Vorkurs. Teil A: Mathematische Objekte und Beweismethoden. Wintersemester 2014/15. von. Dr. Dominik Faas

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1 Vorkurs Teil A: Mathematische Objekte und Beweismethoden Wintersemester 204/5 von Dr. Dominik Faas Institut für Mathematik Fachbereich 7: Natur- und Umweltwissenschaften Universität Koblenz-Landau, Campus Landau

2 Zahlen Teil A.: Umgang mit mathematischen Objekten Zahlen Frage.. Welche Arten von Zahlen bzw. welche Zahlmengen kennen Sie? ˆ Natürliche Zahlen:, 2, 3,... N {, 2, 3,...} (Menge der natürlichen Zahlen) N 0 {0,, 2, 3,...} N {0} (Menge der natürlichen Zahlen und der 0) ˆ Ganze Zahlen:..., 3, 2,, 0,, 2, 3,... Z {..., 3, 2,, 0,, 2, 3,...} N 0 { n; n N} (Menge der ganzen Zahlen) ˆ Rationale Zahlen: a b mit a, b Z und b / 0 Q { a ; a, b Z, b / 0} b (Menge der rationalen Zahlen) ˆ Reelle Zahlen, Irrationale Zahlen: R R Q (Menge der reellen Zahlen) (Menge der irrationalen Zahlen) Frage.2. Welche Beziehungen gelten zwischen diesen Zahlmengen? Es gilt: N Z Q R und R Q R ˆ Jede natürliche Zahl ist auch eine ganze Zahl. ˆ Jede ganze Zahl ist auch eine rationale Zahl. ˆ Jede rationale Zahl ist auch eine reelle Zahl. ˆ Jede irrationale Zahl ist auch eine reelle Zahl. Hinweis: Zu den Symbolen {...},,, folgen später weitere Erläuterungen. Aufgabe.3. (a) Nennen Sie einige: natürliche Zahlen. ganze Zahlen, die keine natürlichen Zahlen sind. rationale Zahlen, die keine ganzan Zahlen sind. reelle Zahlen, die keine rationalen Zahlen sind. (b) Nennen Sie eine Eigenschaft die jede der Zahlmengen N, Z, Q, R hat. die Z hat, aber nicht N. die Q hat, aber nicht Z. die R hat, aber nicht Q. die N hat, aber nicht R. 2

3 2 Verknüpfungen von Zahlen Frage 2.. Was ist eine Verknüpfung (von Zahlen)? Eine Verknüpfung kann wie folgt erklärt werden: ˆ Der Verknüpfung wird ein Symbol zugeordnet. Hinweis: ( ist hier nur als Platzhalter zu verstehen, in den meisten Fällen wird hier ein allgemein bekanntes Symbol stehen.) ˆ Zwei Zahlen x, y sollen verknüpft werden, das Ergebnis soll wieder eine Zahl sein. Hinweis: (x, y sind hier ebenfalls Platzhalter für Zahlen, mehr dazu später (Variablen).) ˆ Es wird festgelegt aus welchen Zahlmengen, die Zahlen x, y kommen dürfen (eventuell sind Einschränkungen nötig) und in welcher Zahlmenge dann das Ergebnis liegen kann. ˆ Falls notwendig wird genau erklärt (festgelegt, definiert), wie man ausgehend von x, y auf das Ergebnis der Verknüpfung kommt. Dabei wird das Ergebnis der Verknüpfung mit x y notiert. Frage 2.2. Welche Verknüpfungen von Zahlen kennen Sie? (Geben Sie auch an, aus welcher Zahlenmenge die zu verknüpfenden Zahlen kommen dürfen und in welcher Zahlmenge dann das Ergebnis liegen kann.) Symbol erlaubte Zahlen Ergebnis + x N, y N x + y N + x Z, y Z x + y Z + x Q, y Q x + y Q + x R, y R x + y R x Z, y Z x y Z x Q, y Q x y Q x R, y R x y R x N, y N x y N x Z, y Z x y Z x Q, y Q x y Q x R, y R x y R x Z, y Z {0} x y Q x Q, y Q {0} x y Q x R, y R {0} x y R (hoch) x N, y N (x hoch y) x y N (hoch) x R {0}, y Z (x hoch y) x y R {0} Oftmals (aber nicht immer) liegen x, y und auch x y in derselben Grundmenge. 3

4 2 Verknüpfungen von Zahlen Frage 2.3. Gibt es auch Verknüpfungen anderer Objekte (als Zahlen)? Nennen Sie Beispiele. Ja, beispielsweise: ˆ und zwischen Mengen (Für zwei Mengen A, B sind A B und A B ebenfalls Mengen.) ˆ + zwischen Vektoren (Für zwei Vektoren u, v R n ist u + v R n ebenfalls ein Vektor.) ˆ das Skalarprodukt von Vektoren ( Für zwei Vektoren u, v ist u v eine Zahl (kein Vektor).) ˆ und zwischen Aussagen (Für zwei Aussagen a, b sind a b und a b ebenfalls Aussagen.) Frage 2.4. Kann man Verknüpfungen miteinander kombinieren? Ja. Man muss dabei Klammern setzen (oder geltende Konventionen beachten). Beispiele: ˆ (3 + 5) , (5 2) ˆ ((4 2) 8) + 5 (2 8) ˆ (2 + 7) bzw (7 + 5) 4 Hinweis: Hierbei ist nur deshalb keine Klammer notwendig, weil bei beiden möglichen Klammerungen dasselbe Ergebnis herauskommt, dies ist wegen des Assoziativgesetzes so. ˆ (32) , (4 3 )

5 Frage 2.5. Welche Eigenschaften haben diese Verknüpfungen (exemplarisch)? ˆ + und sind (auf jeder Grundmenge) kommutativ, d.h.: Es gilt immer: x + y y + x und x y y x Hinweis: Genauer formuliert: Für alle x, y R gilt: x + y y + x Für alle x, y R gilt: x y y x ˆ und sind nicht kommutativ. ˆ Für die Verknüpfung + gibt es ein sogenanntes Neutrales Element N R. Dieses erfüllt N + x x und auch x + N x für alle x R. (Natürlich ist N 0 gemeint.) Hinweis: Genauer formuliert: Es gibt ein N R, so dass für alle x R gilt: x + N x und N + x x ˆ Für und gibt es kein Neutrales Element. ˆ und + erfüllen zusammen das Distributivgesetz, d.h.: Es gilt immer: a (b + c) (a b) + (a c) Hinweis: Genauer formuliert: Für alle a, b, c R gilt: a (b + c) (a b) + (a c) ˆ und erfüllen zusammen das Distributivgesetz. Hinweis: Wir werden die Quantoren : für alle und : es gibt noch behandeln. Aufgabe 2.6. Betrachten Sie die folgenden Verknüpfungen: (a) +,, zwischen reellen Zahlen. (b) die Verknüpfungen und zwischen natürlichen Zahlen, wobei n m kgv(n, m) und n m ggt(n, m) (c) und zwischen Teilmengen von R (d) zwischen Mengen (es ist A B {x; x A und x B}) (e) die Verknüpfung zwischen Abbildungen R R (für zwei Abbildungen f, g R R ist: f g R R, x f(g(x)) definiert) Beantworten Sie jeweils die folgenden Fragen. (i) Für welche der Verknüpfungen gilt das Kommutativgesetz (d.h. es gilt x y y x für alle zugelassenen Objekte)? (ii) Für welche der folgenden Verknüpfungen gilt das Assoziativgesetz (d.h. es gilt (x y) z x (y z) für alle zugelassenen Objekte)? 5

6 2 Verknüpfungen von Zahlen (iii) Welche der Verknüpfungen besitzen ein Neutrales Element/Objekt N? (d.h. es gilt N x x und x N x für alle zugelassenen Objekte x und das eine Objekt N)? Hinweis: Sie können die Aufgabenteile (c),(d),(e) auch auf später verschieben, wenn Mengen bzw. Abbildungen besprochen werden. Aufgabe 2.7. Erfinden Sie eine neue Verknüpfung. Hat diese Verknüpfung bestimmte (interessante) Eigenschaften? 6

