Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03



Relaterede dokumenter
Oversigt [S] 4.5, 5.10

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

Fundamentale begreber fra Analysen. Introduktion. De reelle tal. Carsten Lunde Petersen

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

af koblede differentialligninger (se Apostol Bind II, s 229ff) 3. En n te ordens differentialligning

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

ANALYSE 1. Uge 7, 4. juni juni, 2007

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 10. september Department of Mathematics University of Copenhagen

Indhold. Litteratur 11

Supplerende opgaver. S1.3.1 Lad A, B og C være delmængder af X. Vis at

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 7. september Department of Mathematics University of Copenhagen

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

Taylorudvikling I. 1 Taylorpolynomier. Preben Alsholm 3. november Definition af Taylorpolynomium

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

Indhold. Forord. Det græske alfabet. 1. Kontinuitet og grænseværdi Indledning Kontinuitet Opgaver til 1.2

Mat H /05 Note 2 10/11-04 Gerd Grubb

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Konvergens i L 1 -forstand. Definition af L 1 -seminorm. Topologi i pseudometrisk rum. Seminorm til norm

Pointen med Differentiation

MM502+4 forelæsningsslides

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

= λ([ x, y)) + λ((y, x]) = ( y ( x)) + (x y) = 2(x y).

83 - Karakterisation af intervaller

Analyse 1, Prøve juni r+1. Men vi har øjensynligt, at 2. r r+1

n=1 er veldefineret for alle følger for hvilke højresiden er endelig. F.eks. tilhører følgen

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Analyse 2. Gennemgå bevis for Sætning Supplerende opgave 1. Øvelser. Sætning 1. For alle mængder X gælder #X < #P(X).

Analyse 1. Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund. 25. maj 2018

Funktionsundersøgelse. Rasmus Sylvester Bryder

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Integration. Frank Villa. 8. oktober 2012

Differentiation. Frank Nasser. 11. juli 2011

2. Fourierrækker i en variabel

Fordybelsesprojekt Matematik 2, forår 2005 Potensrækker

ANALYSE 1, 2014, Uge 3

Integration. Frank Nasser. 15. april 2011

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Analyse 2. Bevis af Fatous lemma (Theorem 9.11) Supplerende opgave 1. Øvelser

Mujtaba og Farid Integralregning

matx.dk Differentialregning Dennis Pipenbring

Eksamensnoter til Analyse 1

Funktionsrum. Kapitel Funktionsrummet L = L(X, E, µ)

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Her skal du lære om 1. Talfølge og talrække 2. Afsnitssum 3. Konvergens 4. Konvergente rækker har små led 5. Regneregler

PeterSørensen.dk : Differentiation

1.1. n u i v i, (u, v) = i=1

Skriftlig eksamen - med besvarelse Topologi I (MM508)

Projekt 1.4 De reelle tal og 2. hovedsætning om kontinuitet

Gult Foredrag Om Net

ANALYSE 1, 2014, Uge 6

Noter til Computerstøttet Beregning Taylors formel

Den homogene ligning. Vi betragter den n te ordens, homogene, lineære differentialligning. d n y dt n. an 1 + any = 0 (1.2) dt. + a1 d n 1 y dt n 1

Potensrækker. Morten Grud Rasmussen november Definition 1 (Potensrække). En potensrække er en uendelig række på formen

N o t e r t i l G e o m e t r i

GEOMETRI-TØ, UGE 6. . x 1 x 1. = x 1 x 2. x 2. k f

Program. Statistik og Sandsynlighedsregning. Eksempler. Sandsynlighedstæthed og sandsynlighedsmål

MASO Uge 6. Følger i euklidiske rum Ekstremværdisætningen. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen.

t a l e n t c a m p d k Kalkulus 1 Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund Signe Baggesen 10. januar 2015 Slide 1/54

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

ANALYSE 1, 2015, Uge 2

Differentiabilitet. f(h) = f(x 0 +h) f(x 0 ). y = f(x) f(h) df(h) Figur 1: Tangent, tilvækst og differential. lim. df(h) = f (x 0 )h.

