ANALYSIS I FÜR TPH WS 2016/17 1. Übung Übersicht

Transkript

1 . Übung Übersicht Aufgaben zu Kapitel und 2 Aufgabe : Drei klassische Ungleichungen Aufgabe 2: ) Beweis einer Summenformel Induktion) Aufgabe : ) Teleskopsummen Aufgabe 4: Noch etwas Formelmanipulation Aufgabe 5: Mengenoperationen, kartesisches Produkt Aufgabe 6: Eine weitere Ungleichug Aufgabe 7: ) Der Multinomialsatz Aufgabe 8: ) Ein Beispiel zu Mengen und kombinatorischen Abbildungen Aufgabe 9: Unendlicher Durchschnitt Aufgabe 0: Ein bisschen Populationsdynamik

2 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe / Beweisen Sie die Ungleichungen a) [L] x y 2 δ x 2 + δ y 2), δ > 0 b) [L] x y x+y 2, x, y 0 c) [L] x y + x 2 y 2 x 2 + x2 2 y 2 + y2 2 Hinweis zu a) : Bringen Sie alles auf eine Seite. Hinweis zu b), c) : Quadrieren geht über Studieren. a) Die Ungleichung ist äquivalent zu wir setzen δ : ε) : 0 δ x 2 2 xy + δ y 2 ε 2 x 2 2 εx ε y + ε 2 y 2 ε x ε y) 2 b) Die Ungleichung ist äquivalent zu 4 x y x + y) 2 x x y + y 2 0 x 2 2 x y + y 2 x y) 2 b) besagt: Das geometrische Mittel x y geom. Interpretation!) ist nie größer als das arithmetische Mittel x+y 2. c) Die Ungleichung ist äquivalent zu x y + x 2 y 2 ) 2 x 2 + x 2 2) y 2 + y 2 2 ) x 2 y x y x 2 y 2 + x 2 2 y2 2 x 2 y 2 + x 2 y2 2 + x 2 2 y 2 + x 2 2 y2 2 2 x y 2 ) x 2 y ) x 2 y x 2 2 y 2 0 x y 2 x 2 y ) 2 Anmerkung: c) ist ein Spezialfall der Cauchy-Schwarz schen Ungleichung siehe Lineare Algebra).

3 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 2/ ) Beweisen Sie mittels vollständiger Induktion. 4k n n + für alle n N 0 Anmerkung: Der Induktionsschluss erfordert etwas Rechenarbeit. Schauen Sie sich auch einige Summenglieder an, um zu verstehen, wieso die Summe immer positiv ist. n 0 Induktionsanfang): 0 4k n n + Induktionsschluss): n+ 4k 2 4k n + ) 2 IND n + 2 n n + ) 2 n + 2 n + 4 n n + Um dies auf gleichen Nenner zu bringen, faktorisieren wir: 4 n n + 4 n n + 4 ) 4 n ) 2 n + ) 2 n + ) mit nochmaliger Faktorisierung): n + 2 n + 4 n n + n + 2 n + 2 n + ) 2 n + ) n + )2 n + ) 2 n + ) 2 n + ) 2 n2 + 5 n n + ) 2 n + ) 2 n ) + 2 n + ) 2 n + ) 2 n + ) + Die Summe: bleibt immer > 0.

4 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe / ) Eine Teleskopsumme ist eine Summe der Gestalt a k+ a k ) a a 0 ) + a 2 a ) a n+ a n ) a n+ a 0 oder ähnlich eine Summe von Differenzen.) a) [L] Fortsetzung von Aufgabe 2): Beweisen Sie 4k n n + in direkter Weise, indem Sie diese als Teleskopsumme identifizieren. D.h., versuchen Sie a k so zu bestimmen dass für alle k die Identität a k+ a k 4k 2 gilt. b) [L] Analog wie a), für die geometrische Summe q k q ). Anmerkung: Die Bestimmung der a k ist nicht ganz straightforward man muss ein wenig herumprobieren. Wissen Sie, was eine Partialbruchzerlegung ist? In VO: später.) Das hilft für a); ansonsten ist das etwa mühsam. a) Mit der Identität Partialbruchzerlegung!) 4k 2 2 2k + ) 2 2k ) 4 k + 2 ) 4 k 2 ) 4 k + ) }{{ 2 } ) 4 k }{{ 2 } ) a k+ a k folgt 4k 2 a n+ a 0 4 n + ) 2 ) ) 4 n + 2 ) + 2 n + 2 n +

5 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe /2 b) Mit der Identität q ; kleiner Trick!) q k qk q ) q qk+ q k q qk+ q k } q {{ }} q {{ } a k+ a k folgt q k a n+ a 0 qn+ q q0 q qn+ q Man sieht, dass die Aufgabenstellung, eine Summe als Teleskopsumme zu identifizieren und damit elementar berechenbar zu machen was nicht immer möglich ist) tatsächlich nicht unmittelbar straightforward ist. Diese Problematik ist verwandt zum Aufsuchen einer Stammfunktion in der Integralrechnung.)

