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Aufgabe:

(i) Bestimmen Sie den Grenzwert

\(\displaystyle \lim \limits_{x \rightarrow 0} \frac{\tan x}{x} \)

(ii) Beweisen Sie, dass für \( x \in(-1,1) \) die Gleichung

\(\displaystyle \tan (\arcsin x)=\frac{x}{\sqrt{1-x^{2}}} \)

gilt.

(iii) Bestimmen Sie alle reellen Lösungen \( x \) der Gleichung

\(\displaystyle \sin (2 x)=\tan x \)


Problem/Ansatz:

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I) Verwende: tanx = sinx/cosx

-> lim sinx/x *(1/cosx)


III)

sin(2x) = sinx/cosx

2*sinx*cosx = sinx/cosx

2*sinx*cosx- sinx/cosx = 0

(2*sinx*cos^2(x) -sinx)/cosx =0

sinx*(2*cos^2(x)-1) = 0

sinx = 0

x= k*π, k∈ℤ

2*cos^2(x) -1= 0

cosx = ±√(1/2) = ± 1/2*√2

x= ...

(vgl: Einheitskreis: 1/2*√2 entspricht cos 45° bzw. 315°. -1/2*√2 entspricht cos 135° bzw. 225°.)

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ii)

\(\tan(\arcsin(x))=\frac{\sin(\arcsin(x))}{\cos(\arcsin(x))}=\frac{x}{\sqrt{1-\sin^2(\arcsin(x))}}=\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}\)

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Aloha :)

zu 1) Nutze die Regel von L'Hospital

$$\small\lim\limits_{x\to0}\frac{\tan x}{x}=\lim\limits_{x\to0}\frac{\frac{\sin x}{\cos x}}{x}=\lim\limits_{x\to0}\frac{\sin x}{x\cos x}\stackrel{\text{(L'Hospital)}}{=}\lim\limits_{x\to0}\frac{\cos x}{1\cdot\cos x-x\sin x}=\frac{1}{1\cdot1-0\cdot0}=1$$

zu 2) Nutze den trigonometrischen Pythagoras

$$\tan(\arcsin x)=\frac{\sin(\arcsin x)}{\cos(\arcsin x)}\stackrel{(\sin^2x+\cos^2x=1)}{=}\frac{\sin(\arcsin x)}{\sqrt{1-\sin^2(\arcsin x)}}=\frac{x}{\sqrt{1-x^2}}$$

zu 3) Wir formen die Gleichung zunächst um:$$\sin(2x)=\tan x\implies 2\sin x\cos x=\frac{\sin x}{\cos x}$$und erkennen, dass alle Nullstellen \(x=\mathbb Z\cdot \pi\) der Sinus-Funktion die Gleichung efüllen.

Für \(x\ne\mathbb Z\cdot\pi\) ist \(\sin x\ne0\) und wir können die Gleichung durch \(\sin x\) dividieren:$$2\cos x=\frac{1}{\cos x}\implies 2\cos^2x=1=\sin^2x+\cos^2x\implies\cos^2=\sin^2x\implies$$$$\cos^2x-\sin^2x=0\implies\cos(2x)=0\implies 2x=\mathbb Z\pi-\frac\pi2\implies x=\frac{\mathbb Z\pi}{2}-\frac\pi4$$

Damit können wir die Lösungsmenge vollständig angeben:$$\mathbb L=\left\{x\in\mathbb R\bigg|x=(2\mathbb Z-1)\,\frac\pi4\;\lor\;x=\mathbb Z\pi\right\}$$

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