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\documentclass{../../../lecture}

\begin{document}

\begin{satz}[Reihenentwicklung Sinus / Cosinus]
Für alle $x \in \R$ gilt (absolut konvergente
Potenzreihendarstellung)
\[
\cos(x) = \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k}\frac{x^{2k}}{(2k)!} = 1 - \frac{x^{2}}{2!} + \frac{x^{4}}{4!} - \ldots
.\] und
\[
\sin(x) = \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k}\frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!} = x - \frac{x^{3}}{3!} + \frac{x^{5}}{5!} - \ldots
.\]
\end{satz}

\begin{proof}
Die absolute Konvergenz folgt als Teilreihe der Exponentialreihe (als Majorante)

Es gilt für $m \in \N_0$
\[
i^{n} = \begin{cases}
1 & n = 4m \\
i & n = 4m+1 \\
-1 & n = 4m+2 \\
-i & n = 4m+3
\end{cases}
.\] Es folgt
\begin{align*}
e^{ix} &= \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(ix)^{n}}{n!} = \sum_{n=0}^{\infty} i^{n} \frac{x^{n}}{n!} \\
&= \underbrace{\sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k} \frac{x^{2k}}{(2k)!}}_{\cos(x)} + i \underbrace{\sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k} \frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!}}_{\sin(x)}
.\end{align*}
\end{proof}

\begin{satz}[Restgliedabschätzung Sinus / Cosinus]
Für $n \in \N_0$ gilt
\[
\cos(x) = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k} \frac{x^{2k}}{(2k)!} + R_{2n+2}(x)
.\] und
\[
\sin(x)= \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k} \frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!} + R_{2n+3}(x)
.\]
mit
\[
|R_{2n+2}(x)| \le \frac{|x|^{2n+2}}{(2n+2)!} \text{ für } |x| \le 2n+3
.\] bzw.
\[
|R_{2n+3}(x)| \le \frac{|x|^{2n+3}}{(2n+3)!} \text{ für } |x| \le 2n+4
.\]
\end{satz}

\begin{proof}
Es gilt
\begin{align*}
R_{2n+2}(x) &= \sum_{k=n+1}^{\infty} (-1)^{k} \frac{x^{2k}}{(2k)!} \\
&= (-1)^{n+1} \frac{x^{2n+2}}{(2n+2)!}
\left( \sum_{k=n+1}^{\infty} (-1)^{k-(n+1)}
\frac{x^{2(k - (n+1))}}{(2k)! \frac{1}{(2n+2)!}}\right) \\
&= (-1)^{n+1} \frac{x^{2n+2}}{(2n+2)!}
\left( \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k}
\frac{x^{2k}(2n+2)!}{(2k+2n+2)!} \right)
.\end{align*}
Für $k \in \N$ setze
\begin{align*}
a_k :&= \frac{x^{2k}(2n+2)!}{(2k+2n+2)!}
= \frac{x^{2k}}{(2n+3)(2n+4) \ldots (2k + 2n + 2)} \\
a_{k-1} &= \frac{x^{2k-2}(2n+2)!}{(2k+2n)!}
\intertext{damit}
a_k &= a_{k-1} \cdot \frac{x^{2}}{(2k+2n+1)(2k+2n+2)}
.\end{align*}
Es gilt für $|x| \le 2n+3, k\ge 1$
\[
\frac{x^{2}}{(2k+2n+1)(2k+2n+2)} \le \frac{(2n+3)^{2}}{(2n+3)(2n+4)} < 1
.\] $\implies$
\[
a_k \le \frac{(2n+3)^{k}}{(2n+4)^{k}} a_0 \quad a_0 = \frac{1}{(2n+2)!}
.\] $\stackrel{\text{Leibniz}}{\implies}$
\[
\sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k} a_k
.\] konvergent mit
\[
0 < \underbrace{\underbrace{1 - a_1}_{> 0} + \underbrace{a_2 - a_3}_{> 0}
+ \underbrace{a_4 - \ldots}_{> 0}}_{< 1} < 1
.\] $\implies$
\[
|R_{2n+2}(x)| \le \frac{|x|^{2n+2}}{(2n+2)!} \text{ für } |x| \le 2n+3
.\] Genauso für $R_{2n+3}(x)$ (Sinus).
\end{proof}

