Präsenzblatt 13
Aufgabe PA 59
Verifizieren Sie unter Verwendung der Funktionalgleichung der Exponentialfunktion, dass für alle \( z_1,z_2\in\mathbb C \) richtig sind:
(i) | \( \sin(z_1+z_2)=\sin z_1\cos z_2+\sin z_2\cos z_1 \) |
(ii) | \( \cos(z_1+z_2)=\cos z_1\cos z_2-\sin z_1\sin z_2 \) |
(i) | Unter Benutzung der Funktionalgleichung der komplexen Exponentialfunktion ermitteln wir |
\[ \begin{array}{ll} \sin z_1\cos z_2+\sin z_2\cos z_1 \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4i}\,(e^{iz_1}-e^{-iz_1})(e^{iz_2}+e^{-iz_2}) +\frac{1}{4i}\,(e^{iz_2}-e^{-iz_2})(e^{iz_1}+e^{-iz_1}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4i}\,(e^{i(z_1+z_2)}+e^{i(z_1-z_2)}-e^{-i(z_1-z_2)}-e^{-i(z_1+z_2)}) \\[1.6ex] \qquad\quad\displaystyle +\,\frac{1}{4i}\,(e^{i(z_2+z_1)}+e^{i(z_2-z_1)}-e^{-i(z_2-z_1)}-e^{-i(z_2+z_1)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2i}\,(e^{i(z_1+z_2)}-e^{-i(z_1+z_2)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\sin(z_1+z_2). \end{array} \]
(ii) | Unter Benutzung der Funktionalgleichung der komplexen Exponentialfunktion ermitteln wir |
\[ \begin{array}{ll} \cos z_1\cos z_2-\sin z_1\sin z_2 \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4}\,(e^{iz_1}+e^{-iz_1})(e^{iz_2}+e^{-iz_2})+\frac{1}{4}\,(e^{iz_1}-e^{-iz_1})(e^{iz_2}-e^{-iz_2}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4}\,(e^{i(z_1+z_2)}+e^{i(z_1-z_2)}+e^{-i(z_1-z_2)}+e^{-i(z_1+z_2)}) \\[1.6ex] \qquad\quad\displaystyle +\,\frac{1}{4}\,(e^{i(z_1+z_2)}-e^{i(z_1-z_2)}-e^{-i(z_1-z_2)}+e^{-i(z_1+z_2)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2}\,(e^{i(z_1+z_2)}+e^{-i(z_1+z_2)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\cos(z_1+z_2). \end{array} \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 60
Verifizieren Sie zunächst unter Verwendung der Funktionalgleichung der komplexen Exponentialfunktion \[ \cos^2z+\sin^2z=1\quad\mbox{für alle}\ z\in\mathbb C. \] Verifizieren Sie damit und unter Verwendung voriger Aufgabe, dass für alle \( z\in\mathbb C \) richtig sind:
(i) | \( \displaystyle\sin 2z=2\sin z\cos z \) |
(ii) | \( \displaystyle\cos 2z=\cos^2z-\sin^2z \) |
(iii) | \( \displaystyle 2\sin^2z=1-\cos 2z \) |
(iv) | \( \displaystyle 2\cos^2z=1+\cos 2z \) |
Zunächst ist für alle \( z\in\mathbb C \) \[ \begin{array}{lll} \sin^2z+\cos^2z & = & \displaystyle -\,\frac{1}{4}\,(e^{iz}-e^{-iz})^2+\frac{1}{4}\,(e^{iz}+e^{-iz})^2 \\[1.6ex] & = & \displaystyle -\,\frac{1}{4}\,(e^{2iz}+e^{-2iz}-2)+\frac{1}{4}\,(e^{2iz}+e^{-2iz}+2) \\[1.6ex] & = & \frac{1}{4}\cdot 2+\frac{1}{4}\cdot 2\,=\,1. \end{array} \]
(i) | In PA 58(i) setzen wir \( z=z_1=z_2 \) und erhalten |
\[ \sin 2z=\sin(z+z)=\sin z\cos z+\sin z\cos z=2\sin z\cos z. \]
(ii) | In PA 58(ii) setzen wir \( z=z_1=z_2 \) und erhalten |
\[ \cos 2z=\cos(z+z)=\cos z\cos z-\sin z\sin z=\cos^2z-\sin^2z. \]
(iii) | Unter Verwendung von \( \sin^2z+\cos^2z=1 \) und PA 58(ii) ermitteln wir |
\[ 1-\cos 2z=(\sin^2z+\cos^2z)-(\cos^2z-\sin^2z)=2\sin^2z. \]
(iv) | Erneut unter Verwendung von \( \sin^2z+\cos^2z=1 \) und PA 58(ii) ermitteln wir |
