Uke 2

Vektorrom

Definisjon og aksiomer, eksempler, lineærkombinasjon, spenn og lineær uavhengighet

Vektorrom

Definisjon

Et vektorrom over $\mathbb{R}$ er en mengde $V$ med addisjon og skalarmultiplikasjon som oppfyller 8 aksiomer: lukkethet, assosiativitet, kommutativitet, nullelement $\mathbf{0}$, invers $-v$, identitetsskalering $1\cdot v = v$, og to distributivlover. Over $\mathbb{C}$ brukes komplekse skalarer.

Standard eksempler

Lineærkombinasjon og Spenn

Definisjon

En lineærkombinasjon av $v_1,\ldots,v_k \in V$ er $r_1 v_1 + \cdots + r_k v_k$ med $r_i \in \mathbb{R}$. Spennet:

$$\operatorname{Span}(v_1,\ldots,v_k) = \{r_1 v_1 + \cdots + r_k v_k \mid r_i \in \mathbb{R}\}$$

$\operatorname{Span}(S)$ er alltid et underrom av $V$.

Eksempel

$v_1=(2,1,3)^T$, $v_2=(1,-3,4)^T$ i $\mathbb{R}^3$: $\operatorname{Span}(v_1,v_2)$ er et plan gjennom origo med ligning $13x-5y-7z=0$.

Lineær Uavhengighet

Definisjon

$v_1,\ldots,v_k$ er lineært uavhengige dersom

$$r_1 v_1 + \cdots + r_k v_k = \mathbf{0} \;\Rightarrow\; r_1 = \cdots = r_k = 0.$$

Ellers er de lineært avhengige.

Teorem

I $\mathbb{R}^n$ kan man ha høyst $n$ lineært uavhengige vektorer. Enhver mengde med mer enn $n$ vektorer i $\mathbb{R}^n$ er lineært avhengig.

Uke 3

Basis, Underrom og Lineærtransformasjoner

Basis og dimensjon, underrom, lineærtransformasjoner og matriserom

Underrom

Definisjon

$U \subseteq V$ (ikke-tom) er et underrom dersom $u,v\in U \Rightarrow u+v\in U$ og $u\in U, r\in\mathbb{R} \Rightarrow ru\in U$. $\operatorname{Span}(S)$ er alltid et underrom.

Basis og Dimensjon

Definisjon

$S=\{v_1,\ldots,v_n\}$ er en basis for $V$ dersom $S$ er lineært uavhengig og $\operatorname{Span}(S)=V$. Alle baser har like mange elementer — dimensjonen $\dim V$.

Standardbaser
  • $\mathbb{R}^n$: $\{e_1,\ldots,e_n\}$, standardbasis
  • $\mathbb{P}_n$: $\{1,x,x^2,\ldots,x^n\}$, $\dim\mathbb{P}_n=n+1$
  • $M_{m\times n}$: matrisene $E_{ij}$ (en 1 i posisjon $ij$, null ellers)

Lineærtransformasjoner

Definisjon

$T:V\to W$ er en lineærtransformasjon dersom $T(u+v)=T(u)+T(v)$ og $T(ru)=rT(u)$ for alle $u,v\in V$, $r\in\mathbb{R}$.

Matriserom

For $A\in M_{m\times n}$:

Rangteoremet
$$\operatorname{rank}A + \dim(\operatorname{Nul}A) = n$$

Basis for $\operatorname{Col}A$: pivotkolonnene i $A$. Basis for $\operatorname{Nul}A$: løsningsvektorer for de $n-\operatorname{rank}A$ frie variablene.

Uke 4

Matriserom, Rangteorem og Isomorfi

Kjerne og bilde, injektivitet, surjektivitet, isomorfier, koordinatavbildning og matriserepresentasjon

Kjerne og Bilde

Definisjon

For $T:V\to W$ lineær: $\operatorname{Ker}T=\{v\in V\mid T(v)=\mathbf{0}\}$ (underrom av $V$), $\operatorname{Ran}T=T(V)$ (underrom av $W$).

