Michael Knorrenschild Michael Knorrenschild Vorkurs Mathematik Mathematik-Studienhilfen Studienanfängern fällt es häufig nicht leicht, den Einstieg in das Fach Mathematik von Anfang an erfolgreich zu gestalten. Die Probleme resultieren erfahrungsgemäß aus mangelnder Vertrautheit mit schulmathematischem Handwerkszeug. Vorkurs Mathematik Dieses Buch möchte helfen, die Lücken durch Selbststudium zu schließen und bietet dazu ausführliche Darstellungen der Grundlagen wie Rechenregeln, Aussagenlogik, Funktionen, Lösen von Gleichungen und Ungleichungen, Logarithmen und Trigonometrie. Knorrenschild Der Selbstüberprüfung dienen viele Übungsaufgaben mit Lösungen sowie Beispiele von Hochschuleingangstests. Ein Übungsbuch für Fachhochschulen Vorkurs Mathematik Dabei wird weniger Wert auf Formeln als auf das sichere Einüben der Methoden gelegt. An typischen Beispielen werden die einzelnen Rechenschritte erläutert und auf Besonderheiten hingewiesen. www.hanser.de ISBN 978-3-446-41263-7 9 783446 412637 2., aktualisierte Auflage Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis 10 1 Elementares Rechnen 11 1.1 Die Grundrechenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Bruchrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Prozentrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4 Rechnen mit Potenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.5 Summen- und Produktzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.6 Fakultät und Binomialkoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . 31 2 Elementare Strukturen 37 2.1 Aussagenlogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2 Anordnung von Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3 Mengenlehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3 Funktionen 49 3.1 Grundlegendes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2 Umkehrbarkeit und Monotonie . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.3 Komposition von Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.4 Translationen, Skalierungen und Spiegelungen . . . . . . . . . 61 3.5 Die Wurzelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.6 Polynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6.1 Polynome vom Grad 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.2 Polynome vom Grad 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.3 Polynome vom Grad 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.7 Rationale Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.8 Die e-Funktion und ihre Umkehrfunktion, der natürliche Logarithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.8.1 Rechnen mit Logarithmen . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.8.2 Logarithmische Skalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.8.3 Andere Logarithmen als der natürliche . . . . . . . . . 82 8 Inhaltsverzeichnis 4 Lösen von Gleichungen und Ungleichungen 88 4.1 Grundlegendes zu Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2 Lineare Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3 Gleichungen mit Brüchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.4 Gleichungen mit Beträgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5 Quadratische Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.6 Gleichungen mit Quadratwurzeln . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.7 Bestimmung von Umkehrfunktionen . . . . . . . . . . . . . . 