Chapter 31: Problem 3
Wieso ist \(C^{1}([a, b])\) mit der Norm $$ \|f\|=\max _{x \in[a, b]}|f(x)|+\max _{x \in[a, b]}\left|f^{\prime}(x)\right| $$ ein Banachraum?
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Chapter 31: Problem 3
Wieso ist \(C^{1}([a, b])\) mit der Norm $$ \|f\|=\max _{x \in[a, b]}|f(x)|+\max _{x \in[a, b]}\left|f^{\prime}(x)\right| $$ ein Banachraum?
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Das Kollokationsverfahren soll angewandt werden, um eine Näherungslösung der Integralgleichung $$ u(x)+\int_{0}^{1} \frac{1-x}{2} \mathrm{e}^{-x y} u(y) \mathrm{d} y=f(x), \quad x \in[0,1] $$ mit $$ f(x)=\mathrm{e}^{x}+\frac{\mathrm{e}^{1-x}}{2}-\frac{1}{2}, \quad x \in[0,1] $$ zu bestimmen. Man gibt sich eine Schrittweite \(h=1 / N\) vor und sucht eine stückweise konstante Nährungslösung $$ u_{N}(x)=\sum_{j=1}^{N} c_{j} v_{j}(x) $$ mit $$ v_{j}(x)=\left\\{\begin{array}{ll} 1, & (j-1) h \leq x \leq j h . \\ 0, & \text { sonst } \end{array} \quad j=1, \ldots, N\right. $$ Als Kollokationspunkte wird \(x_{j}=(j-1 / 2) h, j=1, \ldots, N\), verwendet. Berechnen Sie die Einträge der Matrix und der rechten Seite des resultierenden linearen Gleichungssystems. Wer SpaB am Programmieren hat, kann das Verfahren auch implementieren und die Lösung für verschiedene Werte von \(n\) untersuchen.
Ein elektrischer Schwingkreis besteht aus einer Spannungsquelle, einem Kondensator der Kapazität \(C=1 \mathrm{~F}\) und einer Spule der Induktivität \(L=1 \mathrm{H}\). Die Ladung \(Q(t)\) des Kondensators zum Zeitpunkt \(t\) erfüllt die Differenzialgleichung $$ L Q^{\prime \prime}(t)+\frac{1}{C} Q(t)=V(t) $$ Die Spannungsquelle wird zum Zeitpunkt \(t_{0}=0 \mathrm{~s}\) angeschaltet und erzeugt eine Spannung von \(1 \mathrm{~V}\). Zum Zeitpunkt \(t_{1}=2 \mathrm{~s}\) wechselt die Spannung schlagartig auf \(-1 \mathrm{~V}\). Zum Zeitpunkt \(t_{2}=3 \mathrm{~s}\) wird die Spannungsquelle wieder ausgeschaltet. Bestimmen Sie die Ladung \(Q\) des Kondensators als Funktion der Zeit.
Eine Möglichkeit der Approximation einer stetigen Funktion \(f\) auf dem Intervall \([0,1]\) durch Polynome ist die Berechnung der zugehörigen Bernstein- Polynome \(\mathcal{B}_{n} f\), $$ \mathcal{B}_{n} f(x)=\sum_{k=0}^{n} f\left(\frac{k}{n}\right)\left(\begin{array}{l} n \\ k \end{array}\right) x^{k}(1-x)^{n-k}, \quad x \in[0,1] $$ Bestimmen Sie die Norm der Operatoren \(\mathcal{B}_{n}\), wenn \(C([0,1])\) mit der Maximumsnorm versehen ist.
Gegeben sind \(n\) Datenpunkte \(\left(x_{j}, y_{j}\right)^{\top} \in \mathbb{R}^{2}, j=\) \(1, \ldots, n\). Es soll eine Ausgleichsgerade \(g(x)=a x+b\) so gefunden werden, dass die Bedingung $$ \sum_{j=1}^{n}\left|g\left(x_{j}\right)-y_{j}\right|^{2} \stackrel{!}{=} \min $$ erfüllt ist. Zeigen Sie, dass dieses Problem eine eindeutige Lösung besitzt und geben Sie ein lineares Gleichungssystem an, aus dem \(a\) und \(b\) bestimmt werden können.
Gegeben ist ein Hilbertraum \(X\) und ein abgeschlossener Unterraum \(U\). Zeigen Sie, dass die Orthogonalprojektion \(\mathcal{P}: X \rightarrow U\) ein linearer beschränkter Operator mit Norm \(\|\mathcal{P}\|=1\) ist.
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