Analízis 5. Előadásjegyzet

Hasonló dokumentumok
ANALÍZIS II. TÉTELBIZONYÍTÁSOK ÍRÁSBELI VIZSGÁRA

Molnár Bence. 1.Tétel: Intervallumon értelmezett folytonos függvény értékkészlete intervallum. 0,ami ellentmondás uis. f (x n ) f (y n ) ε > 0

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

Kalkulus II. Beugró kérdések és válaszok 2012/2013 as tanév II. félév

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Boros Zoltán február

Differenciálegyenlet rendszerek

Matematika A1a - Analízis elméleti kérdései

Laplace-transzformáció. Vajda István február 26.

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Els gyakorlat. vagy más jelöléssel

A Riemann-integrál intervallumon I.

differenciálegyenletek

Analízis. 1. fejezet Normált-, Banach- és Hilbert-terek. 1. Definíció. (K n,, ) vektortér, ha X, Y, Z K n és a, b K esetén

9. HATÁROZATLAN INTEGRÁL

f (ξ i ) (x i x i 1 )

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Közönséges differenciálegyenletek

1. Házi feladat. Határidő: I. Legyen f : R R, f(x) = x 2, valamint. d : R + 0 R+ 0

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

3. előadás Stabilitás

0.1 Deníció. Egy (X, A, µ) téren értelmezett mérhet függvényekb l álló valamely (f α ) α egyenletesen integrálhatónak mondunk, ha

KIEGÉSZÍTÉS A VONALINTEGRÁLHOZ

GAZDASÁGI MATEMATIKA I.

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

FELVÉTELI VIZSGA, július 15.

Differenciálegyenletek

Fourier-sorok. néhány esetben eltérhetnek az előadáson alkalmazottaktól. Vizsgán. k=1. 1 k = j.

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

Numerikus módszerek 2.

Debreceni Egyetem. Kalkulus II. Gselmann Eszter

Alapfogalmak, valós számok Sorozatok, határérték Függvények határértéke, folytonosság A differenciálszámítás Függvénydiszkusszió Otthoni munka

Fourier sorok február 19.

Absztrakt vektorterek

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Határozott integrál. Newton -Leibniz szabály. alkalmazások. improprius integrál

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Vektortér fogalma vektortér lineáris tér x, y x, y x, y, z x, y x + y) y; 7.)

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

3. Lineáris differenciálegyenletek

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

VI. Deriválható függvények tulajdonságai

1. Absztrakt terek 1. (x, y) x + y X és (λ, x) λx X. műveletek értelmezve vannak, és amelyekre teljesülnek a következő axiómák:

Polinomok maradékos osztása

Matematika 4 gyakorlat Földtudomány és Környezettan BSc II/2

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Lineáris egyenletrendszerek

Analízis II. harmadik, javított kiadás

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

BSc Analízis II. előadásjegyzet 2009/2010. tavaszi félév

A fontosabb definíciók

Többváltozós analízis gyakorlat

egyenletesen, és c olyan színű golyót teszünk az urnába, amilyen színűt húztunk. Bizonyítsuk

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

Explicit hibabecslés Maxwell-egyenletek numerikus megoldásához

Programtervező informatikus I. évfolyam Analízis 1

Metrikus terek, többváltozós függvények

Bevezetés az algebrába 2

Fraktálok. Hausdorff távolság. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék március 14.

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

1. Komplex függvények dierenciálhatósága, Cauchy-Riemann egyenletek. Hatványsorok, elemi függvények

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Differenciaegyenletek

Matematikai analízis 1. Szász Róbert

Határozzuk meg, hogy a következő függvényeknek van-e és hol zérushelye, továbbá helyi szélsőértéke és abszolút szélsőértéke (

Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 4. Előadás

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Néhány szó a mátrixokról

(x + 1) sh x) (x 2 4) = cos(x 2 ) 2x, e cos x = e

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

I. feladatsor i i i i 5i i i 0 6 6i. 3 5i i

y + a y + b y = r(x),

Lagrange és Hamilton mechanika

(!), {z C z z 0 < R} K (K: konv. tart.) lim cn+1

= n 2 = x 2 dx = 3c 2 ( 1 ( 4)). = π 13.1

2. Fourier-elmélet Komplex trigonometrikus Fourier-sorok. 18 VEMIMAM244A előadásjegyzet, 2010/2011

ANALÍZIS II. DEFINÍCIÓK, TÉTELEK

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

7. tétel: Elsı- és másodfokú egyenletek és egyenletrendszerek megoldási módszerei

Numerikus módszerek 1.

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

1. Halmazelméleti alapok

7. HATÁROZATLAN INTEGRÁL. 7.1 Definíció és alapintegrálok

2. NUMERIKUS INTEGRÁLÁS

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Gazdasági matematika I. tanmenet

Fourier transzformáció

Kalkulus 2., Matematika BSc 1. Házi feladat

4. Absztrakt terek elmélete

Átírás:

Anlízis 5. Elődásjegyzet Oláh Gábor oliks.g@gmil.com Jnury, 9 A jegyzet z ELTÉ-n 8-9 őszi félévében elhgzott elődás lpján készült. Az elődó Simon Péter. A jegyzet szbdon terjeszthető, zonbn kérek mindenkit, hogy ne mutsson linkkel közvetlenül fájlr, mert fájlnév frissítésenként változik, inkább honlponr mutsson link: http://people.inf.elte.hu/oliks. H nem erről z oldlról töltötte le ezt jegyzetet, kkor látogsson el fenti honlpr, háth zót frissült jegyzet.

EA 8-9- Differenciálegyenletek. Legyen n N, I R nyílt intervllum, Ω R n trtomány, f : I Ω n R n, f folytonos. Feldt: Keressünk olyn ϕ : I Ω függvényt, mire D ϕ nyílt intervllum ϕ D ϕ x fx, ϕx x D ϕ 3 Az így definiált feldtot differenciál egyneletnek d.e. nevezzük. Legyen f f,..., f n, ϕ ϕ,..., ϕ n. Ekkor 3 következő képen néz ki: ϕ ix f i x, ϕ x,..., ϕ n x x D ϕ, i,..., n H n, kkor differenciál egyenlet rendszer d.e.r. b H ϕ ilyen, kkor ϕ d.e. megoldás. c f d.e. jobb oldl. d H még τ I, ξ Ω és t D ϕ, ϕτ ξ 4 kkor kezdeti érték problámáról k.é.p. vgy Cuchy-feldtról beszélünk. e Ld. gyk rkétás feldt mv mγ αv v v v γ α m v γ + αmγ v v v Tehát d.e. következő: n :, I : Ω : R, fx, y : γ Ω, τ :, ξ : v. + α mγ y x I, y. Szeprábilis d.e. Válsszuk speciálisn n : ; I, Ω R nyílt intervllum, g : I R, h : Ω R, / R h, g, f C, fx, y gx hx x I, y Ω. Ekkor 3 következő képpen lkul: ϕ x gxhϕx x D ϕ ϕ x hϕx gx x D ϕ Legyen H : Ω R, H D, H h létezik ilyen és G : I R, G D, G g. Ekkor H ϕ x G x x D ϕ c R : Hϕx Gx c x D ϕ.