\[ 1+\cos 2z=(\sin^2z+\cos^2z)+(\cos^2z-\sin^2z)=2\cos^2z. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 61
(i) | Ermitteln Sie die exakten Werte der reellwertigen Kosinus- und Sinusfunktion für die Argumente |
\[ x=0\quad\mbox{und}\quad x=\frac{\pi}{2}\,. \]
(ii) | Beweisen Sie die Phasenverschiebungsgleichungen |
\[ \cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x,\quad \sin\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\cos x,\quad x\in\mathbb R. \]
(iii) | Zeigen Sie, dass \( \sin x \) streng monoton wachsend für \( -\frac{\pi}{2}\le x\le\frac{\pi}{2} \) und \( \cos x \) streng monoton fallend für \( 0\le x\le\pi \) sind. |
(i) | Aus den Reihenentwicklungen |
\begin{align} \cos x &= \sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{(2k)!}\,x^{2k}=1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}+\ldots\,, \\[1.6ex] \sin x &= \sum_{k=0}^\infty\frac{(-1)^k}{(2k+1)!}\,x^{2k+1}=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\ldots \end{align}
lesen wir ab |
\[ \cos 0=1,\quad \sin 0=0. \]
Nach Vorlesung ist \( \frac{\pi}{2} \) die erste positive Nullstelle des Kosinus. Ebenfalls aus der Vorlesung wissen wir (siehe Beweis zu Satz 16) |
\[ \frac{d}{dx}\,\cos x=-\sin x\lt 0,\quad \frac{d}{dx}\,\sin x=\cos x\gt 0 \quad\mbox{für alle}\ 0\le x\le\frac{\pi}{2}\,, \]
d.h. es ist \( \sin\frac{\pi}{2}\ge 0, \) und es folgen |
\[ \cos\frac{\pi}{2}=0,\quad \sin\frac{\pi}{2}=\sqrt{1-\cos^2\frac{\pi}{2}}=1. \]
(ii) | Mit den Additionstheoremen und Aufgabenteil (i) ermitteln wir |
\begin{align} &\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\cos\frac{\pi}{2}\cos x-\sin\frac{\pi}{2}\sin x=-\sin(-x)=\sin x, \\[1.6ex] &\sin\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\cos\frac{\pi}{2}\sin x+\sin\frac{\pi}{2}\cos x=\cos x. \end{align}
(iii) | Wegen |
\[ \frac{d}{dx}\,\sin x=\cos x\gt 0\quad\mbox{für alle}\ 0\lt x\lt\frac{\pi}{2} \]
ist der Sinus streng monoton wachsend auf \( [0,\frac{\pi}{2}]. \) Damit ist \( \sin x\gt 0 \) in \( (0,\frac{\pi}{2}) \) und daher wegen |
\[ \frac{d}{dx}\,\cos x=-\sin x\lt 0\quad\mbox{für alle}\ 0\lt x\lt\frac{\pi}{2} \]
der Kosinus streng monoton fallend auf \( [0,\frac{\pi}{2}]. \) Unter Beachtung von Teilaufgabe (ii) bzw. |
\[ \sin\left(x-\frac{\pi}{2}\right)=-\cos x,\quad \cos x=-\sin\left(x-\frac{\pi}{2}\right) \]
ist der Sinus damit auch auf \( [-\frac{\pi}{2},0] \) streng monoton wachsend und der Kosinus auf \( [0,\pi] \) streng monoton fallend. |
Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 62
Verifizieren Sie unter Verwendung der Funktionalgleichung der Exponentialfunktion, dass für alle \( z\in\mathbb C \) richtig sind:
(i) | \( \displaystyle\cos^2\frac{z}{2}=\frac{1+\cos z}{2} \) |
(ii) | \( \displaystyle\sin^2\frac{z}{2}=\frac{1-\cos z}{2} \) |
Folgern Sie, dass im Reellen gelten
(iii) | \( \displaystyle\cos\frac{x}{2}=\sqrt{\frac{1+\cos x}{2}} \) für alle \( x\in[-\pi,\pi] \) |
(iv) | \( \displaystyle\sin\frac{x}{2}=\sqrt{\frac{1-\cos x}{2}} \) für alle \( x\in[0,2\pi]. \) |
