diff --git a/ws2019/ana/lectures/analysis10.pdf b/ws2019/ana/lectures/analysis10.pdf new file mode 100644 index 0000000..8b4c9c2 Binary files /dev/null and b/ws2019/ana/lectures/analysis10.pdf differ diff --git a/ws2019/ana/lectures/analysis10.tex b/ws2019/ana/lectures/analysis10.tex new file mode 100644 index 0000000..67bb720 --- /dev/null +++ b/ws2019/ana/lectures/analysis10.tex @@ -0,0 +1,145 @@ +\documentclass{../../../lecture} + +\usepackage{tikz} +\usepackage{pgfplots} +\usepackage{enumerate} + +\begin{document} + +Sorry für die Verspätung.. + +Rechenregeln für komplexe Zahlen +(siehe Übungsblatt) + +Reelle Zahlen: $z \in \R \iff \text{Im}(z) = 0 \iff z = \overline{z}$ + +Dies führt zur weiteren Darstellung komplexer Zahlen mit Hilfe von $\sin$ und $\cos$. + +\textbf{Polardarstellung} + +\begin{enumerate}[(a)] + \item + \[ + z = r (\cos \varphi + i \sin \varphi) \qquad r = |z| + .\] + Bsp.: $i = 1 \cdot \left(\cos\frac{\pi}{2} + i \sin\frac{\pi}{2}\right)$ + \item + Definiere $e^{iy} := \cos y + i \sin y \qquad y \in \R$. Es folgt + eine \textit{Exponentialdarstellung}. + \[ + z = r \cdot e^{i \varphi} \text{ mit } r = |z| \quad \varphi = \text{Arg}(z) + .\] +\end{enumerate} + +\begin{satz}[Vorteil der Exponentialdarstellung] + Für $z = r e^{i \varphi} = r (\cos \varphi + i \sin \varphi)$ + \[ + z_k = r_k e^{i \varphi k} \qquad k = 1,2 \text{ gilt} + .\] + \begin{enumerate}[(a)] + \item $\overline{z} = r \cdot e^{-i\varphi}$ + \item $z_1 \cdot z_2 = r_1\cdot r_2 \cdot e^{i(\varphi_1 + \varphi_2)}$ + \item $\frac{z_1}{z_2} = \frac{r_1}{r_2}\cdot e^{i (\varphi_1 - \varphi_2)}$ + \item $z^{n} = r^{n} e^{in\varphi}$ \\ + insbesondere gilt die Formel von de Moivre: + \[ + \left(e^{i\varphi}\right)^{n} + = (\cos \varphi + i \sin\varphi)^{n} + = \cos (n \varphi) + i \sin(n \varphi) + = e^{in\varphi} + .\] + \end{enumerate} +\end{satz} + +\begin{proof} + \begin{enumerate}[(a)] + \item $\overline{z} = \overline{r(\cos \varphi + i \sin\varphi)} + = r (\cos\varphi - i \sin\varphi) + = r (\cos(-\varphi) + i \sin(-\varphi)) + = r\cdot e^{-\varphi}$ + \item \begin{align*} + z_1 \cdot z_2 &= r_1\cdot r_2\left( \cos\varphi_1 \cos\varphi_2 - \sin\varphi_1 \sin\varphi_2 \right) + + i \left(\left( \cos\varphi_1\sin\varphi_2 + \cos\varphi_2 \sin\varphi_1 \right)\right) \\ + &= r_1r_2(\cos(\varphi_1 + \varphi_2) + i \sin(\varphi_1 +\varphi_2)) \\ + &= r_1 r_2 e^{i (\varphi_1 + \varphi_2)} + .