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Abschnittsweise definierte Funktion mehrerer Vari.

Universität / Fachhochschule

Stetigkeit

Tags: Abschnittsweise definierte Funktion, mehrere Variable, Stetigkeit

 
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mathrac

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21:54 Uhr, 27.05.2017

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Hallo ihr Lieben,

ich hab mich jetzt eine Weile mit folgender Aufgabe beschäftigt. Meine Idee ist dazu, die Funktion in 3 Abschnitte zu unterteilen und die beiden mit dem r. und l. Limes auf Konvergenz untersuchen. Die frage ist nur, was für eine Variable nehme ich am besten und wie mache ich das bspw. von der ersten Zeilen und der zweiten Zeile?

Screenshot (17)

Für alle, die mir helfen möchten (automatisch von OnlineMathe generiert):
"Ich möchte die Lösung in Zusammenarbeit mit anderen erstellen."
Hierzu passend bei OnlineMathe:
Stetigkeit (Mathematischer Grundbegriff)
Funktion (Mathematischer Grundbegriff)
Online-Nachhilfe in Mathematik
Antwort
ledum

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22:13 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Hallo
trage dir die Grenzen der Gebiete in der x-y Ebene auf. innerhalb und ausserhalb der Grenzen ist f stetig, also musst du f nur auf den Grenzen y=x2 und y=-x2 und (0,0) ansehen, bzw auf Stetigkeit zu untersuchen.
Gruß ledum
Antwort
ledum

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22:14 Uhr, 27.05.2017

Antworten
sorry. doppelt
mathrac

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22:16 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Hi, danke für die Antwort.
Also die x-y Ebende hatten wir noch nicht, aber woran kann ich es denn auch noch erkennen?
mathrac

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22:25 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Die frage ist, welche variable nehme ich? Also Stetigkeit haben wir so gemacht, ob der rechtsseitige und linksseitig Grenzwert übereinstimmt.
Aber Funktionen mit 2 variable hatten wir noch nicht mit dieser Methode untersucht.
Antwort
tobit

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22:42 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Hallo,

wie lautet denn eigentlich die Aufgabenstellung? ;-)
Ich sehe nur eine Funktionsvorschrift.

Viele Grüße
Tobias
mathrac

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22:45 Uhr, 27.05.2017

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Sie lautet folgendermaßen :-) :

Screenshot (19)
Antwort
tobit

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23:05 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Danke! :-)


Du kennst ja sicherlich aus der Schule Koordinatensysteme mit x-Achse und y-Achse.
Jedem Punkt dieses Koordinatensystems ordnet f eine reelle Zahl zu, und zwar je nach "Bereich" des Koordinatensystems nach einer anderen Vorschrift.
Du solltest dir in einer Skizze innerhalb eines solchen Koordinatensystems veranschaulichen, welche Bereiche dies sind.


Verwende die Definition der Stetigkeit von Abbildungen f:2 in Punkten (x,y)2.
Wie lautet sie bei euch?

Dazu sind hier sinnvollerweise folgende Fälle zu unterscheiden:
i) y>x2
ii) y<-x2
iii) y<x2
iv) y=x2 und x0
v) y=-x2 und x0
vi) (x,y)=(0,0).

i) bis iii) sind deutlich einfacher als iv) bis vi).

Bevor ich dazu etwas schreibe, warte ich noch eure Stetigkeits-Definition ab.
mathrac

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23:14 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Die Definition könnte am ehesten dazu zutreffen, aber mehr haben wir noch nicht über Stätigkeit n solchen Räumen gemacht:

20170527_231008-1
Antwort
tobit

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23:24 Uhr, 27.05.2017

Antworten
In dieser Bemerkung geht es um Stetigkeit LINEARER Abbildungen, in dieser Aufgabe aber nicht.

Anscheinend habt ihr vor der Bemerkung irgendwo definiert, wann eine Abbildung zwischen normierten Räumen stetig in gewissen Punkten des Definitionsbereiches heißt.
Vielleicht habt ihr auch eine entsprechende Definition für beliebige metrische Räume oder gar für alle topologischen Räume.

Typisch (im Falle metrischer Räume) sind ein Folgenkriterium oder ein ɛ-δ-Kriterium.

Habt ihr ein öffentlich zugängliches Skript?
Dann könnte ich mal nach der passenden Definition suchen.