100 4.8 Weitere Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.9 Gleichungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.10 Textaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.11 Grundlegendes zu Ungleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.12 Lineare Ungleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.13 Ungleichungen mit Brüchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.14 Ungleichungen mit Beträgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.15 Quadratische Ungleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.16 Weitere Ungleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5 Ein wenig elementare Geometrie 120 5.1 Rechtwinklige Dreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.2 Kreis und Ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 5.3 Hyperbeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.4 Parabeln und Geraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5 Die Strahlensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 6 Trigonometrische Funktionen 133 6.1 Trigonometrie am Einheitskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.2 Wissenswertes über sin und cos . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.3 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.4 Wissenswertes über tan und cot . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 6.5 Die Umkehrfunktionen der trigonometrischen Funktionen . . 143 Inhaltsverzeichnis 9 7 Einige Tests 146 7.1 Test Nr. 1 der Fachhochschule Bochum . . . . . . . . . . . . . 148 7.2 Test Nr. 2 der Fachhochschule Bochum . . . . . . . . . . . . . 150 7.3 7.4 Test der Fachhochschule Koblenz . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Test Nr. 1 der Hochschule Wismar . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.5 Test Nr. 2 der Hochschule Wismar . . . . . . . . . . . . . . . 155 Lösungen 157 Literaturverzeichnis 173 Sachwortverzeichnis 174 Zum Umgang mit diesem Buch: Ziel des Buches ist es, den Lesern eine selbstständige Aufarbeitung der für den Beginn eines Hochschulstudiums nötigen schulmathematischen Vorkenntnisse zu ermöglichen. In die Darstellung eingestreut sind Aufgaben, die in der Regel analog zu vorherigen ausführlichen Beispielen gelöst werden können. Am Ende einiger Kapitel wurden darüber hinaus Thesen unter der Überschrift wahr oder falsch?“ formuliert, die der Leser kritisch auf ihren Wahrheitsge” halt hinterfragen soll. Auf diese Weise kann das eigene Verständnis überprüft werden. Zur weiteren Selbstkontrolle dienen einige klausurähnliche Tests, die zum Teil bereits an Hochschulen eingesetzt wurden. Lösungen zu allen Aufgaben und den Tests sowie die Auswertungen der Thesen finden sich am Ende des Bandes. 1 1.1 Elementares Rechnen Die Grundrechenarten Die einfachste Verknüpfung zweier Zahlen a und b ist die Addition, das Ergebnis ist die Summe a + b. Die Umkehrung der Addition ist die Subtraktion, die zur Differenz a − b führt. Die Subtraktion von b ist nichts anderes als die Addition der Gegenzahl“ −b, also ” a − b = a + (−b) Geht man von den so genannten natürlichen Zahlen“ 1, 2, 3, . . . aus, so ” sind deren Gegenzahlen keine natürlichen Zahlen mehr. Man bezeichnet die natürlichen Zahlen als IN. Wenn die Null noch dazu kommt, schreiben wir IN0 . Die Zahlen, die durch Addition und Subtraktion natürlicher Zahlen erzeugt werden können, sind die ganzen Zahlen“, symbolisch Z. Die ganzen ” Zahlen umfassen die natürlichen Zahlen und ihre Gegenzahlen und enthalten auch die Null (die gleich ihrer Gegenzahl ist). Die Gegenzahl von b kann man auch als das Produkt (−1) · b berechnen. Es ist jedoch keineswegs so, dass −b immer eine negative Zahl ist. Beispielsweise ist zu b = −3 die Gegenzahl −b = −(−3) = 3. Da die Subtraktion insbesondere also auch eine Addition ist, also keine wirklich neue Operation, werden wir im Folgenden, wenn wir Addition oder ” Subtraktion“ meinen, einfach nur von Addition“ sprechen. In einer Summe ” darf man die Reihenfolge der summierten Zahlen ( Summanden“) vertau” schen, das Ergebnis ist davon unabhängig. In einer Differenz ändert sich bei Vertauschung von a und b das Vorzeichen, es gilt: b − a = −(a − b) Die Klammern geben die Reihenfolge der Rechenoperationen vor: In −(b − a) wird