(i) | In PA 59(iv) ersetzen wir \( z \) durch \( \frac{z}{2} \) und erhalten |
\[ \cos^2\frac{z}{2}=\frac{1+\cos z}{2}\,. \]
(ii) | In PA 59(iii) ersetzen wir \( z \) durch \( \frac{z}{2} \) und erhalten |
\[ \sin^2\frac{z}{2}=\frac{1-\cos z}{2}\,. \]
(iii) | Wegen \( \cos\frac{x}{2}\ge 0 \) und \( 1+\cos x\ge 0 \) in \( [-\pi,\pi] \) können wir in (i) die Wurzel ziehen zu |
\[ \cos\frac{z}{2}=\sqrt{\frac{1+\cos x}{2}}\,,\quad x\in[-\pi,\pi]. \]
(iv) | Wegen \( \sin\frac{x}{2}\ge 0 \) und \( 1-\cos x\ge 0 \) in \( [0,2\pi] \) können wir in (ii) die Wurzel ziehen zu |
\[ \sin\frac{x}{2}=\sqrt{\frac{1-\cos x}{2}}\,,\quad x\in[0,2\pi]. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 63
Ermitteln Sie die exakten Werte der reellwertigen Kosinus- und Sinusfunktion für folgende Argumente.
(i) | \( \displaystyle x=\frac{\pi}{4} \) |
(ii) | \( \displaystyle x=\frac{\pi}{8} \) |
(iii) | \( \displaystyle x=\frac{\pi}{6} \) |
(iv) | \( \displaystyle x=\frac{\pi}{12} \) |
(i) | Nach PA 61(iii) ist |
\[ \cos\frac{\pi}{4}=\sqrt{\frac{1+\cos\frac{\pi}{2}}{2}}=\sqrt{\frac{1}{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}\,. \]
Analog folgt mit PA 61(iv) |
\[ \sin\frac{\pi}{4}=\sqrt{\frac{1-\cos\frac{\pi}{2}}{2}}=\sqrt{\frac{1}{2}}=\frac{\sqrt{2}}{2}\,. \]
(ii) | Erneut nach PA 61(iii) ist |
\[ \cos\frac{\pi}{8} =\sqrt{\frac{1+\cos\frac{\pi}{2}}{2}} =\sqrt{\frac{1+\frac{\sqrt{2}}{2}}{2}} =\sqrt{\frac{2}{4}+\frac{\sqrt{2}}{4}} =\frac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2} \]
und entsprechend |
\[ \sin\frac{\pi}{8} =\sqrt{\frac{1-\cos\frac{\pi}{4}}{2}} =\sqrt{\frac{1-\frac{\sqrt{2}}{2}}{2}} =\sqrt{\frac{2}{4}-\frac{\sqrt{2}}{4}} =\frac{\sqrt{2-\sqrt{2}}}{2}\,. \]
(iii) | Zunächst ermitteln wir |
\begin{align} \sin(3x) &= \sin(x+2x) =\sin x\cos 2x+\sin 2x\cos x \\[0.6ex] &= \sin x(\cos^2x-\sin^2x)+2\sin x\cos^2x =3\sin x\cos^2x-\sin^3 x \\[0.6ex] &= 3\sin x(1-\sin^2x)-\sin^3x =3\sin x-4\sin^3x \end{align}
und damit insbesondere |
\[ 1=\sin\frac{\pi}{2}=3\sin\frac{\pi}{6}-4\sin^3\frac{\pi}{6}\,. \]
Gesucht ist \( x=\sin\frac{\pi}{6}. \) Wir betrachten daher die Funktion |
\[ f(x):=4x^3-3x+1,\quad x\in[0,1], \]
mit \( f(0)=1, \) \( f(1)=2 \) und den Ableitungen |
\[ f'(x)=12x^2-3,\quad f''(x)=24x. \]
Es ist \( x=\frac{1}{2} \) einzige Nullstelle und ein globaless Minimum der Funktion in \( [0,1]. \) Also folgen |
\[ \sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}\,,\quad \cos\frac{\pi}{6}=\sqrt{1-\frac{1}{4}}=\frac{\sqrt{3}}{2}\,. \]
(iv) | Schließlich ermitteln wir mit (iii) |
\[ \cos\frac{\pi}{12}=\sqrt{\frac{1+\cos\frac{\pi}{6}}{2}}=\sqrt{\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}}{4}}=\frac{\sqrt{2+\sqrt{3}}}{2} \]
sowie |
\[ \sin\frac{\pi}{12}=\sqrt{1-\frac{2+\sqrt{3}}{4}}=\sqrt{\frac{2-\sqrt{3}}{4}}=\frac{\sqrt{2-\sqrt{3}}}{2}\,. \] Das war gesucht.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 64
Ermitteln Sie Betrag \( r\ge 0 \) und Argument \( \varphi\in[0,2\pi) \) folgender komplexer Zahlen.
