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Kurs:Grundkurs Mathematik/Teil I/28/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 19 20
Punkte 3 3 3 1 1 6 4 0 3 1 3 6 2 5 3 3 4 4 4 2 61




Aufgabe (3 Punkte)

Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.

  1. Die Differenzmenge AB zu zwei Mengen A,B.
  2. Eine surjektive Abbildung
    f:LM.
  3. Eine Verknüpfung auf einer Menge M.
  4. Die Differenz ab von natürlichen Zahlen a,b mit  ba
  5. Ein kommutativer Ring R.
  6. Ein archimedisch angeordneter Körper K.


Lösung

  1. Man nennt
    AB:={xxA und x∉B}

    die DifferenzmengeA ohne B “.

  2. Die Abbildung f heißt surjektiv, wenn es für jedes yM mindestens ein Element xL mit f(x)=y gibt.
  3. Eine Verknüpfung auf einer Menge M ist eine Abbildung
    :M×MM,(x,y)xy.
  4. Die Differenz ab ist diejenige natürliche Zahl c für die  a=b+c  gilt.
  5. Ein Ring R heißt kommutativ, wenn die Multiplikation kommutativ ist.
  6. Ein angeordneter Körper K heißt archimedisch angeordnet, wenn es zu jedem xK eine natürliche Zahl n mit
    nx
    gibt.


Aufgabe (3 Punkte)

Formuliere die folgenden Sätze.

  1. Der Satz über die Beziehung zwischen der Ordnungsrelation und der Addition auf .
  2. Die Division mit Rest für natürliche Zahlen.
  3. Der Satz über die Lösbarkeit von Gleichungen in einer Gruppe G.


Lösung

  1. Für natürliche Zahlen n,k gilt
    nk

    genau dann, wenn es ein m gibt mit

    n=k+m.
  2. Es sei d eine fixierte positive natürliche Zahl. Dann gibt es zu jeder natürlichen Zahl n eine eindeutig bestimmte natürliche Zahl q und eine eindeutig bestimmte natürliche Zahl r, 0rd1, mit
    n=qd+r.
  3. Zu je zwei Gruppenelementen a,bG besitzen die beiden Gleichungen
    ax=b und ya=b
    eindeutige Lösungen x,yG.


Aufgabe (3 Punkte)

Was sind geeignete Kriterien, ob eine mathematische Definition sinnvoll ist?


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Aufgabe (1 Punkt)

In Winnetou I weist Winnetou Sam Hawkens, nachdem dieser in der Nacht auf einen vermeintlichen Belauscher geschossen hat, mit den folgenden Worten zurecht: „Der Schuss war für uns gefährlich ... Entweder hat Sam sich geirrt und keine Augen gesehen. Dann war der Knall überflüssig und kann nur Feinde herbeilocken, die sich vielleicht in der Nähe befinden. Oder es ist wirklich ein Mensch dagewesen, dessen Augen Sam bemerkt hat. Auch da war es falsch, auf ihn zu schießen, weil vorauszusehen war, dass die Kugel nicht treffen würde.“ Welches Argumentationsmuster verwendet Winnetou?


Lösung

Beweis durch Fallunterscheidung. Es wird begründet, dass der Schuss falsch war, und zwar entlang der beiden Fälle, ob wirklich jemand da war oder nicht.


Aufgabe (1 Punkt)

Es sei M eine Menge. Wir betrachten die Verknüpfung

𝔓(M)×𝔓(M)𝔓(M),(A,B)AB.

Ist diese Verknüpfung assoziativ?


Lösung

Diese Verknüpfung ist bei  M  nicht assoziativ. Um dies zu zeigen, kann man einfach

A=B=C=M

nehmen, wobei M eine nichtleere Menge sei. Dann ist  MM=  und somit ist einerseits

(MM)M=M=

und andererseits

M(MM)=M=M.


Aufgabe (6 Punkte)

Beweise den Satz über die Wohldefiniertheit der Anzahl einer endlichen Menge.


Lösung

Es seien die bijektiven Abbildungen

φ:{1,,n}M

und

ψ:{1,,k}M

gegeben. Da man bijektive Abbildungen umkehren kann und da die Hintereinanderschaltung von bijektiven Abbildungen nach Lemma 7.4 (Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2026-2027))  (3) wieder bijektiv ist, ist auch

ψ1φ:{1,,n}{1,,k}

bijektiv. Wir müssen also nur die endlichen Standardmengen {1,,n} untereinander vergleichen. Wir müssen also zeigen, dass, wenn eine bijektive Abbildung

θ:{1,,n}{1,,k}

vorliegt, dann

n=k

ist. Dies zeigen wir durch Induktion nach n. Wenn  n=0  ist, so ist die Menge links leer und somit muss auch die rechte Menge leer sein, also ist dann auch  k=0.  Es seien nun n,k nicht 0, sodass sie also jeweils einen Vorgänger haben. Es sei m der Vorgänger von n und der Vorgänger von k. Diese Zahlen sind eindeutig bestimmt, da die Nachfolgerabbildung injektiv ist. Wir setzen

z=θ(n){1,,k}.