6 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 4/ Zeigen Sie: + + N für alle n N Anmerkung: Dies funktioniert am besten mittels direkter Vereinfachung ohne Induktion). Wie wird man wohl mit ± umgehen? Verwende Binomi : + n k k k n k ) k k + + Hier ist + ) k weil k/2 N für k gerade. k/2 k ) k k/2 k + ) k ) k/2 k { 0, k ungerade 2, k gerade... n k gerade k/2 N k Beispiel: n 2 + ) 2 + ) ) ) 8 Anmerkung: Der Beweis zeigt, dass die Aussage offenbar allgemeiner gilt: + m + m N für alle n N für beliebige m N. Notation für Summe: Hier sollte klar sein, wie es gemeint ist.

7 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 5/ a) [L] Sei A eine nichtleere Menge. Wie sieht A { } aus? b) [L] Seien A und B beliebige Mengen. Zeigen Sie A B) 2 A 2 A B) B A) B 2 c) [L] Unter welcher Bedingung an A und B gilt A B B A? d) [L] Falls A und B disjunkte Mengen sind, d.h. falls sie kein gemeinsames Element haben A B { }), schreibt man für die Vereinigungsmenge manchmal auch A B : A + B. Zeigen Sie für diesen Fall A B) 2 A 2 + A B) + B A) + B 2 als Spezialfall von b), d.h., zu zeigen ist dass tatsächlich alle vier rechts auftretenden kartesischen Produkte paarweise disjunkt sind. Visualisieren Sie dies in geeigneter Weise anhand zweier einfacher Mengen. a) A { } { a, b): a A b { } } { } b) A B) 2 A B) A B) {x, y): x A B y A B} {x, y): x A x B) y A y B)} {x, y): x A y A} {x, y): x A y B} {x, y): x B y A} {x, y): x B y B} A 2 A B) B A) B 2 c) 2 Fälle: A B A B A 2 B A A B x A mit x B oder umgekehrt) Für b B gilt x, b) A B, jedoch b, x) A B. A B B A

8 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 5/2 d) Vgl. b)) Für A B { } sind die Mengen A 2, A B, B A, B 2 paarweise disjunkt: sie können paarweise betrachtet) keine gemeinsamen Elemente enthalten. Einfaches Beispiel, visualisiert in Form einer Tabelle: A {, 2}, B {} A 2 A B A + B) 2 B A B 2, ), 2), ) 2, ) 2, 2) 2, ), ), 2), )

9 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 6/ a) [L] Sei q > eine reelle Zahl. Beweisen Sie mittels vollständiger Induktion: q n + n q ) für alle n N 0 b) [L] Beweisen Sie die Aussage aus a) direkt mit Hilfe eines aus der Vorlesung bekannten Satzes. Hinweis: Setzen Sie q + δ mit δ > 0). a) Mit q + δ δ > 0) ist zu zeigen: + δ + n δ für alle n N 0 Diese Ungleichung wird als Bernoulli-Ungleichung bezeichnet. Induktionsanfang: n 0 Induktionsschluss: n n + : + δ) δ + δ+ + δ + δ) IND + n δ) + δ) + n + ) δ + n δ 2 + n + ) δ b) Verwende Binomi : + δ + n δ + + n δ n k δ k k nn ) δ } 2 {{} 0

10 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 7/ ) Eine Verallgemeinerung des Binomischen Lehrsatzes ist der Multinomialsatz:. Für alle m, n N gilt a + + a m n ) k,..., k m k + +k m n a k ak 2 2 ak m m, mit ) n : k,..., k }{{ m } Multinomialkoeffizient n! k! k m! Dabei ist die Summe k + +k m n... so zu verstehen, dass alle möglichen geordneten Tupel Multi-Indizes) k,..., k m ) mit k l {0,,..., n} berücksichtigt werden, deren Summe k + + k m gleich n ist. a) [L] Zeigen Sie, dass sich für m 2 genau der Binomische Lehrsatz ergibt. b) [L] Tabellieren Sie für den Fall m die Multinomialkoeffizienten zu n, 2,. a) Für m 2 : a + a 2 k, k 2 k +k 2 n k 0 mit k 2 n k ) ) a k ak 2 n 2, mit k, k 2 n! k! n k )! } {{ ) } n k a k an k 2 n! k! k 2!

11 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 7/2 b) m : n k k2 k ) Multinomialkoeffizient ) 0 0 ) 0 0 ) a + a 2 + a ) a + a 2 + a n 2 k k2 k ) Multinomialkoeffizient ) ) ) 0 ) 2 0 ) 2 0 ) 2 a + a 2 + a ) 2 ) ) a 2 + a a a a 2 + a 2 a + a a n k k2 k ) Multinomialkoeffizient ) 0 0 ) 0 0 ) 2 0 ) 0 2 ) 0 2 ) 2 0 ) 0 2 ) 2 0 ) ) 6 a + a 2 + a ) ) a + a 2 + a + ) a 2 a 2 + a 2 2 a + a 2 a + a a a 2 a 2 + a a a a 2 a

