Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Samankaltaiset tiedostot
KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Kompleksianalyysi, viikko 5

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi: kurssikerta 12

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 5

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

3 Lukujonon raja-arvo

3 Lukujonon raja-arvo

πx) luvuille n N. Valitaan lisäksi x = m,

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Kompleksiset sarjat ja potenssisarjat

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 3. viikolle /

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

Sarjojen suppenemisesta

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

Matematiikan tukikurssi

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 3, ratkaisut Maanantai

Matematiikan tukikurssi

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

Täydellisyysaksiooman kertaus

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

1 Kompleksitason geometriaa ja topologiaa

f (t) + t 2 f(t) = 0 f (t) f(t) = t2 d dt ln f(t) = t2, josta viimeisestä yhtälöstä saadaan integroimalla puolittain

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

3. Teoriaharjoitukset

Kompleksitermiset jonot ja sarjat

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Matematiikan tukikurssi

Matemaattisen analyysin tukikurssi

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Derivaatat lasketaan komponenteittain, esimerkiksi E 1 E 2

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

Konvergenssilauseita

VII. KOMPLEKSILUVUT. VII.1. Laskutoimitukset

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

1 Määritelmä ja perusominaisuuksia. 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla. 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut. 4 Kompleksilukujen algebraa

1. Osoita, että joukon X osajoukoille A ja B on voimassa toinen ns. de Morganin laki (A B) = A B.

Jonot. Lukujonolla tarkoitetaan ääretöntä jonoa reaalilukuja a n R, kun indeksi n N. Merkitään. (a n ) n N = (a n ) n=1 = (a 1, a 2, a 3,... ).

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Syksy Osoita täsmällisesti perustellen, että joukko A = x 4 ei ole ylhäältä rajoitettu.

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

5 Funktion jatkuvuus ANALYYSI A, HARJOITUSTEHTÄVIÄ, KEVÄT Määritelmä ja perustuloksia

Matematiikan peruskurssi 2

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Matematiikan tukikurssi

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

8. Avoimen kuvauksen lause

2 Funktion derivaatta

Kompleksianalyysi, viikko 6

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

Matriisilaskenta Luento 10: Polaarimuoto ja kompleksilukujen geometriaa

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

2 Funktion derivaatta

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

Derivointiesimerkkejä 2

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Lukujoukot. Luonnollisten lukujen joukko N = {1, 2, 3,... }.

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Potenssisarja, suppenemissäde. Potenssisarja ja derivointi. Potenssisarja ja analyyttiset funktiot. Potenssisarja ja integrointi.

X k+1 X k X k+1 X k 1 1

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

0. Kertausta. Luvut, lukujoukot (tavalliset) Osajoukot: Yhtälöt ja niiden ratkaisu: N, luonnolliset luvut (1,2,3,... ) Z, kokonaisluvut

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

Kompleksiluvut., 15. kesäkuuta /57

Todennäköisyyslaskenta IIa, syys lokakuu 2019 / Hytönen 3. laskuharjoitus, ratkaisuehdotukset

HY / Matematiikan ja tilastotieteen laitos Vektorianalyysi I, syksy 2017 Harjoitus 1 Ratkaisuehdotukset. I.1. Todista Cauchyn-Schwarzin epäyhtälö

MATP153 Approbatur 1B Harjoitus 4 Maanantai

funktiojono. Funktiosarja f k a k (x x 0 ) k

a) z 1 + z 2, b) z 1 z 2, c) z 1 z 2, d) z 1 z 2 = 4+10i 4 = 10i 5 = 2i. 4 ( 1)

Matemaattinen Analyysi

3.3 Funktion raja-arvo

Osittaisdifferentiaaliyhtälöt

(2n 1) = n 2

1. Piirrä kompleksitasoon seuraavat matemaattiset objektit/alueet.

= 3 = 1. Induktioaskel. Induktio-oletus: Tehtävän summakaava pätee jollakin luonnollisella luvulla n 1. Induktioväite: n+1

Tehtävä 3. Määrää seuraavien jonojen raja-arvot 1.

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Matematiikan tukikurssi

1 sup- ja inf-esimerkkejä

a) Sievennä lauseke 1+x , kun x 0jax 1. b) Aseta luvut 2, 5 suuruusjärjestykseen ja perustele vastauksesi. 3 3 ja

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Valintakoe

Kompleksianalyysi Funktiot

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

Transkriptio:

3B Sarjoja ja analyyttisiä funktioita 3B a Etsi funktiolle z z 5 potenssisarjaesitys kiekossa B0, 5. b Etsi funktiolle z z potenssisarjaesitys kiekossa, jonka keskipiste on z 0 4. Mikä on tämän potenssisarjan suppenemissäe? Ratkaisu. Molemmat perustuvat geometriseen sarjaan Kohta a: Kirjoitetaan z n, kun z <. z z 5 5 z 5 ja tunnistetaan jälkimmäisessä lausekkeessa tekijänä geometrisen sarjan summa muuttujana z. Sarja suppenee kun sen muuttuja on yksikkökiekossa, eli kun z 5 5 <, eli kun z < 5. Siis kaikilla z B0, 5 saaaan z 5 5 z 5 5 z n 5 5 5 n z n 5 n z n. Tämä on etsitty potenssisarja. Kohta b: Saaaksemme z 0 -keskisessä kiekossa kehitetyn potenssisarjan, on potenssisarjan muuttujana oltava z z 0. Tähän päästään kirjoittamalla muuttuja z muoossa z z z 0 + z 0. Tehtävässä pyyetty keskipiste on z 0 4, joten kirjoitetaan z z +4 4 ja saaaan z z + 4 4 5 z + 4 5 z+4 5 z + 4 n 5 5 5 n z + 4 n Tämä on etsitty potenssisarja. / 5

3B Olkoot a n ja b n kaksi kompleksitermistä sarjaa. Näien sarjojen Cauchytulo määritellään sarjana c n, jonka termit ovat c n : n k0 a kb n k. Oletetaan, että molemmat annetuista sarjoista suppenevat a n α C, b n β C, ja että ensimmäinen näistä sarjoista suppenee itseisesti. Osoita, että silloin myös Cauchytulon sarja suppenee ja Voit seurata esimerkiksi seuraavia välivaiheita: c n αβ. a Tarkastele osasummia A N : N a n, B N : N b n ja C N : N c n. Osoita, että C N N a N nb n. b Näytä osasummille eelleen C N N a N nb n β + βa N ja totea tämän perusteella, että tehtävän väite seuraa, jos osoitetaan N a N nb n β 0 kun N. c Osoita nyt ensin, että millä tahansa ε > 0 voiaan valita M siten, että sarjan loppuosaa saaaan rajoitettua epäyhtälöllä N nm a N n B n β < ε kaikilla N. Sitten näin valitulla ε > 0 ja M osoita, että on olemassa N 0 siten, että sarjan alkuosaa saaaan rajoitettua epäyhtälöllä M a N n B n β < ε kun N N 0. Yhistä aiemmat kohat toistaaksesi tehtävän väitteen. Ratkaisu. Oletus ensimmäisen sarjan itseisestä suppenemisesta tarkoittaa, että osasummilla A N N a n on raja-arvo lim A N α ja että kerrointen itseisarvojen summa on äärellinen a n K <. Oletus toisen sarjan suppenemisesta tarkoittaa, että osasummilla B N raja-arvo N b n on lim B N β. Tehtävässä tavoitteena on toistaa väite c n αβ eli että Cauchy-tulosarjan osasummilla C N N c n on raja-arvo lim C N αβ. / 5

Vaihe a: Muistetaan määritelmä c n n k0 a kb n k ja kirjoitetaan Cauchy-tulosarjan osasumma C N c n c 0 + c + c + + c N a 0 b 0 + a0 b + a b 0 + a0 b + a b + a b 0 + + a0 b N + + a N b 0 a 0 b0 + b + b + + b N + a b0 + b + + b N + + a N b0 + b + a N b0 a 0 B N + a B N + a B N + + a N B + a N B 0. Viimeinen ylläolevista lausekkeista voiaan kirjoittaa muoossa C N a N n B n. Vaihe b: Tarkastellaan erotusta C N βa N ja käytetään vaiheen a tulosta Toisin sanoen saatiin C N βa N C N a N n B n β a N n B n β a N n Bn β. a n a N n B n β + βa N. a N n Oletuksen perusteella A N α kun N, joten jälkimmäiselle termille yhtälön oikealla puolella saaaan βa N αβ. Siispä tehtävän väite C N αβ on yhtäpitävä sen kanssa, että ensimmäinen termi yhtälön oikealla puolella menee nollaan eli N a N nb n β 0. Jäljellä olevissa vaiheissa osoitetaan tämä. Vaihe c: Kolmioepäyhtälöstä saaaan a N n B n β a N n B n β a N n B n β. 3 / 5

