Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler

Ähnliche Dokumente
Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler

Prüfungsklausur zum Modul Höhere Mathematik für Ingenieure 1

ETH Zürich Analysis I Zwischenprüfung Winter 2014 D-BAUG Musterlösungen Dr. Meike Akveld

Stroppel Musterlösung , 180min. Aufgabe 1 (3 Punkte) Bestimmen Sie die Determinante der Matrix

Lösungen zu Mathematik I/II

Bericht zur Mathematischen Zulassungsprüfung im Mai 2010

April (Voll-) Klausur Analysis I für Ingenieure. Rechenteil

Grundkurs Höhere Mathematik I (für naturwissenschaftliche. Studiengänge) Beispiele

Klausurvorbereitung Höhere Mathematik Lösungen

Mathematik 3 für Informatik

UNIVERSITÄT KARLSRUHE Institut für Analysis HDoz. Dr. P. C. Kunstmann Dipl.-Math. M. Uhl. Sommersemester 2009

18.2 Implizit definierte Funktionen

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM II für Naturwissenschaftler

Aufgaben zum Vorkurs Mathematik für Natur- und Ingenieurwissenschaften. 1 Übungsblatt Mengen. Dr. Jörg Horst WS 2014/2015

MATHEMATIK I für Bauingenieure (Fernstudium)

Musterlösung. Aufgabe 1 a) Die Aussage ist falsch. Ein Gegenbeispiel ist die Funktion f : [0, 1] R, die folgendermaßen definiert ist:

Übungen Ingenieurmathematik

Klausur Mathematik I

Vorbereitungsaufgaben zur Klausur Mathematik I für Studierende des Studienganges Elektrotechnik und Informationssystemtechnik

Aufgabe 1 Zeigen Sie mittels vollständiger Induktion, dass für alle n N. n(n + 1)(2n + 1) 6. j 2 = gilt.

Differential- und Integralrechnung

Prüfung zur Vorlesung Mathematik I/II

Mathematik II für Studierende der Informatik. Wirtschaftsinformatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2016

Klausurenkurs zum Staatsexamen (SS 2015): Differential und Integralrechnung 6

Klausur zur Mathematik für Maschinentechniker

cos(x)cos(2x)cos(4x) cos(2 n x) = sin(2n+1 x) 2 n+1 sin(x) = sin(2n+2 x) 2 n+2 sin(x).

Technische Universität Berlin Fakultät II Institut für Mathematik SS 13 G. Bärwolff, C. Mehl, G. Penn-Karras

Vorkurs Mathematik Übungen zu Komplexen Zahlen

Analysis I. 1. Beispielklausur mit Lösungen

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2014/15): Differential und Integralrechnung 6

Stroppel Musterlösung , 180min. Aufgabe 1 (5 Punkte) Gegeben sei eine lineare Abbildung α: R 4 R 3 : x Ax mit. . Weiter sei b = A =

Der metrische Raum (X, d) ist gegeben. Zeigen Sie, dass auch

Mathematik I für MB und ME

Klausur HM I H 2005 HM I : 1

Mathematikaufgaben zur Vorbereitung auf das Studium

Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler im WS 12/13 Lösungen zu den Übungsaufgaben Blatt 12

Mathematik für Studierende der Biologie Wintersemester 2017/18. Grundlagentutorium 4 Lösungen

Höhere Mathematik für technische Studiengänge Vorbereitungsaufgaben für die Übungen

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Fakultät für Mathematik. Diplomvorprüfung HÖHERE MATHEMATIK I und II für Maschinenwesen und Chemie-Ingenieurwesen

Mathematik II für Studierende der Informatik. Wirtschaftsinformatik (Analysis und lineare Algebra) im Sommersemester 2016

Bestimmen Sie die Lösung des Anfangswertproblems. y (x) 4y (x) 5y(x) = 6e x. y(0) = y (0) = 0.

Probe-Klausur 1 Mathematik f. Bau-Ing + Chem. Modul1

= 11 ± 5, also k 1 = 3 und k 2 = 8.

