Inhaltsverzeichnis 0 Einführung/Orientierung (hier nicht enthalten) 12 I Zahlsysteme 1 2 Axiomatische Einführung der reellen Zahlen 1.1 Die Körperaxiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Axiome der Addition . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Axiome der Multiplikation . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Folgerungen aus den Axiomen der Addition . . . . 1.1.5 Folgerungen aus den Axiomen der Multiplikation . 1.1.6 Folgerungen, in denen zusätzlich (D) benutzt wird 1.1.7 Ein ausführliches Beispiel . . . . . . . . . . . . . 1.1.8 Beispiel: Körper mit 2 Elementen . . . . . . . . . 1.2 Die Anordnungsaxiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Definition (Angeordneter Körper) . . . . . . . . . 1.2.2 Eigenschaften von “ < “ und “ ≤ “ . . . . . . . 1.2.3 Kleine Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 (Fundamental-)Lemma . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.5 Definition (Intervalle) . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.6 Definition (Betrag) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.7 Hilfssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.8 Satz: (Eigenschaften des Betrags) . . . . . . . . . 1.2.9 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.10 Definition (Maximum, Minimum) . . . . . . . . . 1.2.11 Definition (obere und untere Schranke) . . . . . . 1.2.12 Definition (Beschränktheit) . . . . . . . . . . . . . 1.3 Vollständigkeitsaxiom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Satz (ε–Charakterisierung von sup bzw. inf) . . . . 1.3.2 Satz (Existenzsatz für Quadratwurzeln) . . . . . . 1.3.3 Satz (Existenzsatz für k–te Wurzeln) . . . . . . . . 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 12 13 13 14 14 16 16 18 19 19 20 20 23 26 26 27 28 29 31 31 33 33 34 34 35 37 Natürliche Zahlen (vollständige Induktion) ganze Zahlen, rationale Zahlen 2.1 Die natürlichen Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Definition (Zählmenge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Definition und Satz (natürliche Zahl) . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Satz (Induktionssatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Satz (Beweisprinzip der Vollständigen Induktion) . . . . . . . . . 2.1.5 Satz (Peano-Eigenschaften der natürlichen Zahlen) . . . . . . . . 2.1.6 Eigenschaften von N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Die Archimedische Anordnung von R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Satz (Archimedische Eigenschaft von R) . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Satz (Eudoxos - Archimedes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ganze Zahlen und rationale Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Definition (ganze Zahlen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Definition (rationale Zahlen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Übungsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Satz (Q liegt dicht in R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Satz (Division mit Rest) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Beispiele zum Beweisprinzip der vollständigen Induktion . . . . . . . . . 2.4.1 Definition (Binomialkoeffizienten) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Satz (Bernoullische Ungleichung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 39 39 39 40 40 41 41 42 42 43 43 43 44 44 44 45 46 46 47 50 54 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Inhaltsverzeichnis 3 Rekursive Definitionen, Summen, Produkte 3.1 Rekursionssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 59 4 Komplexe Zahlen 4.0 Motivation, historische Bemerkungen . . . . . . . . . . . 4.1 Komplexe Zahlen (Konstruktion von C) . . . . . . . . . . 4.1.1 Definition und Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Wichtige Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Elementare Eigenschaften von C . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Definition (konjugiert komplexe Zahl) . . . . . . . 4.2.2 Eigenschaften von − : C → C, z 7→ z . . . . . . . 4.2.3 Ein Beispiel zu §4.2.2(g) . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Definition und Satz (Betrag einer komplexen Zahl) 4.2.5 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Satz (Cauchy-Schwarzsche Ungleichung) . . . . . 4.2.7 Definition (Einheitskreislinie) . . . . . . . . . . . 4.2.8 Definition (Kreisscheibe) . . . . . . . . . . . . . . 4.2.9 Definition (Spiegelung am Einheitskreis) . . . . . 4.2.10 Geometrische Interpretation der Multiplikation . . 4.2.11 Satz (Polarkoordinaten in C = R2 ) . . . . . . . . 4.2.12 Existenzsatz für n-te Wurzeln . . . . . . . . . . . 5 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 63 65 65 67 68 68 69 69 70 70 71 72 72 72 73 74 75 76 Vektorräume mit Skalarprodukt, insbes. die Standardvektorräume Rn und Cn 5.1 Definition und Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Definition (Vektorraum mit Skalarprodukt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Satz (Cauchy-Schwarzsche Ungleichung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8 Definition (Norm, normierter Raum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9 Definition (Metrik, metrischer Raum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11 Definition (Maximumsnorm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12 Definition (Eins-Norm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.13 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 81 82 82 83 84 84 85 87 87 88 88 89 89 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einige nützliche Ungleichungen 94 II Folgen und Reihen 7 Folgen (Begriff der Konvergenz, erste Beispiele) 7.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Definition (ε -Umgebung) . