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Kurs:Vorkurs Mathematik (Osnabrück 2009)/Arbeitsblatt 8/latex

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\zwischenueberschrift{Angeordnete Körper}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Zeige, dass für jedes $x \in K$ die Beziehung $x^2=xx \geq 0$ gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Beweise die folgenden Aussagen:

In einem \definitionsverweis {angeordneten Körper}{}{} gelten die folgenden Eigenschaften. \aufzaehlungdrei{
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{1 }
{ > }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} }{Aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \geq }{b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ \geq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ac }
{ \geq }{bc }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} }{Aus
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{a }
{ \geq }{b }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{c }
{ \leq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} folgt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ac }
{ \leq }{bc }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und $x \in K$. Zeige, dass
\mathl{x > 0}{} genau dann gilt, wenn $-x < 0$ ist.

}
{(Bemerkung: Diese Aussage kann man so verstehen, dass das Negative eines positiven Elementes negativ ist. Allerdings tritt dabei negativ in zwei verschiedenen Bedeutungen auf!)} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und $x>y$. Zeige, dass dann $-x<-y$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass auch das inverse Element $x^{-1}$ positiv ist.

}
{Man folgere daraus, dass die positiven Elemente in einem angeordneten Körper bezüglich der Multiplikation eine Gruppe bilden.} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \geq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass für das inverse Element
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^{-1} }
{ \leq }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ > }{ y }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass für die \definitionsverweis {inversen Elemente}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x^{-1} }
{ < }{ y^{-1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass der in Aufgabe 7.8 konstruierte \definitionsverweis {Körper}{}{} $K$ nicht \definitionsverweis {angeordnet}{}{} werden kann.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{.} Zeige, dass man jeder natürlichen Zahl
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ein Körperelement $n_K$ zuordnen kann, derart, dass $0_K$ das Nullelement in $K$ und $1_K$ das Einselement in $K$ ist und dass
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ (n+1)_K }
{ =} { n_K+1_K }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt. Zeige, dass diese Zuordnung die Eigenschaften
\mathdisp {(n+m)_K = n_K + m_K \text{ und } (nm)_K = n_K \cdot m_K} { }
besitzt.

Erweitere diese Zuordnung auf die ganzen Zahlen $\Z$ und zeige, dass die angeführten strukturellen Eigenschaften ebenfalls gelten.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Zeige, dass die in Aufgabe 8.9 eingeführte Abbildung \maabbeledisp {} {\Z} {K } {n} {n_K } {,} \definitionsverweis {injektiv}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Betrachte die in Aufgabe ***** konstruierte injektive Zuordnung $\Z \subset K$. Zeige, dass man diese Zuordnung zu einer Zuordnung $\Q \subseteq K$ fortsetzen kann, und zwar derart, dass die \definitionsverweis {Verknüpfungen}{}{} in $\Q$ mit den Verknüpfungen in $K$ übereinstimmen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und es seien $x<y$ Elemente in $K$. Zeige, dass für das \definitionsverweis {arithmetische Mittel}{}{} $\frac{x+y}{2}$ die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ <} {\frac{x+y}{2} }
{ <} {y }
{ } {}
{ } {}
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Es sei vorausgesetzt, dass in $K$ die \zusatzklammer {positiven} {} {} Elemente \mathkor {} {8^{1/2}} {und} {25^{1/3}} {} existieren. Welches ist größer?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Betrachte die Menge
\mathdisp {K={ \left\{ p+q \sqrt{5} \mid p,q \in \Q \right\} }} { , }
wobei $\sqrt{5}$ zunächst lediglich ein Symbol ist.

a) Definiere eine Addition und eine Multiplikation auf dieser Menge derart, dass $\sqrt{5}^2=5$ ist und dass $K$ zu einem \definitionsverweis {Körper}{}{} wird.

b) Definiere eine \definitionsverweis {Ordnung}{}{} derart, dass $K$ zu einem \definitionsverweis {angeordneten Körper}{}{} wird und dass $\sqrt{5}$ positiv wird.

c) Fasse die Elemente von $K$ als Punkte im $\Q^2$ auf. Skizziere eine Trennlinie im $\Q^2$, die die positiven von den negativen Elementen in $K$ trennt.

d) Ist das Element $23-11 \sqrt{5}$ positiv oder negativ?

