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Kurs:Grundkurs Mathematik/Teil I/2/Klausur mit Lösungen

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Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Punkte 3 3 1 1 4 1 2 7 3 2 4 3 9 3 2 11 2 3 64




Aufgabe (3 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Eine Abbildung F von einer Menge L in eine Menge M.
  2. Die Ordnungsrelation auf den natürlichen Zahlen.
  3. Die Menge der ganzen Zahlen.
  4. Die Folge der euklidischen Reste zu ganzen Zahlen a,b mit  b0
  5. Ein Körper.
  6. Ein Prozent.


Lösung

  1. Eine Abbildung F von L nach M ist dadurch gegeben, dass jedem Element der Menge L genau ein Element der Menge M zugeordnet wird.
  2. Man sagt, dass eine natürliche Zahl n größergleich einer natürlichen Zahl k ist, geschrieben
    nk,

    wenn man von k aus durch endlichfaches Nachfolgernehmen zu n gelangt.

  3. Die Menge der ganzen Zahlen besteht aus der Menge aller positiven natürlichen Zahlen +, der 0 und der Menge {nn+}, die die negativen ganzen Zahlen heißen.
  4. Man nennt die durch die Anfangsbedingungen r0=a und r1=b und die mittels der Division mit Rest
    ri=qiri+1+ri+2

    rekursiv bestimmte Folge ri die Folge der euklidischen Reste.

  5. Eine Menge K heißt ein Körper, wenn es zwei Verknüpfungen (genannt Addition und Multiplikation)
    +:K×KK und :K×KK

    und zwei verschiedene Elemente 0,1K gibt, die die folgenden Eigenschaften erfüllen.

    1. Axiome der Addition
      1. Assoziativgesetz: Für alle a,b,cK gilt: (a+b)+c=a+(b+c).
      2. Kommutativgesetz: Für alle a,bK gilt a+b=b+a.
      3. 0 ist das neutrale Element der Addition, d.h. für alle aK ist a+0=a.
      4. Existenz des Negativen: Zu jedem aK gibt es ein Element bK mit a+b=0.
    2. Axiome der Multiplikation
      1. Assoziativgesetz: Für alle a,b,cK gilt: (ab)c=a(bc).
      2. Kommutativgesetz: Für alle a,bK gilt ab=ba.
      3. 1 ist das neutrale Element der Multiplikation, d.h. für alle aK ist a1=a.
      4. Existenz des Inversen: Zu jedem aK mit a0 gibt es ein Element cK mit ac=1.
    3. Distributivgesetz: Für alle a,b,cK gilt a(b+c)=(ab)+(ac).
  6. Ein Prozent ist 1100.


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über die Beziehung zwischen der Multiplikation und endlichen Mengen.
  2. Der Satz über die Anzahl der Permutationen.
  3. Der Satz über die Approximation von rationalen Zahlen durch Dezimalbrüche.


Lösung

  1. Es seien M und N endliche Mengen mit m bzw. n Elementen. Dann besitzt die Produktmenge M×N genau mn Elemente.
  2. Auf einer endlichen Menge M mit n Elementen gibt es n! bijektive Abbildungen von M nach M.
  3. Zu jeder rationalen Zahl q und jedem k+ gibt es ein a derart, dass
    a10kq<a+110k
    gilt.


Aufgabe (1 Punkt)

Wir betrachten den Satz „Diese Vorlesung versteht keine Sau“. Negiere diesen Satz durch eine Existenzaussage.


Lösung

Es gibt eine Sau, die diese Vorlesung versteht.


Aufgabe (1 Punkt)

Finde einen möglichst einfachen aussagenlogischen Ausdruck, der die folgende tabellarisch dargestellte Wahrheitsfunktion ergibt.

p q ?
w w f
w f w
f w f
f f w


Lösung

¬q.


Aufgabe (4 Punkte)

Beweise durch Induktion für alle  n+  die Formel

k=1n(1)k1k2=(1)n+1n(n+1)2.


Lösung

Induktionsanfang. Für  n=1  kommt links nur der Summand zu  k=1  vor, und dieser ist

(1)012=1.

Rechts steht ebenfalls

(1)2122=1.

Induktionsschluss. Die Aussage sei für n bewiesen, wir schließen daraus auf die Gültigkeit für n+1. Es ist

k=1n+1(1)k1k2=k=1n(1)k1k2+(1)n(n+1)2=(1)n+1n(n+1)2+(1)n+2(n+1)(n+1)=(1)n+2n(n+1)2+(1)n+22(n+1)(n+1)2=(1)n+2n(n+1)+2(n+1)(n+1)2=(1)n+2(n+1)(n+2n+2)2=(1)n+2(n+1)(n+2)2.