7 3 Relationen zwischen Zahlen Frage 3.. Was ist eine Relation zwischen Zahlen? Eine Relation kann wie folgt erklärt werden: ˆ Der Relation wird ein Symbol zugeordnet. Hinweis: ( ist hier nur als Platzhalter zu verstehen, in den meisten Fällen wird hier ein allgemein bekanntes Symbol stehen.) ˆ Zwei Zahlen x, y sollen mittels der Relation untersucht/verglichen werden werden, dabei gibt es stets nur zwei Möglichkeiten: x y kann gültig (d.h. wahr) sein oder x y kann ungültig (d.h. falsch) sein Anders gesagt: x y ist eine Aussage (entweder eine wahre oder eine falsche Aussage, je nachdem, welche Werte man für x und y einsetzt). ˆ Es muss festgelegt sein, aus welchen Grundmengen, die Zahlen x, y kommen dürfen. ˆ Falls notwendig wird genau erklärt (festgelegt, definiert), wie man ausgehend von x, y entscheiden kann, ob x y gültig ist. Frage 3.2. Welche Relationen zwischen Zahlen kennen Sie? ˆ Auf den Grundmengen N, Z, Q, R sind die Relationen, >, <,,, / bekannt. Beispielsweise: 8 8, 3 < 0, 7 8, 0 / 2 sind wahre Aussagen 4 4, 8 > 8, 99 98, 3 / 3 sind falsche Aussagen ˆ Auf N (auch auf Z) gibt es die Teilbarkeitsrelation, die durch das Symbol dargestellt wird. Dabei ist a b (genau) dann gültig, wenn a ein Teiler von b ist. noch präziser formulieren, dies folgt später. Beispielsweise 4 20, 26 78, 7 7 aber 3 0, Hinweis: Dabei steht a b (natürlich) dafür, dass a b nicht gültig ist. Hinweis: Dies kann man Frage 3.3. Gibt es auch Relationen zwischen anderen Objekten (nicht Zahlen)? Können Sie Beispiele nennen? Ja, beispielsweise: ˆ, und, (und auch bzw. /) zwischen Mengen Hinweis: mehr dazu später ˆ und zwischen Geraden oder Vektoren Frage 3.4. Kann man Relationen miteinander kombinieren? keine offensichtliche Möglichkeit (man kann aber darüber diskutieren) 7

8 3 Relationen zwischen Zahlen Frage 3.5. Welche Eigenschaften haben die Relationen aus Frage 3.2 (exemplarisch)? Beispielsweise: ˆ ist reflexiv, d.h.: x x ist immer wahr Hinweis: Präziser: x R x x ˆ ist transitiv, d.h.: Wenn x y und y z beide wahr sind, dann ist auch x z wahr. Hinweis: Präziser: x, y, z R [(x y y z) x z] ˆ < ist transitiv, aber nicht reflexiv ˆ / ist weder transitiv, noch reflexiv, aber symmetrisch, d.h.: Wenn x / y wahr ist, dann ist auch y / x wahr. Hinweis: Präziser: x, y R [x / y y / x] ˆ... Aufgabe 3.6. Betrachten Sie die folgenden Relationen: (a) <,, und / zwischen reellen Zahlen. (b) die Verknüpfungen zwischen natürlichen Zahlen (c) die Verknüpfung zwischen natürlichen Zahlen, wobei Für x, y N x y x + y ist gerade (d) die Verknüpfung zwischen natürlichen Zahlen, wobei Für x, y N x y x + y ist durch 3 teilbar (e) zwischen Mengen (f) und zwischen Teilmengen von R, wobei: A B gilt A B / A B gilt A B (g) und zwischen Geraden (h) Die Ähnlichkeitsrelation zwischen Dreiecken. Beantworten Sie jeweils die folgenden Fragen. (i) Welche dieser Verknüpfungen sind reflexiv? (ii) Welche dieser Verknüpfungen sind transitiv? (iii) Welche dieser Verknüpfungen sind symmetrisch? Aufgabe 3.7. Erfinden Sie eine neue Relation. Hat diese Relation (interessante) Eigenschaften? 8

9 4 Aussagen Frage 4.. Was ist eine Aussage? Aussagen sind Sätze, die Sachverhalte beschreiben und denen man einen Wahrheitswert (d.h. entweder wahr oder falsch ) zuordnen kann. (vgl: Wikipedia) Aufgabe 4.2. Nennen Sie Beispiele von wahren und von falschen Aussagen. ˆ Wahre Aussagen: -) 97 ist eine Primzahl. -) ) ) > ) Jedes Quadrat ist ein Rechteck. -) Es gibt eine negative reelle Zahl, deren Quadrat 7 ist. -) Es gibt unendlich viele Primzahlen. -) Landau hat mehr als Einwohner. ˆ Falsche Aussagen: -) ) ) ) Jedes Rechteck ist ein Quadrat. -) Es gibt eine rationale Zahl, deren Quadrat 7 ist. -) Landau hat höchstens Einwohner. ˆ Aussagen, von denen niemand weiß, ob sie wahr oder falsch sind: -) Es gibt unendlich viele Primzahlzwillinge. -) Jede gerade Zahl, die größer oder gleich 4 ist, kann als Summe zweier Primzahlen geschrieben werden. -) Am wird es in Landau schneien. Hierbei handelt es sich trotzdem um Aussagen, denn sie können ja nur entweder wahr oder falsch sein. ˆ Keine Aussagen mit einem eindeutigen Wahrheitswert: -) Der Mond ist genau km von der Erde entfernt. -) x > 34 -) Ich habe heute Nacht gut geschlafen. Hinweis: Bei nicht-mathematischen Aussagen gerät man leicht in eine Grauzone. Es ist dann nicht mehr unbedingt klar, ob es sich überhaupt um Aussagen handelt. Die Mathematik zeichnet sich dadurch aus, dass alle Aussagen präzise formuliert werden können. 9

10 4 Aussagen Frage 4.3. Kennen Sie Verknüpfungen zwischen Aussagen? Erklären Sie sie gegebenenfalls. ˆ (sprich: und ) ist eine Verknüpfung zwischen Aussagen, denn zu zwei Aussagen a und b ist a b wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a b ist wahr, falls a und b beide wahr sind ˆ (sprich: oder ) ist eine Verknüpfung zwischen Aussagen, denn zu zwei Aussagen a und b ist a b wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a b ist wahr, falls (mindestens) eine der beiden Aussagen a und b wahr ist ˆ (sprich: entweder oder ) ist eine Verknüpfung zwischen Aussagen, denn zu zwei Aussagen a und b ist a b wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a b ist wahr, falls genau eine der beiden Aussagen a und b wahr ist ˆ (sprich: folgt ) ist eine Verknüpfung zwischen Aussagen, denn zu zwei Aussagen a und b ist a b wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a b ist wahr, falls a falsch ist oder b wahr ist (oder beides) ˆ (sprich: äquivalent ) ist eine Verknüpfung zwischen Aussagen, denn zu zwei Aussagen a und b ist a b wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a b ist wahr, falls a und b beide falsch oder beide wahr sind Hinweis: Wir werden später sehen, warum die letzten beiden Punkte sinnvoll sind. ˆ (sprich: nicht ) ist ebenfalls von Bedeutung: Zu einer Aussage a ist a wiederum eine Aussage. Dabei gilt: a ist wahr, falls a falsch ist Aufgabe 4.4. Angenommen A und B sind (irgendwelche) Aussagen: Untersuchen Sie in welchen Fällen, die Aussagen ( A) ( B) bzw. (A B) wahr sind. (Gehen Sie dazu alle Kombinationsmöglichkeiten für die Wahrheitswerte von A und B durch.) Was stellen sie fest? (Formulieren Sie eine entsprechende allgemeingültige Regel.) 0

