Übungen Analysis I WS 03/04

Transkript

1 Blatt Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Beweisen Sie, daß für jede natürliche Zahl n gilt: n ( ) n (x + y) n = x i y n i, i (b) n ν 2 = ν= i=0 n(n + )(2n + ), 6 (c) 2 3n ist durch 7 teilbar. Aufgabe 2: Berechnen Sie für natürliche Zahlen m und n: n m i, i=0 (b) m n 2 i+j. i=0 j=0 Aufgabe 3: Es seien X, Y, Z Mengen und f : X Y und g : Y Beweisen oder widerlegen Sie: Z Abbildungen. Sei g f injektiv. Dann ist a) f injektiv; a2) g injektiv. (b) Sei g f surjektiv. Dann ist b) f surjektiv; b2) g surjektiv. Aufgabe 4: Es sei X eine nichtleere Menge, und f, g : X X seien Abbildungen mit g f = id X. Zeigen Sie: f ist injektiv und g ist surjektiv. (b) Ist X endlich, so sind f und g bijektiv. (c) Finden Sie Abbildungen f, g : N N mit folgenden Eigenschaften: f ist nicht surjektiv, g ist nicht injektiv und g f = id N. Die Übungsblätter sind im Netz: schuster/analysisi/

2 Blatt 2 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Sei S(k, n) := n i k. Zeigen Sie durch Induktion über n: i=0 k ( ) k + S(j, n) = (n + ) k+. j j=0 (b) Berechnen Sie S(k, n) für k = 3, 4. Aufgabe 2: Zeigen Sie: für je n reelle Zahlen a, a 2,..., a n gelten die Ungleichungen a a 2 a n a + a a n a + a a n. Aufgabe 3: Für positive reelle Zahlen a, b seien das arithmetische, geometrische und harmonische Mittel definiert durch A(a, b) := a + b 2, G(a, b) := ab, H(a, b) = A( a, b ) = 2ab a + b. Beweisen Sie die Ungleichungen H(a, b) G(a, b) A(a, b). Wann tritt Gleichheit ein? Aufgabe 4: Zeigen Sie, daß 3 irrational ist. (b) Seien k, n N. Zeigen Sie: k n ist entweder eine natürliche Zahl oder irrational. Aufgabe 5: Seien A und B beschränkte Teilmengen von R. Zeigen Sie: sup(a B) = max{sup A, sup B}, inf(a B) = min{inf A, inf B}. (b) Die Menge C := {x x = y + z mit y A und z B} ist beschränkt und es gilt sup C = sup A + sup B, inf C = inf A + inf B. (c) Sei A B. Dann gelten die Ungleichungen sup(a B) min{sup A, sup B}, inf(a B) max{inf A, inf B}. Finden Sie Beispiele, in denen die Gleichheit nicht gilt.

3 Blatt 3 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Sei n eine natürliche Zahl. Beweisen Sie die Ungleichung (Hinweis: Vergleichen Sie k! mit 2 k.) n k=0 k! < 3. (b) Zeigen Sie: für 0 k n gilt ( ) n k n k k!. (c) Folgern Sie daraus die Ungleichungen ( + n) n n k=0 k! < 3. Aufgabe 2: Zeigen Sie, daß für jede reelle Zahl x 0 und jedes n N mit n 2 gilt: ( + x) n n2 4 x2. Aufgabe 3: Es seien a,..., a n nichtnegative reelle Zahlen mit n a i = n. Zeigen Sie: n a i. i= i= Aufgabe 4: Bestimmen Sie Real- und Imaginärteil folgender komplexer Zahlen: + 2i, (b) 2i + 3 5i, (c) ( ) i k, k Z. + i Aufgabe 5: Es seien a, z C mit a <. Zeigen Sie: z a az < z <.

4 Blatt 4 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Seien a i, i, nichtnegative reelle Zahlen, und sei S n = n i= a i sowie M n = n i= ( + a i). Zeigen Sie: + S n M n und M n + M n S n für jedes n. (b) Konvergiert die Folge (M n ), so konvergiert auch (S n ). (c) Konvergiert (S n ) mit einem Grenzwert kleiner als, so ist auch (M n ) konvergent. (d) Ist die Voraussetzung S n < in (c) notwendig? Aufgabe 2: Sei a > 0. Die Folge (a n ) sei rekursiv definiert durch a 0 = a sowie a n+ = f(a n ), wobei f(x) = x( + x). Zeigen Sie, daß (a n ) konvergiert. (b) Bestimmen Sie den Grenzwert. Aufgabe 3: Untersuchen Sie die folgenden Folgen auf Konvergenz und bestimmen Sie gegebenenfalls den Grenzwert. a n = 2 n n 2 (d) a n = ( + n (b) a n = 5n3 5n + 5 4n 3 + 3n 2 + ) (c) a n = n ( + n n (e) ) n 2 a n = n n(n + ) (n + k), k N fest (f) a n = n n! Aufgabe 4: Sei (a n ) eine beschränkte Folge, und die Folgen (b n ), (c n ) seien definiert durch b n := sup({a m m n}) sowie c n := inf({a m m n}. Zeigen Sie: Die Folgen (b n ) und (c n ) sind konvergent. (b) Sei b := b n und c := c n. Dann ist b c. (c) (a n ) konvergiert genau dann, wenn b = c ist. Aufgabe 5: Konstruieren Sie eine Nullfolge (x n ) und geeignete Folgen (a n ), (b n ), (c n ) und (d n ), so daß gilt: (x n a n ) ist eine Nullfolge, (x n b n ) konvergiert gegen, (x n c n ) ist unbeschränkt, und (x n d n ) ist beschränkt, aber nicht konvergent.

