Kurs:Mathematik für Anwender/Teil I/39/Klausur mit Lösungen/latex

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%Daten zur Institution

%\input{Dozentdaten}

%\renewcommand{\fachbereich}{Fachbereich}

%\renewcommand{\dozent}{Prof. Dr. . }

%Klausurdaten

\renewcommand{\klausurgebiet}{ }

\renewcommand{\klausurtyp}{ }

\renewcommand{\klausurdatum}{ . 20}

\klausurvorspann {\fachbereich} {\klausurdatum} {\dozent} {\klausurgebiet} {\klausurtyp}


%Daten für folgende Punktetabelle


\renewcommand{\aeins}{ 3 }

\renewcommand{\azwei}{ 3 }

\renewcommand{\adrei}{ 2 }

\renewcommand{\avier}{ 3 }

\renewcommand{\afuenf}{ 5 }

\renewcommand{\asechs}{ 1 }

\renewcommand{\asieben}{ 4 }

\renewcommand{\aacht}{ 2 }

\renewcommand{\aneun}{ 4 }

\renewcommand{\azehn}{ 4 }

\renewcommand{\aelf}{ 4 }

\renewcommand{\azwoelf}{ 3 }

\renewcommand{\adreizehn}{ 4 }

\renewcommand{\avierzehn}{ 8 }

\renewcommand{\afuenfzehn}{ 4 }

\renewcommand{\asechzehn}{ 5 }

\renewcommand{\asiebzehn}{ 1 }

\renewcommand{\aachtzehn}{ 4 }

\renewcommand{\aneunzehn}{ 64 }

\renewcommand{\azwanzig}{ }

\renewcommand{\aeinundzwanzig}{ }

\renewcommand{\azweiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\adreiundzwanzig}{ }

\renewcommand{\avierundzwanzig}{ }

\renewcommand{\afuenfundzwanzig}{ }

\renewcommand{\asechsundzwanzig}{ }

\punktetabelleachtzehn


\klausurnote

\newpage


\setcounter{section}{0}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Definiere die folgenden \zusatzklammer {kursiv gedruckten} {} {} Begriffe. \aufzaehlungsechs{Eine \stichwort {surjektive} {} Abbildung \maabbdisp {f} {L} {M } {.}

}{Eine \stichwort {Folge} {} reeller Zahlen.

}{Das \stichwort {Cauchy-Produkt} {} zu zwei \definitionsverweis {Reihen}{}{} \mathkor {} {\sum_{ i = 0}^\infty a_{ i }} {und} {\sum_{ j = 0}^\infty b_{ j }} {} \definitionsverweis {reeller Zahlen}{}{.}

}{Der \stichwort {Differenzenquotient} {} zu einer Funktion \maabb {f} {\R} {\R } {} in einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \in }{\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.}

}{Die \stichwort {Integralfunktion} {} zum Startpunkt
\mathl{a \in I}{} zu einer Riemann-integrierbaren Funktion \maabbdisp {f} {I} {\R } {} auf einem reellen Intervall
\mathl{I \subseteq \R}{.}

}{Ein \stichwort {Eigenwert} {} zu einer \definitionsverweis {linearen Abbildung}{}{} \maabbdisp {\varphi} {V} {V } {} auf einem $K$-\definitionsverweis {Vektorraum}{}{} $V$. }

}
{

\aufzaehlungsechs{Die Abbildung $f$ heißt surjektiv, wenn es für jedes
\mathl{y \in M}{} mindestens ein Element
\mathl{x \in L}{} mit
\mathl{f(x)=y}{} gibt. }{Eine reelle Folge ist eine \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbeledisp {} {\N} {\R } {n} {x_n } {.} }{Das Cauchy-Produkt der beiden Reihen \mathkor {} {\sum_{ i = 0}^\infty a_{ i }} {und} {\sum_{ j = 0}^\infty b_{ j }} {} ist die Reihe
\mathdisp {\sum_{ k = 0}^\infty c_{ k } \text{ mit } c_k \defeq \sum_{ i = 0 }^{ k } a_i b_{k-i}} { . }
}{Zu
\mathbed {x \in \R} {}
{x \neq a} {}
{} {} {} {,} heißt die Zahl
\mathdisp {\frac{ f (x )-f (a) }{ x -a }} { }
der Differenzenquotient von $f$ zu \mathkor {} {a} {und} {x} {.} }{Die Funktion \maabbeledisp {} {I} {\R } {x} { \int_{ a }^{ x } f ( t) \, d t } {,} heißt die Integralfunktion zu $f$ zum Startpunkt $a$. }{Ein Element
\mathl{\lambda \in K}{} heißt ein Eigenwert zu $\varphi$, wenn es einen von $0$ verschiedenen Vektor
\mathl{v \in V}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(v) }
{ =} {\lambda v }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt. }


