Analysis Chapter 1

Analysis Chapter 1 and Neorged everything for Analysis

fs25/analysis_I_II/graphs/main.py

@@ -0,0 +1,15 @@
+from manim import *
+
+
+class ball(Scene):
+    def construct(self):
+
+        self.camera.background_color = WHITE
+
+        circ1 = Circle(radius=1, color=PURPLE, fill_opacity=1).move_arc_center_to(
+            3 * LEFT
+        )
+        circ2 = Circle(radius=1, color=BLUE, fill_opacity=0.5)
+        circ3 = Circle(radius=1, color=GREEN).move_arc_center_to(3 * RIGHT)
+
+        self.add(circ1, circ2, circ3)

fs25/analysis_I_II/grundlagen/funktionen.tex

@@ -0,0 +1,168 @@
+\section{Funktionen}
+
+Intuitiv ist eine Funktion (oder Abbildung) von $X$ nach $Y$ eine Vorschrift, die jedem Element $x \in X$ ein eindeutiges Element $y \in Y$ zuordnet. \cite{Ziltner2024}
+
+\dfn{Funktion}{
+	Eine Funktion (oder Abbildung) ist ein Tripel
+
+	\[
+		f = (X, Y, G)
+		,\]
+
+	wobei $X$ und $Y$ Mengen sind und $G \subseteq X \times Y$ eine Teilmenge, sodass es für jedes $x \in X$ genau ein $y \in Y$ gibt, sodass $(x,y) \in G$.
+
+	\cite{Ziltner2024}
+}
+
+\dfn{Definitionsbereich, Zielbereich, Graph, Wert in einem Punkt}{
+	Für die Funktion $f$ haben wir folgende Definitonen um die Eigenschaften einer Funktion zu definieren.
+
+	\begin{itemize}
+		\item $\text{dom } f := \text{dom}(f) := \text{Definitionsbereich von } f := X$ Der Definitonsbereich sind die Werte von $x$, welche für diese Funktion erlaubt sind.
+		\item $\text{codom } f := \text{codom}(f) := \text{Zielbereich von } f := Y$ Der Zielbereich sind die Werte von $y$, welche für diese Funktion erlaubt sind.
+		\item Graph von $f := G$
+		\item Wert von $f$ an der Stelle $x \in X := f(x) := y$
+		\item $f : X \rightarrow Y := "\text{dom } f = X \text{und codom } f = Y"$
+	\end{itemize}
+}
+
+\dfn{Bild}{
+	Das Bild einer Funktion $f$ ist eine Menge, welche die möglichen $\text{codom}(f)$ beinhaltet ($\text{im}(f) \subseteq \text{codom}(f)$).
+
+	\[
+		f(A) := \{ f(x) | x \in A\}
+		.\]
+
+	Was bedeutet das? Wenn wir die Menge $A$, welches eine Teilmenge von $X$ ist, auf $f$ verwenden, so bekommen wir ein Teil, gegebenenfalls alle Elemente von $Y$.
+}
+
+\dfn{Urbild}{
+	Das Urbild einer Funktion $f$ ist eine Menge, welche die möglichen $\text{dom}(f)$ beinhaltet ($f ^{-1} \subseteq \text{dom}(f)$)
+
+	\[
+		f ^{-1} (B) := \{ x \in X | f(x) \in B \}
+		.\]
+
+	Was bedeutet das? Wenn wir die Menge $B$, welches eine Teilmenge von $Y$ ist, auf die Inverse von $f$ ($f ^{-1}$) verwenden, so bekommen wir ein Teil, gegebenenfalls alle Elemente von $X$.
+}
+
+Wir werden nun weitere Eigenschaften von Funktionen kennenlernen: Die Injektivität, Surjektivität und Bijektivität.
+
+\dfn{Injektiv}{
+	Eine Funktion ist injektiv wenn
+
+	\[
+		\forall x , x' \in X : f(x) = f(x') \Rightarrow x = x'
+		.\]
+
+	Einfach gesagt bedeutet dies, dass ein Element von $X$ nicht dasselbe Resultat ausgibt, wenn das Element in die Funktion eingesetzt wird.
+}
+
+\dfn{Surjektiv}{
+	Eine Funktion ist surjektiv wenn
+
+	\[
+		\forall y \in Y \exists x \in X : f(x) = y
+		.\]
+
+	Einfach gesagt bedeutet dies, dass ein Element von Y durch ein Element von X zugeordent ist. Dabei kann ein Element von X auch mehrere Elemente von Y zugeordnet sein.
+}
+
+\dfn{Bijektiv}{
+	Eine Funktion ist bijektiv wenn sie injektiv und surjektiv ist. Mathematisch bedeutet dies
+
+	\[
+		(\forall x , x' \in X : f(x) = f(x') \Rightarrow x = x') \land (\forall y \in Y \exists x \in X : f(x) = y)
+		.\]
+
+}
+
+\exa{injektiv, surjektiv, bijektiv \cite{Ziltner2024}}{
+	\begin{itemize}
