Kurs:Mathematik für Anwender (Osnabrück 2019-2020)/Teil I/Arbeitsblatt 8/latex

\setcounter{section}{8}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine reelle \definitionsverweis {konvergente Folge}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ c }
{ \in }{\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Folge
\mathl{{ \left( c \cdot x_n \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \left( c \cdot x_n \right) } }
{ =} { c \cdot { \left( \lim_{n \rightarrow \infty} x_n \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine reelle \definitionsverweis {konvergente Folge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} x_n }
{ = }{ x }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mathl{{ \left( { \frac{ 1 }{ x_n } } \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \frac{ 1 }{ x_n } } }
{ =} { { \frac{ 1 }{ x } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} reelle \definitionsverweis {konvergente Folgen}{}{.} Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} x_n }
{ = }{ x }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass
\mathl{{ \left( { \frac{ y_n }{ x_n } } \right) }_{ n \in \N }}{} ebenfalls konvergent ist mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ \lim_{n \rightarrow \infty} { \frac{ y_n }{ x_n } } }
{ =} { { \frac{ \lim_{n \rightarrow \infty} y_n }{ x } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{k }
{ \in }{ \N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Folge
\mathl{{ \left( { \frac{ 1 }{ n^k } } \right) }_{ n \in \N }}{} gegen $0$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei ${ \left( x_n \right) }_{n \in \N }$ die \definitionsverweis {Heron-Folge}{}{} zur Berechnung von $\sqrt{3}$ mit dem Startwert
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_0 }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und ${ \left( y_n \right) }_{n \in \N }$ die \definitionsverweis {Heron-Folge}{}{} zur Berechnung von $\sqrt{ { \frac{ 1 }{ 3 } } }$ mit dem Startwert
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{y_0 }
{ = }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} \aufzaehlungvier{Berechne \mathkor {} {x_1} {und} {x_2} {.} }{Berechne \mathkor {} {y_1} {und} {y_2} {.} }{Berechne \mathkor {} {x_0 \cdot y_0, \, x_1 \cdot y_1} {und} {x_2 \cdot y_2} {.} }{Konvergiert die \definitionsverweis {Produktfolge}{}{}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{z_n }
{ = }{x_n \cdot y_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} innerhalb der rationalen Zahlen? }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{\R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zu einem Startwert
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0 }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} sei eine reelle Folge rekursiv durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_{n+1} }
{ =} { { \frac{ x_n+a }{ 2 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definiert. Zeige die folgenden Aussagen.

(a) Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0 }
{ > }{a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ > }{ a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die Folge ist streng fallend.

(b) Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0 }
{ = }{ a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist die Folge konstant.

(c) Bei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0 }
{ < }{a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} ist
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ < }{ a }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} und die Folge ist streng wachsend.

(d) Die Folge konvergiert.

(e) Der Grenzwert ist $a$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Entscheide, ob die \definitionsverweis {Folge}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} {\frac{6n^3+3n^2-4n+5}{7n^3-6n^2-2} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} in $\Q$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{} und bestimme gegebenenfalls den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es seien \mathkor {} {P = \sum_{ i = 0 }^{ d } a_{ i } x^{ i}} {und} {Q = \sum_{ i = 0 }^{ e } b_{ i } x^{ i}} {} \definitionsverweis {Polynome}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_d, b_e }
{ \neq }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Man bestimme in Abhängigkeit von \mathkor {} {d} {und} {e} {,} ob die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ z_n }
{ =} { { \frac{ P(n) }{ Q(n) } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {für $n$ hinreichend groß} {} {} definierte \definitionsverweis {Folge}{}{} \definitionsverweis {konvergiert}{}{} oder nicht, und bestimme gegebenenfalls den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a }
{ \in }{ \R_{\geq 0} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine nichtnegative \definitionsverweis {reelle Zahl}{}{} und
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_0 }
{ \in }{ \R_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die rekursiv definierte \definitionsverweis {Folge}{}{} mit
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_{n+1} }
{ \defeq} { \frac{ x_n + a/x_n }{2} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegen $\sqrt{a}$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine \definitionsverweis {reelle Folge}{}{,} die nicht konvergiert, aber eine \definitionsverweis {konvergente}{}{} \definitionsverweis {Teilfolge}{}{} enthält.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