11 Frage 4.5. Was ist eine Variable? Eine Variable bezeichnet in der Mathematik einen Platzhalter für eine Rechengröße, beispielsweise eine Zahl. (Wikipedia) Dabei benutzt man ein bestimmtes Symbol (z.b. einen Buchstaben) und stellt (genau) klar, wofür dieses Symbol stehen kann (steht z.b. x für eine Zahl, so muss dabei auch festgelegt werden, in welcher Zahlmenge x liegen darf). Variablen können auch für andere Objekte stehen (z.b. Mengen, Vektoren, Funktionen, Relationen, Verknüpfungen, Aussagen,...). Hinweis: Die Benutzung von Variablen hat eine enorme Bedeutung in der Mathematik, denn sie erlaubt es übergeordnete Sachverhalte zu formulieren. Frage 4.6. Kann man Variablen mit Verknüpfungen, Zahlen und Relationen kombinieren, um damit Aussagen zu erstellen? Nein, beispielsweise sind (x, y sind hierbei Variablen, die für reelle Zahl stehen) x < 4, x + 5 / 4 (y ), x 2 + y 2 7, (x + y) (x y) x 2 y 2 keine Aussagen, denn der Wahrheitswert kann davon abhängen, für welche Zahlen x und y stehen. Frage 4.7. Was erhält man stattdessen? Eine Aussageform: Dies bezeichnet einen Ausdruck mit (mindestens) einer Variablen, der in eine Aussage übergehen kann. (Wikipedia) Frage 4.8. Wie kann eine Aussageform in eine Aussage übergehen? ˆ Durch Einsetzen (Ersetzen der Variablen durch eine bestimmte Zahl): -) Die Aussageform x < 4 wird beispielsweise zu einer wahren Aussage, wenn man x durch die Zahl 3 ersetzt und zu einer falschen Aussage, wenn man x durch die Zahl ersetzt. -) Die Aussageform x + 5 / 4 (y ) wird beispielsweise zu einer falschen Aussage, wenn man x durch die Zahl 5 und y durch die Zahl ersetzt. -) Die Aussageform x 2 + y 2 7 wird immer zu einer falschen Aussage, wenn man x und y durch irgendwelche reellen Zahlen ersetzt. -) Die Aussageform (x + y) (x y) x 2 y 2 wird immer zu einer wahren Aussage, wenn man x und y durch irgendwelche reellen Zahlen ersetzt. Hinweis: Bei einer Aussageform, bei der man durch Ersetzen der Variablen immer eine wahre (bzw. immer eine falsche) Aussage erhalten würde, handelt es sich dennoch nicht um eine Aussage. ˆ Durch die Verwendung von Quantoren: Es gibt zwei Quantoren, die häufig verwendet werden: für alle und es existiert (es gibt) 99 2

12 4 Aussagen Aufgabe 4.9. Nennen Sie Beispiele von wahren und falschen Aussagen, in denen Quantoren vorkommen. ˆ Wahre Aussagen: -) x, y R (x + y) (x y) x 2 y 2 -) x R {0} x 2 > 0 -) x R x < 4 -) x, y R x + 5 / 4 (y ) -) a Q b Q a + 2b ˆ Falsche Aussagen: Aufgabe ) x R x < 4 -) x R x 2 > 0 -) x, y R (x + y) (x y) / x 2 y 2 -) b Q a Q a + 2b Sind die folgenden Aussagen wahr oder falsch? Bilden Sie zu den Aussagen in den doppelt umrahmten Blöcken jeweils auch die Gegenaussage / ( ) ( ) 7 4 (5 3 5) 22 5 > 7 ( > 7) 3 < 5 4 / 6 3 < / < 5 4 / 6 3 < / x, y Z x y y x x, y Z x y y x x, y Z x y y x x R y R y > x x R y R y > x x, y Q z Q x z y x Z (x > 5 x > 3) x Z (x > 3 x > 5) x R (x x 9) x R (x 2 9 x 3) x R (x 0 x ) ( x Z x 2 6) ( x Z 8x 2 42) x Z (x 2 6 8x 2 38) x R (x < 7 x 2) ( x R x < 7) ( x R x 2) 2

13 Aufgabe 4.. Formulieren Sie die folgenden (wahren) Aussagen präzise: (i) In R gilt das Distributivgesetz. (ii) Auf Q gibt es eine Division (mit der Ausnahme, dass nicht durch 0 dividiert werden darf). (iii) Die Multiplikation in N hat ein Neutrales Element. (iv) Jede ganze Zahl hat eine Gegenzahl (die ebenfalls eine ganze Zahl ist). (v) Q ist dicht. (vi) Jede natürliche Zahl hat einen Nachfolger. (vii) N ist nach unten beschränkt. (viii) Es gibt eine kleinste natürliche Zahl. (ix) Z ist nicht nach unten beschränkt. (x) Die Teilbarkeitsrelation (auf N) ist reflexiv und transitiv. (xi) Je zwei natürliche Zahlen haben ein kleinstes gemeinsames Vielfaches. 3

14 5 Mengen 5 Mengen Frage 5.. Was ist eine Menge? Die Menge ist eines der wichtigsten und grundlegenden Konzepte der Mathematik. Einzelne Elemente (beispielsweise Zahlen) werden zu einer Menge zusammengefasst. Dabei geht es ausschließlich um die Frage, welche Elemente in der Menge enthalten sind. Es wird nicht danach gefragt, ob ein Element mehrmals enthalten ist, oder ob es eine Reihenfolge unter den Elementen gibt. (vgl: Wikipedia) Frage 5.2. Welche Möglichkeiten und Notationen gibt es, Mengen zu beschreiben? Geben Sie jeweils auch Beispiele an. Bei der Beschreibung einer Menge muss (präzise!) geklärt werden, welche Objekte Elemente der Menge sind (und welche nicht). Diese Information findet man grundsätzlich zwischen zwei Mengenklammern {...}. Dabei hat man etwa die folgenden Möglichkeiten: ˆ Die Elemente werden einfach aufgezählt. Beispiele: {, 2, 3, 4, 5, 6}, { 2, 4, 0, 8}, {, 2, 3, 4,...}, {...,, 7, 3,, 5, 9, 3,...} 77 (Die Pünktchen können dabei nur verwendet werden, wenn absolut klar ist, wie die Zahlenfolge fortgesetzt werden soll.) ˆ Die Elemente der Menge werden mit einer (oder mehreren) Variablen beschrieben. Nach einem Trennzeichen (meist ; oder ) wird geklärt, welche Objekte für die Variable(n) eingesetzt werden dürfen. Wann immer man solche zugelassenes Objekte einsetzt, erhält man ein Element der Menge. Beispiele: {2k+; k N}, {k 2 ; k Z}, { n n + ; n N0}, { 3x +2; x R}, { a ; a Z, b N} b ˆ Die Elemente der Menge werden durch eine Variable (aus einer Grundmenge) dargestellt. Nach einem Trennzeichen (meist ; oder ) werden eine (oder mehrere) Bedingung(en) für die Variablen festgelegt. Setzt man für die Variable ein Objekt (eine Zahl) ein, so ist dieses Objekt genau dann ein Element der Menge, wenn die angegebenen Bedingungen erfüllt sind. Beispiele: {x R; 4x+3 7}, {n N; n ungerade}, {a Z; a 2 < 0}, {x R; x < 7 x 2 4} {a N; b Z b 2 a}, {x R; y R (xy) 2 y 2 } Frage 5.3. Erklären Sie die Symbole und und ihre Verwendung. und stehen immer zwischen einem Objekt x und einer Menge A. Dabei sind x A und x A Aussagen (wenn man für x ein bestimmtes Objekt und für A eine bestimmte Menge einsetzt, ansonsten sind es lediglich Aussageformen) und es gilt: ˆ Die Aussage x A ist genau dann gültig (wahr), wenn x ein Element von A ist. ˆ Die Aussage x A ist genau dann gültig (wahr), wenn x kein Element von A ist. Also gilt für alle Objekte x und alle Mengen A: x A (x A) 4