Rangteoremet for lineærtransformasjoner
$$\dim(\operatorname{Ran}T)+\dim(\operatorname{Ker}T)=\dim V$$

$T$ er injektiv $\iff\operatorname{Ker}T=\{\mathbf{0}\}$. $T$ er surjektiv $\iff\operatorname{Ran}T=W$.

Isomorfi og Koordinatavbildning

Definisjon

$T$ er en isomorfi dersom den er bijektiv (injektiv og surjektiv). Da er $V\cong W$.

Koordinatavbildningen $K:V\to\mathbb{R}^n$ for basis $B_V=\{v_1,\ldots,v_n\}$:

$$K(v)=[v]_{B_V}=\begin{pmatrix}r_1\\\vdots\\r_n\end{pmatrix} \quad\text{der }v=r_1 v_1+\cdots+r_n v_n.$$

$K$ er en isomorfi — ethvert $n$-dimensjonalt $V$ er isomorft med $\mathbb{R}^n$.

Matriserepresentasjon

For $T:V\to W$ med baser $B_V=\{v_1,\ldots,v_n\}$, $B_W=\{w_1,\ldots,w_m\}$:

$$[T(v)]_{B_W}=[T]_{B_W\leftarrow B_V}\cdot[v]_{B_V}$$

Kolonnene i $[T]_{B_W\leftarrow B_V}$ er $[T(v_1)]_{B_W},\ldots,[T(v_n)]_{B_W}$.

Eksempel — T : ℝ³ → ℝ³ gitt ved tre bilder

Dersom $T(v_1), T(v_2), T(v_3)$ er kjent kan man bygge $[T]_{B_W\leftarrow B_V}$ direkte. For standardbasen er $[T]_{\text{std}} = \begin{pmatrix}T(e_1)&T(e_2)&T(e_3)\end{pmatrix}$.

Uke 5

Basisskifte og Indreprodukt

Skifte av basis, similære matriser, euklidsk indreprodukt og projeksjon

Skifte av Basis

Definisjon

Basisskiftematrisen $P_{B_2\leftarrow B_1}$ oppfyller $[v]_{B_2}=P_{B_2\leftarrow B_1}[v]_{B_1}$ for alle $v\in V$.

Similære matriser

Dersom $[T]_{B_1}=A$ og $[T]_{B_2}=B$ er $B=P^{-1}AP$ der $P=P_{B_1\leftarrow B_2}$. Similære matriser har samme egenverdier, determinant og spor.

Eksempel — $\mathbb{P}_2$

$B_1=\{1,x,x^2\}$ (standard), $B_2=\{2,x+x^2,x^2\}$. Skriv $B_2$-vektorene i $B_1$-koordinater og stabél dem som kolonner i $P_{B_1\leftarrow B_2}$.

Indreprodukt (Skalarprodukt)

Euklidsk indreprodukt på $\mathbb{R}^n$
$$x\cdot y = \sum_{i=1}^n x_i y_i = x^Ty, \qquad \|x\|=\sqrt{x\cdot x}.$$

Geometrisk: $x\cdot y=\|x\|\|y\|\cos\theta$. To vektorer er ortogonale dersom $x\cdot y=0$.

Projeksjon

Definisjon
$$\operatorname{proj}_x y = \frac{x\cdot y}{\|x\|^2}\,x$$

Komponenten $y-\operatorname{proj}_x y$ er ortogonal på $x$.

Ortogonalt Komplement

Definisjon
$$U^\perp=\{v\in V\mid v\cdot u=0\ \forall u\in U\}$$

Enhver $v\in V$ dekomponerer unikt: $v=v_U+v_{U^\perp}$, og $\|v\|^2=\|v_U\|^2+\|v_{U^\perp}\|^2$.

