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@@ -333,7 +333,7 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^
.\end{align*} .\end{align*}
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar}[Integration von Potenzreihen] \begin{korollar}[Integration von Potenzreihen]
Es sei $\sum_{n=0}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n}$ eine reelle Potenzreihe mit Konvergenzradius $\rho > 0$. 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 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 $[x_0 - r, x_0 + r]$ für $0 < r < \rho$ gleichmäßig und für $[a,b] \subset \;]x_0 - \rho, x_0 + \rho[$ gilt
@@ -341,7 +341,7 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^
\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} \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} \Big|_{a}^{b}
.\] .\]
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{proof} \begin{proof}
Nur die gleichmäßige Konvergenz für $| x - x_0| \le r$ ist zu beweisen: Für $|x - x_0| \le r$, $r < \rho$ gilt: Nur die gleichmäßige Konvergenz für $| x - x_0| \le r$ ist zu beweisen: Für $|x - x_0| \le r$, $r < \rho$ gilt:
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@@ -126,7 +126,7 @@ Frage: Unter welchen Bedingungen konvergiert die Fixpunktiteration?
eine Lösung $x^{*} = A^{-1}b$. Sei $g(x) \coloneqq x - \sigma (Ax - b)$ mit eine Lösung $x^{*} = A^{-1}b$. Sei $g(x) \coloneqq x - \sigma (Ax - b)$ mit
$\sigma \in \mathbb{K} \setminus \{0\} $. $\sigma \in \mathbb{K} \setminus \{0\} $.
Fixpunktiteration $x^{(k)} = x^{(k-1)} - \sigma (Ax^{(k-1}) - b)$, $k \in \N$ konvergiert, wenn Fixpunktiteration $x^{(k)} = x^{(k-1)} - \sigma (Ax^{(k-1)} - b)$, $k \in \N$ konvergiert, wenn
$g$ kontraktiv ist. Zum Beispiel in $\ell_2$: $g$ kontraktiv ist. Zum Beispiel in $\ell_2$:
\begin{align*} \begin{align*}
\Vert g(x) - g(y) \Vert_2 &= \Vert x - \sigma(Ax - b) - y + \sigma(Ay -b)\Vert_2 \\ \Vert g(x) - g(y) \Vert_2 &= \Vert x - \sigma(Ax - b) - y + \sigma(Ay -b)\Vert_2 \\
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\newcommand{\dv}[2]{\frac{\d #1}{\d #2}} \newcommand{\dv}[2]{\frac{\d #1}{\d #2}}
\section{Totale Differenzierbarkeit} \section{Totale Differenzierbarkeit}
Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $x\in D$ differenzierbar, falls $f$ in $x$ ,,gut`` linear approximierbar ist, d.h. $\exists a\in \R$ mit $f(x + h) = f(x) + a\cdot h + w(h)$ wobei $\lim\limits_{h\to 0} \frac{w(h)}{|h|} = 0 (f'(x) = a)$. Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $x\in D$ differenzierbar, falls $f$ in $x$ ,,gut`` linear approximierbar ist, d.h. $\exists a\in \R$ mit $f(x + h) = f(x) + a\cdot h + w(h)$ wobei $\lim\limits_{h\to 0} \frac{w(h)}{|h|} = 0 \ (f'(x) = a)$.