15 Aufgabe 5.4. Entscheiden Sie bei den folgenden Mengen jeweils, ob die angegebenen Zahlen Elemente dieser Menge sind. Ergänzen Sie jeweils auch die alternativen Darstellungen: Welche der Zahlen sind Menge Elemente der Menge? der Menge Alternative Darstellungen A {4k + 3; k Z}, 0,, 3, 99, 0, 99, 0 A {...,,,,,...} B {k R; 4k + 3 Z} 3, 7,, 9, 0, 2 B { ; k Z} B {...,,,,,...} C {..., 2, 7, 2, 3, 8, 3, 8,...} 8, 6, 503, 503, 88 C { ; k Z} 99 D {x Q N; x > 4} 99,, 99 π, 99, 99 D { a ; a, b Z mit: } b E {x Z; x 2 + 5x + 0} 5, 3,, 0,, 3, 5 E F {z Z; 4z > 8 und z + 4 > 4} 9, 8, 5, 9 2, 3, 2, 2 F { } G {2 x 5; x R} 8, 5, 0, 8 2,, 8 F {x ; } 5 5 H {x + y; x, y R mit x > 0 y < 0} 4, 3, 0, 55, 99 H 2 I { x+ y+4 ; x, y N} 5 2, 5 2, 3 8, 2, 7, 0 I Frage 5.5. Erklären Sie, wann zwei Mengen gleich sind. Zwei Mengen A, B sind genau dann gleich, wenn sie dieselben Elemente enthalten, also wenn: ˆ Jedes Element von A auch ein Element von B ist. ˆ Jedes Element von B auch ein Element von A ist. Präziser: Mengen A, B A B [( x A x B) ( x B x A)] oder: Mengen A, B A B [ x (x A x B)] Frage 5.6. Welche Relationen zwischen Mengen kennen Sie? Erklären Sie sie auch. (Ist eine Relation zwischen Mengen, so ist (wenn A, B Mengen sind) A B eine Aussage, d.h. sie kann entweder wahr oder falsch sein. Um die Relation (präzise) zu beschreiben, muss geklärt werden, wann die Aussage wahr ist und wann nicht.) ˆ (sprich: Teilmenge ) ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B x A gilt x B D.h.: Die Relation A B liegt (genau) dann vor, wenn jedes Element von A auch in B liegt. ˆ / ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A / B (A B) x A mit x B D.h.: Die Relation A / B liegt (genau) dann vor, wenn es mindestens ein Element von A gibt, dass nicht in B liegt. ˆ (sprich: Obermenge ) ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B x B gilt x A D.h.: Die Relation A B liegt (genau) dann vor, wenn jedes Element von B auch in A liegt. 5

16 5 Mengen ˆ / ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A / B (A B) x B mit x A D.h.: Die Relation A / B liegt (genau) dann vor, wenn es mindestens ein Element von B gibt, dass nicht in A liegt. ˆ (sprich: echte Teilmenge ) ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B A B A / B ( x A gilt x B) ( x B mit x A) D.h.: Die Relation A B liegt (genau) dann vor, wenn jedes Element von A auch in B liegt, es aber mindestens ein Element von B gibt, dass nicht in A liegt. ˆ (sprich: echte Obermenge ) ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B A / B A B ( x A mit x B) ( x B gilt x A) D.h.: Die Relation A B liegt (genau) dann vor, wenn jedes Element von B auch in A liegt, es aber mindestens ein Element von A gibt, dass nicht in B liegt. ˆ ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B A B A B ( x A gilt x B) ( x B gilt x A) D.h.: Die Relation A B liegt (genau) dann vor, wenn jedes Element von A auch in B liegt und jedes Element von B auch in A liegt, d.h. wenn A und B genau dieselben Elemente haben. ˆ / ist eine Relation zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A / B (A B) ( x B mit x A) ( x A mit x B) D.h.: Die Relation A / B liegt (genau) dann vor, wenn es (mindestens) ein Element gibt, dass in einer der beiden Mengen A, B enthalten ist, aber nicht in der Anderen. Aufgabe 5.7. (a) Finden Sie möglichst viele (bzw. alle) Teilmengenbeziehungen und Gleichheiten unter den folgenden Mengen: A {n N; 4 n}, B {2, 4, 6, 8,...}, C {3n; n N}, D { 2k + l ; k, l N} k E {48, 20}, F, G {n N; k N n 2k}, H {q Q; q > 2} (b) Finden Sie möglichst viele (bzw. alle) Teilmengenbeziehungen und Gleichheiten unter den folgenden Mengen: A {, }, B {x Q; x }, C {sin(x); x R}, D { E { sin(x) + cos(y) ; x, y R}, F {x R; x 2 }, G {x R; x 2 } 2 H { a ; a Z, b N mit b a } b sin(x) + cos(x) ; x R} 2 6

17 Frage 5.8. Welche Verknüpfungen zwischen Mengen kennen Sie? Erklären Sie diese Verknüpfungen auch (in Worten, formal bzw. graphisch). (Ist eine Verknüpfung zwischen Mengen, so ist (wenn A, B Mengen sind) A B wieder eine Menge. Um die Verknüpfung (präzise) zu beschreiben, muss geklärt werden, welche Element zu dieser Menge gehören.) ˆ (sprich: geschnitten ) ist eine Verknüpfung zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B {x; x A x B} Zu A B gehören also (genau) die Elemente, die sowohl zu A als auch zu B gehören. ˆ (sprich: vereinigt ) ist eine Verknüpfung zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B {x; x A x B} Zu A B gehören also (genau) die Elemente, die zu mindestens einer der Mengen A oder B gehören. ˆ (sprich: ohne ) ist eine Verknüpfung zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B {x; x A x B} Zu A B gehören also (genau) die Elemente, die zu A aber nicht zu B gehören. Hinweis: Manchmal betrachtet man grundsätzlich nur Mengen, die Teilmenge einer Grundmenge M sind (z.b. M R). Dann schreibt man auch: A c M A (sprich: Komplement von A (in M) ). ˆ (sprich: symmetrische Differenz ) ist eine Verknüpfung zwischen Mengen. Für beliebige Mengen A, B gilt: A B {x; x A x B} Zu A B gehören also (genau) die Elemente, die zu einer der beiden Mengen A, B gehören, aber nicht zu der Anderen. Aufgabe 5.9. Gegeben seien: A { 3, 2,, 0,, 2,...}, B {y R; y 4}, C {3k + ; k Z} Bestimmen Sie: A B, A C, B C, A C, A B, R B, A C Aufgabe 5.0. Welche der folgenden Formeln sind allgemeingültig (d.h. sie gelten für alle Mengen)? A B B A, (A B) C A (B C), (A B) C A (B C), (A B) C (A B) (B C) A B A, A B A, A B A B A, A B A B 7

18 6 Tupel 6 Tupel Frage 6.. Was ist ein Tupel? Ein Tupel ist eine endliche Liste, in der, hintereinander (nicht notwendig verschiedene) mathematische Objekte (z.b. Zahlen) stehen. Ist n die Länge der Liste, dann spricht man von einem n-tupel (2-Tupel nennt man auch geordnete Paare, 3-Tupel Tripel und 4-Tupel Quadrupel). Das an i-ter Stelle eines Tupels stehende Objekt heißt seine i-te Komponente. Notiert werden kann ein Tupel so: (x, x 2,..., x n). (vgl: Wikipedia) (Beispiel: (, 3,, 8) ist ein Tupel mit.komp., 2.Komp. 3, 3.Komp. und 4.Komp. 8) Hinweis: Grundsätzlich spielt die Anordnung der Komponenten bei Tupeln nicht unbedingt eine Rolle (statt in einer Zeile kann man die Komponenten beispielsweise auch in einer Spalte anordnen). Wichtig ist aber, dass die Reihenfolge der Komponenten untereinander klar wird. Frage 6.2. Wann sind zwei Tupel (x,..., x n ) und (y,..., y m ) gleich? (Genau dann) Wenn n m ist und x y, x 2 y 2, x 3 y 3,... x n y n gilt. Zwei Tupel sind also (genau) dann gleich, wenn sie gleich lang sind und jeweils entsprechende Komponenten beider Tupel übereinstimmen. Aufgabe 6.3. ˆ Gilt {3, 2,, 2, 2,,, 3} {, 2, 3}? ˆ Gilt (3, 2,, 2, 2,,, 3) (, 2, 3) oder (, 2, 3, ) (2,,, 3)? Aufgabe 6.4. (a) Zählen Sie alle 3-Tupel auf, deren Komponenten Elemente der Menge {0, } sind. (b) Zählen Sie alle 2-Tupel auf, deren Komponenten Elemente der Menge {, 2, 3, 4, 5} sind. (c) Wieviele 2-Tupel gibt es, deren Komponenten Elemente der Menge {0,, 2, 3, 4, 5, 6} sind. (d) Wieviele n-tupel gibt es, deren Komponenten Elemente einer vorgegebenen k- elementigen Menge sind. (Beantworten Sie die Frage allgemein für beliebige n, k N.) Frage 6.5. Wo finden Tupel in der Mathematik Verwendung? Geben Sie Beispiele an. ˆ zur Beschreibung von Punkten in der Ebene (2-Tupel) oder im Raum (3-Tupel) mittels Koordinaten ˆ zur Beschreibung von Vektoren in der Ebene (2-Tupel) oder im Raum (3-Tupel) ˆ Lösungen von Gleichungen (oder Gleichungssystemen) mit mehreren Unbekannten können als Tupel beschrieben werden (dabei müssen die Komponenten des Lösungstupels eineindeutig den in der Gleichung vorkommenden Variablen zugeordnet worden sein) ˆ zur Beschreibung von Ergebnissen in der Wahrscheinlichkeitsrechnung (wenn die Reihenfolge beachtet werden soll) 8

