Formelsammlung Analysis
Dieser Artikel ist eine Formelsammlung zum Thema Analysis. Es werden mathematische Symbole verwendet, die im Artikel Liste mathematischer Symbole erläutert werden. |
Folgen und Reihen
Arithmetische und geometrische Folgen
Grenzwerte: Definition (Folgen)
- Die Folge heißt Nullfolge, wenn es zu jedem eine Nummer gibt, sodass für alle Folgeglieder mit höherer Nummer, also gilt:
- Eine Folge hat den Grenzwert a, wenn die Folge den Grenzwert 0 hat.
- Folgen ohne Grenzwert heißen divergent.
- Eine Folge heißt beschränkt, wenn es eine Zahl gibt, sodass für alle gilt.
Grenzwertsätze (Folgen)
Hat die Folge den Grenzwert a, die Folge den Grenzwert b, so gilt:
Funktionen (formale Eigenschaften)
Grenzwerte von Funktionen
- [Definition, Eigenschaften, Grenzwertsätze analog]
Regel von de L’Hospital
Sei
Voraussetzungen:
- Es gibt eine Stelle , sodass und entweder Null sind oder bestimmt divergieren
- und sind in einer Umgebung von differenzierbar
- Der Grenzwert existiert.
Dann gilt:
Einseitige Grenzwerte
Die Funktion hat für den Limes , wenn es zu jedem (noch so kleinen) ein gibt, sodass für alle -Werte aus dem Definitionsbereich von , die der Bedingung genügen, auch gilt.
- In diesem Falle nennt man den Grenzwert konvergent.
Stetigkeit
Eine Funktion heißt an einer Stelle stetig, wenn der Grenzwert von für gegen existiert und mit dem Funktionswert übereinstimmt
- Epsilon-Delta-Kriterium: ist stetig in , wenn
zu jedem ein existiert, so dass für alle mit gilt: . - Folgenkriterium: ist stetig in , wenn für jede Folge mit Elementen , die gegen konvergiert, auch gegen konvergiert.
Grundlegendes
- Zwischenwertsatz
- Eine im Intervall () stetige Funktion nimmt jeden Funktionswert zwischen und mindestens einmal an.
Spezialfall: Nullstellensatz
- Eine in stetige Funktion, bei der und verschiedene Vorzeichen haben, hat dort mindestens eine Nullstelle.
- Extremwertsatz
- Eine in einem Intervall stetige Funktion hat dort stets einen größten und einen kleinsten Funktionswert.
- Mittelwertsatz
- Es sei auf dem abgeschlossenen Intervall () stetig und differenzierbar. Dann gibt es mindestens ein , so dass
- gilt.
Differentialrechnung
Differenzierbarkeit: Definitionen
Eine Funktion ist genau dann differenzierbar an einer Stelle ihres Definitionsbereichs, wenn der Grenzwert
existiert. Diesen Grenzwert bezeichnet man als die Ableitung von an der Stelle .
Geometrisches: Tangenten
- Tangentengleichung zu im Punkt
- Normale (Senkrechte)
Ableitungsregeln
- Konstante Funktion
- Faktorregel
- Summenregel
- Produktregel
- Quotientenregel
- Potenzregel
- Kettenregel
- Ableitung der Potenzfunktion
- .
- Leibnizsche Regel
- Die Ableitung -ter Ordnung für ein Produkt aus zwei -fach differenzierbaren Funktionen und ergibt sich aus
- .
- Die hier auftretenden Ausdrücke der Form sind Binomialkoeffizienten.
- Formel von Faà di Bruno
- Diese Formel ermöglicht die geschlossene Darstellung der -ten Ableitung der Komposition zweier -fach differenzierbarer Funktionen. Sie verallgemeinert die Kettenregel auf höhere Ableitungen.
Ableitungen wichtiger Funktionen
Geometrische Anwendungen: Eigenschaften von Kurven (Kurvendiskussion)
Betrachtet wird
Untersuchungsaspekt | Kriterium |
---|---|
Nullstelle | |
Extremwert | |
Minimum | |
Maximum | |
Wendepunkt | |
Sattelpunkt | |
Verhalten im Unendlichen | |
Symmetrie | |
Achsensymmetrie zur Koordinatenachse („gerade“) | |
Punktsymmetrie zum Koordinatenursprung („ungerade“) | |
Monotonie | |
monoton steigend bzw. streng monoton steigend | |
monoton fallend bzw. streng monoton fallend | |
Krümmung | |
Linkskrümmung/Konvexbogen (nach oben offen) | |
Rechtskrümmung/Konkavbogen (nach unten offen) | |
Periodizität |
Gebrochenrationale Funktionen
Funktionsterm:
- Einteilung
- Ist das Nennerpolynom vom Grad 0 (also n = 0 und b0 ≠ 0) und ist nicht das Nullpolynom, so spricht man von einer ganzrationalen oder einer Polynomfunktion.
