Kurs:Analysis (Osnabrück 2013-2015)/Teil I/Test 1/Klausur mit Lösungen

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Aufgabe * (4 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Eine injektive Abbildung
  2. Die Potenzmenge zu einer Menge .
  3. Der Binomialkoeffizient .
  4. Die Konvergenz einer reellen Folge gegen .
  5. Eine Cauchy-Folge in .
  6. Die Eulersche Zahl.
  7. Der Betrag einer komplexen Zahl .
  8. Die absolute Konvergenz einer Reihe.

Lösung

  1. Die Abbildung

    ist injektiv, wenn für je zwei verschiedene Elemente auch und verschieden sind.

  2. Zu einer Menge nennt man die Menge aller Teilmengen von die Potenzmenge von .
  3. Der Binomialkoeffizient ist durch

    definiert.

  4. Die Konvergenz gegen bedeutet, dass es zu jedem reellen ein derart gibt, dass für alle die Abschätzung

    gilt.

  5. Eine reelle Folge heißt Cauchy-Folge, wenn folgende Bedingung erfüllt ist. Zu jedem , , gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung

    gilt.

  6. Die Eulersche Zahl ist durch

    definiert.

  7. Der Betrag einer komplexen Zahl ist durch

    definiert.

  8. Eine Reihe

    von komplexen Zahlen heißt absolut konvergent, wenn die Reihe

    konvergiert.


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Die allgemeine binomische Formel für .
  2. Die Bernoulli-Ungleichung für reelle Zahlen.
  3. Der Satz von Bolzano-Weierstraß.
  4. Die Konvergenzaussage für die geometrische Reihe in .

Lösung

  1. Für in einem Körper gilt
  2. Für und ist
  3. Es sei eine beschränkte Folge von reellen Zahlen. Dann besitzt die Folge eine konvergente Teilfolge.
  4. Für alle komplexen Zahlen mit konvergiert die Reihe absolut und es gilt


 

Aufgabe * (2 Punkte)

Berechne die Gaußklammer von .

Lösung

Es ist

und

daher ist

also ist


 

Aufgabe * (3 Punkte)

Bestimme die reellen Intervalle, die die Lösungsmenge der folgenden Ungleichung sind.

Lösung

Für sind sowohl als auch negativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu

Dies ist äquivalent zu .

Für ist nichtnegativ und negativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu

Dies ist äquivalent zu und zu .

Für sind sowohl als auch nichtnegativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu

und dies ist äquivalent zu .

Als Lösungsmenge ergeben sich also die beiden offenen Intervalle und .


 

Aufgabe * (2 Punkte)

Es sei eine nichtnegative reelle Zahl. Für jedes , gelte . Zeige .

Lösung

Wir nehmen an. Dann ist . Dann ist auch und die Voraussetzung, angewandt auf , ergibt , woraus sich durch beidseitige Subtraktion von der Widerspruch ergibt.


 

Aufgabe * (3 Punkte)

Erläutere das Beweisprinzip der vollständigen Induktion.

Lösung

Mit dem Beweisprinzip der vollständigen Induktion werden Aussagen bewiesen, die von den natürlichen Zahlen abhängen. Man beweist zuerst die Aussage . Ferner zeigt man, dass man für alle aus der Gültigkeit von auf die Gültigkeit von schließen kann. Daraus folgt die Gültigkeit von für alle .


 

Aufgabe * (5 Punkte)

Zeige mittels vollständiger Induktion für die Formel

Lösung

Bei besteht die Summe links aus dem einzigen Summanden , die Summe ist also . Da ungerade ist, steht rechts , der Induktionsanfang ist also gesichert.

Es sei die Aussage nun für bewiesen, und es ist die Gültigkeit der Aussage für zu zeigen. Die Summe links ist

Bei gerade (also ungerade) ist dies nach Induktionsvoraussetzung gleich

was mit der rechten Seite übereinstimmt. Bei ungerade (also gerade) ist die Summe nach Induktionsvoraussetzung gleich

was ebenfalls mit der rechten Seite übereinstimmt.


 

Aufgabe * (2 Punkte)

Es seien Mengen und

Abbildungen mit der Hintereinanderschaltung

Zeige: Wenn injektiv ist, so ist auch injektiv.

Lösung

Es seien gegeben mit . Wir müssen zeigen, dass ist. Es ist

Da nach Voraussetzung injektiv ist, folgt , wie gewünscht.


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Beweise die Bernoulli-Ungleichung für einen angeordneten Körper.

Lösung

Wir führen Induktion über . Bei steht beidseitig , so dass die Aussage gilt. Es sei nun die Aussage für bereits bewiesen. Dann ist

da Quadrate (und positive Vielfache davon) in einem angeordneten Körper nichtnegativ sind.


 

Aufgabe * (3 Punkte)

Entscheide, ob die Folge

in konvergiert und bestimme gegebenenfalls den Grenzwert.

Lösung

Für kann man die Folge (durch Erweiterung mit ) als

schreiben. Folgen vom Typ und sind Nullfolgen. Aufgrund der Summenregel für konvergente Folgen konvergiert der Zähler gegen und der Nenner gegen , so dass nach der Quotientenregel die Folge insgesamt gegen konvergiert.


