H. Wenzel/G. Heinrich Ubungsaufgaben zur Analysis U 1 •• Ubungsaufgaben •• zur Analysis U 1 Von Prof. Dr. Horst Wenzel und Dipl.-Math. Gottfried Heinrich 6. Auflage 83 Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Das Lehrwerk wurde 1972 begrundet und wird herausgegeben van: Praf. Praf. Praf. Praf. Dr. Dr. Dr. Dr. Otfried Beyer, Praf. Dr. Harst Erfurth, Christian GraBmann, Praf. Dr. Harst Kadner, Karl Manteuffel, Praf. Dr. Manfred SChneider, Gunter Zeidler Verantwartlicher Herausgeber dieses Bandes: Praf. Dr. Karl Manteuffel Autaren: Praf. Dr. rer. nat. habil. Harst Wenzel (Abschnitte 7.-10. und 14.-16.) Dipl.-Math. Gattfried Heinrich (Abschnitte 1.-6. und 11.-13.) Technische Universităt Dresden Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ubungsaufgaben zur Analysis : U 1 I H. Wenzel ; G. Heinrich. [Verantw. Hrsg.: Karl Manteuffel). Stuttgart ; Leipzig : Teubner 1. - 6. Auf!. - 1999 (Mathematik fOr Ingenieure und Naturwissenschaftler) ISBN 978-3-519-00250-5 ISBN 978-3-663-07815-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07815-9 Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fOr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. © 1999 Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprunglich erschienen bei B.G. Teubner 1999. Umschlaggestaltung: E. Kretschmer, Leipzig Vorwort zur 5. Auflage Diese bewahrte Aufgabensammlung fUr Ingenieure und Naturwissenschaftler wird seit vielen lahren sowohl im Direktstudium als auch im Fernstudium an Universitliten und Fachhochschulen verwendet. Neben innermathematischen Problemstellungen findet der Leser auch einfache naturwissenschaftIiche, technische und okonomische Sachverhalte. Bei der Erarbeitung dieses Ubungsbandes wurden die Erfahrungen aus den MathematikLehrveranstaltungen an der Technischen Universitat Dresden und an anderen Hochschulen genutzt. Aufgaben mit etwas hoherem Schwierigkeitsgrad oder umfangreicherem Rechenaufwand sind mit einem Stern gekennzeichnet. Unser besonderer Dank gilt den Herren Dipl.-Math. Helmut Ebmeyer (Dresden, Mitarbeit bei den Abschnitten 1.-6. und 11.-13.) und Dr.-Ing. Ralf Kuhrt (Berlin, Mitarbeit bei den Abschnitten 7.-lO. und 14.-16.). Auch weiterhin sind wir fUr Hinweise und Vorschlage, die der Verbesserung der Aufgabensammlung dienen, stets dankbar. Dresden, luni 1997 H. Wenzel G. Heinrich Inhalt 1. Logik . . . . . . . 5 2. Beweisprinzipien 6 3. Zahlen . . . . 7 4. Kombinatorik 10 5. Mengen . . . 13 6. Funktionen 14 7. Zahlenfolgen 21 8. Grenzwerte und Stetigkeit 22 9. 10. 11. 12. 13. Ableitungen . . . . . . . . 23 Anwendung des Ableitungsbegrifi's . 26 Das unbestimmte Integral 30 Das bestimmte Integral . . . . . . . 