Uke 6

Generelt Indreprodukt og Projeksjon

Abstrakte indreproduktrom, Cauchy-Schwarz, projeksjon på underrom, Legendre og sinus/cosinus

Generelt Indreprodukt

Definisjon

$\langle\cdot,\cdot\rangle:V\times V\to\mathbb{R}$ er et indreprodukt dersom:

  1. $\langle u,v\rangle=\langle v,u\rangle$ (symmetri)
  2. $\langle u+v,w\rangle=\langle u,w\rangle+\langle v,w\rangle$ (additivitet)
  3. $\langle rv,w\rangle=r\langle v,w\rangle$ (homogenitet)
  4. $\langle v,v\rangle\geq 0$ og $\langle v,v\rangle=0\Leftrightarrow v=\mathbf{0}$ (positivt definitt)

Norm: $\|v\|=\sqrt{\langle v,v\rangle}$. Ortogonal: $\langle u,v\rangle=0$.

Viktige eksempler

Cauchy-Schwarz og Trekantulikheten

Teorem
$$|\langle u,v\rangle|\leq\|u\|\,\|v\|$$ $$\|u+v\|\leq\|u\|+\|v\|$$

Likhet i Cauchy-Schwarz $\Leftrightarrow$ $u$ og $v$ er proporsjonale.

Projeksjon på Underrom

Projeksjonsteoremet

La $\{u_1,\ldots,u_k\}$ være ortonormal basis for $U$ ($\langle u_i,u_j\rangle=\delta_{ij}$). Da:

$$v_U=\operatorname{proj}_U v=\sum_{i=1}^k\langle u_i,v\rangle\,u_i$$

$v_U$ er den unike vektoren i $U$ nærmest $v$, og $v-v_U\perp U$.

Eksempel — Sinus/cosinus ortonormalitet

Med $\langle f,g\rangle=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi fg\,dx$:

$$\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi\cos(mx)\cos(nx)\,dx=\delta_{mn}, \quad \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi\sin(mx)\sin(nx)\,dx=\delta_{mn}$$

$\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi\cos(mx)\sin(nx)\,dx=0$ for alle $m,n$.

Uke 7

Gram-Schmidt og Egenverdier

Gram-Schmidt-prosessen, Legendre-polynomer, egenverdier/egenvektorer og diagonalisering

Gram-Schmidt-prosessen

Algoritme

Gitt basis $\{v_1,\ldots,v_n\}$ for $U$. Konstruer ortonormal basis $\{u_1,\ldots,u_n\}$:

$$\tilde{u}_1=v_1,\quad u_1=\frac{\tilde{u}_1}{\|\tilde{u}_1\|}$$ $$\tilde{u}_k=v_k-\sum_{j=1}^{k-1}\langle u_j,v_k\rangle\,u_j,\quad u_k=\frac{\tilde{u}_k}{\|\tilde{u}_k\|}\quad(k=2,\ldots,n)$$
Legendre-polynomer $u_0$–$u_3$

Med $\langle f,g\rangle=\int_{-1}^1 fg\,dx$ på $\{1,x,x^2,x^3\}$:

$$u_0=\sqrt{\tfrac{1}{2}},\quad u_1=\sqrt{\tfrac{3}{2}}\,x,\quad u_2=\sqrt{\tfrac{5}{8}}(3x^2-1),\quad u_3=\sqrt{\tfrac{7}{8}}(5x^3-3x)$$

Egenverdier og Egenvektorer

Definisjon

$\lambda\in\mathbb{R}$ er en egenverdi for $A$ dersom $Ax=\lambda x$ for en $x\neq\mathbf{0}$ (egenvektor). Finnes via karakteristisk ligning $\det(A-\lambda I)=0$. Egenrom: $E_\lambda=\operatorname{Nul}(A-\lambda I)$.

Eksempel 1 — diagonaliserbar

$A=\begin{pmatrix}0&0&-2\\1&2&1\\1&0&3\end{pmatrix}$, egenverdier $\lambda_1=1$, $\lambda_2=2$. Egenvektorer danner basis for $\mathbb{R}^3$ → $A$ er diagonaliserbar.

