Kurs:Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)/Arbeitsblatt 18/latex

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\setcounter{section}{18}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{,} $Z$ ein \definitionsverweis {metrischer Raum}{}{} und seien
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} stetige Abbildungen von $X$ nach $Z$. Zeige, dass diese Familie \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und seien
\mathl{f_1 , \ldots , f_n}{} stetige reellwertige Funktionen auf $X$. Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \geq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Menge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ =} { { \left\{ c_1f_1 + \cdots + c_nf_n \mid \betrag { c_i } \leq c \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die Menge von linearen reellen Polynomen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ =} { { \left\{ cx+d \mid \betrag { c } , \betrag { d } \leq 1 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} als Funktionen auf dem Einheitsintervall
\mathl{[0,1]}{.} Man gebe für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ = }{ { \frac{ 1 }{ 2 } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} explizit endlich viele \definitionsverweis {offene Bälle}{}{}
\mathl{U { \left( f,\epsilon \right) }}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} an, die $T$ überdecken.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {X} {und} {Y} {} \definitionsverweis {metrische Räume}{}{} und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ L }
{ \in }{ \R_{\geq 0} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Funktionenmenge
\mathdisp {{ \left\{ f:X \rightarrow Y \mid f \text{ ist Lipschitz-stetig mit Lipschitz-Konstante } L \right\} }} { }
\definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_1 , \ldots , x_n }
{ \in }{ [a,b] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} verschiedene Punkte aus einem \definitionsverweis {reellen Intervall}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ y_1 , \ldots , y_n }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} \aufzaehlungdrei{Zeige, dass die Funktionenmenge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ =} { { \left\{ f:[a,b] \rightarrow \R \text{ stetig } \mid f(x_i) = y_i \text{ für alle } i \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} nicht \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{} ist. }{Wie sieht es aus, wenn man nur die Polynome aus $T$ betrachtet? }{Wie sieht es aus, wenn man nur die Polynome aus $T$ vom Grad $\leq n$ betrachtet? }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{M }
{ =} { { \left\{ { \frac{ 1 }{ n } } \mid n \in \N_+ \right\} } \cup \{0\} }
{ \subseteq} { \R }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und es sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ \defeq} { { \left\{ f:M \rightarrow \R \mid f \text{ stetig und } f(0) = 0 \right\} } }
{ \subseteq} { C^0(M,\R) }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} versehen mit der Maximumsnorm. \aufzaehlungdrei{Ist $T$ abgeschlossen in $C^0(M,\R)$? }{Ist $T$ \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{?} }{Für welche Punkte
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{M }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das Auswertungsbild zu \maabbeledisp {} {T} {\R } {f} {f(x) } {,} beschränkt? }

}
{} {}

Wir verallgemeinern den Satz von Arzelà-Ascoli auf einen lokal kompkaten Raum.


Ein \definitionsverweis {Hausdorffraum}{}{} $X$ heißt \definitionswort {lokal kompakt}{,} wenn jeder Punkt eine \definitionsverweis {kompakte}{}{} \definitionsverweis {Umgebung}{}{} besitzt.


Es sei $T$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und sei \maabbdisp {f_n} {T} { {\mathbb K} } {,} \zusatzklammer {
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ n }
{ \in }{\N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} eine \definitionsverweis {Folge}{}{} von \definitionsverweis {Funktionen}{}{.} Man sagt, dass die Funktionenfolge \definitionswort {kompakt konvergiert}{,} wenn sie auf jeder \definitionsverweis {kompakten Teilmenge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ K }
{ \subseteq }{ T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \definitionsverweis {gleichmäßig konvergiert}{}{.}


Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} mit einer \definitionsverweis {kompakten Ausschöpfung}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ A_n }
{ \subseteq }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Dann versteht man unter der \definitionswort {Topologie der kompakten Konvergenz}{} auf
\mathl{C(X,{\mathbb K})}{} die \definitionsverweis {induzierte Topologie}{}{} unter der natürlichen Abbildung \maabbeledisp {} { C(X,{\mathbb K}) } {\prod_{n \in \N} C(A_n, {\mathbb K} ) } {f} { { \left( f {{|}}_{A_n} \right) }_{n \in \N} } {,} wobei die
\mathl{C(A_n, {\mathbb K} )}{} mit der \definitionsverweis {Maximumsnorm}{}{} versehen sind und der Produktraum mit der \definitionsverweis {Produkttopologie}{}{} versehen ist.