33 Uneigentliche Integrale . . . . . . . 39 14. Unendliche Reihen mit konstanten Gliedem 41 15. Potenzreihen. . . . . . . . . . . . . 42 16. Fourierreihen und Fourierintegrale 45 L6sungen und L6sungshinweise . . . . . . . . 48 1. Logik 1.1. Welche der folgenden schriftlichen Gebilde bzw. Forrnulierungen sind Aussagen; man bestimme gegebenenfalls ihren Wahrheitswert. a) 2 + 1 = 15, b) Je d) Halten Sie mal bitte! e) d:~:) x2 dx, = c) 120. 2216091 - 1 ist eine Primzahl. f) Warum ist ; groBer als I? g) h) i) j) k) Am 30. September 2003 wird es in Vitte keinen Verkehrsunfall geben. Das ist stets ein giinstiges Angebot! 3C2 HsOH + PCl 3 ~ 3C2 H sCl + P(OHh. Wenn ein rechtwinkliges Dreieck gleichseitig ist, so hat eine Kathete die Lange {IT. Zwei rechtwinklige Dreiecke sind ahnlich, wenn die Differenz der spitzen Winkel des einen Dreiecks gleich der entsprechenden Differenz des anderen Dreiecks ist. 1) Aller Irrtum ist maskierte Wahrheit. m) 197 ist eine rationale Zahl. 1.2. Folgende Aussagen sollen betrachtet werden: p: "Die Ware ist verdorben", q: "Die Ware darf nicht verkauft werden". Es sind verbal alle Falle anzugeben, in denen die Aussagenverbindung "p =:> q" wahr ist. 1.3. Welche der folgenden Aussagen sind wahr, wenn p und auch q wahr sind? a) P/\q, d) p=:>q, g) (p v q) /\ p, b) P/\q, e) pvq, h) (p =:> q). c) (p/\q), f) (p/\q), 1.4. Man gebe jeweils eine Aussage p an, so daB mit q: "Das Parallelogramm D ist ein Quadrat", gilt: a) q =:> p, aber nicht p =:> q, b) p =:> q, aber nicht q =:> p, c) p¢=>q. 1.5. Welche der folgenden Implikationen sind mr beliebige reelle Zahlen a, b, c, d stets wahr? a) (a>b)=:>(a 2 >b 2), b) (a> b > c > 0) =:> (a 2 > ab > b 2 > be> c 2), c) [(a - b)2 + 2ab > a 2 + b 2] =:>(a 2 > 12ab), d) (a> b) /\ (c < d) e) (ab> cd) =:> ( =:> (a - c> b - d), ~ > ~) (b, d =1= 0). 1.6. Man bilde die Negation von: a) Eine notwendige Bedingung damr, daB zwei Dreiecke kongruent sind, ist, daB sie gleichen Flacheninhalt haben. b) Zu jedem Mann gibt es mindestens eine Frau, die ihn nicht liebt. H. Wenzel et al., Übungsaufgaben zur Analysis Ü 1 © Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 6 2. Beweisprinzipien 1.7. Man gebe die Wahrheitstafeln folgender Aussagenverbindungen an: a) p /\ (q V r), b) (p=q)=r, c) (p=q)=q, d) [pvq]/\[(rvq)]. Wie k6nnen demnach c) und d) vereinfacht dargestellt werden? 1.8. Mit Hilfe von Wahrheitstafeln zeige man: a) (p=q) <=>(ji v q), b) (p v q) <=> (ji /\ ij), c) (p /\ q) <=>(ji V ij), d) [(p /\ q) V (ji /\ ij)] <=> [p <=> q], e) [p /\ (q v r)] <=> [(p /\ q) V (p /\ r)], f) [p v (q /\ r)] <=> [(p v q) /\ (p v r)]. 1.9. Z(x, y) sei eine Aussageform. Man bilde die Negation von: a) VxVy: Z(x,y), b) Vx:ly: Z(x,y), c) :Ix Vy: Z(x, y), d) :Ix :ly: Z(x,y). 