\begin{definition}[total differenzierbar] \begin{definition}[total differenzierbar]
Es sei $D\subset \R^n$ offen und $f\colon D \to \R^m$ eine Abbildung. $f$ heißt im Punkt $x\in D$ \underline{(total) differenzierbar}, falls es eine lineare Abbildung $A \colon \R^n \to \R^m$ gibt, sodass Es sei $D\subset \R^n$ offen und $f\colon D \to \R^m$ eine Abbildung. $f$ heißt im Punkt $x\in D$ \underline{(total) differenzierbar}, falls es eine lineare Abbildung $A \colon \R^n \to \R^m$ gibt, sodass
@@ -18,7 +18,7 @@ Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $
,\] wobei $\lim\limits_{h\to 0} \frac{\norm{\omega(h)}}{\norm{h}} = 0 \;(\Leftrightarrow (\ref{eq:diffbar}), \Leftrightarrow \omega(h) = o(\norm{h}))$. Da alle Normen auf $\R^m$ äquivalent sind, ist es gleichgültig, welche Norm man in (\ref{eq:diffbar}) verwendet. ,\] wobei $\lim\limits_{h\to 0} \frac{\norm{\omega(h)}}{\norm{h}} = 0 \;(\Leftrightarrow (\ref{eq:diffbar}), \Leftrightarrow \omega(h) = o(\norm{h}))$. Da alle Normen auf $\R^m$ äquivalent sind, ist es gleichgültig, welche Norm man in (\ref{eq:diffbar}) verwendet.
$A$ heißt das \underline{Differential} von $f$ im Punkt $x$. $A$ heißt das \underline{Differential} von $f$ im Punkt $x$.
Schreibweise: \[\d f(x),\; \d f\bigg|_x,\; \d f_x,\; Df(x),\; Df\bigg|_x,\; Df_x,\; \d f(x)\bigg|_{x = x_0},\; Df(x_0).\] Schreibweise: \[\mathrm{d} f(x),\; \mathrm{d} f\Big|_x,\; \mathrm{d} f_x,\; Df(x),\; Df\Big|_x,\; Df_x,\; \mathrm{d} f(x)\Big|_{x = x_0},\; Df(x_0).\]
\end{definition} \end{definition}
\begin{bem} \begin{bem}
Für $n=m=1$ ist die Definition der totalen Ableitung äquivalent zur Definition der Ableitung von Funktionen einer Variablen. Für $n=m=1$ ist die Definition der totalen Ableitung äquivalent zur Definition der Ableitung von Funktionen einer Variablen.
@@ -67,9 +67,9 @@ Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $
Also ist $f$ differenzierbar und $Df(x) = \nabla^Tf(x)$. Also ist $f$ differenzierbar und $Df(x) = \nabla^Tf(x)$.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
stetig partiell differenzierbar $\implies$ (total) differenzierbar $\implies$ partiell differenzierbar. Die umgekehrten Implikationen gelten im Allgemeinen nicht. stetig partiell differenzierbar $\implies$ (total) differenzierbar $\implies$ partiell differenzierbar. Die umgekehrten Implikationen gelten im Allgemeinen nicht.
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{lemma}[Richtungsableitung]\label{lemma:richtungsableitung} \begin{lemma}[Richtungsableitung]\label{lemma:richtungsableitung}
Sei $D\in \R^n$ offen, $f \colon D \to \R$ im Punkt $x\in D$ differenzierbar. Dann gilt $\forall v \in \R^n$ mit $\norm{v}_2 = 1$ existiert die Ableitung in Richtung $v$ (sog. \underline{Richtungsableitung}) Sei $D\in \R^n$ offen, $f \colon D \to \R$ im Punkt $x\in D$ differenzierbar. Dann gilt $\forall v \in \R^n$ mit $\norm{v}_2 = 1$ existiert die Ableitung in Richtung $v$ (sog. \underline{Richtungsableitung})
