Kurs:Analysis/Teil II/15/Klausur mit Lösungen


Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Punkte 3 3 0 3 4 3 4 10 3 4 6 5 8 4 5 65




Aufgabe (3 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Eine abgeschlossene Menge in einem metrischen Raum .
  2. Das Wegintegral zu einem stetigen Vektorfeld

    und einer stetig differenzierbaren Kurve

  3. Ein Fundamentalsystem von Lösungen eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems mit konstanten Koeffizienten.
  4. Eine höhere Richtungsableitung zu einer Abbildung

    wobei endlichdimensionale - Vektorräume sind, bezüglich der Richtungen .

  5. Der Typ einer symmetrischen Bilinearform auf einem endlichdimensionalen reellen Vektorraum .
  6. Das Gradientenfeld zu einer differenzierbaren Funktion

    auf einem euklidischen Vektorraum .


Lösung

  1. Eine Teilmenge heißt abgeschlossen, wenn das Komplement offen ist.
  2. Das Wegintegral ist
  3. Es sei

    mit

    ein homogenes lineares gewöhnliches Differentialgleichungssystem mit konstanten Koeffizienten. Dann heißt eine Basis des Lösungsraumes ein Fundamentalsystem von Lösungen dieses Systems.

  4. Man sagt, dass die höhere Richtungsableitung von in Richtung existiert, wenn die höhere Richtungsableitung in Richtung existiert und davon die Richtungsableitung in Richtung existiert.
  5. Es sei ein endlichdimensionaler reeller Vektorraum mit einer symmetrischen Bilinearform . Man sagt, dass eine solche Bilinearform den Typ

    besitzt, wobei

    und

    ist.

  6. Die Abbildung

    heißt Gradientenfeld zu .


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über das Maximum von Funktionen auf kompakten Teilmengen.
  2. Der Trägheitssatz von Sylvester.
  3. Der Satz über den Gradienten und die Niveaumenge.


Lösung

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über das Maximum von Funktionen auf kompakten Teilmengen.
  2. Der Trägheitssatz von Sylvester.
  3. Der Satz über den Gradienten und die Niveaumenge.


Aufgabe (0 Punkte)


Lösung /Aufgabe/Lösung


Aufgabe (3 Punkte)

Beweise die Stetigkeit polynomialer Funktionen .


Lösung

Die einzelnen Variablen repräsentieren die -te lineare Projektion

Nach Satz 34.10 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) sind diese stetig. Aufgrund von Lemma 34.9 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) sind dann auch die monomialen Funktionen

stetig und damit aus dem gleichen Grund überhaupt alle polynomialen Funktionen.


Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ein metrischer Raum und eine Teilmenge. Es sei

eine stetige Abbildung in einen weiteren metrischen Raum und sei , , ein Punkt, der ein Berührpunkt von sei. Zeige, dass der Grenzwert

genau dann existiert, wenn eine stetige Fortsetzung

besitzt.


Lösung

Wir setzen zunächst voraus, dass der Grenzwert existiert. In diesem Fall definieren wir die Fortsetzung durch

und müssen zeigen, dass dies stetig ist. Für ist die Abbildung nach wie vor stetig, da sich die Abbildung in einer offenen Umgebung von nicht ändert. Im Punkt stimmt die Definition der Grenzwerteigenschaft mit der -Definition der Stetigkeit überein mit dem einzigen Unterschied, dass diese sich auch auf den Punkt bezieht, in diesem Punkt ist aber die Abstandsbedingung trivialerweise erfüllt.

Wenn eine stetige Fortsetzung ist, so ist

der Grenzwert von in sein.


Aufgabe (3 Punkte)

Es seien

differenzierbare Kurven. Berechne die Ableitung der Funktion

Formuliere das Ergebnis mit dem Skalarprodukt.