Dann gibt es nach der Herausnahme von n bzw. z eine bijektive Abbildung

{1,,m}={1,,n}{n}{1,,k}{z}.

Nach Lemma 7.9 (Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2026-2027)) gibt es eine bijektive Abbildung zwischen {1,,} und {1,,k}{z}. Somit gibt es dann auch insgesamt eine bijektive Abbildung zwischen {1,,m} und {1,,}. Nach Induktionsvoraussetzung ist  m=,  also auch

n=m==k.


Aufgabe (4 (1+1+1+1) Punkte)

Bestimme, welche der folgenden Wertetabellen Abbildungen φ:LM zwischen den angegebenen Mengen festlegen. Welche sind injektiv, welche surjektiv, welche bijektiv?

  1.  L={1,2,3,4,5,6,7,8},   M={a,b,c,d,e,f,g,h}
    x 1 2 3 4 5 6 7 8
    φ(x) b e f h e g c d
  2.  L={1,2,3,4,5,6,7,8},   M={a,b,c,d,e,f,g,h}
    x 1 2 3 4 5 6 7 8
    φ(x) c e d e a b a
  3.  L={1,2,3,4,5,6,7},   M={a,b,c,d,e,f,g,h}
    x 1 2 3 4 5 6 7
    φ(x) c f d e h b a
  4.  L={1,2,3,4,5,6,7,8},   M={a,b,c,d,e,f,g,h}
    x 3 7 1 4 6 8 5 2
    φ(x) c d f a e h b g


Lösung

  1. Es handelt sich um eine Abbildung. Diese ist nicht injektiv, da e zweifach getroffen wird, und nicht surjektiv, da a nicht getroffen wird.
  2. Es handelt sich um keine Abbildung, da für die 3 kein Wert festgelegt ist.
  3. Es handelt sich um eine Abbildung. Sie ist injektiv, aber nicht surjektiv (und somit nicht bijektiv), da g nicht getroffen wird.
  4. Es handelt sich um eine Abbildung. Diese ist injektiv und surjektiv, also auch bijektiv.


Aufgabe (0 Punkte)


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Aufgabe (3 (1+1+1) Punkte)

Professor Knopfloch war schwimmen. Beim Auswringen seiner Badehose hat er sich ungeschickt angestellt und sich dabei drei Finger verstaucht (er besitzt noch alle zehn Finger).

  1. Wie viele Möglichkeiten für die verstauchten Finger gibt es?
  2. Wie viele Möglichkeiten gibt es, wenn man weiß, dass genau ein Daumen verstaucht wurde?
  3. Wie viele Möglichkeiten gibt es, wenn man weiß, dass genau ein Daumen verstaucht wurde und beide Hände betroffen sind?


Lösung

  1. Es gibt
    (103)=1098321=1034=120

    Möglichkeiten dafür, welche Finger verstaucht sind.

  2. Für den Daumen gibt es zwei Möglichkeiten, von den verbleibenden 8 Nichtdaumenfingern sind zwei verstaucht, also gibt es insgesamt
    2(82)=2872=56

    Möglichkeiten in dieser Situation.

  3. Für den Daumen gibt es wieder zwei Möglichkeiten. Es ist dann entweder auf der Hand des verstauchten Daumens ein weiterer Finger verstaucht oder aber auf der anderen Hand sind genau zwei Finger verstaucht. Deshalb gibt es
    2(44+(42))=2(16+6)=44

    Möglichkeiten für diese Situation.


Aufgabe (1 Punkt)

Was ist die direkteste mathematische Beziehung zwischen ab und ba?


Lösung

ba=(ab).


Aufgabe (3 Punkte)

Ein Schokoriegel der Marke „Höcker und Kerbe“ besteht aus einer einzigen Reihe von n hintereinanderliegenden höckerförmigen Schokostücken, die jeweils durch eine Einkerbung (der Sollbruchstelle) miteinander verbunden sind. Zeige mit und ohne Induktion, dass man, egal bei welcher Teilungsstrategie, genau n1 Teilungsschritte braucht, um den Schokoriegel vollständig in seine Stücke aufzuteilen.


Lösung

Ohne Induktion. Ein Schokoriegel mit n Höckern hat n1 Einkerbungen. Jede muss bei einer vollständigen Teilung genau einmal gebrochen werden, deshalb braucht man genau n1 Teilungsschritte.