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

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Wir betrachten die Folge, die durch die Folgenglieder
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { { \frac{ 1 }{ 2 } } \cdot { \frac{ 3 }{ 4 } } \cdot { \frac{ 5 }{ 6 } } \cdots { \frac{ 2n-1 }{ 2n } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegeben ist. Zeige, dass dies eine Nullfolge ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Folge
\mathl{(a_n)_{n \in \N}}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ a_n }
{ = }{ { \frac{ 1 }{ n+1 } } + \cdots + { \frac{ 1 }{ 2n } } }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} konvergiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei ${ \left( f_n \right) }_{n \in \N }$ die Folge der \definitionsverweis {Fibonacci-Zahlen}{}{} und
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ x_n }
{ =} { { \frac{ f_n }{ f_{n-1} } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{.} Zeige, dass diese Folge in $\R$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{} und dass der Grenzwert $x$ die Bedingung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x }
{ =} {1 + x^{-1} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} erfüllt. Berechne daraus $x$.

}
{} {Tipp: Zeige zuerst mit Hilfe der Simpson-Formel, dass man mit diesen Brüchen eine Intervallschachtelung basteln kann.}


Zu zwei nichtnegativen \definitionsverweis {reellen Zahlen}{}{} \mathkor {} {x} {und} {y} {} heißt
\mathdisp {\sqrt{ x \cdot y}} { }
das \definitionswort {geometrische Mittel}{.}





\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es seien \mathkor {} {x} {und} {y} {} zwei nichtnegative reelle Zahlen. Zeige, dass das \definitionsverweis {arithmetische Mittel}{}{} der beiden Zahlen mindestens so groß wie ihr \definitionsverweis {geometrisches Mittel}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{b }
{ \geq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine reelle Zahl. Wir betrachten die reelle Folge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ \defeq} { b^{ { \frac{ 1 }{ n } } } }
{ =} { \sqrt[n]{b} }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \zusatzklammer {mit
\mathl{n \in \N_+}{}} {} {.} \aufzaehlungdrei{Zeige, dass die Folge monoton fallend ist. }{Zeige, dass sämtliche Folgenglieder $\geq 1$ sind. }{Zeige, dass die Folge gegen $1$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{.} }

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Es sei
\mathbed {I_n} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {Intervallschachtelung}{}{} in $\R$. Zeige, dass der Durchschnitt
\mathdisp {\bigcap_{n \in \N} I_n} { }
aus genau einem Punkt
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ \in }{ \R }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} besteht.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathbed {I_n} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {,} eine \definitionsverweis {Intervallschachtelung}{}{} in $\R$ und sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {reelle Folge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ \in }{ I_n }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass diese Folge gegen die durch die Intervallschachtelung bestimmte Zahl \definitionsverweis {konvergiert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Man gebe ein Beispiel für eine Folge von abgeschlossenen Intervallen \zusatzklammer {
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N_+ }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{I_n }
{ =} {[a_n,b_n] }
{ \subseteq} {\R }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} derart an, dass
\mathl{b_n-a_n}{} eine Nullfolge ist, dass
\mathl{\bigcap_{n\in \N_+} I_n}{} aus einem einzigen Punkt besteht, wo aber keine \definitionsverweis {Intervallschachtelung}{}{} vorliegt.

}
{} {}




\inputaufgabegibtloesung
{}
{

Zeige unter Verwendung der Bernoullischen Ungleichung, dass die Folge
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { { \left( 1 + { \frac{ 1 }{ n } } \right) }^n }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {wachsend}{}{} ist.

}
{} {}

Mit einem ähnlichen Argument kann man zeigen, dass die Folge
\mathl{{ \left( 1+ { \frac{ 1 }{ n } } \right) }^{n+1}}{} fallend ist und dass durch
\mathl{[ { \left( 1+ { \frac{ 1 }{ n } } \right) }^{n}, { \left( 1+ { \frac{ 1 }{ n } } \right) }^{n+1} ]}{} eine Intervallschachtelung gegeben ist. Die dadurch festgelegte reelle Zahl ist die eulersche Zahl $e$. Wir werden im Laufe des Kurses noch eine weitere Beschreibung für diese Zahl kennenlernen.




