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Ameyah 2018-07-20 14:35:45 +02:00
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@ -1,14 +1,5 @@
\section{Höhere Ableitungen und \person{Taylor}-scher Satz} \proplbl{section_taylor} \setcounter{equation}{0} \section{Höhere Ableitungen und \person{Taylor}-scher Satz} \proplbl{section_taylor} \setcounter{equation}{0}
\begin{boldenvironment}[Vorbetrachtung] Sei $X$ endlich dimensionaler, normierter Raum über $K$ (d.. Vektorraum über $K$ mit Norm $\Vert \,\cdot \Vert$, $\dim X =l\in\mathbb{N}$).
Offebar sind $X$ und $K^l$ isomorph als Vektorraum, schreibe $X\cong K^l$, z.B. $X = L(K^n,K^m)\cong K^{m\cdot n}$.
Für $g:D\subset K^n\to X$, $D$ offen, kann man die bisherigen Resultate bezüglich der Ableitung übertragen. $g'(x)\in L(K^n, X)$ heißt Ableitung von $g$ im Punkt $x\in D$, falls \begin{align*}
g(x + y) = g(x) + g'x() y + o(\vert y\vert), \;y\to 0
\end{align*}
\end{boldenvironment}
\begin{*definition}[zweite Ableitung] \begin{*definition}[zweite Ableitung]
Betrachte nun $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $f$ \gls{diffbar} auf $D$. Falls $g:= f':D\to L(K^n, K^m) =: y_1$ \gls{diffbar} in $x\in D$ ist, heißt \begin{align} Betrachte nun $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $f$ \gls{diffbar} auf $D$. Falls $g:= f':D\to L(K^n, K^m) =: y_1$ \gls{diffbar} in $x\in D$ ist, heißt \begin{align}
f''(x) := g'(x)\in L(K^n, Y_1) = L\big( K^n, \underbrace{L(K^n, K^m)}_{\cong K^{m\times n}}\big) f''(x) := g'(x)\in L(K^n, Y_1) = L\big( K^n, \underbrace{L(K^n, K^m)}_{\cong K^{m\times n}}\big)
@ -16,50 +7,6 @@ Betrachte nun $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $f$ \gls{diffbar} auf $D$. Fal
\begriff{zweite Ableitung} von $f$ in $X$. \begriff{zweite Ableitung} von $f$ in $X$.
\end{*definition} \end{*definition}
\begin{underlinedenvironment}
Offenbar gilt dann: \begin{align}
\notag f'(x + y) &= f'(x) + f''(x)y + o(\vert y \vert),\; y\to 0
\intertext{bzw.}
\proplbl{taylor_definition_hoehere_ableitung_zwei}
f'(x+y)\cdot z &= f'(x)\cdot z + \underbrace{\big( \underbrace{f''(x)\cdot y}_{\in K^{m\times n}} \big) z}_{\in K^m} + o(\vert y \vert)\cdot z\quad\forall z\in K^n
\end{align}
\end{underlinedenvironment}
\begin{boldenvironment}[Interpretation]
Betrachte $f''(x)$ als kubische bzw. $3$-dimensionale "`Matrix"' (heißt auch \emph{Tensor} 3. Ordnung).
\emph{beachte:} Ausdruck für $f''(x + y)\cdot z$ ist jeweils linear in $y$ und $z$.
\end{boldenvironment}
\begin{boldenvironment}[Frage] höhere Ableitungen, d.h. von $f'':D\to L(K^n, Y_1)$ usw.