H ϕτ ξ, kkor c Hξ Gτ, zz b Például rkétás feldt: Hϕx Gx + Hξ Gτ x D ϕ 5 gx : γ x D ϕ hy : + α mγ y, ekkor ez feldt egy szeprábilis d.e.. Létezik primitív függvény: Gx : γx x R Tehát H y + α mγ y + α mγ y Hy : mγ α α rctg mγ y mγ α mγ α α rctg mγ vx γx + α rctg mγ v. Például: h τ ideig emelkedik rkét, kkor vτ, így z előbbi egyenlőségben x : τ esetén mγ α γτ + α rctg mγ v. c Vn-e megoldás? 5 implicit függvény egyenlet. Alklmzzuk z implicit függvény tételt következő képpen: Legyen F x, y : Hy Gx Hξ + Gτ x I, y Ω 6 Ekkor F C, F τ, ξ, F ξ H ξ hξ. Ekkor z implicit függvény tétel szerint 6-nk létezik ψ implicit függvény megoldás, zz: Tehát ψ megoldás k.é.p.-nk. F x, ψx x Kτ, ψt ξ, ψ x F x, ψx F x, ψx gx hψx gxhψx. 3. Egzkt d.e. Válsszuk speciálisn n :, I, Ω R nyílt intervllum, g, h : I Ω R, g, h C, / R h, F : I Ω R, F D, grd F g h, f : g h. Ekkor 3 következő képpen lkul: ϕ gx, ϕx x hx, ϕx gx, ϕx + hx, ϕxϕ x x D ϕ 7 Legyen Φx : F x, ϕx x D ϕ, ekkor zz F x, ϕx c x D ϕ. 7 Φ x x D ϕ c R : Φx c x D ϕ H ϕτ ξ, kkor F x, ϕx F τ, ξ x D ϕ. Vn megoldás: hf. 3

EA 8-9-9. Tehát és grd F g mitt ϕ gx, ϕx x hx, ϕx x D ϕ h F g ; F h, zz g, h D F D. De ekkor Young-tétel F F g h.. Tfel: g, h C, ekkor g h C ; ill D g D h I Ω csillgtrtomány és g g h g h h szimmetrikus, így csillgtrtományr vontkozó tétel szerint g függvénye: grd F g h. h -nk vn primitív 3. H f : g h, kkor m : I Ω R\ {}, m C esetén f g m h m és g h, de g m h m lehet. 4. HF: Minden szeprábilis d.e. egzkt. 5. Lineáris d.e. Válsszuk speciálisn n :, I R nyílt intervllum, Ω : R, g, h : I R, g, h C és fx, y : gx y + hx x I, y R ekkor 3 következő képpen lkul: ϕ x gx ϕx + hx x D g. Legyen G D : G g és ϕ x : e Gx x I ekkor ϕ D és ϕ x egx Gx gx ϕ x x I, továbbá Homogén lineáris d.e.. Állítás: M h {c ϕ : c R}. Proof. i. ii. H ψ M h, kkor ϕ M h : { ϕ : I R : ϕ D, ϕ g ϕ }. c ϕ c ϕ c g ϕ g c ϕ c ϕ M h. Tehát c R : ψ ψ ϕ ψϕ ϕ ϕ ψ ϕ c, zz ψ cϕ. gψϕ ψgϕ ϕ M h egy dimenziós vektortér. b Állítás: l : I R, l D : l ϕ g l ϕ + h, zz Inhomogén lineáris d.e.. lϕ M : { ϕ : I R : ϕ D, ϕ g ϕ + h }. 4

Proof. l ϕ l ϕ + lϕ g l ϕ + h l ϕ + l g ϕ g l ϕ + h Ekkor l h ϕ, zz ˆ l h ϕ Megjegyzés i. Az állndók vriálás. ii. lϕ : prtikuláris megoldás. c Állítás: ψ M : M ψ + M h. Proof. i. ii. így ψ + ϕ M. így θ ψ M h. ϕ M h : ψ + ϕ ψ + ϕ g ψ + h + g ϕ g ψ + ϕ θ M : θ ψ θ ψ gθ + h gψ + h g θ ψ i. H τ I, ξ R, ϕτ ξ. Ekkor ϕ l ϕ + c ϕ, hol ξ lτϕ τ + cϕ τ, így ii. Legyen l h ϕ, pl.: lx : x τ c ξ lτϕ τ. ϕ τ Gx : x τ g x I, ekkor Gτ ϕ τ. Ekkor c ξ, zz iii. Rdioktív bomlás: homogén lineáris d.e.: h ϕ ϕx lx + ξ ϕ x ˆ x ξ + τ x I, ekkor lτ, ill G g, pl.: hte x τ gydy dt ˆ x ht ξ + τ ϕ t dt e Gx m αm m m fenti jelölésekkel: g α, τ :, ξ : m. Ekkor Gt αt t R ϕ t e αt t R x e τ gydy mt c e αt t R, hol m m c H T > : mt m m e αt, ekkor e αt, így T ln α. x I. mt m e αt t R. 5

6. Egzisztenci: < n N, I R nyílt intervllum, Ω R n trtomány, f : I Ω R n, f C, τ I, ξ Ω, ϕ x fx, ϕx x D ϕ ϕτ ξ. Lipschitz feltétel: Q Ω kompkt hlmzr L : fx, y fx, z L y z x I, y, z Q. Tétel: Picrd-Lindelöf: ekkor létezik megoldás. Belátjuk: ϕ x : ξ, ϕ k+ x ξ + ˆ x hol k N, x τ < δ lklms δ >. Ekkor τ ft, ϕ k tdt, ϕx lim ϕ k x x τ < δ. 3 EA 8-9-6. Emlékeztető: f : I Ω R n, f C, f eleget tesz Lipschitz-feltételnek, h Q R, Q kompkt, L : fx, y fx, z L y z x I, y, z Q. Pl.: Lineáris d.e. fx, y gxy + hx x I, y R. Ekkor fx, y fx, z gx y z sup R g y z x I, y, z R. H sup R g < +, kkor igz globális Lipschitz-feltétel. b ϕ y ; y, kkor nem teljesül Lipschitz-feltétel.. Tétel Unicitás: Lipschitz-feltétel ϕτ ξ k.é.p. esetén ϕ, ϕ megoldásr: ϕ x ϕ x x D ϕ D ϕ. D ϕ D ϕ egy τ-t trtlmzó nyílt intervllum. b Legyen J : ϕ megoldás D ϕ, ekkor J τ-t trtlmzó nyílt intervllum. Legyen Φ : J Ω : Φx : ϕx x J, ϕ megoldás. Φ definíciój korrekt. Φ D, ϕ megoldás esetén ϕ Φ Dϕ. c Φ z ún. teljes megoldás. 6