zuerst b − a berechnet und dann das Vorzeichen geändert. Würde man hier die Klammern weglassen, so erhielte man −b − a, das ist nicht dasselbe wie −(b − a) = a − b. Man kann b − a auch als Summe von b und −a sehen, also b − a = b + (−a); hier darf die Reihenfolge ohne Schaden vertauscht werden und man erhält b − a = b + (−a) = −a + b. Wir halten fest: Steht vor einer Klammer ein Minus-Zeichen, so müssen beim Auflösen der Klammern die Vorzeichen aller Summanden in der Klammer umgekehrt werden: −(x + y) = −x − y, −(x − y) = −x + y, −(−x − y) = x + y. 12 1 Elementares Rechnen Natürlich können Klammern auch geschachtelt auftreten. Bei Rechnungen per Hand kann man sich dabei die Übersicht erleichtern, indem man verschiedene Sorten Klammern verwendet, etwa (, ), [, ], {, } usw. Diese Hilfe steht in Programmiersprachen nicht zur Verfügung, daher wollen wir hier auch nur die runden“ Klammern verwenden und Leserin und Leser zu ge” nauem Hinschauen motivieren. Beispiel 1.1 Lösen Sie die Klammern in −(a − (b + c − (5 − (a + 3)))) auf und vereinfachen Sie soweit wie möglich. Lösung: Wir lösen zuerst die Klammern auf der innersten Ebene auf: −(a − (b + c − (5 − (a + 3)))) = −(a − (b + c − (5 − a − 3))) = −(a − (b + c − 5 + a + 3)) = −(a − b − c + 5 − a − 3) = −a + b + c − 5 + a + 3 = b + c − 2. Aufgabe 1.1 Lösen Sie in den folgenden Ausdrücken die Klammern auf und vereinfachen Sie soweit wie möglich. a) b − (a + 2 − (c + d − (3 − a)) + b) b) c + (−3 − d − (−(−4 − b)) − c − (d − 2)) c) − (b + a − (c − 3 − d + b − (a + c + b − d))) d) a + c − (d + a + 2 − (b + c − (−d + c))) Wir erkennen also: Klammern dienen nicht der Zierde, auch nicht vorrangig der Übersicht, sondern stellen eine nicht vernachlässigbare Information über die Reihenfolge von Rechenoperationen dar. In der Mathematik ist man bestrebt, Formeln möglichst kurz und bündig zu schreiben. Für wiederholte Additionen desselben Summanden hat man daher die Multiplikation zur Verfügung. So schreibt man beispielsweise anstelle von a+a+a+a+a einfach das Produkt 5·a, oder noch kürzer 5 a. Die Umkehrung 1.1 Die Grundrechenarten 13 der Multiplikation ist die Division. Da die Division nichts anderes als die Multiplikation mit dem Kehrwert ist, also keine wirklich neue Operation, werden wir im Folgenden, wenn wir Multiplikation oder Division“ meinen, ” einfach nur von Multiplikation“ reden. Bei der Division ist eine Ausnahme ” zu beachten: Durch 0 kann nicht dividiert werden: Für jedes a gilt 0 · a = 0; für eine Umkehrung müssten wir das Produkt durch 0 dividieren und wieder a erhalten. Im Produkt 0 ist aber nicht mehr erkennbar, ob diese 0 aus 5 · 0, 6 · 0, oder wo auch immer herstammt, so dass eine Umkehrung nicht möglich ist. Das Ergebnis einer Division a : b, der sog. Quotient, wird meist als Bruch a geschrieben: a : b = (natürlich muss b = 0 sein). Dabei heißt a der Zähler b a und b der Nenner des Bruches . b Wir halten also fest: Die Multiplikation ist eine Abkürzung der Addition. Niemals(!!!) darf durch 0 dividiert werden. Bei Brüchen darf nie 0 im Nenner auftauchen. Der Quotient zweier ganzer Zahlen muss keine ganze Zahl mehr sein. Man bezeichnet die Menge aller Zahlen, die als Quotient zweier ganzer Zahlen dargestellt werden können, als rationale Zahlen“, symbolisch Q. ” Einen Bruch aus zwei ganzen Zahlen kann man alternativ auch als Dezimalzahl schreiben. Dazu dividiert man Zähler durch Nenner fortlaufend mit Rest, wie man es in der Grundschule gelernt hat, und erhält beispielsweise: 1 1 1 78 = 78 : 125 = 0 · 1 + 6 · +2· +4· = 0.624 125 10 100 1000 1 1 1 1 = 1: 9 = 0·1+1· +1· +1· + . . . = 0.111111 . . . = 0.1 9 10 100 1000 1 1 1 1 37 = 37 : 33 = 1 · 1 + 1 · +2· +1· +2· + ... 