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Formuliere die folgenden Sätze. \aufzaehlungdrei{Die \stichwort {Produktregel} {} für reelle Folgen.}{Der \stichwort {zweite Mittelwertsatz} {} der Differentialrechnung.}{Der Satz über Zeilenrang und Spaltenrang.}

}
{

\aufzaehlungdrei{Es seien \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} konvergente Folgen in $\R$. Dann ist die Folge
\mathl{{ \left( x_n \cdot y_n \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent und es gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \left( x_n \cdot y_n \right) } }
{ =} { { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} x_n \right) } \cdot { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} y_n \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}{Es sei
\mathl{b>a}{} und seien \maabbdisp {f,g} {[a,b]} {\R } {} stetige, auf
\mathl{]a,b[}{} differenzierbare Funktionen mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ g'(x) }
{ \neq} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mathl{x \in {]a,b[}}{.} Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ g(b) }
{ \neq }{ g(a) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und es gibt ein
\mathl{c \in {]a,b[}}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} }
{ =} {\frac{f'(c)}{g'(c)} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}}{\faktsituation {Es sei $K$ ein Körper und sei $M$ eine $m$ $\times$ $n$-Matrix über $K$. Dann stimmt der Spaltenrang mit dem Zeilenrang überein.}
\faktfolgerung {}
\faktzusatz {}
\faktzusatz {}}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{2}
{

Finde einen möglichst einfachen aussagenlogischen Ausdruck, der die folgende tabellarisch dargestellte Wahrheitsfunktion ergibt. \wahrheitstabelledreieins{ } {\tabellenzeilevier {$ p $} {$ q $} {$ r $} {$? $} } {\tabellendoppelzeilevier {w} {w} {w} {w} {w} {w} {f} {f} } {\tabellendoppelzeilevier {w} {f} {w} {w} {w} {f} {f} {f} } {\tabellendoppelzeilevier {f} {w} {w} {f} {f} {w} {f} {w} } {\tabellendoppelzeilevier {f} {f} {w} {f} {f} {f} {f} {w} }

}
{


\mathdisp {p \leftrightarrow r} { . }


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Erläutere das Prinzip \stichwort {Beweis durch Fallunterscheidung} {.}

}
{Beweis durch Fallunterscheidung/Erläuterung/Aufgabe/Lösung }





\inputaufgabepunkteloesung
{5 (3+2)}
{

Es seien
\mathl{M_1 , \ldots , M_k}{} und
\mathl{N_1 , \ldots , N_k}{} nichtleere Mengen und \maabbdisp {\varphi_i} {M_i} {N_i } {} Abbildungen für
\mathl{i= 1 , \ldots , k}{.} Es sei
\mathl{M=M_1 \times \cdots \times M_k}{,}
\mathl{N=N_1 \times \cdots \times N_k}{,} und $\varphi$ die Produktabbildung, also \maabbeledisp {\varphi} {M} {N } {(x_1 , \ldots , x_k)} { ( \varphi_1(x_1) , \ldots , \varphi_k(x_k) ) } {.}

a) Zeige, dass $\varphi$ genau dann surjektiv ist, wenn alle $\varphi_i$ surjektiv sind.

b) Zeige, dass a) nicht gelten muss, wenn die beteiligten Mengen leer sein dürfen.

}
{

a) Es seien alle $\varphi_i$ surjektiv und sei
\mathl{y=(y_1 , \ldots , y_k) \in N}{.} Zu jedem $i$ gibt es ein
\mathl{x_i \in M_i}{} mit
\mathl{\varphi(x_i) =y_i}{.} Daher ist
\mathl{x=(x_1 , \ldots , x_k)}{} ein Urbild von $y$ unter $\varphi$.