Partielle afledede og retningsafledede

Program. Statistik og Sandsynlighedsregning 2 Middelværdi og varians. Eksempler fra sidst. Sandsynlighedstæthed og sandsynlighedsmål

Oversigt [S] 5.2, 5.4, 12.1

Om Følger og Rækker. Nyttige Grænseværdier. Nyttige Rækker. Carsten Lunde Petersen. lim. lim = 0. lim (1 + x n n )n = e x. n n n.

Kalkulus 1 - Opgaver. Anne Ryelund, Anders Friis og Mads Friis. 20. januar 2015

Differential- regning

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

Noget om Riemann integralet. Noter til Matematik 2

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

MASO-Eksempler. x n. + 1 = 1 y n

Integralregning Infinitesimalregning

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

Differentialregning. Ib Michelsen

13 -Integralregning. Hayati Balo, AAMS,Århus. 1. Det ubestemte integrale som betegnes med f (x)dx. 2. Det bestemte integrale som betegnes med b

ANALYSE 1, 2013, Uge 2

Indledning. 1 Martingalerepræsentationssætningen

Differentiation af Potensfunktioner

Lokalt ekstremum DiploMat 01905

Reeksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Tallet π er irrationalt Jens Siegstad

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

Nøgleord og begreber Analysens hovedsætning Stamfunktioner Itereret integral Test itereret integral Fubinis sætning Test Fubini Eksempler Test produkt

En martingalversion af CLT

Statistik og Sandsynlighedsregning 2

Supplerende note om Hilbertrum og Banachrum

MATEMATIK B. Videooversigt

MM501 forelæsningsslides

Ang. skriftlig matematik B på hf

Histogrammetoden For (x i, y i ) R 2, i = 1,..., n, ser vi på den gennemsnitlige

Introduktion til Laplace transformen (Noter skrevet af Nikolaj Hess-Nielsen sidst revideret marts 2013)

Foldningsintegraler og Doobs martingale ulighed

Transkript:

IMFUFA Carsten Lunde Petersen Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 0 Hvor ikke andet er angivet er henvisninger til W.R.Wade An Introduction to analysis. Opgave a) Idet udtrykket e x2 cos x er på formen f(x) g(x) med. f og g mindst 2 gange kontinuert differentiable, 2. 0 = f(x) = g(x) = f (x) = g (x),. g, g og g nulpunktsfrie på [, ] \ {0} 4. f (0) = 2 og g (0) = følger det af l hôspitals regel (Th. 4.8) at e x2 cos x = 2x e x2 sin x = (2 + 4x 2 ) e x2 cos x b) En hurtig afprøvning viser at for n =, 2 er sin x n sin n x =. = 2 = 2. I det generelle tilfælde er der flere forskellige metoder hvoraf jeg vil vise 2. Først den frække: sin x n sin xn x n sin ( xn x ) n sin n = x x n sin n = x x n sin x sinx hvor den kendte grænseværdi = (Exc. 4..4.vi.c)) samt kontinuitet af x n er x benyttet.

Alternativt kan l hôspitals regel benyttes sin x n sin n x = nx n cos x n n sin n x cos x = cos x n ( x ) n = cos x sin x sin xn f(x) idet udtrykket er på formen med f og g mindst 2 gange kontinuert sin n x g(x) differentiable, 0 = f(x) = g(x), g og g er nulpunktsfrie på [, ] \ {0}. Ved tredie lighedstegn er kontinuiteten af cos samt x m, m = n, n benyttet sammen med den kendte sinx grænseværdi =. x Opgave 2 a) Idet funktionen x log p for ethvert p R er positiv og kontinuert på intervallet [, [ og derfor specielt lokalt integrabel på dette interval ifølge Th. 5.0, skal vi jvf. Def. 5.8 blot undersøge for hvilke p b b x log p dx <? Ved substitutionen (jvf variabel skifte Sætningen Th 5.4) u = log og dermed du = finder vi b dx x x log p dx = = = b x=b u p du x= { [ p log p ] b p [log log ] b p = { p (log p log b log p log ) p log log log b log log log p = p log p log p > p < p = Her af ses at x log p er ugentlig Riemann integrabel på intervallet [, [ hvis og kun hvis p >. b) Kan løses analogt til a) eller ved at benytte substitutionen (jvf variabel skifte Sætningen Th 5.4) u = /x, du = dx/x 2 : / /b x log p dx = 2 b u log u log p log u du