(i) | \( z=(1,0) \) |
(ii) | \( z=(0,1) \) |
(iii) | \( z=(-1,0) \) |
(iv) | \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{2}}{2}+i\,\frac{\sqrt{2}}{2}\right) \) |
(v) | \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+i\,\frac{i}{2}\right) \) |
(i) | Es sind \( r=1 \) und \( \varphi=0. \) |
(ii) | Es sind \( r=1 \) und \( \varphi=\frac{\pi}{2}. \) |
(iii) | Es sind \( r=1 \) und \( \varphi=\pi. \) |
(iv) | Nach PA 62(i) sind \( r=1 \) und \( \varphi=\frac{\pi}{4}. \) |
(v) | Nach PA 62(iii) sind \( r=1 \) und \( \varphi=\frac{\pi}{6}. \) |
Aufgabe PA 65
Es seien \( \varphi\in[0,2\pi) \) das Argument der komplexen Zahl \( z=x+iy \) und \( |z|>0 \) ihr Betrag. Ferner bedeute \( \psi \) das Argument von \( z^2. \) Verifizieren Sie \[ \sin\psi=2\sin\varphi\cos\varphi,\quad \cos\psi=\cos^2\varphi-\sin^2\varphi. \] Vergleichen Sie diese Identitäten mit den Winkelverdopplungsformeln aus PA 59.
Es sei \( z=x+iy. \) Wir ermitteln zunächst \[ z^2=(x+iy)^2=x^2-y^2+2ixy. \] Es bedeute \( \psi \) das Argument von \( z^2, \) also \[ z=|z|(\cos\psi+i\sin\psi)=x^2-y^2+2ixy \] bzw. nach Vergleich \[ \cos\psi=\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}\,,\quad \sin\psi=\frac{2xy}{x^2+y^2}\,. \] Es ist also insbesondere \[ \cos\psi =\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2} =\left(\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2-\left(\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}\right)^2 =\left(\frac{\mbox{Re}\,z}{|z|}\right)^2-\left(\frac{\mbox{Im}\,z}{|z|}\right)^2 \] und damit \[ \cos\psi=\cos^2\varphi-\sin^2\varphi. \] Das vergleichen wir mit der Winkelverdopplungsformel \( \cos 2\varphi=\cos^2\varphi-\sin^2\varphi \) und erhalten \[ \cos\psi=\cos 2\varphi. \] Analog berechnen wir \[ \sin\psi =\frac{2xy}{x^2+y^2} =2\,\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\,\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} =2\cos\varphi\sin\varphi, \] und auch das vergleichen wir mit der Winkelverdopplungsformel \( \sin 2\varphi=2\sin\varphi\cos\varphi, \) also \[ \sin\psi=\sin 2\varphi. \] Das war gefordert.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 66
Es sei \( z=r(\cos\varphi+i\sin\varphi) \) eine komplexe Zahl in Polardarstellung. Beweisen Sie, dass dann gilt \[ z^n=r^n(\cos n\varphi+i\sin n\varphi),\quad n=1,2,\ldots \]
