- Ein
Körper
heißt angeordneter Körper, wenn es zwischen den Elementen von eine Beziehung
(„größer als“)
gibt, die die folgenden Eigenschaften erfüllt
(
bedeutet
oder
).
- Für je zwei Elemente
gilt entweder
oder
oder
.
- Aus
und
folgt
(für beliebige
).
- Aus
folgt
(für beliebige
).
- Aus
und
folgt
(für beliebige
).
- Die Konvergenz gegen bedeutet, dass es zu jedem reellen ein derart gibt, dass für alle die Abschätzung
-
gilt.
- Die Funktion heißt differenzierbar in , wenn der
Limes
-
existiert.
- Die Funktion heißt Riemann-integrierbar auf , wenn
Ober-
und
Unterintegral
von existieren und übereinstimmen.
- Die Matrix heißt invertierbar, wenn es eine Matrix mit
-
gibt.
- Den Exponenten des linearen Polynoms im
charakteristischen Polynom
nennt man die
algebraische Vielfachheit
von .
Formuliere die folgenden Sätze.
- Der
Nullstellensatz.
- Der Satz über die Beziehung von Stetigkeit und Riemann-Integrierbarkeit.
- Der Satz über
partielle Integration.
Erläutere das Konzept der Wohldefiniertheit anhand eines typischen Beispiels.
Wohldefiniertheit/Typisches Beispiel/Aufgabe/Lösung
Aufgabe * (3 (1+1+1) Punkte)
Wir betrachten die durch die Wertetabelle
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gegebene Abbildung
-
a) Bestimme das Bild von unter .
b) Bestimme das Urbild von unter .
c) Erstelle eine Wertetabelle für
-
a) Das Bild von ist .
b) Das Urbild von ist .
c)
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Aufgabe * (6 (3+1+2) Punkte)
- Bestimme diejenigen reellen Polynomfunktionen, die bijektiv sind und für die die Umkehrfunktion ebenfalls polynomial ist.
- Man gebe ein Beispiel für eine bijektive reelle Polynomfunktion, für die die Umkehrfunktion kein Polynom ist.
- Zeige, dass durch das Polynom eine bijektive Abbildung
-
gegeben ist. Ist die Umkehrabbildung polynomial?
- Die einzigen reellen Polynome mit polynomialer Umkehrfunktion sind die Polynome der Form mit
-
Für diese ist die Umkehrfunktion, da ja wegen
-
und
-
diese Funktionen invers zueinander sind. Wir zeigen, dass es darüberhinaus keine weiteren Polynome mit polynomialer Umkehrfunktion gibt. Ein konstantes Polynom ist nicht bijektiv. Es sei also ein Polynom, das zumindest einen Grad besitzt. Wenn man darin ein weiteres nichtkonstantes Polynom einsetzt, ergibt sich aber ebenfalls ein Polynom vom Grad und nicht . D.h., dass keine polynomiale Umkehrfunktion besitzen kann.
- Die Funktion
-
ist bijektiv nach
Fakt *****,
nach Teil (1) kann aber die Umkehrfunktion nicht polynomial sein.
- Die vollständige Wertetabelle zu dieser Funktion ist
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also ist die Funktion bijektiv. Diese Funktion ist offenbar zu sich selbst invers, also ist die Umkehrfunktion polynomial.
Aufgabe * (3 (1+1+1) Punkte)
Am 26.4.2021 schreibt die Tagesschau
(tagesschau.de):
„In Deutschland sind inzwischen mehr als 25 Millionen Menschen mindestens ein Mal geimpft“. Im ausführlichen Text heißt es dann „In Deutschland sind inzwischen mehr als 25 Millionen Impfdosen verabreicht worden. Wie das Robert Koch-Institut (RKI) mitteilte, sei die Marke am Wochenende überschritten worden [und] liegt nun bei 25,45 Millionen. Laut aktuellen RKI-Zahlen sind bundesweit bislang knapp 19,5 Millionen Menschen erstgeimpft. Das entspricht einem Bevölkerungsanteil von 23,4 Prozent. Knapp sechs Millionen Menschen sind inzwischen bereits zweimal geimpft, dies entspricht 7,2 Prozent der Bevölkerung“.
- Was fällt auf?
- Wie groß ist die Bevölkerung von Deutschland?
- Wie viel Prozent der Erstgeimpften haben auch eine zweite Impfung erhalten?
- Es liegt ein Widerspruch vor. Einmal sind mehr als 25 Millionen Menschen erstgeimpft, einmal sind es 19,5 Millionen Menschen.
- Die entsprechen , daher ergeben sich aus
-
also
-
Ebenso ergibt sich
-
- Der Anteil der Zweitgeimpften zu den Erstgeimpften ist
-
das sind etwa .
Aufgabe * (6 (1+1+1+3) Punkte)
Wir betrachten die Funktion
-
a) Skizziere .
b) Bestimme die Ableitung von .
c) Bestimme die zweite Ableitung von .
d) Untersuche auf Extrema, Monotonieverhalten und Wendepunkte.
a) Skizze.
b) Es ist
-
c) Es ist
-
d) Wegen
ist
und daher ist die Funktion streng fallend und besitzt im offenen Einheitsintervall keine Extrema. Der Nenner von ist stets negativ. Für den Zähler gilt
-
genau dann, wenn
-
Für
ist die zweite Ableitung negativ und für
ist die zweite Ableitung positiv. Daher liegt bei
ein Wendepunkt vor.