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die kleinste reelle Zahl, für die die Bernoullische Ungleichung zum Exponenten
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ = }{ 3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {Körper}{}{,} bei dem eine Teilmenge
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ P }
{ \subseteq }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ausgezeichnet sei, die den folgenden Bedingungen genügt. \aufzaehlungdrei{Für $x \in K$ ist entweder $x \in P$ oder $-x \in P$ oder $x=0$. }{Aus $x,y \in P$ folgt $x+y \in P$. }{Aus $x,y \in P$ folgt $x \cdot y \in P$. } Zeige, dass durch die Festlegung
\mathdisp {x \geq y \text{ genau dann, wenn } x=y \text{ oder } x-y \in P} { }
ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} entsteht.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Betrag und Minimum}




\inputaufgabe
{}
{

Beweise die folgenden Eigenschaften für die \definitionsverweis {Betragsfunktion}{}{} \maabbeledisp {} {K} {K } {x} { \betrag { x } } {,} in einem \definitionsverweis {angeordneten Körper}{}{} \zusatzklammer {dabei seien $x,y$ beliebige Elemente in $K$} {} {.} \aufzaehlungacht{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x } }
{ \geq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x } }
{ = }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x } }
{ = }{\betrag { y } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} genau dann, wenn
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} oder
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ = }{-y }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist. }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { y-x } }
{ = }{ \betrag { x-y } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { xy } }
{ = }{ \betrag { x } \betrag { y } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Für
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x }
{ \neq }{0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x^{-1} } }
{ = }{ \betrag { x }^{-1} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x+y } }
{ \leq }{ \betrag { x } + \betrag { y } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} \zusatzklammer {\stichwort {Dreiecksungleichung für den Betrag} {}} {} {.} }{Es ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \betrag { x+y } }
{ \geq }{ \betrag { x } - \betrag { y } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{} und seien
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_1 , \ldots , x_n }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} Elemente. Zeige, dass dann
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \betrag { \sum_{i=1}^n x_i } }
{ \leq} { \sum_{i = 1}^n \betrag { x_i } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Man untersuche die \definitionsverweis {Verknüpfung}{}{} \maabbeledisp {} {K \times K} {K } {(x,y)} { \operatorname{min} \, (x,y) } {,} auf Assoziativität, Kommutativität, die Existenz von einem neutralen Element und die Existenz von inversen Elementen.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {angeordneter Körper}{}{.} Man untersuche die \definitionsverweis {Abbildung}{}{} \maabbeledisp {\varphi} {K } {K } {x} { \varphi (x) } {,} mit
\mathdisp {\varphi(x) = \begin{cases} \operatorname{min} \left( x ,\, x^{-1} \right) \text{ für } x >0 \, , \\ 0 \text{ für } x = 0 \, , \\ \operatorname{max} \left( x ,\, x^{-1} \right) \text{ für } x < 0 \, . \end{cases}} { }
Mögliche Fragestellungen bzw. Stichpunkte sind \auflistungzweireihe {\listitemfuenf {Ist die Abbildung injektiv, surjektiv? }{Was ist das Bild der Abbildung? }{Wie sehen die Urbilder aus? }{Was kann man über die Hintereinanderschaltungen $\varphi^n$ sagen? }{Was kann man über das Verhalten der Abbildung bezüglich der Addition und der Multiplikation sagen, also zu $\varphi(x+y)$ und $\varphi(xy)$? } } {\listitemfuenf {Gibt es einen Zusammenhang zum Betrag? }{Maximum und Minimum der Funktion, Stetigkeit, Differenzierbarkeit. }{Skizze. }{Asymptotisches Verhalten. }{Symmetrien. } }

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Archimedisch angeordnete Körper}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {archimedisch angeordneter Körper}{}{.} Zeige, dass die halboffenen Intervalle
\mathdisp {{[n,n+1[} ={ \left\{ x \in K \mid x \geq n \text{ und } x < n+1 \right\} }, \, n \in \Z} { , }
eine disjunkte Überdeckung von $K$ bilden.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $K$ ein \definitionsverweis {archimedisch angeordneter Körper}{}{.} Zeige, dass es für jedes
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ s }
{ \in }{ K }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine ganze Zahl $q$ und ein \mathkon { t \in K } { mit } { 0 \leq t < 1 }{ } und mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{s }
{ =} {q+t }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gibt.

}
{} {}