Lösung
- Man nennt die Menge
-
die Produktmenge der Mengen
und .
- Die Abbildung
-
heißt die Hintereinanderschaltung der Abbildungen
und .
- Eine reelle Zahl heißt Häufungspunkt der Folge, wenn es für jedes unendlich viele Folgenglieder mit gibt.
- Die
Abbildung
-
heißt
(komplexe)
Exponentialfunktion.
- Die Funktion heißt Riemann-integrierbar, wenn die
Einschränkung
von auf jedes
kompakte
Intervall
Riemann-integrierbar
ist.
- Man nennt die Gleichung
-
gewöhnliche Differentialgleichung zu .
Lösung
- Für in einem Körper gilt
-
- Es seien und Potenzreihen mit positiven Konvergenzradien und derart, dass es ein gibt, dass die dadurch definierten Funktionen
-
übereinstimmen. Dann ist für alle .
- Es sei ein reelles Intervall und sei
-
eine stetige Funktion. Es sei
-
stetig differenzierbar. Dann gilt
-
Berechne die Gaußklammer von .
Lösung
Es ist
-
und
-
daher ist
-
also ist
-
Zeige mittels vollständiger Induktion für die Formel
-
Lösung
Bei besteht die Summe links aus dem einzigen Summanden
,
die Summe ist also . Da ungerade ist, steht rechts
,
der Induktionsanfang ist also gesichert.
Es sei die Aussage nun für bewiesen, und es ist die Gültigkeit der Aussage für zu zeigen. Die Summe links ist
-
Bei gerade
(also ungerade)
ist dies nach Induktionsvoraussetzung gleich
-
was mit der rechten Seite übereinstimmt. Bei ungerade
(also gerade)
ist die Summe nach Induktionsvoraussetzung gleich
-
was ebenfalls mit der rechten Seite übereinstimmt.
Lösung
Richtig sind (4), (5), (6), (7).
Berechne
-
bis auf einen Fehler von .
Lösung
Wir behaupten die Abschätzungen
-
Um dies zu zeigen, weisen wir die Gültigkeit der Abschätzungen
-
nach. Diese gelten wegen
und
Beweise den Satz über die Stetigkeit der Umkehrfunktion zu einer streng wachsenden, stetigen Funktion
, zu einem Intervall .
Lösung
Dass das Bild wieder ein Intervall ist folgt aus
Korollar 13.5 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)).
Die Funktion ist
injektiv,
da sie streng wachsend ist und damit ist die Abbildung
-
auf das Bild
bijektiv.
Die Umkehrfunktion
-
ist ebenfalls streng wachsend.
Sei
und
vorgegeben.
Es sei zunächst kein
Randpunkt
von . Dann ist auch kein Randpunkt von . Sei
vorgegeben und ohne Einschränkung
angenommen. Dann ist
-
und für
gilt wegen der Monotonie
-
Also ist stetig in . Wenn ein Randpunkt von ist, so ist auch ein Randpunkt von , sagen wir der rechte Randpunkt. Dann ist zu vorgegebenem
wieder
und
erfüllt die geforderte Eigenschaft.
Es sei
-
eine bijektive differenzierbare Funktion mit
für alle
und der Umkehrfunktion . Was ist an folgendem „Beweis“ für die Ableitung der Umkehrfunktion nicht korrekt?
Es ist
-
Mit der Kettenregel erhalten wir durch beidseitiges Ableiten die Gleichung
-
Also ist
-
Lösung
Die Kettenregel setzt voraus, dass beide Abbildungen differenzierbar sind, das weiß man hier aber von nicht.
Lösung
Es sei
-
Zu jedem Startwert
betrachten wir die reelle Folge
-
es gilt also die rekursive Beziehung
. Zeige, dass die Folge für
einen Häufungspunkt besitzt.
Lösung
Es ist
-
und
-
Die Ableitung der Funktion ist
-
daher wird das Minimum bei
-
mit dem Wert
-
angenommen. Daher ist
-
Bei
sind demnach alle Folgenglieder
. Nach dem
Satz von Bolzano-Weierstraß
besitzt die Folge eine konvergente Teilfolge und damit einen Häufungspunkt.
Beweise die Charakterisierung mit Ableitungen von konvexen Funktionen
.
Lösung
Es sei zunächst konvex und seien zwei Punkte
aus gegeben. Es sei
die lineare Funktion, die und verbindet. Aufgrund der Konvexität ist
für alle
.
Für die Differenzenquotienten gilt daher
Durch Übergang zu den Limiten für bzw. folgt
-
Es sei nun als nicht konvex vorausgesetzt und seien zwei Punkte
aus mit der Eigenschaft gegeben, dass die verbindende Gerade von
und
nicht vollständig oberhalb des Graphen von verläuft. Es gibt also ein
mit
,
wobei wieder die verbindende lineare Funktion ist. Durch Übergang zu können wir
und
annehmen. Nach dem
Mittelwertsatz
gibt es Punkte
und
mit
und
,
sodass nicht wachsend ist.
Bestimme die
Ableitung der
Funktion
-
Lösung
Die Ableitung von ist
-
Bestimme das
Taylor-Polynom
der Ordnung zur Funktion
-
im Entwicklungspunkt .
Lösung
Wir müssen das Polynom
-
berechnen. Es ist
-
-
-
-
und
-
Daher ist das vierte Taylor-Polynom gleich
-
Beweise die Substitutionsregel zur Integration von stetigen Funktionen.
Lösung
Eine Person will ein einstündiges Sonnenbad nehmen. Die Intensität der Sonneneinstrahlung werde im Zeitintervall
(in Stunden) durch die Funktion
-
beschrieben. Bestimme den Startzeitpunkt des Sonnenbades, sodass die Gesamtsonnenausbeute maximal wird.
Lösung
Es sei der Anfangszeitpunkt des Sonnenbades. Die Gesamteinstrahlung der Sonne in der Stunde ist das bestimmte Integral
Für diese Funktion muss das Maximum im Intervall bestimmt werden. Dafür berechnen wir die Ableitung, diese ist
-
Die Nullstellenberechnung dieser Ableitung führt auf
bzw. auf
-
Also ist
-
(die negative Wurzel muss nicht berücksichtigt werden, da diese zu einem außerhalb des Definitionsbereiches führt).
Die zweite Ableitung
-
ist an der Stelle negativ, sodass dort das Maximum vorliegt. Da die Ableitung keine weiteren Nullstellen im Intervall besitzt, müssen die Randpunkte nicht gesondert betrachtet werden.
Lösung