Solange du gar nicht weißt, wann f stetig in gewissen Punkten (x,y) heißt, kannst du natürlich nicht sinnvoll die Aufgabe bearbeiten.
mathrac

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23:34 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Okay, ich schau gerade nochmal in mein Skript, nein leider haben wir nichts online, leider nur in Handschrift. ɛ&minus;&delta;-Kriterium haben wir so in Verbindung gebracht:

20170527_233100-1
20170527_233135-1
mathrac

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23:36 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Aber mehr im Bezug zu Stetigkeit und metrischen Räumen haben wir nicht gemacht, also ich bin nochmals alles Sätze durch gegangen.
Antwort
tobit

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23:57 Uhr, 27.05.2017

Antworten
Das sieht gut aus.:-)

Im größeren der beiden Bilder ist erklärt, wann eine Abbildung f:XY zwischen metrischen Räumen (X,dX) und (Y,dY) in einem Punkt x0X stetig heißt.

Im Fall unserer Aufgabe ist also X=2 und Y= (mit den "gewöhnlichen" Metriken auf diesen Mengen).

Ich schlage vor, wir benutzen die (auf dem Bild zuerst genannte) Folgen-Charakterisierung der Stetigkeit:
f heißt stetig in (x,y)2, wenn für alle Folgen ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) für n gilt: f(xn,yn) für n.

Ich nehme mal an, es ist bekannt, dass (xn,yn)(x,y) in 2 gleichbedeutend mit xnx und yny in ist?


Sei nun also (x,y)2.

Wenn wir f als stetig in (x,y) nachweisen möchten, müssen wir also eine beliebig vorgegebene Folge ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) für n betrachten und f(xn,yn)f(x,y) für n nachweisen.

Wenn wir f als unstetig in (x,y) nachweisen möchten, müssen wir EINE Folge ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) für n finden, für die NICHT f(xn,yn)f(x,y) für n gilt.

Soweit alles klar?


Das gilt es jetzt jeweils für die von mir genannten Fälle i) bis vi) durchzuexerzieren.
Ich schreibe gleich wahrscheinlich eine separate Antwort, in der ich die Fälle i) und iv) vorführe.
Die restlichen Fälle kannst du dann alleine versuchen.
mathrac

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00:05 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Achso, jetzt gibt das ganze auch einen Sinn, also ist im Grunde die Stetigkeit von f(x,y) eine Stetigkeit in der Abbildung zwischen zwei metrischen Räume, also einmal R2 und R?

"Ich nehme mal an, es ist bekannt, dass (xn,yn)→(x,y) in ℝ2 gleichbedeutend mit xn→x und yn→y in ℝ ist?"

Ja, das ist bekannt und als Stetigkeit des Abstandes definiert.

Antwort
tobit

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00:10 Uhr, 28.05.2017

Antworten
" Achso, jetzt gibt das ganze auch einen Sinn, also ist im Grunde die Stetigkeit von f(x,y) eine Stetigkeit in der Abbildung zwischen zwei metrischen Räume, also einmal R2 und R?"

Genau.


" "Ich nehme mal an, es ist bekannt, dass (xn,yn)→(x,y) in ℝ2 gleichbedeutend mit xn→x und yn→y in ℝ ist?"

Ja, das ist bekannt und als Stetigkeit des Abstandes definiert. "

Unter "Stetigkeit des Abstandes" hätte ich jetzt etwas anderes verstanden, aber egal.
Hauptsache, ihr kennt diesen Zusammenhang.


Ich schreibe gerade an Fall i).
Antwort
tobit

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00:33 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Zu i), also der Untersuchung der Stetigkeit in einem beliebig vorgegebenen Punkt (x,y)2 mit y>x2:

Ich behaupte, dass f in (x,y) stetig ist.

Zum Nachweis sei ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) (also xnx und yny) für n beliebig vorgegeben.
Zu zeigen ist f(xn,yn)f(x,y) (d.h. f(xn,yn)2x) für n.

Es gilt natürlich wegen xnx auch 2xn2x für n.
Wenn wir also zeigen können, dass für genügend große n gilt yn>xn2, folgt f(xn,yn)=2xn für genügend große n und damit tatsächlich auch f(xn,yn)2x für n.