5 Blatt 5 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Seien (a n ) und (b n ) zwei Folgen mit a n > b n > 0 für alle n N. Bezeichne s n = a n + b n, d n = a n b n und p n = a n b n. Beweisen Sie: konvergieren zwei der drei Folgen (s n ), (d n ), (p n ), so auch die dritte. Aufgabe 2: Es sei (a n ) eine monotone Folge. Beweisen Sie: jeder Häufungswert von (a n ) ist auch Grenzwert. Aufgabe 3: Für eine reelle Zahl x bezeichne x die eindeutig bestimmte ganze Zahl n mit n x < n +. Die Folge (a n (x)) sei definiert durch a n (x) = nx nx. Beweisen Sie: Ist x Q, so hat (a n (x)) nur endlich viele Häufungswerte. (b) Ist x Q, so ist jede reelle Zahl a mit 0 a Häufungswert der Folge. Aufgabe 4: Sei n a n eine Anordnung von Q. Zeigen Sie, daß jede reelle Zahl Häufungswert der Folge (a n ) ist. Aufgabe 5: Sei f : R R eine Abbildung, so daß für ein C R mit 0 C < gilt: f(x) f(y) C x y für alle x, y R. Für a R sei die Folge (a n ) definiert durch a 0 = a und a n+ = f(a n ). Beweisen Sie: a n+ a n C n a a 0. (b) (a n ) ist eine Cauchy-Folge. (c) Sei z = a n. Dann gilt f(z) = z. (d) z ist unabhängig von a.

6 Blatt 6 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Untersuchen Sie folgende Reihen auf Konvergenz: ( k + k) (c) k ( ) k(k + )(k + 2) k (b) k + k k k (d) ( k 2k + k 0 ) k Aufgabe 2: Sei (a n ) eine reelle Folge. Beweisen Sie: ( n ) Ist a n = a, so folgt a k = a. Die Umkehrung gilt nicht. n k= (b) Ist a n konvergent und (a n ) monoton, so ist (n a n ) = 0. Konstruieren Sie ein Beispiel einer Folge (a n ), so daß a n konvergiert, aber die Folge (n a n ) divergiert. Aufgabe 3: Sei (a n ) eine monoton wachsende Folge positiver reeller Zahlen. Beweisen Sie: die Reihe ( ) an+ konvergiert genau dann, wenn (a n ) beschränkt ist. a n n Aufgabe 4: Sei (d n ) eine Folge positiver reeller Zahlen und d n =. Was läßt sich über die Konvergenz der folgenden Reihen aussagen? n= (b) dn + d n (c) dn + nd n (d) dn + n 2 d n dn + d 2 n

7 Blatt 7 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Sei (a n ) eine Folge von Null verschiedener reeller Zahlen. Zeigen Sie: Ist sup a n+ a n <, so konvergiert die Reihe a n. (b) Zeigen Sie: Ist inf a n+ a n >, so divergiert die Reihe a n. (c) Finden Sie ein Beispiel mit sup a n+ a n und a n konvergent. Aufgabe 2: Untersuchen Sie die folgenden Reihen auf Konvergenz. ( n ) n 2 n n + (b) n 2 n n n (n!) 2 (c) a n n, wobei a n = 0 sei, falls die Dezimalschreibweise von n eine 9 enthält, und a n = sonst. Aufgabe 3: Berechnen Sie den Grenzwert der Reihe n n 2 + 2n. (b) Sei q <. Zeigen Sie, daß die Reihe n 0(n + )q n konvergiert und bestimmen Sie den Grenzwert. (c) Bestimmen Sie den Grenzwert der Reihe n 0 π 2 /6 benutzen.). (Sie können dabei ζ(2) = (2n + ) 2

