_i \ge 0$ reell. | $\lambda_i \ge 0$ reell. | ||||
| Sei $y = \bar{U}^{T}x = U^{-1}x \implies x = Uy$. Damit folgt | Sei $y = \bar{U}^{T}x = U^{-1}x \implies x = Uy$. Damit folgt | ||||
| mit $|\lambda_{max}| := \max \{ |\lambda_i| \mid \lambda_i \in \sigma(\bar{A}^{T}A)\} $ | |||||
| mit $|\lambda_{max}| \coloneqq \max \{ |\lambda_i| \mid \lambda_i \in \sigma(\bar{A}^{T}A)\} $ | |||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| \Vert A \Vert_2^2 &= \sup_{\Vert x \Vert_2 = 1} (x, \bar{A}^{T}Ax)_2 \\ | \Vert A \Vert_2^2 &= \sup_{\Vert x \Vert_2 = 1} (x, \bar{A}^{T}Ax)_2 \\ | ||||
| &= \sup_{\Vert Uy \Vert_2 = 1} (\underbrace{Uy}_{= x}, \bar{A}^{T}A\underbrace{Uy}_{= x})_2 \\ | &= \sup_{\Vert Uy \Vert_2 = 1} (\underbrace{Uy}_{= x}, \bar{A}^{T}A\underbrace{Uy}_{= x})_2 \\ | ||||
| @@ -1,4 +1,4 @@ | |||||
| \documentclass[titlepage]{lecture} | |||||
| \documentclass{lecture} | |||||
| \usepackage{standalone} | \usepackage{standalone} | ||||
| \usepackage{tikz} | \usepackage{tikz} | ||||
| @@ -28,6 +28,7 @@ | |||||
| \RequirePackage{stackrel} | \RequirePackage{stackrel} | ||||
| \usetikzlibrary{quotes, angles} | \usetikzlibrary{quotes, angles} | ||||
| \pgfplotsset{compat=1.16} % or \pgfplotsset{compat=newest} | |||||
| \geometry{ | \geometry{ | ||||
| bottom=35mm | bottom=35mm | ||||