Eksempel 2 — ikke diagonaliserbar

$M=\begin{pmatrix}5&6&2\\0&-1&-8\\1&0&-2\end{pmatrix}$, $\lambda_1=-4$, $\lambda_2=3$ (algebr. mult. 2), men $\dim(E_3)=1\lt 2$. $M$ er ikke diagonaliserbar.

Diagonalisering

Teorem

$A\in M_{n\times n}$ er diagonaliserbar $\Leftrightarrow$ $A$ har $n$ lineært uavhengige egenvektorer. Da er $A=PDP^{-1}$ med $D=\operatorname{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)$ og $P=\begin{pmatrix}p_1&\cdots&p_n\end{pmatrix}$.

Uke 8

Diagonalisering og Differensialligninger

Ortogonal diagonalisering, spektralteoremet, lineære ODE-systemer og komplekse egenverdier

Ortogonal Diagonalisering

Ortogonal matrise

$P$ er ortogonal dersom $P^TP=I$ (dvs. $P^{-1}=P^T$). Kolonnene danner ortonormal basis.

Spektralteoremet

$A$ er ortogonalt diagonaliserbar $\Leftrightarrow$ $A=A^T$ (symmetrisk). Da eksisterer ortogonal $P$ og reell diagonal $D$ med $A=PDP^T$. Egenverdiene er reelle; egenvektorer til ulike egenverdier er ortogonale.

Lineære ODE-Systemer

$\mathbf{y}'(t)=A\mathbf{y}(t)$, $\mathbf{y}(t_0)=\mathbf{y}_0$.

Løsningsmetode
  1. Diagonaliser: $A=PDP^{-1}$
  2. Sett $\mathbf{z}=P^{-1}\mathbf{y}$: $\mathbf{z}'=D\mathbf{z}$ gir $z_i'=\lambda_i z_i$
  3. Løs: $z_i(t)=c_i e^{\lambda_i t}$
  4. Tilbake: $\mathbf{y}(t)=P\mathbf{z}(t)=c_1 e^{\lambda_1 t}\mathbf{p}_1+\cdots+c_n e^{\lambda_n t}\mathbf{p}_n$

Inhomogent system $\mathbf{y}'=A\mathbf{y}+\mathbf{b}$: $\mathbf{y}=\mathbf{y}_h+\mathbf{y}_s$ (superposisjonsprinsippet).

Komplekse Egenverdier

Reell $A$ kan ha konjugatpar $\lambda=\alpha\pm\beta i$. Løsningen uttrykkes med $e^{\alpha t}\cos(\beta t)$ og $e^{\alpha t}\sin(\beta t)$.

Eksempel — rent imaginære egenverdier

$\lambda=\pm 3i$ ($\alpha=0$): ren oscillasjon. Løsning: $y(t)=A\cos(3t)+B\sin(3t)=2\cos(3t+\pi/6)$.

Applikasjoner

Uke 9

Numerisk Løsning av ODEer I

Eulers metoder, trapesmetoden, Runge-Kutta, feilanalyse og Butcher-tablå

Initialverdiproblemet

IVP: $y'(t)=f(t,y(t))$, $y(t_0)=y_0$. Numerisk løsning: tabell $u_0,u_1,\ldots,u_N$ med $u_n\approx y(t_n)$, $t_n=t_0+nh$.

Metodens orden

Orden $p$: global feil $|y_n-u_n|\leq Ch^p$.

Eksistens og entydighet (Picard-Lindelöf)

Dersom $f$ er Lipschitz i $y$: $|f(t,y_1)-f(t,y_2)|\leq L|y_1-y_2|$, har IVP en unik løsning.

Forlengs Euler

Metode — orden 1, eksplisitt
$$u_{n+1}=u_n+h\,f(t_n,u_n)$$

Lokal feil $O(h^2)$. Global feil: $|e_n|\leq\dfrac{e^{L(t_n-t_0)}-1}{L}\cdot\dfrac{M}{2}\cdot h=O(h)$, $M=\max|y''|$.

