Kurs:Analysis (Osnabrück 2013-2015)/Teil I/Arbeitsblatt 21/latex
\setcounter{section}{21}
\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme die \definitionsverweis {Ableitung}{}{} der \definitionsverweis {Funktion}{}{} \maabbeledisp {} { D } { {\mathbb C} } { z } { \tan z = \frac{ \sin z }{ \cos z } } {.} Was ist die \definitionsverweis {Definitionsmenge}{}{} $D$ des \stichwort {Tangens} {?}
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Zeige, dass die Sinus- bzw. die Kosinusfunktion die folgenden Werte besitzt.
a)
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sin { \frac{ \pi }{ 4 } }
}
{ =} { \cos { \frac{ \pi }{ 4 } }
}
{ =} { { \frac{ 1 }{ \sqrt{2} } }
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
b)
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \cos { \frac{ \pi }{ 3 } }
}
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
c)
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sin { \frac{ \pi }{ 3 } }
}
{ =} { { \frac{ \sqrt{3} }{ 2 } }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Zeige, dass die \definitionsverweis {reelle Sinusfunktion}{}{} eine \definitionsverweis {bijektive}{}{,} \definitionsverweis {streng wachsende}{}{} Funktion \maabbdisp {} { [- \pi/2, \pi/2] } { [-1,1] } {} induziert, und dass die \definitionsverweis {reelle Kosinusfunktion}{}{} eine bijektive, streng fallende Funktion \maabbdisp {} { [0,\pi] } { [-1,1] } {} induziert.
}
{} {}
Aufgrund von Korollar 21.4 ist die reelle Sinusfunktion und die reelle Kosinusfunktion bijektiv auf gewissen Intervallen. Die Umkehrfunktionen heißen folgendermaßen.
Die \definitionsverweis {Umkehrfunktion}{}{} der reellen \definitionsverweis {Sinusfunktion}{}{} ist \maabbeledisp {} { [-1,1] } { [- \frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] } { x } { \arcsin x } {,} und heißt \definitionswort {Arkussinus}{.}
Die \definitionsverweis {Umkehrfunktion}{}{} der reellen \definitionsverweis {Kosinusfunktion}{}{} ist \maabbeledisp {} { [-1,1] } { [0, \pi] } { x } { \arccos x } {,} und heißt \definitionswort {Arkuskosinus}{.}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme die \definitionsverweis {Ableitungen}{}{} von \definitionsverweis {Arkussinus}{}{} und \definitionsverweis {Arkuskosinus}{}{.}
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Zeige, dass die
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ =} { \begin{cases} x \sin \frac{1}{x} \text{ für } x \in {]0,1]}, \\ 0 \text{ für } x = 0,\end{cases}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
\definitionsverweis {stetig}{}{}
ist und unendlich viele
\definitionsverweis {Nullstellen}{}{}
besitzt.
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Wir betrachten die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f(x)
}
{ =} { \begin{cases}x \cdot \sin \frac{1}{x} \text{ für } x \neq 0\, , \\ 0 \text{ sonst} \, , \end{cases}
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
definierte Funktion
\maabbdisp {f} { \R } { \R
} {.}
Zeige, dass es zu jedem
\mathbed {\lambda} {}
{- 1 \leq \lambda \leq 1} {}
{} {} {} {,}
eine Nullfolge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ { \left( x_n \right) }_{n \in \N }
}
{ \in }{ \R_+
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
derart gibt, dass die Folge der Differenzenquotienten
\mathdisp {{ \frac{ f(x_n) -f(0) }{ x_n } }} { }
gegen $\lambda$ konvergiert.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme für die folgenden Funktionen, ob der \definitionsverweis {Funktionslimes}{}{} existiert und welchen Wert er gegebenenfalls annimmt. \aufzaehlungvier{ $\operatorname{lim}_{ x \rightarrow 0 } \, \frac{ \sin x }{x}$, }{ $\operatorname{lim}_{ x \rightarrow 0 } \, \frac{ (\sin x)^2 }{x}$, }{ $\operatorname{lim}_{ x \rightarrow 0 } \, \frac{ \sin x }{x^2}$, }{ $\operatorname{lim}_{ x \rightarrow 1 } \, \frac{x-1}{ \ln x }$. }
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Bestimme für die folgenden Funktionen, ob der
\definitionsverweis {Funktionslimes}{}{}
für
\mathbed {x \in \R \setminus \{0\}} {}
{x \rightarrow 0} {}
{} {} {} {,}
existiert und welchen Wert er gegebenenfalls annimmt.