- Ist n > 0 , so handelt es sich um eine gebrochenrationale Funktion.
- Ist n > 0 und z < n, so handelt es sich um eine echt gebrochenrationale Funktion.
- Ist n > 0 und z ≥ n, so handelt es sich um eine unecht gebrochenrationale Funktion. Sie kann mittels Polynomdivision in eine ganzrationale Funktion und eine echt gebrochenrationale Funktion aufgeteilt werden.
- Definitionsbereich
- Asymptotisches Verhalten: Für strebt
- [falls ] gegen , wobei sgn die Vorzeichenfunktion bezeichnet.
- [falls ] gegen
- [falls ] gegen 0 (die x-Achse)
- Symmetrie
- Sind und beide gerade oder beide ungerade, so ist gerade (symmetrisch zur y-Achse).
- Ist gerade und ungerade, so ist ungerade (punktsymmetrisch zum Ursprung); Gleiches gilt, wenn ungerade und gerade ist.
- Polstellen: heißt Polstelle von , wenn
- Asymptoten: Mittels Polynomdivision von durch erhält man mit Polynomen und , wobei der Grad von kleiner als der von ist. Das asymptotische Verhalten von ist damit durch die ganzrationale Funktion bestimmt:
- x-Achse ist Asymptote:
- waagerechte Asymptote:
- schräge Asymptote:
- ganzrationale Näherungsfunktion
Integralrechnung
Flächenberechnung
Der Flächeninhalt zwischen der x-Achse und dem Graphen der Funktion f(x) im Intervall von a bis b ist
- Andernfalls ist das Intervall durch Bestimmung der Nullstellen in solche Teilintervalle zu zerlegen.
Eigenschaften des bestimmten Integrals
Integralfunktion und Hauptsatz der Differential- und Integralrechnung
- Integralfunktion
- Hauptsatz der Infinitesimalrechnung
- Stammfunktion
- Jede Funktion heißt Stammfunktion von , wenn für alle x des Definitionsbereichs gilt
- Dies bezeichnet der Ausdruck
- Integration
- Ist F irgendeine Stammfunktion von f, so gilt
Spezielle Stammfunktionen
Die Stammfunktionen von sind
Alles weitere siehe Tabelle von Ableitungs- und Stammfunktionen
Integrationsmethoden
Produkt-, Teil- oder partielle Integration
- unbestimmt
- bestimmt
Integration durch Substitution
- unbestimmt
- bestimmt
- Spezialfall: lineare Substitution
- Spezialfall: logarithmische Integration
Volumenbestimmung
- Volumen des Körpers bei Rotation der Fläche zwischen dem Graphen von f und der x-Achse im Intervall [a,b]
- Volumen des Körpers bei Rotation der Fläche zwischen dem Graphen der umkehrbaren Funktion f und der y-Achse im Intervall [a,b]
- Volumen des Körpers, der bei y-Rotation der Fläche, welche durch den Graphen der Funktion f im Intervall [a,b], der x-Achse und den beiden Geraden und begrenzt wird, entsteht
Guldinsche Regeln
- Oberflächeninhalt
- Volumen
- Länge der erzeugenden Linie (Profillinie)
- Flächeninhalt der erzeugenden Fläche
- Radius des Schwerpunktkreises
- Erste Regel
Ausgedrückt in Abhängigkeit von der Funktion f(x) der erzeugenden Linie ergibt sich dies als:
- bei Rotation um die x-Achse
- bei Rotation um die y-Achse
- Zweite Regel
Im Fall der Rotation um die x-Achse einer Fläche zwischen , der x-Achse und den Grenzen und ergibt sich das Volumen ausgedrückt durch mit als Flächenschwerpunkt zu
mit und
Weiteres
- Ist f auf [a,b] stetig, so heißt der Mittelwert der Funktionswerte von f auf
- Länge des Bogens der differenzierbaren Funktion f im Intervall [a,b]:
Näherungsweises Berechnen von Integralen: Numerische Integration
- Zerlegungssummen
- Keplersche Fassregel
- Trapezregel
- Sehnentrapez
- Tangententrapez
- Simpsonregel
Quellen
- Konrad Königsberger: Analysis 1. Springer-Verlag, Berlin u. a., 2004, ISBN 3-540-41282-4.