Die Behauptung ist für \( k=1 \) richtig und für \( k=2 \) nach PA 64. Sei also nun \[ z^k=r^k(\cos k\varphi+i\sin k\varphi) \] für alle \( k=1,\ldots,n \) für ein \( n\in\mathbb N \) richtig. Unter Benutzung der Additionstheoreme berechnen wir \begin{align} z^{n+1} &= z\cdot z^n=r(\cos\varphi+i\sin\varphi)\cdot r^n(\cos n\varphi+i\sin n\varphi) \\[0.6ex] &= r^{n+1}\,\big\{(\cos\varphi\cos n\varphi-\sin\varphi\sin n\varphi)+i(\cos\varphi\sin n\varphi+\sin\varphi\cos n\varphi)\big\} \\[0.6ex] &= r^{n+1}\,\big\{\cos(\varphi+n\varphi)+i\sin(\varphi+n\varphi)\big\} \\[0.6ex] &= r^{n+1}\,\big\{\cos(n+1)\varphi+i\sin(n+1)\varphi\}\,. \end{align} Das Prinzip der vollständigen Induktion beweist die Behauptung.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 67
Berechnen Sie mit Hilfe der Formel von de Moivre:
(i) | \( z=(1+i)^{100} \) |
(ii) | \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{2}}{2}+i\,\frac{\sqrt{2}}{2}\right)^{90} \) |
(iii) | \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{i}{2}\right)^{84} \) |
(i) | Es ist |
\[ z^{100}=\sqrt{2}^{100}\left(\cos\frac{100\pi}{4}+i\sin\frac{100\pi}{4}\right)=\sqrt{2}^{100}(\cos\pi+i\sin\pi)=-\sqrt{2}^{100}\,. \]
(ii) | Es ist nach PA 62(i) |
\[ z^{90}=1^{90}\left(\cos\frac{90\pi}{4}+i\sin\frac{90\pi}{4}\right)=\cos\frac{\pi}{2}+i\sin\frac{\pi}{2}=i. \]
(iii) | Es ist nach PA 62(iii) |
\[ z^{84}=1^{84}\left(\cos\frac{84\pi}{6}+i\sin\frac{84\pi}{6}\right)=\cos 0+i\sin 0=1. \] Damit sind alle gesuchten Größen ermittelt.\( \qquad\Box \)
Aufgabe PA 68
Es sei \( z=x+iy \) mit \( x,y\in\mathbb R. \) Wir definieren die hyperbolischen Funktionen \[ \cosh z:=\frac{1}{2}\,(e^z+e^{-z}),\quad \sinh z:=\frac{1}{2}\,(e^z-e^{-z}). \]
(i) | Zeigen Sie, dass für alle \( z\in\mathbb C \) gelten |
\[ \cos(iz)=\cosh z,\quad \sin(iz)=i\sinh z. \]
(ii) | Folgern Sie, dass für alle \( x,y\in\mathbb R \) gelten |
\begin{align} \displaystyle\sin z=\sin x\cosh y+i\cos x\sinh y, \\[0.6ex] \displaystyle\cos z=\cos x\cosh y-i\sin x\sinh y \end{align}
(iii) | Sind der komplexwertige Sinus und der komplexwertige Kosinus im Komplexen beschränkt? Begründen Sie. |
(i) | Wir setzen \( iz \) als Argument in die Darstellungen |
\[ \cos z=\frac{1}{2}\,(e^{iz}+e^{-iz}),\quad \sin z=\frac{1}{2i}\,(e^{iz}-e^{-iz}) \]
ein und erhalten |
\begin{align} \cos(iz) &= \frac{1}{2}\,(e^{i\cdot iz}+e^{-i\cdot iz})=\frac{1}{2}\,(e^{-z}+e^{z})=\frac{1}{2}\,(e^z+e^{-z})=\cosh z, \\[1.6ex] \sin(iz) &= \frac{1}{2i}\,(e^{i\cdot iz}-e^{-i\cdot iz})=\frac{1}{2i}\,(e^{-z}-e^{z})=-\,\frac{1}{2i}\,(e^z-e^{-z}) \\[1.6ex] &= \frac{i}{2}\,(e^z-e^{-z})=i\sinh z. \end{align}
(ii) | Für \( z=x+iy \) berechnen wir |
\[ \begin{array}{l} \sin x\cos+i\cos x\sinh y \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4i}\,(e^{ix}-e^{-ix})(e^y+e^{-y})+\frac{i}{4}\,(e^{ix}+e^{-ix})(e^y-e^{-y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4i}\,(e^{ix+y}+e^{ix-y}-e^{-ix+y}-e^{-ix-y}) \\[1.6ex] \qquad\quad\displaystyle -\,\frac{1}{4i}\,(e^{ix+y}-e^{ix-y}+e^{-ix+y}-e^{-ix-y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4i}\,(2e^{ix-y}-2e^{-ix+y}) \,=\,\frac{1}{2i}\,(e^{ix-y}-e^{-ix+y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2i}\,(e^{ix+i\cdot iy}-e^{-ix-i\cdot iy}) \,=\,\frac{1}{2i}\,(e^{i(x+iy)}-e^{-i(x+iy)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2i}\,(e^{iz}-e^{-iz}) \,=\,\sin z \end{array} \]