19 Frage 6.6. Was ist A B und A n, wenn A, B Mengen sind und n N ist? Geben Sie eine präzise Definition und erläutern Sie diese an einem Beispiel. ˆ A B ist ebenfalls eine Menge. Die Elemente von A B sind die 2-Tupel, deren erste Komponente ein Element aus A ist und deren 2.Komponente ein Element aus B ist. Beispiele: Definition: A B {(a, b); a A, b B} (, 3), (, 4), (, 5), (, 6), (2, 3), (2, 4), {, 2, 3} {3, 4, 5, 6} (2, 5), (2, 6), (3, 3), (3, 4), (3, 5), (3, 6) {, 0, 00} {0, 5} {(, 0), (, 5), (0, 0), (0, 5), (00, 0), (00, 5)} N 0 R {0} {(n, x); n N 0, x R {0}} ˆ A n ist ebenfalls eine Menge. Die Elemente von A n sind die n-tupel, deren sämtliche Komponenten Elemente von A sind. Beispiele: Definition: A n {(a,..., a n); a,..., a n A} {, 2, 3, 4, 5, 6} 2 {0, } 4 (, ), (, 2), (, 3), (, 4), (, 5), (, 6), (2, ), (2, 2), (2, 3), (2, 4), (2, 5), (2, 6), (3, ), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (3, 5), (3, 6), (4, ), (4, 2), (4, 3), (4, 4), (4, 5), (4, 6), (5, ), (5, 2), (5, 3), (5, 4), (5, 5), (5, 6), (6, ), (6, 2), (6, 3), (6, 4), (6, 5), (6, 6) (,,, ), (,,, 0), (,, 0, ), (,, 0, 0), (, 0,, ), (, 0,, 0), (, 0, 0, ), (, 0, 0, 0), (0,,, ), (0,,, 0), (0,, 0, ), (0,, 0, 0), (0, 0,, ), (0, 0,, 0), (0, 0, 0, ), (0, 0, 0, 0) Frage 6.7. Welche Verknüpfungen zwischen Tupeln kennen Sie? Beschreiben Sie sie auch. (Ist eine Verknüpfung zwischen Tupeln, so ist (wenn x, y Tupel sind) x y wieder ein Tupel. Um die Verknüpfung (präzise) zu beschreiben, muss geklärt werden, welche Tupel für x und y zugelassen sind und wie man aus diesen beiden Elementen x y bestimmt.) ˆ Für zwei Tupel (x, x 2,..., x n), (y, y 2,..., y n) R n kann man eine Tupel-Addition definieren. Dabei gilt: (x, x 2,..., x n) (y, y 2,..., y n) (x + y, x 2 + y 2,..., x n + y n) Hinweis: Dabei wurde bewusst ein Symbol gewählt, das sich von dem bekannten Symbol + für die Zahlen-Addition unterscheidet. Manchmal wird auch dassselbe Symbol + für die Zahlen-Addition und die Tupel-Addition verwendet, dies geht aber nur, wenn jederzeit klar ist, was gemeint ist. 9

20 6 Tupel ˆ Für zwei Tupel (x, x 2,..., x n), (y, y 2,..., y n) R n kann man eine Tupel-Multiplikation definieren. Dabei gilt: (x, x 2,..., x n) (y, y 2,..., y n) (x y, x 2 y 2,..., x n y n) Hinweis: Diese Verknüpfung findet in der Mathematik weit weniger Verwendung als die oben erklärte Addition. ˆ Für zwei Tupel (x, x 2, x 3), (y, y 2, y 3) R 3 ist das Kreuzprodukt definiert. Dabei gilt: (x, x 2, x 3) (y, y 2, y 3) (x 2y 3 x 3y 2, x 3y x y 3, x y 2 x 2y ) Aufgabe 6.8. Sind die folgenden Aussagen wahr oder falsch: {0,, 2} {0,, 2} 4 {0,, 2} 6 {0,, 2, 3, 4} 6 N 2 N R N R R 2 Q Q Q 2 (Q {0}) (Q {0}) (Q Q) {(0, 0)} Für alle Mengen A, B und alle n N gilt: A B A n B n Für alle Mengen A und alle n, m N gilt: n m A n A m Für alle Mengen A, B, C gilt: A B A C B C Für alle n N gilt: {} n {} Für alle Mengen A, B, C, D gilt: (A B) (C D) (A C) (B D) Für alle Mengen A, B, C, D gilt: (A B) (C D) (A C) (B D) 20

21 7 Abbildungen Frage 7.. Was ist eine Abbildung (bzw. Funktion)? Anders gefragt: Durch welche Angaben ist eine Abbildung vollständig festgelegt/beschrieben? Eine Abbildung ist durch die folgenden Angaben festgelegt: ˆ die Definitionmenge: eine Menge ˆ die Zielmenge: eine Menge (nicht die leere Menge) ˆ die Zuordnung: eine Vorschrift, die angibt, wie jedem Element der Definitionsmenge (genau) ein Element der Zielmenge zugeordnet wird Ist D die Definitionmenge und Z die Zielmenge einer Abbildung f, so ist also jedem d D ein eindeutiges Element aus Z zugeordnet. Dieses bezeichnet man mit f(d) (sprich: f von d ). Man schreibt oft: d f(d), und sagt: d wird (von der Abbildung f) auf f(d) abgebildet. Schreibweise: f D Z, d... oder f D Z, f(d)... Aufgabe 7.2. Handelt es sich im Folgenden um Abbildungen? (i) {, 2, 3, 4} {2, 3, 4, 5, 6}, (ii) {, 2, 3, 4} {2, 3, 4, 5, 6}, (iii) N Z, n n (iv) Z N, z z (v) Z N, z (vi) Q + Q +, q q (vii) { 4, 2, 3} R +, x 2 + 3x + 2 (viii) R {, 2, 3, 4, 5}, x {, falls x > 4 2, falls x < 3 3, falls 3 x 4 } (ix) R {, 2, 3, 4, 5}, x { 4, falls x 0 5, falls x 0 } (x) {2k + ; k N} {k Q; 2k N}, x x (xi) R 2 R 2, (x, x 2 ) (x 2, x ) (xii) R 2 R 3, (x, x 2 ) ( x x 2, x2 x, 7) (xiii) N 3 Z, (n, n 2, n 3 ) n n 3 (xiv) N 2 R, (n, n 2 ) n+n2 n 2 5n 2 2 2