d A ϕ x fx, ϕx x D ϕ, ϕτ ξ k.é.p. egyértelműen oldhtó meg, h megoldhtó és ϕ, ϕ megoldásr ϕ x ϕ x x D ϕ D ϕ. e Lipschitz-feltétel minden k.é.p. egyértelműen oldhtó meg. f Pl.: ϕ y ; ϕ nem egyértelműen oldhtó meg. 3. Lineáris differenciál egyenlet rendszer d.e.r. n N, I R nyílt intervllum, Ω : R n K n, ik : I R, ik C i, k,..., n, b : I R n, b C, illetve A : ik n i,k : I Rn n és fx, y : Ax y + bx x I, y R n K n. n : lásd lin. d.e. b n : ϕ x Ax y + bx x D ϕ, zz ϕ ϕ,..., ϕ n esetén n ϕ ix ik x ϕ k x + b i x k b b,... b n, x D ϕ, i,..., n. c Pl.: n : és d A lin. d.e.r. homogén, h b. Megoldás: Tétel: i. M h n-dimenziós lineáris tér. ii. ψ M h : M ψ + M h. ϕ x ϕ x + ϕ x + e x ϕ x 3ϕ x + ϕ x x D ϕ. M h : { ϕ : I K n : ϕ D ϕ Aϕ } M : { ϕ : I K n : ϕ D ϕ Aϕ + b } b Tfel: ϕ,..., ϕ n M h bázis lprendszer. Tétel: g,..., g n : I K, g,..., g n D, hogy ψ : n g k ϕ k M. k i. Tehát ii. { n M h c k ϕ k k : c,..., c k K } Φ : [ ] ϕ,..., ϕ n : I K n n [ ] Φ : ϕ,..., ϕ n : I K n n. Ekkor M h {Φc : c K n }. Nevezzük Φ-t lpmátrixnk. HF: Φ A Φ. 7

iii. Legyen G : g,..., g n, ekkor ψ Φg M h Φg Φ g + Φg A Φg + b Φ g + b Φg b. c Alpmátrix előállítás Csk kkor, h i, k,..., n : ik állndó fv, zz A : ik n i,k Rn n és λ T K n n : T AT... λ n λ,..., λ n K. Tfel T [t,..., t n ], ekkor t,..., t n z A mátrix lineárisn független sjátvektori és At k λ k t k k,..., n, zz λ,..., λ n sjátvektorok. Tétel: A ϕ k x : e λkx t k x I, k,..., n lprendszert lkotnk. α β d Az n eset: α, β, γ, δ R, A R γ δ, A nem digonlizálhtó, kkor β + δ > és λ λ, zz α λ γ β δ λ λ λ + δ λ + αδ βγ ekkor diszkrimináns α + δ 4αδ + 4βγ α δ + 4βγ. Ekkor λ α + δ. Tétel: t, t R, t, t lineárisn függetlenek, At λt, At λt + t. Biz: HF. Tétel: ϕ x : e λx t, ϕ x : e λx t + xt x I lprendszert lkotnk. Biz: HF.. 4 EA 8--3. Emlékeztető: Egy feldt. ϕ x ϕ x + ϕ x + e x ϕ x 3ϕ x + ϕ x továbbá A :, bx e 3 x x R. Megoldás: λ 3 λ λ 3λ 4. A két sjátérték λ 4 és λ. A mátrix digonlizálhtó. Legyen t u sjátvek- v tor, zz λ 4 esetén: At u + v λt 3u + v u + v 4u v 3u, 8

legyen például t : λ esetén. 3 legyen például t :. Tehát z lprendszer: u + v u v u, e λx t e 4x e 4x 3 3e 4x e λx t e x e x e x Ekkor e 4x e Φx x 3e 4x e x M h { Φc : c K } { e 4x + e x 3e 4x e x A prtikuláris megoldás Φg, hol g g Ekkor két egyenletet összedv Egy ilyen g : 5 e 3x, miből } : c, c K, x R. g D Φg b, zz e 4x g x + e x g x e x 3e 4x g x e x g x 5e 4x g x e x g x 5 e 3x. 5 ex + e x g x : 3 ex x R. Ekkor ϕ Φ c + Φ g, hol c K. A többi hf 3. Mgsbb rendű lineáris d.e.: Legyen I R nyílt intervllum, < n N, k : I R, k C k,..., n, c : I R, c C.Keressük ϕ : I K függvényt, hogy D ϕ nyílt intervllum, 8 ϕ D n 9 n ϕ n x + k xϕ k x cx. n esetén ez lineáris d.e. b Pl: rezgések esete: mϕ F αϕ βϕ α >, β > ekkor c H még τ I, ξ,..., ξ n K és kkor k.é.p. k ϕ + α m ϕ + α m ϕ F m. τ D ϕ és ϕ k τ ξ k k,..., n 9

Legyen ϕ megoldás, Tϕ : ϕ ϕ ϕ n : D ϕ K vektorfüggvény, Tϕ D, b : c : I R n, b C és Tétel: A :..... n n : I R n n. H ϕ megoldás, kkor Tϕ ATϕ + b. b H ψ ψ ψ n D, ψ Aψ + b, kkor ϕ : ψ megoldás. Biz Hf b Átviteli elv. c H ϕ k τ ξ k k,..., n kezdeti feltétel esetén Tϕτ ξ ξ n. d Legyen { } n ϕ,..., ϕ k M h : ϕ : I K : ϕ D n ϕ n + k ϕ k k N. Ekkor ϕ,..., ϕ k lineárisn független Tϕ,..., Tϕ k lineárisn független, hol z átviteli elv mitt Tϕ j ATϕ j j,..., k. e Tehát M h n-dimenziós lineáris tér; ϕ,..., ϕ k M h bázis esetén z lprenszer. Tehát h ismerünk egy lprendszert, kkor z M h ezek lineáris kombinációj, zz { n } M h c k ϕ k : c,..., c K. k k f Tétel: ϕ M : M ϕ + M h. { } n M : ϕ : I K : ϕ D n ϕ n + k ϕ k c. k Proof. Átviteli elvvel. g H ϕ,..., ϕ n lprendszer, kkor Φ : [ ] Tϕ T n lpmátrix -nek. Ekkor g g g n D, hogy Φg prtikuláris megoldás -nek. Tehát venni kell Φg első komponensét: n ϕ ϕ k g k M k Ezt z állndók vriálásánk nevezzük. De: Φg prtikuláris megoldás Φg b n k ϕ j k g k { : j,..., n c : j n. 3

h 3 determinánsát Wronski-féle determinánsnk nevezzük: Péld: n -ben 3: W x : det Φx ϕ g + ϕ g ϕ g + ϕ g c x I. Alprendszer lőállítás: csk állndó együtthtós esetben. Legyen feldt krkterisztikus polinomj n P x : x n + k x k k és tfh ismerjük gyöktényezős lkját, zz s P x x λ j ν j, j x K, hol λ j -k páronként különböző gyökök és ν j λ j multiplicitás. Tétel: I x x k e λ jx j,..., s, k,..., ν j egy lprendszer. Proof. hf i Péld: mϕ F αϕ βϕ, hol β csillpítás nélküli, F x A sin ωx x R hol A >, ω >. Átrendezve kpjuk, hogy ϕ x + α m ϕx A sin ωx. m Csillpítás nélküli, szinuszos kényszerrezgés differenciálegyenlete A krkterisztikus polinomj P x x + α m x + ω, hol ω : α m. A gyökök λ : iω, illetve λ : iω. Tehát z lprendszerünk tétel szerint ϕ x e iω x cos ω x + i sin ω x ϕ x e iω x cos ω x i sin ω x. A rezgéseknél elhgyhtjuk komplex megoldásokt. Így cos ω x, sin ω x x R, lprendszer.. A homogén egyenlet megoldás hlmz z M R h {c cos ω x + c sin ω x : x R, c, c R} {γ sin ω x + δ : x R, γ, δ R}. δ - fázisszög ; ω - frekvenci ; γ - mplitudó Továbbá: i. eset: ω ω : ϕx : q sin ωx x R q R, q ω ω ii. eset: ω ω : A megoldás ϕx : q x cos ωx x R q R. ϕx γ sin ω x + δ + ϕx.