Hvoraf ses at for hvert p er / 0 x log p dx = x log p dx. Heraf sluttes jvf. a) at x log p er uegentlig Riemann integrabel på intervallet ]0, /] hvis og kun hvis p >. c) Idet funktionen x log p er positiv for alle p og x > e samt aftagende for tilstrækkeligt store x (for fast p) følger det af integral kriteriet, Th. 6.2 (eller side i de udleverede noter) samt a) at n log n log p log n n= er konvergent hvis og kun hvis p >. Idet log log 2 < 0 er første led (n = 2) i summen n log n log p log n n=2 kun defineret for p Z hvorfor summen er veldefineret og konvergent for p >, p N. Opgave a) Jeg vil benytte mig af følgende Lemma Lad f : [a, b] R være en kontinuert voksende funktion og lad E [a, b] være en vilkårlig ikke tom delmængde da er sup x E f(x) = f(sup x) = f(sup E). x E Bevis : Lad s = sup E. Da f er voksende har vi for alle x E : f(x) f(s), hvorfor f(s) sup x E f(x). Med henblik på den modsatte ulighed lad ɛ > 0 være vilkårlig og vælg δ > 0 så x [a, b] : x s < δ f(x) f(s) < ɛ. Ifølge approximations egenskaben for supremum Th..20 findes der x E med s δ < x s og dermed med f(s) ɛ < f(x) f(s). Da denne ulighed holder for alle ɛ > 0 er f(s) sup x E f(x) ifølge Th.,9. q.e.d. Lad nu (x n ) n N [a, b] være en vilkårlig følge. Vi skal i det følgende bruge

definitionen af sup, i.e. sup x n = sup k n x k. Vi har f( sup x n ) = f( sup x k ) k n kontinuitet af f = f(sup x k ) Lemma med E = {x k k n} = k n sup k n def. af sup = sup f(x k ) f(x n ) b) Et eksempel på at betingelsen kontinuert ikke kan undværes: Lad x 0 x < f(x) = /2 x = + x < x 2 og lad (x n ) n N [0, 2] \ {} være en vilkårlig følge, som konvergerer mod. Da er sup x n = hvorfor f( sup x n ) = /2 som er forskellig fra sup f(x n ) Mere konkret hvis x n = + /n er sup f(x n ) = 2 og hvis x n = /n er sup f(x n ) =. Et eksempel på at betingelsen voksende ikke kan undværes: Lad f(x) = x : [, ] [, ] og lad x n = ( ) n. Da er = sup x n = sup f(x n ) f( sup x n ) = f() =. Opgave 4 Idet e x = x n n! for alle x R, får vi for ligeledes alle x R: f(x) = π e x2 /2 = ( ) n x 2n π 2n n!. Den angivne række er derfor Mclaurinrækken for f jvf. Th 7.9 og Def. 7.40. Af Th 7.2 følger da at F (x) = x 2 + f(t)dt = 2 + ( ) n x 2n+ π 2n n! (2n + ). 0 for alle x R og dermed er denne række Mclaurinrækken for F. 4