\[\pdv{f}{v}(x) \coloneqq \lim\limits_{t\searrow 0} \frac{f(x + tv) - f(x)}{t}\] und \[\pdv{f}{v}(x) = (\nabla f(x), v)_2\] \[\pdv{f}{v}(x) \coloneqq \lim\limits_{t\searrow 0} \frac{f(x + tv) - f(x)}{t}\] und \[\pdv{f}{v}(x) = (\nabla f(x), v)_2\]
@@ -87,11 +87,11 @@ Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $
&= (\nabla f(x),v)_2 &= (\nabla f(x),v)_2
\end{salign*} \end{salign*}
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
Sei $\nabla f(X) \neq 0$. Dann ist der Winkel $\theta$ zwischen zwei Vektoren $v\in \R^n$ und $\nabla f(x) \in \R^n$ definiert durch \[\cos(\theta) = \frac{(\nabla f(x), v)_2}{\norm{\nabla f(x)}_2\cdot \norm{v}_2}.\] Sei $\nabla f(x) \neq 0$. Dann ist der Winkel $\theta$ zwischen zwei Vektoren $v\in \R^n$ und $\nabla f(x) \in \R^n$ definiert durch \[\cos(\theta) = \frac{(\nabla f(x), v)_2}{\norm{\nabla f(x)}_2\cdot \norm{v}_2}.\]
Damit gilt für $\norm{v}_2 = 1$ \[\pdv{f}{v}(x) \oldstackrel{\text{Lemma } \ref{lemma:richtungsableitung}}{=} (\nabla f, v)_2 = \norm{\nabla f(x)}_2 \cdot \norm{v}_2 \cdot \cos(\theta) \oldstackrel{\norm{v}_2 =1}{=} \norm{\nabla f(x)}_2 \cdot \cos(\theta)\] Damit gilt für $\norm{v}_2 = 1$ \[\pdv{f}{v}(x) \oldstackrel{\text{Lemma } \ref{lemma:richtungsableitung}}{=} (\nabla f, v)_2 = \norm{\nabla f(x)}_2 \cdot \norm{v}_2 \cdot \cos(\theta) \oldstackrel{\norm{v}_2 =1}{=} \norm{\nabla f(x)}_2 \cdot \cos(\theta)\]
$\pdv{f}{v}(x)$ wird maximal, wenn $\cos(\theta) = 1 \implies v$ und $\nabla f(x)$ die gleiche Richtung haben: d.h. Der Vektor $\nabla f(x)$ ist die Richtung des stärksten Anstiegs von $f$ im Punkt $x$. $\pdv{f}{v}(x)$ wird maximal, wenn $\cos(\theta) = 1$, also wenn $v$ und $\nabla f(x)$ die gleiche Richtung haben: d.h. der Vektor $\nabla f(x)$ ist die Richtung des stärksten Anstiegs von $f$ im Punkt $x$.
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{bem} \begin{bem}
\begin{enumerate} \begin{enumerate}
\item Es gibt Funktionen, für welche alle Richtungsableitungen existieren, die aber dennoch nicht (total) differenzierbar sind. \item Es gibt Funktionen, für welche alle Richtungsableitungen existieren, die aber dennoch nicht (total) differenzierbar sind.
@@ -143,8 +143,8 @@ Erinnerung (Analysis 1) $f \colon D \to \R,\; D \subset \R$, ist genau dann in $
+ \lim\limits_{\xi\to 0} \frac{\norm{\omega_f(\eta)}}{\norm{\xi}} = 0\] + \lim\limits_{\xi\to 0} \frac{\norm{\omega_f(\eta)}}{\norm{\xi}} = 0\]
\end{proof} \end{proof}
\begin{bem}[Komponentenweise für $i = 1,\dots,m$ und $j = 1, \dots, r$] \begin{bem}[Komponentenweise für $i = 1,\dots,m$ und $j = 1, \dots, r$]