Also gilt die Aussage für alle n.


Aufgabe (1 Punkt)

Ist die Abbildung

φ:+×++×+×+,(a,b)(a+b,ab,ab),

injektiv oder nicht?


Lösung

Die Abbildung ist nicht injektiv, da wegen

24=16=42

die beiden Paare (2,4) und (4,2) unter φ auf das gleiche Element abgebildet werden.


Aufgabe (2 Punkte)

Es sei M eine k-elementige Menge. Wie viele Verknüpfungen gibt es auf M?


Lösung

Bei einer Verknüpfung wird jedem Paar (x,y)M×M ein Element aus M zugeordnet. Dabei hat man für jedes der k2 Paare k Möglichkeiten. Damit gibt es insgesamt k(k2) Verknüpfungen.


Aufgabe (7 Punkte)

Zeige, dass das schriftliche Addieren korrekt ist.


Lösung

Die beiden Zahlen seien

m=a0+a110+a2102++ak10k und n=b0+b110+b2102++bk10k,

wobei wir eventuell auch vordere Nullen erlauben. Wir beweisen die Aussage durch Induktion über k. Bei  k=0  handelt es sich um einstellige Zahlen und der Algorithmus ist korrekt. Hierzu macht man eine Fallunterscheidung abhängig davon, ob  a0+b0<10  ist oder nicht. Es sei die Aussage nun für beliebige Zahlen, die beide maximal k+1 Ziffern haben, bewiesen, und seien zwei maximal k+2-stellige Zahlen gegeben. Es ist

m+n=i=0k+1ai10i+i=0k+1bi10i=ak+110k+1+i=0kai10i+bk+110k+1+i=0kbi10i=(ak+1+bk+1)10k+1+i=0kai10i=m+i=0kbi10i=n.

Es seien ci,di die durch den für m und n in Verfahren 16.5 (Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2026-2027)) beschriebenen Algorithmus festgelegten Zahlen. Die entsprechenden Zahlen für m und n stimmen damit bis auf eventuell ck+1,ck+2,dk+2 überein, da diese nur von den Ziffern bis einschließlich ak und bk abhängen. Für m+n bezeichnen wir mit ck+1 die entsprechende Ziffer, und zwar ist  ck+1=dk+1.  Nach Induktionsvoraussetzung ist die Summe der beiden hinteren Summanden gleich

i=0kci10i+ck+110k+1.

Die Gesamtsumme ist somit gleich

m+n=(ak+1+bk+1)10k+1+ck+110k+1+i=0kci10i=(ak+1+bk+1+ck+1)10k+1+i=0kci10i=(ak+1+bk+1+dk+1)10k+1+i=0kci10i=ck+210k+2+ck+110k+1+i=0kci10i=i=0k+2ci10i.


Aufgabe (3 Punkte)

Es seien a,b,c natürliche Zahlen mit  ab  und  abc.  Zeige, dass dann  ab+c  ist und dass

(ab)c=a(b+c)

ist.


Lösung

Die Abschätzung ergibt sich aus

b+cb+(ab)=a.

Es ist

((ab)c)+(b+c)=(((ab)c)+c)+b=(ab)+b=a.

Somit erfüllt (ab)c die für a(b+c) charakteristische Eigenschaft und muss damit übereinstimmen.


Aufgabe (2 Punkte)

Es stehen zwei Eimer ohne Markierungen zur Verfügung, ferner eine Wasserquelle. Der eine Eimer hat ein Fassungsvermögen von 7 und der andere ein Fassungsvermögen von 10 Litern. Zeige, dass man allein durch Auffüllungen, Ausleerungen und Umschüttungen erreichen kann, dass in einem Eimer genau ein Liter Wasser enthalten ist.


Lösung

Die folgende Kette von Inhaltspaaren kann man bei den gegebenen Möglichkeiten offensichtlich erreichen.

(0,0),(7,0),(0,7),(7,7),(4,10),(4,0),(0,4),(7,4),(1,10),(1,0).


Aufgabe (4 Punkte)

Beweise die Eindeutigkeit der Primfaktorzerlegung für natürliche Zahlen.


Lösung

Die Eindeutigkeit wird durch Induktion über n gezeigt.  Für  n=2  liegt eine Primzahl vor und die Aussage ist klar. Es sei nun  n3  und seien zwei Zerlegungen in Primfaktoren gegeben, sagen wir

n=p1pr=q1qs.