4. Lösung linearer Gleichungssysteme

Vermischte Aufgaben zu Mathematische Grundlagen der Ökonomie

Mathematik für Anwender I. Beispielklausur 3 mit Lösungen

Stroppel Musterlösung , 180min. Aufgabe 1 (7 Punkte) Gegeben seien folgende Potenzreihen: ( 2) n n xn,

Klausur zum Fach Mathematik 1 Teil 1

Aufgaben zur Analysis I aus dem Wiederholungskurs

Lösungen Klausur. k k (n + 1) n. für alle n N. Lösung: IA: Für n = 1 ist 1. k k + (n + 1) n+1. k k = k=1. k=1 kk = 1 1 = 1 2 = 2 1.

Übungen zur Ingenieur-Mathematik III WS 2011/12 Blatt Aufgabe 25: Berechnen Sie den kritischen Punkt der Funktion

Lösungsvorschlag zu den Hausaufgaben der 3. Übung

Aufgaben für die 14. Übung zur Vorlesung Mathematik 2 für Informatiker: Analysis Sommersemester 2010

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2016/17): Differential und Integralrechnung 8

Priv. Doz. Dr. A. Wagner Aachen, 19. September 2016 S. Bleß, M. Sc. Analysis. Übungsaufgaben. im Vorkurs Mathematik 2016, RWTH Aachen University

1.6 Implizite Funktionen

Rückblick auf die letzte Vorlesung. Bemerkung

Teil I Auswahlfragen

Kleine Formelsammlung zu Mathematik für Ingenieure IIA

Analysis1-Klausuren in den ET-Studiengängen (Ba) ab 2007

Karlsruher Institut für Technologie Institut für Analysis Dr. Andreas Müller-Rettkowski Dr. Vu Hoang. Sommersemester

Übung (13) dx 3, 2x 1 dx arctan(x3 1).

Mathematikaufgaben zur Vorbereitung auf das Studium

1 Lineare Gleichungssysteme und Matrizen

MATHEMATIK 2 FÜR DIE STUDIENGÄNGE CHE- MIE UND LEBENSMITTELCHEMIE

Selbsteinschätzungstest Auswertung und Lösung

Lösungen der Aufgaben zu Kapitel 10

Musterlösung zu Blatt 1

3 Anwendungen der Differentialrechnung. (x 1, x 2,..., x n 1, x n ) f xn (x 1, x 2,..., x n 1, x n ), 1 i n 1. y + cos z

Klasse WI06b MLAN2 zweite-klausur 13. Juni 2007

Technische Universität Berlin

Dr. O. Wittich Aachen, 12. September 2017 S. Bleß, M. Sc. Analysis. Übungsaufgaben. im Vorkurs Mathematik 2017, RWTH Aachen University

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 7

Serie 13. Analysis D-BAUG Dr. Cornelia Busch FS 2016

Musterlösung der Präsenzaufgaben zu Mathematik I für ET/IT und ITS

Ferienkurs Analysis 1 - Wintersemester 2014/15. 1 Aussage, Mengen, Induktion, Quantoren

1. Klausur. für bau immo tpbau

Technische Universität Berlin Fakultät II Institut für Mathematik SS 2013 Doz.: Gündel-vom Hofe, Hömberg, Ortgiese Ass.

Übungen zur Analysis II Blatt 27 - Lösungen

Musterlösung. für die Klausur MA2_06.1 vom 10. Februar Labor für Mathematik und Statistik. Prof. Norbert Heldermann.

Aufgabensammlung Vorkurs Mathematik für Studierende technischer Fächer und für Studierende der Chemie

Abitur 2014 Mathematik Infinitesimalrechnung I

Analysis I & II Lösung zur Basisprüfung

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 10

= 3 e e x 1 + 2x 2. + x 2. = x. x 1 = 5 x 2 = 2

Technische Universität München Zentrum Mathematik. Übungsblatt 4

Kapitel 7. Funktionentheorie. 7.1 Holomorphe und harmonische Funktionen. 1. Definitionen

Mathematikaufgaben zur Vorbereitung auf das Studium

Kapitel 1:»Rechnen« c 3 c 4 c) b 5 c 4. c 2 ) d) (2x + 3) 2 e) (2x + 0,01)(2x 0,01) f) (19,87) 2

, = 2x, dz = 2x dx dx c und d) Partielle Integration u v = u v u v

Mathematischer Vorkurs Lösungen zum Übungsblatt 3

Musterlösung zur Klausur zur Vorlesung Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler II. am , Zeit: 120 Minuten

