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) \( \cos(z_1+z_2)=\cos z_1\cos z_2-\sin z_1\sin z_2 \)

 

Lösung

 

(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) \( \displaystyle 2\cos^2z=1+\cos 2z \)

 

 

Lösung

 

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.

 

Lösung

 

(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 \( x\in[0,2\pi]. \)

 

Lösung

 

(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) \( \displaystyle x=\frac{\pi}{12} \)

 

Lösung

 

(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) \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+i\,\frac{i}{2}\right) \)

 

Lösung

 

(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.

 

Lösung

 

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 \[ z^n=r^n(\cos n\varphi+i\sin n\varphi),\quad n=1,2,\ldots \]

 

Lösung

 

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) \( \displaystyle z=\left(\frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{i}{2}\right)^{84} \)

 

Lösung

 

(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.

 

Lösung

 

(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?

 

Lösung

 

(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.\( \qquad\Box \)