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Definition (Konvergenz von Folgen) . . . . . . . . 7.5 Hausdorffsche Trennungseigenschaft von R bzw C 7.6 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Sprechweise (fast alle, schließlich alle) . . . . . . . 7.8 Beispiele konvergenter und divergenter Folgen . . . 99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 99 100 102 102 103 103 104 104 3 Inhaltsverzeichnis 8 9 Rechenregel für konvergente Folgen 8.1 Satz (Monotonie des Grenzwertes) . . . 8.2 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Satz (Sandwich-Lemma) . . . . . . . . 8.4 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Satz (Permanenzeigenschaften von lim) 8.6 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 113 114 114 114 115 118 Konvergenzkriterien 9.1 Divergenzkriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Definition (Monotonie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Monotonieprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Definition und Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Beispiele und Bemerkungen zum Monotonie- und zum Intervallschachtelungsprinzip 9.6 Satz: Die Eulersche Zahl e ist irrational. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7 Satz (Abschätzung für n!) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.9 Existenz k-ter Wurzeln (k ∈ N, k ≥ 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.10 Kreismessung nach Archimedes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.11 Dezimalbruchdarstellung einer reellen Zahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.12 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.13 Lemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.14 Theorem (Bolzano-Weierstraß) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.15 Definition (Cauchy-Folge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.16 Theorem (Cauchysches Konvergenzprinzip) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.17 Beispiele zum Cauchy-Kriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.18 Zur Bedeutung des Cauchy-Kriteriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19 Häufungswerte, lim, lim, uneigentliche Konvergenz . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.1 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.2 Satz (Charakterisierung von Häufungswerten) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.3 Satz (Existenz vom lim und lim) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.5 Satz (ε-Charakterisierung von lim und lim) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.6 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.7 Sprechweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.8 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.19.9 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 121 121 121 122 123 129 129 130 133 133 133 135 135 135 136 137 138 140 141 142 142 144 145 146 147 147 148 148 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 151 151 151 152 155 156 156 156 157 158 158 159 160 160 161 161 162 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Reihen 10.1 Der Begriff der Reihe, erste Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.4 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.5 Rechenregeln für Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Konvergenzkriterien für Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Leibniz-Kriterium für alternierende Reihen (G.W.Leibniz, 1705) 10.2.3 Beispiele zum Leibniz-Kriterium . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.4 Cauchy’sches Konvergenzkriterium für Reihen . . . . . . . . . 10.2.5 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.6 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.7 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.8 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.9 Theorem (Majoranten-Kriterium) . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.10 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Inhaltsverzeichnis 10.2.11 Satz (Quotientenkriterium: d’Alembert, 1768) . . . . . . 10.2.12 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.13 Satz (Wurzelkriterium: Cauchy, 1821) . . . . . . . . . . 10.2.14 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.15 Satz (Abelsche partielle Summation: N.H.Abel, 1826) . 10.2.16 Satz (Abelsches Konvergenzkriterium) . . . . . . . . . . 10.2.17 Satz (Konvergenzkriterium von Dirichlet) . . . . . . . . 10.2.18 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Exkurs: Die g-al Darstellung reeller Zahlen . . . . . . . . . . . 10.3.1 Satz (g-al-Darstellung natürlicher Zahlen) . . . . . . . . 10.3.2 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4 Theorem (g-al-Darstellung) . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.5 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.6 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.7 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Umordnungssätze für Reihen, Reihenprodukte . . . . . . . . . . 10.4.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3 Satz (Kleiner Umordnungssatz) . . . . . . . . . . . . . 10.4.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.5 Satz (Dirichlet, 1837) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.6 Satz (Riemannscher Umordnungssatz) . . . . . . . . . . 10.4.7 Satz (Produktreihensatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.8 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Abbildungen, Abzählbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 Arbeitsdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2 Einfache Beispiele und Bemerkungen: . . . . . . . . . . 10.5.3 Definition (injektiv, surjektiv, bijektiv) . . . . . . . . . . 10.5.4 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.5 Definition (Umkehrabbildung) . . . . . . . . . . . . . . 