Baklengs Euler

Metode — orden 1, implisitt
$$u_{n+1}=u_n+h\,f(t_{n+1},u_{n+1})$$

Krever løsning av en ligning for $u_{n+1}$ per steg. Ubetinget stabilt (A-stabilt).

Forbedret Euler / Heuns metode

Metode — orden 2, eksplisitt
$$K_1=f(t_n,u_n),\quad K_2=f(t_n+h,\;u_n+hK_1)$$ $$u_{n+1}=u_n+\frac{h}{2}(K_1+K_2)$$

Modifisert Euler

Metode — orden 2, eksplisitt
$$K_1=f(t_n,u_n),\quad K_2=f\!\left(t_n+\tfrac{h}{2},\;u_n+\tfrac{h}{2}K_1\right)$$ $$u_{n+1}=u_n+hK_2$$

Trapesmetoden (Crank-Nicolson)

Metode — orden 2, implisitt
$$K_1=f(t_n,u_n),\quad K_2=f\!\left(t_{n+1},\;u_n+\tfrac{h}{2}(K_1+K_2)\right)$$ $$u_{n+1}=u_n+\frac{h}{2}(K_1+K_2)$$

Lokal feil $O(h^3)$, global feil $O(h^2)$.

Generell Runge-Kutta / Butcher-tablå

$s$-trinns RK-metode
$$K_i=f\!\left(t_n+c_i h,\;u_n+h\sum_{j=1}^s a_{ij}K_j\right),\qquad u_{n+1}=u_n+h\sum_{i=1}^s b_i K_i$$

Butcher-tablå: $c|A$ over $b^T$. Eksplisitt: $a_{ij}=0$ for $j\geq i$.

Metode$c$$b$OrdenType
Forlengs Euler$0$$1$1Ekspl.
Baklengs Euler$1$$1$1Impl.
Heun (Forb. Euler)$0,\;1$$\tfrac{1}{2},\;\tfrac{1}{2}$2Ekspl.
Modifisert Euler$0,\;\tfrac{1}{2}$$0,\;1$2Ekspl.
Trapesmetoden$0,\;1$$\tfrac{1}{2},\;\tfrac{1}{2}$2Impl.
Uke 10

Numerisk Løsning av ODEer II

RK4, stabilitet, Lotka-Volterra, numerisk derivasjon og leapfrog

Klassisk Runge-Kutta 4 (RK4)

RK4 — orden 4, eksplisitt, 4 nivåer
$$K_1=f(t_n,u_n),\quad K_2=f\!\left(t_n+\tfrac{h}{2},u_n+\tfrac{h}{2}K_1\right)$$ $$K_3=f\!\left(t_n+\tfrac{h}{2},u_n+\tfrac{h}{2}K_2\right),\quad K_4=f(t_n+h,u_n+hK_3)$$ $$u_{n+1}=u_n+\frac{h}{6}(K_1+2K_2+2K_3+K_4)$$

Global feil $O(h^4)$.

Stabilitet

Test-ligning: $y'=\lambda y$, $\operatorname{Re}(\lambda)\lt 0$. En metode er stabil dersom den diskrete løsningen ikke vokser ubegrenset.

Lotka-Volterra (rovdyr-byttedyr)
$$\frac{dx}{dt}=ax-bxy,\qquad\frac{dy}{dt}=-cy+dxy$$

$x$ = byttedyr, $y$ = rovdyr. Periodiske løsninger i faseplanet. Løs numerisk med RK4.

Numerisk Derivasjon

Leapfrog / Störmer-Verlet

For $y''=g(t,y)$ (ingen $y'$-avhengighet):

$$v_{n+1/2}=v_{n-1/2}+h\,g(t_n,y_n),\qquad y_{n+1}=y_n+h\,v_{n+1/2}$$

Symplektisk (bevarer energi på lang sikt), orden 2. Brukes i mekanikk-simulasjoner.

