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BA KOMPAKT Reihenherausgeber: Martin Kornmeier, Berufsakademie Mannheim Willy Schneider, Berufsakademie Mannheim BA KOMPAKT Bisher erschienen: Martin Kornmeier Wissenschaftstheorie und wissenschaftliches Arbeiten 2007. ISBN 978-3-7908-1918-2 Willy Schneider Marketing 2007. ISBN 978-3-7908-1941-0 Thomas Holey · Armin Wiedemann Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler Mit 84 Abbildungen 123 Prof. Dr. Thomas Holey Prof. Dr. Armin Wiedemann Studiengang Wirtschaftsinformatik Berufsakademie Mannheim Coblitzweg 1-7 68163 Mannheim [email protected] [email protected] ISSN 1864-0354 ISBN 978-3-7908-1973-1 Physica-Verlag Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Physica-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Physica-Verlag Heidelberg 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Umschlaggestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg SPIN 12087099 88/3180YL - 5 4 3 2 1 0 Gedruckt auf säurefreiem Papier Für Jutta, Andrea, Kathrin und Hannes Vorwort Quantitative Methoden stellen eine wichtige Grundlage in nahe zu allen wirtschaftswissenschaftlichen Disziplinen dar. Dementsprechend finden sich mathematische Einführungsvorlesungen in den Rahmenstudienplänen dieser Studiengänge wieder. Das vorliegende Buch Mathematik für Wirtschaftswissenschaftler in der Reihe BA-Kompakt orientiert sich sehr stark am Rahmenstudienplan für den Studienbereich Wirtschaft an Berufsakademien in Baden-Württemberg. In der Stoffauswahl haben wir uns bemüht, die wichtigsten Themen für Studierende der Betriebswirtschaftslehre und der Wirtschaftsinformatik aufzunehmen. Einen breiten Raum nimmt die Darstellung mathematischer Grundlagen ein, die häufig auch Gegenstand der gymnasialen Oberstufe sind: Funktionen einer Veränderlichen, Differential- und Integralrechnung. Dem Dozenten ist mit dem Buch die Möglichkeit gegeben, je nach Kenntnisstand der Studierenden diese Grundlagen sehr zügig zu wiederholen und sich mehr auf die Anwendungen zu konzentrieren. Falls es sinnvoller und notwendiger erscheint, mehr Zeit für die Grundlagen zu verwenden, kann man sich bei der Behandlung von Funktionen mit mehreren Veränderlichen auf den Sonderfall zweier Variabler beschränken. Dann werden auch in der Linearen Algebra die Konzepte Determinate und Eigenwert einer Matrix nicht benötigt. Auf diese Weise entsteht eine gewisse Flexibilität, ohne dass Themenbereiche des Rahmenstudienplans vollständig ausgelassen werden. Im ersten Kapitel werden einige Grundlagen aufgeführt, die zum ’Handwerkszeug’ gehören sollten. Dem Studierenden ist mit einem kurzen Selbsttest die Möglichkeit gegeben, zu prüfen, inwieweit er diese Techniken beherrscht. Wir bedanken uns bei Frau Prof. Dr. Irene Rößler und Herrn Prof. Dr. Frank Hubert für viele hilfreiche Diskussionen und Anregungen. Den Herausgebern, Herrn Prof. Dr. Martin Kornmeier und Herrn Prof. Dr. Willy Schneider danken wir für die Aufnahme des Buches in die Reihe BA-Kompakt. Unser Dank gilt beim Springer-Verlag Frau Katharina Wetzel-Vandai sowie Frau Gabriele Keidel, die uns bei redaktionellen Fragen stets hilfreich unterstützt haben. VIII Vorwort Schließlich wollen wir noch darauf hinweisen, dass ein Foliensatz als Vorlesungsgrundlage und die Lösungen zu den Übungen zum Download beim Verlag unter der URL http://www.springer.com/978-3-7908-1973-1 zur Verfügung stehen. Die Lösungen zum Test sind im Anhang zu finden. Waibstadt, Neustadt/Weinstr. Juni 2007 Thomas Holey Armin Wiedemann Inhaltsverzeichnis 1 Elementare Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Elementares aus der Aussagenlogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Mengenlehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Arithmetische Grundoperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4 Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Trigonometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6 Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Definition und Darstellung von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Einige elementare Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Die lineare Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Die quadratische Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Ganze rationale Funktionen oder Polynome . . . . . . . . . 