+		\item Die Identität $\text{id}_x$ ist bijektiv
+		\item Die Funktion $f : [ 0, \infty ) \rightarrow \mathbb{R}, f(x) := x$, ist injektiv und nicht surjektiv.
+		\item Die Funktion $f :\mathbb{R} \rightarrow [ 0, \infty ) , f(x) := x ^2$, sit nicht injektiv, aber surjektiv.
+		\item Die Funktion $f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x) := x ^2$, ist weder injektiv noch surjektiv.
+	\end{itemize}
+}
+
+\nt{
+	Die Identität ist eine Funktion welches sich selber wieder ausgibt.
+
+	\[
+		f(x) = x
+		.\]
+
+}
+
+\dfn{Umkehrfunktion / Inverse}{
+	Die Umkehrfunktion oder Inverse einer Funktion ist eine Funktion, welches das Gegenteil der Ursprünglichen Funktion $f$ macht.
+
+	\[
+		f ^{(-1)} : Y \rightarrow X, f ^{(-1)}(y) := x
+		.\]
+
+	In anderen Worten: wenn man ein Element von X in die Funktion einsetzt, so bekommt man ein Element von Y. Wichtig zu erwähnen ist, dass eine Inverse nur existiert, wenn die Funktion bijektiv ist.
+}
+
+\exa{Umkehrfunktion / Inverse \cite{Ziltner2024}}{
+	\begin{itemize}
+		\item Die Umkehrfunktion der Identität $\text{id}_x$ ist $\text{id}_x ^{-1} = \text{id}_x$.
+		\item Die Funktion $f : [ 0 , \infty ) , f(x) := x ^2$, ist bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist die Quadratwurzelfunktion $\sqrt{} := f ^{-1} : [ 0, \infty) \rightarrow [ 0 , \infty)$.
+		\item Die Exponentialfunktion exp als Funktion von $X := \mathbb{R}$ nach $Y := (0, \infty)$ ist bijektiv. Ihre Umkehrfunktion ist der natürliche Logarithmus $\text{log} := \text{exp} ^{-1} : (0, \infty) \rightarrow \mathbb{R}$.
+	\end{itemize}
+}
+
+\dfn{Verknüpfung von Funktionen}{
+	Die Verknüpfung von Funktion ist wie folgt definiert.
+
+	\[
+		g \circ f : X \rightarrow Z, g \circ f(x) := g(f(x))
+		.\]
+
+	Dies bdeuetet nichts weiter, dass der codom($f$) in die Funktion $g$ eingesetzt wird, und ELemente von $Z$ dabei herauskommen.
+	\\
+	Wichtig zu erwähnen ist, dass die codom($f$) = dom($g$) ist weil sonst die Verknüpfung nicht funktionieren würde.
+}
+
+\exa{Verknüpfung, Reihenfolge davon \cite{Ziltner2024}}{
+	\begin{itemize}
+		\item Wir betrachten $X := Y := Z$ und die Funktionen
+
+		      \[
+			      f, g : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f(x) := x + 1, g(y) := y ^2
+			      .\]
+
+		      Die Verknüpfung von $f$ und $g$ ist gegeben durch
+
+		      \[
+			      g \circ f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, g \circ f(x) = (x + 1) ^2
+			      .\]
+
+		      Der Zielbereich von $g$ ist gleich $\mathbb{R}$. Das stimmt mit dem Definitionsbereich von $f$ überein. Daher ist die umgekehrte Verknüpfung ebenfalls sinnvoll. Sie ist gegeben durch
+
+		      \[
+			      f \circ g : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}, f \circ g(y) = y ^2 + 1
+			      .\]
+
+		      In diesem Beispiel gilt daher
+
+		      \[
+			      g \circ f \neq f \circ g
+			      .\]
+
+		\item Wir betrachten $X := \mathbb{R} ^2, Y := Z := \mathbb{R}$ und die Funktionen
+
+		      \[
+			      f : \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}, f(x,y) := x + y, g := \text{exp} : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}
+			      .\]
+
+		      Die Verknüpfung von $f$ und $g$ ist gegeben durch
+
+		      \[
+			      g \circ f : \mathbb{R} ^2 \rightarrow \mathbb{R}, g \circ f(x,y) = \text{exp}(x + y) = e ^{x + y}
+			      .\]
+
+		      Die umgekehrte Verknüpfung $f \circ g$ ist nicht wohldefiniert (= sinnvoll), da der Yielbereich von $g$, also $\mathbb{R}$, nivcht gleich  dem Definitionsbereich von $f$, also $\mathbb{R} ^2$, ist.
+	\end{itemize}
+}

