Kurs:Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)/Arbeitsblatt 23/latex

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\setcounter{section}{23}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} $c_{-1},c_0,c_1,c_2$ für die Funktion
\mathl{t^2-3t+4}{} auf
\mathl{[0,2 \pi]}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbdisp {f} {\R} {{\mathbb C} } {} eine Funktion und sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass $f$ genau dann $T$-\definitionsverweis {periodisch}{}{} ist, wenn es eine Faktorisierung
\mathdisp {\R \stackrel{p}{\longrightarrow} S^1 \stackrel{ \tilde{f} }{\longrightarrow} {\mathbb C}} { }
gibt, wobei $p$ die \definitionsverweis {Quotientenabbildung}{}{} modulo der \definitionsverweis {Untergruppe}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \Z T }
{ \subseteq }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist.

}
{} {}

Wenn man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ S^1 }
{ \subseteq }{ {\mathbb C} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} auffasst, so kann man $p$ als
\mathl{t \mapsto e^{ { \frac{ 2 \pi }{ T } } { \mathrm i} t}}{} realisieren. Wenn $f$ ein trigonometrisches Polynom zur Periode $T$ ist, sagen wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} { \sum_{n = -N}^N r_n e^{ \omega { \mathrm i} n t } }
{ =} { \sum_{n = -N}^N r_n { \left( e^{ \omega { \mathrm i} t } \right) }^n }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} so ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ = }{ \tilde{f} \circ p }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \tilde{f}(z) }
{ =} { \sum_{n = -N}^N r_n z^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Man erhält also $f$, indem man in die \definitionsverweis {rationale Funktion}{}{} $\tilde{f}$ für die Variable die Funktion $e^{ \omega { \mathrm i} t }$ einsetzt.




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ { \frac{ 2 \pi }{ T } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass ein \definitionsverweis {trigonometrisches Polynom}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ = }{ \sum_{n {{}} -N}^N c_ne^{ { \mathrm i} \omega n t } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} höchstens $2N$ Nullstellen in
\mathl{[0, T [}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Multipliziere die beiden \definitionsverweis {trigonometrischen Polynome}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f }
{ =} {4 e^{ -2{ \mathrm i} t} + 5e^{- { \mathrm i} t}+7+3e^{ { \mathrm i} t}+6e^{ 2 { \mathrm i} t} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g }
{ =} { -2 e^{ -2{ \mathrm i} t} + 3e^{- { \mathrm i} t}-3+6e^{ { \mathrm i} t}-e^{ 2 { \mathrm i} t} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L^2([0, T ]) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit den \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{}
\mathbed {c_n} {}
{n \in \Z} {}
{} {} {} {.} Zeige, dass die \definitionsverweis {konjugiert-komplexe}{}{} Funktion $\overline{ f }$ die Fourierkoeffizenten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ d_n }
{ =} { \overline{ c_{-n} } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L^2([0, T ]) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit den \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{}
\mathbed {c_n} {}
{n \in \Z} {}
{} {} {} {.} Zeige, dass die \zusatzklammer {zu
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ s }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} umskalierte Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g(t) }
{ \defeq} { f(st) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Periodenlänge ${ \frac{ T }{ s } }$ besitzt und dass die Fourierkoeffizienten von $g$ ebenfalls gleich $c_n$ sind \zusatzklammer {die sich nun aber auf ein anderes Orthonormalsystem beziehen} {} {.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \omega }
{ = }{ { \frac{ 2 \pi }{ T } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ f }
{ \in }{ L^2([0, T ]) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} mit den \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{}
\mathbed {c_n} {}
{n \in \Z} {}
{} {} {} {.} Zeige, dass die im Argument verschobene Funktion
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(t) }
{ \defeq }{ f(t+a) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} zu einem
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} die Fourierkoeffizienten $c_n e^{ { \mathrm i} n \omega a }$ besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {f} {\R} { {\mathbb K} } {} eine $T$-\definitionsverweis {periodische Funktion}{}{.} Zeige, dass $f$ genau dann eine \definitionsverweis {gerade Funktion}{}{} ist, wenn der \definitionsverweis {Graph}{}{} von $f$ auf
\mathl{[0, T ]}{} achsensymmetrisch zur Achse durch
\mathl{( { \frac{ T }{ 2 } } ,0)}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {f} {\R} { {\mathbb K} } {} eine $T$-\definitionsverweis {periodische Funktion}{}{.} Zeige, dass $f$ genau dann eine \definitionsverweis {ungerade Funktion}{}{} ist, wenn der \definitionsverweis {Graph}{}{} von $f$ auf
\mathl{[0, T ]}{} punktsymmetrisch zum Punkt
\mathl{( { \frac{ T }{ 2 } } ,0)}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {f} {\R} { {\mathbb K} } {} eine stetige $T$-\definitionsverweis {periodische Funktion}{}{.} Zeige, dass folgende Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungdrei{ $f$ ist \definitionsverweis {gerade}{}{.} }{Für die \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} gilt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c_n }
{ = }{ c_{-n} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Die reellen Koeffizienten $b_n$ sind alle $0$. }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei \maabbdisp {f} {\R} { {\mathbb K} } {} eine stetige $T$-\definitionsverweis {periodische Funktion}{}{.} Zeige, dass folgende Aussagen äquivalent sind. \aufzaehlungdrei{ $f$ ist \definitionsverweis {ungerade}{}{.} }{Für die \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} gilt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c_n }
{ = }{ -c_{-n} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Die reellen Koeffizienten $a_n$ sind alle $0$. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Fourierreihen}{}{} zu den Funktionen
\mathbed {e^{ { \mathrm i} m t}} {}
{m \in \Z} {}
{} {} {} {,} wenn man sie auf
\mathl{[0, \pi]}{} auffasst.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Funktionen
\mathdisp {1, \sqrt{2} \cos 2 \pi n t , n\in \N_+, \sqrt{2} \sin 2 \pi n t , n\in \N_+,} { }
ein \definitionsverweis {vollständiges Orthonormalsystem}{}{} von $L^2([0,1])$ bilden.