Lösung

Es seien bzw. die Komponentenfunktionen von bzw. . Die in Frage stehende Funktion ist

mit der Ableitung (auf jeden Summanden wendet man die Produktregel an)

Mit dem Skalarprodukt kann man dies als

schreiben.


Aufgabe (4 Punkte)

Bestimme das Wegintegral zum Vektorfeld

auf zum Weg


Lösung

Es ist

und somit ist der Integrand des Wegintegrals gleich

Eine Stammfunktion des linken Summanden ist

und des rechten Summanden ist

Somit ist


Aufgabe (10 Punkte)

Beweise den Kurvenlängensatz.


Lösung

Da die Norm stetig ist, existiert nach Satz 24.3 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) das rechte Integral, und zwar ist es gleich dem Infimum über alle Treppenintegrale zu oberen Treppenfunktionen der Funktion . Diese Treppenintegrale werden zu einer Unterteilung durch  mit gegeben. Andererseits steht nach der Definition der Kurvenlänge links das Supremum über die zu einer solchen Unterteilung gehörigen Summen

Aufgrund der Mittelwertabschätzung gilt

Durch Aufsummieren ergibt sich daher die Abschätzung

Hierbei müssen wir links das Supremum und rechts das Infimum über alle Unterteilungen nehmen.  Nehmen wir an, dass das Supremum der linken Seite größer als das Infimum der rechten Seite ist. Dann gibt es eine Unterteilung derart, dass die Längensumme links zu dieser Unterteilung mindestens gleich , und eine Unterteilung derart, dass das Treppenintegral rechts höchstens gleich ist. Wir können zur gemeinsamen Verfeinerung übergehen und annehmen, dass es sich um die gleiche Unterteilung handelt, und erhalten einen Widerspruch. Das Supremum der linken Seite ist also durch das Infimum der rechten Seite beschränkt. D.h. die Kurve ist rektifizierbar und es gilt

Diese Beziehung gilt auch für jedes beliebige Teilintervall . Es sei die Länge der auf definierten Kurve. Es genügt dann zu zeigen, dass diese Funktion nach ableitbar und eine Stammfunktion zu ist. Für den zugehörigen Differenzenquotienten in einem Punkt gelten die Abschätzungen ()

Für konvergieren die beiden äußeren Seiten gegen , sodass auch der Differenzenquotient dagegen konvergieren muss.


Aufgabe (3 Punkte)

Es sei eine reelle - Matrix, ein Eigenvektor von zum Eigenwert . Es sei eine stetige Funktion. Finde eine nichttriviale Lösung für das lineare Differentialgleichungssystem


Lösung

Es sei eine Stammfunktion zu . Wir behaupten, dass

eine Lösung ist. Dies beruht auf


Aufgabe (4 Punkte)

Bestimme die ersten drei Picard-Lindelöf-Iterationen zum Anfangswertproblem

mit der Anfangsbedingung


Lösung

Es ist . Die erste Iteration liefert

Die zweite Iteration liefert

Die dritte Iteration liefert


Aufgabe (6 (4+2) Punkte)

  1. Bestimme die Richtungsableitung der Funktion

    im Punkt in Richtung mit einer direkten Limesbetrachtung unter Verwendung der Regel von Hospital.

  2. Überprüfe das Ergebnis aus (1) mit Hilfe des totalen Differentials.


Lösung

  1. Wir müssen untersuchen, ob und wohin der Differenzenquotient
    für konvergiert. Wir leiten Zähler und Nenner ab und erhalten den neuen Quotienten

    Hier konvergiert der Nenner für gegen und der Gesamtbruch gegen . Nach Hospital konvergiert dann auch der Differenzenquotient gegen .

  2. Die partiellen Ableitungen sind

    Im Punkt ergibt dies das totale Differential

    und angewendet auf den Richtungsvektor ergibt dies aufgrund von Proposition 46.1 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) die Richtungsableitung


Aufgabe (5 (1+1+1+2) Punkte)

Wir betrachten Dreiecke mit den beiden fixierten Eckpunkten und und dem variablen Eckpunkt .

