Dynamische Systeme und Stabilität
3. Übung

Martin Schmidt, Ross Ogilvie, Noah Schepp       3. März 2025
______________________________________________________________________________________________________________________________

6.
Babylonische Methode.

Sei I = [2,3] und betrachten Sie die Funktion

f : I → I,f(x) = 1 2 (x + 5 x ).
(a)
Zeigen Sie, dass f(x) eine lipschitzstetige Abbildung ist, mit Lipschitzkonstante L = 2∕9. Das heißt, zeigen Sie für alle x,y ∈ I
|f(x) − f(y)|≤ 2 9|x − y|. (2 Punkte)

[Tipp. Beweisen Sie zuerst, dass

−1 8 ≤ 1 2 −5 2 1 𝑥𝑦 ≤ 2 9

gilt.]

(b)
Berechnen Sie f(2), f(f(2)) und f(f(f(2))). Erkennen Sie diese Zahl? (1 Punkt)
(c)
Lösen Sie x = f(x), um den Fixpunkt der Funktion f(x) zu bestimmen. (2 Punkte)


Desmos Demo: https://www.desmos.com/calculator/2sqzjvqrdt

7.
Lipschitz-Stetigkeit.
Often spricht man über die Regularität einer Funktion: ist es stetig, beschränkt, differenzierbar? In dieser Aufgabe vergleichen wir Lipschitz-Stetigkeit mit anderen Bedingungen. Sei I = [a,b] ⊂ ℝ und f : I → ℝ.
(a)
Beweisen Sie: f ist lipschitzstetig ⇒ f ist stetig. (2 Punkte)
(b)
Nehmen Sie an, dass f auf (a,b) differenzierbar ist und dass |f′| von oben durch eine Konstante L beschränkt ist. Beweisen Sie, dass f lipschitzstetig mit Lipschitzkonstante L ist. (2 Punkte)

[Tipp. Benutze den Mittelwertsatz. ]

(c)
Wenn f stetig differenzierbar ist und ihr Definitionsbereich kompakt ist, warum erfüllt f die Voraussetzungen aus Teil (b)? (1 Punkt)
(d)
Nun sei U = [a,b]2 ⊂ ℝ2 und g : U → ℝ. Nehmen Sie an, dass es ein L gibt, sodass g in jeder Variable lipschitzstetig mit Lipschitzkonstante L ist. Zum Beispiel: für alle x1,y1 ∈ [a,b] und c2 ∈ [a,b] gilt
|f(y1,c2) − f(x1,c2)|≤ L|y1 − x1|.

Zeigen Sie, dass f lipschitzstetig auf U mit Lipschitzkonstante 2L ist. (3 Punkte)

[Tipp. f(y1,y2) − f(x1,x2) = (f(y1,y2) − f(x1,y2)) + (f(x1,y2) − f(x1,x2)) und |x| + |y|≤2∥(x,y)∥. ]


Desmos Demo: https://www.desmos.com/calculator/6obhqannyn

8.
Ein Integraloperator.
Betrachte die Funktion ylösung(t) = 3exp⁡(t2), die das Anfangswertproblem auf [−10,10]
y′(t) = 2ty(t),y(0) = 3

löst.

(a)
Wie kann man dieses Anfangswertproblem in die folgende Integralgleichung umstellen? (2 Punkte)

y(t) = 3 + ∫ 0t2sy(s)𝑑𝑠.
(8.1)

(b)
Prüfen Sie durch Substitution, dass ylösung(t) tatsächlich die Integralgleichung (8.1) löst.
(1 Punkt)
(c)
Wir definieren F(y) = 3 + ∫ 0t2sy(s)𝑑𝑠, eine Funktion auf Funktionen nach Funktionen. Weil das integral für alle stetige Funktionen wohldefiniert ist, können wir X := C([−10,10]) als Definitionsbereich von F wählen. Beweisen Sie: für jeder y ∈ X liegt auch F(y) in X. (2 Punkte)
(d)
Wir sollten auf X eine Norm setzen. Eine Möglichkeit ist die Supremumsnorm:
∥f∥∞ := max ⁡ t∈[−10,10]|f(t)|

Beweisen Sie, dass F : X → X eine lipschitzstetige Funktion ist. (2 Punkte)


Desmos Demo: https://www.desmos.com/calculator/zr7smat5ba