10.5.6 Übungsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.7 Definition (Gleichmächtigkeit, G.Cantor, 1878) . . . . . 10.5.8 Satz (Eigenschaften von ∼“) . . . . . . . . . . . . . . ” 10.5.9 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.10 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.11 Definition (Abzählbarkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.12 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.13 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.14 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.15 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.16 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.17 Definition(algebraische Zahl) . . . . . . . . . . . . . . 10.5.18 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.19 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.20 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.21 Satz (Siegel-Gelfond) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.22 Definition (strikt kleinere Mächtigkeit) . . . . . . . . . 10.5.23 Satz (von Cantor über die Mächtigkeit der Potenzmenge) 10.6 Exkurs: Der große Umordnungssatz (wird später ergänzt) . . . . III Stetigkeit, Grenzwerte bei Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 164 165 165 166 167 167 168 168 169 169 169 170 173 174 175 176 176 177 177 179 180 181 184 186 187 187 188 191 192 194 195 195 195 196 196 197 198 200 200 201 201 201 201 202 202 203 203 204 205 206 5 Inhaltsverzeichnis 11 Der Begriff der Stetigkeit 11.1 Definition (Folgenstetigkeit) . . . . . . . . . . 11.1.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Weitere Beispiele und Bemerkungen . . 11.2 ε − δ−Charakterisierung der Stetigkeit . . . . 11.2.1 Theorem (Äquivalenzsatz für Stetigkeit) 11.2.2 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . 11.2.3 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 206 207 208 209 210 211 214 12 Rechenregeln für stetige Funktionen 12.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Satz . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Folgerung . . . . . . . . . . . . 12.4 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 215 216 216 216 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Abbildungseigenschaften stetiger Funktionen 13.1 Eine einfache Abbildungseigenschaften stetiger Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Stetige reellwertige Funktionen auf Intervallen: Der Nullstellensatz von Bolzano und Zwischenwertsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Satz (Nullstellensatz von Bolzano, B.Bolzano (1817)) . . . . . . . . . . . . . 13.2.2 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.4 Korollar (Zwischenwertsatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.5 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.6 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.7 Satz (Fixpunktsatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Stetige Funktionen auf kompakten Mengen, der Satz vom Maximum und Minimum . . 13.3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.2 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3 Hilfssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.4 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.5 Hilfssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.6 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.7 Definition (kompakt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.8 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.9 Hilfssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.10 Lemma (Bolzano-Weierstrass-Charakterisierung von kompakt“) . . . . . . . ” 13.3.11 Fundamentallemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.12 Theorem (K.Weierstraß, 1861) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.13 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.14 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.15 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.16 Eine kleine Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14-16 . . . . . . der . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (werden später ergänzt) 218 218 218 219 221 221 222 223 224 224 224 224 224 225 225 226 226 226 226 227 227 228 228 228 229 230 IV Grundlagen der Integral- und Differentialrechnung 17 Grundlagen der Integralrechnung 17.1 Das Integral für Treppenfunktionen . . . . . . . . 17.1.1 Definition (Treppenfunktion, Zerlegung) 17.1.2 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.3 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.5 Satz und Definition . . . . . . . . . . . . 217 217 217 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 231 232 232 233 233 234 6 Inhaltsverzeichnis 17.1.6 Geometrische Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.7 Satz (Eigenschaften von T (M ) und I : M → R) . . . . . . . . . 17.1.8 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.9 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.10 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2 Das Integral für Regelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.2 Lemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.3 Definition und Satz (Integral einer Regelfunktion) . . . . . . . . . 17.2.4 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.5 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.6 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.7 Satz (Eigenschaften des Regelintegrals) . . . . . . . . . . . . . . 17.2.8 Geometrische Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.9 Satz (Stabilitätssatz, Vertauschungssatz) . . . . . . . . . . . . . . 