5 EA 8--. Emlékeztető: n N,,..., n R, n P x x n + k x k k s x λ j ν j x K, j ϕ jk x : x k e λ jx x R. Tétel: ϕ jk j,..., s, k,..., ν j lprendszer. Proof. Legyen: λ K, e λ x : e λx x R, h k x : x k x R és dott g : R R esetén g λ : gx + λ x R, m Qx α k x k x K, hol m N, α,..., α m R, α, és Ekkor D Q f : k m α k f k f D m. k Q, R polinom esetén D QR D Q D R, zz D QR f D Q D R f, f D deg QR ; b Q polinom esetén λ K: D Q f e λ e λ D Qλ f. Proof. hf n ϕ n + k ϕ k D P ϕ. k Tehát ϕ jk h k e λj, ekkor D P ϕ jk e λj D Pλj h k. De P x x λ j νj Qx x K, Q polinom. Legyen Sx : x λ j ν j polinom. Tehát D Pλj h k D QSλj h k D Qλj S λj h k D Qλj Dλj h k, hol S λj x Sx + λ j x ν j x K. Tehát D Sλj h k h ν j k D Qλj Dλj h k D Qλj h k Tehát D P h k, zz ϕ jk M h. Függetlenség: Tehát x R: s ν j j k α jk ϕ jk α jk j,..., s, k,..., ν j. ν s j α jk x k e λjx. j A zárójelben lévő kifejezés egy polinom. k Lemm: Tfel: dotk µ,..., µ r K < r N, µ j µ l j l,..., r, P,..., P r polinomok és r k P ke µk. Ekkor k,..., r : P k.

Proof. Teljes indukcióvl. r esetén tivi. r r + : r+ P k e µk P r+ k hol σ k és σ k σ l k l,..., r. r P k e µk µ r+ : k Legyen N : degp r+, ekkor P N r+. Tehát r P k e σk N k r N k j r N k j r N k j N j N j N j r P k e σk, k P j k en j σ k P j k σn j k e σk P j k σn j k e σk. A zárójelben egy polinom vn legyen Q k. Az indukciós feltevésből következik, hogy Q k. Legyen P k α m α l x l x K, hol m N, α m. Ekkor Q k főegyütthtój σ N k α m, de σ k, tehát α m. l Q k következő együtthtój σk Nα m k + m α m N σ N k, miből α m. És így tovább kpjuk, hogy P k.. Kvázi polinom jobboldl: λ K, r N, hol λ P krkterisztikus polinomnk r-szeres gyöke. Ekkor P x x λ r Qx, hol Q polinom x K, illetve legyen R polinom és cx Rxe λx x R, zz c Re λ. Tétel: Ekkor T polinom: deg T deg R és ϕx x r T x e λx x R prtikuláris megoldás. Proof. Tehát ϕ h r T e λ megoldás D P h r T e λ c R e λ e λ D Pλ h r T R e λ zz D Pλ h r T R, hol P λ x P x + λ x r Qx + λ x K. Ekkor P λ h r Q λ, zz R D Pλ h r T D hrq λ h r T D Qλ D hr h r T D Qλ h r T r, hol legyen Rx : m k α kx k és T x : m k β kx k, ekkor h r T x m β k x k+r β m x m+r + β m x m+r +... k 3

továbbá h r T r x β m m + r m + r... m + x m +... x m +... így D Qλ h r T r x β m m + r... m + Q λ x m +... x m + Rx λ m x m +... x m +... Ekkor β m m + r... m + Qλ λ m β m α m m + r... m + Qλ. 6 EA 8--7. Emlékeztető ϕ jk x : x k e λ jx x R, j,..., s, k,..., ν j. Ekkor ϕ M h,!α jk K x R, j,..., s, k,..., ν j :. Vlós megoldások: ϕ s ν j j k j,..., s : λ j R esetén ϕ jk : R R, zz α jk ϕ jk. α jk R j,..., s, k,..., ν j : s ν j j k α jk ϕ jk : I R. Proof. hf b Tfh j,..., s : λ j : λ C\R. Ekkor λ is gyöke és multiplicitás megegyezik λ multiplicitásávl. Legyen ez utóbbi ν. Tehát ϕ jk x x k e ϕ jx. Ill λ u + iv u, v R. Ekkor x k e λ jk x k e ux e ivx x k e ux cos vx + ix k e ux sin vx. Illetve ϕ jk x xk e λ jx x k e ux e ivx x k e ux cos vx + ix k e ux sin vx. Ekkor ϕ M h esetén ϕx s l l j, j s l l j, j ν l k + ν l k ν j α lk ϕ lk x + ν j k ν j + k α jk x k e ux cos vx + sin vx + α jk xk e ux cos vx i sin vx ν j α lk ϕ lk x + k k x k e ux cos vx α jk α jk x k e ux cos vx α jk + α jk + 4

De α jk + α jk R és α jk α jk Tehát h minden nem vlós gyök esetén } x k e λx x k e ux cos vx, x k e ux sin vx x k e λx helyettesítéssel vlós lprendszert kepunk. 3. Tétel: Picrd-Lindelöf Proof. ϕ x fx, ϕx x D ϕ ϕτ ξ ϕx ξ + ˆ x τ ft, ϕtdt. Legyen δ >, r > :[τ δ, τ + δ] : J I. K r ξ Ω és X : ϱψ, ψ { : mx ψx ψx } : x J Ekkor ϱ metrik. és X, ϱ egy teljes metrikus tér ld később. R, h α jk α jk. { } ψ : J K r ξ, ψ C. ψ, ψ X. Legyen T: X X, hol Tψx : ξ + x τ ft, ψtdt x J, ψ X. Igz-e, hogy Tψ benne vn X-ben? Azz Tψx ξ < r. { } Legyen M : mx fx, y : x J, y K r ξ. Ekkor h Mδ r, mi biztosíthtó. Tψx ξ ˆ x τ ft, ψtdt M x τ M δ r, Igz-e, hogy T kontrkció? ϱtψ, T ψ { mx Tψx T ψx } : x J { ˆ x } mx ft, ψt ft, ψtdt : x J τ { ˆ x mx ft, ψt ft, ψt } dt : x J τ { ˆ x mx L ψt ψt } dt : x J τ L δ ϱψ, ψ Ahol -bn kihsználtuk Lipschitz -feltételt. H L δ <, kkor Tkontrkció. HF biztosíthtó. Tehát fixpont-tétel mitt!ψ X : Tψ ψ, zz x J : ξ + x τ ft, ψtdt. Ekkor ϕx : ψx x τ < δ megoldás. 5