\[D_xh(x) = D_yf(y) D_xg(x) \Leftrightarrow \underbrace{\pdv{h_j}{x_i}(x)}_{\partial_i(f\circ g)_j} = \sum_{i = 1}^{n} \pdv{f_j}{y_k}(g_1(x)\dots, g_n(x))\cdot \pdv{g_k}{x_i}(x_1, \dots, x_m)\] \[D_xh(x) = D_yf(y) D_xg(x) \Leftrightarrow \underbrace{\pdv{h_j}{x_i}(x)}_{\partial_i(f\circ g)_j} = \sum_{k = 1}^{n} \pdv{f_j}{y_k}(g_1(x),\dots, g_n(x))\cdot \pdv{g_k}{x_i}(x_1, \dots, x_m)\]
Spezialfall: $m = r = 1 (g \colon D_g \subset \R \to \R^n),\; f\colon D_f\in \R^n \to \R$ Spezialfall: $m = r = 1 \ (g \colon D_g \subset \R \to \R^n,\; f\colon D_f\subset \R^n \to \R)$
\[h'(x) = \dv{}{x} h(x) = \dv{}{x} f(g(x)) = \sum_{k = 1}^{n} \pdv{f}{y_k}\ (g_1(x), \dots, g_n(x))\cdot \dv{}{x} g_k (x) = (\nabla_yf(g(x)), g'(x))_2\] \[h'(x) = \dv{}{x} h(x) = \dv{}{x} f(g(x)) = \sum_{k = 1}^{n} \pdv{f}{y_k}\ (g_1(x), \dots, g_n(x))\cdot \dv{}{x} g_k (x) = (\nabla_yf(g(x)), g'(x))_2\]
\end{bem} \end{bem}
\end{document} \end{document}
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\documentclass{lecture}
\begin{document}
\newcommand{\pdv}[2]{\frac{\partial #1}{\partial #2}}
\newcommand{\dv}[2]{\frac{\d #1}{\d #2}}
\section{Mittelwertsatz}
\begin{bem}
Reminder:
\begin{enumerate}[(1)]
\item Ist $f: [a,b] \to \R$ differenzierbar, dann gilt (HDI):
\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{s} \right) \cdot h.
\end{salign*}
. \item Mittelwertsatz der Differentialrechnung: $\exists \tau \in (0,1)$ sodass:
\begin{salign*}
f(x+h) - f(x) = f'(x+ \tau h) \cdot h.
\end{salign*}
\item Sei $A = \left(a_{i,j} \right)_{i,j = 1}^{m,n} : [a,b] \to \R^{m \times n}$. Dann sei:
\begin{salign*}
\int_{a}^{b} A(s) \d{s} \coloneqq \left( \int_{a}^{b} a_{i,j}(s) \d{s} \right)_{i,j=1}^{m,n}
\end{salign*}
\end{enumerate}
\end{bem}
\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:
\begin{salign*}
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.
\end{salign*}
Sei $f: D \to \R^{m}$ stetig differenzierbar, mit Jacobi-Matrix $J_{f}(x)$, dann gilt:
\begin{salign*}
f(x+h) - f(x) = \left( \int_{0}^{1} J_{f}(x + sh) \d{s} \right) h.
\end{salign*}
\end{satz}
\begin{proof}
Sei $f: D \to \R^{m}$. Sei $g_{j}\colon [0,1] \to \R ,g_{j}(s) \coloneqq f_{j}(x+sh)$. Dann gilt:
\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_j}{x_{i}}(x+sh) \cdot h_{i} \d{s}.
\end{salign*}
Ist $m = 1$, so gilt:
\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}{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*}
Ist $m \geq 2$, so gilt analog zu oben:
\begin{salign*}
f(x+h) - f(x) = \left( \int_{0}^{1} J_{f}(x+sh) \d{s} \right) \cdot h.
\end{salign*}
\end{proof}
\begin{bem}
Für $m = 1$, d.h. $f: \R^{n} \supset D \to \R$ gilt sogar für ein bestimmtes $\tau \in (0,1)$:
\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.
\end{salign*}
Für $m \geq 2$ im Allgemeinen aber (da $\tau \in [0,1]$ nicht für alle Komponenten gleich gewählt werden kann):
\begin{salign*}
f(x+h) - f(x) \neq J_{f}(x + \tau h) \cdot h.
