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Beweis von Satz 3.50

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Academic year: 2021

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Analysis

Prof. Dr. Peter Becker Fachbereich Informatik Sommersemester 2020 4. Mai 2020

Eigenschaften von Sinus, Cosinus, Sinus Hyperbolicus und Cosinus Hyperbolicus

Beweis von Satz 3.50

(i)

cos(0) =

X

n=0

(−1)n

(2n)!02n= (−1)0

0! 00 = 1 sin(0) =

X

n=0

(−1)n

(2n+ 1)!02n+1 = 0 (ii)

cos(−z) =

X

n=0

(−1)n

(2n)!(−z)2n

=

X

n=0

(−1)n(−1)2n (2n)! z2n

=

X

n=0

(−1)n (2n)!z2n

= cos(z)

sin(−z) =

X

n=0

(−1)n

(2n+ 1)!(−z)2n+1

=

X

n=0

(−1)n(−1)(−1)2n (2n+ 1)! z2n+1

= −

X

n=0

(−1)n

(2n+ 1)!z2n+1

= −sin(z)

(2)

Beweis von Satz 3.51

Es gilt exp(iz) = cos(z) + i sin(z). Damit folgt 1

2(exp(iz) + exp(−iz)) = 1

2(cos(z) + i sin(z) + cos(−z) + i sin(−z))

3.50 (ii)

= 1

2(cos(z) + i sin(z) + cos(z)−i sin(z))

= 1

2 ·2 cos(z) = cos(z) und

1

2i(exp(iz)−exp(−iz)) = 1

2i(cos(z) + i sin(z)−cos(−z)−i sin(−z))

3.50 (ii)

= 1

2i(cos(z) + i sin(z)−cos(z) + i sin(z))

= 1

2i·2i sin(z) = sin(z)

Beweis von Satz 3.52

(i)

sin2(z) + cos2(z) = 1

2i(exp(iz)−exp(−iz)) 2

+ 1

2(exp(iz) + exp(−iz)) 2

= −1

4(exp(i2z)−2 + exp(−i2z)) + 1

4(exp(i2z) + 2 + exp(−i2z))

= 2 4 +2

4 = 1 (ii)

cos(z) cos(w)−sin(z) sin(w)

= 1

2(exp(iz) + exp(−iz))1

2(exp(iw) + exp(−iw))

−1

2i(exp(iz)−exp(−iz)) 1

2i(exp(iw)−exp(−iw))

= 1

4(exp(i(z+w)) + exp(i(z−w)) + exp(i(−z+w)) + exp(−i(z+w))) +1

4(exp(i(z+w))−exp(i(z−w))−exp(i(−z+w)) + exp(−i(z+w)))

= 1

4(2 exp(i(z+w)) + 2 exp(−i(z+w)))

= 1

2(exp(i(z+w)) + exp(−i(z+w)))

(3)

sin(z) cos(w) + cos(z) sin(w)

= 1

2i(exp(iz)−exp(−iz))1

2(exp(iw) + exp(−iw))

−1

2(exp(iz) + exp(−iz)) 1

2i(exp(iw)−exp(−iw))

= 1

4i(exp(i(z+w))−exp(i(−z+w)) + exp(i(z−w))−exp(−i(z+w))) 1

4i(exp(i(z+w)) + exp(i(−z+w))−exp(i(z−w))−exp(−i(z+w)))

= 1

4i(2 exp(i(z+w))−2 exp(−i(z+w)))

= 1

2i(exp(i(z+w))−exp(−i(z+w)))

= sin(z+w)

Beweis von Satz 3.55

(i) Es gilt

sinh(z) = 1

2(exp(z)−exp(−z)) cosh(z) = 1

2(exp(z) + exp(−z)) Damit folgt

sinh(z) + cosh(z) = 1

2(exp(z)−exp(−z)) + 1

2(exp(z) + exp(−z))

= 1

2(exp(z)−exp(−z) + exp(z) + exp(−z))

= 1

2·2 exp(z) = exp(z) (ii)

cosh2(z)−sinh2(z)

= 1

2(exp(z) + exp(−z)) 2

− 1

2(exp(z)−exp(−z)) 2

= 1

4 exp2(z) + 2 exp(z) exp(−z) + exp2(−z)

− 1

4 exp2(z)−2 exp(z) exp(−z) + exp2(−z)

= 1

4 ·(2 exp(z) exp(−z) + 2 exp(z) exp(−z))

= exp(z) exp(−z) = exp(z−z) = exp(0) = 1

(4)

(iii) Wir f¨uhren nur den Beweis f¨ur +.

cosh(z) cosh(w) + sinh(z) sinh(w)

= 1

2(exp(z) + exp(−z))1

2(exp(w) + exp(−w)) +1

2(exp(z)−exp(−z))1

2(exp(w)−exp(−w))

= 1

4(exp(z+w) + exp(−z+w) + exp(z−w) + exp(−z−w)) +1

4(exp(z+w)−exp(−z+w)−exp(z−w) + exp(−z−w))

= 1

4(2 exp(z+w) + 2 exp(−(z+w)))

= 1

2(exp(z+w) + exp(−(z+w)))

= cosh(z+w) (iv) Wir f¨uhren nur den Beweis f¨ur +.

sinh(z) cosh(w) + cosh(z) sinh(w)

= 1

2(exp(z)−exp(−z))1

2(exp(w) + exp(−w)) +1

2(exp(z) + exp(−z))1

2(exp(w)−exp(−w))

= 1

4(exp(z+w)−exp(−z+w) + exp(z−w)−exp(−z−w)) +1

4(exp(z+w) + exp(−z+w)−exp(z−w)−exp(−z−w))

= 1

4(2 exp(z+w)−2 exp(−(z+w)))

= 1

2(exp(z+w)−exp(−(z+w)))

= sinh(z+w) (v)

sin(iy) = 1

2i(exp(iiy)−exp(−iiy))

= 1

2i(exp(−y)−exp(y))

= −1

2i(exp(y)−exp(−y))

= i

2(exp(y)−exp(−y))

= i sinh(y)

(5)

(vi)

cos(iy) = 1

2(exp(iiy) + exp(−iiy))

= 1

2(exp(−y) + exp(y))

= 1

2(exp(y) + exp(−y))

= cosh(y) (vii)

cos(x+ iy) 3.52= cos(x) cos(iy)−sin(x) sin(iy)

(v),(vi)

= cos(x) cosh(y)−i sin(x) sinh(y) (viii)

sin(x+ iy) 3.52= sin(x) cos(iy) + cos(x) sin(iy)

(v),(vi)

= sin(x) cosh(y) + i cos(x) sinh(y)

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