\end{align*} + \item folgt aus 2 + \item folgt aus 2 + \end{enumerate} +\end{proof} + +tolle Grafik von der Kostina, die gibt's nur in der Vollversion. + +\begin{bem}[Beobachtungen] + \begin{enumerate} + \item $e^{i \varphi} = 1 \iff \varphi \in \{2\pi k\mid k \in \Z\} $ + \begin{proof} + durch Behauptung. + \end{proof} + \item $e^{i\varphi_1} = e^{i \varphi_2} \iff \varphi_1 - \varphi_2 + \in \{2 \pi k \mid k \in \Z\} $ + \end{enumerate} +\end{bem} + +\begin{satz}[$n$-te Wurzel in $\C$] + Für $n \in \N$ und $0 \neq w = r e^{i\varphi}$ hat die Gleichung + $z^{n} = w $ genau $n$ verschiedene Lösungen. + \[ + z_k = \sqrt[n]{r} e^{i(\varphi + 2 \pi k)\cdot \frac{1}{n}} + \qquad k = 0,1, \ldots, n-1 + .\] +\end{satz} + +\begin{proof} + Sei $z = \rho e^{i \psi}$. Dann: + \begin{align*} + &z^{n} = \rho^{n} e^{i n \psi} + \stackrel{!}{=} r e^{i \varphi} = w \\ + \iff &\rho^{n} = r \text{ und } n \psi = \varphi + 2 \pi k, k \in \Z \\ + \iff &\varrho = \sqrt[n]{r} \text{ und } \psi = \frac{1}{n}(\varphi + 2 \pi k) k \in \Z + .\end{align*} + + Betrachte: $z_k = \sqrt[n]{r} e^{i\psi_k}, \psi_k = \frac{1}{n}\left( \varphi + 2 \pi k \right), k = 0, 1, \ldots, n-1$ + + \begin{enumerate} + \item Alle $z_k$ sind paarweise verschieden (klar). + \item Wir zeigen, dass es keine weiteren Lösungen gibt. + Sei $z$ eine beliebige Lösung $z^{n} = w$ und + $z = |z| \cdot (\cos \psi + i \sin \psi)$. Es gilt + $|z|^{n} = |w|$ und folglich $|z| = \sqrt[n]{|w|} = \sqrt[n]{r} $. + + Weiterhin ist $n \psi = \varphi + 2 \pi l $ für ein $l \in \Z$ + (wegen $(e^{i \psi})^{n} = e^{i n \psi}$), dann + $\psi = \frac{\varphi}{n} + l \frac{2\pi}{n}$. + + Teile $l$ durch $n$ mit Rest: $l = k + s \cdot n$. + \[ + \frac{l}{n} = s + \frac{k}{n}, s \in \Z, 0 \le k \le n-1 + .\] + Dann + \[ + \psi = \frac{\varphi}{n} + \frac{2\pi}{n}(k+sn) + = \underbrace{\left( \frac{\varphi}{n} + \frac{2\pi}{n} k \right)}_{\psi_k} + 2\pi s + .\] + $\implies z = z_k, 0 \le k \le n-1$ \\ + $\implies$ Alle Lösungen gefunden + \end{enumerate} +\end{proof} + +\begin{bem}[Geometrische Interpretation] + Die Lösungen sind die Ecken eines regelmäßigen $n$-Ecks auf + dem Kreis mit Radius $|z| = \sqrt[n]{r} $. + + Im Fall $w = 1$ heißen $z_k$ die $n$-ten Einheitswurzeln. +\end{bem} + +\begin{bsp} + Die dritten Einheitswurzeln sind + \begin{align*} + &\left\{ e^{i 2 k \pi \frac{1}{3}}, k = 0,1,2 \right\} \\ + &= \left\{ \cos\left( k \frac{2\pi}{3} + i \sin (k \frac{2\pi}{3}, k = 0,1,2 \right) \right\} \\ + &= \left\{1, -\frac{1}{2}+ i \frac{\sqrt{3} }{2} , -\frac{1}{2} - i\frac{\sqrt{3} }{2}\right\} + .\end{align*} +\end{bsp} + +\end{document}