Sei ɛ:=y-x2>0.
Wegen xn2x2 ist xn2-x2<ɛ2 für genügend große n und wegen yny ist yn-y<ɛ2 für genügend große n.

Für genügend große n erhalten wir somit wie gewünscht

xn2=xn2-x2+x2
xn2-x2+x2
<ɛ2+x2
=ɛ2+y-ɛ
=-ɛ2+y-yn+yn
-ɛ2+y-yn+yn
<-ɛ2+ɛ2+yn=yn.


Ganz schön aufwendig, wenn man genau argumentiert (obwohl ich etwas salopp von "Eigenschaften für genügend große n" geschrieben habe)...

In der Praxis argumentiert man eher anschaulicher:
An der Skizze des Koordinatensystems "sieht man", dass alle Folgen ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) (also xnx und yny) für n für genügend große n die Bedingung yn>xn2 gilt.


Die Fälle ii) und iii) lassen sich auf ähnliche Weise behandeln.
Mache sie dir am besten anhand deiner Skizze klar.
mathrac

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00:44 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Okay, vielen dank das du so spät mir noch eine gute Antwort geben kannst! Respekt! Ja der Epsilon Beweis ist wie ich finde immer ein wenig aufwendiger, aber dafür halt genauer. Am Anfang hatte ich die Idee gehabt, dass man das ähnlich wie der Stätigkeit einer Funktion mit einer Variablen nachweisen könnte... also sich die Grenzübergänge anschauen und diese vergleichen, da auf dem Restlichen definierten bereich der Funktion Stetigkeit vorherrscht. Das Problem hier aber war zum einen, das wir keinen Grenzübergang haben, da die Variablen im "Verhältnis" stehen und somit für den Fall akkurat für sich nachgewiesen werden müssen. Aber vor allem hat mir die Schreibweise große Probleme bereitet. Aber ich denke, dass mir der Zusammenhang zwischen der Metrik und dem Raum jetzt deutlicher wurde. Deshalb vielen Dank! Jetzt werde ich die restlichen aufgaben nicht mehr schaffen, das mach ich dann morgen. :-D)
Kann ich mich bei Fragen einfach nochmal dazu melden?
Antwort
tobit

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00:49 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Zu iv):

Sei nun (x,y)2 mit y=x2 und x0 (insbesondere y>0).

Ich behaupte, dass f auch in (x,y) stetig ist.

Sei also wieder eine Folge ((xn,yn))n2 mit (xn,yn)(x,y) (also xnx und yny) für n beliebig vorgegeben.
Zu zeigen ist f(xn,yn)f(x,y) (d.h. f(xn,yn)2yx=2x2x=2x).

Für genügend große n ist yn>0 und x0, so dass für diese n gilt:
f(xn,yn)=2xn oder f(xn,yn)=2ynxn.

Da sowohl 2xn2x als auch 2ynxn2yx=2x für n gilt, folgt wie gewünscht f(xn,yn)2x für n.
Antwort
tobit

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01:06 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Klar kannst du dich bei Fragen morgen gerne nochmal melden.


Letztlich guckt man auch im Mehrdimensionalen, ob die Funktionsvorschriften "an den Übergängen zueinander passen".
Das wird sicherlich beim Studium von iv) deutlicher als beim Studium von i).

Die Idee bei i) war grob gesprochen, dass es für die Stetigkeit in (x,y) nur auf einen "Nah-Bereich um (x,y) herum" ankommt.
Und für alle Punkte (x',y') aus einem genügend kleinen solchen "Nah-Bereich" ist, wie an der Skizze deutlich wird, yʹ>xʹ und damit f(xʹ,yʹ)=2xʹ.

Bei iv) hingegen besteht ein "Nah-Bereich" von (x,y) aus Punkten (xʹ,yʹ) mit f(xʹ,yʹ)=2xʹ und solchen mit f(xʹ,yʹ)=2yʹxʹ.
So wie du "im Eindimensionalen" manchmal zwischen linksseitigen und rechtsseitigen Werten unterscheiden musstest, sind auch bei dieser Aufgabe unter iv) zwei "Arten" von Punkten (x',y') zu beachten.