\aufzaehlungdrei{ $\sin \frac{1}{x}$,
}{ $x \cdot \sin \frac{1}{x}$,
}{ $\frac{1}{x} \cdot \sin \frac{1}{x}$.
}
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Bestimme den Grenzwert der Folge
\mathdisp {\frac{ \sin n }{n} , \, n \in \N_+} { . }
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Zeige, dass die Folge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n
}
{ \defeq} { \sin n
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
nicht konvergiert.
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Zu einem Startwert
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0
}
{ \in }{ [0, { \frac{ \pi }{ 2 } }]
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
sei eine Folge rekursiv durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_{n+1}
}
{ \defeq} { \sin x_n
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{}
definiert. Entscheide, ob
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} konvergiert und bestimme gegebenenfalls den Grenzwert.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Untersuche die
\definitionsverweis {Funktionenfolge}{}{}
\maabbeledisp {f_n} {\R} {\R
} { x } { (\sin x )^n
} {,}
auf
\definitionsverweis {punktweise}{}{}
und
\definitionsverweis {gleichmäßige Konvergenz}{}{.}
An welchen Punkten existiert die
\definitionsverweis {Grenzfunktion}{}{,}
an welchen ist sie
\definitionsverweis {stetig}{}{,}
an welchen
\definitionsverweis {differenzierbar}{}{?}
Wie verhält sich die abgeleitete Funktionenfolge, also
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g_n(x)
}
{ = }{ f_n'(x)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{?}
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n
}
{ \in }{ \N_+
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
Es sei
\mathl{F}{} eine komplexe, auf
\mathl{{\mathbb C}}{} konvergente
\definitionsverweis {Potenzreihe}{}{}
der Form
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{F
}
{ =} { \sum _{ j = 0}^\infty c_{ j n } z^{ j n }
}
{ } {
}
{ } {
}
{ } {
}
}
{}{}{.}
Zeige, dass für jede $n$-te komplexe Einheitswurzel
\mathl{\zeta}{} die Gleichheit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ F( \zeta z)
}
{ = }{ F( z)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
gilt.
}
{} {}
\inputaufgabe
{}
{
Es sei
\mathl{F= \sum _{ i= 0}^\infty c _i z^{ i }}{} eine komplexe auf
\mathl{{\mathbb C}}{} konvergente Potenzreihe und $n \in \N_+$. Für jede $n$-te komplexe Einheitswurzel
\mathl{\zeta}{} gelte
\mathl{F( \zeta z) =F( z)}{} für alle
\mathl{z \in {\mathbb C}}{.} Zeige, dass
\mathl{c_i =0}{} für alle
\mathl{i}{} gilt, die kein Vielfaches von
\mathl{n}{} sind.
}
{} {}
\inputaufgabegibtloesung
{}
{
Es sei $n \in \N_+$ und sei $\zeta$ eine $n$-te komplexe Einheitswurzel. Es sei
\maabbeledisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C}
} { z } {f(z)
} {,}
eine differenzierbare Funktion mit der Eigenschaft, dass die Gleichheit
\mathl{f( \zeta z) =f( z)}{} für alle
\mathl{z \in {\mathbb C}}{} gelte. Zeige unter Bezug auf den Differenzenquotienten, dass die Ableitung die Beziehung
\mathl{f'(\zeta z) = \zeta^{n-1} f' ( z)}{}
erfüllt.
}
{} {}
Was bedeutet die vorstehende Aufgabe für gerade und ungerade Funktionen?