Mit Induktion. Induktionsanfang. Bei  n=1  gibt es nichts zu teilen, also kein Teilungsschritt. Induktionsvoraussetzung. Es sei bereits bewiesen, dass man bei einer vollständigen Teilung eines Schokoriegels der Länge n genau n1 Schritte braucht. Es sei ein Schokoriegel der Länge n+1 gegeben. Jeder Teilungsvorgang desselben beginnt mit einer ersten Teilung, wobei zwei Teilriegel entstehen, wobei der eine Riegel aus a (mit 1an) und der andere aus n+1a Stücken besteht. Auf diese beiden Teilriegel können wir die Induktionsvoraussetzung anwenden. Die Anzahl der dann benötigten Teilungsschritte ist

1+(a1)+(n+1a1)=n,

wie behauptet.


Aufgabe (6 Punkte)

Zeige durch Induktion, dass es zu natürlichen Zahlen n,d mit d>0 eindeutig bestimmte natürliche Zahlen q,r mit r<d und mit

n=dq+r

gibt.


Lösung

Zur Existenz.  Dies wird durch Induktion über n bewiesen. Es sei  d>0  fixiert. Der Induktionsanfang für  n=0  ergibt sich direkt mit  q=0  und  r=0.  Für den Induktionsschluss sei die Aussage für n bewiesen, d.h. wir haben eine Darstellung  n=dq+r  mit  r<d  und müssen eine ebensolche Darstellung für n+1 finden. Wenn  r<d1  ist, so ist

n+1=dq+r+1

und wegen  r+1<d  ist dies eine gesuchte Darstellung. Ist hingegen  r=d1,  so ist

n+1=dq+r+1=dq+d=d(q+1)+0,

und dies ist eine gesuchte Darstellung.
Zur Eindeutigkeit. Sei  qd+r=n=q~d+r~,  wobei die Bedingungen jeweils erfüllt seien. Es sei ohne Einschränkung  r~r.  Dann gilt  (qq~)d=r~r.  Diese Differenz ist nichtnegativ und kleiner als d, links steht aber ein Vielfaches von d, sodass die Differenz 0 sein muss und die beiden Darstellungen übereinstimmen.


Aufgabe (2 Punkte)

Welche der folgenden Ausdrücke sind korrekte Darstellungen von natürlichen Zahlen im Dezimalsystem?

a) 4322,5

b) 50z98

c) 5714

d) 0,9999... (also unendlich oft die Ziffer 9 hintereinander nach rechts)

e) ...3333465 (also unendlich oft die Ziffer 3 hintereinander nach links)

f) 1

g) elf

h) (5807)


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Aufgabe (5 (1+1+2+1) Punkte)

Wir betrachten die Abbildung

φ:{0,1,,99}{0,1,,99},

die einer maximal zweistelligen Zahl (im Zehnersystem) diejenige Zahl zuordnet, die entsteht, wenn man Einer- und Zehnerziffern vertauscht (einstellige Zahlen z sind dabei als 0z zu verstehen).

  1. Ist die Abbildung bijektiv?
  2. Wie nennt man die Zahlen mit
    φ(x)=x?
  3. Ziehe von den beiden Zahlen x und φ(x) die kleinere (im Sinne von kleinergleich) von der größeren ab. Was sieht das Ergebnis im Zehnersystem aus? Was ist seine Quersumme?
  4. Es sei y diejenige Zahl, die im Dreiersystem als 2021 gegeben ist. Wie lautet φ(y) im Dreiersystem?


Lösung

  1. Wenn man die Ziffern vertauscht und dann nochmal vertauscht, so erhält man die Ausgangszahl zurück. Daher ist
    φφ=Id

    und somit ist die Abbildung bijektiv.

  2. Dies sind die Zahlen der Form a10+a, diese nennt man Schnappszahlen.
  3. Sei
    x=a10+b

    mit a,b{0,1,,9}. Dann ist

    φ(x)=b10+a.

    Ohne Einschränkung sei

    ab,

    also

    xφ(x).

    Dann ist

    xφ(x)=a10+b(b10+a)=(ab)10+(ba).

    Bei  a=b  steht hier 0. Bei  a>b  steht hinten eine negative Einerziffer, deshalb ist die korrekte Zifferndarstellung aus

    (ab)10+(ba)=(ab1)10+(ba)+10=(ab1)10+10+ba

    ablesbar. Die Quersumme ist

    (ab1)+10+ba=9.
  4. Es ist
    2021=227+23+1=61.

    Dies wird unter φ auf 16 abgebildet, und wegen

    16=19+23+11

    ist diese Zahl im Dreiersystem gleich 121.


Aufgabe (3 Punkte)

Die Zahlen

n,n1,n2,,3,2,1

werden abwechselnd mit einem oder keinem Minuszeichen versehen, wobei n kein Minuszeichen bekommt. Was ist die Summe dieser Zahlen?