Universität Bonn, Institut für Angewandte Mathematik. WS 2012/2013 Prüfung Angewandte Mathematik und Statistik - Agrarwiss. /ELW

UNIVERSITÄT KARLSRUHE Institut für Analysis HDoz. Dr. P. C. Kunstmann Dipl.-Math. M. Uhl. Sommersemester 2009

Analysis I. 4. Beispielklausur mit Lösungen

12 Gewöhnliche Differentialgleichungen

Musterlösungen Aufgabenblatt 2

Dierentialrechnung mit einer Veränderlichen

Höhere Mathematik II für die Fachrichtung Physik. Lösungsvorschläge zum 11. Übungsblatt

Mathematische Behandlung der Natur- und Wirtschaftswissenschaften I. f(x) := e x + x.

Transkript:

Kommentierte Musterlösung zur Klausur HM I für Naturwissenschaftler. (a) Bestimmen Sie die kartesische Form von Wintersemester 7/8 (..8) z = ( + i)( i) + ( + i). (b) Bestimmen Sie sämtliche komplexen Lösungen der Gleichung (z i)(z + + i) = 8z + 6i. (c) Skizzieren Sie in der Gaußschen Zahlenebene die Menge aller komplexen Zahlen z = x+iy, die die folgenden drei Bedingungen erfüllen: z, Re(z) und (Im(z)) + Re(z). Aus Ihrer Skizze sollte man erkennen, ob Randpunkte zur Menge gehören oder nicht. Lösung: (a) Unter Anwendung der binomischen Formeln erhält man z = ( + i)( i) + ( + i) = (b) Wir schreiben die Gleichung in der Form 4i + + i + i = 5 + i = 5( i) ( + i)( i) 5 i =. (z i)(z + + i) = 8(z i). () Falls z i kann man beide Seiten durch z i dividieren und erhält Die Substitution w = z + + i führt auf mit den Lösungen w = e i π = cos ( π (z + + i) = 8. w = 8 = 8e iπ ) ( π ) + i sin = + i, w = e iπ =, w = e i 5π = cos ( 5π ) ( ) 5π + i sin = i. Durch Rücksubstitution z = w i erhält man folgende Lösungen der Ausgangsgleichung: ( ) z = i, z = i, ( z = ) i. Schließlich bleibt noch der Fall z i = zu untersuchen, für den beide Seiten von () Null werden. Damit ist z = i die vierte Lösung der Ausgangsgleichung.

(c) Die erste Bedingung besagt, dass der Abstand zwischen z und in der Ebene größer oder gleich sein muss (alle Punkte auf oder außerhalb eines entsprechenden Kreises). Die zweite Bedingung schreibt man äquivalent als Re(z). Sie besagt also, dass der Realteil zu mindestens den Abstand hat (alle Punkte außerhalb eines vertikalen Streifens). (Alternativ schreibt man z = x + iy (x, y R) und löst die Ungleichung x mittels Fallunterscheidung.) Die dritte Ungleichung schreibt man mit z = x + iy (x, y R) in der Form x y (alle Punkte rechts einer Parabel). Skizze: Sämtliche Randpunkte gehören zur Menge.. (a) Bestimmen Sie den Grenzwert der Folge sofern er existiert. (b) Für welche α R konvergiert die Reihe a n = 4 n( n) sin(n + π) + (4n + ) / n, k= Bestimmen Sie den Wert der Reihe für α =. (c) Untersuchen Sie die Reihen k ( + α) k+? ( ( ) k e k+4) k= und k= (k + ) 5 k+ auf Konvergenz.

