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Aufgabe:

Für n element N* sei f_n : [0,1] →R durch

20230420_085432.jpg

Text erkannt:

\( f_{n}(x):=\sin ^{n}(x) e^{-2 n \sin (x)} \)

definiert.

a) Bestimme min f_n ([0,1]) und Max f_n ([0,1])

b) Bestimme ohne das Integral zu berechnen,

20230420_085614.jpg

Text erkannt:

\( \lim \limits_{n \rightarrow \infty} \int \limits_{0}^{1} f_{n} d x \)

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Aloha :)

Das Minimum der Funktionenschar$$f_n(x)\coloneqq\sin^n(x)\cdot e^{-2n\sin(x)}\quad;\quad x\in[0;1]\quad;\quad n\in\mathbb N$$ist stets \(f_n(0)=0\), denn für \(x\in[0;1]\) ist \(\sin(x)\ge0\) und die \(e\)-Funktion ist stets positiv.

Zur Bestimmung des Maxiums brauchen wir die Nullstellen der ersten Ableitung:$$f'_n(x)=\left(\underbrace{\sin^n(x)}_{=u}\cdot\underbrace{e^{-2n\sin(x)}}_{=v}\right)'$$$$\phantom{f'_n(x)}=\underbrace{n\sin^{n-1}(x)\cos(x)}_{=u'}\cdot\underbrace{e^{-2n\sin(x)}}_{=v}+\underbrace{\sin^n(x)}_{=u}\cdot\underbrace{\overbrace{e^{-2n\sin(x)}}^{\text{äußere A.}}\cdot\overbrace{(-2n\cos(x))}^{\text{innere A.}}}_{=v'}$$$$\phantom{f'_n(x)}=n\sin^{n-1}(x)\cos(x)\,e^{-2n\sin(x)}\left(1+\sin(x)\cdot(-2)\right)$$$$\phantom{f'_n(x)}=n\underbrace{\sin^{n-1}(x)}_{>0\text{ für }x\in(0;1]}\,\underbrace{\cos(x)}_{>0\text{ für }x\in[0;1]}\,\underbrace{e^{-2n\sin(x)}}_{>0}\left(1-2\sin(x)\right)$$

Die erste Ableitung wird nur \(0\), wenn die letzte Klammer \(0\) wird, also für \(\sin(x)=\frac12\) bzw. für \(x=\arcsin\left(\frac12\right)=\frac\pi6\in[0;1]\).

$$f_n\left(\frac\pi6\right)=\left(\frac{1}{2}\right)^n\cdot e^{-2n\cdot\frac{1}{2}}=\left(\frac{1}{2}\cdot e^{-1}\right)^n=\frac{1}{(2e)^n}$$

Dieses Maximum konvergiert für \(n\to\infty\) gegen Null, sodass gilt:$$0\le f_n(x)\le\frac{1}{(2e)^n}\quad\implies\quad\lim\limits_{n\to\infty}f_n(x)=0$$

Damit ist das Integral klar:$$\lim\limits_{n\to\infty}\int\limits_0^1f_n(x)\,dx=\int\limits_0^1\lim\limits_{n\to\infty}f_n(x)\,dx=0$$

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Bei der Ableitung hast du beim Ausklammern den \(\cos \) im hinteren Term gelassen. Der hintere Faktor müsste \((1-2\sin x)\) sein und das Maximum bei \(x=\frac{\pi}6\) eintreten.

Ja natürlich, ich Dussel...

Vielen lieben Dank, ich habe es korrigiert.

Am Ende vertauschst du den Limes mit der Integrationsreihenfolge. Das erfordert normalerweise das Aufführen von guten Gründen, wieso man das darf.
Deshalb empfehle ich, lieber mit dem Sandwich-Theorem zu argumentieren:
$$0\leq \int_0^1f_n\,dx \leq \max_{[0,1]}f_n \stackrel{n\to\infty}{\longrightarrow}0 $$

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Das Maximum von fn liegt im Intervall [0,1]. Links vom Maximum steigt der Funktionsgraph im Intervall [0,1]. Rechts vom Maximum fällt der Funktionsgraph im Intervall [0,1]. Für n→∞ Geht der Wert des Maximums gegen 0. Damit geht auch die Fläche unter dem Graphen gegen 0. \( \lim \limits_{n \rightarrow \infty} \int \limits_{0}^{1} f_{n} d x \)=0

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