  1. Erstelle eine Formel für den Flächeninhalt des Dreieckes mit den Eckpunkten .
  2. Erstelle eine Formel für den Umfang des Dreieckes mit den Eckpunkten .
  3. In welche Richtung muss man den dritten Punkt bewegen, damit der Flächeninhalt möglichst schnell wächst?
  4. In welche Richtung muss man den dritten Punkt bewegen, damit der Umfang möglichst schnell wächst?


Lösung

  1. Die Grundseite des Dreieckes hat die Länge , die Höhe des Dreieckes ist , daher ist der Flächeninhalt gleich .
  2. Der Dreiecksumfang ist
  3. Nach Satz 47.8 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) ergibt sich die stärkste Änderung des Flächeninhalts in Richtung des Gradienten der Flächenfunktion, dieser ist
  4. Nach Satz 47.8 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) ergibt sich die stärkste Änderung des Umfanges in Richtung des Gradienten der Umfangsfunktion. Die partiellen Ableitungen sind

    und

    Daher ist der Gradient in einem Punkt gleich


Aufgabe (8 (2+1+1+2+2) Punkte)

Wir betrachten die Abbildung

  1. Bestimme die Jacobi-Matrix zu .
  2. Berechne die Determinante der Jacobi-Matrix in Abhängigkeit von .
  3. Besitzt im Punkt lokal eine Umkehrabbildung?
  4. Besitzt im Punkt lokal eine Umkehrabbildung?
  5. Zeige, dass es genau einen Punkt mit

    gibt.


Lösung

  1. Die Jacobi-Matrix ist
  2. Die Determinante der Jacobi-Matrix ist über Entwicklung nach der ersten Zeile gleich
  3. Die Determinante der Jacobi-Matrix im Punkt ist

    Die Jacobi-Matrix ist also in diesem Punkt bijektiv und daher besitzt die Abbildung nach Satz 51.4 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) in diesem Punkt lokal eine Umkehrabbildung.

  4. Die Determinante der Jacobi-Matrix ist im Nullpunkt gleich , das hilft nicht weiter. Betrachten wir Punkte der Form und . Diese werden beide auf abgebildet und somit ist die Abbildung auf keiner beliebig kleinen offenen Umgebung des Nullpunkts injektiv. Es gibt also keine lokale Umkehrabbildung.
  5. Die erste Komponente führt auf , also oder . Bei wäre aber der Wert der zweiten Komponente, , negativ, sodass so kein Urbild aussehen kann. Also ist . Wegen der dritten Komponente ist daher . Deshalb muss sein. Der Punkt wird in der Tat auf abgebildet.


Aufgabe (4 (2+2) Punkte)

Wir betrachten die Abbildung

  1. Bestimme das totale Differential von in jedem Punkt .
  2. Zeige, dass

    ein regulärer Punkt für ist und bestimme eine Basis für den Tangentialraum an die Faser von in Punkt .


Lösung

  1. Das totale Differential wird bezüglich der Standardbasis durch die Jacobi-Matrix beschrieben, diese ist
  2. In ist die Jacobi-Matrix gleich

    Diese hat offenbar den Rang , daher liegt ein regulärer Punkt vor. Der Tangentialraum an die Faser durch ist der Kern dieser Matrix, eine Basis davon ist und .


Aufgabe (5 (2+3) Punkte)

Wir betrachten das Vektorfeld

  1. Zeige, dass die Integrabilitätsbedingung erfüllt.
  2. Zeige, dass kein Gradientenfeld ist.


Lösung

  1. Wegen

    und

    erfüllt dieses Vektorfeld die Integrabilitätsbedingung.

  2. Das Wegintegral zur (geschlossenen) trigonometrischen Parametrisierung des Einheitskreises

    ist

    im Gegensatz zu Korollar 57.9 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)).