b) Det blev under a) vist at rækken for F konvergerer for alle x R. Alternativt kan rækkens konvergensradius beregnes til R = sup a n = /n ( ) n 2n+ π 2 n n!(2n+) =. Heraf følger også at rækken for F konvergerer for alle x R. c) Idet rækken for F kun indeholder ulige potenser af x (x 2n+ ) er restledene R 2k (x) = R 2k+ (x) = F (x) (/2 + = n=k k ( ) n x 2n+ π 2n n! (2n + ) ( ) n x 2n+ π 2n n! (2n + ) ) for k. Igen på grund af den oprindelige række og dermed restrækkerne kun indeholder ulige potenser af n er rækkerne altenerende for alle x. Størrelsen af restledet kan derfor vurderes ved det først bortkastede led jvf Th 6.8 eller de udleverede noter. Mere præcist har R 2k (x) samme fortegn som ( )k x 2k+ π 2 og er nummerisk k k! (2k+) mindre end eller lig den nummeriske værdi af dette led. Det følger heraf at den største nummeriske fejl der begås ved at approximere F på intervallet [, ] med Taylor polynomiet P 2(k ) (x) = P 2k (x) = /2 + k ( ) n x 2n+ π 2n n! (2n + ) er begrænset af den nummeriske værdi af det først bortkastede led taget i intervalendepunkterne: x [, ] : R 2k (x) R 2k () π 2k k! (2k + ) Ved beregning på lommeregner eller computer fås: k = 2 : R 2k (x) 0, 04 > 0, 00 k = : R 2k (x) 0, 007 0, 00 Heraf sluttes at de fire første led i rækken for F, i.e. (/2 + x/ π x /6 π + x 5 /40 π) skal medtages for at opnå en præcission på 0 på 5

intervallet [, ]. d) På basis af argumentationen i c) har vi vurderingen x [, ] : R 2k (x) R 2k () 2k+ π 2k k! (2k + ) Ved beregning på lommeregner eller computer fås: k = 8 : R 2k (x) 7, 0 6 > 0 6 k = 9 : R 2k (x) 9, 2 0 7 0 6 Heraf sluttes at de 20 første led i rækken for F, i.e. (P 2 8 (x) = P 6 (x)) skal medtages for at opnå en præcission på 0 6 på intervallet [, ]. Opgave 5 a) Idet x, y E : f(x) f(y) L x y, hvor L > 0, kan vi til et vilkårligt givet ɛ > 0 vælge δ = ɛ/l > 0. Derved har vi x, y E, x y < δ f(x) f(y) L x y < Lδ = ɛ. b) Sætning Lad f n : E R, n N være en følge af L-Lipschitz funktioner. Hvis følgen {f n } n N konvergerer punktvis mod en funktion f : E R, da er f også L- Lipschitz. Bevis : Lad x, y E være vilkårlige. Idet f n konvergerer punktvis mod f og den nummeriske værdi, er kontinuert følger det af Def. 7. og Cor. 2.6 at f n (x) f n (y) f(x) f(y). Da endvidere hver f n er L-Lipschitz har vi for alle n N: f n (x) f n (y) L x y. Af Th. 2.7 følger da at f(x) f(y) L x y. q.e.d. 6

c) Med f n (x) = x n og dermed f n(x) = nx n får vi af middelværdisætningen, Th. 4.5.ii x, y [0, ] : x n y n = nz n (x y), hvor z ]x, y[ [0, ]. Af trekantsuligheden fås da umiddelbart at x n y n n. Det ses også at f n ikke er L-Lipschitz for noget L < n, ved f.eks. at vælge y = og se på en følge (x n ) som konvergerer mod. Da den punktvise grænsefunktion f(x) = x n = { 0 0 x <, x =. ikke er kontinuert i er f specielt ikke uniformt kontinuert og derfor heller ikke Lipschitz ifølge a). Dette strider selvfølgelig ikke imod sætningen da hvert f n godt nok er Lipschitz, men følgen ikke er ligeligt Lipschitz, dvs. der findes ikke en fælles Lipschitz konstant for alle f n. Faktisk viser bemærkningen ovenfor at den optimale Lipschitz konstant L n for f n er n, som går mod uendelig når n går mod uendelig. 7