Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

Relaterede dokumenter
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

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Analyse 1, Prøve 2 Besvarelse

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

ANALYSE 1, 2014, Uge 3

Eksamen Analyse 1, Juni 2015, Besvarelse 1. Opgave 1. ( ln x) q x p dx =

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

MM502+4 forelæsningsslides

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03

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

2. Fourierrækker i en variabel

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

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

Skriftlig eksamen - med besvarelse Topologi I (MM508)

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

Oversigt [S] 8.7, 8.8, 8.9

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

ANALYSE 1, 2013, Uge 2

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

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

Heisenbergs usikkerhedsrelationer. Abstrakt. Hvorfor? Funktionsrum. Nils Byrial Andersen Institut for Matematik. Matematiklærerdag 2013

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Oversigt [S] 4.5, 5.10

Analyse 1. Matthias Christandl

Gult Foredrag Om Net

π er irrationel Frank Nasser 10. december 2011

Formelsamling til Fourieranalyse 10. udgave

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 1

Arctan x = x x3 3 + x5 (En syvende berømt række er binomialrækken, [S] 8.8.) Eksempel

UGESEDDEL 9 LØSNINGER. Sydsæter Theorem 1. Sætning om implicitte funktioner for ligningen f(x, y) = 0.

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

1: Fundamentale begreber.

(c) Opskriv den reelle Fourierrække for funktionen y(t) fra (b), og afgør dernæst om y(t) er en lige eller ulige funktion eller ingen af delene.

Matematik 2 AN. Matematisk Analyse. Metriske rum. Christian Berg

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

TØ-opgaver til uge 45

Nøgleord og begreber Eksistens og entydighed Retningsfelt Eulers metode Hastighedsfelt Stabilitet

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Idenne note giver vi et eksempel på, hvorledes det er vigtigt at holde sig

Kompleks Funktionsteori

8 Regulære flader i R 3

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Matematik 2 MA Matematisk Analyse. Gerd Grubb

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Affine og konvekse mængder

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

Matematik 2 AN. Hilbert rum. med anvendelser. Bergfinnur Durhuus

Differentiation af Trigonometriske Funktioner

Elementær sandsynlighedsregning

MM501 forelæsningsslides

Tallet π er irrationalt Jens Siegstad

Karakteristiske funktioner og Den Centrale Grænseværdisætning

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 11

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

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

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Introduktion til differentialregning 1. Jens Siegstad og Annegrethe Bak

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

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

Funktion af flere variable

Eksamen i Mat F, april 2006

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

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

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

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Archimedes Princip. Frank Nasser. 12. april 2011

Første konstruktion af Cantor mængden

Komplekse Tal. 20. november UNF Odense. Steen Thorbjørnsen Institut for Matematiske Fag Århus Universitet

Transkript:

Københavns Universitet Prøve ved Det naturvidenskabelige Fakultet juni 23 Besvarelse, Eksamen Analyse, 23 Opgave Lad, for n N, funktionen f n : [, ) R være givet ved NB. Trykfejl. Burde være x. f n (x) = 2 + x n, x >. (a) Vis, at funktionsfølgen (f n ) n N er punktvis konvergent, og bestem grænsefunktionen f. (b) Lad a >. Vis, at (f n ) n N konvergerer uniformt i delintervallet [, a] hvis og kun hvis a <. (a) For x < gælder x n 2 for n og dermed 2. For x = +x n 2 er f n (x) = for alle n og dermed. For x > gælder x n og +x n 2 dermed for n. Altså er der punktivis konvergens mod +x n 2 hvis x < f(x) = hvis x = hvis x > (b) Hvis der er uniform konvergens på [, a] er f kontinuert på [, a] ifølge TL.3.8. Da f er diskontinuert fra venstre i er dette udelukket hvis a. Antag a < og x a. Vi finder f(x) f n (x) = 2 2 + x n = 2x n + x n 2xn 2a n. Dermed d [,a] (f, f n ) 2a n, som går mod nul idet a <.

Opgave 2 NB: Begge spørgsmål i denne opgave KAN og SKAL besvares uden at de nævnte Fourier koefficienter c k bestemmes explicit. Lad f : R C være den 2π-periodiske funktion som er givet ved { cos(2x) hvis π < x f(x) = cos(x) hvis < x π. (a) Vis, at Fourier rækken k= c k e ikx for f er punktvis konvergent, og angiv dens sum for alle x. (b) Er Fourier rækken absolut konvergent for x =? (a) Funktionen f er stykvis differentiabel, idet de to funktioner cos(2x), x [, ] og cos(x), x [, π], er differentiable. Altså er dens Fourier række punktvis konvergent ifølge JPS Sætning 3.5, og sumfunktionen er den normaliserede funktion F (x). Det eneste diskontinuitetspunkt er x = π, hvor f(π ) = cos(π) = men f(π + ) = cos( 2π) =. Altså er F den 2π-periodiske funktion med cos(2x) hvis π < x F (x) = cos(x) hvis x < π hvis x = π. (b) Det korrekte svar er at den er absolut konvergent. For x = er Fourier rækken c k. Absolut konvergens af denne række betyder pr definition (se JPS side 6) at c + c k + c k <. () k= Dette er opfyldt idet det herunder vises at c k + c k = for k > 2. Hvis spørgsmålet derimod havde været Er Fourier rækken absolut konvergent? (uden nævnelsen af x = ) ville det korrekte svar være at rækken ikke er absolut konvergent. Absolut konvergens af hele rækken betyder nemlig c + k= 2 c k < (2)