ψ ξ és ψ n+ x Tψ n x ξ + ˆ x τ ft, ψtdt. Ekkor ϱψ, ψ n, illetve lim ψ n x ψx x J. Szukcesszív pproximáció. b H Ω R n és α, β R: fx, y < α y + β x I, y Ω, kkor k.é.p.-nk megoldás I-n. BNK. 4. Egyértelműség Peno-lemm: legyen I R intervllum, w : I [, +, w C, τ I, A, B és wx A x τ w + B x I. Ekkor wx Be A x τ x I. Proof. Tekintsük következő függvényt: F : e Ax τ ˆ x τ w I x τ. Ekkor F D és ˆ x F x Ae Ax τ w + e Ax τ wx τ ˆ x Ae Ax τ w + Ae Ax τ A Be Ax τ BA e Ax τ τ ˆ x τ w + B Ekkor F x + B A e Ax τ, zz zárójelben lévő függvény monoton fogy, ekkor x τ-bn ngyobb, mint x-ben B A e Ax τ ˆ x τ w + B A e Ax τ Mindkét oldlt Ae +Ax τ -vl megszorozv kpjuk, hogy Be +Ax τ A I x < τ esetén nlóg módon. Peno Unicitás. Proof. Hf ˆ x τ w + B wx. 7 EA 8--8. Lineáris d.e.r. I R nyílt intervllum, < n N, ik : I R, ik C i, k,..., n; A : ik : I R n n, b : I R n, b C. Ekkor ϕ x Axψx + bx x D ϕ. Tehát fx, y Axy + bx x I, y R n. Ekkor x I, x, z R n esetén fx, y fx, z Axy z Ax y z, 6

hol H J I kompkt intervllum, kkor Ekkor x J : Ax n ik x. i,k i, k,..., n, M ik R : ik x M ik x J. Ax Következik, hogy x J, y, z R n esetén n Mik : M J. i,k fx, y fx, z M J y z Lipschitz-feltételt kpjuk. Ekkor τ int J, ξ R n esetén ϕ x Axϕx x D ϕ k.é.p. egyértelműen megoldhtó. zz fx, y Axy + bx Axx + bx M y + mx { bx : x J} : M y + B J < +, fx, y M y + B J x J, y R n. ϕτ ξ 4 Ekkor 4-nek vn olyn megoldás ϕ, hogy D ϕ int J. b τ I, ξ R n esetén ϕ x Axϕx + bx x D ϕ, ϕτ ξ k.é.p. egyértelműen megoldhtó és teljes megoldásr ϕ D ϕ I. c M h {ϕ : I K n : ϕ D, ϕ Aϕ}. d Tétel: M h n-dimenziós tér. Proof. M h lineáris tér. trivi. Lemm: ϕ,..., ϕ s M h s N esetén ϕ,..., ϕ s összefüggő τ I: ϕ τ,..., ϕ s τ K összefüggő. Ebből következik, hogy dim M h n. Proof. : trivi : s k α kϕ k τ és s k α k >. Ekkor s ϕ : α k ϕ k M h, k zz ϕ Aϕ ; ϕτ ξ k.é.p.. Legyen ϕ megoldás. De ϕ is megoldás. Ekkor z unicitás tételből következik, hogy ϕ ϕ, zz ϕ k összefüggnek. Legyenek e i R n i,..., n lineárisn függetlenek és i,..., n, ϕ i M h : ĭ ϕ i Aϕ i ϕ i τ ξ. Ekkor ϕ τ,..., ϕ n τ lineárisn függetlenek, így ϕ,..., ϕ n is lineárisn függetlenek, miből dim M h n dim M h n. 7

Függvénysoroztok, függvénysorok. Tfh: A, f n n N függvény, n N : D fn A. Ekkor f n függvénysorozt. Példák: A : R, f n x : x n x R, n N. b A : R, n R n N, b n R < n N. f, f n x n cos nx + b n sin nx < n N, x R. c ld Picrd-Lindelöf ψ : ξ, ψ n+ x : ξ + x τ ft, ψ ntdt. Legyen X lineáris tér, f n : A X n N és n fn : f k függvénysor. Illetve részletösszegfüggvény. Példák: S n : k n f k n N A : K, n, K n N, f n x : n x n x K, n N. Legyen n x n : f n k x N, x τ δ. htványsor, és S n polinom. b f n x : x n x K, n N, ekkor S n x n x k k c n R n N, b n R < n N, f, { n + : n x n+ x : n n N. f n x n cos nx + b n sin nx < n N, x R. Ekkor n cos nx + b n sin nx : f n trigonometrikus sor és S n trigonometrikus polinom. d Ld c c, c n : n ib n < n N és cn z n + n ib n e inx ze ix x R + n cos nx + b n sin nx + i n cos nx + b n sin nx. Az összeg első fele trigonometrkus sor, míg második konjugált trigonometrikus sor. e Speciálisn f R[, π] : π n π b n π ˆ π ˆ π ˆ π f fx cos nx dx fx sin nx dx Ekkor Sf : n cos nx + b n sin nx z f függvény Fourier-sor; n, b n z f függvény Fourier-együtthtói; S n f : S n z f függvény Fourier-részletösszeg függvénye. 8

Legyen g : R R, g π szerint periodikus és f : g R[, π], ill Sg : Sf. [,π] b Legyen g : π x x π és g π szerint periodikus. π n π ˆ π ˆ π g. gx cos nx dx ui: gx pártln, cos nx páros, szorztuk pártln. n N esetén b n π Tehát Sg sin nx n. c Tehát f R[, π], ˆ π π S n fx ˆ π π + π π π ˆ π ˆ π π x sin nx dx π [ x cos nx ] π + n n ftdt + ˆ π ˆ π ˆ π x sin nx dx cos nx dx n. n ˆ π ft cos kt dt cos kx + n k ft sin kt dt sin kt cos kt cos kx + sin kt sin kx dt n ft + k n ft + cos kx t dt. k Legyen D n z : + n k cos kz z R. Ekkor S n fx π ˆ π ftd n x tdt, d hol D n Dirichlet-féle mgfüggvény. n + : z D n z : < z < π. sinn+ z z sin z 9

Proof. z sin z D nz sin z n + sin z cos z k sin z n + sin z + z sin k z k sin z + sin n + z sin z sin n + z. e sin n + z z sin z : n + z π lim D n z z Tehát S n fx π ˆ π ft sin n + sin x t x t dt. 8 EA 8--7. Konvergenci: f n : A X n N, hol X, ϱ metrikus tér. x A : f n x konvergens-e? H igen, kkor f n konvergens-e x-ben? Legyen D fn:{x A : f n x-ben konvergens}, h D fn, kkor fx : lim f n x x D fn. Ekkor f : D fn X z f n htárfüggvénye. Jelölés: limf n : f. Példák: A : R, X : R, ϱ :., f n x : x n n N, x R, ekkor D fn, ] és { : x fx : x <. b A : R, X, ϱ ld, f n x : x + n n N, x R, ekkor Dfn R és fx x x R, c Hf: A : C, X : C, ϱ :., f n x x n n N, x C esetén D fn?, f?.. Tfh: X,. normált tér. f n : A X n N, ekkor f n n k f k. H D P f n, kkor n f n : lim f n f n függvénysor összegfüggvénye, zz x D P f n esetén n f n x lim f k x f k x. Példák: n A : R, X : R,. :., f n x : x n n N, x R, ekkor D P f n,, n n f n x x n x <. x k k k k

b A : K, X : K,. :., n K n N, K, f n x : n x n n N, x K. A f n htványsor. Legyen R konvergencisugár, kkor Cuchy-Hdmrd tétel lefordítás : K R D P f n K R. 3. Állítás: x R esetén k sin kx k R. Proof. x, π esetén trivi. Elég < x < π esetén vizsgálni. Ui: hf. Ekkor < n < m, n, m N: m kn m kn sin kx k sin kx k m sin x sin x sin kx k kn m cos k sin x x cos k + x k kn m cos k x m sin x k kn kn+ cos n x m sin x + cos n kn+ m sin x n + k + k m kn+ sin x n + n m + m n sin x cos k x k k x k k cos m + x m k sin kx k { : x π x : < x < π. b Állítás: n k sin kx k + π n N, x R. Proof. Hsonlón *-hoz < x < π esetén n sin kx k N sin kx k + k k n kn sin kx k hol N N, N < n. Mivel sin α α, ezért n sin kx N k kx k + N sin x. k k,