1.10. Es seien x und y Variable fUr reelle Zahlen. Man bestimme die Wahrheitswerte von: a) VxVy:y=x 2 , b) Vx:ly:y=x 2 , c) :Ix Vy: y = x d) :Ix :ly:y e) Vy :Ix: y = 2, x 2, = x 2, f) :lyVx:y=x 2 • Andert sich die L6sung in dem Fall, daB x und y Variable fUr komplexe Zahlen sind? 2. Beweisprinzipien 2.1. Man zeige, daB fUr die endliche geometrische Reihe die Darstellung 1 - qn+ 1 1 + q + q2 + ... + qn = { 1- q (n + 1), , falls q '*' 1 ist, fUr n E N, q reell, falls q = 1 ist, gilt. Welche Situationen ergeben sich beim Grenziibergang n ---'> co ? 2.2. Beweisen Sie durch vollstiindige Induktion: a) ± k2 k~ 1 n+1 = n(n + 1)(2n + 1) , 6 e) 3· L (2k - 1)2 = 4n 3 + 12n 2 + lIn + 3, k~l n b) L(2k-1)=n 2, k~l 6 2. Beweisprinzipien 1.7. Man gebe die Wahrheitstafeln folgender Aussagenverbindungen an: a) p /\ (q V r), b) (p=q)=r, c) (p=q)=q, d) [pvq]/\[(rvq)]. Wie k6nnen demnach c) und d) vereinfacht dargestellt werden? 1.8. Mit Hilfe von Wahrheitstafeln zeige man: a) (p=q) <=>(ji v q), b) (p v q) <=> (ji /\ ij), c) (p /\ q) <=>(ji V ij), d) [(p /\ q) V (ji /\ ij)] <=> [p <=> q], e) [p /\ (q v r)] <=> [(p /\ q) V (p /\ r)], f) [p v (q /\ r)] <=> [(p v q) /\ (p v r)]. 1.9. Z(x, y) sei eine Aussageform. Man bilde die Negation von: a) VxVy: Z(x,y), b) Vx:ly: Z(x,y), c) :Ix Vy: Z(x, y), d) :Ix :ly: Z(x,y). 1.10. Es seien x und y Variable fUr reelle Zahlen. Man bestimme die Wahrheitswerte von: a) VxVy:y=x 2 , b) Vx:ly:y=x 2 , c) :Ix Vy: y = x d) :Ix :ly:y e) Vy :Ix: y = 2, x 2, = x 2, f) :lyVx:y=x 2 • Andert sich die L6sung in dem Fall, daB x und y Variable fUr komplexe Zahlen sind? 2. Beweisprinzipien 2.1. Man zeige, daB fUr die endliche geometrische Reihe die Darstellung 1 - qn+ 1 1 + q + q2 + ... + qn = { 1- q (n + 1), , falls q '*' 1 ist, fUr n E N, q reell, falls q = 1 ist, gilt. Welche Situationen ergeben sich beim Grenziibergang n ---'> co ? 2.2. Beweisen Sie durch vollstiindige Induktion: a) ± k2 k~ 1 = n(n + 1)(2n + 1) , 6 n+1 e) 3· L (2k - 1)2 = 4n 3 + 12n 2 + lIn + 3, k~l H. Wenzel et al., Übungsaufgaben zur Analysis Ü 1 © Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 n b) L(2k-1)=n 2, k~l 7 3. Zahlen n f) I kxk= {_X (nxn_~) x-I k=1 n(n2+ ~ g) L... cos (2k - 1) x k=1 n h) kL;1 1 /k > .[n = x-I 1) sin2nx 2 . smx fUr x*' 1, fUr x = 1, (x *' mrr, m ganze Zahl), (n = 2,3, ... ). 2.3. Fur welche naturlichen Zahlen n gilt: b) 2n > 2n a) n!;:;; 3n, + 1, d) 4n > n 4 (man benutze das Ergebnis b)), c) 2n >n3, e)* (n !)2. 2 (2n)! n (~)n-1 < 3 ' < 26Sn ? f) 6 = 4n2 + 121 . 