fs25/analysis_I_II/grundlagen/grundlagen.tex

@@ -1,3 +1,6 @@
 \chapter{Grundlagen: Logik, Mengen, Funktionen}
 
 \input{logik.tex}
+\input{mengenlehre.tex}
+\input{quantoren.tex}
+\input{funktionen.tex}

fs25/analysis_I_II/grundlagen/logik.tex

@@ -1,4 +1,4 @@
-\section{Logik}
+\section{Logik} \label{cha:logic}
 
 \subsection{Grundlagen}
 

fs25/analysis_I_II/grundlagen/mengenlehre.tex

@@ -0,0 +1,168 @@
+\section{Mengenlehre}
+
+\subsection{Grundlagen}
+
+Eine Menge ist eine ungeordnete Zusammenfassung von Objekten zu einem Ganzen. Die in einer Menge enthaltenen Objekte nennen wir ihre Elemente. \cite{Ziltner2024}
+\\
+\\
+\thm{Schreibweise einer Menge}{
+	Nehmen wir an, dass $x_1, x_2, ... x_{n}$ Elemente sind. Dann ist die Menge, bestehend aus den Elementen $x_1, x_2, ... x_{n}$
+
+	\[
+		\{ x_1, x_2, ... x_{n} \}
+		.\]
+}
+
+\exa{}{
+	\begin{itemize}
+		\item $\{ 1,0 \}$
+		\item $\emptyset$
+		\item $\{ \emptyset \}$
+	\end{itemize}
+}
+
+\nt{
+	Mengen können wiederholende Elemente besitzen.
+}
+
+\dfn{Beschreibende Mengenschreibweise}{
+	Die beschreibende Mengenschreibweise ist eine Aussageform, welche Elemente $x$ definiert, die in einer Menge enthalten sein können und eine Bedingung $P(x)$ erfüllen.
+
+	\begin{equation}
+		\{ x | P(x) \} \text{Für die Menge aller $x$, für die $P(x)$ gilt.}
+	\end{equation}
+}
+
+\exa{}{
+	\begin{itemize}
+		\item $\{ n | n \in \mathbb{N}_0 : n \text{ ist gerade} \}$
+	\end{itemize}
+}
+
+\subsection{Mengenoperationen und Teilmengenrelation}
+
+Wie in Kapitel \ref{cha:logic} haben Mengen auch Logikoperationen. Sie sind sehr ähnlich zu den "normalen" Logikoperationen.
+
+\begin{tabular}{ c  c }
+	$A \cup B$      & $\{ x | x \in A \land x \in B \}$ = Durchschnitt \\
+	$A \cap B$      & $\{ x | x \in A \lor x \in B \}$ = Vereinigung   \\
+	$A \setminus B$ & $\{ x \in A | x \notin B \}$ = Differenz         \\
+\end{tabular}
+
+Wenn die Menge $A$ auch in der Menge $B$ liegt, so ist $A$ eine Teilmenge von $B$.
+
+\[
+	A \subseteq B
+	.\]
+
+\thm{Das Komplementär einer Menge}{
+	Das Komplementär einer Menge definiert eine Menge $A$, welche die Elemente einer anderen Menge $B$ nicht beinhaltet.
+
+	\[
+		B ^{\complement} = A \setminus B
+		.\]
+}
+
+\thm{De-Morganschen Gesetze}{
+	\begin{itemize}
+		\item $(A \cup B)^\complement = A ^\complement \cap B ^\complement$
+		\item $( A \cap B ) ^\complement = A ^\complement \cup B ^\complement$
+	\end{itemize}
+}
+
+\thm{Tupel}{
+	Wenn wir eine Liste von Elementen, bestehen aus $x_1, ..., x_{n}$ haben, so nennen wir diese Liste ein Tupel. Die Anzahl von Elementen $n$ sowie die Anordunng der Elementen spielt eine Rolle.
+
+	\begin{itemize}
+		\item Für $n = 2$ nennen wir den Tupel ein Paar.
+		\item Für $n = 3$ nennen wir den Tupel ein Trippel.
+		\item Für alle anderen $n$ bezeichnet man die Liste als n-Tupel.
+	\end{itemize}
+
+	Wie schon vorher erwähnt spielt die Anordung eine grosse Rolle. ($(x_1, x_2) \neq (x_2, x_1)$)
+}
+
+\thm{Karthesisches Produkt}{