Es sei umgekehrt $\varphi$ surjektiv, und sei $y_i \in N_i$ gegeben. Da die $N_j$ alle nicht leer sind, gibt es jeweils ein $a_j \in N_j$. Wir setzen
\mathdisp {y=(a_1 , \ldots , a_{i-1} , y_i, a_{i+1} , \ldots , a_k) \in N} { . }
Dafür gibt es nach Voraussetzung ein Urbild $x \in M$. Für die $i$-te Komponente davon muss $\varphi_i(x_i)=y_i$ gelten.

b) Es sei $M_1=N_1= \emptyset$, sei $\varphi_1$ die leere Abbildung und seien
\mathl{M_2}{} und
\mathl{N_2}{} irgendwelche \zusatzklammer {nichtleere} {} {} Mengen und sei \maabb {\varphi_2} {M_2} {N_2 } {} eine beliebige nicht surjektive Abbildung. Dann ist $M= \emptyset \times M_2 = \emptyset$ und $N= \emptyset \times N_2 = \emptyset$ und daher ist die Produktabbildung
\mathl{\varphi= \varphi_1 \times \varphi_2}{} ebenfalls die leere Abbildung, also surjektiv, obwohl nicht alle $\varphi_i$ surjektiv sind.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{1}
{

Finde eine natürliche Zahl $n$ derart, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( { \frac{ 8 }{ 7 } } \right) }^n }
{ \geq} { 1000 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{

Man kann
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ = }{7000 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} nehmen. Es ist nämlich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( { \frac{ 8 }{ 7 } } \right) }^{7000} }
{ =} { { \left( 1+ { \frac{ 1 }{ 7 } } \right) }^{7000} }
{ \geq} { 1 + 7000 \cdot { \frac{ 1 }{ 7 } } }
{ =} { 1 +1000 }
{ \geq} { 1000 }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Bestimme die ganzzahligen Lösungen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} der Ungleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \,\, { \frac{ 3 }{ x } } \,\, }{ \,\, { \frac{ -7 }{ 4 } } \,\, } } }
{ >} { -1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ \,\, { \frac{ 3 }{ x } } \,\, }{ \,\, { \frac{ -7 }{ 4 } } \,\, } } }
{ =} { { \frac{ 12 }{ -7x } } }
{ =} { { \frac{ -12 }{ 7x } } }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Bei positivem $x$ führt die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ -12 }{ 7x } } }
{ >} { -1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ -12 }
{ >} { -7x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} bzw.
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{12 }
{ <} {7x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dies ist für
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ \geq} {2 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erfüllt. Für negatives $x$ schreiben wir
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ =} {-y }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} mit $y$ positiv. Die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ -12 }{ 7(-y) } } }
{ >} { -1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} bedeutet dann
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 12 }{ 7y } } }
{ >} { -1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und ist für jedes \zusatzklammer {positive} {} {} $y$ erfüllt, da links eine positive rationale Zahl steht. Insgesamt ist die Ungleichung also für alle ganzen Zahlen $\neq 0,1$ erfüllt.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{2}
{

Berechne
\mathdisp {{ \left( { \frac{ 2 }{ 5 } } - { \frac{ 3 }{ 7 } } \sqrt{3} \right) } \cdot { \left( { \frac{ 1 }{ 4 } } - { \frac{ 2 }{ 3 } } \sqrt{3} \right) }} { . }

}
{

Es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( { \frac{ 2 }{ 5 } } - { \frac{ 3 }{ 7 } } \sqrt{3} \right) } \cdot { \left( { \frac{ 1 }{ 4 } } - { \frac{ 2 }{ 3 } } \sqrt{3} \right) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 10 } } - { \frac{ 4 }{ 15 } } \sqrt{3} - { \frac{ 3 }{ 28 } } \sqrt{3} + { \frac{ 2 }{ 7 } } \cdot \sqrt{3}^2 }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 10 } } + { \frac{ 6 }{ 7 } } - { \left( { \frac{ 4 }{ 15 } } + { \frac{ 3 }{ 28 } } \right) } \sqrt{3} }
{ =} { { \frac{ 7+60 }{ 70 } } - { \frac{ 112 + 45 }{ 420 } } \sqrt{3} }
{ =} { { \frac{ 67 }{ 70 } } - { \frac{ 157 }{ 420 } } \sqrt{3} }
} {} {}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Beweise den Satz, dass der \definitionsverweis {Limes}{}{} einer \definitionsverweis {konvergenten Folge}{}{} in $\R$ eindeutig bestimmt ist.