2.4. Durch indirekten Beweis zeige man, daB a) b) c) d) e) .J3, jf log2 6, 1 + 3 1- 2 irrationale Zahlen sind, die Gleichung eX = 0 fUr keine reelle Zahl x eine Lasung hat, (a 2 + b 2)2;:;; 4ab(a - b)2 fUr beliebige reelle Zahlen a, b gilt, ra fUr reelle Zahlen a, b mit 0 < a < b die Ungleichung ..[b < ~ gilt, die Umkehrfunktion einer streng monoton fallenden Funktion ebenfalls streng monoton fallend ist, f)* fUr jede Primzahl p irrational ist. Ii 2.5. * Man untersuche die durch n y(x) = I Cav - Xb v )2 v=1 gegebene Parabel auf ihre Nullstellen und leite daraus die Cauchy-Schwarzsche Ungleichung n n La Lb v2 v=l 3. v2 ab (av , bv , v = 1, ... , n, beliebige reelle Zahlen). v=1 Zahlen 3.1. Fur welche reellen Zahlen x gilt: a) x + 2 > 4 - x, b) 3 - 2x > x - 9, x 3 c) -+1<3--x 3 = 2' 7 3. Zahlen n f) I kxk= {_X (nxn_~) x-I k=1 n(n2+ ~ g) L... cos (2k - 1) x k=1 n h) kL;1 1 /k > .[n = x-I 1) sin2nx 2 . smx fUr x*' 1, fUr x = 1, (x *' mrr, m ganze Zahl), (n = 2,3, ... ). 2.3. Fur welche naturlichen Zahlen n gilt: b) 2n > 2n a) n!;:;; 3n, + 1, d) 4n > n 4 (man benutze das Ergebnis b)), c) 2n >n3, e)* (n !)2. 2 (2n)! n (~)n-1 < 3 ' < 26Sn ? f) 6 = 4n2 + 121 . 2.4. Durch indirekten Beweis zeige man, daB a) b) c) d) e) .J3, jf log2 6, 1 + 3 1- 2 irrationale Zahlen sind, die Gleichung eX = 0 fUr keine reelle Zahl x eine Lasung hat, (a 2 + b 2)2;:;; 4ab(a - b)2 fUr beliebige reelle Zahlen a, b gilt, ra fUr reelle Zahlen a, b mit 0 < a < b die Ungleichung ..[b < ~ gilt, die Umkehrfunktion einer streng monoton fallenden Funktion ebenfalls streng monoton fallend ist, f)* fUr jede Primzahl p irrational ist. Ii 2.5. * Man untersuche die durch n y(x) = I Cav - Xb v )2 v=1 gegebene Parabel auf ihre Nullstellen und leite daraus die Cauchy-Schwarzsche Ungleichung n n La Lb v2 v=l 3. v2 ab (av , bv , v = 1, ... , n, beliebige reelle Zahlen). v=1 Zahlen 3.1. Fur welche reellen Zahlen x gilt: a) x + 2 > 4 - x, b) 3 - 2x > x - 9, H. Wenzel et al., Übungsaufgaben zur Analysis Ü 1 © Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 x 3 c) -+1<3--x 3 = 2' 8' 3, Zahlen x-2 d) 4 + 2x < x, 2x - 4 f) x - 1 < - - 3x+ 2 e) 3 _ 2x ;;:: 2, x- 2 ' h) x 2 + 6x + 4 > 1. x2 + X + 6 4x+ 3 g) 5 - 2x ~ 3, 3.2. Gesucht sind alle reellen Zahlen x, fUr die gilt: 0, b) x 2 + x-2 d) x + 3 < 2x, x2 - a) 5x - X2;;:: g) (x - a)(a - x) X - c) -6x 2 + 13x < 6, 6 < 0, 3x+ 5 . f) 2x + 1 ;;:: 2x, 9 e) --5-;;::2, x- < 2ax, h) x 3 aERI, - 4x 2 - 52x > 80, 3.3. Man bestimme al1e reellen Werte x, fUr die gilt: b) Ix-41<6, e) x- 31 I 2x + 4 < 1, x + 31 f) I 2x _ 5 > 3, h) 2Ix-71<7(x+2)+15x+21, j)* 12 -Ix + II-Ix + 211 = 1, c) 11 + xl ;;:: 4, d) 12x + 11 = Ix - 11 + 1, g) Ix - 11 + Ix + 51 ~ 4, i)* 11-12-lx lll=l, k)* Ilx + II-Ix + 311 < 1. 