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x }
{ > }{ 1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {reelle Zahl}{}{.} Zeige, dass die Folge
\mathl{x^n,\, n \in \N}{,} \definitionsverweis {bestimmt divergent}{}{} gegen $+ \infty$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Man gebe ein Beispiel einer \definitionsverweis {reellen Folge}{}{}
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{,} für die es sowohl eine \definitionsverweis {bestimmt}{}{} gegen $+ \infty$ als auch eine bestimmt gegen $- \infty$ divergente \definitionsverweis {Teilfolge}{}{} gibt.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Untersuche die durch
\mathdisp {x_n = { \frac{ 1 }{ \sqrt{n} } }} { }
gegebene Folge \zusatzklammer {
\mavergleichskettek
{\vergleichskettek
{ n }
{ \geq }{1 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{}} {} {} auf \definitionsverweis {Konvergenz}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die Folge
\mathl{{ \left( \sqrt{n} \right) }_{ n \in \N }}{} \definitionsverweis {bestimmt divergent}{}{} gegen $\infty$ ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mathl{{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }}{} eine \definitionsverweis {reelle Folge}{}{} mit
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ x_n }
{ > }{ 0 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} für alle
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ n }
{ \in }{ \N }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{.} Zeige, dass die Folge genau dann \definitionsverweis {bestimmt divergent}{}{} gegen $+ \infty$ ist, wenn ${ \left( \frac{1}{x_n} \right) }_{ n \in \N }$ gegen $0$ \definitionsverweis {konvergiert}{}{.}

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{} der durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} { { \frac{ 7n^3-3n^2+2n-11 }{ 13n^3-5n+4 } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} definierten \definitionsverweis {Folge}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Bestimme den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{} der durch
\mathdisp {x_n = { \frac{ 2n+5 \sqrt{n} +7 }{ -5 n+3 \sqrt{n} -4 } }} { }
definierten \definitionsverweis {reellen Folge}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Man gebe Beispiele für \definitionsverweis {konvergente}{}{} \definitionsverweis {reelle Folgen}{}{} \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} mit
\mathbed {x_n \neq 0} {}
{n \in \N} {}
{} {} {} {,} und mit $\lim_{n \rightarrow \infty} x_n=0$ derart, dass die Folge
\mathdisp {{ \left( { \frac{ y_n }{ x_n } } \right) }_{ n \in \N }} { }
\aufzaehlungdrei{gegen $0$ konvergiert, }{gegen $1$ konvergiert, }{divergiert.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{3}
{

Entscheide, ob die \definitionsverweis {Folge}{}{}
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ a_n }
{ =} { \sqrt{n+1} - \sqrt{n} }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} \definitionsverweis {konvergiert}{}{,} und bestimme gegebenenfalls den \definitionsverweis {Grenzwert}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{5}
{

Untersuche die durch
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{x_n }
{ =} {{ \frac{ \sqrt{n}^n }{ n! } } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gegebene Folge auf \definitionsverweis {Konvergenz}{}{.}

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{x_n }
{ \in }{\R_{\geq 0} }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {konvergente Folge}{}{} mit dem Grenzwert $x$. Zeige, dass die Folge
\mathl{\sqrt{x_n}}{} gegen
\mathl{\sqrt{x}}{} konvergiert.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Es seien
\mathl{b > a > 0}{} positive reelle Zahlen. Wir definieren rekursiv zwei Folgen \mathkor {} {{ \left( x_n \right) }_{n \in \N }} {und} {{ \left( y_n \right) }_{n \in \N }} {} durch
\mathl{x_0= a}{,}
\mathl{y_0= b}{} und durch
\mathdisp {x_{n+1} = \text{ geometrisches Mittel von } x_n \text{ und } y_n} { , }

\mathdisp {y_{n+1} = \text{ arithmetisches Mittel von } x_n \text{ und } y_n} { . }
Zeige, dass
\mathl{[x_n,y_n]}{} eine \definitionsverweis {Intervallschachtelung}{}{} ist.

}
{} {}