 

Aufgabe * (3 Punkte)

Führe die ersten drei Schritte des babylonischen Wurzelziehens zu mit dem Startwert durch (es sollen also die Approximationen für berechnet werden; diese Zahlen müssen als gekürzte Brüche angegeben werden).

Lösung

Die Formel für lautet

Daher ist

Somit ist

Schließlich ist


 

Aufgabe * (8 (2+1+2+1+2) Punkte)

Es sei . Zu einem Startwert sei eine reelle Folge rekursiv durch

definiert. Zeige die folgenden Aussagen.

(a) Bei ist für alle und die Folge ist streng fallend.

(b) Bei ist die Folge konstant.

(c) Bei ist für alle und die Folge ist streng wachsend.

(d) Die Folge konvergiert.

(e) Der Grenzwert ist .

Lösung

(a) Die Eigenschaft folgt durch Induktion, wobei die Voraussetzung unmittelbar den Induktionsanfang ergibt. Der Induktionsschluss ergibt sich mittels

Das strenge Fallen ergibt sich daraus durch

(b) Die Konstanz ergibt sich durch Induktion, wobei die Voraussetzung den Induktionsanfang sichert und der Induktionsschluss aus

folgt.

(c) Die Eigenschaft folgt durch Induktion, wobei die Voraussetzung unmittelbar den Induktionsanfang ergibt. Der Induktionsschluss ergibt sich mittels

Das strenge Wachstum ergibt sich daraus durch

(d) Nach (a), (b), (c) ist die Folge in jedem Fall monoton und beschränkt, daher konvergiert sie in .

(e) Der Grenzwert sei . Es gilt

Wir wenden die Rechenregeln für Limiten auf die Rekursionsvorschrift an und erhalten

Daraus ergibt sich .


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Betrachte die Folge und . Welche der Pseudokonvergenzbegriffe (siehe Angeordneter Körper/Folge/Pseudokonvergenz/Pseudo/Definition) treffen zu?

Schreiben Sie ohne Begründung die zutreffenden Nummern auf. Punkte gibt es nur für vollständig richtige Antworten.


Lösung

Richtig sind (4), (5), (6), (7).


 

Aufgabe * (6 Punkte)

Beweise den Satz von Bolzano-Weierstraß.

Lösung

Die Folge sei durch

beschränkt. Wir definieren zuerst induktiv eine Intervallhalbierung derart, dass in den Intervallen unendlich viele Folgenglieder liegen. Das Startintervall ist . Es sei das -te Intervall bereits konstruiert. Wir betrachten die beiden Hälften

In mindestens einer der Hälften liegen unendlich viele Folgenglieder, und wir wählen als Intervall eine Hälfte mit unendlich vielen Gliedern. Da sich bei diesem Verfahren die Intervalllängen mit jedem Schritt halbieren, liegt eine Intervallschachtelung vor. Als Teilfolge wählen wir nun ein beliebiges Element

mit . Dies ist möglich, da es in diesen Intervallen unendlich viele Folgenglieder gibt. Diese Teilfolge konvergiert nach Aufgabe 7.10 gegen die durch die Intervallschachtelung bestimmte Zahl .


 

Aufgabe * (2 (0,5+1+0,5) Punkte)

a) Berechne

b) Bestimme das inverse Element zu

c) Welchen Abstand hat aus Teil (b) zum Nullpunkt?

Lösung

a) Es ist

b) Das inverse Element zu ist , also ist

c) Der Abstand von zum Nullpunkt ist , daher ist der Abstand von zum Nullpunkt gleich .


 

Aufgabe * (5 Punkte)

Untersuche, ob die Reihe

konvergiert oder divergiert.

Lösung

Für ist

und für ist

Daher gilt für die Reihenglieder für die Abschätzung

Die Reihe konvergiert nach Beispiel 9.12 und dies gilt auch für . Nach dem Majorantenkriterium konvergiert auch

und daher konvergiert auch die in Frage stehende Reihe.


 

Aufgabe * (4 Punkte)

Es seien die beiden komplexen Polynome

gegeben. Berechne (es soll also in eingesetzt werden).

Lösung


 



Anhang


Es sei eine Folge in einem angeordneten Körper und es sei .

  1. Man sagt, dass die Folge gegen hypervergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Zu jedem , , und alle gilt die Beziehung
  2. Man sagt, dass die Folge gegen supervergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Zu jedem , , gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung

    gilt.

  3. Man sagt, dass die Folge gegen megavergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Es gibt ein derart, dass für alle und jedes , , die Beziehung

    gilt.

  4. Man sagt, dass die Folge gegen pseudovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Zu jedem , , gibt es ein derart, dass die Beziehung

    gilt.

  5. Man sagt, dass die Folge gegen semivergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Zu jedem , , und jedem gibt es ein , , derart, dass die Beziehung

    gilt.

  6. Man sagt, dass die Folge gegen protovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Es gibt ein , , derart, dass für alle die Beziehung

    gilt.

  7. Man sagt, dass die Folge gegen quasivergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Es gibt ein , , und ein derart, dass für alle die Beziehung

    gilt.

  8. Man sagt, dass die Folge gegen deuterovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist. Zu jedem , , gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung

    gilt.


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