Wir müssen zeigen, dass nach Umordnung die Primfaktorzerlegungen übereinstimmen. Die Gleichheit bedeutet insbesondere, dass die Primzahl p1 das Produkt rechts teilt. Nach dem Lemma von Euklid muss dann p1 einen der Faktoren rechts teilen. Nach Umordnung können wir annehmen, dass q1 von p1 geteilt wird. Da q1 selbst eine Primzahl ist, folgt, dass  p1=q1  sein muss. Daraus ergibt sich durch Kürzen, dass

p2pr=q2qs

ist. Nennen wir diese Zahl n. Da  n<n  ist, können wir die Induktionsvoraussetzung auf n anwenden und erhalten, dass links und rechts die gleichen Primzahlen stehen.


Aufgabe (3 Punkte)

Bestimme in mithilfe des euklidischen Algorithmus den größten gemeinsamen Teiler von 1085 und 806 und schreibe die beiden Zahlen als Vielfache des größten gemeinsamen Teilers.


Lösung

Es ist

1085=1806+279,
806=2279+248,
279=1248+31,
248=831.

Der größte gemeinsame Teiler ist also 31. Aus den Rechnungen erhält man

806=2279+248=2(248+31)+248=3248+231=3831+231=2631

und

1085=806+279=2631+931=3531.


Aufgabe (9 (2+1+2+2+2) Punkte)

Zwei Schwimmer, A und B, schwimmen auf einer 50-Meter-Bahn einen Kilometer lang. Schwimmer A schwimmt 3m/s (das ist besser als der Weltrekord) und Schwimmer B schwimmt 2m/s.

  1. Erstelle in einem Diagramm für beide Schwimmer den Graphen der jeweiligen Abbildung, die für die Zeit zwischen 0 und 100 Sekunden angibt, wie weit der Schwimmer von der Startlinie zu diesem Zeitpunkt (wirklich, also unter Berücksichtigung der Wenden) entfernt ist.
  2. Wie weit von der Startlinie entfernt befindet sich Schwimmer A (und Schwimmer B) nach 30 Sekunden?
  3. Nach wie vielen Sekunden begegnen sich die beiden Schwimmer zum ersten Mal (abgesehen vom Start)?
  4. Wie oft begegnen sich die beiden Schwimmer (Start mitzählen)?
  5. Wie oft überrundet Schwimmer A den Schwimmer B?


Lösung





  1. Nach 30 Sekunden hat Schwimmer A 90 Meter zurückgelegt, er ist also 50 Meter hin und 40 Meter zurückgeschwommen. Somit befindet er sich 10 Meter vom Start entfernt. Nach 30 Sekunden hat Schwimmer B 60 Meter zurückgelegt, er befindet sich also 40 Meter vom Start entfernt.
  2. Die erste Begegnung findet statt, wenn Schwimmer A das erste Mal zurückschwimmt und B noch hinschwimmt. Wir machen den Ansatz
    2t=503(t1623).

    Dies führt auf

    5t=100,

    also

    t=20.
  3. Nach 100 Sekunden sind beide Schwimmer wieder am Startpunkt (siehe die Skizze), A hat dabei 300 Meter zurückgelegt, B nur 200 Meter. In diesem Zeitraum begegnen sie sich fünfmal (den Start mitgezählt, die letzte Begegnung jedoch nicht), dies wiederholt sich dreimal und dann muss A noch 100 Meter schwimmen, wobei er B noch einmal unterwegs begegnet. Dies führt auf 17 Begegnungen.
  4. Schwimmer A überrundet Schwimmer B dreimal, nämlich am Startpunkt nach 100s, nach 200s und nach 300s.


Aufgabe (3 Punkte)

Es soll Holz unterschiedlicher Länge (ohne Abfall) in Stücke zerlegt werden, die zwischen 30 und 40 cm lang sein sollen (jeweils einschließlich). Für welche Holzlängen ist dies möglich?


Lösung

Es sei die Länge des Holzes, das zerlegt werden soll. Für <30 ist eine Zerlegung offenbar nicht möglich. Für  3040  kann man das Stück so lassen, wie es ist, eine Zerlegung ist also möglich. Für  40<<60  ist eine Zerlegung nicht möglich, da das Stück zu lang ist, um es direkt zu übernehmen, aber zu kurz, um es in zwei oder mehr Teile zu zerlegen. Für  6080  kann man das Stück in zwei (beispielsweise gleichgroße) Teile unterteilen, eine Zerlegung ist also möglich. Für  80<<90  ist keine Zerlegung möglich. Für zwei Teile ist das Stück nämlich zu lang und für drei oder mehr Teile ist es zu kurz. Ab

90

ist eine Zerlegung stets möglich. Die Länge erfüllt dann nämlich

30s<30(s+1)

mit einer natürlichen Zahl  s3.  Wenn man durch s dividiert, erhält man

30s<30(s+1)s=30(s+1)s304340,

was als Länge eines Teilstücks erlaubt ist.