De sin α > π α α < π sin α < π α, így n k sin kx k Nx + π N + x N tetsz.. Legyen N : [ [ x] Mi vn, h n x]? Hf Ekkor n sin kx [ ] k π x + [ x + π, k x] + x ui x < [ ] x x [ [ x] + x >, illetve x x]. 4. Konvergenci és függvénytuljdonság: Legyen f n : A X függvénysorozt, és tfh D fn és n N esetén f n piros. Igz-e, hogy limf n is piros? b n N esetén Tf n piros. Igz-e, hogy Tf n értelmes és Tf limtf n? Példák: b Legyen x n [, ] n N rcionális számok sorozt, { : x x,..., x n fx x, n N. : különben Ekkor f n R[, ] n N. Ahtárfüggvény f Dirichlet-függvény, mi nem Riemnn integrálhtó. c 9 EA 8--4. Egyenletes konvergenci: A, f n : A K n N, B A. Ekkor f n egyenletesen konvergens B-n, h ε >, N N, m, n N : m, n > N, x B : f m x f n x < ε. 5

Ekkor x B : f n x konvergens, zz B D fn. b Legyen f : limf n, ekkor 5 ε >, N N, n N : n > N, x B : f n x fx < ε. 6 c Tfh x B : f n x konvergens, zz x B, ε >, N N, n N : n > N : f n x fx < ε 7 Tehát 5-ben N nem függ x-től, 7-bn függ x-től. d Példák: i. f n x : x + n x R, < n N. Világos, hogy x R esetén f n x konvergens és lim f n x x, de x >, < n N : f n x x x n + n > x n > h x >. ii. Tehát 5 nem igz, zz f n nem egyenletesen konvergens. f n x : x n x, n N. Ekkro lim f n x x, illetve f n x fx x n x n n x, n N. De lim n, zz ε >, N N, n N : n > N : n < ε, zz x n < ε x. Tehát 5 igz, zz f n egyenletesen konvergens. e Az f n sorozt egyenletesen konvergens, h 5 B A-r igz. f Tfh f n : A K n N, B A. Ekkor f n egyenletesen konvergens m ε >, N N, n, m N : m n > N, x B : f k x < ε. g Állítás: Weierstrss-kritérium Tfh: n n N, n n < + és n N, x B : f n x n. Ekkor f n egyenletesen konvergens B-n. Proof. A fentieket figyelembe véve m m f k x f k x hol zz kn kn m k, kn ε >, N N, m, n N : m n > N : m f k x < ε. kn kn m K < ε, kn 3

h Tfh: n N K n N, b n N K < n N és n + b n < +. k Ekkor + n cos nx + b n sin nx egyenletesen konvergen.. Tétel: Tfh: A K, f n : A K n N és f n C n N, továbbá f n egyenletesen konvergens. Ekkor f : limf n C. Proof. zz A, x A : Tehát n > N esetén ε >, N N, n N : n > N : fx f n x < ε, fx f fx f n x + f n x f n + f n f. fx f < ε + f n x f n. De f n C{}, zz δ >, x A : x < δ: f n x f n < ε, így fx f < 3ε. Tehát f C{} f C. 3. Tétel: f n R[, b] n N, f n egyenletesen konvergens. Ekkor f : limf n R[, b] és ˆ b ˆ b f lim f n. Proof. Legyen I [, b] intervllum, ekkor x, y I, n N: De zz ilyen n-re Ekkor fx fy fx f n x + f n x f n y + f n y fy. ε >, N N, n N : n > N, t [, b] : ft f n t < ε, 8 τ {x,..., x s } [, b] felosztásr fx fy ε + f n x f n y. o I f : sup { fx fy : x, y I} ε + o I f n. ωf, τ s o [xj,x j ]fx j x j j s j ε + o [xj,x j ]f n x j x j εb + ωf n, τ. 4

De τ : ωf n, τ < ε, zz ωf, τ < ɛ + b. Azz f R[, b]. Ugynkkor n N esetén ˆ b ˆ b ˆ b f f n f f n, hol 8 lpján n N : n > N: zz ˆ b f ˆ b ˆ b lim f n f n ε b, ˆ b f. Tfh f n R[, b] n N, f n egyenletesen konvergens. Ekkor ˆ b f n b Péld: f n x : x n x, n N. Ekkor n f n x x n x, n N, n hol n n < + konvergens. Tehát lásd Weierstrss-kritérium fn egyenletesen konvergens. zz ˆ / x n dx n ˆ / n n ˆ b f n. x dx [ ln x] / ln ˆ / n x n dx [ x n+ n ln. nn n + ]/ n n n, c Tfh f n egyenletesen konvergens, g : A K, g korlátos. Ekkor hf f n egyenletesen konvergens. d Tfh: + n cos nx + b n sin nx egyenletesen konvergens. fx : + n cos nx + b n sin nx x R. n Ekkor zz ˆ π f ˆ π + ˆ π ˆ π n cos nx dx + b n n ˆ π f, π sin nx dx π, 5

illetve < j N esetén: ˆ π ˆ π ˆ π ˆ π fx cos jx dx cos jx dx + n cos nx cos jx dx + b n n π j, ugynis π cos jx dx ; π cos nx cos jx dx miért? hf. Tehát ugynígy j π b k π ˆ π ˆ π fx cos jx dx fx sin kx dx. { : n j π : n j ; π sin nx cos jx dx Megkptuk z f Fourier együtthtóit. Tehát + n cos nx + b n sin nx egyenletesen konvergens trigonometrikus sor megegyezik z összegfüggvény összegfüggvény Fourier-sorávl. e Tfh: f C π és Sf egyenletesen konvergens. Legyen g Fourier-sor összegfüggvénye. Ekkor f és g Fourier-együtthtói megegyeznek, zz: sin nx cos jx dx ˆ π f ˆ π g, π π Kérdés: igz-e, hogy f g? Átfoglmzv: h h C π, ˆ π fx cos nx dx ˆ π gx cos nx dx π π n N. ˆ π h ˆ π hx cos nx dx ˆ π hx sin nx dx π π π n N, kkor igz-e, hogy h? EA 8--. Tétel: A trigonometrikus rendszer teljes C π -re nézve. Azz Tfh h C π és n N esetén Ekkor h. Proof. Minden ˆ π π h gx : ˆ π π hx cos nx dx ˆ π π hx sin nx dx. N α n cos nx + β n sin nx x R, N N n esetén igz, hogy π π h g. Indirekt: Tfh h, zz R: h. Feltehető h.f., hogy és < δ < π : hx > x < δ. Legyen T x : cos δ + cos x x R esetén HF n N : polinom. T n egy trigonometrikus 6