Uke 11

Rekker og Konvergenstester

Tallfølger, uendelige rekker, geometrisk rekke, $p$-rekker og klassiske konvergenstester

Tallfølger og Rekker

Definisjon

$\sum_{n=1}^\infty a_n$ har delsummer $S_N=\sum_{n=1}^N a_n$. Rekken konvergerer til $S$ dersom $\lim_{N\to\infty}S_N=S$. Ellers divergerer den.

Geometrisk rekke
$$\sum_{n=0}^\infty k^n=\frac{1}{1-k}\quad\text{for }|k|\lt 1$$

Divergerer for $|k|\geq 1$. Eks: $\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{4}+\tfrac{1}{8}+\cdots=1$.

Nødvendig betingelse

$\sum a_n$ konvergerer $\Rightarrow\lim a_n=0$. Obs: $\sum\frac{1}{n}$ divergerer selv om $\frac{1}{n}\to 0$.

p-Rekker

Teorem
$$\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^p}\;\begin{cases}\text{konvergerer}&p\gt 1\\\text{divergerer}&p\leq 1\end{cases}$$

$\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}$ (Euler 1735). Harmonisk rekke $\sum\frac{1}{n}$ divergerer.

Integraltesten

Teorem

$a_n=f(n)$, $f$ positiv og ikke-voksende på $[1,\infty)$:

$$\sum a_n\text{ konvergerer}\iff\int_1^\infty f(x)\,dx\text{ konvergerer}$$

Eks: $\sum\frac{1}{n(\ln n)^2}$ konvergerer; $\sum\frac{1}{n\ln n}$ divergerer.

Leibniz' test (Alternerende rekker)

Teorem

$\sum(-1)^n a_n$ konvergerer dersom $|a_n|\geq|a_{n+1}|$ og $|a_n|\to 0$.

  • $1-\tfrac{1}{3}+\tfrac{1}{5}-\cdots=\tfrac{\pi}{4}$ (Leibniz 1676)
  • $1-\tfrac{1}{2}+\tfrac{1}{3}-\cdots=\ln 2$

Sammenligningstesten

Teorem

$0\leq a_n\leq b_n$: $\sum b_n$ konvergerer $\Rightarrow\sum a_n$ konvergerer; $\sum a_n$ divergerer $\Rightarrow\sum b_n$ divergerer.

Forholdstesten

Teorem

$L=\lim_{n\to\infty}\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|$: $L\lt 1$ absolutt konvergens, $L\gt 1$ divergens, $L=1$ ingen info.

Eks: $\sum\frac{n^5}{2^n}$ ($L=\tfrac{1}{2}$, konv.); $\sum\frac{3^n}{n^2}$ ($L=3\gt 1$, div.); $\sum\frac{n!}{n^n}$ ($L=\tfrac{1}{e}\lt 1$, konv.).

Uke 12

Potensrekker og Taylor-rekker

Konvergensradius, Maclaurin-rekker, binomialrekken og restleddet

Rotstesten

Teorem

$L=\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}$: absolutt konvergens for $L\lt 1$, divergens for $L\gt 1$.

Potensrekker

Definisjon

$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty b_n(x-a)^n$ konvergerer absolutt for $|x-a|\lt R$ (konvergensradius).

$$R=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{b_n}{b_{n+1}}\right|\quad\text{(forholdstesten)}$$

Taylor- og Maclaurin-rekker

Taylor-rekke rundt $a$
$$f(x)=\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(a)}{n!}(x-a)^n$$
FunksjonMaclaurin-rekke$R$
$e^x$$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}$$\infty$
$\sin x$$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{(2n+1)!}$$\infty$
$\cos x$$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n}}{(2n)!}$$\infty$
$\ln(1+x)$$\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}x^n}{n}$$1$
$\dfrac{1}{1-x}$$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty x^n$$1$
$\arctan x$$\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{2n+1}$$1$

Binomialrekken

Teorem
$$(1+x)^\alpha=\sum_{n=0}^\infty\binom{\alpha}{n}x^n,\quad|x|\lt 1,\quad\binom{\alpha}{n}=\frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}$$

Restleddet

$f(x)=T_N(x)+R_N(x)$ med $\displaystyle|R_N(x)|\leq\frac{M_{N+1}}{(N+1)!}|x-a|^{N+1}$, $M_{N+1}=\max|f^{(N+1)}|$.

