LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER:

Like dokumenter
LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER: a n x n. R > 0, med summen s(x). Da gjelder: a n n + 1 xn+1 for hver x < R.

Integrasjon Skoleprosjekt MAT4010

Numerisk derivasjon og integrasjon utledning av feilestimater

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 20-24/9

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

1 k 2 + 1, k= 5. i=1. i = k + 6 eller k = i 6. m+6. (i 6) i=1

1 Mandag 18. januar 2010

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 8 Numerisk integrasjon

1 Mandag 25. januar 2010

Ma1101. Part I. 1 Grunnleggende. 1.1 Noen symboler. 1.2 Tallene. 1.3 Noen algebraiske lover

M2, vår 2008 Funksjonslære Integrasjon

Integrasjon Fundamentalteoremet Substitusjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Matematikk Øvingsoppgaver i numerikk leksjon 9 Numerisk integrasjon

1 Mandag 1. mars 2010

Løsningsforslag til Eksamen i fag MA1103 Flerdimensjonal analyse

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2015

TMA4100 Matematikk1 Høst 2008

MAT Grublegruppen Uke 37

Løsningsforslag Kollokvium 6

Numerisk kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. f(x)dx. I(f) = hvor f : R R. Numerisk sett, integralet I(f) = b. f(x)dx approksimeres med en summe

Kvadratur. I(f) = f(x)dx.

Løsningsforslag til prøveeksamen Mat1110 våren 2004 Oppgave 1 (a) Elemetære rekkeoperasjoner anvendt på den utvidete matrisen til systemet gir oss:

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Integrasjon av trigonometriske funksjoner

1 Mandag 8. mars 2010

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Lsningsforslag til ving 8. a =

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Oppfriskningskurs i matematikk 2007

Løsningsforslag Kollokvium 1

Generelle teoremer og definisjoner MA1102 Grunnkurs i analyse II - NTNU

Integrasjon. et supplement til Kalkulus. Harald Hanche-Olsen 14. november 2016

Fakultet for realfag Ho/gskolen i Agder - Va ren 2007

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Løsningsforslag til øving 8. a = e m E

dx = 1 2y dy = dx/ x 3 y3/2 = 2x 1/2 + C 1

Løsningsforslag til Mat112 Obligatorisk Oppgave, våren Oppgave 1

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

Sensorveiledning Oppgaveverksted 4, høst 2013 (basert på eksamen vår 2011)

Integralregning. Mål. for opplæringen er at eleven skal kunne

Velkommen til oversiktsforelesninger i Matematikk 1. med Jørgen Endal

Derivasjon. Oversikt over Matematikk 1. Derivasjon anvendelser. Sekantsetningen

2 π[r(x)] 2 dx = u 2 du = π 1 ] 2 = π u 1. V = π. V = π [R(x)] 2 [r(x)] 2 dx = π (x + 3) 2 (x 2 + 1) 2 dx = 117π 5.

Tema 2: Stokastiske variabler og sannsynlighetsfordelinger Kapittel 3 ST :44 (Gunnar Taraldsen)

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 26./28. november 2013

Forelesning Matematikk 4N

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

UNIVERSITETET I OSLO

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 16./17. november 2015

9.6 Tilnærminger til deriverte og integraler

R2 - Heldagsprøve våren 2013

Dagens program. 7.6 Numerisk integrasjon (fortsatt) 7.7 Uegentlige integraler

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

Numerisk Integrasjon

MAT 100A: Mappeeksamen 4

Projeksjon. Kapittel 11. Ortogonal projeksjon i R 2. Skalarproduktet i R n. w på v. Fra figuren ovenfor ser vi at komponenten til w ortogonalt på v er

gir g 0 (x) = 2x + x 2 (x + 3) x x 2 x 1 (x + 3) 2 x 5 + 2x 4 + 6x 3 + x 2 + x + 3 x 2 (x + 3) 2 g(x; y) h(x) F (x; y) =

Forelesning 1 mandag den 18. august

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i ECON 2130

Rekker, Konvergenstester og Feilestimat

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Oppsummering TMA4100. Kristian Seip. 17./18. november 2014

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag Eksamen 19. august 2005 TFY4250 Atom- og molekylfysikk

Løsningsforslag SIE4010 Elektromagnetisme 5. mai 2003

Oblig 1 - MAT Oppgave 1. Fredrik Meyer. Vi lar α > 1 og x 1 > α. Vi definerer en følge (x n ) ved. x n+1 = α + x n 1 + x n.