12 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 8/ ) Seien M, N Mengen bestehend aus m bzw. n Elementen, wobei n > m. Weiters sei f : N M eine Abbildung. a) [L] Zeigen Sie: Für jede derartige Abbildung f gibt es zwei verschiedene n, n 2 N mit fn ) fn 2 ). Wie haben wir eine derartige Eigenschaft einer Abbildung bezeichnet? b) [L] Die Eigenschaft a) ist elementar und sehr einfach und kann trotzdem sehr nützlich sein. Beispiel: Beweisen Sie: In einem Seminar mit n 2 Teilnehmern gibt es zwei Teilnehmer, die mit einer gleichen Anzahl von Teilnehmern befreundet sind. Hinweis: Identifizieren Sie N, M und f. Jeder kann zwischen 0 und n Freunde haben. Wichtig ist hier: Befreundet ist eine symmetrische Relation, d.h. A ist mit B befreundet genau dann wenn B mit A befreundet ist.) a) Die Behauptung besagt genau, dass f nicht injektiv sein kann. Beweis indirekt): Angenommen, f ist injektiv. Dann besteht ihr Bild fn) {fx): x N} aus n Elementen, was jedoch wegen fn) M mit M m < n nicht möglich ist. Die Aussage wird oft als Schubfachprinzip bezeichnet: Wenn n > m Objekte in m Schubfächern unterzubringen sind, ist es unmöglich, dass in jedem Schubfach nur ein einziges Objekt zu liegen kommt. b) In Anwendungen besteht die Hauptproblematik darin, Objekte die Menge N) und Schubfächer die Menge M) geeignet zu identifizieren. Lösung des Beispiels: Die Objekte sind die n Personen Menge N; nennen wir sie lieber P ), und Schubfächer sind die möglichen Anzahlen von Freunden 0 bis n ) Menge M; nennen wir sie lieber F ). Also: f : P F, fp) : Anzahl von Freunden der Person p.

13 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 8/2 Dann gibt es aber genau so viele Schubfächer wie Teilnehmer, m n, und das Schubfachprinzip ist nicht direkt anwendbar. Jedoch ist es wegen der Symmetrie der Freundschaftsrelation!icht möglich, dass zugleich jemand teilnimmt, der mit jedem anderen befreundet ist also n Freunde) und jemand, der gar keine 0) Freunde hat. Die Schubfächer 0 und n können also nicht beide belegt sein, und damit können wir m n setzen, d.h. BildP ) F besteht aus maximal m n Elementen. Also ist das Schubfachprinzip auf die Abbildung f : P BildP ) anwendbar und die Aussage somit bewiesen.

14 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 9/ Beweisen Sie in formal sauberer Weise: 0, ) n n N { } Notation: a, b) : {x R: a < x < b}.) Beweis indirekt: Angenommen es gilt 0, ) { } n Es gibt ein x > 0 mit n N x < n für alle n N. Letzteres ist ein Widerspruch zu x > 0. Beachte: Für ein beliebiges x > 0 gilt x > /n für hinreichend großes n N.)

15 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 0/ a) [L] Für eine Population p n, n 0,, 2,... gelte p n+ w p n, n 0,, 2,... wobei der Anfangswert p 0 > 0 vorgegeben ist. Dabei sei w > eine gegebene Wachstumsrate; die n 0,, 2,... entsprechen diskreten Zeitpunkten. Geben Sie für p n in Abhängigkeit von n einen expliziten Formelausdruck an. Eigentlich ist das ein Induktionsargument, allerdings ein sehr einfaches.) b) [L] Sei ˆp n eine weitere Population, charakterisiert durch ˆp n+ ŵ ˆp n mit ŵ > w und gegebenem ˆp 0 > 0. Zeigen Sie: Egal wie klein ˆp 0 auch im Vergleich zu p 0 ist, für hinreichend große n wird gelten ˆp n > p n. Wie verhält sich ˆp n /p n konkret für n? c) [L] Sei w 2. Zeigen Sie: n p k < p n für alle n N d) [L] Ist die Aussage aus c) auch richtig für < w < 2? Begründung!) Hinweis: Leiten Sie eine Ungleichung der Gestalt w n... her, die für alle n gelten muss, damit die Aussage richtig ist. a) Offensichtlich ist p n eine geometrische Progression: p n w n p 0, n 0,, 2,... b) Mit ˆp n ŵ n ˆp 0, n 0,, 2,... gilt ˆp n ŵn ˆp ŵ ) 0 ˆp 0 n : q n ˆp 0 p n w n p 0 w p 0 p 0 wobei laut Annahme q ŵ w > qn + n q ) für n. Hier wurde die Bernoulli-Ungleichung verwendet.)

16 . Übung [zur Übersicht] Aufgabe 0/2 c) Geometrische Summe für w 2 p n 2 n p 0 ) : n p k n p 0 2 k p 0 2 n 2 < p 0 2 n p n d) Für allgemeines w : n p k n p 0 w k p 0 w n w? <? p n p 0 w n Also: Zu klären ist, ob für < w < 2 folgende Ungleichung für alle n besteht: w n w wn w n w ) w n 2 w w w w n 2 w w Dies ist nicht möglich für alle n, da w n für n.