}
{

 Nehmen wir an, dass es zwei verschiedene Grenzwerte
\mathbed {x,y} {}
{x \neq y} {}
{} {} {} {,} gibt. Dann ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{d }
{ \defeq }{ \betrag { x-y } }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wir betrachten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \epsilon }
{ \defeq }{ d/3 }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Wegen der Konvergenz gegen $x$ gibt es ein $n_0$ mit
\mathdisp {\betrag { x_n-x } \leq \epsilon \text{ für } \text{alle } n \geq n_0} { }
und wegen der Konvergenz gegen $y$ gibt es ein $n_0'$ mit
\mathdisp {\betrag { x_n-y } \leq \epsilon \text{ für } \text{alle } n \geq n_0'} { . }
Beide Bedingungen gelten dann gleichermaßen für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \geq }{\max\{n_0,n_0'\} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Es sei $n$ mindestens so groß wie dieses Maximum. Dann ergibt sich aufgrund der Dreiecksungleichung der Widerspruch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{d }
{ =} { \betrag { x-y } }
{ \leq} { \betrag { x-x_n } + \betrag { x_n-y } }
{ \leq} { \epsilon+ \epsilon }
{ =} { 2 d/3 }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4 (1+3)}
{

Es sei \maabb {f} {\R} {\R } {} eine \definitionsverweis {stetige Funktion}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{f(0) }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei ${ \left( x_n \right) }_{n \in \N }$ eine \definitionsverweis {Nullfolge}{}{.} Zu
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ \in }{\N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} bezeichne
\mathl{f^k}{} die $k$-fache \definitionsverweis {Hintereinanderschaltung}{}{} von $f$ mit sich selbst. \aufzaehlungzwei {Sei $k$ fixiert. Zeige, dass die Folge
\mathbed {f^k(x_n)} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {,} eine Nullfolge ist. } {Man gebe ein Beispiel, das zeigt, dass die Folge
\mathbed {f^n(x_n)} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {,} keine Nullfolge sein muss. }

}
{

\aufzaehlungzwei {Als Hintereinanderschaltung von stetigen Funktionen ist nach [[Reelle Funktion/Stetig/Hintereinanderschaltung/Fakt|Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024)/Reelle Funktion/Stetig/Hintereinanderschaltung/Fakt/Faktreferenznummer (Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024))]] auch $f^k$ stetig. Nach Fakt ***** konvergiert auch die Bildfolge, und zwar wegen
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(0) }
{ =} {0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegen $0$. Somit ist $f^k(x_n)$ eine Nullfolge. } {Sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ \defeq} { { \frac{ 1 }{ 2^n } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} dies ist eine Nullfolge, und sei
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(x) }
{ =} { 2x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f^k(x) }
{ =} { 2^k x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und somit ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f^n(x_n) }
{ =} { 2^n \cdot { \frac{ 1 }{ 2^n } } }
{ =} { 1 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} also die konstante Folge mit dem Wert $1$ und keine Nullfolge. }


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Die beiden lokalen Extrema der Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(x) }
{ =} { x^3 -6x^2 +9x+1 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definieren ein achsenparalleles Rechteck, das vom Funktionsgraphen in zwei Bereiche zerlegt wird. Bestimme deren Flächeninhalte.

}
{

Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ f'(x) }
{ =} { 3x^2 -12x+9 }
{ =} { 3(x^2-4x+3) }
{ =} { 3( (x-2)^2 -1) }
{ =} { 3 (x-1 )(x-3) }
} {}{}{.} Die Ableitung hat also bei
\mathl{x=1}{} und bei
\mathl{x=3}{} eine Nullstelle. Wegen
\mathl{f^{\prime \prime}(x) = 6x-12}{} liegt bei
\mathl{x=1}{} ein lokales Maximum mit dem Wert
\mathl{f(1)= 5}{} und bei
\mathl{x=3}{} ein lokales Minimum mit dem Wert
\mathl{f(3)=27-54+27+1=1}{} vor. Der Flächeninhalt des Rechtecks ist $8$. Der Flächeninhalt des Teilbereichs des Rechteckes unterhalb des Graphen ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \int_1^3 x^3-6x^2+9x+ 1 dx -2 }
{ =} { [{ \frac{ 1 }{ 4 } } x^4- 2x^3+{ \frac{ 9 }{ 2 } }x^2 +x ]_1^3 -2 }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 4 } } 81 - 2 \cdot 27 +{ \frac{ 81 }{ 2 } } +3 - { \frac{ 1 }{ 4 } }+ 2-{ \frac{ 9 }{ 2 } }-1 -2 }
{ =} { { \frac{ 3 }{ 4 } } 81 - 54 +3 - { \frac{ 19 }{ 4 } }+ 1 -2 }
{ =} { { \frac{ 243-19 }{ 4 } } -50 -2 }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { 4 }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
} {}{.} Der Flächeninhalt des Teilbereichs des Rechteckes oberhalb des Graphen ist ebenfalls $4$.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{3}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Ableitung}{}{} der \definitionsverweis {Sinus}{}{-} und der \definitionsverweis {Kosinusfunktion}{}{} über ihre Potenzreihen \zusatzklammer {Satz 16.1 (Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024))} {} {.}

