Kurs:Analysis (Osnabrück 2021-2023)/Teil I/Arbeitsblatt 6

Übungsaufgaben

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper, es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Nullfolge in ${}K$ und ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine beschränkte Folge in ${}K$. Zeige, dass dann auch die Produktfolge ${}(x_{n}y_{n})_{n\in \mathbb {N} }$ eine Nullfolge ist.

In den folgenden Aufgaben werden die Aussagen (1), (3) und (5) von Lemma 6.1 bewiesen.

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ konvergente Folgen in ${}K$. Zeige, dass die Summenfolge ${}{\left(x_{n}+y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ ebenfalls konvergent mit

${}\lim _{n\rightarrow \infty }{\left(x_{n}+y_{n}\right)}={\left(\lim _{n\rightarrow \infty }x_{n}\right)}+{\left(\lim _{n\rightarrow \infty }y_{n}\right)}\,$

ist.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine konvergente Folge in ${}K$. Es sei ${}c\in K$. Zeige, dass die Folge ${}{\left(c\cdot x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ ebenfalls konvergent mit

${}\lim _{n\rightarrow \infty }{\left(c\cdot x_{n}\right)}=c\cdot {\left(\lim _{n\rightarrow \infty }x_{n}\right)}\,$

ist.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ konvergente Folgen in ${}K$. Es sei ${}\lim _{n\rightarrow \infty }x_{n}=x\neq 0$ und ${}x_{n}\neq 0$ für alle ${}n\in \mathbb {N}$. Zeige, dass ${}{\left({\frac {y_{n}}{x_{n}}}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ ebenfalls konvergent ist mit

${}\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {y_{n}}{x_{n}}}={\frac {\lim _{n\rightarrow \infty }y_{n}}{x}}\,.$

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ Folgen in ${}K$, wobei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ gegen ${}x$ konvergiere. Die Differenzenfolge ${}x_{n}-y_{n}$ sei eine Nullfolge. Zeige, dass ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ ebenfalls gegen ${}x$ konvergiert.

Für die folgende Aufgabe brauchen wir den Begriff der Polynomfunktion.

Es sei ${}K$ ein Körper und seien ${}a_{0},a_{1},\ldots ,a_{d}\in K$. Eine Funktion

$P\colon K\longrightarrow K,\,x\longmapsto P(x),$

mit

${}P(x)=\sum _{i=0}^{d}a_{i}x^{i}=a_{0}+a_{1}x+\cdots +a_{d}x^{d}\,$

heißt Polynomfunktion.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es sei ${}P(x)=\sum _{i=0}^{d}a_{i}x^{i}$ eine Polynomfunktion. Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine konvergente Folge in ${}K$ mit Grenzwert ${}x$. Zeige durch Induktion über ${}d$, dass dann auch die durch

${}y_{n}:=P(x_{n})\,$

definierte Folge konvergiert, und zwar gegen ${}P(x)$.

Aufgabe *

Entscheide, ob die Folge

${}x_{n}={\frac {3n^{3}-n^{2}-7}{2n^{3}+n+8}}\,$

in ${}\mathbb {Q}$ konvergiert und bestimme gegebenenfalls den Grenzwert.

Aufgabe

Bestimme den Grenzwert der durch

${}x_{n}={\frac {7n^{3}-3n^{2}+2n-11}{13n^{3}-5n+4}}\,$

definierten Folge.

Für die folgende Aufgabe können Sie bekannte Eigenschaften der Sinusfunktion verwenden.

Aufgabe *

Bestimme den Grenzwert der Folge

${\frac {\sin n}{n}},\,n\in \mathbb {N} _{+}.$

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ zwei konvergente Folgen mit ${}x_{n}\geq y_{n}$ für alle ${}n\in \mathbb {N}$. Zeige, dass dann ${}\lim _{n\rightarrow \infty }x_{n}\geq \lim _{n\rightarrow \infty }y_{n}$ gilt.

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} },\,{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ drei Folgen in ${}K$. Es gelte ${}x_{n}\leq y_{n}\leq z_{n}{\text{ für alle }}n\in \mathbb {N}$ und ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ konvergieren beide gegen den gleichen Grenzwert ${}a$. Zeige, dass dann auch ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ gegen diesen Grenzwert ${}a$ konvergiert.

Aufgabe

Man gebe ein Beispiel für eine Cauchy-Folge in ${}\mathbb {Q}$, die (in ${}\mathbb {Q}$) nicht konvergiert.

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper. Zeige, dass eine Cauchy-Folge ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ in ${}K$ beschränkt ist.

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper. Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge in ${}K$, die eine konvergente Teilfolge enthalte. Zeige, dass die Folge konvergiert.

Aufgabe *

Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine reelle Folge. Es gelte

${}\vert {x_{n}-x_{n-1}}\vert \leq {\frac {1}{n}}\,$

für alle ${}n\in \mathbb {N} _{+}$. Folgt daraus, dass ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge ist?

Aufgabe

Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge in einem angeordneten Körper und es sei ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Nullfolge in ${}K$. Zeige, dass die Summenfolge

${}z_{n}=x_{n}+y_{n}\,$

ebenfalls eine Cauchy-Folge ist.

Aufgabe

Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge in einem angeordneten Körper. Zeige, dass es eine Teilfolge ${}x_{n_{i}}$, ${}i\in \mathbb {N}$, derart gibt, dass folgende Eigenschaft erfüllt ist: Zu jedem ${}k\in \mathbb {N} _{+}$ gilt für alle ${}i,j\geq k$ die Abschätzung

${}\vert {x_{n_{i}}-x_{n_{j}}}\vert \leq {\frac {1}{k}}\,.$

Aufgabe

Es sei ${}a\in \mathbb {R} _{\geq 0}$ eine nichtnegative reelle Zahl und ${}x_{0}\in \mathbb {R} _{+}$. Zeige, dass die rekursiv definierte Folge mit

${}x_{n+1}:={\frac {x_{n}+a/x_{n}}{2}}\,$

gegen ${}{\sqrt {a}}$ konvergiert.