(Falls ihr den topologischen Begriff einer Umgebung hattet: Dann kannst du überall in meiner Darstellung das Wort "Nah-Bereich" durch "Umgebung" ersetzen.)
mathrac

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23:35 Uhr, 28.05.2017

Antworten
Hallo tobi,

also habe es geschafft! Ich habe alle Fälle mit dem Epsilon Kriterium beweisen können. Somit kann ich zum Schluss kommen, das die Funktion in -2x,2x und 0 Stetig ist. Da ich für jeden der Punkte von F(xn,yn) einer dieser Punkten herausbekommen habe. Der Letzte Fall, F(xn,yn)=(0,0) ist ja schon fast trivial, wegen der Umgebung, oder? Ja Umgebungen haben wir definiert. Das ist ja dann wichtig um die ganzen Eigenschaften der Metrik und des metrischen Raumes zu verstehen, gerade wenn dann nachweise über Vollständigkeit des Raumes gezeigt werden sollen... oder ganz banal, für die Definition der offenen/abgeschlossenen Mengen im Bezug auf innere Punkte.
Antwort
tobit

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12:00 Uhr, 29.05.2017

Antworten
" also habe es geschafft! "

Schön. Dann bist du sicherlich zu dem Schluss gekommen, dass die Funktion f überall stetig ist.


" Somit kann ich zum Schluss kommen, das die Funktion in −2x,2x und 0 Stetig ist. "

???
Die Funktion f kann in Punkten (x,y) für x,y stetig sein, aber nicht in Punkten -2x oder 2x für x, denn -2x und 2x gehören als reelle Zahlen gar nicht zum Definitionsbereich der Funktion f !


" Da ich für jeden der Punkte von F(xn,yn) einer dieser Punkten herausbekommen habe. Der Letzte Fall, F(xn,yn)=(0,0) ist ja schon fast trivial, wegen der Umgebung, oder? "

Bei welchem der Fälle i) bis vi) bist du gerade?

Alle Werte der Form f(xn,yn) sind reelle Zahlen und nicht Zahlenpaare wie (0,0) !

Im Allgemeinen wird für manche n die Gleichung (xn,yn)=(0,0) gelten und für andere n nicht gelten.
mathrac

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12:20 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Ups entschuldige, das ist natürlich genau so. Also dass sie in allen punkten Stetig ist.

Ich bin im letzten Fall.


Antwort
tobit

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12:30 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Den letzten Fall vi) (x,y)=(0,0) finde ich am schwierigsten:

Jede Umgebung von (0,0) enthält Punkte aller "vier Bereiche, in denen die Funktion durch die einzelnen Terme definiert ist" .

Während bei i) nur ein "Bereich" "wesentlich" war und bei iv) zwei "Bereiche", sind es bei vi) alle vier "Bereiche".


Wenn du möchtest, kannst du ja mal deine Überlegung zur Stetigkeit von f in (0,0) präsentieren.
mathrac

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12:43 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Genau, also meine Überlegung zur Stetigkeit von f(0,0) ist folgend:

Gerade, weil die Funktion in diesem Bereich 2(bzw. 4) unterschiedliche Verläufe annehmen kann, würde ich das mit dem rechtsseitigen und linksseitigen Grenzwert untersuchen, ob das für jede einzelne Variable gilt. Also f(x,0)=(0,0),f(0,y)=(0,0) prüfen, indem ich von jeden der zweien den links und rechtsseitigen GW vergleiche.

Stimmt das so?
mathrac

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12:45 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Ergänzung: Also, in einer Fallunterscheidung die GW untersuchen.
Antwort
tobit

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13:02 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Nein, das stimmt nicht.

Es gilt sicherlich nirgendwo f(x,0)=(0,0), denn die Funktionswerte von f sind reelle Zahlen und nicht Zahlenpaare!


Wenn ich dich richtig verstehe, möchtest du Folgendes zeigen:
1. Für alle Folgen (xn)n reeller Zahlen mit limnxn=0 gilt limnf(xn,0)=0=f(0,0).
2. Für alle Folgen (yn)n reeller Zahlen mit limnyn=0 gilt limnf(0,yn)=0=f(0,0).

Die Gültigkeit von 1. und 2. ist jedoch nicht hinreichend für den Nachweis der Stetigkeit von f in (0,0); es gibt nämlich in (0,0) NICHT stetige Funktionen f:2 mit f(0,0)=0, die durchaus 1. und 2. erfüllen.