Formelsamling i matematikk

KAPITTEL 9 Approksimasjon av funksjoner

1 Geometri KATEGORI Vinkelsummen i mangekanter. 1.2 Vinkler i formlike figurer

1 dx cos 1 x =, 1 x 2 sammen med kjerneregelen for derivasjon. For å forenkle utregningen lar vi u = Vi regner først ut den deriverte til u,

Kapittel 4.7. Newtons metode. Kapittel 4.8.

Løsningsforslag til Obligatorisk oppgave 2

Eksamen R2, Va ren 2014, løsning

HØGSKOLEN I BERGEN Avdeling for ingeniørutdanning

Formelsamling i matematikk

2x 3 4/x dx. 2 5 x 3 + LF: Vi utfører polynomdivisjon. 2x + 1 dx = + C = 5x8/ ln 2x C 4. πx 2 e 3x3 dx = π

INF1800 Forelesning 19

Løsning til KONTROLLOPPGAVER Sinus S2 1 Rekker Uten hjelpemidler OPPGAVE 1 a) 1) b) 1) c) d)

= x lim n n 2 + 2n + 4

a 2πf(x) 1 + (f (x)) 2 dx.

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Integral Kokeboken. sin(πx 2 ) sinh 2 (πx) dx = 2. 1 log x. + log(log x) dx = x log(log x) + C. cos(x 2 ) + sin(x 2 ) dx = 2π. x s 1 e x 1 dx = Γ(s)

Integrasjon del 2. October 15, Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. Integrasjon

2 Symboler i matematikken

Multippel integrasjon. Geir Ellingsrud

MED SVARFORSLAG UNIVERSITETET I OSLO

Numerisk kvadratur. Newton-Cotes kvadratur. PROBLEM STILLING: Approksimér. I(f) = f(x)dx. hvor f : R R kan Riemann-integreres.

Løsning til prøveeksamen i MAT2400, V-11

Følger og rekker. Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. November 10, 2014

Arne B. Sletsjøe. Kompendium, MAT 1012

Institutt for elektroteknikk og databehandling

FY2045/TFY4250 Kvantemekanikk I, løsning øving 10 1 LØSNING ØVING 10

Løsningsforslag til eksamensoppgaver i ECON 2200 våren 2015

Problemløsning eller matematiske idéer i undervisningen?

R2 eksamen våren ( )

Forkunnskaper i matematikk for fysikkstudenter. Integrasjon.

Løsningsforslag TFE4120 Elektromagnetisme 24. mai = 2πrlɛE(r) = Q innenfor S =

addisjon av 2 og 3. Vi skriver da i alt: 2+3= og etter at likhetstegnet er skrevet så gir matcad oss svaret.

Julenøtter til gruppe 5&7! (IKKE eksamensrelevant, bare for gøy gjerne i romjulen)

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

LEDDVIS INTEGRASJON OG DERIVASJON AV POTENSREKKER: Vi ntr t potensrekken n x n n= konvergerer i ( R, R), R >, med summen s(x). D gjelder: og s (x) = n n x n for hver x med x < R, s(t) dt = n= (Dette er Teorem 9, s. 56, Adms.) n n + xn+ for hver x med x < R. Vi skl i det etterfølgende gi et bevis for dette viktige resultt som er forskjellig fr beviset i boksen. Det er flere grunner til dette. Beviset hos Adms unngår begrepet «uniform konvergens» v funksjonsfølger. Dette er et begrep som erfringsmessig fller vnskelig. Men på den nnen side er også beviset på s. 56 57 nokså vnskelig å forstå, så lite er vunnet ved å velge bokens bevis. Dessuten er uniform konvergens et begrep mn møter mnge steder i mtemtisk nlyse, så det kn være nyttig å introdusere idéen så tidlig som mulig. Vi skl strte med å se på n x ( ) s(t) dt n + xn+ = s(t) n t n dt Det gjelder å bevise t det til hver ε >, finnes en n N slik t dette uttrykket er mindre enn ε når N n. En velkjent regneregel (Se Teorem 3(f), s. 292) gir: ( ) s(t) n t n x dt s(t) n t n dt Det er nå nærliggende å tro t siden prtilsummene s N (t) konvergerer mot s(t) i hvert punkt v [, x], så må det finnes et n N slik t når N n, så vil: ( ) N s(t) n t n < ε R I så fll er vi i mål. Vi hr d nemlig for N n : for t [, x] ( ) s(t) n t n x dt s(t) N n t n dt < ε dt = ε R R x < ε siden vi her hr nttt < x < R. (Dersom R < x <, kn vi gå frm på tilsvrende måte.) Det er to tvilsomme punkter i ovenstående rgument!