33 10 100 1000 10000 = 1.12121212 . . . = 1.12 Diese Rechnung findet im 10er-System (Dezimalsystem) statt, d. h. man verwendet nur die Ziffern 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Man beachte den Unterschied zwischen Ziffer und Zahl: Eine Zahl besteht aus Ziffern gerade so wie ein Wort aus Buchstaben besteht. Die rationalen Zahlen besitzen eine abbrechende 14 1 Elementares Rechnen 78 Dezimaldarstellung (Beispiel: 125 ) oder eine periodische Dezimaldarstellung 37 1 (Beispiel: 33 , 9 ). Aus der Dezimaldarstellung von 19 sehen wir übrigens, dass 9 9 1 9 = 0.9999 . . . = 0.9; man kann also 1 = 9 auch als 1 = 0.9 darstellen . Es gibt auch Zahlen mit nicht-periodischer, nicht-abbrechender Dezimaldarstellung, z. B. π = 3.141592654 . . . Diese Zahlen können also nicht rational sein, sie werden daher irrational genannt. Man bezeichnet die Menge aller Zahlen mit abbrechender oder nicht-abbrechender Dezimaldarstellung als die reellen Zahlen, symbolisch IR. Die Menge der nicht-negativen reellen Zahlen wird mit IR+ bezeichnet. Aus verschiedenen Gründen gibt man oft Dezimalzahlen nicht mit allen Ziffern hinter dem Komma an, sondern nur mit einer begrenzten Anzahl. Dabei verwendet man Rundung. Rundungregeln: Ist die erste weggelassene Ziffer 0, 1, 2, 3 oder 4, so bleibt die letzte geschriebene Ziffer unverändert ( Abrunden“). ” Ist die erste weggelassene Ziffer 5, 6, 7, 8 oder 9, so wird die letzte geschriebene Ziffer um 1 erhöht ( Aufrunden“). ” Beispiele: π auf 2 Stellen nach dem Komma gerundet : π auf 3 Stellen nach dem Komma gerundet : π auf 4 Stellen nach dem Komma gerundet : π = 3.141592 . . . ≈ 3.14 π = 3.141592 . . . ≈ 3.142 π = 3.141592 . . . ≈ 3.1416 Wer Genaueres über die dabei entstehenden Abweichungen wissen möchte, sei z. B. auf [3] verwiesen. Nach diesem Exkurs über Dezimalzahlen wenden wir uns wieder den Grundrechenarten und ihren Regeln zu. Da die Multiplikation quasi relativ zur Addition eine höhergestellte Operation ist, vereinbart man, um Klammern zu sparen, dass die Multiplikation stärker bindet als die Addition, kurz Punktrechnung geht vor Strichrech” nung“. Es gilt also a · b + c = (a · b) + c = a · (b + c). Wiederum erkennt man, dass das Weglassen von Klammern die Bedeutung eines Ausdrucks ändert. Oft spart man sich bei Produkten auch den Punkt zwischen den Faktoren; man schreibt also beispielsweise anstelle von x · y einfach x y. Dabei gibt es jedoch eine Situation, in der es zu Missverständnissen kommen kann: Ist 1 Eine beliebte Streitfrage unter Möchtegernmathematikern ist, ob 0.9 vielleicht doch nicht gleich 1 sei, sondern eine andere Zahl, die nur eine Winzigkeit kleiner als 1 ist. 1.1 Die Grundrechenarten 15 nämlich ein Faktor eine Zahl, und der andere Faktor ein Bruch, so würde man anstelle von, sagen wir 2· 12 , gemäß der erwähnten Konvention 2 12 schreiben. Damit entsteht aber ein Gebilde, das aussieht wie ein gemischter Bruch, nämlich wie zweieinhalb, also 2.5, wogegen 2 · 12 aber nichts anderes als 1 ist. Um das Problem zu umgehen, empfiehlt es sich, im Zusammenhang mit Mathematik auf gemischte Brüche konsequent zu verzichten – wie wir es in diesem Buch tun werden. Im Alltag sind gemischte Brüche allerdings verbreitet ( Ich hätte gerne zweieinhalb Kilo Kartoffeln“), dort sollte man sie auch ” belassen. Treten Multiplikation und Addition gemeinsam in einem Ausdruck auf, so ist das Distributivgesetz zu beachten: a · (b + c) = a · b + a · c Es ist also beispielsweise 5 · (3 + 7) = 5 · 3 + 5 · 7, Punkt- vor Strichrechnung wovon man sich durch Nachrechnen überzeugen sollte. Außerdem ist natürlich 5 · (3 + 7) = 5 · 3 + 7. Tatsächlich, die Klammern dürfen also nicht weggelassen werden! Die Anwendung des Distributivgesetzes in der obigen Form bezeichnet man auch schlicht als Ausmultiplizieren“. ” Man muss jedoch auch in der Lage sein, das Distributivgesetz von rechts nach links anzuwenden. a · b + a · c = a · (b + c) Diesen Vorgang nennt man auch Ausklammern“, also beispielsweise: ” 5 · 3 + 5 · 7 = 5 · (3 + 7). Hier wird der gemeinsame Faktor 5 ausgeklammert. Um auszuklammern, ist – außer der Kenntnis des Distributivgesetzes – erforderlich, dass man den gemeinsamen Faktor, in diesem Fall 5, erkennt. Für das Erkennen solcher Merkmale in Ausdrücken gibt es keine Regeln; dies ist eine Erfahrungssache, also ist hier Üben, Üben, Üben angesagt. Will man die für ein Ingenieurstudium nötigen Rechenfertigkeiten erwerben, so ist Folgendes nützlich zu wissen: Sachwortverzeichnis Abbildung siehe Funktion Abrunden 14 Absolutbetrag 53 Additionstheorem –, für sin und cos 138 –, für tan 142 äquivalent 38 Amplitude 139 arccos 143 arccot 144 arcsin 143 arctan 144 Asymptoten 125 Aufrunden 14 Aussage 37 –, Regeln 40 –, Verknüpfungen 38 Aussageform 37 –, Quantifizierung 42 Behauptung 41 Betrag –, Definition 53 –, Rechenregeln 93 Beweis 41 –, indirekter 41 Bildmenge 49 Binomial –, -koeffizient 31 –, -satz 34 Binomische Formeln 16 Bogenmaß 133 Bruchrechnung 20 cos 134 cot 134, 141 Definitionsbereich 49 Dezibel 84 Dezimalzahl 13 Distributivgesetz 15 Doppelbrüche 22 Dreieck, Pascal’sches 32 Dreiecksungleichung 93 e-Funktion 77 Einheitskreis 121 Element 45 Ellipse 122 –, Mittelpunktsgleichung 123 Ergänzung, quadratische 18 Erweitern 21 Euler’sche Zahl 78 Faktorisieren 19 Fakultät 31 Folgerung 38 Funktion 49 –, gerade 64 –, lineare 70 –, monoton fallende 58 –, monoton steigende 58 –, periodische 137 –, rationale 73 –, streng monoton fallende 58 –, streng monoton steigende 58 –, trigonometrische 134 –, ungerade 64 Sachwortverzeichnis Funktionswert 49 Gefälle 144 Gegenzahl 11 Gerade 69 Gleichung 88 –, lineare 90 –, mit Beträgen 91 –, mit Brüchen 91 –, mit Wurzeln 97 –, quadratische 94 –, weitere 101 Gleichungssystem 102 Goldener Schnitt 107 Graph einer Funktion 51 Halbachsen 122 Halbwertszeit 86 Hertz 139 hinreichend 38 Hyperbel 124 –, Mittelpunktsgleichung 124 Hypotenuse 120 Implikation 38 Indexverschiebung 29 Intervalle 47 Katheten 120 Klavierkonzert 16 Kombinatorik 31 Komposition 59 Kreisfrequenz 139 Kreisgleichung 124 Kreuzprodukt 46 Kürzen 21 lg 82 ln 79 log 82 Logarithmus –, –, –, –, –, allgemein 82 dekadischer 82 dualer 82 natürlicher 79 Rechenregeln 80 Mächtigkeit 46 Menge 45 –, leere 45 Mittelpunktsgleichung –, der Ellipse 123 –, der Hyperbel 124 –, des Kreises 124 Monotonie von Funktionen 58 Negation 38 Nenner 13 notwendig 38 Nullpolynom 69 Nullstelle 88 Oder, logisches 38 p-q-Formel 95 Parabel 71, 127 –, Scheitelgleichung 129 Pascal’sches Dreieck 32 periodische Funktion 137 Pfeildiagramm 50 pH-Wert 86 Phasenwinkel 139 Polynom 68 –, -division 73 –, Koeffizienten 68 Potenzen 25 Potenzrechenregeln 26 Probe 89 Produktzeichen 30 Promille 24 proportional 70 Proportionalitätskonstante 70 175 176 Sachwortverzeichnis Prozentrechnung 24 Pythagoras 120 Quantifizierung 42 Radikand 65 Rechenregeln –, für Betrag 93 –, für Gleichungen 90 –, für Logarithmen 80 –, für Potenzen 26 –, für Ungleichungen 108, 109 Regeln für Aussagen 40 rekursiv 31 Richter-Skala 86 Rundung 14 Satz des Pythagoras 120, 135 Satz von Vieta 19 Scheitelpunkt 71 Schnitt, Goldener 107 Schnittpunkt 104 Schubfachprinzip 41 Schwingung 139 sin 134 Skalierung 61 Spiegelung 63 Steigung 69 Steigungsdreieck 69 Strahlensätze 130 Summenzeichen 27 tan 134, 141 Teilmenge 45 Textaufgaben 105 Translation 61 umkehrbar 54 Umkehrfunktion 54 –, Bestimmung 100 Und, logisches 38 Ungleichung 108 –, mit Beträgen 112 –, quadratische 115 –, weitere 117 Variable 49 Verschiebung 61 Vieta, Satz von 19 Voraussetzung 41 Wachstum, exponentielles 78 Wachstumsrate 85 Wahrheitstafel 39 Wertebereich 49 Winkelfunktionen 134 Winkelhalbierende 70 Wurzel 65 Wurzelfunktion 65 Zähler 13 Zahl, Euler’sche 78 Zahlen –, ganze 11 –, irrationale 14 –, natürliche 11 –, rationale 13 –, reelle 14 Zahlengerade 44 Zahlenstrahl 44 Zerfallsrate 85 Ziffer 13