Kurs:Analysis (Osnabrück 2013-2015)/Teil I/Test 1/Klausur mit Lösungen
Aufgabe * (4 Punkte)
Definiere die folgenden (kursiv gedruckten) Begriffe.
- Eine injektive Abbildung
- Die Potenzmenge zu einer Menge .
- Der Binomialkoeffizient .
- Die Konvergenz einer reellen Folge gegen .
- Eine Cauchy-Folge in .
- Die Eulersche Zahl.
- Der Betrag einer komplexen Zahl .
- Die absolute Konvergenz einer Reihe.
- Die Abbildung
ist injektiv, wenn für je zwei verschiedene Elemente auch und verschieden sind.
- Zu einer Menge nennt man die Menge aller Teilmengen von die Potenzmenge von .
- Der Binomialkoeffizient ist durch
definiert.
- Die Konvergenz gegen bedeutet, dass es zu jedem reellen ein derart gibt, dass für alle die Abschätzung
gilt.
- Eine reelle Folge heißt Cauchy-Folge, wenn folgende Bedingung erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung
gilt.
- Die Eulersche Zahl ist durch
definiert.
- Der Betrag einer komplexen Zahl ist durch
definiert.
- Eine
Reihe
von komplexen Zahlen heißt absolut konvergent, wenn die Reihe
Aufgabe * (4 Punkte)
Formuliere die folgenden Sätze.
- Die allgemeine binomische Formel für .
- Die Bernoulli-Ungleichung für reelle Zahlen.
- Der Satz von Bolzano-Weierstraß.
- Die Konvergenzaussage für die geometrische Reihe in .
- Für in einem Körper gilt
- Für und ist
- Es sei eine beschränkte Folge von reellen Zahlen. Dann besitzt die Folge eine konvergente Teilfolge.
- Für alle komplexen Zahlen mit konvergiert die Reihe absolut und es gilt
Aufgabe * (2 Punkte)
Berechne die Gaußklammer von .
Es ist
und
daher ist
also ist
Aufgabe * (3 Punkte)
Bestimme die reellen Intervalle, die die Lösungsmenge der folgenden Ungleichung sind.
Für sind sowohl als auch negativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu
Dies ist äquivalent zu .
Für ist nichtnegativ und negativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu
Dies ist äquivalent zu und zu .
Für sind sowohl als auch nichtnegativ. In diesem Bereich ist die Betragsungleichung daher äquivalent zu
Als Lösungsmenge ergeben sich also die beiden offenen Intervalle und .
Aufgabe * (2 Punkte)
Es sei eine nichtnegative reelle Zahl. Für jedes , gelte . Zeige .
Wir nehmen an. Dann ist . Dann ist auch und die Voraussetzung, angewandt auf , ergibt , woraus sich durch beidseitige Subtraktion von der Widerspruch ergibt.
Aufgabe * (3 Punkte)
Erläutere das Beweisprinzip der vollständigen Induktion.
Mit dem Beweisprinzip der vollständigen Induktion werden Aussagen bewiesen, die von den natürlichen Zahlen abhängen. Man beweist zuerst die Aussage . Ferner zeigt man, dass man für alle aus der Gültigkeit von auf die Gültigkeit von schließen kann. Daraus folgt die Gültigkeit von für alle .
Aufgabe * (5 Punkte)
Zeige mittels vollständiger Induktion für die Formel
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.
Aufgabe * (2 Punkte)
Es seien Mengen und
Abbildungen mit der Hintereinanderschaltung
Zeige: Wenn injektiv ist, so ist auch injektiv.
Es seien gegeben mit . Wir müssen zeigen, dass ist. Es ist
Da nach Voraussetzung injektiv ist, folgt , wie gewünscht.
Aufgabe * (4 Punkte)
Beweise die Bernoulli-Ungleichung für einen angeordneten Körper.
Wir führen Induktion über . Bei steht beidseitig , sodass die Aussage gilt. Es sei nun die Aussage für bereits bewiesen. Dann ist
da Quadrate (und positive Vielfache davon) in einem angeordneten Körper nichtnegativ sind.
Aufgabe * (3 Punkte)
Für kann man die Folge (durch Erweiterung mit ) als
schreiben. Folgen vom Typ und sind Nullfolgen. Aufgrund der Summenregel für konvergente Folgen konvergiert der Zähler gegen und der Nenner gegen , sodass nach der Quotientenregel die Folge insgesamt gegen konvergiert.
Aufgabe * (3 Punkte)
Führe die ersten drei Schritte des babylonischen Wurzelziehens zu mit dem Startwert durch (es sollen also die Approximationen für berechnet werden; diese Zahlen müssen als gekürzte Brüche angegeben werden).