\end{salign*}
\end{bem}
\begin{lemma}
\label{lemma:dreieck-integrale}
Seien $v: [a,b] \to \R^{n}$ und $A: [a,b] \to \R^{m \times n}$ stetig. Dann gilt:
\begin{salign*}
\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}
\end{salign*}
\end{lemma}
\begin{proof}
Sei $u \in \R^{n}$, $u = \int_{a}^{b} v(s) \d{s} = \begin{pmatrix}
\int_{a}^{b} v_{1}(s) \d{s} \\ \vdots \\ \int_{a}^{b} v_{n}(s) \d{s}
\end{pmatrix}$ und $K = \norm{u}_{2}$. Dann gilt:
\begin{salign*}
K^{2} &\stackrel{\ell_{2} \text{Norm}}{=} \left(u,u\right)_{2} = \left( \int_{a}^{b} v(s) \d{s}, u\right)_{2} = \int_{a}^{b} \left(v(s), u\right)_{2} \d{s} \\
&\stackrel{\text{CSU}}{\leq} \int_{a}^{b} \norm{v(s)}_{2} \cdot \norm{u}_{2} \d{s} = K \cdot \int_{a}^{b} \norm{v(s)}_{2} \d{s} \\ \hfill \\
\implies \ & K = \norm{\int_{a}^{b} v(s) \d{s} }_{2} \leq \int_{a}^{b} \norm{v(s)}_{2} \d{s}.
\end{salign*}
Der Beweis für $A(s)$ folgt ganz analog mit $u = \int_{a}^{b} A(s) \d{s} \in \R^{m \times n}$.
\end{proof}
\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 $\lambda \cdot x + (1-\lambda)x' \in D$. \\
Geometrisch: für zwei Punkte in $D$ liegt die Verbindungsstrecke der beiden Punkte stets ganz in $D$.
\end{definition}
\begin{korollar}
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:
\begin{salign*}
\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall y \in K_{\varepsilon}
\end{salign*}
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
\begin{salign*}
\norm{f(y) - f(x)}_{2} \leq M \cdot \norm{y-x}_{2} \ \ \ \ \ \forall x,y \in D
\end{salign*}
mit $M \coloneqq \sup_{z \in D} \norm{J_{f}(z)}_{2}$, das heißt $f$ ist auf $D$ Lipschitz-stetig.
\end{korollar}
\begin{proof}
Aus Lemma \ref{lemma:dreieck-integrale} folgt:
\begin{salign*}
\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}.
\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 $g(t) \coloneqq f(x+ t(y-x))$ für $t \in [0,1]$. Dann gilt für $i \in \{1,...,m\}$:
\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}.
\end{salign*}
Und damit in Vektorform:
\begin{salign*}
\norm{f(y) - f(x)}_{2} &= \norm{\int_{0}^{1} J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x) \d{s}}_{2} \\
&\stackrel{\text{Lemma \ref{lemma:dreieck-integrale}}}{\leq} \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x)) \cdot (y-x)}_{2} \d{s} \\
&\leq \int_{0}^{1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \d{s} \\
&\leq \sup_{0<s<1} \norm{J_{f}(x+s(y-x))}_{2} \cdot \norm{y-x}_{2} \\
&\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}.
\end{salign*}
\end{proof}
\begin{bem}
Obige Lipschitz-Konstante liefert eine Abschätzung für die Ableitungen/Jacobi-Matrix von $f$.
\end{bem}
\section{Taylor-Entwicklung}
\begin{bem}
Reminder - Höhere Ableitungen:
\begin{enumerate}[(1)]
\item Sei $D \subset \R^{n}$ offen, $f: D \to \R^{m}$ partiell differenzierbar. Seien alle partiellen Ableitungen $$\partial_{i}f: D \to \R^{m}, \ \partial_{i}f = \begin{pmatrix}
\partial_{i} f_{1} \\ \vdots \\ \partial_{i}f_{m}
\end{pmatrix}, \ \ \ \partial_{i}f = \pdv{}{x_{i}} f$$ 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 $\partial_{i_{k}}\partial_{i_{k-1}}...\partial_{i_{1}}f$
\ ($i_{k},...,i_{1} \in \{1,...,n\}$) partiell differenzierbar sind.
\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 ($f \in C^{k}(D,\R^{m})$).
