\documentclass[a4paper]{article} %\usepackage[singlespacing]{setspace} \usepackage[onehalfspacing]{setspace} %\usepackage[doublespacing]{setspace} \usepackage{geometry} % Required for adjusting page dimensions and margins \usepackage{amsmath,amsfonts,stmaryrd,amssymb,mathtools,dsfont} % Math packages \usepackage{tabularx} \usepackage{colortbl} \usepackage{listings} \usepackage{amsmath} \usepackage{amssymb} \usepackage{amsthm} \usepackage{enumerate} \usepackage{enumitem} \usepackage{subcaption} \usepackage{float} \usepackage[table,xcdraw]{xcolor} \usepackage{tikz-qtree} \usepackage{tikz} \usepackage{pgfplots} \pgfplotsset{compat=1.17} \usepackage{forest} \usepackage{changepage,titlesec,fancyhdr} % For styling Header and Titles \pagestyle{fancy} \renewcommand{\headrulewidth}{0.5pt} % Linienbreite anpassen, falls gewünscht \renewcommand{\headrule}{ \makebox[\textwidth]{\rule{1.0\textwidth}{0.5pt}} } \usepackage{amsmath} \pagestyle{fancy} \usepackage{diagbox} \usepackage{xfrac} \usepackage{enumerate} % Custom item numbers for enumerations \usepackage[ruled]{algorithm2e} % Algorithms \usepackage[framemethod=tikz]{mdframed} % Allows defining custom boxed/framed environments \usepackage{listings} % File listings, with syntax highlighting \lstset{ basicstyle=\ttfamily, % Typeset listings in monospace font } \usepackage[ddmmyyyy]{datetime} \geometry{ paper=a4paper, % Paper size, change to letterpaper for US letter size top=3cm, % Top margin bottom=3cm, % Bottom margin left=2.5cm, % Left margin right=2.5cm, % Right margin headheight=25pt, % Header height footskip=1.5cm, % Space from the bottom margin to the baseline of the footer headsep=1cm, % Space from the top margin to the baseline of the header %showframe, % Uncomment to show how the type block is set on the page } \lhead{Analysis und Numerik\\Sommersemester 2025} \chead{\bfseries{\vspace{0.5\baselineskip}Übungsblatt 8}} \rhead{Lienkamp, 8128180\\Werner, 7987847} \fancyheadoffset[R]{0cm} \begin{document} \setcounter{section}{8} \subsection{Votieraufgabe} Eine Geradengleichung $T: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$ ist im Allgemeinen gegeben durch \[ T(x) = ax + b \] mit Steigung $a \in \mathbb{R}$ und $y$-Achsenabschnitt $b$. Die Tangente einer differenzierbaren FUnktion $f$ an einer Stelle $x_0$ ist die Gerade, welche $f$ mit Steigung $f'(x_0)$ in $x_0$ berührt. Berechnen Sie die Tangenten der folgenden Funktionen in einem beliebigen Punkt $x_0 \in \mathbb{R}$: \begin{enumerate}[label=(\alph*)] \item $f(x) = x^3$ \item $f(x) = \frac{1 - x^2}{1 + x^2}$ \item $f(x) = x^x$ \end{enumerate} \textit{Hinweis zu (c)}: Umschreiben mittels Exponentialfunktion \subsection{Schriftliche Aufgabe} Gegeben sei die Sigmoid-Funktion: \[ \sigma(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} \] \begin{enumerate}[label=(\alph*)] \item Bestimmen Sie die Ableitung $\sigma'(x)$.\\\\ \(\Rightarrow\sigma(x) = (1 + e^{-x})^{-1} \rightarrow\) Kettenregel\\ Aus der Vorlsung wissen wir:\\ Die Kettenregel ist wie folgt definiert: sei \[ f(x) = g(h(x)) \rightarrow f'(x) = g'(h(x)) \cdot h'(x) \] Somit mit den Teilfunktionen \[ g(x) = x^{-1} \text{und} h(x) = (1 + e^{-x}) \text{dann} \sigma'(x) = -1 \cdot (1 + e^{-x})^{-2} \cdot (-e^{-x}) \] \[ \Rightarrow \sigma'(x) = \frac{(-e^{-x})}{-1 \cdot (1 + e^{-x})^{2}} \] \item Zeigen Sie, dass $\sigma$ der folgenden Gleichug genügt: \[ \sigma'(x) = \sigma(x) \cdot (1 - \sigma(x)) \quad \text{für alle} x \in \mathbb{R}. \] Wir leiten $\sigma(x)$ mit der Kettenregel ab. Schreibe zuerst: \[ \sigma(x) = (1 + e^{-x})^{-1}. \] Dann gilt: \[ \sigma'(x) = -1 \cdot (1 + e^{-x})^{-2} \cdot \frac{d}{dx}(1 + e^{-x}) = \frac{e^{-x}}{(1 + e^{-x})^2}. \] Andererseits gilt auch: \[ \sigma(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} \quad \Rightarrow \quad 1 - \sigma(x) = \frac{e^{-x}}{1 + e^{-x}}. \] \[ \sigma(x) \cdot (1 - \sigma(x)) = \frac{1}{1 + e^{-x}} \cdot \frac{e^{-x}}{1 + e^{-x}} = \frac{e^{-x}}{(1 + e^{-x})^2}. \] Also gilt: \[ \sigma'(x) = \sigma(x)(1 - \sigma(x)) \quad \text{für alle } x \in \mathbb{R}. \] \item Zeigen Sie, dass \(\quad 0 \leq \sigma(x) \leq 1 \quad \text{für alle} \quad x \in \mathbb{R}\) Da \( e^{-x} > 0 \) für alle \( x \in \mathbb{R} \), gilt: \[ 1 + e^{-x} > 1 \quad \Rightarrow \quad \frac{1}{1 + e^{-x}} < 1. \] Andererseits ist der Nenner stets positiv: \[ 1 + e^{-x} > 0 \quad \Rightarrow \quad \sigma(x) = \frac{1}{1 + e^{-x}} > 0. \] Somit: \[ 0 < \sigma(x) < 1 \quad \text{für alle } x \in \mathbb{R}. \] Da der Grenzwert von \( \sigma(x) \) bei \( x \to -\infty \) gegen \( 0 \) und bei \( x \to \infty \) gegen \( 1 \) geht, ergibt sich: \[ 0 \leq \sigma(x) \leq 1 \quad \text{für alle } x \in \mathbb{R}. \] \end{enumerate} \subsection{Multiple Choice} Kreuzen Sie bei den folgenden Fragen jeweils die zutreffende Antwort an. Korrekte Kreuze bringen +0.5 Punkte. Falsche Kreuze -0.5 Punkte. Sie bekommen auf diese Aufgabe mindestens 0 Punkte. \begin{enumerate}[label=(\alph*)] \item Jede Funktion $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ mit $|f(x)-f(y)|\leq |x-y|$ für alle $x,y \in \mathbb{R}, x\neq y$, besitzt einen Fixpunkt. \begin{flushright} wahr $\square\quad$ falsch $\boxtimes$ \end{flushright} \item Ist eine Funktion $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ differenzierbar, so ist sie auch Lipschitz-stetig. \begin{flushright} wahr $\boxtimes\quad$ falsch $\square$ \end{flushright} \item Die Funktion $f: \mathbb{R}\to \mathbb{R}$ \[f(x) = \begin{cases} \sin \left(\frac{1}{x}\right), & x\neq 0\\ 0, & x=0\\ \end{cases}\] ist stetig. \begin{flushright} wahr $\boxtimes\quad$ falsch $\square$ \end{flushright} \item Die Funktion $f: \mathbb{R}\to \mathbb{R}$ \[f(x)=\begin{cases} x^2, & x\leq 0\\ 0, & 0\leq x\leq 1\\ x-1, & 1\leq\\ \end{cases}\] ist differenzierbar. \begin{flushright} wahr $\boxtimes\quad$ falsch $\square$ \end{flushright} \end{enumerate} \subsection{Rechenaufgabe} Untersuchen Sie die folgenden Funktionen auf Differenzierbarkeit: Bestimmen Sie jeweils das maximale $n \in \mathbb{N}_0 \cup\{\infty\}$, sodass die gegebene Funktion n-mal differenzierbar ist und tragen Sie diese in das entsprechende Kästchen ein. Für beliebig oft differenzierbare Funktionen ist $n = \infty$, ist eine Funktion in mindestens einem $x \in \mathbb{R}$ nicht differenzierbar ist $n = 0$. Bitte geben Sie nur die Endergebnisse an. Korrekte Lösungen bringen $+0.5$ Punkte, falsche Lösungen 0 Punkte.\\\\ \(f(x) = \left| x \right|^3\)\\\\ \fbox{\parbox{\linewidth}{ \[f \text{ ist n} = 3\text{-mal differenzierbar}\] }}\vspace*{2mm} \textcolor{gray}{kritische Stelle x = 0 $\rightarrow 3x^2 \rightarrow 6x \rightarrow 6$}\\\\ \(f(x) = \begin{cases} 1, & x \geq 0 \\ 0, & x < 0 \end{cases} \)\\\\ \fbox{\parbox{\linewidth}{ \[f \text{ ist n} = \text{0-mal differenzierbar}\] }}\vspace*{2mm} \textcolor{gray}{Ist nicht stetig, kann also auch nicht differenziert werden.}\\\\ \(f(x) = \begin{cases} x^2 \sin(\frac{1}{x}), & x \neq 0 \\ 1 - e^{1 - x}, & x = 0 \end{cases} \)\\\\ \fbox{\parbox{\linewidth}{ \[f \text{ ist n} = 0\text{-mal differenzierbar}\] }}\vspace*{2mm} \textcolor{gray}{Ableitungen: $x^2 \cdot \sin(\frac{1}{x}) \rightarrow 2x \cdot \sin(\frac{1}{x}) -\cos(\frac{1}{x}) \rightarrow ...$ Die Trigonometrische Funktion wird nie verschwinden.\\Ebenso kann $1-e^{1 - x} \rightarrow e^{1 - x} \rightarrow -e^{1 - x}$. Ist alles aber eh irrelevant weil der Fall nur für $x = 0$ ist und $1 - e^{1 - 1}$ ist dann nicht mehr stetig.}\\\\ \(f(x) = \begin{cases} \ln(x), & x \geq 1 \\ 1 - e^{1 - x}, & x < 1 \end{cases} \)\\\\ \fbox{\parbox{\linewidth}{ \[f \text{ ist n} = 2\text{-mal differenzierbar}\] }}\vspace*{2mm} \textcolor{gray}{3. Ableitung nicht mehr stetig}\\ \end{document}