Die Formel für lautet
Daher ist
Somit ist
Schließlich ist
Aufgabe * (8 (2+1+2+1+2) Punkte)
Es sei . Zu einem Startwert sei eine reelle Folge rekursiv durch
definiert. Zeige die folgenden Aussagen.
(a) Bei ist für alle und die Folge ist streng fallend.
(b) Bei ist die Folge konstant.
(c) Bei ist für alle und die Folge ist streng wachsend.
(d) Die Folge konvergiert.
(e) Der Grenzwert ist .
(a) Die Eigenschaft folgt durch Induktion, wobei die Voraussetzung unmittelbar den Induktionsanfang ergibt. Der Induktionsschluss ergibt sich mittels
Das strenge Fallen ergibt sich daraus durch
(b) Die Konstanz ergibt sich durch Induktion, wobei die Voraussetzung den Induktionsanfang sichert und der Induktionsschluss aus
folgt.
(c) Die Eigenschaft folgt durch Induktion, wobei die Voraussetzung unmittelbar den Induktionsanfang ergibt. Der Induktionsschluss ergibt sich mittels
Das strenge Wachstum ergibt sich daraus durch
(d) Nach (a), (b), (c) ist die Folge in jedem Fall monoton und beschränkt, daher konvergiert sie in .
(e) Der Grenzwert sei . Es gilt
Wir wenden die Rechenregeln für Limiten auf die Rekursionsvorschrift an und erhalten
Daraus ergibt sich .
Aufgabe * (4 Punkte)
Betrachte die Folge und . Welche der Pseudokonvergenzbegriffe (siehe Angeordneter Körper/Folge/Pseudokonvergenz/Pseudo/Definition) treffen zu?
Schreiben Sie ohne Begründung die zutreffenden Nummern auf. Punkte gibt es nur für vollständig richtige Antworten.
Richtig sind (4), (5), (6), (7).
Aufgabe * (6 Punkte)
Beweise den Satz von Bolzano-Weierstraß.
Die Folge sei durch
beschränkt. Wir definieren zuerst induktiv eine Intervallhalbierung derart, dass in den Intervallen unendlich viele Folgenglieder liegen. Das Startintervall ist . Es sei das -te Intervall bereits konstruiert. Wir betrachten die beiden Hälften
In mindestens einer der Hälften liegen unendlich viele Folgenglieder, und wir wählen als Intervall eine Hälfte mit unendlich vielen Gliedern. Da sich bei diesem Verfahren die Intervalllängen mit jedem Schritt halbieren, liegt eine Intervallschachtelung vor. Als Teilfolge wählen wir nun ein beliebiges Element
mit . Dies ist möglich, da es in diesen Intervallen unendlich viele Folgenglieder gibt. Diese Teilfolge konvergiert nach Aufgabe 7.10 gegen die durch die Intervallschachtelung bestimmte Zahl .
Aufgabe * (2 (0,5+1+0,5) Punkte)
a) Berechne
b) Bestimme das inverse Element zu
c) Welchen Abstand hat aus Teil (b) zum Nullpunkt?
a) Es ist
b) Das inverse Element zu ist , also ist
c) Der Abstand von zum Nullpunkt ist , daher ist der Abstand von zum Nullpunkt gleich .
Aufgabe * (5 Punkte)
Untersuche, ob die Reihe
konvergiert oder divergiert.
Für ist
und für ist
Daher gilt für die Reihenglieder für die Abschätzung
Die Reihe konvergiert nach Beispiel 9.12 und dies gilt auch für . Nach dem Majorantenkriterium konvergiert auch
und daher konvergiert auch die in Frage stehende Reihe.
Aufgabe * (4 Punkte)
Es seien die beiden komplexen Polynome
gegeben. Berechne (es soll also in eingesetzt werden).
- Anhang
Es sei eine Folge in einem angeordneten Körper und es sei .
- Man sagt, dass die Folge gegen hypervergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
und alle gilt die Beziehung
- Man sagt, dass die Folge gegen supervergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen megavergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Es gibt ein derart, dass für alle und jedes
, ,
die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen pseudovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
gibt es ein derart, dass die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen semivergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
und jedem gibt es ein , , derart, dass die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen protovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Es gibt ein
, ,
derart, dass für alle die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen quasivergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Es gibt ein
, ,
und ein derart, dass für alle die Beziehung
gilt.
- Man sagt, dass die Folge gegen deuterovergiert, wenn folgende Eigenschaft erfüllt ist.
Zu jedem
, ,
gibt es ein derart, dass für alle die Beziehung
gilt.
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