22 7 Abbildungen Aufgabe 7.3. Finden Sie mögliche Definitions- und Zielmengen für die folgenden Abbildungen: h(x) { f(x) x 5, g(x) ggt(x, 2), falls x N x 6 2 x, falls x N }, i((x x, x 2 )) x 2 x 2 x + Frage 7.4. Wann gilt für zwei Abbildungen f D f Z f und g D g Z g, dass sie gleich sind (also f g)? Falls sie sowohl die gleiche Definitionsmenge als auch die gleiche Zielmenge haben und außerdem jedes Element aus der Definitionsmenge durch f und g auf das gleiche Element abgebildet wird. Formaler: D f D g Z f Z g x D f f(x) g(x) Frage 7.5. Unter welchen Bedingungen kann man zwei Abbildungen f A B und g C D hintereinanderausführen? Was für ein Objekt erhält man dabei und wie ist es definiert? ˆ Man kann g hinter f ausführen, wenn B C gilt. Man erhält dann erneut eine Abbildung g f (sprich: g nach f ). Diese ist wie folgt definiert: g f A D, (g f)(a) g( f(a) ) ˆ Man kann f hinter g ausführen, wenn D A gilt. Man erhält dann erneut eine Abbildung f g (sprich: f nach g ). Diese ist wie folgt definiert: f g C B, (f g)(c) f( g(c) ) Hinweis: Mit werden Abbildungen verknüpft und man erhält eine neue Abbildung. Allerdings kann man zwei Abbildungen nicht immer mittels verknüpfen, es funktioniert nur, wenn die Zielmenge der zweiten Abbildung eine Teilmenge der Definitionsmenge der ersten Abbildung ist. Aufgabe 7.6. (a) Bilden Sie für die folgenden Abbildungen f, g, h alle möglichen Hintereinanderausführungen von jeweils zwei dieser Abbildungen: f N {0,, 2, 3, 4, 5}, f(n) min(n, 5) g {, 2, 3} { 2,, 0,, 2}, g(u) { 2 0,, falls u u 3 falls u 2 h {z Z; z 7} N, h(z) 2z + 7 } (b) Bilden Sie für die folgenden Abbildungen f, g, h alle möglichen Hintereinanderausführungen von jeweils zwei dieser Abbildungen:: f R {x R; x }, f(x) sin(x 8) g { n, n N} N, g(x) h Q {0} R, h(x) x x

23 Teil A.2: Beweismethoden und -formulierungen 8 Grundsätzliches zu Beweisen Frage 8.. Was verstehen Sie unter einem Beweis (in der Mathematik)? Ein Beweis ist in der Mathematik die als fehlerfrei anerkannte Herleitung der Richtigkeit einer Aussage aus einer Menge von Axiomen, die als wahr vorausgesetzt werden, und anderen Aussagen, die bereits bewiesen sind. (vgl. wikipedia) ˆ Ein Beweis muss schlüssig sein, d.h. er darf keine Fehler enthalten. und ein Leser muss dies zweifelsfrei nachvollziehen können. ˆ Nach dem Lesen/Durcharbeiten/Verstehen eines Beweises muss der Leser absolut sicher sein, dass die Aussage stimmt. ˆ Innerhalb eines Beweises dürfen andere Aussagen benutzt werden, die bereits als richtig anerkannt worden sind. Dies ist beispielsweise der Fall: -) bei Aussagen, die bereits zuvor bewiesen wurden -) bei Axiomen (elementare, als gültig vorausgesetzte Aussagen) -) Aussagen, die so offensichtlich gültig sind, dass sie nicht näher begründet werden müssen Hinweis: Bei Bedarf/auf Nachfrage sollte der Schreiber eines Beweises diese Aussagen genauer begründen können. Was im Rahmen eines Beweises als offensichtlich akzeptiert werden kann, hängt von Schreiber und Leser eines Beweises ab bzw. kann z.b. auch auf Absprachen zwischen ihnen beruhen. ˆ Ob eine Argumentation als Beweis akzeptiert werden kann, hängt auch vom Kenntnisstand der Leser ab. Hinweis: Statt Schreiber und Leser könnte man besipielsweise auch Dozent und Hörer oder Klausurteilnehmer und Korrektor einsetzen. Frage 8.2. Wie lassen sich Beweise so formulieren, dass andere sie verstehen? ˆ Es muss vorab geklärt sein, welchen Kenntnisstand die Leser haben. Dadurch wird klar, ob bestimmte (bereits bewiesene) Aussagen benutzt werden dürfen und ob man gewisse Beweismethoden einfach verwenden kann, oder ob sie zusätzlich erläutert werden müssen. ˆ Grundsätzlich kann man Beweise auf vielerlei Arten formulieren. Man sollte dabei immer den Leser im Blick haben. (Ein Fließtext ohne Rechnungen ist nicht ausgeschlossen. Dabei ist allerdings zu erwarten, dass die Beweise sehr lang werden und nur mühsam zu lesen sind.) ˆ Speziell für das Mathematikstudium gilt: Es gibt gewisse Formulierungen, die mit bestimmten Beweismethoden verbunden sind und häufig verwendet werden (einige davon werden im Folgenden vorgestellt). Sowohl Schreiber als auch Leser von Beweisen müssen mit dieser Sprache (und den dahinter stehenden Methoden) vertraut sein. 23

24 8 Grundsätzliches zu Beweisen Frage 8.3. Wozu dienen Beweise im Rahmen einer mathematischen (Lehramts-)Ausbildung? ˆ Mathematik besteht nicht (nur) aus dem Anwenden auswendig gelernter Schemata. Stattdessen ist das Argumentieren und das Ziehen logischer Schlüsse ein zentraler Bestandteil von Mathematik. (Dies sollte sich auch im Unterricht aller Schulformen und Klassenstufen wiederspiegeln.) Einen Beweis nachzuvollziehen oder gar selbst zu führen, verlangt genau dies: das Verständnis bzw. den Aufbau einer Kombination logischer Schlussfolgerungen ˆ Beweise dienen dazu, Kommunikation über Mathematik herzustellen. Der Schreiber des Beweises muss seine Gedankengänge präzise und nachvollziehbar darstellen, damit der Leser den Beweis verstehen kann. Umgekehrt muss der Leser in der Lage sein, die logische Argumentationskette, aus der der Beweis besteht, wieder aus den Formulierungen herauszuarbeiten. ˆ Beweise können nur verstanden oder erbracht werden, wenn man die inhaltlichen Zusammenhänge einer mathematischen Theorie verstanden hat. Sie verbinden ihre verschiedenen Teile und tragen so zu einem besseren Verständnis ihres gesamten (logisch strukturierten) Aufbaus bei. Frage 8.4. Wie kann man einen Beweis nachvollziehen? ˆ Es gibt gewisse Prinzipien bzw. Methoden, die beim Beweisen angewendet werden können (einige davon werden im Folgenden vorgestellt). Machen Sie sich grundsätzlich klar, wie (UND WARUM) sie funktionieren. Kontrollieren Sie beim Lesen eines Beweises, ob sie korrekt angewendet wurden. ˆ Machen Sie sich grundsätzlich mit dem Formalismus vertraut, der in den Beweisen benutzt wird, die Sie lesen. Ein Beweis kann nur nachvollzogen werden, wenn man alle darin vorkommenden Formulierungen versteht. ˆ Machen Sie sich zunächst (präzise) die Aussage klar, die gezeigt werden soll. Wenn ein Objekt vorkommt, dessen Definition nicht kennen, schlagen Sie sie nach. ˆ PRÜFEN SIE JEDEN EINZELNEN SCHRITT DES BEWEISES. Vertrauen Sie den Schlussfolgerungen erst, wenn Sie sie verstanden haben. Suchen Sie nach Fehlern in der Argumentation und fragen Sie bei Unklarheiten (wenn möglich) nach. ˆ Wird eine andere (zuvor bereits bewiesene) Aussage im Beweis benutzt, machen Sie sich zunächst (präzise) diese Aussage klar. ˆ In den meisten Fällen ist es viel einfacher, einen Beweis zu verstehen/nachzuvollziehen/zu prüfen, als ihn selbst zu finden. (Manchmal wird ein Trick verwendet oder eine Idee eingesetzt, mit der Sie (noch) nicht vertraut sind.) Fragen Sie sich nicht immer sofort, woher die Beweisidee kommt, sondern versuchen sie zunächst, einfach nur den Beweis nachzuvollziehen. (Das ist der erste Schritt.) ˆ Nach dem Verständnis eines Beweises sollten Sie davon überzeugt sein, dass der Beweis keinen Fehler und keine Lücke enthält und dass die soeben bewiesene Aussage stimmt. Frage 8.5. Wie kann man einen Beweis selber finden? 24