+	Das Produkt zweier Mengen (\textit{karthesische Produkt}) $X$ und $Y$ kann als eine Menge bestehend aus den Permutationen den Elementen der beiden Mengen dargestellt werden.
+}
+
+\exa{Karthesisches Produkt}{
+	Sei $X := \{ 0,1 \}$ und $Y := \{ \text{Apfel}, \text{Berg} \}$.
+
+	\[
+		X \times Y  = \{ (0,\text{Apfel}), (0,\text{Berg}), (1, \text{Apfel}), (1, \text{Berg}) \}
+		.\]
+}
+
+\nt{
+	Für Potenzen gilt das gleiche Prinzip, i.e $X ^{2} = X \times X$, $X ^{3} = (X \times X) \times X$, usw.
+}
+
+\dfn{Euklidische Norm}{
+Die euklidische Norm $|| \cdot ||$ ist die Distanz von einem Punkt, z.B. $\nu$ zu ihrem Ursprung und wird wie folgt berechnet.
+
+\[
+	||\nu|| := \sqrt{\sum_{i = 1}^{n}v_i ^{2}}
+	.\]
+
+}
+
+\newpage
+
+\thm{Offener und abgeschlossener Ball, Sphäre}{
+	E
+	in Ball oder eine Sphäre ist eine Menge von Punkten in einen $n$-Dimensionalen Raum, welche einen bestimmten Abstand zum Mittelpunkt des Balles bzw. der Sphäre haben.
+
+	\begin{enumerate}
+		\item Der offene Ball ist eine Menge von Punkten, deren Abstand zum Mittelpunkt $x_0$ kleiner als der Radius $r$ ist.
+
+		      \[
+			      B_r(x_0) := B ^{n} _r(x_0) := \{ x \in \mathbb{R} ^{n} | ||x-x_0|| < r \}
+			      .\]
+
+		\item Der abgeschlossene Ball ist eine Menge von Punkten, deren Abstand zum Mittelpunkt $x_0$ kleiner oder gleich dem Radius ist.
+
+		      \[
+			      \bar{B}_r(x_0) := \bar{B} ^{n} _r(x_0) := \{ x \in \mathbb{R} ^{n} | ||x - x_0|| \leq r \}
+			      .\]
+
+		\item Die Sphäre ist eine Menge von Punkten, deren Abstand zum Mittelpunkt $x_0$ gleich dem Radius ist.
+
+		      \[
+			      S ^{n-1} _r (x_0) := \{ x \in \mathbb{R}^{n}| ||x - x_0|| = r \}
+			      .\]
+	\end{enumerate}
+
+
+}
+
+\begin{figure}[h]
+	\begin{center}
+		\includegraphics[width=\textwidth]{fig/Fig_1.png}
+	\end{center}
+	\caption{Von links nach rechts: Offener Ball, abgeschlossener Ball, Sphäre}
+\end{figure}
+
+\nt{
+	Das die Sphäre eine Dimension verliert ($n-1$) ist auf dem ersten Blick verwirrend, macht aber Sinn. Bei einer Sphäre wird nur der Mantel betrachtet. Dadurch wird der Freiheitsgrad verringert was dazu führt, dass eine Dimension verloren geht i.e. der Mantel einer Kugel ist eine Fläche oder der Rand einer Kreisscheibe ist eine Linie.
+}
+
+\thm{Fall $r = 0$ und $r = \infty$}{
+	Falls $r = 0$ gilt für den Ball
+	\begin{itemize}
+		\item $B_0(x_0) = \emptyset$ da die euklidische Norm nicht kleiner als 0 sein kann
+		\item $\bar{B}_0(x_0) = \{ x_0 \}$ da der einzige Punkt dessen Abstand zum Mittelpunkt null ist der Mittelpunkt selbst ist.
+	\end{itemize}
+
+	Falls $r = \infty$, dann gilt
+
+	\begin{itemize}
+		\item $B_{\infty}(x_0) = \mathbb{R} ^{n}$
+		\item $\bar{B}_{\infty}(x_0) = \mathbb{R} ^{n}$
+	\end{itemize}
+}
+
+\nt{
+	Obwohl $\mathbb{R}^{n}$ ein offener und auch ein geschlossener Ball sein kann bedeutet es nicht, dass $B_{\infty} (x_0) = \bar{B}_{\infty} (x_0)$ ist. Das Problem ist, dass kein Rand existiert für einen Kreis mit $r = \infty$. Deshalb ist $\mathbb{R}^{n}$ beides.
+}
+