Uke 13

Potensrekker og Fouriertilnærming

Leddvis derivasjon/integrasjon, Fourier-koeffisienter, firkantfunksjon og kompleks form

Leddvis Derivasjon og Integrasjon

Teorem

For $f(x)=\sum_{n=0}^\infty b_n x^n$, $R\gt 0$:

$$f'(x)=\sum_{n=1}^\infty nb_nx^{n-1},\qquad\int_0^x f(t)\,dt=\sum_{n=0}^\infty\frac{b_n}{n+1}x^{n+1}\quad(|x|\lt R)$$

Integrasjon kan utvide konvergensintervallet til endepunktene.

Eksempel — $\arctan x$ og $\pi/4$

Fra $\frac{1}{1+x^2}=\sum(-1)^nx^{2n}$, integrer:

$$\arctan x=x-\frac{x^3}{3}+\frac{x^5}{5}-\frac{x^7}{7}+\cdots,\quad x\in[-1,1]$$

$x=1$: $\quad1-\tfrac{1}{3}+\tfrac{1}{5}-\tfrac{1}{7}+\cdots=\dfrac{\pi}{4}$

Eksempel — Feil-integralet

Fra $e^{-t^2}=\sum\frac{(-1)^nt^{2n}}{n!}$:

$$E(x)=\int_0^xe^{-t^2}\,dt=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{(2n+1)n!}x^{2n+1}$$

$E(1)\approx 1-\tfrac{1}{3}+\tfrac{1}{10}-\tfrac{1}{42}+\tfrac{1}{216}\approx 0.74748$

Fouriertilnærming

Indreprodukt: $\langle f,g\rangle=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)g(x)\,dx$ på $C[-\pi,\pi]$.

Fouriertilnærming og koeffisienter
$$f_N(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^N\bigl(a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\bigr)$$ $$a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos(nx)\,dx,\qquad b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin(nx)\,dx$$

$f_N$ er den beste $L^2$-tilnærming til $f$ i $\operatorname{Span}\!\left\{\tfrac{1}{\sqrt{2}},\cos x,\ldots,\cos Nx,\sin x,\ldots,\sin Nx\right\}$.

Firkantfunksjon

$f(x)=\begin{cases}-1&-\pi\lt x\lt 0\\1&0\lt x\lt\pi\end{cases}$. Odde funksjon: $a_n=0$, $b_n=\frac{4}{n\pi}$ for odde $n$:

$$f_{2N+1}(x)=\frac{4}{\pi}\!\left(\sin x+\frac{\sin 3x}{3}+\frac{\sin 5x}{5}+\cdots+\frac{\sin(2N+1)x}{2N+1}\right)$$

Kompleks Form

Med $\langle f,g\rangle=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\overline{f}\,g\,dx$: $\langle e^{inx},e^{imx}\rangle=\delta_{nm}$.

$$f_N(x)=\sum_{n=-N}^Nc_ne^{inx},\qquad c_n=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)e^{-inx}\,dx$$

Sammenheng: $a_n=2\operatorname{Re}(c_n)$, $b_n=-2\operatorname{Im}(c_n)$ for $n\gt 0$; $c_0=a_0/2$.