\begin{lemma}
Sinus und Cosinus Funktionen haben das folgende Verhalten
\[
\lim_{x \to 0} \frac{\sin(x)}{x} = 1
.\]
\[
\lim_{x \to 0} \frac{\cos(x)-1}{x} = 0
.\]
\end{lemma}

\begin{proof}
\begin{align*}
\left| \frac{\sin(x)}{x} - 1 \right|
&= \left| \underbrace{1 - \frac{x^{2}}{3!} + \frac{x^{4}}{5!}}_{\frac{\sin(x)}{x}} - \ldots - 1\right| \\
&= \left| x \sum_{k=1}^{\infty} (-1)^{k}\frac{x^{2k-1}}{(2k+1)!} \right| \\
&\stackrel{|x| < 1}{\le |x|} \cdot \left| \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2k+1)!} \right|
\le |x| \cdot e
.\end{align*} $\implies$
\[
\underbrace{\left| \frac{\sin(x)}{x} -1 \right|}_{\to 0}
\le \underbrace{|x| \cdot e}_{\to 0}
.\]
genauso für $\lim_{x \to 0} \frac{\cos(x) - 1}{x}$.
\end{proof}

\subsection{Die Zahl $\pi$}
Ziel: Analytische Definition von $\pi \in \R$.

\begin{satz}[und Definition]
Die Funktion $\cos\colon [0,2] \to \R$ hat genau eine Nullstelle
im Intervall $[0,2]$, welche mit $\frac{\pi}{2}$ bezeichnet
wird ($\pi := 2 \frac{\pi}{2}$ ).
\end{satz}

\begin{proof}
in 4 Schritten.

Schritt 1 / Lemma 1: $\cos(2) \le -\frac{1}{3}$. \\
Restgliedabschätzung liefert ($|x| \le 5$ ).
\[
\cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2} + R_4(x) \text{ mit } |R_4(x)| \le \frac{|x|^{4}}{24}
.\] $\implies$
\[
\cos(2) = 1 - 2 + \underbrace{R_4(2)}_{\le \frac{16}{24} = \frac{2}{3}} \le -1 + \frac{2}{3} = -\frac{1}{3}
.\]

Schritt 2 / Lemma 2: $\sin(x) > 0$ $\forall x \in \; ]0, 2[$\\
Es gilt
\begin{align*}
\sin(x) = x + R_3(x) = x (1 + \frac{R_3(x)}{x})
\left| \frac{R_3(x)}{x} \right| \le \frac{|x|^2}{6}
\stackrel{0 < x \le 2}{\le} \frac{4}{6} = \frac{2}{3}
\intertext{$\implies$}
1 + \frac{R_3(x)}{x} \ge \frac{1}{3}
.\end{align*}

Schritt 3 / Lemma 3: $\cos: [0,2] \to \R$ ist streng monoton fallend.\\
Sei $0 \le y < x \le 2$. Dann gilt
\begin{align*}
\cos(x) - \cos(y) \stackrel{\text{Additionstheorem}}{=}
- 2 \underbrace{\sin\left( \frac{x+y}{2} \right)}_{> 0}
\underbrace{\sin\left( \frac{x-y}{2} \right)}_{> 0} < 0
.\end{align*}

Schritt 4 (Beweis der Definition von $\pi$ )
$\cos(0) = 1$ (nach Definition).
\[
\cos(2) \le - \frac{1}{3} \stackrel{\text{Zwischenwertsatz}}{\implies}
\exists x_0 \in [0,2] \text{ mit } \cos(x_0) = 0
.\] Nach Lemma 3 ist $x_0$ eindeutig.
\end{proof}

\begin{korrolar}[Spezielle Werte von $\exp$]
Es gilt: $e^{i \frac{\pi}{2}} = i$,
$e^{i \pi} = -1$, $e^{i \frac{3\pi}{2}} = -i$, $e^{2\pi i} = 1$
\end{korrolar}