17.2.10 Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.11 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.12 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.13 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.14 Satz (Berechnung von Integralen mit der Riemannschen Summe) 17.2.15 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.16 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.17 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.18 Charakterisierung von Regelfunktionen durch innere Eigenschaft 17.2.19 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.20 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.21 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.22 Satz: Intervalladditivität des Regelintegrals . . . . . . . . . . . . 17.2.23 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.24 Theorem (Mittelwertsatz der Integralrechnung) . . . . . . . . . . 17.2.25 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.2.26 Lemma ( Verschwindungslemma“) . . . . . . . . . . . . . . . . ” 18 Grundlagen der Differentialrechnung 18.1 Der Begriff der Ableitung, erste Beispiele differenzierbaren Funktionen 18.1.1 Definition: Begriff der Differenzierbarkeit . . . . . . . . . . . . 18.1.2 Geometrische Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.3 Physikalische Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.4 Ableitung komplexwertiger Funktionen . . . . . . . . . . . . . 18.1.5 Erste Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.6 Feststellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.7 Theorem (Äquivalentssatz für Differenzierbarkeit) . . . . . . . 18.1.8 Feststellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.9 Geometrische Interpretation des Differenzials . . . . . . . . . . 18.1.10 Definition (höhere Ableitungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.11 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.12 Abschreckende Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Die Technik des Differenzierens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Satz (algebraische Regeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Satz (Kettenregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.4 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.5 Theorem (Differenzierbarkeit der Umkehrfunktion) . . . . . . . 18.2.6 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 235 237 238 238 239 239 240 241 241 242 243 243 245 245 247 247 247 250 251 251 255 256 257 257 258 258 259 259 260 261 262 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 263 263 264 264 264 264 266 266 267 268 269 269 270 271 272 273 275 276 277 277 7 Inhaltsverzeichnis 19 Lokale Extrema, Mittelwertsätze, Anwendungen 19.1 Lokale Extrema, der MWSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.1 Definition (lokale und globale Extrema) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3 Fermat, ≈ 1638 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.4 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.5 Satz (von Rolle, Michael Rolle (1652-1719)) . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.6 Geometrische Veranschaulichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.7 Bemerkungen zu den Voraussetzungen des Satzes von Rolle . . . . . . . . 19.1.8 Theorem (MWSD, Lagrange (1797) (J.L.Lagrange, 1736-1813)) . . . . . . 19.1.9 Geometrische Veranschaulichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.10 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.11 Schrankensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.12 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.13 Satz (Charakterisierung konstanter Funktionen und von Stammfunktionen) 19.1.14 Folgerung (Charakterisierung von exp durch eine Differentialgleichung) . . 19.1.15 Monotoniekriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.16 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.17 Satz (hinreichende Kriterien für lokale Extrema) . . . . . . . . . . . . . . 19.1.18 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.19 Beispiele für Extremwertaufgaben (wird nachgetragen) . . . . . . . . . . . 19.1.20 Konvexe Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.21 Definition (konvexe und konkave Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.22 Geometrische Interpretation der Konvexität . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.23 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.24 Satz (Youngsche Ungleichung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.25 Beispiel (Wendepunkte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.26 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Zusammenhang zwischen Integral- und Differenzialrechnung: Der Hauptsatz und seine wendungen 20.1 Der Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.1 Theorem (Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung, 1. Version) . . . . . 20.1.2 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.3 Theorem (2.Version des Hauptsatzes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.4 Theorem (algebraische Form des Hauptsatzes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.5 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.6 Eine kleine Liste von Stammfunktionen (Grundintegralen) . . . . . . . . . . . . 20.1.7 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Integrationstechniken, erste Anwendungen des Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1 Satz (Partielle Integration oder Produktintegration) . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.3 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.4 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.5 Die Wallische Produktformel für π2 (John Wallis, Arithmetica Infiniforum, 1666) 20.2.6 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.7 Satz (Substitutionsregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.8 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.9 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Partialbruchzerlegung und die Integration der rationalen Funktionen . . . . . . . . . . . 