2.2.4 Potenzfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Gebrochen rationale Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Die Hyperbelfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7 Die Wurzelfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8 Die Exponentialfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.9 Die Logarithmusfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.10 Trigonometrische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.11 Abschnittsweise definierte Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Die Umkehrfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Verkettung von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Eigenschaften von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Beschränktheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Monotonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Einige ökonomische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Die Nachfragefunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Angebotsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Erlösfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4 Produktionsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Grenzwerte von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Der Grenzwertbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Die Cauchy-Definition des Grenzwerts von Funktionen 2.7.3 Grenzwertbetrachtungen einiger elementarer Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 21 24 24 26 27 28 28 28 29 29 31 33 36 38 42 44 44 45 46 49 49 50 50 51 53 53 57 59 X Inhaltsverzeichnis 2.7.4 Rechenregeln für Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.5 Beispiele für Grenzwertbetrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Stetigkeit von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 61 66 70 3 Differentialrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Der Ableitungsbegriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Ableitungen elementarer Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Ableitungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Differenzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Höhere Ableitungen, Extremwerte und Wendepunkte . . . . . . . . 3.6 Anwendungen der Differentialrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Regel von de L’Hospital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Nullstellenbestimmung mit dem Newton-Verfahren . . . 3.6.3 Kurvendiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4 Grenzfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.5 Elastizität von Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 73 77 81 85 88 92 92 94 101 107 107 109 4 Integralrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Das unbestimmte Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Stammfunktionen von elementaren Funktionen . . . . . . . 4.1.2 Linearität des unbestimmten Integrals . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Das bestimmte Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Eigenschaften des bestimmten Integrals . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Wert eines Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Fläche zwischen zwei Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Uneigentliche Integrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Partielle Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Integration durch Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Anwendung der Integrationsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Bestimmung der ökonomischen Funktion aus der Grenzfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Konsumentenrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Produzentenrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 111 112 113 114 117 120 122 124 126 127 128 Lineare Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Definition von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Die Linearkombination von Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Skalarprodukt zweier Vektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Definition einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 133 133 136 138 139 139 5 128 128 130 131 6 7 Inhaltsverzeichnis XI 5.2.2 Addition von Matrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Multiplikation mit einem Skalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Matrizenmultiplikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Rechenregeln des Matrizenproduktes . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Inverse Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Lineare Gleichungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Grundlegende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Lösungsverfahren für lineare Gleichungssysteme . . . . . . 5.3.3 Standardisierte Form von linearen Gleichungssystemen 5.3.4 Matrixinvertierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Betriebswirtschaftliche Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.6 Eigenwerte einer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 144 144 148 150 151 151 154 162 163 168 171 173 Funktionen mit mehreren Veränderlichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Einführung und Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Differentialrechnung für Funktionen mit mehreren Veränderlichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Partielle Ableitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Das totale Differential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Extremwerte von Funktionen mit mehreren Variablen . . . . . . . 6.3.1 Extremwerte ohne Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Extremwerte mit Nebenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 177 181 181 184 187 187 195 199 Finanzmathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Zinsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Einfache Verzinsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Zinseszinsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Rentenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 Unterjährige Verzinsung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Tilgungsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 201 201 204 205 207 210 217 Lösungen zum Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 1 Elementare Grundlagen Lernziele Dieses Kapitel vermittelt: • Grundlagen aus verschiedenen Gebieten der Mathematik • eine Zusammenfassung der Themengebiete, die für das Verständnis des Buches vorausgesetzt werden • eine Selbsteinschätzung durch einen Test 1.1 Elementares aus der Aussagenlogik Die Aussage ist ein grundlegender Begriff der Mathematik1 . Wesentliche Aspekte der Aussagenlogik wurden von Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) erarbeitet. Definition Beschreibung einer Aussage Eine Aussage ist ein sprachliches Gebilde, für das sinnvoll gefragt werden kann, ob es wahr oder falsch ist. Aussagen sind beispielsweise: 3 ist eine ungerade Zahl. 5 ist kleiner als 3. Fragen und Aufforderungen sind demnach keine Aussagen. In der mathematischen Logik betrachtet man eine Formalisierung von Aussagen. Dazu verwendet man Aussagesymbole (z.B. A oder B), mit denen über Junktoren (Verknüpfungen) komplexere Aussageformen gebildet werden. Aussagesymbole nennt man auch Aussagevariable, die die Werte ’wahr’ oder ’falsch’ annehmen können. Die Werte der Variablen, für die eine Aussageform in eine wahre Aussage übergeht, nennt man die Lösung einer Aussageform. 