\begin{proof}
Übung.
\end{proof}

\begin{korrolar}[Eigenschaften Sinus / Cosinus]
$\forall x \in \R$ gilt:
\begin{enumerate}[(i)]
\item $\cos(x + 2\pi) = \cos(x) \quad \sin(x+2\pi) = \sin(x)$ \\
$2 \pi$: Periodizität
\item $\cos(x + \pi) = - \cos(x) \quad \sin(x+ \pi) = - \sin(x)$
\item $\cos(x) = \sin(\frac{\pi}{2} - x) \quad \sin(x) = \cos(\frac{\pi}{2} - x)$
\item Nullstellen von $\sin / \cos$.\\
$\{x \in \R | \sin x = 0\} = \{x = k\pi | k \in \Z\} $ \\
$\{x \in \R | \cos x = 0\} = \{x = \left(k+\frac{1}{2}\right)\pi | k \in \Z\} $ \\
\end{enumerate}
\end{korrolar}

\begin{proof}
folgt aus den Additionstheoremen, der Definition von $\frac{\pi}{2}$,
den speziellen Werten von $\exp$ und folgender Tabelle
\begin{tabular}{l|l|l|l|l|l}
x & 0 & $\frac{\pi}{2}$ & $\pi$ & $\frac{3}{2} \pi$ & $2 \pi$ \\ \hline
$\cos x$ & 1 & 0 & $-1$ & 0 & 1 \\ \hline
$\sin x$ & 0 & 1 & 0 & $-1$ & 0 \\
\end{tabular}.
\end{proof}

\begin{korrolar}[$e^{z} = 1$]
Es gilt $\{z \in \mathbb{C} | e^{z} = 1\} = \{i 2 \pi k | k \in \Z\} $
\end{korrolar}

\begin{proof}
ohne Beweis.
\end{proof}

\begin{definition}[Tangens, Cotangens]
\begin{enumerate}[(i)]
\item Die Tangensfunktion
\begin{align*}
&\tan: \R \setminus \{x = (k + \frac{1}{2}) \pi | k \in \Z\}
\to \R
\intertext{ist definiert durch}
&\tan x := \frac{\sin x}{\cos x}
.\end{align*}
\item Die Cotangensfunktion
\begin{align*}
&\cot: \R \setminus \{x = k \pi | k \in \Z\} \to \R
\intertext{ist definiert durch}
&\cot x := \frac{\cos(x)}{\sin(x)}
.\end{align*}
\end{enumerate}
\end{definition}

\begin{figure}[htpb]
\centering
\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=5,
ymin=-5
]
\addplot[domain=-3:3,samples=50,smooth,red] {tan(deg(x))};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{$\tan(x)$}
\end{figure}

\begin{figure}[htpb]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}%
[grid=both,
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ymin=-5
]
\addplot[domain=-3:3,samples=50,smooth,red] {cot(deg(x))};
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{$\cot(x)$}
\end{figure}

\begin{definition}[Arcusfunktionen (Umkehrfunktionen der Trigonometrischen
Funktionen)]
\begin{enumerate}[(i)]
\item $\cos\colon [0, \pi] \to [-1, 1]$ ist streng monoton fallend
und bijektiv. Die Umkehrfunktion heißt
Arcus-Cosinus.
\[
\arccos: [-1,1] \to [0, \pi]
.\]
\item $\sin\colon \left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right] \to [-1, 1]$
ist streng monoton wachsend und bijektiv. Die Umkehrfunktion
heißt Arcus-Sinus.
\[
\arcsin: [-1,1] \to \left[ -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right]
.\]
\item $\tan\colon \; ] - \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} [ \to \R$ ist streng
monoton wachsend und bijektiv. Die Umkehrfunktion heißt
Arcus-Tangens.
\[
\arctan: \R \to ] - \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} [
.\]
\end{enumerate}
\end{definition}

\begin{satz}[Polarkoordinaten]
Jedes $z \in \mathbb{C}$ lässt sich schreiben als
$z = r\cdot e^{i \varphi}$, $\varphi \in \R$ und
$r = |z| \in [0, \infty[$.

Für $z \neq 0$ ist $\varphi$ bis auf ein ganzzahliges Vielfaches von
$2\pi$ eindeutig bestimmt.
\end{satz}

\begin{proof}
Rannacher.
\end{proof}

\end{document}

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