}
{

Nach Satz 16.1 (Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024)) ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( \sin x \right) }' }
{ =} { { \left( \sum_{ n = 0}^\infty \frac{ (-1)^{ n } x^{2n+1} }{(2n +1 )!} \right) }' }
{ =} { \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n (2n+1) { \frac{ x^{2n} }{ (2n+1)! } } }
{ =} { \sum_{n = 0}^\infty (-1)^n { \frac{ x^{2n} }{ (2n)! } } }
{ =} { \cos x }
} {} {}{} und
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ { \left( \cos x \right) }' }
{ =} { { \left( \sum_{ n = 0}^\infty \frac{ (-1)^{ n } x^{2n} }{(2n)!} \right) }' }
{ =} { \sum_{n = 1}^\infty (-1)^n (2n) { \frac{ x^{2n-1} }{ (2n)! } } }
{ =} { \sum_{n = 1}^\infty (-1)^n { \frac{ x^{2n-1} }{ (2n-1)! } } }
{ =} { (-1) \sum_{n = 1}^\infty (-1)^{(n-1)} { \frac{ x^{2n-1} }{ (2n-1)! } } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { (-1) \sum_{k = 0}^\infty (-1)^k { \frac{ x^{2k+1} }{ (2k+1)! } } }
{ =} { - \sin x }
{ } {}
{ } {}
} {}{,} wobei wir im vorletzten Schritt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ = }{n-1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gesetzt haben.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Zeige, dass für
\mathbed {x \in \R} {}
{x \geq 1} {}
{} {} {} {,} die Gleichheit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \, \operatorname{arcosh} \, x \, }
{ =} { \ln { \left( x+\sqrt{x^2-1} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{

Es ist
\mavergleichskettealign
{\vergleichskettealign
{ \cosh { \left( \ln { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) } \right) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } { \left( e^{ \ln { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) } }+ e^{- \ln { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) } } \right) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } { \left( { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) } + { \frac{ 1 }{ x+ \sqrt{x^2-1} } } \right) } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } { \frac{ { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) }^2 +1 }{ x+ \sqrt{x^2-1} } } }
{ =} {{ \frac{ 1 }{ 2 } } { \frac{ x^2+ 2 x \sqrt{ x^2-1 } +x^2-1+1 }{ x+ \sqrt{x^2-1} } } }
} {
\vergleichskettefortsetzungalign
{ =} { { \frac{ x^2+ x \sqrt{ x^2-1 } }{ x+ \sqrt{x^2-1} } } }
{ =} {x }
{ } {}
{ } {}
} {}{.} Wir wenden die Umkehrfunktion
\mathl{\, \operatorname{arcosh} \, x \,}{} auf diese Gleichung an und erhalten
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \ln { \left( x+ \sqrt{x^2-1} \right) } }
{ =} {\, \operatorname{arcosh} \, x \, }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{8 (2+4+2)}
{

Wir betrachten die Sinusfunktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{f(x) }
{ =} { \sin x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf
\mathl{[0, \pi]}{} und den oberen Halbkreis \zusatzklammer {mit Radius ${ \frac{ \pi }{ 2 } }$} {} {} oberhalb dieses Intervalls. \aufzaehlungdrei{Skizziere die Situation. Beschreibe den oberen Halbkreis als den Graphen einer Funktion
\mathl{g(x)}{.} }{Zeige, dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g(x) }
{ \geq} {f(x) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \in }{[0, \pi] }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt. Tipp: Betrachte die Situation für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \leq }{x }
{ \leq }{ \pi/6 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \pi/6 }
{ \leq }{x }
{ \leq }{ \pi/2 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Berechne den Flächeninhalt zwischen dem Halbkreis und dem Sinusbogen. }