1 Einführungen in die Aussagenlogik findet man in den Monographien Kelly (2003), Kreuzer/Kühling (2006) oder Staab (2007). 2 1 Elementare Grundlagen Aussageformen können unlösbar sein, wenn es keine Lösung gibt und allgemeingültig, wenn jeder Wert aus dem möglichen Wertevorrat die Aussageform erfüllt2 . Verknüpfungen von Aussagen Die Negation ist eine einstellige Verknüpfung, sie kehrt den Wahrheitswert einer Aussage um. Für die Negation einer Aussage A schreiben wir ¬A. Die Wahrheitswertetafel der Negation sieht folgendermaßen aus: A ¬A w f f w Von den zweistelligen Verknüpfungen betrachten wir die Konjunktion (auch UND-Verknüpfung) ∧ und die Disjunktion (auch ODER-Verknüpfung) ∨. Die Wahrheitswertetafel dieser Verknüpfungen sieht folgendermaßen aus: A B A∧B A∨B w w f f w f w f w f f f w w w f Die Konjunktion zweier Aussagen ist also nur dann wahr, wenn beide Aussagen wahr sind, während die Disjunktion wahr ist, wenn mindestens eine der Aussagen wahr ist. Man spricht hier auch vom einschließenden ODER im Gegensatz zum ausschließenden ODER, bei dem genau eine der beiden Aussagen wahr ist. Beispiel: A: 3 ist eine ungerade Zahl. B: 3 ≥ 6. Dann ist: A∧B = f A∨B = w 2 (da B falsch ist) (da A wahr ist). Allgemeingültige Aussageformen nennt man auch Tautologien. 1.1 Elementares aus der Aussagenlogik Definition 3 Logische Folgerung (Implikation) Eine Aussage B heißt logische Folgerung einer Aussage A, wenn gilt: Wenn A wahr ist, dann ist auch B wahr: A =⇒ B (Lies: Wenn A, dann B oder A impliziert B.). Die Implikation wird häufig auch folgendermaßen ausgedrückt: A ist hinreichende Bedingung für B oder: B ist notwendige Bedingung für A. Die Implikation lässt zu, dass B wahr sein kann, auch wenn A falsch ist. Für Aussageformen A(x) und B(x) heißt das: A(x) =⇒ B(x), wenn alle Lösungen von A(x) auch Lösungen von B(x) sind. B(x) kann aber Lösungen haben, die für die Aussageform A(x) keine Lösungen sind. Beispiel: Betrachte die beiden Aussagen: A(x) : B(x) : Definition x=3 x2 = 9 Lösung : x = 3 Lösungen: x = 3 und x = −3 x = 3 =⇒ x2 = 9. Äquivalenz Die beiden Aussagen A und B heißen äquivalent, wenn gilt: Wenn A wahr ist, dann ist auch B wahr, und wenn B wahr ist, dann ist auch A wahr. A ⇐⇒ B (Lies: B genau dann, wenn A oder A äquivalent B). Für zwei Aussageformen A(x) und B(x) heißt die Äquivalenz: A(x) ⇐⇒ B(x), wenn alle Lösungen von A(x) auch Lösungen von B(x) sind und umgekehrt, alle Lösungen von B(x) sind auch Lösungen von A(x). Beispiel: 2x = 5 ⇐⇒ x= 5 . 2 4 1 Elementare Grundlagen 1.2 Mengenlehre Mengen sind für die Beschreibung mathematischer Zusammenhänge elementar3 . Die Grundlage des Mengenbegriffs ist die folgende auf Georg Cantor (1845 – 1918) zurückgehende Definition: Definition Menge Eine Menge ist eine Zusammenfassung bestimmter, wohlunterschiedener Objekte der Anschauung oder des Denkens – welche die Elemente der Menge genannt werden – zu einem Ganzen. Für die Zugehörigkeit eines Objektes zu einer Menge M wird meist das Symbol ∈ verwendet: x ∈ M , x ist Element der Menge M . Analog heißt x ∈ M , dass x nicht Element der Menge M ist. Enthält eine Menge keine Elemente, dann nennt man dies die leere Menge ∅ = { }. Für die Darstellung von Mengen gibt es verschiedene Möglichkeiten: • Die aufzählende Form: M = {2, 3, 5, 7}. • Die beschreibende Form: M = {x | x ist Primzahl ≤ 7}. • Die Darstellung in Form eines Venn-Diagramms wie in der Abbildung 1.14 . In diesem Buch spielen Mengen von Zahlen eine wichtige Rolle, wir betrachten: • Die Menge der natürlichen Zahlen N = {0, 1, 2, 3, . . .}. • Die Menge der ganze Zahlen Z = {. . . , −3, −2, −1, 0, 1, 2, 3, . . .}. • Die Menge der rationalen Zahlen Q={ 3 4 p | p, q ∈ Z, q = 0}. q Einführungen in die Mengenlehre findet man in Dean (2003), Deiser (2004), Garnier/Taylor (2002), Gregg (1998) oder Koshy (2004). Diese Diagramme wurden von dem englischen Logiker und Philosophen John Venn (1834 - 1923) zur anschaulichen Beschreibung von Mengen eingeführt. 