Legyen δ < < π esetén n N mellett: ˆ π ˆ ˆ δ h T n h T n + h T n + π De h T n, így π ˆ π ˆ π h T n h T n ˆ δ ˆ δ δ δ h T n δ, zz ˆ δ h T n + δ ˆ δ h T n + h T n + δ ˆ δ ˆ δ h T n δ ˆ π h T n + ˆ h T n δ ˆ δ h T n δ h δ h q n π > h T n ˆ π h T n h T n ˆ π h T n ui: δ h T n δ h, illetve szimmetrii okokból δ h T n δ h. Továbbá π h T n π h q n, hol q : mx { T x : < x < π} <, illetve ugynígy π h T n π h q n. Kellően közel válsztv -t δ-hoz h. δ < δ. Ekkor > δ δ h πq n. De lklms n-re: h πq n < δ, ugynis lim qn. Tehát π π h T n, mi ellentmondás. Tehát, h f c π és Sf egyenletesen konvergens, kkor fx + n cos nx + b n sin nx x R. n b Pl: f C π, fx : x π x π. Ekkor f páros függvény, zz b n n,,..., illetve ˆ π x π dx [ x π 3 π π 3 π 3 π 3 π 3. ] π 7

n N : ˆ π n x π cos nx dx π [x π ] π sin nx π n n [ ] x π cos nx π + πn n n πn π 4 n. ˆ π x π sin nx dx ˆ π cos nx dx Mivel n < +, ezért n n n < +. Tehát ld. Weierstrss-kritérium Sf egyenletesen konvergens és Speciálisn x esetén x π π 3 + 4 n π π + 4 n c Tfh f C π C. Ekkor n N : ˆ π n cos nx n n fx cos nx dx π [fx ] sin nx π π n n [ f ] x cos nx π + πn n n n πn πn ˆ π ˆ π f x cos nx dx f x dx : c n ˆ π x π. n n π 6. f x sin nx dx ˆ π f x cos nx dx Ugynígy b n c. Tehát h n n n + b n < +, kkor Sf egyenletesen konvergens és fx + n cos nx + b n sin nx x R. n d Hf c-ben elég h f C π és f C. [,π] e Legyen f, g C π. f, g : π f g. Ekkor C π,.,. euklideszi tér. Továbbá ϕ n C π n N és ϕ n ortonormált rendszer ONR. { : n k ϕ n, ϕ k k, n N : n k H f C π, kkor f : π f, f f. Ekkor Állítás: Bessel n N esetén f C π : { } n min f n α k ϕ k : α,..., α n R f k k ˆfkϕ k f n ˆfk, k 8

hol ˆfk : f, ϕ k k N. Proof. hf. n f n α k ϕ k f k k ˆfkϕ k + n ˆfk α k. k f ˆfk z f k-dik Fourier-együtthtój, és z Fourier-sor. g Pl: Legyen ϕ k π, π cos x, Sf ˆfkϕk π sin x,..., π cos nx, sin nx,... π egy ONR, zz f C π : ˆfk π, π, πb,..., π n, πb n,... h Bessel-egyenlőtlenség: f C π, n N: f n k ˆfk, zz ˆfk f. k i Riemnn-Lebesgue-lemm: f C π : lim ˆfk. EA 8--8. Emlékeztető: ϕ n C π n N ONR: ϕ n, ϕ m C π. b Bessel-egyenlőtlenség f C π, ˆf : { : n m : n m m, n N, hol f, g : π fg f, g ˆfn, hol ˆfn : π f ϕ n n N. Ekkor ˆfn f n c Prsevl-egyenlőség H f S n n, zz f ˆfnϕn n és egyenletesen konvergál, kkor ˆfn ˆ π f f. n ˆ π f. 9

. Speciálisn: ϕ k π, π cos x, π sin x,..., π cos nx, sin nx,... π x R Ekkor Bessel, Prsevl ˆf π, π, πb,..., π n, πb n,... π + π ˆ π n + b n f. Ekkor Bessel egyenlőtlenség trigonometrikus lkj következő: Komplex ritmetik: + n n ˆ n + b π n f f C π. π Ekkor n N: cos nx einx + e inx sin nx einx e inx Legyen Ekkor n N: Ekkor n ˆ π π b n πi fx cos nx dx ˆ π c n c n n + b n 4 ˆ π ˆ π fxe inx dx + fxe inx dx ˆ π c k : ˆ π fxe ikx dx k Z π c ˆ π f, π fxe inx dx fxe inx dx n c n + c n ib n c n c c n + ib n n n c n n ib n k c k n ekkor trigonometrikus Bessel-egyenlőtlenségből következik k c k ˆ π f. π n + b n +, 3

3. Deriválás: Legyen I R vlódi intervllum; f n : I R, f n D n N. Ekkor Tétel: x I: f n x konvergens és J I korlátos intervllumrf n egyenletesen konvergens J-n. Ekkor J I korlátos intervllum esetén f n egyenletesen konvergens J-n és limf n D és limf n limf n. Proof. Legyen J I korlátos intervllum és x J. Ekkor x J, m, n N: f m x f n x f m x f m x + f m x fx + fx f n x De z egyenletes konvergenci mitt f m f n x f m f n x + f m x f n x f m f n ξ x x + f m x f n x J f mξ f nξ + f m x f n x ε >, N N, m, n N : m, n > N : f mt f nt < ε t J és f m x f n x < ε, zz f m x f n x < ε. Tehát f n egyenletsen konvergens J-n. Legyen f : limf n és x I, J I korlátos intervllum, x, x J és n N: φ n t : { fnt f nx t x f nx : J t x : t x Ekkor φ n C ui lim x φ n φ n x., továbbá φ n egyenletesen konvergens J-n hf z előbbi nlógiáján. Ekkor φ : lim φ n esetén φ C. De Ekkor lim x φt : { ft fx t x lim f nx φ φx lim f nx lim t x ft fx t x : J t x : t x f D{x} és f x lim f nx. 4. Állítás: Hf f n D, limf n x x / D{} k f n x : x + n+ x R, n N. sin kx k x R. π x < x < π. Proof. Emlékeztető: H < x < π, m, n N, n < m, kkor m sin kx k n sin x. k Tehát 3

zz m kn sin kx k sin δ n, ε >, N N, N < n < m, x [δ, π δ] : zz sin kx k egyenletesen konvergens [δ, π δ]-n. m kn sin kx k < ε, x π π 3 + 4 sor egyenletesen konvergen. H tgonként deriváljuk, kkor 4 [δ, π δ]-n, ekkor z előző tétel lpján n n cos nx n x [, π] sin nx n -t kpjuk, mi egyenletesen konvergens x π x π 4 n sin nx n δ x π δ Amiből n sin nx n π x. 5. Rezgőhúr lásd köv elődáson részletesen EA 8--5. Rezgőhúr: Euler,D Almbert,Bernoulli Legyen U xx q U tt, hol u, t ul, t peremfeltételek ux, fx kezdeti feltételek u t x, gx x l Tfh: ux, t GxHt, zz G x Ht q GxH t. Ekkor λ R: G λg és H λ q H. A krkterisztikus polinom: z λ z λ. eset: λ > : Gx αe λx + βe λx α, β R ux, t α λx e + β e λx Ht 3

u, t α + β Ht ul, t α λl e + β e λl Ht Ekkor α + β α e λl + β e λl β α helyettesítéssel Egyrészről vgy α λl e + e λl α ; β G u e λl e λl e λl λl, mi nem igz. b eset: λ : ekkor Gx α + βx. hf u. c eset: λ < : Legyen z : ±i λ. Ekkor λx λx Gx α cos + β sin, hol G α Gl β sin λx. A β nem jó, mert kkor G lenne, tehát sin λx. Ekkor Tehát illetve továbbá λl nπ n N λ nπ l nπ G n x β n sin l x nπ nπ H n t γ n cos ql t + δ n sin ql t u n x, t : G n x H n t. Ekkor N N véges n N u n si kielégíti d.e.-t. Mi vn kezdeti feltételekkel? u n x, fx nπ β n sin l x γ n n N n N t u n x, n N n N β n δ n nπ q l nπ sin l x gx. Tfh ux, t : n u nx, t és u kielégíti d.e.-t, és teljesülnek kezdeti feltételek is, zz u n x, fx ; t u n x, gx Fourier-sorok. n n 33