. Vi vet ikke t s(t) dt eksisterer. 2. Vi vet heller ikke t ulikheten ( ) ovenfor holder for smme n (når ε > er gitt) for lle punktene i [, x]. L oss kommentere disse to punktene nærmere:. Dersom vi kn bevise t summefunksjonen s er kontinuerlig på [, x], følger integrerbrheten ut fr Teorem 2, s. 29, Adms. Vi vet selvsgt t hver prtilsum s N (t) = n t n er kontinuerlig på hele tllinjen. Og det er d nærliggende å tro t grensefunksjonen s N er kontinuerlig. Men dette holder ikke generelt! Dette frmgår v følgende eksempel. L: f n (x) = x n ; x [, ]. Dette gir en følge {f n } v kontinuerlige funksjoner som konvergerer mot grensefunksjonen gitt ved:, x < f(x) =, x = Altså er grensefunksjonen diskontinuerlig i x =. ε 4 2 3 4 2. For å illustrere problemet som kn oppstå med hensyn til ulikheten ( ) studerer vi smme funksjonsfølge som ovenfor (se figur). For x = ser vi t 2 når n 4 for den ngitte ε. For x = 3 4 hr vi t for å oppnå f n ( 2 ) f( 2 ) = f n( 2 ) < ε f n ( 3 4 ) f(3 4 ) < ε 2

for smme ε må vi ihvertfll nt n 8. Og lr vi x rykke nærmere, må vi for fstholdt ε > stdig velge n større for å være grntert t n n medfører t f n (x ) f(x ) < ε. når ε holdes fst! De problemene vi hr registrert i. og 2. ovenfor motiverer følgende DEFINISJON: Vi sier t funksjonsfølgen {f n }, konvergerer uniformt mot en funksjon: f n : [, b] R f : [, b] R dersom det til hvert ε < finnes et n = n (ε) N slik t når n n så gjelder: f n (x) f(x) < ε for lle x [, b]. (Betegnelsen n (ε) indikerer t n bre vhenger v ε og ikke v x.) Det vi kller punktvis konvergens kn formuleres slik: Til hvert ε > og hvert x [, b] finnes det et n = n (ε, x) N slik t når n n så vil: f n (x) f(x) < ε At n = n (ε, x) betyr t n svrende til et gitt ε > også vil vhenge v x. Dette illustreres ved eksemplet forn. Når det gjelder symbolbruken lr mn: lim f n(x) = f(x) betegne punktvis konvergens, mens mn gjerne skriver: lim f n(x) = f(x) uniformt på [, b], for å betegne uniform konvergens. Vi kn nå bevise følgende viktige TEOREM A: Ant t funksjonsfølgen {f n } konvergerer uniformt mot f på [, b] og t hver funksjon f n er kontinuerlig. D gjelder følgende: (i) f er kontinuerlig på [, b], (ii) lim f n (x) dx = f(x) dx MERKNAD: Integrerbrheten v f på [, b] følger v (i). 3