\inputaufgabe
{}
{
Es sei
\maabbdisp {f} { {\mathbb C} } { {\mathbb C}
} {}
eine
\definitionsverweis {stetige Funktion}{}{.}
Zeige, dass die beiden folgenden Aussagen äquivalent sind.
\aufzaehlungdrei{Es gibt eine stetige Funktion
\maabbdisp {g} { \R_{\geq 0} } { {\mathbb C}
} {}
mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f(z)
}
{ = }{ g ( \betrag { z })
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
}{Für alle $n$-ten Einheitswurzeln
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \zeta
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
\zusatzklammer {alle
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ n
}
{ \in }{ \N
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}} {} {}
ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f (\zeta z)
}
{ = }{ f (z)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
}{Für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ w
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { w }
}
{ = }{ 1
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f (w z)
}
{ = }{ f(z)
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ z
}
{ \in }{ {\mathbb C}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
}
}
{} {}
\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}
\inputaufgabegibtloesung
{3}
{
Bestimme die Intervalle, auf denen die reelle Sinusfunktion \maabbeledisp {} {\R} {\R } { x } { \sin x } {,} \definitionsverweis {konvex}{}{} bzw. \definitionsverweis {konkav}{}{} ist.
}
{} {}
\inputaufgabe
{3}
{
Zeige, dass die
\definitionsverweis {Funktion}{}{}
\mathdisp {f(x) = \begin{cases} x \sin \frac{1}{x} \text{ für } x \in {]0,1]}, \\ 0 \text{ für } x = 0,\end{cases}} { }
unendlich viele
\definitionsverweis {isolierte lokale Maxima}{}{}
und unendlich viele
\definitionsverweis {isolierte lokale Minima}{}{}
besitzt.
}
{} {}
\inputaufgabe
{3}
{
Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {stetige Funktion}{}{} \maabbeledisp {f} { [0,1] } {\R } { x } {f(x) } {,} die unendlich viele \definitionsverweis {Nullstellen}{}{} und unendlich viele \definitionsverweis {isolierte lokale Maxima}{}{} besitzt, deren Funktionswert $\geq 1$ ist.
}
{} {}
\inputaufgabe
{6}
{
Zeige, dass es keine \definitionsverweis {stetige Funktion}{}{} \maabbeledisp {f} { [0,1] } {\R } { x } {f(x) } {,} gibt, die unendlich viele \definitionsverweis {Nullstellen}{}{} besitzt derart, dass zwischen je zwei Nullstellen ein \definitionsverweis {lokales Maximum}{}{} existiert, dessen Funktionswert $\geq 1$ ist.
}
{} {}
\inputaufgabe
{6}
{
Es sei
\mathl{z_n \in {\mathbb C}}{} eine Folge von komplexen Zahlen, die wir in Polarkoordinaten als
\mathdisp {z_n =r_n e^{ { \mathrm i} \varphi_n }} { }
mit
\mathl{r_n \in \R_{\geq 0}}{} und
\mathl{\varphi_n \in [0, 2 \pi[}{} schreiben. Zeige, dass die Folge genau dann konvergiert, wenn einer der folgenden Fälle vorliegt.
\aufzaehlungdrei{Die Folge
\mathl{r_n}{} konvergiert gegen
\mathl{0}{.}
}{Die beiden Folgen
\mathl{r_n}{} und
\mathl{\varphi_n}{} konvergieren (in
\mathl{\R}{}).
}{Die Folge
\mathl{r_n}{} konvergiert und die Folge
\mathl{\varphi_n}{} besitzt die Punkte
\mathl{0}{} und
\mathl{2 \pi}{} als einzige Häufungspunkte.}
}
{} {}
\inputaufgabe
{6}
{
Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n
}
{ \geq }{ 3
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{}
sei
\mathl{A_n}{} der Flächeninhalt eines in den Einheitskreis eingeschriebenen gleichmäßigen $n$-Eckes. Zeige
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ A_n
}
{ \leq }{ A_{n+1}
}
{ }{
}
{ }{
}
{ }{
}
}
{}{}{.}
}
{} {}
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