\item Es gilt:
\begin{salign*}
f \in C^{1}(D,\R^{m}) \ \ \ &\Longleftrightarrow \ \ \ \partial_{i}f: D \to \R^{m} \ \text{ist stetig} \ \forall i \in \{1,...,n\} \\
&\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}
\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 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 $D \subset \R^{m}$ 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: $$ \partial_{i_{k}}...\partial_{i_{1}}f = \partial_{i_{\pi(k)}}...\partial_{i_{\pi(1)}}f, \ \ \ \ \ \ \ \forall i_{1},...,i_{k} \in \{1,...,n\}.$$
\end{enumerate}
Reminder - Taylor-Entwicklung in $\R$:
\begin{enumerate}[(1)]
\item Sei $f: (a,b) \to \R$ \ $(r+1)$-mal stetig differenzierbar. Dann gilt:
\begin{salign*}
f(x+h) = \sum_{k=0}^{r} \frac{f^{(k)}(x)}{k!} h^{k} + R_{r+1}^{f}(x,h).
\end{salign*}
\item Für das Restglied in Lagrange-Form gilt ($\theta \in (0,1)$):
\begin{salign*}
R_{r+1}^{f}(x,h) = \frac{f^{(r+1)}(x+\theta h) }{(r+1)!} h^{r + 1}.
\end{salign*}
\item Für das Restglied in Integral-Form:
\begin{salign*}
R_{r+1}^{f}(x,h) = \frac{h^{r+1}}{r!} \int_{0}^{1} f^{(r+1)}(x+th)(1-t)^{r} \d{t}
\end{salign*}
\end{enumerate}
\end{bem}
\end{document}
+4 -4
View File
@@ -132,9 +132,9 @@
Widerspruch zu $x \in S_{1}$, also $m>0$. Dann für $x \neq 0$ ist Vektor $\frac{x \ }{\norm{x}_{\infty}} \in S_{1}$ und $m \leq \frac{\norm{x} \ }{\norm{x}_{\infty}}$ (nach Definition von $m$) und $0 < m \cdot \norm{x}_{\infty} \leq \norm{x}, \ x \in \K^{n}$. Widerspruch zu $x \in S_{1}$, also $m>0$. Dann für $x \neq 0$ ist Vektor $\frac{x \ }{\norm{x}_{\infty}} \in S_{1}$ und $m \leq \frac{\norm{x} \ }{\norm{x}_{\infty}}$ (nach Definition von $m$) und $0 < m \cdot \norm{x}_{\infty} \leq \norm{x}, \ x \in \K^{n}$.
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
Auf $K^{n}$ sind alle Konvergenzen in irgendeiner Norm äquivalent zur Konvergenz in der $\ell_{\infty}$-Norm. (= komponentenweiser Konvergenz) Auf $K^{n}$ sind alle Konvergenzen in irgendeiner Norm äquivalent zur Konvergenz in der $\ell_{\infty}$-Norm. (= komponentenweiser Konvergenz)
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{bem} \begin{bem}
Obiger Satz gilt nicht für unendlich dimensionale Räume (wie z.B. $C[a,b]$ oder $R[a,b]$). Die endliche Dimension von $K^{n}$ ist entscheidend. Obiger Satz gilt nicht für unendlich dimensionale Räume (wie z.B. $C[a,b]$ oder $R[a,b]$). Die endliche Dimension von $K^{n}$ ist entscheidend.
@@ -180,12 +180,12 @@ Bezeichnung: $\norm{\cdot}$ irgendeine Norm.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
\begin{enumerate}[1)] \begin{enumerate}[1)]
\item Endliche Schnitte und beliebige Vereinigung von offenen Mengen sind wieder offen. \item Endliche Schnitte und beliebige Vereinigung von offenen Mengen sind wieder offen.