Offenbar: \begin{align*}
g_2&:= L(K^n, Y_1) = L\big(K^n, L(K^n K^m)\big) \cong L(K^n, K^{m\times n}) \cong L(K^n, K^{m\times n}) \cong K^{m\cdot n^2}\\
g_3&:= L(K^n, Y_2) \cong L(K^n, K^{m\cdot n^2}) \cong K^{k\cdot n^3}
\end{align*}
Endlich dimenionale, normierte Räume, man kann rekursiv $\forall k\in \mathbb{N}$ definieren: \begin{enumerate}[label={(\roman*)}]
\item (Räume)
\begin{tabularx}{\linewidth}{l@{\ }c@{\ }l@{\ }X}
$Y_0$ & = & $K^n$ & mit $\vert\,.\,\vert$ \\
$Y_{k+1}$ & := & $L(K^n, Y_k)$ & mit Standardnormen $\Vert A\Vert_{k+1} = \sup\limits_{\vert z \vert \le 1} \Vert Az\Vert_{Y_k}$ (vgl. Satz 13.8),
\end{tabularx}
analog zu oben ist $Y_k\cong K^{m\cdot n^k}$, $Y_k$ normierter Raum
\item (Ableitungen)
\begin{tabularx}{\linewidth}{l@{\ }c@{\ }X}
$f^{(0)}$ & := & $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen.\\
\end{tabularx}
Falls $f^{(k)}:D\to Y_k$ \gls{diffbar} in $x\in D$ heißt \[ f^{(k+1)}(x) := \left( f^{(k)} \right) (x)\in L(K^n, Y_k) \]
\begriff{$(k+1)$-te Ableitung} von $f$ in $x$. (\emph{beachte:} $f^{(1)}(x) = f'(x)$)
Somit gilt: \begin{align}
f^{(k)} (x + y) = f^{(k)}(x) + f^{(k+1)}(x) \cdot y + o(\vert y \vert) \;(\in Y_k), \;y\to 0
\end{align}
\end{enumerate}
\end{boldenvironment}
\begin{*definition}[$k$-fach differenzierbar] \begin{*definition}[$k$-fach differenzierbar]
$f$ heißt \begriff{$k$-fach differenzierbar} (auf $D$), falls $f^{(k)}$(x) existiert $\forall x\in D$. $f$ heißt \begriff{$k$-fach differenzierbar} (auf $D$), falls $f^{(k)}$(x) existiert $\forall x\in D$.
@ -68,9 +15,6 @@ Betrachte nun $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $f$ \gls{diffbar} auf $D$. Fal
$C^k(D, K^m) := \{ f:D\to K^m\mid $f$ \text{ $k$-fach stetig \gls{diffbar} auf $D$} \}$ $C^k(D, K^m) := \{ f:D\to K^m\mid $f$ \text{ $k$-fach stetig \gls{diffbar} auf $D$} \}$
\end{*definition} \end{*definition}
\begin{underlinedenvironment}[Hinweis]
Falls $f^(k)(x)$ existiert $\Rightarrow$ $f^{(k-1)}$ stetig in $X$ (vgl. \propref{diffbar_impl_stetig})
\end{underlinedenvironment}
\begin{boldenvironment}[Speziafall $n=1$] \begin{boldenvironment}[Speziafall $n=1$]
$f:D\subset K\to K^m$\\ $f:D\subset K\to K^m$\\
\begin{tabularx}{\linewidth}{r@{$\;$}l@{$\,$}c@{$\,$}X} \begin{tabularx}{\linewidth}{r@{$\;$}l@{$\,$}c@{$\,$}X}
@ -80,60 +24,6 @@ Betrachte nun $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $f$ \gls{diffbar} auf $D$. Fal
Allgemein: $f^{(k)}(x) \in Y_k = L(K, Y_{k-1}) \cong L(K, K^m)\cong K^m$, d.h. für $n=1$ kann $f^{(k)}(x)$ stets als $m$-Vektor in $K^m$ betrachtet werden. Allgemein: $f^{(k)}(x) \in Y_k = L(K, Y_{k-1}) \cong L(K, K^m)\cong K^m$, d.h. für $n=1$ kann $f^{(k)}(x)$ stets als $m$-Vektor in $K^m$ betrachtet werden.
\end{boldenvironment} \end{boldenvironment}
\begin{example}
Für $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit $f(x) = x\cdot \sin x$\\ \begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }r@{\ }c@{\ }l}
$\Rightarrow$ & $f'(x)$ & = & $\sin x + x\cdot \cos x $ \\
$\Rightarrow$ & $f''(x)$ & = & $\cos x + \cos x - x \sin x = 2 \cos x - x \sin x$ \\
$\Rightarrow$ & $f'''(x)$ & = & $-3\sin x - x\cos x$ usw.
