Klausur 2, Aufgabe 2 prägnanter notiert

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@@ -14,47 +14,18 @@ sowie eine Folge $(x)_k$ mit $x_{k+1} := F(x_k)$.
 \textbf{Behauptung:} $\displaystyle \exists! x^*: \forall x \in \mathbb{R}: \lim_{k \rightarrow \infty} x_k = x^*$
 
 \paragraph{Beweis:} über den Banachschen Fixpunktsatz.
-
-Teil 1: Es gibt genau einen Fixpunkt und dieser ist in $(0,1)$
 \begin{proof}
-Sei $ x \in \mathbb{R}$, so gilt:
+Sei $ x \in \mathbb{R}$, so gilt:\marginpar{Teil 1: Fix\-punkte können nur in $[0,1]$ sein.}
 \begin{align*}
 	-1 \leq \cos(x) \leq 1
 \end{align*}
-Also genügt es $x \in [-1, 1]$ zu betrachten.
+Also genügt es $x \in [-1, 1]$ auf der Suche nach Fixpunkten zu betrachten.
 
 Sei nun $x \in [-1, 0)$. Dann gilt: $\cos(x) > 0$. Da $x <0$ aber $F(x) > 0$,
 kann kein Fixpunkt in $[-1, 0)$ sein. Es genügt also sogar,
 nur $[0, 1]$ zu betrachten.
 
-Offensichtlich ist $F(0) \neq 0$ und $F(1) \neq 1$, also ist der 
-Fixpunkt - falls vorhanden - in $(0,1)$. $F$ ist in $(0,1)$ stetig
-und streng monoton fallend. Da auch $-x$ in $(0,1)$ streng monoton
-fallend ist, folgt, dass $\cos(x) - x$ in $(0,1)$ streng monoton 
-fallend ist.
-
-$x=0 \Rightarrow \cos(x) - x = \cos(0) - 0 = 1$
-
-$x=45^\circ = \frac{1}{4} \pi < 1 \Rightarrow \cos(45^\circ) - \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\pi}{4} <0$, da
-\begin{align}
-    8 &< 9 < \pi^2\\
-    \Rightarrow \sqrt{8} &< \pi\\
-    \Leftrightarrow 2 \sqrt{2} &< \pi\\
-    \Leftrightarrow \frac{\sqrt{2}}{2} &< \frac{\pi}{4}
-\end{align}
-
-$\stackrel{\text{Zwischenwertsatz}}{\Rightarrow} \exists x^*: \cos(x^*) - x^* = 0 \Leftrightarrow \exists x^*: \cos(x^*) = x^*$.
-
-Dieses $x^*$ ist eindeutig, da $\cos(x)-x$ \emph{streng} monoton fallend ist.
-\end{proof}
-
-Teil 2: Jeder Startwert $x \in \mathbb{R}$ konvergiert gegen $x^*$.
-
-\begin{proof}
-Er genügt zu zeigen, dass $F$ auf $[0,1]$ eine Kontraktion ist, da
-bereits in Teil 1 gezeigt wurde, dass man bereits $x_2 = \cos(\cos(x)) \in (0,1)$ ist.
-
-Sei $0 \leq x < y \leq 1$. Dann folgt:
+Sei $0 \leq x < y \leq 1$. Dann folgt:\marginnote{Teil 2: $F$ ist auf $[0,1]$ eine Kontraktion}
 \begin{align}
     \stackrel{\text{Mittelwertsatz}}{\Rightarrow} \exists L \in (x,y): \frac{\cos(y) - \cos(x)}{y-x} &= f'(L)\\
     \Rightarrow \exists L \in [0,1]: \| \cos y - \cos x \| &= \| - \sin(L) \cdot (y-x)\| \\
@@ -66,35 +37,32 @@ Da $F|_{[0,1]}$ eine Selbstabbildung und eine Kontraktion ist und
 offensichtlich $[0,1]$ abgeschlossen ist, greift der 
 Banachsche Fixpunktsatz. Es folgt direkt, dass auch für alle $x \in [0,1]$
 die Folge $(x)_k$ gegen den einzigen Fixpunkt $x^*$ konvergiert.
-
 \end{proof}
 
-\subsection*{Lösungsalternative 2:}
+\subsection*{Anmerkung}
+Um zu zeigen, dass es genau einen Fixpunkt $x^*$ in $(0,1)$ gibt, 
+braucht man den Banachschen Fixpunktsatz nicht. Nur um zu zeigen, 
+dass die Fixpunktiteration auf für jedes $x \in \mathbb{R}$ gegen
+diesen Fixpunkt $x^*$ konvergiert, braucht man ihn.
 