Lösung: (a) Zunächst ist der zweite Summand n sin(n + π) ein Produkt aus einer beschränkten und einer Nullfolge und hat damit den Grenzwert Null. Folglich gilt (Ausklammern der jeweils höchsten in Zähler und Nenner vorkommenden Potenzen von n): lim a n = lim n n 4 n( n) = lim (4n + ) / n 4 n / ( n ) n / ( 4 + ) / = 4 4 / = 4 4 4 =. n (Achtung: Die von einigen Studierenden verwendete Beziehung ( n) = n ist falsch, denn für große n ist n negativ! Stattdessen wäre ( n) = + n für große n eine Option.) (b) Es handelt sich um eine geometrische Reihe mit q = +α. Sie konvergiert genau dann, wenn + α < α + >. Diese Ungleichung löst man mittels Fallunterscheidung (α+ ) oder mittels Abstandsinterpretation (α hat zu einen Abstand größer als.) In der Konsequenz konvergiert die Reihe, wenn α < 5 oder α >, ansonsten ist sie divergent. Für α = erhalten wir mit der Summenformel k 5 k+ = ( ) k = 5 5 5 =. 5 (c) Wegen lim k k= k= ( e k+4 ) = divergiert erste die Reihe gemäß notwendigem Kriterium. (Das Leibniz-Kriterium liefert hingegen keine Aussage!) Für die zweite Reihe verwenden wir das Quotientenkriterium. Für a k = (k+)5 gilt k+ ( a k+ a k = (k + )5 k+ (k + ) 5 k+ = k ( + )) 5 k k ( + ) <, k d. h. die Reihe konvergiert.. Bestimmen Sie alle Werte der Parameter a, b, c R, für die x + ax + b für x ; f : R R, f(x) = sin(cx) für < x π; e (π x) für x > π. auf dem gesamten Definitionsbereich stetig ist. Kann man die Parameter sogar so wählen, dass f differenzierbar ist? Wenn ja, geben Sie auch dafür alle Werte der Parameter an. Lösung: Kritisch sind nur die beiden Stellen x = und x = π, überall sonst ist die Funktion differenzierbar und damit auch stetig. Die einzelnen Teilfunktionen lassen sich differenzierbar (und damit stetig) auf ganz R fortsetzen: f : R R, f (x) = x + ax + b, f : R R, f (x) = sin(cx), f : R R, f (x) = e (π x).

Die Stetigkeitsbedingung reduziert sich damit auf das Gleichungssystem f () f (π)! = f (π). Die erste Bedingung liefert b = und die zweite sin(πc)! = e = πc = kπ, k Z c = k, k Z.! = f (), Die Funktion f ist also stetig für a R beliebig, b = und c = k, k Z, ansonsten unstetig. Für die Differenzierbarkeit sind zusätzlich die Ableitungen an den kritischen Stellen abzugleichen. Wir berechnen f (x) = x + a, f (x) = c cos(cx), f (x) = e (π x). Die Bedingung f ()! = f () führt auf a = c = k, k Z, und die Bedingung f (π)! = f (π) damit auf k cos(kπ)! = k ( )k = k ( ) k = 4 mit k = 4 als einziger ganzzahliger Lösung (c = k = ). Zusammenfassend ist f genau dann differenzierbar, wenn a = c = und b = gilt. 4. Gegeben ist die Funktion mit einem Parameter t >. f t : (, ) R, f t (x) = t ln(tx) x (a) Bestimmen Sie die Nullstellen sowie Lage und Art der lokalen Extrema. (b) Analysieren Sie das Verhalten der Funktion f t für x und für x +. (c) Geben Sie den Wertebereich der Funktion f t an. Lösung: (a) Die einzige Nullstelle x N erhält man wie folgt: ln (tx N )! = tx N = x N = t. Für die Bestimmung der Extrema berechnen wir zunächst die ersten beiden Ableitungen (hier mit Quotientenregel): f t(x) t tx = t x ln(tx) x = t ln(tx) x, f t (x) = t x x ( ln(tx)) x + ln(tx) x 4 = t x. Alle lokalen Extrema sind Nullstellen der ersten Ableitung, erfüllen also ln(tx) = ln(tx) = tx = e, d. h. der einzig mögliche Kandidat ist x E = e t. Wegen ( e ) f t = t 4 + t e = t4 e < handelt es sich bei x E = e t um die Stelle eines lokalen Maximums. 4

