Definiere die folgenden
(kursiv gedruckten) Begriffe.
- Eine
abgeschlossene Menge
in einem metrischen Raum .
- Das
Wegintegral
zu einem stetigen Vektorfeld
-
und einer stetig differenzierbaren Kurve
-
- Ein Fundamentalsystem von Lösungen eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems mit konstanten Koeffizienten.
- Eine
höhere Richtungsableitung
zu einer Abbildung
-
wobei endlichdimensionale
-
Vektorräume
sind, bezüglich der Richtungen
.
- Der
Typ
einer symmetrischen Bilinearform auf einem endlichdimensionalen reellen Vektorraum .
- Das Gradientenfeld
zu einer differenzierbaren Funktion
-
auf einem euklidischen Vektorraum .
Lösung
- Eine Teilmenge heißt abgeschlossen, wenn das
Komplement
offen
ist.
- Das Wegintegral ist
-
- Es sei
-
mit
-
ein homogenes lineares gewöhnliches Differentialgleichungssystem mit konstanten Koeffizienten. Dann heißt eine Basis des Lösungsraumes ein Fundamentalsystem von Lösungen dieses Systems.
- Man sagt, dass die höhere Richtungsableitung von in Richtung existiert, wenn die höhere Richtungsableitung in Richtung existiert und davon die
Richtungsableitung
in Richtung existiert.
- Es sei ein
endlichdimensionaler
reeller Vektorraum
mit einer
symmetrischen
Bilinearform
. Man sagt, dass eine solche Bilinearform den Typ
-
besitzt, wobei
-
und
-
ist.
- Die Abbildung
-
heißt Gradientenfeld zu .
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der
Satz über das Maximum
von Funktionen auf kompakten Teilmengen.
- Der
Trägheitssatz von Sylvester.
- Der Satz über den Gradienten und die Niveaumenge.
Lösung
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der
Satz über das Maximum
von Funktionen auf kompakten Teilmengen.
- Der
Trägheitssatz von Sylvester.
- Der Satz über den Gradienten und die Niveaumenge.
Lösung /Aufgabe/Lösung
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.
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.
Es seien
-
differenzierbare Kurven.
Berechne die
Ableitung
der Funktion
-
Formuliere das Ergebnis mit dem Skalarprodukt.
Lösung
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
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.
Lösung
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
- Bestimme die
Richtungsableitung
der Funktion
-
im Punkt in Richtung mit einer direkten Limesbetrachtung unter Verwendung
der Regel von Hospital.
- Überprüfe das Ergebnis aus (1) mit Hilfe des
totalen Differentials.
Lösung
- 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 .
- 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
-
Wir betrachten Dreiecke mit den beiden fixierten Eckpunkten
und
und dem variablen Eckpunkt .
- Erstelle eine Formel für den Flächeninhalt des Dreieckes mit den Eckpunkten .
- Erstelle eine Formel für den Umfang des Dreieckes mit den Eckpunkten .
- In welche Richtung muss man den dritten Punkt bewegen, damit der Flächeninhalt möglichst schnell wächst?
- In welche Richtung muss man den dritten Punkt bewegen, damit der Umfang möglichst schnell wächst?
Lösung
- Die Grundseite des Dreieckes hat die Länge , die Höhe des Dreieckes ist , daher ist der Flächeninhalt gleich .
- Der Dreiecksumfang ist
-
- Nach
Satz 47.8 (Analysis (Osnabrück 2021-2023))
ergibt sich die stärkste Änderung des Flächeninhalts in Richtung des Gradienten der Flächenfunktion, dieser ist
-
- 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
-
Wir betrachten die Abbildung
-
- Bestimme die
Jacobi-Matrix
zu .
- Berechne die Determinante der Jacobi-Matrix in Abhängigkeit von .
- Besitzt im Punkt lokal eine Umkehrabbildung?
- Besitzt im Punkt lokal eine Umkehrabbildung?
- Zeige, dass es genau einen Punkt mit
-
gibt.
Lösung
- Die Jacobi-Matrix ist
-
- Die Determinante der Jacobi-Matrix ist über Entwicklung nach der ersten Zeile gleich
-
- 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.
- 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.
- 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.
Wir betrachten die Abbildung
-
- Bestimme das
totale Differential
von in jedem Punkt .
- Zeige, dass
-
ein
regulärer Punkt
für ist und bestimme eine
Basis
für den
Tangentialraum an die Faser
von in Punkt .
Lösung
- Das totale Differential wird bezüglich der Standardbasis durch die Jacobi-Matrix beschrieben, diese ist
-
- 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 .
Lösung
-
Wegen
-
und
-
erfüllt dieses Vektorfeld die
Integrabilitätsbedingung.
- Das
Wegintegral
zur
(geschlossenen)
trigonometrischen Parametrisierung des Einheitskreises
-
ist
im Gegensatz zu
Korollar 57.9 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)).