BEVIS: (i) Det gjelder å bevise t til hvert ε > og fstholdt x [, b] finnes en δ > slik t når x [, b] og x x < δ så er f(x) f(x ) < ε. Siden lim f n (x) = f(x) uniformt, må det finnes n = n (ε), slik t n n medfører t f n (x) f(x) < ε/3 for lle x [, b]. Vi fstholder så et n n. Siden hver f n er kontinuerlig, finnes det et δ > slik t når x [, b] og x x < δ, så gjelder: f n (x) f n (x ) < ε/3 Vi hr d for x [, b] og x x < δ: f(x) f(x ) = f(x) f n (x) + f n (x) f n (x ) + f n (x ) f(x ) f(x) f n (x) + f n (x) f n (x ) + f n (x ) f(x ) < ε/3 + ε/3 + ε/3 = ε. Siden ε > og x [, b] vr fritt vlgt, betyr dette t f er kontinuerlig på hele [, b]. (ii) Her gjelder det å bevise t for hver ε > finnes det et n N slik t når n n, så vil: f n (x)dx f(x)dx < ε (Her bør en merke seg t integrerbrheten v f på [, b] følger v (i).) Siden lim f n(x) = f(x) uniformt, vet vi t det finnes n N slik t når n n, så vil: f n (x) f(x) < ε/(b ) for lle x [, b]. Vi hr d for n n : f n (x)dx f(x)dx = FORELØPIG TILBAKEBLIKK: (f n (x) f(x))dx f n (x) f(x) dx < ε dx = ε. b Ser vi på de «tvilsomme» punkter i beviset for nnen del v Teorem 9, (det vi betegnet som. og 2. forn), ser vi t vi er i mål dersom vi kn bevise følgende TEOREM B: Hvis potensrekken n= n x n hr konvergens-intervll ( R, R) med summefunksjon s(x), så vil lim n x n = s(x) n= uniformt 4

på hvert lukket delintervll [, b] som er inneholdt i ( R, R). MERKNAD: Dette resultt gir d både t s er kontinuerlig og dermed integrerbr på [, x] - og t ulikheten ( ), s.2, holder på [, x]. BEVIS: Vi kn for å forenkle rgumentet nt t det lukkede intervll vi ser på er [, x], der < x < R. (Den mer generelle situsjonen omtlt i teoremet bevises helt nlogt.) Lr vi t [, x] hr vi: n t n n x n Siden n= n x n konvergerer bsolutt for hver x ( R, R), (Teorem 7, s. 52 53, Adms), konvergerer rekken n= n x n. Dvs. t for ε > finnes det et n slik t N n impliserer t n=n n x n < ε. Dette gir for hver t [, x] : N s(t) n t n n t n n x n < ε n= n=n n=n Altså hr vi t: lim n t n = s(t) N n= uniformt på [, x]. MERKNAD: Vi hr nå fullført beviset for den siste påstnden i Teorem 9. Den første delen som gjelder derivsjon ledd for ledd, s (x) = n n x n for hvert x i konvergensintervllet, følger nå nokså greit v.h.. fundmentlteoremet kombinert med følgende LEMMA: Hvis potensrekken n= n x n konvergerer i ( R, R), så vil også potensrekken: konvergere i dette intervllet. n n x n BEVIS FOR LEMMA: Vi ntr for enkelhets skyld t < x < R. L y (x, R). Vi hr d: n n x n x n = n n y n y Vi hr t lim n x/y n = siden x < y og lim t t/ t = når > (3.4 Adms). Altså finnes det n N slik t når n n så vil n x/y n <. Altså hr vi for n n t n n x n n y n 5

Konvergens v rekken n y n gir d t rekken n n x n konvergerer. n= Ut fr det vi hr vist tidligere kn d rekken n n x n med sum S(x) integreres ledd for ledd på intervllet [, x], < x < R. Dette gir: S(t)dt = n n t n dt = n x n = x + 2 x 2 + + n x n + = s(x) Derivsjon gir d ut fr fundmentlteoremet: S(x) = s (x) eller siden forutstt t f er kontinuerlig. s (x) = n n x n d x f(t)dt = f(x) dx HISTORISK MERKNAD: Niels Henrik Abel (82 829) oppdget t A.L. Cuchy (789 857) hdde begått den feil t hn tok det for gitt t dersom en følge {f n } v kontinuerlige funksjoner konvergerte punktvis mot en grensefunksjon f, så måtte f også være kontinuerlig. Vårt eksempel viser t dette er glt. Begrepet «uniform konvergens» ble introdusert v P. Seidel (82 896) og G. Stokes (89 93) uvhengig v hverndre i 847. Men det vr K. Weierstrss (85 897) som først så betydningen v dette begrep og brukte det systemtisk i sine forelesninger i Berlin. 6