25 Dies ist meist schwieriger als das Verstehen eines (gut formulierten) Beweises. Der Schwierigkeitsgrad hängt dabei von der zu beweisenden Aussage und den vorhandenen Hilfsmitteln (Aussagen, die bereits beweisen wurden und daher verwendet werden dürfen) ab und reicht von einfach bis unmöglich. Es gibt kein Rezept zum Finden von Beweisen. Daher nur einige Ratschläge: ˆ Lernen Sie zuerst, Beweise zu verstehen und Fehler in Beweisen zu finden (vgl. Frage 8.4). Dann können Sie Ihre eigenen Beweise einer Prüfung auf Korrektheit unterziehen und so lernen, Fehler zu vermeiden. ˆ Arbeiten Sie in Gruppen. Prüfen Sie ihre Ideen gegenseitig und erklären Sie sie sich. ˆ Falls Sie einen Fehler in Ihrer Argumentation finden, überlegen Sie, ob man die Argumentation noch retten kann. Falls nicht, verwerfen Sie Ihren Beweisansatz und überlegen Sie neu. ˆ Versuchen Sie sich an ähnliche Aussagen zu erinnern, bei denen Sie einen Beweis bereits gesehen haben. Versuchen Sie, ob die Methode, die bei diesen Aussagen zu einem Beweis geführt haben, auch hier funktioniert. (Kopieren Sie aber nicht einfach die Methode sondern denken Sie sorgfältig darüber nach, ob eventuell eine Modifikation oder Ergänzung nötig ist.) ˆ Prägen Sie sich Methoden ein, die häufig zum Erfolg führen. Machen Sie sich Definitionen und zuvor bereits bewiesene Aussagen, die häufig in Beweisen Verwendung finden, klar und prägen Sie sie sich ein. ˆ Beweise finden ist keine Fähigkeit (die man entweder haben kann oder nicht) sondern eine Fertigkeit, die man trainieren kann. Verbesserungen erreichen Sie immer dann, wenn Sie Beweise nachvollziehen, prüfen oder selbst erstellen. Also: ÜBEN, ÜBEN, ÜBEN,... 25

26 9 Gleichungen und Ungleichungen 9 Gleichungen und Ungleichungen 9.. Gleichungen zwischen Zahlen Zu zeigen ist, dass zwei Zahlen gleich sind. Man kann wie folgt vorgehen: Der Beweis besteht aus einer Rechnung, die mit der einen der beiden Zahlen beginnt und mit der Anderen endet. Darin kommen nur Gleichheitszeichen vor, die alle (ggf. mit Hilfe einer geeigneten Anmerkung) offensichtlich richtig sind. Am Ende kann man dann folgern, dass die Gleichheit zwischen den beiden Zahlen (die nun ganz links und ganz rechts in der Gleichungskette stehen) gültig ist. Behauptung: Beweis: a b a... b Beispiel: ˆ Behauptung: Es gilt: (257 6) 3 Beweis: (257 6) 3 ˆ Behauptung: Es gilt: Beweis : (000 ) (000 + ) ( ) (zu ( ): dritte binomische Formel wurde verwendet) Beweis 2: (000 + ) ( ) (zu ( ): Distributivgesetz wurde verwendet) ˆ Behauptung: Es gilt: Beweis: ( ) ( ) ( + 204) + ( ) + ( ) ( ) 205 (zu ( ): Assoziativgesetz und Kommutativgesetz der Addition wurden verwendet.) (zu ( ): Die geschweiften Klammern in der Zeile darüber bilden eine Erklärung dafür, dass das Gleichheitszeichen stimmt. Außerdem muss man sich klarmachen, dass genau dieser geschweiften Klammern vorkommen.) 9.2. Ungleichungen zwischen Zahlen Zu zeigen ist, dass eine Zahl kleiner (bzw. kleiner oder gleich) einer anderen ist. Man kann wie folgt vorgehen: Der Beweis besteht aus einer Rechnung, die mit der einen der beiden Zahlen beginnt und mit der Anderen endet. Darin kommen nur die Zeichen <, und vor, die alle (ggf. mit Hilfe einer geeigneten Anmerkung) offensichtlich richtig sind. Am Ende 26

27 kann man dann folgern, dass die Zahl, die ganz links in der Rechnung steht, kleiner oder gleich der Zahl, die ganz rechts steht, ist. Falls mindestens einmal das Zeichen < vorkam, kann man sogar folgern, dass die Zahl, die ganz links in der Rechnung steht, kleiner der Zahl, die ganz rechts steht, ist. Beh: Bew: a b a... < b Beh: Bew: a < b a... < b (mindestens einmal muss < vorkommen) Für oder > funktioniert das Ganze natürlich analog. Beispiel: ˆ Behauptung: Es gilt: < Beweis: < < ˆ Behauptung: Es gilt: Beweis: ˆ Behauptung: Es gilt: < 4 Beweis: () ( 3 + 5) 2 (2) (3) (4) < Wenn man diesen Beweis nachvollziehen möchte, muss man jeden einzelnen Schritt prüfen. Dabei helfen folgende Anmerkungen: () Die (bereits bekannte) Aussage x R + x x 2 wurde angewendet auf x (Dabei ist klar, dass R + ist und man die Aussage darauf anwenden kann.) (2) Die (bereits bekannte) erste binomische Formel besagt: a, b R (a + b) 2 a 2 + b 2 + 2ab. Sie wurde angewendet auf a 3 und b 5. (3) Es wurden die (bereits bekannten) Aussagen: x R + x 2 x und x, y R + x y x y verwendet. (4) Aus der (bereits bekannten) Aussage a, b R + (a < b a < b) folgt: 5 < 6. Daraus ergibt sich: 2 5 < 2 6, daraus dann < und daraus dann (wende nochmals obige Aussage an): < (Bei dieser Argumentation ist auch wichtig, dass Ungleichungen erhalten bleiben, wenn man beide Seiten mit einer positiven Zahl multipliziert bzw. wenn man auf beiden Seiten dieselbe Zahl addiert. Auch dies ist bereits bekannt.) 9.3. Einsatz von (bereits bekannten) -Aussagen Bei vielen bereits im Vorfeld bekannten Aussagen (die innerhalb eines Beweises benutzt werden dürfen) handelt es sich um -Aussagen. Diese können jederzeit nach Belieben verwendet werden und man darf für die darin vorkommenden Variablen einsetzen, was immer man möchte: bespielsweise eine Zahl, eine andere (im Beweis 27

28 0 Aussagen mit Quantoren und gerade vorkommende) Variable oder einen zusammengesetzten Ausdruck aus Zahlen und Variablen (einen Term ). Man muss lediglich sicherstellen, dass das was man einsetzt, in der bekannten -Aussage ein zugelassenes Objekt ist. In obigen Beweisen finden Sie dazu zahlreiche Beispiele, weitere werden folgen. Man verwendet bereits bekannte -Aussagen sehr oft (nicht nur in Beweisen). Aufgabe 9.4. Setzen Sie die folgenden Teile zu einem Beweis der jeweils angegebenen Aussage zusammen oder entwickeln Sie einen eigenen Beweis dazu (Jeder Schritt des Beweises muss nachvollziehbar sein.) (a) Behauptung: Beweisteile: ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2) ( 3 3) ( 5 5) ( 2 3) ( 2 5) ( 3 5) : Kommutativ- und Assoziativgesetz der Multiplikation : x R + 0 x x x : x, y R + 0 x y x y : klar (b) Behauptung: 3 4 < Beweisteile: ( ) ( ) ( ) < : Erweitern : klar : x, y R + (x > y x < y ) 0 Aussagen mit Quantoren und 0.. Beweis von Existenzaussagen Eine -Aussage kann gezeigt werden, indem man ein entsprechendes Objekt einfach angibt und dann nachweist, dass die geforderte Eigenschaft erfüllt ist. Behauptung: x X mit A(x) Beweis: Setze/Wähle/Definiere/Betrachte x.... Prüfe (falls nötig), dass x X ist. Zeige A(x) (für das eine selbstgewählte x). 28