Nennen wir die "vier Bereiche" mal B1,B2,B3,B4, also

B1:={(x,y)2y>x2}
B2:={(x,y)2x0,yx2}
B3:={(x,y)2y<-x2}
B4:={(x,y)2(x,y)=(0,0)}={(0,0)}.


Überlege dir vielleicht erst einmal jeweils für i=1,2,3,4 separat:

Ist ((xn,yn))n eine Folge von Punkten (xn,yn)Bi mit limn(xn,yn)=(0,0), so folgt limnf(xn,yn)=0=f(0,0).

Daraus lässt sich dann mit geeigneten Argumenten folgern, dass auch für jede Folge ((xn,yn))n von beliebigen Punkten (xn,yn)2 mit limn(xn,yn)=(0,0) die Gültigkeit von limnf(xn,yn)=0=f(0,0) folgt.

mathrac

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13:11 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Okay, mhh, dann habe ich da wohl an was falsches gedacht :. Ich probiere deinen Ansatz gleich heute Abend aus und schreibe es dann hier rein. Vielen Dank für deine Hilfe! :-)
Antwort
tobit

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13:13 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Alles klar!
mathrac

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17:45 Uhr, 29.05.2017

Antworten
tobi, könntest du mir mal bitte die B1 zeigen?
Antwort
tobit

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17:53 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Sei also ((xn,yn))n eine Folge von Punkten (xn,yn)B1 mit limn(xn,yn)=(0,0).
Zeigen wollen wir limnf(xn,yn)=0.

Wir haben xn0 und yn0 für n.
Wegen (xn,yn)B1 gilt yn>xn2.

Daher gilt f(xn,yn)=2xn20=0 für n.
mathrac

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18:34 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Oh misst, verzeih mir bitte :(. Ich hab gerade das schon posten wollen, also ich bin auch ohne den Tipp gerade da drauf gekommen. Nun ja hier habe ich das mal für Bi ausführlich aufgeschrieben. Ich denke das müsste so passen.
Ich kann aber für die B's auch einfach den Limes von x0 betrachten, oder?
Da alle GW für alle B's übereinstimmen stimmt die Behauptung und somit ist die Funktion in allen Punkten stetig.

20170529_183058-1
mathrac

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18:38 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Also ich meine das so bspw. für B1:

limf(t,t)=lim2t=20=0=f(0,0)
t0
Antwort
tobit

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18:48 Uhr, 29.05.2017

Antworten
In deinem Bild sind 1) und 3) korrekt.
4) auch bis auf die vergessenen Indizes bei (xn,yn)=(0,0).


Der schwierigste Teil 2) ist noch falsch.
Du dividierst bei 200 munter durch 0...
(Und statt " x0, yx2 " muss es wieder " xn0, ynxn2 für alle n " heißen.)


Um 2ynxn0 zu zeigen, schätze 2ynxn unter Verwendung von ynxn2 nach oben ab.



Die Idee limt0f(t,t)=f(0,0) zu zeigen, führt nicht zum Erfolg:
Es gibt in (0,0) NICHT stetige Funktionen f:2, für die dennoch limt0f(t,t)=f(0,0) gilt.
Frage beantwortet
mathrac

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19:00 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Okay, so habe jetzt die Fehler behoben. Die Abschätzung habe ich durch die Bedingungen so gemacht, dass 2yn mit xn2 (bzw. 2xn) ist, wodurch dich durch kürzen nur noch xn stehen habe. Wodurch die Behauptung folgt.

Vielen Dank für die Zeit und deine Geduld, damit ist meine Frage beantwortet und ich habe noch dazu einige lernen können.
Frage beantwortet
mathrac

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19:00 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Okay, so habe jetzt die Fehler behoben. Die Abschätzung habe ich durch die Bedingungen so gemacht, dass 2yn mit xn2 (bzw. 2xn) ist, wodurch dich durch kürzen nur noch xn stehen habe. Wodurch die Behauptung folgt.

Vielen Dank für die Zeit und deine Geduld, damit ist meine Frage beantwortet und ich habe noch dazu einige lernen können.
Antwort
tobit

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19:03 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Schön! :-)

(Du solltest nicht 2xn, sondern 2xn da stehen haben.
Ohne Beträge funktioniert meine Abschätzung nicht.)
Frage beantwortet
mathrac

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19:04 Uhr, 29.05.2017

Antworten
Stimmt, sonst macht die Abschätzung keinen Sinn :-D)