und entsprechend |
\[ \begin{array}{l} \cos x\cosh y-i\sin x\sinh y \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4}\,(e^{ix}+e^{-ix})(e^y+e^{-y}-\frac{i}{4i}\,(e^{ix}-e^{-ix})(e^y-e^{-y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4}\,(e^{ix+y}+e^{ix-y}+e^{-ix+y}+e^{-ix-y}) \\[1.6ex] \qquad\quad\displaystyle -\,\frac{1}{4}\,(e^{ix+y}-e^{ix-y}-e^{-ix+y}+e^{-ix-y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{4}\,(2e^{ix-y}+2e^{-ix+y}) \,=\,\frac{1}{2}\,(e^{ix-y}+e^{-ix+y}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2}\,(e^{ix+i\cdot iy}+e^{-ix-i\cdot iy}) \,=\,\frac{1}{2}\,(e^{i(x+iy)}+e^{-i(x+iy)}) \\[1.6ex] \quad\displaystyle =\,\frac{1}{2}\,(e^{iz}+e^{-iz}) \,=\,\cos z. \end{array} \]
(iii) | Setzen wir \( z=iy, \) so erhalten wir |
\[ \sin(iy)=i\sinh y\quad\mbox{und damit}\quad|\sin(iy)|=|\sinh y|\longrightarrow\infty\ \mbox{für}\ y\to\infty \]
und ebenso |
\[ \cos(iy)=\cosh y\quad\mbox{und damit}\quad|\cos(iy)|=\cosh y\longrightarrow\infty\ \mbox{für}\ y\to\infty\,. \]
Im Komplexen sind Kosinus und Sinus also nicht beschränkt.\( \qquad\Box \) |
Aufgabe PA 69
Die Umkehrfunktion (des Hauptzweiges) der reellwertigen Tangensfunktion \[ \tan x:=\frac{\sin x}{\cos x}\,,\quad -\,\frac{\pi}{2}<x<\frac{\pi}{2}\,, \] heißt Arkustangens \[ \arctan. \]
(i) | Bestimmen Sie Definitions- und Wertebereich von \( \tan \) und \( \arctan. \) |
(ii) | Skizzieren Sie beide Funktionen jeweils in ein Koordinatensystem. |
(iii) | Berechnen Sie die Ableitungen von \( \tan \) und \( \arctan. \) Welches Monotonieverhalten besitzen diese Funktionen? |
(i) | Es sind (Hauptzweig) |
\[ \tan\colon\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right)\longrightarrow\mathbb R,\quad \arctan\colon\mathbb R\longrightarrow\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right). \]
(iii) | Zunächst berechnen wir |
\[ \frac{d}{dx}\,\tan x =\frac{d}{dx}\,\frac{\sin x}{\cos x} =\frac{cos^2x+\sin^2x}{\cos^2x} =\frac{1}{\cos^2x}\,. \]
Nun beachten wir |
\[ \frac{1}{\cos^2x} =\frac{\sin^2x+\cos^2x}{\cos^2x} =\frac{\sin^2}{\cos^2x}+1 =\tan^2x+1 \]
und kommen damit zur Berechnung der Ableitung des Arkustangens |
\[ \frac{d}{dy}\,\arctan y =\frac{1}{\frac{1}{\cos^2(\arctan y)}} =\frac{1}{\tan^2(\arctan y)+1} =\frac{1}{1+y^2}\,. \]
Beide Funktionen sind streng monoton wachsend. |
Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)