Uke 15

Fourierrekker og Konvergensteori

Fra tilnærming til rekke, Fouriers teorem, konvergenstyper og $x^2$-eksempelet

Fourierrekken

$$S_f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty\bigl(a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\bigr)=\sum_{n=-\infty}^\infty c_ne^{inx}$$

Fouriers Teorem

Fouriers teorem (Dirichlet)

La $f$ være stykkevis kontinuerlig på $[-\pi,\pi]$:

  • $f$ kont. i $x$: $S_f(x)=f(x)$
  • Sprang i $x$: $S_f(x)=\tfrac{1}{2}(f(x^+)+f(x^-))$
  • Endepunkter $x=\pm\pi$: $S_f(\pm\pi)=\tfrac{1}{2}(f(-\pi^+)+f(\pi^-))$

Utenfor $[-\pi,\pi]$: $S_f$ er den $2\pi$-periodiske utvidelsen av $f$.

Eksempel — $f(x)=x^2$ på $[-1,1]$
$$a_0=\frac{2}{3},\quad a_n=\frac{4(-1)^n}{n^2\pi^2},\quad b_n=0$$ $$S_f(x)=\frac{1}{3}+\frac{4}{\pi^2}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^n}{n^2}\cos(n\pi x)$$

Sett $x=0$: $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}}{n^2}=\frac{\pi^2}{12}$

Konvergenstyper

Definisjon
  • Punktvis: $f_N(x_0)\to f(x_0)$ for hvert punkt $x_0$
  • Uniform: $\max_x|f_N(x)-f(x)|\to 0$ (alle punkter med samme hastighet)
  • $L^2$ / minste kvadrater: $\int|f-f_N|^2\,dx\to 0$

Hierarki: uniform $\Rightarrow$ punktvis $\Rightarrow$ $L^2$.

Uke 16

Fourierrekker: Avansert

Cosinus-representasjon, halvrekker, ODE med periodisk høyreside og konvergensoppsummering

Cosinus-representasjon (Amplitude-fase)

Amplitude-fase-form
$$S_f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty A_n\cos(nx-\theta_n)$$

$A_n=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$ (amplitude), $\theta_n=\arctan(b_n/a_n)$ (fase).

Firkantfunksjon

$a_n=0$, $b_n=4/(n\pi)$ for odde $n$ $\Rightarrow$ $A_n=b_n$, $\theta_n=\pi/2$:

$$S_f(x)=\frac{4}{\pi}\sum_{k=0}^\infty\frac{1}{2k+1}\cos\!\left((2k+1)x-\frac{\pi}{2}\right)$$

Halvrekker

For $f$ på $[0,\pi]$ finnes to $2\pi$-periodiske utvidelser:

Eksempel — $f(x)=\tfrac{\pi}{2}-x$ på $[0,\pi]$

Cosinusrekke (like utvidelse):

$$S^c_f(x)=\frac{4}{\pi}\sum_{k=0}^\infty\frac{\cos((2k+1)x)}{(2k+1)^2}$$

Sinusrekke (odde utvidelse):

$$S^s_f(x)=\frac{1}{\pi}\sum_{k=1}^\infty\frac{\sin(2kx)}{k}$$

ODE med Periodisk Høyreside

$y''+y'+y=r(t)$, $r(t)$ har Fourierrekke $\sum a_n\cos(nt)+b_n\sin(nt)$.

Homogen løsning ($\lambda^2+\lambda+1=0\Rightarrow\lambda=-\tfrac{1}{2}\pm\tfrac{\sqrt{3}}{2}i$):

$$y_h(t)=e^{-t/2}\!\left(K_1\cos\!\left(\tfrac{\sqrt{3}}{2}t\right)+K_2\sin\!\left(\tfrac{\sqrt{3}}{2}t\right)\right)$$

For hvert $n$ finnes spesiell løsning $A_n\cos(nt)+B_n\sin(nt)$ ved å sette inn og løse et $2\times 2$-system. Full løsning: $y=y_h+\sum_n y_{s,n}$; $K_1,K_2$ bestemmes fra initialverdier.

Oppsummering: Konvergenstyper

TypeBetingelseStyrke
Uniform$f$ kontinu., stykkevis glattSterkest
Punktvis$f$ stykkevis kontinu.Middels
$L^2$ (minste kv.)$f\in L^2[-\pi,\pi]$Svakest