\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} mit einer \definitionsverweis {kompakten Ausschöpfung}{}{.} Zeige, dass die \definitionsverweis {Topologie der kompakten Konvergenz}{}{} unabhängig von der gewählten kompakten Ausschöpfung ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} mit einer \definitionsverweis {kompakten Ausschöpfung}{}{} und sei \maabbdisp {f_n} {X} { {\mathbb K} } {} eine \definitionsverweis {Folge}{}{} von \definitionsverweis {stetigen Funktionen}{}{.} Zeige, dass die Folge genau dann in der \definitionsverweis {Topologie der kompakten Konvergenz}{}{} \definitionsverweis {konvergiert}{}{,} wenn sie \definitionsverweis {kompakt konvergiert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {lokal kompakter}{}{} \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{,} der eine \definitionsverweis {kompakte Ausschöpfung}{}{} besitze, und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ C(X,{\mathbb K}) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} versehen mit der \definitionsverweis {Topologie der kompakten Konvergenz}{}{.} Zeige, dass $T$ genau dann kompakt ist, wenn die drei folgenden Bedingungen erfüllt sind. \aufzaehlungdrei{$T$ ist \definitionsverweis {abgeschlossen}{}{.} }{$T$ ist \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{.} }{Für jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das Auswertungsbild
\mathl{{ \left\{ f(x) \mid f \in T \right\} }}{} \definitionsverweis {beschränkt}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {lokal kompakter}{}{} \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{,} der eine \definitionsverweis {kompakte Ausschöpfung}{}{} besitze, und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ C(X,{\mathbb K}) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} versehen mit der \definitionsverweis {Topologie der kompakten Konvergenz}{}{.} Es seien die beiden Eigenschaften \aufzaehlungzwei {$T$ ist \definitionsverweis {gleichgradig stetig}{}{,} } {Für jeden Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ X }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist das Auswertungsbild
\mathl{{ \left\{ f(x) \mid f \in T \right\} }}{} \definitionsverweis {beschränkt}{}{,} } erfüllt. Zeige, dass jede Folge in $T$ eine \definitionsverweis {kompakt konvergente}{}{} \definitionsverweis {Teilfolge}{}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ eine Menge und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ \operatorname{Abb} \, { \left( X , {\mathbb K} \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine $\R$-\definitionsverweis {Unteralgebra}{}{,} die die Punkte aus $X$ \definitionsverweis {trennt}{}{.} Zeige, dass es zu Punkten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \neq }{ y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} aus $X$ und zu vorgegebenen Werten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a,b }
{ \in }{\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g }
{ \in }{ T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(x) }
{ = }{ a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(y) }
{ = }{ b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir definieren rekursiv eine Folge von reellen Polynomen $P_n$ durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P_0 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P_{n+1} (t) }
{ =} { P_n(t) + { \frac{ 1 }{ 2 } } { \left( t-P_n(t)^2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass diese Folge auf $[0,1]$ \definitionsverweis {punktweise}{}{} gegen $\sqrt{t}$ konvergiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir definieren rekursiv eine Folge von reellen Polynomen $P_n$ durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P_0 }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ P_{n+1} (t) }
{ =} { P_n(t) + { \frac{ 1 }{ 2 } } { \left( t-P_n(t)^2 \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass diese Folge auf $[0,1]$ \definitionsverweis {gleichmäßig}{}{} gegen $\sqrt{t}$ konvergiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {f} {[a,b]} { \R } {} eine \definitionsverweis {stetige Funktion}{}{} und es sei ein Stift gegeben, der einen Strich mit der Dicke
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zeichnet. Zeige, dass es ein reelles Polynom derart gibt, dass wenn man seinen Graphen mit dem Stift nachfährt, auch den Graphen von $f$ vollständig überdeckt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabb {f} {\R} {\R } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare Funktion}{}{.} Diskutiere Beziehungen zwischen den polynomialen Interpolationen von $f$, den Approximationen durch Taylor-Polynome und dem Satz von Weierstrass.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der Approximationssatz von Weierstrass nicht für \definitionsverweis {stetige Funktionen}{}{} auf $\R$ gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der Approximationssatz von Weierstrass nicht für \definitionsverweis {stetige Funktionen}{}{} auf $]0,1[$ gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {kompakter}{}{} \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ \subseteq }{ C(X, {\mathbb C} ) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine ${\mathbb C}$-\definitionsverweis {Unteralgebra}{}{,} die die Punkte aus $X$ \definitionsverweis {trennt}{}{} und die mit jeder Funktion auf ihre \definitionsverweis {komplex-konjugierte}{}{} Funktion enthält. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \overline{ T } }
{ =} { C(X, {\mathbb C} ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{6}
{

Wir betrachten die Menge von quadratischen reellen Polynomen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ T }
{ =} { { \left\{ ax^2+bx+c \mid \betrag { a } , \betrag { b } , \betrag { c } \leq 1 \right\} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} als Funktionen auf dem Einheitsintervall
\mathl{[0,1]}{.} Man gebe für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ = }{ { \frac{ 1 }{ 2 } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} explizit endlich viele \definitionsverweis {offene Bälle}{}{}
\mathl{U { \left( f,\epsilon \right) }}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ T }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} an, die $T$ überdecken.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei $X$ ein \definitionsverweis {topologischer Raum}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ A }
{ \subseteq} { C^b(X, {\mathbb K} ) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {Unteralgebra}{}{} der Algebra der beschränkten und stetigen Funktionen auf $X$. Zeige, dass der \definitionsverweis {Abschluss}{}{} $\overline{ A }$ ebenfalls eine Unteralgebra von
\mathl{C^b(X, {\mathbb K} )}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{5}
{

Man gebe explizit ein reelles Polynom an, das auf dem Intervall
\mathl{[-1,1]}{} zur Betragsfunktion den maximalen Abstand ${ \frac{ 1 }{ 10 } }$ besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Zeige, dass der Approximationssatz von Weierstrass nicht für beschränkte \definitionsverweis {stetige Funktionen}{}{} auf $]0,1[$ gilt.

}
{} {}