1.2 Mengenlehre 5 3 7 2 5 M Abbildung 1.1. Eine einfache Mengendarstellung als Venn-Diagramm • Die Menge der reellen Zahlen bezeichnen wir mit R. Die Menge der rationalen Zahlen Q wird erweitert, √ weil sich bestimmte Größen wie beispielsweise der Wert von π oder 2 nicht durch Quotienten zweier ganzer Zahlen ausdrücken lassen. Die Menge der positiven reellen Zahlen wird mit R+ bezeichnet. Teilmengen Unter einer Teilmenge T ⊆ M (lies: T ist Teilmenge von M ) versteht man die Menge, die die Bedingung erfüllt: x ∈ T =⇒ x ∈ M , also jedes Element von T ist auch Element der Menge M . Beispiel: Die Menge T = {2, 3} ist Teilmenge von M = {2, 3, 5, 7}. Teilmengen der reellen Zahlen werden als offene oder geschlossene Intervalle bezeichnet: Für M = R ist Tg = [a, b] geschlossenes Intervall und ist folgendermaßen definiert: Tg = {x | x ∈ R ∧ a ≤ x ≤ b}. Das offene Intervall To =]a, b[ ist gegeben durch: To = {x | x ∈ R ∧ a < x < b}. Kartesisches Produkt von Mengen Das kartesische Produkt aus den Mengen M1 , M2 , . . . , Mn ist die Menge aller geordneten n-Tupel, die sich aus den Mengen bilden lassen: M1 × M2 × . . . × Mn = {(x1 , x2 , . . . , xn ) | x1 ∈ M1 , x2 ∈ M2 , . . . , xn ∈ Mn }. 6 1 Elementare Grundlagen Beispiel: Sei M1 = {2, 3, 4} und M2 = {a, b}, dann ist M1 × M2 = (2, a), (2, b), (3, a), (3, b), (4, a), (4, b) . Von besonderem Interesse sind die kartesischen Produkte aus Zahlenmengen. Wir betrachten die beiden Intervalle: M1 = {x | x ∈ R und 0 ≤ x ≤ 2} und M2 = {y | y ∈ R und 0 ≤ y ≤ 1}. Dann ist das kartesische Produkt: M1 × M2 = {(x, y) | x, y ∈ R ∧ 0 ≤ x ≤ 2 ∧ 0 ≤ y ≤ 2}. Dieses kartesische Produkt lässt sich graphisch als Rechteck in der Ebene darstellen (siehe Abbildung 1.2). y 1 M2 M1 × M2 2 M1 x Abbildung 1.2. Darstellung des kartesischen Produktes zweier Intervalle Das kartesische Produkt R × R × . . . × R = Rn (lies : Rn) n mal beschreibt den n-dimensionalen Raum, insbesondere liefert R3 die Punkte im dreidimensionalen Raum (vgl. Abbildung 1.3). 1.2 Mengenlehre 7 z P = (x1 , y1 , z1 ) x y Abbildung 1.3. Die Punkte des dreidimensionalen Raumes sind geordnete Tripel P = (x1 , y1 , z1 ) Verknüpfungen von Mengen Die Durchschnittsmenge A∩B (A geschnitten B) besteht aus denjenigen Elementen, die in A und in B enthalten sind: A ∩ B = {x | x ∈ A ∧ x ∈ B}. A A∩B B Abbildung 1.4. Die Schnittmenge zweier Mengen A ∩ B als Venn-Diagramm 8 1 Elementare Grundlagen Ist die Durchschnittsmenge A ∩ B leer, dann nennt man die beiden Mengen A und B disjunkt. Die Vereinigung A ∪ B zweier Mengen ist die Menge aller Elemente, die zu A oder zu B gehören, d.h.: A ∪ B = {x | x ∈ A ∨ x ∈ B}. A∪B A B Abbildung 1.5. Venn-Diagramm der Vereinigung zweier Mengen A und B Die Differenz A \ B zweier Mengen ist die Menge aller Elemente von A die nicht zu B gehören, d.h.: A \ B = { x | x ∈ A und x ∈ B}. A\B A∩B B Abbildung 1.6. Die Differenzmenge 1.3 Arithmetische Grundoperationen 9 Gilt A ⊆ B, so lässt sich eine Komplementmenge von A folgendermaßen definieren: A = {x | x ∈ B ∧ x ∈ A}. A B A Abbildung 1.7. Venn-Diagramm für die Komplementmenge 1.3 Arithmetische Grundoperationen Die Menge der rationalen und die Menge der reellen Zahlen bilden mit den Verknüpfungen Addition ’+’ und Multiplikation ’·’ eine algebraische Struktur, die Körper genannt wird5 . Für Körper gelten, wie man sich exemplarisch leicht überzeugen kann, folgende Axiome6 , wir formulieren die Axiome der reellen Zahlen: 1. Die Summe zweier Zahlen a, b ∈ R existiert für alle a, b und ist eindeutig: s=a+b (s ∈ R). 2. Das Produkt zweier Zahlen a, b ∈ R existiert für alle a, b und ist eindeutig: p=a·b (p ∈ R). Man sagt, R ist abgeschlossen unter den beiden Operationen Addition und Multiplikation. 5 6 Eine sehr lesbare Einführung in die Thematik der algebraischen Strukturen findet man in Basieux (2000). Axiome sind nicht beweisbare Grundannahmen, die in sich widerspruchsfrei sein müssen.