20.4 Verträglichkeit der Differentiation mit Grenzprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.1 Satz (Vertauschbarkeit von Differentiation mit Grenzprozessen) . . . . . . . . . 20.4.2 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.3 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.4 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5 Taylor’sche Formel, Taylor-Reihen, Abelscher Grenzwertsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 279 279 279 280 281 282 282 282 283 283 284 284 285 285 285 286 286 287 288 289 289 289 290 290 291 292 292 An. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 294 295 297 300 301 301 302 302 302 303 303 303 304 307 308 310 310 310 315 315 316 317 317 318 319 8 Inhaltsverzeichnis 20.5.1 Satz und Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.2 Satz (Taylor’sche Formel mit Integralrestglied) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.3 Satz (Lagrange’sche Form des Restgliedes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.5 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.6 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.7 Satz (hinreichendes Kriterium für lokale Extrema) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.8 Satz (qualitative Form der Taylorschen Formel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.9 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.10 Definition (Taylor-Reihe von f ∈ C ∞ (D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.11 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.12 Eindeutigkeitssatz (Identitätssatz) für Potenzreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.13 Satz (Hinreichnende Bedingung für die Darstellbarkeit einer C ∞ -Funktion durch ihre Taylor-Reihe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.14 Weitere Beispiele für Taylor-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.15 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.16 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.17 Satz (Abelscher Grenzwertsatz, N.H.Abel, 1826) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.18 Satz (N.H. Abel, 1826) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.19 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.20 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.5.21 Beispiele und Bemerkungen zur Binomialreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 320 322 322 323 323 324 325 325 326 327 327 328 328 331 331 331 332 333 335 335 V Ausbau der Integral- und Differentialrechnung ist noch in Bearbeitung und enthält u.a.: • Uneigentliche Integrale • Γ−Funktion • Stirlingsche Formel • Einführung in die Theorie der Fourier-Reihen • Eulersche Summenformel und Bernoullische Polynome • Interpolation und elementare Aspekte der nummerischen Integration • Einige elementar integrierbare Differentialgleichungen • Einige geometrische Anwendungen: insb. Kurven und ihre Längen (wird nachgetragen) 339 VI Metrische Räume und ihre Topologie 21 Der Begriff des metrischen Raums, Beispiele, topologische Grundbegriffe 21.1 Definition (Metrik, metrischer Raum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Definition (offene und abgeschlossene Kugel, r−Umgebung, Sphäre) . 21.2.1 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Definition (Umgebung, offen, abgeschlossen) . . . . . . . . . . . . . . 21.3.1 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Feststellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5 Theorem (Grundeigenschaften offener Mengen) . . . . . . . . . . . . . 21.5.1 Theorem (Grundeigenschaften abgeschlossener Mengen) . . . . 21.6 De Morganschen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.7 Feststellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.8 Definition (Topologie, topologischer Raum) . . . . . . . . . . . . . . . 21.9 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.9.1 Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.10Definition (Besondere Punkte in einem metrischen Raum) . . . . . . . 21.11Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 341 341 345 345 347 348 350 350 351 352 352 353 353 355 357 357 9 Inhaltsverzeichnis 21.11.1 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 22 Konvergenz und Stetigkeit in metrischen Räumen 22.1 Definition (Folgen-Konvergenz in einem metrischen Raum) . . . . . . . . 22.2 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 Definition (Cauchy-Folge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.4 Satz (konvergente Folgen sind Cauchy-Folgen) . . . . . . . . . . . . . . 22.5 Definition (vollständiger metrische Raum, Banach-Raum, Hilbert-Raum) 22.6 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.6.1 Theorem (allg. Banachscher Fixpunktsatz) . . . . . . . . . . . . 22.6.2 Übungsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.6.3 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.7 Stetigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.7.1 Satz (Äquivalenzsatz für Stetigkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . 22.7.2 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.7.3 Theorem (Charakterisierung der globalen Stetigkeit) . . . . . . . 22.7.4 Beispiele zur Lipschitz-Stetigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.8 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.8.1 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.9 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.10Stetigkeit linearer Abbildungen, die Operatornorm . . . . . . . . . . . . 22.10.1 Äquivalenzsatz für Stetigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.10.2 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.10.3 Definition (Abbildungsnorm oder Operatornorm) . . . . . . . . . 