Olkoon ε > 0. Merkitään K a n <. Oletuksesta lim n B n β seuraa, että on olemassa M siten, että B n β < ε kaikilla n M. Silloin aloittamalla summaus K n M:stä, voimme arvioia Määritellään nyt a N n B n β nm L : ε a N n K nm ε K ε K M a N n nm B n β. a N n ε K K ε. Summan alkuosan arvioimiseksi huomataan, että suppenevan sarjan a n termien on välttämättä mentävä nollaan, lim n a n 0. Siis on olemassa jokin n 0 siten, että kun n n 0, pätee a n < ε. Merkitään N L 0 n 0 + M, jolloin kaikilla N N 0 ja n M pätee N n n 0 ja siksi a N n < ε L, kun N N 0 ja n M. Tätä voiaan käyttää arvioimaan, kun N N 0, M a N n B n β M ε L ε L B n β M B n β ε L L ε. Yhistämällä aiemmat, on saatu kaikilla N N 0 a N n B n β M a N n B n β + } {{ } <ε/ a N n B n β < ε. nm Vaihe : Vaiheen b päättelyn perusteella tehtävän väite lim C N αβ } {{ } <ε/ 4 / 5

on yhtäpitävä sen kanssa, että lim N a N n B n β 0. Toistetaan tämä vaiheen c tuloksen avulla. Vaiheesta c saatiin, että kaikilla ε > 0 on olemassa N 0 siten, että N a N n B n β < ε, kun N N 0. Silloin kolmioepäyhtälöstä saaaan, kun N N 0, a N n B n β a N n B n β < ε. N Näinollen määritelmän mukaan on näytetty, että lim a N n B n β ja tehtävän väite seuraa. 0 5 / 5

3B Sarjoja ja analyyttisiä funktioita Kotitehtävät 3B3 Etsi kaikki yhtälön kompleksiset ratkaisut z C. Ratkaisu. Merkitään aluksi expz 5 expz + 4 0 w expz, jolloin eksponenttifunktion ominaisuuksista saaaan myös Muuttujan w avulla kirjoitettuna yhtälö on toisen asteen yhtälö w expz. expz 5 expz + 4 0 w 5w + 4 0. Tämän toisen asteen yhtälön juuret voi etsiä tavalliseen tapaan tai voi suoraan huomata faktorisaation w 5w + 4 w 4w, josta yhtälön kaheksi ratkaisuiksi nähään w ja w 4. Etsitään ensin ratkaisua w vastaavat muuttujan z arvot, eli sellaiset luvut, joille expz w. Luennoilla esitetyn tuloksen mukaan ratkaisut voiaan esittää luvun w moulin w ja argumentin argw 0 mikä tahansa valinta kelpaa avulla muoossa z log w + i argw + πm, missä m Z. Ratkaisua w vastaavat alkuperäisen yhtälön ratkaisut ovat siis z πim, m Z. Etsitään sitten ratkaisua w 4 vastaavat muuttujan z arvot, eli sellaiset luvut, joille expz w 4. Luennoilla esitetyn tuloksen mukaan ratkaisut voiaan esittää luvun w 4 moulin w 4 ja argumentin argw 0 mikä tahansa valinta kelpaa avulla muoossa z log w + i argw + πm, missä m Z. Ratkaisua w 4 vastaavat alkuperäisen yhtälön ratkaisut ovat siis z log4 + πim, m Z. Alkuperäisen yhtälön kaikki ratkaisut ovat siis { } z πim m Z { log4 + πim } m Z. / 3

3B4 Lähtien kompleksisen eksponenttifunktion exp: C C \ {0} ominaisuuksista erityisesti expz + w expz expw ja trigonometristen funktioien eksponenttifunktioon perustuvista määritelmistä expiz + exp iz expiz exp iz cosz :, sinz :, i joha seuraavat trigonometriset kaavat a cos z + sin z b cos z + π sinz c sin z + π cosz sin z cosz e f g cos z + cosz cosz sinz z sinz cosz. z Ratkaisu. Kohta a: e cos z + sin iz + e iz e iz e iz z + i eiz + e iz + eiz e iz i Kohta b: missä käytettiin havaintoja eiz + e iz e iz + e iz 4 eiz + + e iz 4 eiz + e iz 4 cos z + π eiz+π/ + e iz+π/ eiz e iπ/ + e iz e iπ/ e iπ/ cos π +i sin π }{{} }{{} 0 + eiz i + e iz i + eiz e iz e iz + e iz 4 eiz + e iz i i, e iπ/ cos π }{{} 0. sinz, +i sin π i. }{{} / 3

Kohta c: sin z + π eiz+π/ e iz+π/ i eiz e iπ/ e iz e iπ/ i eiz i e iz i i eiz + e iz cosz. Kohta : e sin iz e iz e iz e iz z i i eiz e iz e iz + e iz 4 eiz + e iz 4 eiz + e iz 4 Kohta e: Kohtien a ja perusteella cos z a sin z cosz. cosz + cosz. Kohta f: Muistetaan, että z ez e z ja ketjusäännön perusteella z ecz c e cz. Lasketaan: Kohta g: z cosz e iz + e iz z z eiz + z e iz i eiz + i e iz eiz + e iz i sinz. z sinz e iz e iz z i z eiz z e iz i i eiz i e iz i +eiz + e iz cosz. 3 / 3