Wir müssen zeigen, dass es zu jedem
eine obere und eine untere Treppenfunktion gibt derart, dass die Differenz der beiden Treppenintegrale ist. Es sei also ein
vorgegeben. Aufgrund der Riemann-Integrierbarkeit gibt es
Treppenfunktionen
-
und
-
Wir können annehmen, dass diesen Treppenfunktionen die gleiche Unterteilung zugrunde liegt. Es sei
,
die Länge des -ten Teilintervalls und es sei
-
Dann gilt
Wir setzen
-
Dies ist offenbar eine untere bzw. obere Treppenfunktionen für . Wir betrachten ein Teilintervall der gegebenen Unterteilung.
Wenn dort
-
gilt, so ist dort
-
Wenn dort
-
gilt, so ist dort ebenfalls
-
Dies gilt auch in den beiden anderen Fällen.
Damit ist die Differenz der Treppenintegrale .
Es sei
-
eine
lineare Abbildung.
Es sei . Zeige
.
Bestimme die Punktrichtungsform für die durch die Gleichung
-
im gegebene Gerade.
Es ist ein Punkt der Geraden, und der Richtungsvektor ist . Somit ist
-
eine Beschreibung der Geraden in Punktrichtungsform.
Bestimme eine
Basis
des
Urbildes
von
-
zur
linearen Abbildung
-
Wir betrachten das inhomogene lineare Gleichungssystem
-
Wir ersetzen die zweite Gleichung durch 3I-2II und die dritte durch I-III und erhalten das äquivalente System
-
Daraus sieht man insbesondere, dass die Lösungsmenge zweidimensional ist. Man sieht außerdem, dass der Kern der Abbildung selbst eindimensional ist und aus
der Dimensionsformel
folgt, dass die Abbildung surjektiv ist, insbesondere liegt also jeder Punkt von im Bild. Um linear unabhängige Elemente der Lösungsmenge zu erhalten setzen wir zunächst
und
und erhalten
,
-
und
.
Wenn wir
und
setzen, erhalten wir
,
-
und
.
Eine Basis des Urbildes ist daher gegeben durch die beiden Vektoren und .
Lineare Abbildung/Matrix bzgl. Basis/Rang/Fakt/Beweis/Aufgabe/Lösung
Aufgabe * (11 (3+3+2+3) Punkte)
Es sei ein
Körper
und seien
-
Elemente, die nicht alle gleich seien. Wir betrachten die
-
Matrix
-
wobei die Einträge durch
-
gegeben sind.
a) Bestimme den
Rang
der Matrix .
b) Zeige, dass der Vektor ein
Eigenvektor
zu ist und bestimme den zugehörigen
Eigenwert.
c) Zeige, dass bei
diagonalisierbar
ist.
d) Zeige, dass bei
nicht diagonalisierbar sein muss.
a) Es ist
-
Daher besitzt die durch gegebene lineare Abbildung eine Faktorisierung der Form
-
Daher ist das Bild von maximal eindimensional und der Rang der Matrix ist höchstens . Da nicht alle gleich sind, ist nicht die Nullmatrix und daher ist der Rang genau .
b) Es ist
Da nicht alle gleich sind, ist dieser Vektor ein Eigenvektor zum Eigenwert .
c) Die Matrix besitzt aufgrund der Rangeigenschaft einen -dimensionalen
Kern.
Ferner gibt es einen weiteren Eigenvektor zu einem von verschiedenen Eigenwert
(da wir in sind und eine Summe von Quadraten betrachten).
Daher ist die Summe der Dimensionen der Eigenräume gleich und somit liegt nach
Fakt *****
eine diagonalisierbare Abbildung vor.
d) Es sei
und
.
Die in Frage stehende Matrix ist dann
-
Das charakteristische Polynom davon ist
-
Daher ist der einzige Eigenwert. Der Kern ist aber eindimensional, daher ist die Matrix nicht diagonalisierbar.
Löse das folgende
lineare Gleichungssystem
über dem
Körper
.
-
Löse die quadratische Gleichung
über .
Die normierte Gleichung ist
(Multiplikation mit )
-
Die p-q-Formel ergibt
-
Somit ist
-
und
-
Die Matrix hat die Form
-
Das
charakteristische Polynom
hat daher die Form
-
Wir schreiben dies als
-
Da
-
nichtnegativ ist, kann man daraus im Reellen die Quadratwurzel ziehen und das charakteristische Polynom besitzt Nullstellen, die Eigenwerte der Matrix sind.
Wir betrachten die
lineare Abbildung
,
die durch die
Matrix
gegeben ist.
- Bestimme das
Bild
der durch die Gleichung
-
gegebenen Geraden.
- Bestimme das
Urbild
der durch die Gleichung
-
gegebenen Geraden.
- Die Gerade kann man auch als
-
auffassen. Das Bild des erzeugenden Vektors ist
-
Alle Vielfache von werden auf Vielfache von abgebildet, somit ist die Bildgerade gleich
-
- Wir schreiben die Koordinaten des ersten Raumes als und die Koordinaten den zweiten Raumes als . Aus der Beziehung
-
ergibt sich
-
Somit wird die Urbildgerade durch die Gleichung
-
beschrieben.
Beweise den Satz über die Dimension eines Untervektorraum
.
Zeige, dass
-
eine Nullstelle des Polynoms
-
ist.
Es ist
Wir betrachten die
lineare Abbildung
,
die durch die
Matrix
gegeben ist.
- Bestimme das
Bild
der durch die Gleichung
-
gegebenen Geraden.
- Bestimme das
Urbild
der durch die Gleichung
-
gegebenen Geraden.
- Die Gerade kann man auch als
-
auffassen. Das Bild des erzeugenden Vektors ist
-
Alle Vielfache von werden auf Vielfache von abgebildet, somit ist die Bildgerade gekürzt gleich
-
- Wir schreiben die Koordinaten des ersten Raumes als und die Koordinaten den zweiten Raumes als . Aus der Beziehung
-
ergibt sich
-
Somit wird die Urbildgerade durch die Gleichung
-
beschrieben.