\end{tabularx}
\begin{center}\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
xmin=-5, xmax=5, xlabel=$x$,
ymin=-5, ymax=5, ylabel=$y$,
samples=400,
axis y line=middle,
axis x line=middle,
]
\addplot+[mark=none] {x*sin(deg(x))};
\addlegendentry{$x\cdot\sin(x)$}
\addplot+[mark=none, dashed] {sin(deg(x))+x*cos(deg(x))};
\addlegendentry{$\sin(x)+x\cdot\cos(x)$}
\addplot+[mark=none, dotted] {2*cos(deg(x))-x*sin(deg(x))};
\addlegendentry{$2\cos(x)-x\cdot\sin(x)$}
\end{axis}
\end{tikzpicture}\end{center}
\end{example}
\begin{example}
sei $f:\mathbb{R}_{> 0}\to\mathbb{R}^2$ mit $f(x) = \binom{x^3}{\ln x}$. \begin{align*}
\Rightarrow\;f'(x) &= \begin{pmatrix}
3x^2 \\ \frac{1}{x}
\end{pmatrix} & \Rightarrow\; f''(x) &= \begin{pmatrix}
6x \\ -\frac{1}{x^2}
\end{pmatrix} & \Rightarrow\; f'''(x) &= \begin{pmatrix}
6 \\ \frac{2}{x^3}
\end{pmatrix}
\end{align*}
\end{example}
\begin{example}
Sei $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit \begin{flalign*}
f(x) &= \begin{cases}
x^3 & x\ge 0 \\
-x^3 & x < 0
\end{cases} &
\end{flalign*}
Folglich
\begin{align*}
\Rightarrow\; f'(x) &= \begin{cases}
3x^2 \\ -3x^2
\end{cases} & \Rightarrow \; f''(x) &= \begin{cases}
6x \\ -6x
\end{cases}
\end{align*}
$\Rightarrow$ $f'''(0)$ existiert nicht, d.h. $f\in C^2(K, \mathbb{R})$ aber $f\notin C^3(\mathbb{R},\mathbb{R})$
\end{example}
\begin{example} \begin{example}
\proplbl{tayler_hoehere_ableitungen_beispiel_4} \proplbl{tayler_hoehere_ableitungen_beispiel_4}
Sei $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit \begin{align*} Sei $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit \begin{align*}
@ -247,11 +137,6 @@ $B\in X_k$ heißt \begriff{$k$-lineare Abbildung}. $X_k$ ist Vektorraum.
Selbststudium / ÜA Selbststudium / ÜA
\end{proof} \end{proof}
\begin{remark}
\proplbl{taylor_partielle_ableitung_isomorphismus_bemerkung}
$\Vert f^{(k)}(x)\Vert$ unabhängig davon, ob man $f^{(k)}(x)$ als Element von $X_k$ oder $Y_k$ betrachtet.
\end{remark}
\subsection{Partielle Ableitungen} \subsection{Partielle Ableitungen}
Sei $X=(x_1, \dotsc, x_k)\in K^n$; d.h. $x_j\in K$, $e_1, \dotsc, e_k$ die Standard-Einheitsvektoren Sei $X=(x_1, \dotsc, x_k)\in K^n$; d.h. $x_j\in K$, $e_1, \dotsc, e_k$ die Standard-Einheitsvektoren
@ -298,7 +183,7 @@ Sei $X=(x_1, \dotsc, x_k)\in K^n$; d.h. $x_j\in K$, $e_1, \dotsc, e_k$ die Stand
Abkürzende Schreibweise: \begin{align*} Abkürzende Schreibweise: \begin{align*}
f_{x_j x_j x_j}(x) &= \frac{\partial^3}{\partial x_j \partial x_j \partial x_j} f(x) = \frac{\partial^3}{\partial x_j^3} f(x) \\ f_{x_j x_j x_j}(x) &= \frac{\partial^3}{\partial x_j \partial x_j \partial x_j} f(x) = \frac{\partial^3}{\partial x_j^3} f(x) \\
f_{x_i x_j x_i x_l x_l}f(x) &= \frac{\partial}{\partial x_l^2 \partial x_j^2 \partial x_i} f(x) f_{x_i x_j x_j x_l x_l}f(x) &= \frac{\partial}{\partial x_l^2 \partial x_j^2 \partial x_i} f(x)
\end{align*} \end{align*}
\begin{*definition}[\person{Hesse}-Matrix] \begin{*definition}[\person{Hesse}-Matrix]
Für $m=1$ (d.h. $f:D\subset\mathbb{R}^n\to K$) ist Für $m=1$ (d.h. $f:D\subset\mathbb{R}^n\to K$) ist
@ -344,10 +229,6 @@ die \begriff{\person{Hesse}-Matrix}, die alle partiellen Ableitungen 2. Ordnung
Anschaulich: alle partiellen Ableitungen 2. Ordnung bilden eine 3D Matrix. Anschaulich: alle partiellen Ableitungen 2. Ordnung bilden eine 3D Matrix.
