5.2.1 Taylor's Formel.
Es sei
und
.
Dann ist
Beweis. Indem wir
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|
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||
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||
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||
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5.2.2 Bemerkung.
Es sei
. Falls das Restglied
Z.B. ist dies für
,
und
der Fall da
,
und
.
Wir sollten also sogenannte Potenzreihen, d.h.
Reihen der Form
näher untersuchen,
5.2.3 Proposition.
Eine Potenzreihe
konvergiert für
falls
und divergiert falls
, wobei
Konvergenzradius der Reihe heißt.
Entsprechend heißt
Konvergenzkreis der Reihe.
Dabei dürfen sowohl die Koeffizienten
Beweis. Nach dem Wurzelkriterium genügt es den Ausdruck
5.2.4 Definition. Konvergenz von Funktionen.
Es sei
eine Menge,
ein endlich dimensionaler Euklidischer Raum
und
Funktionen.
Man sagt
konvergiert gegen
punktweise, wenn
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||
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Wenn wir die Abstandsfunktion
auf der Menge
der beschränkten Funktionen
betrachten, so ist die gleichmäßige
Konvergenz gerade die Konvergenz bezüglich dieser Metrik. Für die punktweise
Konvergenz existiert nur für endliches
eine sie beschreibende Metrik.
Wenn man
setzt, so ist
.
5.2.5 Proposition.
Es konvergiere
gleichmäßig auf
und alle
seien stetig. Dann ist auch
stetig.
In dieser Situation gilt also
Beweis. Es sei
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|
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||
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5.2.6
Cauchy'sches Konvergenzkriterium für Funktionen.
Es konvergiert
genau dann punktweise, wenn für alle
die Folge
eine Cauchy-Folge ist.
Weiters konvergiert
genau dann gleichmäßig, wenn
5.2.7
Kriterium von Weierstrass für gleichmäßige Konvergenz.
Es konvergiere
. Dann konvergiert
gleichmäßig.
Beweis. Es ist
5.2.8 Proposition. Stetigkeit des Integrals.
Es sei
Riemann-integrierbar und
konvergiere
gegen
gleichmäßig. Dann ist auch
Riemann-integrierbar
und es gilt
Beweis. Nach dem Lebesgue'schen Integrabilitätskriterium 4.1.4 ist
5.2.9 Proposition.
Es sei
differenzierbar,
konvergiere gegen
punktweise und
konvergiere gleichmäßig gegen gegen eine Funktion
.
Dann ist
differenzierbar und die Ableitung
ist
, d.h.
es gilt
Beweis. Es ist
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5.2.10 Theorem.
Potenzreihen konvergieren auf jedem im Inneren des
Konvergenzkreises enthaltenen Kreisschreibe
gleichmäßig. Sie stellen dort
unendlich oft differenzierbare Abbildungen dar. Die Ableitungen und auch das unbestimmte Integral
können gliedweise
berechnet werden, d.h.
Beweis. Es sei
Man zeigt nun nacheinander, daß
stetig ist bei 0, daß für
auch
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Nach 1.3.6 sind Summen konvergenter Reihen konvergent und nach 1.5.17 Produkte absolut konvergenter Reihen.
Sei nun
mit
und
.
Man kann zeigen, daß
in eine Potenzreihe entwickeln läßt, die für
mit
kleiner als der Konvergenzradius von
und
kleiner als der Konvergenzradius von
auch konvergiert,
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||
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Da
, wobei
Wegen dem inversen Funktionensatz ist die Summenfunktion
einer
konvergenten Potenzreihe lokal invertierbar, falls
ist.
Wegen
kann man
ebenfalls in eine Reihe entwickeln.
[]
Beispiele.
Es sei
. Dann ist
und somit nach (gliedweiser) Integration
. Wegen
ist
, d.h.
Lemma.
Es sei
eine Potenzreihe mit Konvergenzradius
.
Falls eine Folge
existiert mit
, dann ist
.
Beweis. Wir zeigen mittels Induktion, daß
5.2.11 Beispiel.
Es ist
.
Und
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|
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5.2.12 Beispiel.
Es sei
. Dann ist
,
also ist die Taylorreihe
5.2.13 Bemerkung. Komplexe Differenzierbarkeit.
Für Abbildungen
haben wir auch
die Möglichkeit eine Ableitung
analog zum 1-dimensionalen reellen Fall zu definieren:
Was ist nun der Zusammenhang zu der linearen Approximation
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||
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Man kann umgekehrt zeigen, daß jedes reell-differenzierbare
welches
die Cauchy-Riemann'schen Differentialgleichungen erfüllt komplex
differenzierbar ist.
Weiters läßt sich jede komplex differenzierbare Abbildung
auf jeder Kreisscheibe in
in eine konvergente Potenzreihe entwickeln und ist somit
insbesonders unendlich oft
(komplex) differenzierbar.
5.2.14 Theorem. Glatte Lösungen von Gleichungen.
Folgende Sätze gelten auch für
-mal stetig differenzierbare und auch
für glatte Abbildungen:
Beweis. Wir zeigen dies mittels Induktion nach
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|
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(4) Beachte, daß wir für
erhalten haben, daß
.
Wobei
stetig und linear ist. Also folgt mittels Induktion, daß
ist und damit auch
, also
ist.
(5) Im Beweis für
, haben wir ein implizite
Lösung
erhalten. Diese ist
nun nach (4) und (2) auch
, also ist
in
und der
Definitionsbereich hat sich nicht verkleinert.
Für zeitabhängige Differentialgleichungen mit einer allgemeinen
Anfangsbedingung
folgt das nun ebenso wie im
-Fall.
[]
Andreas Kriegl 2001-07-01