y (b) Nach der Regel von Bernoulli-l Hospital (Fall ) gilt Für den zweiten Grenzwert gilt lim f ln(tx) l Hosp. /x t(x) = t lim = t lim x x x x =. lim f t t(x) = lim ln(tx) = ( ) =. x + x + x (c) Mit den bisherigen Betrachtungen ergibt sich als Wertebereich W ft = (, f t (x E )] = ( ], t. e 5. (a) Berechnen Sie den Flächeninhalt des endlichen Bereichs im ersten Quadranten, der von den Kurven xy =, yx = und y = 9 4 begrenzt wird. Erstellen Sie dazu vor Beginn der Rechnung eine aussagekräftige Skizze. (b) Bestimmen Sie π (x + ) sin(x) dx und durch Rückführung auf Grundintegrale. x x + x dx + x Lösung: (a) Skizze:.5.5.5 y=/x y=/x y=9/4 4/9 / x Für die Funktionen y = f(x) = x und g(x) = gilt augenscheinlich f() = g() = x (alternativ löst man die Gleichung x = ). Die Schnittpunkte der Graphen von f und g x mit der Geraden y = 9 4 ergeben sich aus x = 9 4, x x =, x = 9 4 x = 4 9. 5

Für den gesuchten Flächeninhalt gilt daher (Logarithmengesetze beachten): A = / 4/9 ( 9 4 ) x dx + [ ] 9 / = 4 x ln x + 4/9 ( ) = + ln ln / ( x ) dx x [ x ln x ] / ( ) + + ln ln = + ln ln (.897). (b) Das erste Integral löst man mittels partieller Integration (setze u(x) = x +, u (x) = ; v (x) = sin(x), v(x) = cos(x)): π (x + ) sin(x) dx = [ ] π (x + ) cos(x) + π cos(x) dx = π + 4[ sin(x) ] π = π. Für das zweite Integral erzeugt man sich eine Partialbruchzerlegung des Integranden (beachte (x + x) = x(x + )): x x + x + x Multiplikation mit dem Hauptnenner liefert! = A x + Bx + C x +. x x + = A(x + ) + (Bx + C)x = (A + B)x + Cx + A. Durch Koeffizientenvergleich erhält man A =, C = und A + B =, d. h. B =. (Alternativ kann man zur Bestimmung der Konstanten auch drei beliebige Werte für x einsetzen.) Wir erhalten also x x + x dx = + x x dx x dx = ln x arctan x + c. + 6

6. Gegeben seien eine Matrix A und ein Vektor b wie folgt: β β A = 4 β 6 und b = 6 Dabei ist β R ein Parameter. (a) Berechnen Sie die Determinante von A. (b) Wieviele Lösungen hat in Abhängigkeit vom Parameter β das lineare Gleichungssystem A x =? (c) Berechnen Sie für β = die Lösung des linearen Gleichungssystems A x = b mit Hilfe des Gaußschen Eliminationsverfahrens. (d) Der Vektor x = [,,, ] T ist eine Lösung des linearen Gleichungssystems B x = c mit B =, c = Besitzt das Gleichungssystem noch weitere Lösungen? Geben Sie die Dimension des Nullraums von B an.. Lösung: (a) Zur Berechnung der Determinante kann man die Sarrus sche Regel verwenden: β β 4 β 6 6 = 4β 6β + + 6 + 4β = 4β β + 6. (b) Es gilt det(a) = genau dann, wenn ( 4 β + β ) = d. h. β, = 4 ± 6 + = 4 ± 5 4. Das lineare Gleichungssystem A x = besitzt also für β = und β = unendlich viele Lösungen, ansonsten genau eine. (c) Die Lösung könnte zum Beispiel so aussehen (Sie haben beim Gauß-Verfahren aber viele Freiheiten): - 4-6 -6 - - -4 I - II 6 I + III - III/6 x x x - 7

Die zweite Zeile im vorletzen Block wurde wegen der linearen Abhängigkeit von Zeile III gestrichen. Zur Bestimmung der Lösung können wir eine Variable frei wählen. Zweckmäßig ist x = t, t R. Die anderen beiden Variablen bestimmen wir in Abhängigkeit von t durch Rückwärtsauflösen der beiden verbliebenen Zeilen: x =, x + 4 t = x = + t. Als Lösungsmenge ergibt sich L = x R : x = + t, t R. Diese Darstellung hängt davon ab, welche Variable frei gewählt wurde, und ist somit nicht eindeutig. (d) Sämtliche Spalten von B sind Vielfache der ersten (und ungleich Null), d. h. rang(b) = und somit dim (N(B)) = 4 rang(b) =. Die Lösungsmenge des linearen Gleichungssystems B x = c hat die Struktur x + N(B) und besitzt daher ebenso wie der Nullraum unendlich viele Elemente. 8