. A Riemnn-integrál kritikáj: ld lim + b b Folytonosság: i. A R, A -mértékű, h ε > : I n intervllumsorozt, hogy A n I n és n I n < ε. Példák: A. A legfeljebb megszámlálhtó, kkor -mértékű. Ui: A {x j : j N } N N és ε >, kkor I j j N : x j I j és I j < ε. j N H I j < ε j+ I j I j < ε. j N j N B. H A n -mértékű n N, kkor n N A n is -mértékű. C. Q -mértékű. ii. f R R, A R, A D f és H D f, kkor lokális oszcilláció Állítás: f C{} o f. Proof. : o A f : sup { fx fy : x, y A D f }. o f : inf {o I f : I nyílt intervllum}. ε >, δ >, x D f, x < δ : fx f < ε, zz I : δ, + δ x, y I D f : fx fy fx f + f fy < ε o I f ε o f ε o f. : ε >, I nyílt intervllum: I és o I f < ε, zz x I D f : fx f < ε. Tehát f C{}. iii. Lemm Borel: Legyen < < b <, [, b] γ Γ, hol Γ, I γ nyílt intervllum γ Γ. Ekkor Γ Γ, Γ véges : [, b] γ Γ I γ. Proof. Indirekt. Tfh [, b] γ Γ I γ nem ilyen. ábr [, c] nem fedhető le Iγ-vl. És így tovább J n kompkt intervllum, hogy J n+ J n n N, J n+ Jn és J n nem fedhető le véges sok I γ -vl n N-re. Itt J : [, b]. De α n J n és α [, b]. Ekkor γ Γ : α I γ, de J n b n n. Ekkor n N : J n I γ, zz J n -et db I γ lefedi. iv. Tfh f R R és x D f esetén fx piros értelmes. Ekkor fx piros mjdnem mindeütt m.m. x D f, h A R: A -mértékű és x D f \A: fx piros. 34

3 EA 8--. Tétel: Lebesgue Tfh f : [, b] R, f korlátos. Ekkor f R[, b] f C{x} m.m. x [, b]. Proof. : {x [, b] : f / C{x}} { } x [, b] : o x f > { x [, b] : o x f > } : n + n A n. n Ekkor elegendő bizonytíni, hogy A n -mértékű n N-re. Legyen n N : ε > : τ [, b] felosztás τ {x,..., x s }. ε > ωf, τ s o [xi,x i+ ]f x i+ x i i s i A n x i,x i+ n + o [xi,x i+ ]f x i+ x i s i A n x i,x i+ x i+ x i Legfeljebb véges sok intervllum dódott, jelölje ezeket I j j N. Ekkor ezek z I j intervllumok lefedik z A n hlmzt, kivéve zokt pontjit, melyek z osztási intervllumoknk nem belsejébe esnek, zz A n \τ j N I j, illetve de osztáspontból véges sok vn, így bármilyen kicsi intervllumokkl le tudjuk őket fedni, zz A n τ k Ñ J k, hol Ñ véges, J k intervllum és k Ñ J k < ε. Ekkor A n j N I j k Ñ J k és I j + J k < n + ε + ε n + ε. j N k Ñ : Legyen ε > esetén {x [, b] : f / C{x}} j N I j, hol N N, I j nyílt intervllum j N és j N I j < ε. Továbbá {x [, b] : f C{x}} { } x [, b] : o x f : S Ekkor J x nyílt intervllum, hogy x J x és o Jx f < ε, sőt o Jx f < ε. ábr Ekkor [, b] j N I j J x x S 35

Borel-féle lefedési tétel szerint N N, S S véges hlmzok: [, b]. j N I j x S J x Ezek meghtároznk egy τ {x,..., x N } felosztást. Ekkor ωf, t N i o [xi,x i+ ]f x i+ x i N i [x i,x i+ ] I l vlmely l N o [xi,x i+ ]f x i+ x i + i x i,x i+ J x vlmely x-re o [xi,x i+ ]f x i+ x i De o [xi,x i+ ]f M, hol ft M t [, b]. Ekkor Tehát f R[, b]. Pl: ω f, t M j N N I j + ε x i+ x i < M + b ε. fx : i { : x x : < x. Ekkor f C{x} < x m.m. x [, ] és f R[, ], ui. nem korlátos.. Teljesség: f, g R[, b], ϱf, g : b f g. Ekkor R[, b], ϱ félmetrikus tér, de nem teljes, zz Péld: ábr Indirekt: Tfh ϱf n, f m n, m f R[, b] : ϱf n, f n. f R[, b] : ˆ f n f n Ekkor hf < x <, f C{x} : fx x. Ekkor f nem korlátos. ábr Tehát f n f δ > n > N. 3. Lebesgue-Riesz Frigyes < < b < +, f : [, b] R, τ {x,..., x n } [, b] felosztás és i,..., n : f : λ i konstns. xi,x i+ Ekkor f lépcsős függvény. ˆ b n f : λ i x i+ x i. i A. lemm: Tfh: f n lépcsős függvény, f n+ f n n N és lim f n x m.m. x [, b]. Ekkor ˆ b lim f n. 36

Proof. Legfeljebb megszámlálhtó sok osztópont vn. Ezek -mértékű hlmzt lkotnk. Legyen ez B. Illeteve A [, b]: A -mértékű és x [, b] \A : lim f n x. Ekkor D : A B is -mértékű. Legyen ε > : D j N I j, hol N N, I j nyílt intervllum j N, j N I j < ε. ábr x [, b] \D lim f n x n x N : f nx x < ε Ekkro J x nyílt intervllum: f nx Jx állndó, zz Ekkor t J x : f nx x < ε k N : k n x : f k t < ε t J x. [, b] j N I j x [,b]\d A Borel-féle lefedési tétel mitt N N, E [, b] \D véges hlmzok, hogy [, b] J x. j N I j Ezek meghtároznk egy felosztást τ : {x,..., x s } [, b]. Legyen N : mx {n x Ekkor ˆ b s f n i ˆ xi+ f n f M n N x i f n M j N s i [x i,x i+ ] I j j N x E J x o [xi,x i+ ]f n x i+ x i + s s I j + ε x i+ x i < m + b ε. i : x E}. o [xi,xi+]f n x i+ x i i [x i,x i+ ] J x B. Lemm: f n f n+ n N és b lim f n < +. Ekkor { } b f n : n N korlátos zz b f n mitt BNK b Legyen Ekkor f L : b f ismert. ˆ b lim f n < + m.m. x [, b]. L : {f : [, b] R : f lépcsős} L : {f : [, b] R : f limf n } B. lemm szerint. Ekkor f limf n L : ˆ b ˆ b f : lim f n 37

Ekkor L L és f L : b f b f, hol bloldli L -beli, jobboldli L -beli. és f g h L : L : {f : [, b] R : f g h, g, h L } ˆ b f ˆ b Ekkor L L és f L : b f b f, hol bloldli L -beli, jobboldli L -beli. b c Beláthtó R[, b] L és f R[, b] : f, hol bloldli R[, b]-beli, jobboldli L -beli. d Pl: fx Ekkor f / R[, b], de f L és f. g { : x Q : x / Q ˆ b h. f b x [, ]. 38