Aufgabe *

Untersuche die Folge

${}x_{n}={\sqrt {n}}\cdot {\sqrt {n+1}}-n\,$

auf Konvergenz.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper. Zeige, dass für die Folge der Stammbrüche die folgenden Eigenschaften äquivalent sind.

1. Die Folge ${}{\frac {1}{n}}$ ist eine Nullfolge.
2. Die Folge ${}{\frac {1}{n}}$ ist eine Cauchy-Folge.
3. Der Körper ${}K$ ist archimedisch angeordnet.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und sei ${}T\subseteq K$ eine Telmenge, die das Supremum ${}x\in K$ besitze. Zeige, dass es eine Folge ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ in ${}T$ gibt, die gegen ${}x$ konvergiert.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine wachsende Folge in ${}K$. Zeige, dass die Folge genau dann konvergiert, wenn die Menge ${}{\left\{x_{n}\mid n\in \mathbb {N} \right\}}$ ein Supremum besitzt.

Die nächste Aufgabe verwendet die folgende Definition.

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper. Eine Teilmenge ${}T\subseteq K$ heißt ein Abschnitt, wenn für alle ${}a,b\in T$ mit ${}a\leq b$ und jedes ${}x\in K$ mit ${}a\leq x\leq b$ auch ${}x\in T$ ist.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper. Zeige, dass jedes Intervall (einschließlich der unbeschränkten Intervalle) in ${}K$ ein Abschnitt ist.

Man gebe ein Beispiel für einen Abschnitt in ${}\mathbb {Q}$, der kein Intervall ist.

Zeige, dass in ${}\mathbb {R}$ jeder Abschnitt ein Intervall ist.

Aufgabe

Es sei ${}K$ ein archimedisch angeordneter vollständiger Körper. Zeige, dass ${}x\in K$ genau dann nichtnegativ ist, wenn ${}x$ eine Quadratwurzel besitzt.

Die folgende Aufgabe setzt Kenntnisse in linearer Algebra voraus.

Aufgabe *

Es sei ${}K$ ein angeordneter Körper und sei

${}V=K^{\mathbb {N} _{+}}\,$

der Vektorraum aller Folgen in ${}K$ (mit komponentenweiser Addition und Skalarmultiplikation).

a) Zeige (ohne Sätze über konvergente Folgen zu verwenden), dass die Menge der Nullfolgen, also

$U={\left\{(x_{n})_{n\in \mathbb {N} _{+}}\mid (x_{n})_{n\in \mathbb {N} _{+}}{\text{ konvergiert gegen 0}}\right\}}$

ein ${}K$-Untervektorraum von ${}V$ ist.

b) Sind die beiden Folgen

$(1/n)_{n\in \mathbb {N} _{+}}{\text{ und }}(1/n^{2})_{n\in \mathbb {N} _{+}}$

linear unabhängig in ${}V$?

Aufgaben zum Abgeben

Aufgabe (3 Punkte)

Berechne den Grenzwert der Folge

$x_{n}=5\left({\frac {2n+1}{n}}\right)^{3}-4\left({\frac {2n+1}{n}}\right)^{2}+2\left({\frac {2n+1}{n}}\right)-3$

für ${}n\rightarrow \infty$.

Aufgabe (5 Punkte)

Es sei ${}K$ ein archimedisch angeordneter Körper und seien ${}P(x)=\sum _{i=0}^{d}a_{i}x^{i}$ und ${}Q(x)=\sum _{i=0}^{e}b_{i}x^{i}$ Polynome mit ${}a_{d},b_{e}\neq 0$. Man bestimme in Abhängigkeit von ${}d$ und ${}e$, ob die durch

$z_{n}={\frac {P(n)}{Q(n)}}$

(für ${}n$ hinreichend groß) definierte Folge konvergiert oder nicht, und bestimme gegebenenfalls den Grenzwert.

Aufgabe (4 Punkte)

Es sei ${}K$ ein archimedisch angeordneter Körper und sei ${}P(x)=\sum _{i=0}^{d}a_{i}x^{i}$ ein Polynom mit ${}d\geq 1$ und ${}a_{d}\neq 0$ . Zeige, dass dann die durch

${}y_{n}:=P(n)=\sum _{i=0}^{d}a_{i}n^{i}\,$

definierte Folge bestimmt gegen ${}+\infty$ divergiert, falls ${}a_{d}>0$ ist, und bestimmt gegen ${}-\infty$ divergiert, falls ${}a_{d}<0$ ist.

Man folgere, dass die Folgenglieder

${\frac {1}{y_{n}}}$

für ${}n$ hinreichend groß definiert sind und gegen ${}0$ konvergieren.

Aufgabe (3 Punkte)

Es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} },\,{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ Folgen in einem angeordneten Körper ${}K$ derart, dass

${}x_{n}\leq y_{n}\leq z_{n}\,$

für alle ${}n\in \mathbb {N}$ gilt. Es seien ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ und ${}{\left(z_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ Cauchy-Folgen und es sei die Differenzfolge ${}z_{n}-x_{n}$ eine Nullfolge. Zeige, dass dann auch ${}{\left(y_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge ist.

Aufgabe (3 Punkte)

Es sei ${}{\left(x_{n}\right)}_{n\in \mathbb {N} }$ eine Cauchy-Folge in einem angeordneten Körper ${}K$, die sowohl unendlich viele positive als auch unendlich viele negative Folgenglieder besitzt. Zeige, dass es sich um eine Nullfolge handelt.