\end{example} \end{example}
\begin{boldenvironment}[Frage]
Zusammenhang von $f^{(k)}(x)$ mit partiellen Ableitungen?
\end{boldenvironment}
\begin{theorem} \begin{theorem}
\proplbl{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung} \proplbl{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung}
Sei $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $x\in D$. Dann \begin{enumerate}[label={(\alph*)}] Sei $f:D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, $x\in D$. Dann \begin{enumerate}[label={(\alph*)}]
@ -361,14 +242,10 @@ die \begriff{\person{Hesse}-Matrix}, die alle partiellen Ableitungen 2. Ordnung
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{theorem} \end{theorem}
\begin{remark}
\propref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung} \ref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung_b} ist ein wichtiges Kriterium zur Prüfung der \gls{diffbar}keit, $k$-te Ableitung kann dann mittels \eqref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung_eq} bestimmt werden.
\end{remark}
\begin{proof} \begin{proof}
Jeweils mittels vollständiger Induktion nach $K$ ausgeführt:\begin{enumerate}[label={\alph*)},topsep=\dimexpr-\baselineskip/2\relax] Jeweils mittels vollständiger Induktion nach $K$ ausgeführt:\begin{enumerate}[label={\alph*)},topsep=\dimexpr-\baselineskip/2\relax]
\item basiert auf \propref{richtungsableitung_vollstaendige_reduktion} \item basiert auf Vollst. Reduktion
\item basiert auf \propref{mittelwertsatz_existenz_partieller_ableitung} \item basiert auf Kap. MWS Existenz part. Abl.
\end{enumerate} \end{enumerate}
\end{proof} \end{proof}
@ -399,7 +276,6 @@ die \begriff{\person{Hesse}-Matrix}, die alle partiellen Ableitungen 2. Ordnung
\end{align*} \end{align*}
\end{example} \end{example}
Analoge Rechnung liefert allgemein
\begin{conclusion} \begin{conclusion}
Für $f=(x_1, \dotsc, f_m):D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, es existieren alle $f^{(2)}(x)$ für $x\in D$. Dann \begin{align} Für $f=(x_1, \dotsc, f_m):D\subset K^n\to K^m$, $D$ offen, es existieren alle $f^{(2)}(x)$ für $x\in D$. Dann \begin{align}
f^{(2)}(x) (y_1,y_2) = \begin{pmatrix} f^{(2)}(x) (y_1,y_2) = \begin{pmatrix}
@ -410,10 +286,6 @@ Analoge Rechnung liefert allgemein
\end{align} \end{align}
\end{conclusion} \end{conclusion}
\begin{remark}
Für höhere Ableitungen wird die Darstellung $f^{(k)}(x)(y_1, \dotsc, y_k)$ allgemein mittels partiellen Ableitungen immer komplexer, wird allerdings auch selten benötigt.