\item (Beobachtung) Durchschnitt von unendlich vielen offenen Mengen braucht nicht offen zu sein. Z.B. $$ \overset{\infty}{\underset{n=1}{\bigcap}} \left]-\frac{1}{n}, 1 + \frac{1}{n}\right[ = [0,1]$$ ist nicht offen, da $K_{\varepsilon}(0) \not\subset [0,1], \forall \varepsilon > 0$. \item (Beobachtung) Durchschnitt von unendlich vielen offenen Mengen braucht nicht offen zu sein. Z.B. $$ \overset{\infty}{\underset{n=1}{\bigcap}} \left]-\frac{1}{n}, 1 + \frac{1}{n}\right[ = [0,1]$$ ist nicht offen, da $K_{\varepsilon}(0) \not\subset [0,1], \forall \varepsilon > 0$.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{definition}[Abgeschlossene Menge] \begin{definition}[Abgeschlossene Menge]
Eine Teilmenge $A \subset \K^{n}$ heißt abgeschlossen, wenn ihr Komplement $A^{c} \coloneqq \K^{n} \setminus A$ offen ist. Eine Teilmenge $A \subset \K^{n}$ heißt abgeschlossen, wenn ihr Komplement $A^{c} \coloneqq \K^{n} \setminus A$ offen ist.
+2 -2
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@@ -302,10 +302,10 @@
In unendlich dimensionalen Banach-Räumen wie z.B.: $C[a,b]$ ist dies nicht möglich. In unendlich dimensionalen Banach-Räumen wie z.B.: $C[a,b]$ ist dies nicht möglich.
\end{bem} \end{bem}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
Jede abgeschlossene Teilmenge einer kompakten Menge in $\mathbb{K}^{n}$ ist Jede abgeschlossene Teilmenge einer kompakten Menge in $\mathbb{K}^{n}$ ist
ebenfalls kompakt. ebenfalls kompakt.
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{proof} \begin{proof}
Sei $M \subset \mathbb{K}^{n}$ kompakt und $A \subset M$ abgeschlossen. Wegen Sei $M \subset \mathbb{K}^{n}$ kompakt und $A \subset M$ abgeschlossen. Wegen
+2 -2
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@@ -49,7 +49,7 @@
\end{align*} \end{align*}
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
\begin{enumerate}[a)] \begin{enumerate}[a)]
\item Ein Skalarprodukt $(\cdot,\cdot)$ auf $V$ über $\K$ erzeugt eine Norm durch $\norm{x} \coloneqq \sqrt{(x,x)}, \ x \in V$. Falls ein normierter Raum $\left(V, (\cdot,\cdot)\right)$ vollständig ist, so heißt das Paar $\left(V, (\cdot,\cdot)\right)$ \underline{Hilbert-Raum}. \item Ein Skalarprodukt $(\cdot,\cdot)$ auf $V$ über $\K$ erzeugt eine Norm durch $\norm{x} \coloneqq \sqrt{(x,x)}, \ x \in V$. Falls ein normierter Raum $\left(V, (\cdot,\cdot)\right)$ vollständig ist, so heißt das Paar $\left(V, (\cdot,\cdot)\right)$ \underline{Hilbert-Raum}.
\item Das euklidische Skalarprodukt $(\cdot,\cdot)_2$ auf $\K^n$ \item Das euklidische Skalarprodukt $(\cdot,\cdot)_2$ auf $\K^n$
@@ -58,7 +58,7 @@
$$\norm{x}_2 \coloneqq \sqrt{(x,x)_2} = \sqrt{\sum_{i=1}^n |x_i|^2}.$$ $$\norm{x}_2 \coloneqq \sqrt{(x,x)_2} = \sqrt{\sum_{i=1}^n |x_i|^2}.$$
$\left(\K^n, (\cdot,\cdot)_2\right)$ ist ein Hilbert-Raum. $\left(\K^n, (\cdot,\cdot)_2\right)$ ist ein Hilbert-Raum.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{proof} \begin{proof}
Normeigenschaften Definitheit und Homogenität folgen aus \ref{def:definitheit}-\ref{def:linear}. Die Dreicksungleichung folgt aus der Schwarz-Ungleichung. Normeigenschaften Definitheit und Homogenität folgen aus \ref{def:definitheit}-\ref{def:linear}. Die Dreicksungleichung folgt aus der Schwarz-Ungleichung.