Lösung

Zwei in einer solchen Reihe aufeinanderfolgende Zahlen ergeben

k+(k1)=kk+1=1.

Ein solches Paar trägt also mit 1 zur Gesamtsumme bei. Wenn n gerade ist, so gibt es n/2 solche Paare und die Gesamtsumme ist n/2. Wenn n ungerade ist, so gibt es n12 solche Paare sowie die letzte alleinstehende Zahl 1, die positiv eingeht. Also ist die Gesamtsumme in diesem Fall gleich

n12+1=n+12.


Aufgabe (3 Punkte)

Bestimme die Primfaktorzerlegung von 999999.


Lösung

Es ist

999999=9111111=32337037=3375291=33711481=337111337.


Aufgabe (4 Punkte)

Es seien  μ1,μ2,μ3K  Elemente in einem Körper K. Zeige, dass

w=μ1μ2+μ1μ3+μ2μ3

und

z=(μ1+μ2+μ3)w+μ1μ2μ3

die Gleichung  z2=(w+μ12)(w+μ22)(w+μ32)  erfüllen.


Lösung

Die linke Seite ist

z2=(μ1+μ2+μ3)2w22(μ1+μ2+μ3)μ1μ2μ3w+μ12μ22μ32

und die rechte Seite ist

(w+μ12)(w+μ22)(w+μ32)=w3+(μ12+μ22+μ32)w2+(μ12μ22+μ12μ32+μ22μ32)w+μ12μ22μ32.

Um die Gleichheit zu zeigen, können wir den Summanden μ12μ22μ32 beidseitig abziehen und w ausklammern, es ist somit

(μ1+μ2+μ3)2w2(μ1+μ2+μ3)μ1μ2μ3=w2+(μ12+μ22+μ32)w+μ12μ22+μ12μ32+μ22μ32

zu zeigen. Wir ziehen (μ12+μ22+μ32)w beidseitig ab und dann ist

2(μ1μ2+μ1μ3+μ2μ3)w2(μ1+μ2+μ3)μ1μ2μ3=w2+μ12μ22+μ12μ32+μ22μ32

zu zeigen. Der Summand links ist 2w2, wir ziehen w2 beidseitig ab und somit folgt die Behauptung aus

w2=(μ1μ2+μ1μ3+μ2μ3)2=μ12μ22+μ12μ32+μ22μ32+2μ12μ2μ3+2μ1μ22μ3+2μ1μ2μ32=μ12μ22+μ12μ32+μ22μ32+2(μ1+μ2+μ3)μ1μ2μ3.


Aufgabe (4 Punkte)

Heinz Ngolo bekommt zu seinem neunten Geburtstag einen Hund, der neunzig Tage alt ist. Wann (wie viele Tage nach dem Geburtstag) sind Heinz und der Hund biologisch gleich alt, wenn man ein Hundejahr als sieben Menschenjahre ansetzt? Wie alt ist dann Heinz?


Lösung

Es sei x die Anzahl der Tage nach dem Geburtstag. Das Alter von Heinz zum Zeitpunkt x ist (in Tagen) 3659+x (wir rechnen mit 365 Tagen pro Jahr) und das Alter des Hundes in Menschentagen ist 7(90+x). Dies führt auf die Bedingung

7(90+x)=7x+630=3659+x=3285+x,

also

6x=3285630=2655.

Dies ergibt

x=442,5.

Die beiden sind also 442,5 Tage nach dem Geburtstag biologisch altersgleich. Heinz ist dann 10 Jahre und

442,5365=77,5

Tage alt.


Aufgabe (4 Punkte)

Zeige, dass die Größergleichrelation auf mit der Addition und mit der Multiplikation verträglich ist.


Lösung

Es sei  x=ab,   y=cd  und  z=ef  mit positiven Nennern b,d,f. Durch Übergang zu einem gemeinsamen Hauptnenner können wir direkt  b=d=f  annehmen. Sei

xy,

also

ac.

Dann ist nach Lemma 20.11 (Grundkurs Mathematik (Osnabrück 2026-2027))  (2) auch

a+ec+e

und somit ist

x+z=ab+eb=a+ebc+eb=cb+eb=y+z.

Wenn die beiden Brüche ab und cd beide 0 sind, so sind alle Zähler und Nenner aus und dies überträgt sich auf acbd, also ist auch dies 0.


Aufgabe (2 Punkte)

Es sei x eine rationale Zahl,  x1.  Beweise für  n  durch Induktion die Beziehung

k=0nxk=xn+11x1.


Lösung

Für  n=0  steht beidseitig 1. Es sei die Gleichung für ein bestimmtes n bewiesen. Dann ist

k=0n+1xk=k=0nxk+xn+1=xn+11x1+xn+1=xn+11+xn+1(x1)x1=xn+11+xn+2xn+1x1=xn+21x1,

was die Behauptung für n+1 ist.