8 Blatt 8 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Bestimmen Sie die Konvergenzradien der folgenden Potenzreihen: n 0 (b) n 0 (c) n 0 ( 2) n n + xn ( ) 2n x 3n n ( +! + 2! + + ) x n n! (d) n 7 2 (n 2) x n Aufgabe 2: Sei k N + und f(x) = + x + + x k. Finden Sie eine Potenzreihe g(x) = a n x n mit f(x)g(x) = und bestimmen Sie den Konvergenzradius von g. n 0 Aufgabe 3: Seien E D Teilmengen von R und f : D R eine Funktion. Zeigen Sie: Ist x ein Häufungspunkt von E, so ist x auch Häufungspunkt von D. (b) Sei x ein Häufungspunkt von E. Zeigen Sie: Gilt f(x) = a, so auch x x x x (c) Finden Sie ein Beispiel mit x x f(x) x x f(x) x E f(x) = a. Aufgabe 4: In welchen Punkten sind die folgenden Funktionen f : R R stetig? { x x für x 0, f(x) = 0 für x = 0. x + 3 für x <, 2x für x < 0, (b) f(x) = 2x für 0 x <, 4 x für x. { x für x Q, (c) f(x) = x für x R Q.

9 Blatt 9 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Seien f, g : D R stetige Funktionen. Zeigen Sie, daß dann auch max(f, g), min(f, g) und f stetig sind. Aufgabe 2: Formulieren Sie Definitionen der Aussagen x x f(x) = a für x R, a = ±, (b) x = ±, a R, (c) x = ±, a = ±. Aufgabe 3: Bestimmen Sie die (eventuell uneigentlichen) Grenzwerte (b) (c) sin x x 0 x sin x x ax + b, (d) cx + d, c 0,, (e) x 0 exp( x 2 ), sin x x 0 x 3, (f) log(x). x 0 Aufgabe 4: Zeigen Sie: Die Funktion ϕ: x x bildet R bijektiv auf ], [ + x ab. Geben Sie die Umkehrfunktion ψ : ], [ R an. Zeigen Sie, daß ϕ und ψ stetig sind. (b) Sei f : R R eine Abbildung. Zeigen Sie: f(x) = a y f(x) = x x ϕ(f(x)) =. x x Aufgabe 5: Sei f : [0, ] R eine stetige Funktion, die nur abzählbar viele Werte annimmt. Zeigen Sie: f ist konstant.

10 Blatt 0 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Untersuchen Sie die folgenden Funktionen auf Differenzierbarkeit: f(x) = x und g(x) = x x ; (b) f(x) = x sin( x ) und g(x) = x2 sin( x ). Aufgabe 2: Bestimmen Sie die maximalen Definitionsbereiche der folgenden Funktionen und berechnen Sie ihre Ableitungen. Geben Sie in jedem Schritt die verwendete Ableitungsregel an. f(x) = x + x 2, (d) f(x) = (x2 + ) (x2 +), (b) f(x) = 5, (e) f(x) = log(log(sin(x))). + x (c) f(x) = x 7 e x2, Aufgabe 3: Bestimmen Sie die Ableitungen der Funktionen arcsin(x), arccos(x) und arctan(x). Aufgabe 4: Seien f, g : [a, b] R differenzierbar. Zeigen Sie, daß es ein c ]a, b[ gibt mit f (c) ( g(b) g ) = g (c) ( f(b) f ).

11 Blatt Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Seien f, g : [a, [ R differenzierbare Funktionen mit g 0. Es gelte g(x) oder f(x) = = g(x). Zeigen Sie: f(x) = 0 = f(x) g(x) = f (x) g (x), falls der rechts stehende Grenzwert existiert. (b) Berechnen Sie die folgenden Grenzwerte: (i) (ii) (log x) b x a für a, b N +, cosh(x + ). exp(x) Aufgabe 2: Bestimmen Sie die Taylorreihen T (f; a) der folgenden Funktionen. Geben Sie zu jeder Reihe den Konvergenzradius an. f(x) = sin 3 (x), a = 0. ) +x (b) f(x) = log( x, a = 0. (c) f(x) = x + x 2x 2, a = 0. (d) f(x) = sin(x), a = π/4. Aufgabe 3: Bestimmen Sie die lokalen Extrema und Wendepunkte der Funktionen f(x) = x sin 2 (x), (b) f(x) = x + x 2.

12 Blatt 2 Abgabe: Mittwoch, Aufgabe : Beweisen Sie: Die Vorzeichen-Funktion sign: R R hat keine Stammfunktion. Aufgabe 2: Seien f, g : [a, b] R mit f g. Zeigen Sie: Ist g integrierbar mit b a g(x)dx = 0, so sind auch f und f integrierbar und es gilt b a f(x)dx = [Hinweis: Zeigen Sie S(f; Z) S( f ; Z).] b a f(x) dx = 0. Aufgabe 3: Finden Sie Stammfunktionen (mit maximalem Definitionsbereich) der folgenden Funktionen 2x 3 6x x (d) x cos 2 (x) (b) x 3 cos(x 4 ) (e) log x (c) x + 2 x 3 x (f) cos(x) Aufgabe 4: Bestimmen Sie den Wert des Integrals π/2 0 cos n (x)dx für n = 2, 4, 6.