\end{remark}
\begin{boldenvironment}[Frage:] \begin{boldenvironment}[Frage:]
Kann man die Reihenfolge bei partiellen Ableitungen vertauschen? (vgl. \propref{taylor_partielle_ableitungen_beispiel_9}) Kann man die Reihenfolge bei partiellen Ableitungen vertauschen? (vgl. \propref{taylor_partielle_ableitungen_beispiel_9})
\end{boldenvironment} \end{boldenvironment}
@ -454,51 +326,7 @@ Analoge Rechnung liefert allgemein
\ $\Rightarrow$ alle partiellen Ableitung bis Ordnung $k$ existieren und die Reihenfolge kann vertauscht werden. \ $\Rightarrow$ alle partiellen Ableitung bis Ordnung $k$ existieren und die Reihenfolge kann vertauscht werden.
\end{conclusion} \end{conclusion}
\begin{proof}[\propref{taylor_partielle_ableitung_schwarz_folgerung}]
Existenz der partiellen Ableitung und deren Stetigkeit folgen aus \propref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung}, beliebige Vertauschung der Reihenfolge kann durch schrittweises Vertauschen von zwei "`benachbarten Veränderlichen"' erreicht werden.\\
\ $\xRightarrow{\text{\cref{taylor_partielle_ableitung_schwarz}}}$ Behauptung
Zur Veranschaulichung: \begin{align*}
f_{x_3 x_1 x_2}(x) & \overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_definition_10}}{=} D_{x_2} f_{x_3 x_1}(x) \overset{\text{\cref{taylor_partielle_ableitung_schwarz}}}{=} D_{x_2}f_{x_1 x_3}(x) \overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_definition_10}}{=} f_{x_1 x_3 x_2}(x) \\
& \overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_definition_10}}{=} (f_{x_1})_{x_3 x_2}(x) \overset{\text{\cref{taylor_partielle_ableitung_schwarz}}}{=} (f_{x_1})_{x_2 x_3}(x) \overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_definition_10}}{=} f_{x_1 x_2 x_3}(x)
\end{align*}
\end{proof}
\begin{proof}[\propref{taylor_partielle_ableitung_schwarz}]
\gls{obda} $m=1$. Fixiere $\epsilon > 0$ $\Rightarrow$ $\exists \delta > 0$ mit \begin{align*}
x + s\cdot e_i + t\cdot e_j\in D\quad\forall s,t\in (-\delta,\delta)
\end{align*}
und
\begin{align}
\proplbl{taylor_partielle_ableitung_schwarz_beweis_15}
\vert f_{x_i x_j}(x + s\cdot e_i + t\cdot e_j) - f_{x_i x_j}(x)\vert < \epsilon \quad\forall s,t\in(-\delta,\delta)
\end{align}
Definiere $\phi(s) := f(x + s\cdot e_i + t\cdot e_j) - f(x + s\cdot e_i)$ ist \gls{diffbar} auf $(-\delta,\delta)$ $\forall t\in (-\delta,\delta)$ \\
\begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X}
$\xRightarrow{\text{MWS}}$ & $\exists \sigma \in (0,s): \phi(s) - \phi(0) = \phi'(\sigma)s = \left(f_{x_i}(x + \sigma e_i + t e_j) - f_{x_i}(x + \sigma e_i)\right)s$ \marginnote{MWS = Mittelwertsatz, \propref{mittelwertsatz_mittelwertsatz}}\\
$\xRightarrow{\text{MWS}}$ & für $t\to f_{x_i}(x + \sigma e_i + t e_j)$: $\exists \tau \in (0,t): \phi(s) - \phi(0) = f_{x_i x_j}(\underbrace{x + \sigma e_i + \tau e_j}_{=: \tilde{x}}) s t$ ($\sigma$, $\tau$ abhängig von $s$, $t$)
\end{tabularx}
Daher gilt:
{\zeroAmsmathAlignVSpaces*\begin{align}
\proplbl{taylor_partielle_ableitung_schwarz_16}
\notag \left\vert\frac{\phi(s) - \phi(0)}{st} - f_{x_i x_j}(x)\right\vert &\le \underbrace{\left\vert\frac{\phi(s) - \phi(0)}{st} - f_{x_i x_j}(\tilde{x})\right\vert}_{=0} + \left\vert f_{x_i x_j}(\tilde{x}) - f_{x_i x_j}(x) \right\vert& \\