}
{

\aufzaehlungdrei{Es handelt sich um den oberen Halbkreis mit dem Mittelpunkt
\mathl{( \pi/2,0)}{} und dem Radius $\pi/2$. Für die Punkte
\mathl{(x,y)}{} auf dem Kreisbogen gilt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \left( x - { \frac{ \pi }{ 2 } } \right) }^2 +y^2 }
{ =} { { \frac{ \pi^2 }{ 4 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} somit ist der obere Halbbogen der Graph der Funktion
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{g(x) }
{ =} { \sqrt{ { \frac{ \pi^2 }{ 4 } } - { \left( x - { \frac{ \pi }{ 2 } } \right) }^2 } }
{ =} { \sqrt{ -x^2 +x \pi } }
{ =} { \sqrt{ x( \pi -x) } }
{ } { }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sqrt{ x( \pi -x) } }
{ \geq} { \sin x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} auf
\mathl{[0, \pi]}{} zu zeigen, wobei die Situation symmetrisch zur Achse durch
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{ \pi/2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. Da beide Funktionen nichtnegativ sind, genügt es, die quadrierte Abschätzung nachzuweisen, also
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x( \pi -x) }
{ \geq} { \sin^{ 2 } x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Beide Funktionen sind auf
\mathl{[0, \pi/2]}{} streng wachsend und haben im Nullpunkt den Wert $0$. Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \pi/6 }
{ \leq }{x }
{ \leq }{ \pi/2 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x( \pi -x) }
{ \geq} { { \frac{ \pi }{ 6 } } { \left( \pi - { \frac{ \pi }{ 6 } } \right) } }
{ =} { { \frac{ \pi }{ 6 } } \cdot { \frac{ 5 \pi }{ 6 } } }
{ =} { { \frac{ 5 \pi^2 }{ 36 } } }
{ >} { 1 }
} {
\vergleichskettefortsetzung
{ \geq} { \sin^{ 2 } x }
{ } {}
{ } {}
{ } {}
}{}{.} Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{0 }
{ \leq }{ x }
{ \leq }{ \pi/6 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} vergleichen wir die Ableitungen der quadrierten FUnktionen. Es ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{( -x^2+ \pi x )' }
{ =} {- 2x + \pi }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ( \sin^{ 2 } x )' }
{ =} { 2 \sin x \cos x }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Im angegebenen Bereich ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{-2x + \pi }
{ \geq} { -2 { \frac{ \pi }{ 6 } } + \pi }
{ =} { { \frac{ 2 }{ 3 } } \pi }
{ >} {2 }
{ \geq} { 2 \sin x \cos x }
} {}{}{,} die Funktion $g^2$ wächst also schneller als
\mathl{\sin^{ 2 } x}{} und somit gilt auch in diesem Abschnitt die Abschätzung. }{Der Flächeninhalt unter dem Kreisbogen ist der halbe Flächeninhalt eines Kreises mit Radius $\pi/2$, also gleich
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ { \frac{ 1 }{ 2 } } \pi \left( \frac{ \pi }{ 2 } \right)^2 }
{ =} { { \frac{ \pi^3 }{ 8 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Der Flächeninhalt unter dem Sinusbogen ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{\int_0^{\pi} \sin x dx }
{ =} { - \cos x | _{ 0 } ^{ \pi } }
{ =} { 1 +1 }
{ =} {2 }
{ } { }
} {}{}{.} Der eingeschlossene Flächeninhalt ist somit gleich
\mathdisp {{ \frac{ \pi^3 }{ 8 } } -2} { . }
}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Beweise das Eliminationslemma für ein inhomogenes lineares Gleichungssystem in $n$ Variablen über einem Körper $K$.