og dette kan ikke være opfyldt, idet Sætning 2.4 så ville medføre uniform konvergens af Fourierrækken på hele R, i modstrid med at sumfunktionen ikke er kontinuert i π. Eftersom (2) er en nærliggende (omend forkert) fortolkning af spørgsmålet, vil en besvarelse, der anvender denne og er korrekt ud fra dette udgangspunkt, blive anset for at være næsten korrekt. Bevis for at c k + c k = for k > 2: Fra JPS () og (3) følger at c k + c k = a k = π = π (fordi lige funktioner) = 2π f(x) cos(kx) dk cos(2x) cos(kx) dx + π cos(2x) cos(kx) dx + 2π cos(x) cos(kx) dx Fra Eulers formel cos(x) = 2 (eix + e ix ) følger for alle heltal k, l cos(x) cos(kx) dx cos(lx) cos(kx) = 4 (eilx + e ilx )(e ikx + e ikx ) = ( e i(l+k)x + e i(l k)x + e i( l+k)x + e i( l k)x) 4 og fra Lemma 2.5 fås dermed cos(lx) cos(kx) dx = (l ±k). Altså er c k + c k = for k ±, ±2. 3

Opgave 3 Lad p være givet og betragt potensrækken (n ) (ln(n + )) p x n, hvis konvergensradius betegnes r, og hvis sumfunktion på det åbne interval ( r, r) betegnes f(x). (a) Vis at r =, og gør rede for at f er kontinuert samt at f(x) for alle x [, ). (b) Vis, at det uegentlige integral f(x) dx er konvergent og bestem en uendelig række for dets værdi. (a) Lad a n = p. Da gælder (n )(ln(n+)) a n+ a n = n n ( ) p ln(n + 2) ln(n + ) Vi finder for n og (feks med l Hopitals regel) n n Dermed gælder ln(n + 2) ln(n + ). a n+ a n og konvergensradius bliver (jf ugeseddel 2-extra). f er kontinuert ifølge TL 2.6.8. Desuden er f(x) for x idet alle leddene i rækken er. (b) Ved ledvis integration, hvilket er tilladt ifølge Ugeseddel 2, Sætning B, fås b b f(x) dx = (n ) (ln(n + )) p x n dx og idet b xn dx = n+ bn+ fås (n ) (ln(n + )) p b x n dx = b n+ (n )(n + ) (ln(n + )) p 4

For n 2 og b er b n+ (n )(n + ) (ln(n + )) p (n ) 2 og dermed er en konvergent majorantrække for alle b [, ]. (n ) 2 Altså er b b n+ f(x) dx = (n )(n + ) (ln(n + )) p kontinuert som funktion af b [, ], dvs lim b b f(x) dx = (n )(n + ) (ln(n + )) p. 5

Opgave 4 (a) Lad (M, d) være et metrisk rum og lad A, B M være delmængder med A B = og A B = M. For x, y M defineres { d(x, y) hvis {x, y} A eller {x, y} B σ(x, y) = + d(x, y) ellers (dvs man lægger til når x og y tilhører hver sin af de to mængder). Vis, at (M, σ) er et metrisk rum. (b) Vis at A er en åben delmængde af (M, σ). (c) Vis at (M, σ) er kompakt hvis og kun hvis både A og B er kompakte delmængder af (M, d). (a) Af definitionen følger σ(x, x) = d(x, x) for alle x, og dermed er (M) opfyldt. Endvidere er definitionen åbenlyst symmetrisk med hensyn til x og y, så (M2) er også klar. Trekantsuligheden (M3): Givet x, y, z M vil to af disse punkter, lad os feks sige x og y, nødvendigvis tilhøre den samme mængde. Hvis det tredje punkt z tilhører den samme mængde som de andre to er σ og d identiske på alle par af x, y, og z, og trekantsuligheden for σ er identisk med den for d. Ellers er σ(x, z) = + d(x, z) + d(x, y) + d(y, z) = σ(x, y) + σ(y, z). (b) For x A gælder at d(x, y) for alle y B og dermed K(x, ) A. Altså er x indre i A. Dermed er A åben. Af symmetrigrunde ses at også B er åben in (M, σ). (c) Antag først at (M, σ) er kompakt. Da A og B er åbne og hinandens komplementærmængder er de også afsluttede, og dermed kompakte delmængder af (M, σ). Lad nu (x n ) n N være en følge i A. Den har en delfølge (x nk ) k N som er σ-konvergent i A, dvs der findes x A så ɛ > N : k N σ(x nk, x) < ɛ og da d(x, y) σ(x, y) for all x, y fås så ɛ > N : k N d(x nk, x) < ɛ dvs at delfølgen også er d-konvergent. Altså er A kompakt med hensyn til d. Antag dernæst at A og B begge er kompakte i (M, d), og lad (x n ) n N være en følge i M. For alle n N er x n A eller x n B, og derfor må mindst en af mængderne {n x n A} og {n x n B} 6

være uendelig, lad os feks sige den første. Det vil sige at (x n ) n N har en delfølge i A. Denne delfølge har en delfølge (x nk ) som er konvergent med hensyn til d, det vil sige der findes x A så ɛ > N : k N d(x nk, x) < ɛ. Da vil x nk også konvergere mod x med hensyn til σ, idet alle dens elementer, såvel som x, tilhører A, således at σ(x nk, x) = d(x nk, x). 7