&\overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_schwarz_beweis_15}}{<} \epsilon \quad\forall s,t\in(-\delta,\delta),\; s,t\neq 0&
\end{align}}
Wegen \begin{align*}
\lim\limits_{t\to 0} \frac{\phi(s) - \phi(0)}{t} = \lim\limits_{t\to 0}\frac{f(x + s\cdot e_i + t\cdot e_j) - f(x + s \cdot e_i)}{t} - \frac{f(x + t\cdot e_j) - f(x)}{t} = f_{x_j}(x + s\cdot e_i) - f_{x_j}(x)
\end{align*}
folgt aus \propref{taylor_partielle_ableitung_schwarz_16} \begin{align}
\proplbl{taylor_partielle_ableitung_schwarz_beweis_17}
\left\vert \frac{f_{x_j}(x + s\cdot e_i) - f_{x_j}(x)}{s} - f_{x_i x_j}(x) \right\vert < \epsilon\quad \forall s\in (-\delta, \delta);\; s\neq 0
\end{align}
\ $\xRightarrow{\epsilon > 0}$ $f_{x_j x_i}(x) = \lim\limits_{s\to 0}\frac{f_{x_j}(x + s\cdot e_i) - f_{x_j}(x)}{s}\overset{\eqref{taylor_partielle_ableitung_schwarz_beweis_17}}{=} f_{x_i x_j}(x)$
\end{proof}
\subsection{Anwendungen} \subsection{Anwendungen}
\begin{boldenvironment}[Frage]
Wann besitzt $fD\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^{m\times n}$ eine Stammfunktion? (Vgl. \propref{stammfunktion}, \gls{obda} $m=1$)
\end{boldenvironment}
\begin{proposition}[notwendige Integrabilitätsbedingung] \begin{proposition}[notwendige Integrabilitätsbedingung]
\proplbl{taylor_anwendung_integrabilitaetsbedinung} \proplbl{taylor_anwendung_integrabilitaetsbedinung}
@ -510,10 +338,6 @@ Analoge Rechnung liefert allgemein
\end{align} \end{align}
\end{proposition} \end{proposition}
\begin{remark}
\eqref{taylor_anwendung_integrabilitaetsbedinung_eq} ist hinreichend, falls z.B. $D$ konvex (siehe Analysis 3)
\end{remark}
\begin{proof} \begin{proof}
$f$ habe Stammfunktion $F$ $\Rightarrow$ $F\in C^2(D)$ $f$ habe Stammfunktion $F$ $\Rightarrow$ $F\in C^2(D)$
@ -525,7 +349,9 @@ Analoge Rechnung liefert allgemein
\end{proof} \end{proof}
\begin{example} \begin{example}
Nochmal \propref{stammfunktion_beispiel_11} mit Parameter $\alpha\in\mathbb{R}$: \begin{align*} Vgl. Bsp vom Kapitel Stammfkt.
$\alpha\in\mathbb{R}$:
\begin{align*}
f(x,y) &= \begin{pmatrix} f(x,y) &= \begin{pmatrix}
\alpha xy \\ x^2 + y^2 \alpha xy \\ x^2 + y^2
\end{pmatrix} \end{pmatrix}
@ -559,10 +385,6 @@ Verwende \begriff{allgemeine Polynome} $\phi:K^n\to K$ der Ordnung $k$, d.h. \be
\end{align} \end{align}
mit $a_0$, $a_j$, $a_{ij}$ $\in K$ gegebene Koeffizienten mit $a_0$, $a_j$, $a_{ij}$ $\in K$ gegebene Koeffizienten
\begin{boldenvironment}[Notation]
$f^{(k)}(x)(y,\dotsc,y) = f^{(k)}(x) y^k$
\end{boldenvironment}
\begin{boldenvironment}[Wiederholung] \begin{boldenvironment}[Wiederholung]
$f\in C(D)$: $f(x+y) = f(x) + o(1)$, $y\to 0$ \\ $f\in C(D)$: $f(x+y) = f(x) + o(1)$, $y\to 0$ \\
$f\in C^1(D)$: $f(x+y) = f(x) + f(x)y + o(\vert y \vert)$, $y\to 0$ $f\in C^1(D)$: $f(x+y) = f(x) + f(x)y + o(\vert y \vert)$, $y\to 0$
@ -592,62 +414,6 @@ mit $a_0$, $a_j$, $a_{ij}$ $\in K$ gegebene Koeffizienten
\end{align} \end{align}
\end{theorem} \end{theorem}
\begin{remark}
Entscheidente Aussage in \propref{taylor_taylor} ist nicht \eqref{taylor_taylor_eq}, sondern die Eigenschaften des Restglieds (dies wird klein).