}
{} {}


Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und es seien \maabb {f,g} {\R} { {\mathbb C} } {} $T$-\definitionsverweis {periodische}{}{} \definitionsverweis {messbare Funktionen}{}{,} die auf $[0, T ]$ $L^2$-\definitionsverweis {integrierbar}{}{} sind. Dann ist die \definitionswort {periodische Faltung}{} $f * g$ durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (f*g)(t) }
{ \defeq} { { \frac{ 1 }{ T } } \int_0^T f(t-s) g(s) ds }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definiert.





\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und es seien \maabb {f,g} {\R} { {\mathbb C} } {} $T$-\definitionsverweis {periodische}{}{} \definitionsverweis {messbare Funktionen}{}{,} die auf $[0, T ]$ $L^2$-\definitionsverweis {integrierbar}{}{} sind und die \definitionsverweis {Fourierreihen}{}{} $\sum_{n \in \Z} c_n e^{ { \mathrm i} n \omega t }$ bzw. $\sum_{n \in \Z} d_n e^{ { \mathrm i} n \omega t }$ besitzen. Zeige, dass die \definitionsverweis {periodische Faltung}{}{} die Fourierreihe $\sum_{n \in \Z} c_nd_n e^{ { \mathrm i} n \omega t }$ besitzt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ T }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mathl{L^2([0, T])}{} mit der Addition von Funktionen und der \definitionsverweis {periodischen Faltung}{}{} zu einem \definitionsverweis {kommutativen Ring}{}{} wird, in dem allerdings das neutrale Element für die Multiplikation fehlt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Die sogenannten \stichwort {Bernoulli-Polynome} {} $B_n$ für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{\N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind Polynome vom Grad $n$, die rekursiv definiert werden: $B_0$ ist das konstante Polynom mit dem Wert $1$. Das Polynom $B_{n+1}$ berechnet sich aus dem Polynom $B_n$ über die beiden Bedingungen: $B_{n+1}$ ist eine Stammfunktion von $(n+1)B_n$ und es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \int_0^1 B_{n+1} (x) dx }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} \aufzaehlungdrei{Berechne $B_1$. }{Berechne $B_2$. }{Berechne $B_3$. }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien $c_{m,n}$ die \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} zu den Potenzen $t^m$ \zusatzklammer {auf dem Einheitsintervall} {} {.} Zeige, dass diese die rekursiven Bedingungen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ c_{0,0} }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ c_{0,n} }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ c_{m,0} }
{ =} { { \frac{ 1 }{ m+1 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ m }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ c_{m,n} }
{ =} { - { \frac{ e^{- 2 \pi { \mathrm i} n } }{ 2 \pi { \mathrm i} n } } + { \frac{ m }{ 2 \pi { \mathrm i} n } } c_{m-1, n} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ m,n }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erfüllen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die Fourierentwicklung zu $t^2$ auf
\mathl{[0,1]}{} unter Verwendung der Fourierreihen der \definitionsverweis {Bernoulli-Polynome}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{k = 0}^\infty (-1)^k { \frac{ 1 }{ 2k+1 } } }
{ =} { { \frac{ \pi }{ 4 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Lemma 23.9.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{n = 1}^\infty { \frac{ 1 }{ n^4 } } }
{ =} { { \frac{ \pi^4 }{ 90 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Satz 23.10.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{4}
{

Bestimme \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} $c_{-1},c_0,c_1,c_2$ für die Funktion
\mathl{3t^2-5 { \mathrm i} t-1}{} auf
\mathl{[0,2 \pi]}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{5}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Fourierkoeffizienten}{}{} der $2$-\definitionsverweis {periodischen Funktion}{}{,} die auf
\mathl{[-1,1]}{} durch die \definitionsverweis {Betragsfunktion}{}{} gegeben ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{n = 1}^\infty (-1)^{n+1} { \frac{ 1 }{ n^2 } } }
{ =} { { \frac{ \pi^2 }{ 12 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Satz 23.10.

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{n = 1}^\infty { \frac{ 1 }{ n^6 } } }
{ =} { { \frac{ \pi^6 }{ 945 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit Satz 23.10.

}
{} {}