+2 -2
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@@ -37,11 +37,11 @@
Damit folgt die Behauptung. Damit folgt die Behauptung.
\end{proof} \end{proof}
\begin{korrolar} \begin{korollar}
Sei $A \in \mathbb{K}^{n \times n}$ regulär und Sei $A \in \mathbb{K}^{n \times n}$ regulär und
$\tilde A \in \mathbb{K}^{n \times n}$ s.d. $\Vert A - \tilde A\Vert < \frac{1}{\Vert A^{-1} \Vert}$. Dann $\tilde A \in \mathbb{K}^{n \times n}$ s.d. $\Vert A - \tilde A\Vert < \frac{1}{\Vert A^{-1} \Vert}$. Dann
ist $\tilde A$ regulär. ist $\tilde A$ regulär.
\end{korrolar} \end{korollar}
\begin{proof} \begin{proof}
Es ist $\tilde A = \tilde A + A - A = (\tilde A - A) + A = A Es ist $\tilde A = \tilde A + A - A = (\tilde A - A) + A = A
BIN
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Binary file not shown.
+1
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@@ -35,5 +35,6 @@ Rui Yang (\href{mailto:rui.yang@stud.uni-heidelberg.de}{rui.yang@stud.uni-heidel
\input{ana10.tex} \input{ana10.tex}
\input{ana11.tex} \input{ana11.tex}
\input{ana12.tex} \input{ana12.tex}
\input{ana13.tex}
\end{document} \end{document}
+2 -2
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@@ -49,7 +49,7 @@
\theoremstyle{definition} \theoremstyle{definition}
\newmdtheoremenv{satz}{Satz}[chapter] \newmdtheoremenv{satz}{Satz}[chapter]
\newmdtheoremenv{lemma}[satz]{Lemma} \newmdtheoremenv{lemma}[satz]{Lemma}
\newmdtheoremenv{korrolar}[satz]{Korrolar} \newmdtheoremenv{korollar}[satz]{Korollar}
\newmdtheoremenv{definition}[satz]{Definition} \newmdtheoremenv{definition}[satz]{Definition}
\newtheorem{bsp}[satz]{Beispiel} \newtheorem{bsp}[satz]{Beispiel}
@@ -222,7 +222,7 @@
} }
% replace all relations with align characters (&) and add the needed padding % replace all relations with align characters (&) and add the needed padding
\regex_replace_all:nnN \regex_replace_all:nnN
{ (\c{iff}&|&\c{iff}|\c{impliedby}&|&\c{impliedby}|\c{implies}&|&\c{implies}|\c{approx}&|&\c{approx}|\c{equiv}&|&\c{equiv}|=&|&=|\c{le}&|&\c{le}|\c{ge}&|&\c{ge}|&\c{stackrel}(\[.*?\])?{.*?}{.*?}|\c{stackrel}(\[.*?\])?{.*?}{.*?}&|&\c{neq}|\c{neq}&|>&|&>|<&|&<) } { (\c{leq}&|&\c{leq}|\c{geq}&|&\c{geq}|\c{iff}&|&\c{iff}|\c{impliedby}&|&\c{impliedby}|\c{implies}&|&\c{implies}|\c{approx}&|&\c{approx}|\c{equiv}&|&\c{equiv}|=&|&=|\c{le}&|&\c{le}|\c{ge}&|&\c{ge}|&\c{stackrel}(\[.*?\])?{.*?}{.*?}|\c{stackrel}(\[.*?\])?{.*?}{.*?}&|&\c{neq}|\c{neq}&|>&|&>|<&|&<) }
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\l__lec_text_tl \l__lec_text_tl
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