\end{remark}
\begin{proof}
Sei $[x,x+y]\subset D$, definiere \begin{align*}
R_K(y) = f(x + y) - f(x) - \sum_{j=1}^{k-1} \frac{1}{j!} f^{(j)}(x) y^j \quad\Rightarrow\eqref{taylor_taylor_eq}
\end{align*}
und definiere \begin{align*}\phi(t):= f(x + y) - f(x + ty) - \sum_{j=1}^{k-1} \frac{(1 - t)^j}{j!} f^{(j)}(x+ty) y^j - (1 - t)^k R_k(y)
\end{align*}
Offenbar $\phi(1) = 0 = \phi(0)$.
Da $f$ $k$-fach \gls{diffbar}\\
\begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X}
$\Rightarrow$ & $\phi:[0,1]\to K^m$ $\mathbb{R}$-\gls{diffbar} auf $(0,1)$ mit
\end{tabularx} {\begin{align}
\proplbl{taylor_taylor_beweis_24}
\notag\phi'(t) &= -f'(x + ty) \cdot y + \sum_{j=1}^{k-1}\left( \frac{(1 - t)^{j-1}}{(j - 1)!} f^{(j)}(x + ty) y^j - \frac{(1 - t)^j}{j!} f^{(j+1)}(x + ty) y^{j+1}\right) + k (1 - t)^{k - 1} R_k(y) \\
& = - \frac{(1 - t)^{k-1}}{(k - 1)!} f^{(k)}(x + ty) y^k + k (1 - t)^{k-1} R_k(y)
\end{align}}
\begin{enumerate}[label={(\alph*)}]
\item \marginnote{MWS = Mittelwertsatz, \propref{mittelwertsatz_mittelwertsatz}} $K=\mathbb{R}$, $n=1$: nach MWS $\exists \tau\in (0,1)$ und \begin{align*}
0 = \phi(1) - \phi(0) = \phi'(\tau) \quad \xRightarrow{\eqref{taylor_taylor_beweis_24}} \eqref{taylor_taylor_restglied_eq_zwei}
\end{align*}
\item zu \eqref{taylor_taylor_restglied_eq_eins} mit $K=\mathbb{R}$: Sei $\psi(t) := \langle \phi(t), v\rangle$ für $v\in\mathbb{R}^n$ \\
\begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X}
$\Rightarrow$ & $\psi:[0,1]\to\mathbb{R}$ \gls{diffbar} auf $(0,1)$ mit $\psi'(t) = \langle \phi'(t),r\rangle$ \\
$\xRightarrow{\text{MWS}}$ & $\exists \tau\in(0,1)$: $0= \langle \phi'(\tau), v\rangle$
\end{tabularx}
{\begin{flalign}
\proplbl{taylor_taylor_beweis_25}
\qquad\Rightarrow\;\;&\langle R_K(y),v\rangle = \frac{1}{k!}\langle f^{(k)}(x + \tau y)y^k, v\rangle&
\end{flalign}}
mit $v = \frac{R_k(y)}{\vert R_k(y)\vert}$ ($\vert R_k(y)\vert \neq 0$, sonst klar) und es folgt
\begin{align*}
\langle R_k(y), v\rangle = \vert R_k(y)\vert = \left\langle \frac{1}{k!} f^{(k)}(x + \tau y) y^k, v\right\rangle \overset{\vert v \vert = 1}{\le} \frac{1}{k!} \left\vert f^{(k)}(x + \tau y) y^k\right\vert \quad\xRightarrow{\eqref{taylor_hoehere_ableitung_abschaetzung_norm}} \eqref{taylor_taylor_restglied_eq_eins}
\end{align*}
\item $K=\mathbb{C}$: identifiziere $\mathbb{C}^m$ mit $\mathbb{R}^{2m}$ und setzte $\phi(t) = \langle \phi(t), r\rangle_{\mathbb{R}^{2m}}$.
