zeigen, dass gegen den Limes der Folge konvergiert. Es ist
Da die beiden Reihen absolut konvergieren, und und nach
Aufgabe 9.27Nullfolgen
sind, ist die rechte Seite insgesamt eine Nullfolge. Daher konvergiert die Folge nach
Aufgabe 6.5
gegen das Produkt der Grenzwerte der beiden Reihen.
Die absolute Konvergenz folgt aus dem bisher Bewiesenen mit dem
Majorantenkriterium
aus der Abschätzung
.
Es sei eine Folge von
komplexen Zahlen
und eine weitere komplexe Zahl. Dann heißt die
Reihe
die Potenzreihe in zu den Koeffizienten .
Durch Wahl geeigneter Koeffizienten kann man jede Reihe als Potenzreihe zu einer fixierten Zahl , , ansehen. Bei Potenzreihen ist es aber wichtig, dass man variieren lässt und dann die Potenzreihe im Konvergenzbereich eine Funktion in darstellt.
Genauer spricht man von einer Potenzreihe mit Entwicklungspunkt . Eine Potenzreihe mit Entwicklungspunkt
ist ein Ausdruck der Form
Eine wichtige Potenzreihe haben wir schon in der neunten Vorlesung kennengelernt, nämlich die geometrische Reihe , die für
konvergiert und dort die Funktion darstellt, siehe
Satz 9.13.
Eine weitere besonders wichtige Potenzreihe ist die Exponentialreihe, die für jede komplexe Zahl konvergiert und zur komplexen Exponentialfunktion führt.
Die Exponentialreihe und die komplexe Exponentialfunktion
(1) folgt direkt aus der Definition.
(2) folgt aus
aufgrund von
Satz 15.7.
(3) folgt aus
Satz 15.7
und (2).
(4). Der Wert der Exponentialreihe für eine reelle Zahl ist wieder reell, da die reellen Zahlen in abgeschlossen[2] sind. Die Nichtnegativität ergibt sich aus
(5). Für
ist
da alle Summanden positiv sind. Wegen (4) ist
,
sodass der andere Faktor sein muss.
(6). Für reelle
ist
und daher nach (5)
,
also
Durch Vergleich mit der Exponentialreihe ergibt sich sofort, dass diese beiden Reihen für jedes absolut konvergieren. Die zugehörigen Funktionen
heißen Kosinus und Sinus. Beide Funktionen stehen unmittelbar in Zusammenhang mit der Exponentialfunktion, wobei man allerdings die komplexen Zahlen braucht, um diesen Zusammenhang zu erkennen.
(2) und (3) folgen direkt aus der Definition der Reihen.
(4) folgt aus (1) und (3).
(5). Nach (4) ist
Das Additionstheorem für den Sinus folgt ähnlich.
(6). Aus dem Additionstheorem für den Kosinus angewendet auf
und aufgrund von (2) ergibt sich
Für reelle sind
und
wieder reell, wie unmittelbar aus der Potenzreihendarstellung folgt. Die letzte Aussage im vorstehenden Satz besagt, dass für reelles das Paar ein Punkt auf dem Einheitskreis ist. Wir werden später sehen, dass sich jeder Punkt des Einheitskreises als schreiben lässt, wobei man als Winkel
(im Bogenmaß)
interpretieren kann. Dabei tritt die Periode auf, wobei wir die Kreiszahl eben über die trigonometrischen Funktionen einführen werden.
Fußnoten
↑Unter der reellen Exponentialfunktion verstehen wir hier die Einschränkung der komplexen Exponentialfunktion auf die reellen Zahlen. Wir werden bald sehen, dass sie mit der Exponentialfunktion zur Basis übereinstimmt.
↑Eine Teilmenge
heißt abgeschlossen, wenn jede Folge in , die in konvergiert, schon in konvergiert. Eine reelle Folge, die aufgefasst als komplexe Folge konvergiert, konvergiert offenbar in .
↑Dies ist ein Spezialfall der Aussage, dass man absolut konvergente Reihen beliebig sortieren darf, was wir in Vorlesung 17 ausführlich begründen werden.