Aufgabe (2 Punkte)

Es sei  n+.  Vergleiche die beiden rationalen Zahlen nn+1 und n1n.


Lösung

Es ist

nn+1>n1n,

da nach dem Überkreuzprinzip und der dritten binomischen Formel gilt

n2>n21=(n1)(n+1).


Aufgabe (11 (5+4+2) Punkte)

Es sei K ein Körper und seien  a,b0  Elemente aus K. Beweise die folgenden Potenzgesetze für ganzzahlige Exponenten  m,n.  Dabei darf man die entsprechenden Gesetze für Exponenten aus sowie die Tatsachen, dass das Inverse des Inversen wieder das Ausgangselement ist und dass das Inverse von uk gleich (u1)k ist, verwenden.

  1. am+n=aman.
  2. (am)n=amn.
  3. (ab)n=anbn.


Lösung

Für einen negativen Exponenten  m=k  ist nach Definition

am=(a1)k,

wobei a1 das inverse Element zu a bezeichnet.

  1. Wenn beide Exponenten nichtnegativ sind, ist das Ergebnis bekannt. Wenn beide Exponenten negativ sind, so setzen wir  m=k  und  n=  und es ist
    aman=(a1)k(a1)=(a1)k+=a(k+)=am+n,

    wobei wir für die zweite Gleichung das Potenzgesetz für nichtnegative Exponenten verwendet haben. Für den gemischten Fall können wir wegen der Symmetrie der Situation m und  n=  als negativ annehmen. Dann ist

    aman=am(a1).

    Bei  m  schreiben wir

    m=+r

    und das Produkt ist gleich

    am(a1)=a+r(a1)=ara(a1)=ar(aa1)=ar1=ar=am=am+n,

    wobei wir für die dritte Gleichheit das dritte Potenzgesetz für nichtnegative Exponenten verwendet haben.

    Bei  m<  schreiben wir

    =m+s

    und das Produkt ist gleich

    am(a1)=am(a1)m+s=am(a1)m(a1)s=(aa1)m(a1)s=1(a1)s=as=am=am+n.
  2. Wenn beide Exponenten nichtnegativ sind, so ist die Aussage bekannt. Es seien beide Exponenten negativ, wobei wir die gleichen Buchstaben wie unter (1) verwenden. Dann ist
    (am)n=((am)1)=(((a1)k)1)=(((a1)1)k)=(ak)=ak=a(m)(n)=amn,

    wobei wir verwendet haben, dass das Inverse von uk gleich (u1)k ist und dass das Inverse des Inversen das Ausgangselement ist.

    Wenn m nichtnegativ und  n=  negativ ist, so ist

    (am)n=((am)1)=((a1)m)=(a1)m=am=amn.

    Wenn  m=k  negativ und n nichtnegativ ist, so ist

    (am)n=((a1)k)n=(a1)kn=akn=amn.
  3. Wir müssen nur den Fall  n=  negativ behandeln. Dann ist
    (ab)n=(ab)=((ab)1)=(a1b1)=(a1)(b1)=ab=anbn.


Aufgabe (2 Punkte)

Bei der Onlinepartnervermittlung „e-Tarzan meets e-Jane“ verliebt sich alle elf Minuten ein Single. Wie lange (in gerundeten Jahren) dauert es, bis sich alle erwachsenen Menschen in Deutschland (ca. 65000000) verliebt haben, wenn ihnen allein dieser Weg zur Verfügung steht?


Lösung

Es benötigt

6500000011=715000000

Minuten. Ein Jahr besteht aus

3652460=525600

Minuten. Der benötigte Zeitraum ist somit

715000000525600=715000052561360,35

Jahre.


Aufgabe (3 Punkte)

Lucy Sonnenschein hat im Juni 80 Euro ausgegeben, davon 20% für Eis, im Juli hat sie 90 Euro ausgegeben, davon 30% für Eis, und im August hat sie 70 Euro ausgegeben, und zwar hat sie davon 15 Euro für Eis ausgegeben. Wie viel Prozent ihrer Ausgaben in den drei Sommermonaten gab sie für Eis aus?


Lösung

Im Juni hat sie

0,280=16

Euro für Eis ausgegeben und im Juli

0,390=27

für Eis. Insgesamt hat sie also

16+27+15=58

Euro für Eis ausgegeben. Ihre Gesamtausgaben waren

80+90+70=240

Euro. Somit war der Eisanteil gleich

58240=0,2416

Sie hat also in den Sommermonaten ca. 24,17% ihrer Ausgaben in Eis investiert.