Beachte:\begin{itemize}
\item $\phi:[0,1]\to\mathbb{R}$, $\frac{\D}{\D t} \Re \phi_j(t) = \Re \frac{\D}{\D t}\phi_j(t)$ $\forall j$
\item $\langle R_k(y), R_k(y)\rangle_{\mathbb{R}^{2m}} = \vert R_k(y)\vert_{\mathbb{C}^m}^2$
\end{itemize}
und argumentiere wie in b)
\item zu \eqref{taylor_taylor_restglied_eq_drei}: Setzte $R_k(y) = \frac{1}{k!}f^{(k)}(x) y^k + r_k(y)$ in \eqref{taylor_taylor_beweis_25}, $r = \frac{r_k(y)}{\vert r_k(y)\vert}$ (falls $r_k(y) \neq 0$)\\
\begin{tabularx}{\linewidth}{r@{\ \ }X}
$\Rightarrow$ & $\displaystyle\frac{\vert r_k(y)\vert}{\vert y \vert^k} \le \frac{1}{k!\vert y\vert^k} \left| \left( f^{(k)}(x + \tau(y)y) - f^{(k)}(x)\right)y^k\right| \overset{\eqref{taylor_hoehere_ableitung_abschaetzung_norm}}{\le} \frac{1}{k!} \left\Vert f^{(k)}(x + \tau (y)y) - f^{(k)}(x)\right\Vert \xrightarrow{y\to 0}0$,
\end{tabularx}
d.h. $r_k(y) = o(\vert y \vert^k)$, $y\to 0$
\end{enumerate}
\end{proof}
\begin{*definition}[Taylorpolynom, Taylorentwicklung] \begin{*definition}[Taylorpolynom, Taylorentwicklung]
Rechte Seite in \eqref{taylor_taylor_eq} ohne Restglied heißt \uline{Taylorpolynom}\begriff*[Taylor-!]{polynom} von $f$ in $x$ vom Grad $k-1$. Rechte Seite in \eqref{taylor_taylor_eq} ohne Restglied heißt \uline{Taylorpolynom}\begriff*[Taylor-!]{polynom} von $f$ in $x$ vom Grad $k-1$.
@ -666,19 +432,6 @@ mit $a_0$, $a_j$, $a_{ij}$ $\in K$ gegebene Koeffizienten
Benutze \eqref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung_eq} Benutze \eqref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung_eq}
\end{proof} \end{proof}
\begin{remark}
Falls alle partiellen Ableitungen von $f$ bis Ordnung $k$ existieren und stetig sind auf $D$ \\
$\Rightarrow$ $f\in C^k(D)$ und \eqref{taylor_taylor_partielle_ableitungen_eq} (vgl. \propref{taylor_partielle_ableitung_zusammenhang_hoehere_ableitung})
\end{remark}
\begin{example}
Sei $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit $f(x) = \cos x$. Für $x=0$ gilt: \begin{align*}
\cos y &= \cos 0 + \frac{1}{1!}\big( \cos'(0) \big)y + \frac{1}{2!}\big( \cos''(0) \big)y^2 + \dotsc + \frac{1}{k!} \big( \cos^{(k)} 0 \big)y^k + o(\vert y \vert^k) \\
&\overset{k=8}{=} 1 - 0\cdot y - \frac{1}{2}y^2 + 0 y^3 + \frac{1}{24}y^4 - 0\cdot y - \frac{1}{720} y^6 + 0\cdot y^7 + \frac{1}{40320}y^8 + o(\vert y\vert^8)
\end{align*}
(gilt auch für $K=\mathbb{C}$)
\end{example}
\begin{example} \begin{example}
Sei $f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}$ mit $f(x) = (x_1^2 + x_1 x_2 + \sin x_2)$ ($x = (x_1, x_2)$) Sei $f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}$ mit $f(x) = (x_1^2 + x_1 x_2 + \sin x_2)$ ($x = (x_1, x_2)$)