}
{

Durch Umnummerieren kann man
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{x_1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} erreichen. Es sei $G$ die Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ ax_1 + \sum_{i = 2}^n a_ix_i }
{ =} {b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit \mathlk{a \neq 0}{}} {} {} und $H$ die Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ cx_1 + \sum_{i = 2}^n c_ix_i }
{ =} {d }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dann hat die Gleichung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{H' }
{ =} {H - { \frac{ c }{ a } } G }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} die Gestalt
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{i = 2}^n { \left( c_i- { \frac{ c }{ a } } a_i \right) } x_i }
{ =} { d -{ \frac{ c }{ a } } b }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} in der $x_1$ nicht mehr vorkommt. Wegen
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{H }
{ = }{H' + { \frac{ c }{ a } } G }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sind die Gleichungssysteme \definitionsverweis {äquivalent}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{5}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{} und es seien \mathkor {} {V} {und} {W} {} \definitionsverweis {Vektorräume}{}{} über $K$ der \definitionsverweis {Dimension}{}{} \mathkor {} {n} {bzw.} {m} {.} Es sei \maabbdisp {\varphi} {V} {W } {} eine \definitionsverweis {lineare Abbildung}{}{,} die bezüglich zweier \definitionsverweis {Basen}{}{} durch die \definitionsverweis {Matrix}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ M }
{ \in }{ \operatorname{Mat}_{ m \times n } (K) }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} beschrieben werde. Zeige, dass $\varphi$ genau dann \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist, wenn die Spalten der Matrix \definitionsverweis {linear unabhängig}{}{} in $K^m$ sind.

}
{

Es seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ v } }
{ = }{v_1 , \ldots , v_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \mathfrak{ w } }
{ = }{w_1 , \ldots , w_m }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Basen von \mathkor {} {V} {bzw.} {W} {} und es seien
\mathl{s_1 , \ldots , s_n}{} die Spaltenvektoren von $M$. Die Abbildung $\varphi$ hat die Eigenschaft
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi(v_j) }
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ m } s_{ij} w_i }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} wobei
\mathl{s_{ij}}{} der $i$-te Eintrag des $j$-ten Spaltenvektors ist. Daher ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \varphi { \left( \sum_{ j = 1 }^{ n } a_j v_j \right) } }
{ =} { \sum_{ j = 1 }^{ n } a_j { \left( \sum_{ i = 1 }^{ m } s_{ij } w_i \right) } }
{ =} { \sum_{ i = 1 }^{ m } { \left( \sum_{ j = 1 }^{ n } a_j s_{ij} \right) } w_i }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dies ist genau dann $0$, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \sum_{ j = 1 }^{ n } a_j s_{ij} }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle $i$ ist, und dies ist äquivalent zu
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \sum_{ j = 1 }^{ n } a_js_j }
{ =} { 0 }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Dafür gibt es ein nichttriviales \zusatzklammer {Lösungs} {-} {}Tupel
\mathl{{ \left( a_1 , \ldots , a_n \right) }}{} genau dann, wenn die Spalten linear abhängig sind und genau dann, wenn $\varphi$ nicht injektiv ist.


}





\inputaufgabepunkteloesung
{1}
{

Es seien \mathkor {} {A} {und} {B} {} quadratische Matrizen über einem Körper $K$. Zeige
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \det \left( A \circ B \right) }
{ =} { \det \left( B \circ A \right) }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{

Aufgrund des Determinantenmultiplikationssatzes ist
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \det \left( A \circ B \right) }
{ =} { \det A \det B }
{ =} { \det B \det A }
{ =} { \det \left( B \circ A \right) }
{ } { }
} {}{}{.}


}





\inputaufgabepunkteloesung
{4}
{

Beweise den Satz über die Beziehung zwischen geometrischer und algebra\-ischer Vielfachheit.

}
{

Sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{m }
{ = }{ \operatorname{dim}_{ } { \left( \operatorname{Eig}_{ \lambda } { \left( \varphi \right) } \right) } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und sei
\mathl{v_1 , \ldots , v_m}{} eine \definitionsverweis {Basis}{}{} von diesem \definitionsverweis {Eigenraum}{}{,} die wir durch
\mathl{w_1 , \ldots , w_{n-m}}{} zu einer Basis von $V$ ergänzen. Bezüglich dieser Basis hat die \definitionsverweis {beschreibende Matrix}{}{} die Gestalt
\mathdisp {\begin{pmatrix} \lambda E_m & B \\ 0 & C \end{pmatrix}} { . }
Das \definitionsverweis {charakteristische Polynom}{}{} ist daher nach Aufgabe 26.9 (Mathematik für Anwender (Osnabrück 2023-2024)) gleich
\mathl{(X- \lambda)^m \cdot \chi_{ C }}{,} so dass die \definitionsverweis {algebraische Vielfachheit}{}{} mindestens $m$ ist.


}