29 Beispiel: ˆ Behauptung: x Q 8x Beweis: Setze x 9. Dann gilt: 4 8x ( 9 4 ) ˆ Behauptung: x R x Beweis: Setze x 7. Hinweis: Alternativ wäre hier auch x 7 möglich gewesen. Dann gilt: x ˆ Behauptung: x [2, 3] x Beweis: Setze x 7. Wegen und ist x [2, 3]. Es gilt: x ˆ Behauptung: x, y Z x 3 + y Beweis: Setze x 2 und y 7. Dann gilt: x 3 + y ( 7) Hinweis: Es ist absolut nicht klar, wie man hierbei die Zahlen x, y findet. Dennoch ist der Beweis schlüssig und leicht nachvollziehbar (aber nicht leicht zu finden) Beweis von -Aussagen Eine -Aussage kann wie folgt gezeigt werden: Man wählt ein (beliebiges, aber festes) Objekt aus der Menge der zugelassenen Objekte. Dafür verwendet man üblicherweise die Sprechweise: Sei Dieses feste gewählte Objekt steht dabei stellvertretend für alle zugelassenen Objekte. Daher genügt es im Folgenden, die zu zeigende Aussageform für dieses eine Objekt beweisen. (Dieses ist dabei als unbekannt zu behandeln, man weiß nur, dass es in der Menge der zugelassenen Objekte liegt.) Hinweis: (zu ) beliebig bedeutet hier nicht, dass man ein bestimmtes Objekt auswählt, sondern ist eher im Sinne von repräsentativ zu verstehen. Behauptung: x X gilt A(x) Beweis: Sei x X. Zeige A(x) (verwende dabei nur das Wissen, dass x X ist). Beispiel: ˆ Behauptung: x, y R (x + y) 2 x 2 + 2x + y 2 Beweis: Seien x, y R. Dann gilt: (x+y) 2 (x+y) (x+y) x x+x y+y x+y y x 2 +2x+y 2 Hinweis: Hierbei wurden elementare Rechengesetze (etwa Distributivgesetz, Kommutativund Assoziativgesetz der Multiplikation) verwendet. Dies ist möglich, da es sich dabei um -Aussagen handelt, die jederzeit eingesezt werden können. 29

30 0 Aussagen mit Quantoren und Beispiel: ˆ Behauptung: x R (x + ) 2 (x ) 2 4x Beweis : Sei x R. Es gilt: (x + ) 2 (x ) 2 ( ) x 2 + 2x + (x 2 2x + ) x 2 + 2x + x 2 + 2x 4x (zu ( ): zweimaliges Verwenden der binomischen Formel) Beweis 2: Sei x R. Es gilt: (x+) 2 (x ) 2 ( ) ((x+)+(x )) ((x+) (x )) 2x 2 4x (zu ( ): Die 3.binomische Formel lautet: a, b R a 2 + b 2 (a + b) (a b). Sie wird hier angewendet auf a x + und b x.) ˆ Behauptung: x R x 2 + 8x + 7 > 0 Beweis: Sei x R. Es gilt: x 2 + 8x + 7 x x (x + 4) 2 + ( ) 0 + > 0 (zu ( ): Hier wird verwendet, dass y R y 2 0 gilt. Diese allgemeingültige Aussage wrid auf y x + 4 angewendet.) Manchmal wird (beispielsweise in einem Vorlesungsskript oder auf einem Übungsblatt) die Formulierung Sei(en)... vorausgeschickt. Dann folgt erst die Behauptung, in der das x ohne Quantor vorkommt. Da das x hierbei wiederum fest, aber beliebig ist, steht es repräsentativ x X. Im Beweis ist x als unbekannt zu behandeln, man weiß nur, dass es in X liegt. (Man braucht das Sei(en)... aber nicht nochmals hinzuschreiben.) Gezeigt wird dabei natürlich dabei die entsprechende -Aussage. Beispiel: ˆ Sei x R. Behauptung: x 3 (x )(x 2 + x + ) Beweis: (x )(x 2 + x + ) x 3 + x 2 + x x 2 x x 3 (Gezeigt wurde dabei die Aussage: x R x 3 (x )(x 2 + x + )) ˆ Seien a R und n, m N. Behauptung: a n+m a n a m Beweis: a n a m a a... a a a... a a a... a a n+m n-mal m-mal (n+m)-mal (Gezeigt wurde dabei die Aussage: a R n, m N a n+m a n a m ) Hinweis: Hier wurde zweimal die folgende Definition von Potenzen benutzt: Für x R und k N wird definiert: x k x x... x k-mal 30

31 Aufgabe 0.3. Setzen Sie die folgenden Teile zu einem Beweis der jeweils angegebenen Aussage zusammen oder entwickeln Sie einen eigenen Beweis dazu (Jeder Schritt des Beweises muss nachvollziehbar sein.) ACHTUNG: Sie benötigen nicht alle Beweisteile. (a) Behauptung: x R (4 + x) 2 7 Beweisteile: Dann gilt: Sei x R. Setze x 7 4. Setze x (4 + x) 2 ( 7) 2 ( ) 2 ( ) 2 (x einsetzen) ( y R + ( y) 2 ) y) (vereinfachen) (b) Behauptung: a, b, c R + Beweisteile: a + b + c > 3 a+b+c Dann gilt: Seien a, b, c R +. Setze a, b 2 und c 3. ( ) ( ) > a + b + c a+b+c a+b+c + a+b+c + a+b+c : Zusammenfassen : denn a < a + b + c und b < a + b + c und c < a + b + c 0.4. Beweis von Aussagen, in denen mehrere Quantoren vorkommen Interessant wird es, wenn es um Aussagen geht, in denen sowohl und vorkommt. Dabei ist natürlich die Reihenfolge zu beachten. Grundsätzlich ist es sinnvoll, die Aussage von vorne nach hinten durchzugehen, um den Beweis zu strukturieren. Behauptung: x X y Y A(x, y) Beweis: Sei x X. Setze y... (hier darf auch x benutzt werden) Prüfe (falls nötig), dass y Y ist. Zeige A(x, y) (dabei darf für y das gewählte Objekt eingesetzt werden, x ist als beliebig zu behandeln) 3

32 0 Aussagen mit Quantoren und Behauptung: x X y Y A(x, y) Beweis: Setze x... (hier darf y nicht benutzt werden). Prüfe (falls nötig), dass x X ist. Sei y Y. Zeige A(x, y) (dabei darf für x das gewählte Objekt eingesetzt werden, y ist als beliebig zu behandeln) Beispiel: ˆ Behauptung: x R + 0 y R + 0 y 2 x Beweis: Sei x R + 0. Setze y x. Dann gilt y R + 0 und y 2 x 2 x Hinweis: y darf hier in Abhängigkeit von x definiert werden, da die Behauptung besagt, dass es zu jedem x (mindestens) ein entsprechendes y gibt. ˆ Behauptung: x R + 0 y R + (y ) 2 x Beweis: Sei x R + 0. Setze y x +. Dann gilt y R + (denn es ist y x > 0) und (y ) 2 ( x + ) 2 x 2 x Hinweis: Damit der Beweis gültig ist, musste klar sein, dass das gewählte y tatsächlich (mit Sicherheit) R + ist. Dies wurde (in der Klammer) separat begründet. ˆ Behauptung: n R x R n x x Beweis: Setze n. Sei x R. Dann gilt: n x x x Hinweis: n muss hier unabhängig von x definiert werden, da die Behauptung besagt, dass es (mindestens) ein n gibt, das mit allen x die geforderte Gleichheit erfüllt. ˆ Behauptung: a R b R b > a Beweis: Sei a R. Setze b a + (auch funktioniert hätte beispielsweise b a + 7). Dann gilt b a + > a. ˆ Behauptung: a R b R b > a Beweis: nicht möglich, denn die Behauptung ist falsch (man müsste zuerst a angeben und dann mit diesem gewählten a für ein beliebiges (d.h. repräsentatives) b die Ungleichung zeigen) ˆ Behauptung: x R {0} y R z R y z x Beweis: Sei x R {0} und sei y R. Setze z y. Dann ist z x y x y. x x ˆ Behauptung: a R {0} b R {0} c R abc 2c Beweis: Sei a R {0}. Setze b 2 (offensichtlich b R {0}). Sei c R. a Dann gilt: abc a 2 a c 2c ˆ Behauptung: a N b, c N d Z ab 4(c + d) Beweis : Setze a 4. Seien b, c N. Setze d b c. Dann gilt: 4(c + d) 4(c + (b c)) 4b ab Beweis 2: Setze a 8. Seien b, c N. Setze d 2b c. Dann gilt: 4(c + d) 4(c + (2b c)) 4 2b 8b ab 32