-\textbf{Behauptung:} Für $x \in \mathbb{R}$ gilt, dass $cos(x_k) = x_{k+1}$ gegen den einzigen Fixpunkt $x^{*} = cos(x^{*})$ konvergiert.
+So kann man die existenz eines Fixpunktes zeigen:
 
-\textbf{Beweis:} 
-Sei $ D := [-1, 1]$.\\
-Trivial: $D$ ist abgeschlossen.
+Offensichtlich ist $F(0) \neq 0$ und $F(1) \neq 1$, also ist der 
+Fixpunkt - falls vorhanden - in $(0,1)$. $F$ ist in $(0,1)$ stetig
+und streng monoton fallend. Da auch $-x$ in $(0,1)$ streng monoton
+fallend ist, folgt, dass $\cos(x) - x$ in $(0,1)$ streng monoton 
+fallend ist.
 
-Sei $ x \in D$, so gilt:
-\begin{align*}
-	0 < cos(x) \leq 1
-\end{align*}
-Also: $cos(x) \in D$.\\ Wenn $x \not\in D$, so gilt $y := cos(x)$ und $cos(y) \in D$. D.h. bereits nach einem Iterationschritt wäre $cos(x) \in D$ für $x \in \mathbb{R}$! Dies ist wichtig, da damit gezeigt ist, dass $cos(x_k) = x_{k+1}$ für jedes $x \in \mathbb{R}$ konvergiert! Es kommt nur dieser einzige Iteratationsschritt für $x \not\in \mathbb{R}$ hinzu.
+$x=0 \Rightarrow \cos(x) - x = \cos(0) - 0 = 1$
 
-Nun gilt mit $ x, y \in D, x < y, \xi \in (x,y) $ und dem Mittelwert der Differentialrechnung:
-\begin{align*}
-	\frac{cos(x) - cos(y)}{x - y} = cos'(\xi) \\
-	\Leftrightarrow cos(x) - cos(y) =  cos'(\xi) * (x - y)  \\
-	\Leftrightarrow | cos(x) - cos(y) | = | cos'(\xi) * (x - y) | \leq | cos'(\xi) | * | (x - y) | 
-\end{align*}
-Da $ \xi \in (0, 1) $ gilt:
-\begin{align*}
-	0 \leq | cos'(\xi) | = | sin(\xi) | < 1 
-\end{align*}
-Damit ist gezeigt, dass $cos(x) : D \rightarrow D$ Kontraktion auf $D$.
+$x=45^\circ = \frac{1}{4} \pi < 1 \Rightarrow \cos(45^\circ) - \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\pi}{4} <0$, da
+\begin{align}
+    8 &< 9 < \pi^2\\
+    \Rightarrow \sqrt{8} &< \pi\\
+    \Leftrightarrow 2 \sqrt{2} &< \pi\\
+    \Leftrightarrow \frac{\sqrt{2}}{2} &< \frac{\pi}{4}
+\end{align}
 
-Damit sind alle Voraussetzung des Banachschen Fixpunktsatzes erfüllt.
+$\stackrel{\text{Zwischenwertsatz}}{\Rightarrow} \exists x^*: \cos(x^*) - x^* = 0 \Leftrightarrow \exists x^*: \cos(x^*) = x^*$.
 
-Nach dem Banachschen Fixpunktsatz folgt die Aussage.
+Dieses $x^*$ ist eindeutig, da $\cos(x)-x$ \emph{streng} monoton fallend ist.

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