22.10.4 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.10.5 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.11Exkurs: Die Matrix-Exponential-Abbildung . . . . . . . . . . . . . . . . 22.11.1 Theorem (Definition zu exp(A) für A ∈ Kn×n ) . . . . . . . . . . 22.11.2 Bemerkungen und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 360 360 362 363 363 364 364 369 370 371 373 373 375 377 379 383 384 386 386 387 388 388 389 393 393 394 395 23 Kompaktheit 23.1 Definition (Überdeckung) . . . . . . . . . . . . . . . 23.2 Definition ((Überdeckungs-) Kompakt) . . . . . . . . 23.3 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . 23.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.5 Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.6 Hilfssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.7 Satz (von Bolzano-Weierstraß) . . . . . . . . . . . . 23.8 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.9 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.10Theorem (allgemeines Intervallschachtelungsprinzip) 23.11Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.12Satz (Spezialfall des Satzes von Heine-Borel) . . . . 23.13Theorem (Heine-Borel für Kn ) . . . . . . . . . . . . 23.14Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.15Theorem (K.Weierstraß, 1861) . . . . . . . . . . . . 23.16Folgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.17Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.18Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.19Satz (Äquivalenzsatz für Normen) . . . . . . . . . . 23.19.1 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.19.2 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.20Definition (gleichmäßige Stetigkeit) . . . . . . . . . 23.21Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.21.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 399 399 399 402 403 403 404 404 405 405 406 407 408 409 409 410 410 411 412 412 413 414 414 415 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Inhaltsverzeichnis VII Differentialrechnung in mehreren Variablen 417 24 Differenzierbarkeitsbegriffe 24.1 Definition ((totale) Differenzierbarkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.1 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.2 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2 Differenzierbarkeit und Stetigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3 Partielle Ableitungen und Jacobi-Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.1 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.2 Definition (partielle Differenzierbarkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.3 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.4 Satz (Zusammenhang zwischen totaler und partieller Differenzierbarkeit) . . . . . . 24.3.5 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.3.6 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4 Das Hauptkriterium für Differenzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.1 Theorem (Hauptkriterium für Differenzierbarkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.4.2 Bemerkungen und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.5 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6 Definition (Stetige Differenzierbarkeit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6.1 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.6.2 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.7 Exkurs: Zusammenhang zwischen (total) reeller Differenzierbarkeit in R2 und komplexer Differenzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.7.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.7.2 Satz (Zusammenhang zwischen reeller und komplexer Differenzierbarkeit) . . . . . 24.7.3 Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.7.4 Einfache Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 420 421 422 423 424 424 425 425 427 427 428 430 430 431 432 432 433 433 25 Differentiationsregeln 25.1 Satz (algebraische Regeln) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.2 Theorem (Kettenregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3 Definition (Richtungsableitung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.1 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.3.2 Anwendung: Orthogonalität von Gradient und Niveaumenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 438 439 442 443 446 26 Mittelwertsätze, Schrankensätze 26.1 Satz (MWS für reellwertige Funktionen) . . . . . . . . . . 26.2 Folgerung (Charakterisierung konstanter Funktionen) . . . 26.2.1 Eine kleine Anwendung . . . . . . . . . . . . . . 26.3 Satz (über die Integraldarstellung des Funktionszuwachses) 26.4 Folgerung (Schrankensatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . 26.5 Satz (MWS für vektorwertige Funktionen) . . . . . . . . . 26.6 Satz (Schrankensatz für Vektorwertige Funktionen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 448 448 449 450 450 451 452 27 Höhere partielle Ableitungen, der Vertauschungssatz von H.A.Schwarz 27.1 Definition (r-mal partiell differenzierbar) . . . . . . . . . . . . . . . 27.2 Satz (Vertauschungssatz von H.A.Schwarz) . . . . . . . . . . . . . . 27.3 Korollar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 453 454 455 456 28 Taylor-Formel, lokale Extrema 28.1 Satz (Taylor-Entwicklung zweiter Ordnung) 28.2 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28.3.1 Bemerkung . . . . . . . . . . . . . 28.4 Satz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 458 459 459 461 462 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 434 435 436 436 Inhaltsverzeichnis 11 28.5 Beispiele und Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 28.6 Sylvesterscher Trägheitssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 28.7 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 Arbeitsmaterialien zur Vorlesung Analysis 3 467