fs25/analysis_I_II/grundlagen/quantoren.tex

@@ -0,0 +1,38 @@
+\section{Quantoren}
+
+Quantoren sind logische Operatoren, die angeben, wie viele Objekte $x$ eine Bedingung $P(x)$ erfüllen. Die zwei wichtigsten Quantoren sind die folgenden: \cite{Ziltner2024}
+
+\begin{center}
+	\begin{tabular}{| c | c | c |}
+		Notation  & Bedeutung                & Beziehung       \\
+		\hline
+		$\forall$ & "für jedes" = "für alle" & Allquantor      \\
+		$\exists$ & "es gibt"                & Existenzquantor \\
+	\end{tabular}
+	\\
+	\cite{Ziltner2024}
+\end{center}
+
+\exa{Quantoren}{
+	\begin{itemize}
+		\item[(i)] $\forall n \in \mathbb{N}_0 : n \geq 0$ ist Wahr
+		\item[(ii)] $\exists n \in \mathbb{N}_0 : n > 0$ ist Wahr
+		\item[(iii)] $\forall m \in \mathbb{N}_0 \exists n \in \mathbb{N}_0 : m \leq n$ ist Wahr
+		\item[(iv)] $\exists n \in \mathbb{N}_0 \forall m \in \mathbb{N}_0 : m \leq n$ ist Falsch
+	\end{itemize}
+}
+
+\nt{
+	Die Reihenfolge der Quantoren spielt eine Rolle. Dies können wir an den vorheringen Beispielen erkennen.
+}
+
+\thm{Verneinung einer quantifizierten Assageform}{
+	Die Verneinung von den Quantoren $\forall$ und $\exists$ ist wie folgt definiert.
+
+	\[
+		\neg(\forall x \in X : P(x)) \equiv \exists x \in X : \neg P(x)
+		.\]
+	\[
+		\neg(\exists x \in X : P(x)) \equiv \forall x \in X : \neg P(x)
+		.\]
+}

fs25/analysis_I_II/vektorfeld/satz_green.aux

@@ -0,0 +1,62 @@
+\relax 
+\providecommand{\transparent@use}[1]{}
+\providecommand\hyper@newdestlabel[2]{}
+\@writefile{toc}{\contentsline {section}{\numberline {12.1}Satz von Green}{27}{section.12.1}\protected@file@percent }
+\@setckpt{./vektorfeld/./satz_green}{
+\setcounter{page}{28}
+\setcounter{equation}{0}
+\setcounter{enumi}{3}
+\setcounter{enumii}{0}
+\setcounter{enumiii}{0}
+\setcounter{enumiv}{0}
+\setcounter{footnote}{0}
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+\setcounter{part}{2}
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+\setcounter{mylabelcounter}{0}
+\setcounter{lstlisting}{0}
+}

fs25/analysis_I_II/vektorfeld/satz_green.tex

@@ -0,0 +1,26 @@
+\section{Satz von Green}
+
+% Notiz zu Satz von Stokes
+
+\nt{
+	Der intrinsische Rand ist nicht dasselbe wie der topologische Rand. Wenn wir einen Halbkreis in einem Raum betrachten, so ist der topologische Rand die Gerade des Halbkreises, sowie die gebogene Gerade. Der intrinsische Rand betrachtet nur die Gerade.
+}
+
+% Notiz zu Satz von Stokes
+
+\nt{
+	$\text{rot } X$ ist eine stetige Funktion. Was dies besagt ist, dass wenn das Intervall $x_j$ immer kleiner gewählt wird, so kommt man immer näher an den Mittelwert der Funktion.
+}
+
+% Notiz zu parametrisierbare Untermannigfaltigkeit
+
+\nt{
+	$C^k$ Einbettung, weil wir dadurch die Topologie beibehalten. Ohne der Einbettung würden wir die Form abändern.
+}
+
+% Notiz zu Einheitsnormalvektorfeld
+
+\nt{
+	Der Einheitsnormalvektorfeld beschreibt, wie die Fläche eines Körper orientiert ist. Wenn wir an jedem Punkt eines Körpers eine Tangentialfläche projezieren und an jeder Tangentialfläche einen Normalvektor hinzufügen, so bilden wir den Einheitsnormalvektorfeld. Die Koorentierung sorgt einfach dafür, dass der Einheitsnormalvektor nach aussen zeigt.
+}
+

fs25/analysis_I_II/vektorfeld/vektorfeld.tex

@@ -1 +1,3 @@
 \chapter{Vektorfelder und die Sätze von Green, Stokes und Gauss}
+
+\include{./satz_green.tex}