3.4. Welche reellen Werte von x erfUllen die Ungleichung: a) In Ix b) ~4x - + 41 > 1, e) e1-lx'-tl> 1, XL f) Isin(2x + 3)1 4 > 3, ~~ , c) Itanxl < 1, g)* x d) 11 + 19x1 < 3, < ~ a + x, a > 0 ? 3.5. In der x,y-Ebene skizziere man den L6sungsbereich von: a) y;;:: 1 - x und 2y < 5x + 1, b) (x - 1)2 (y + 5) > 0, d) y;;:: 2 - x 2 und x 2 + (y - 2)2 = 4, e) Ix - 11Y ;;:: 1, f) y-e1xl>0, g) Ixl+lyl~l (1)0). c) IXYI=I, 3.6. Man iiberlege sich, daB lal ~ la + bl + Ibl fUr beliebige reel1e Zahlen weise damit die Ungleichung Iial-Ibil ~ la + bl nacho a, b gilt und 3.7. Zeigen Sie, daB fUr nichtnegative Zahlen a, b, e, d gilt: a) ~ + b ;;:: 2";;, c) ~ + (b > 0), {bd ~ ~(a + b)(e + d) . 3.8. Mittels vol1stiindiger Induktion beweise man die Ungleichung n n i=1 i=l I1 (1 + aj);;:: 1 + L>j, wenn die aj reel1e Zahlen sind mit aj ;;:: -1 und aj' aj ;;:: 0 fUr i, j = 1, 2, ... , n. Welchen Ungleichungstyp erhiilt man fUr al = a2 = ... = an? 9 3. Zahlen Zl = 1 + i /3, Z2 = 1 - i, c) zl=4-Si, z2=4+Si, b) zl=2+3i, z2=3-Si, d) zl=i, z2=-2-4i. a) 3.10. Welche komplexe Zahl ist das Spiegelbild von a) c) d) e) Z =F ° bei Spiegelung am Ursprung, b) an der reellen Achse, an der imaginiiren Achse, an der Winkelhalbierenden des I. und III. Quadranten, an der Winkelhalbierenden des II. und IV. Quadranten? 3.11. We1che der folgenden Ungleichungen sind richtig? a) -2F<S, c) F + 2> 0, e) (1 b) (i+2)2>0, d) sin rp ~ lei<pl, + i)4 > 0, f) 1m i - 61 < 17 + 3il· 3.12. Von der komplexen Zahl z bestimme man Real- und Imaginiirteil: 3 + 2i b)z=1+T' 1 a)z=i+l' d) z = (2i + l)(i - 2) + 1 (2 - i)L 2 + i ' . z = rel<P . mIt r= Z = e) z = (3i - g) z = 64· (sin 2rp + i /3 + cos 2rp 1·) c) 2 "V:J, h3 r 1 + i)2 ( 1i ' /3)4, h) z = rei<p 6, mit r = 4, rp = ~ 11, 2 rp = -"311. 3.13. Berechnen Sie den absoluten Betrag und das Argument der komplexen Zahlen, und geben Sie die trigonometrische und die exponentielle Form an: /3 + i, a) z = i + 1, b) z = 1 +2i d) z =-2--. , e) z = 3i + (i _ 1)2 ' 2- i -I g) c) z = - ~ + i /[ , . 1+i f)z=I+ 3 + i , (1 - i)2 Z = 1+i 3.14. Man stelle folgende Zahlen in trigonometrischer Form und in der Gestalt x + iy dar: 31Ti, e) (i_/3)8, /3)6 , 3 . h) ( 2+ 1 -2- f) (~2 i) e /3)3, d) e2 -61Ti, /3 + i ~2 + /3)3, c) (2 - i b) e a) (1 - i)6, 3+i~ 3 10 4. Kombinatorik 3.15. Geben Sie die komplexen Zahlen ZI = 4i, Z2 = [i + ..j6i, Z3 = 3..[3 - 3i, Z4 = - 3 - 3i in exponentieller Darstellung an! Berechnen Sie mit deren Hilfe: 3.16. Fur welche Punkte z = x + iy der GauBschen Zahlenebene gilt: b) O<[iIm(z)<lzl, c) Iz + 4i - 31 = 3, i d) Iz + 2 - il ;;; 2, e) - = 1 f) Iz + 11 ~ Iz - 11, g) Iz+ll~2Iz-11, 1 1 h) -+-:-= 1 z z ' i) Re(z2) = c (c reell), z ' k) Iz + 2il > 12z + iI, m)* (z - i)2 - (z + i)2 = j) Izl + Re(z) = 1, 1) Sz· i + ISIm(z) ~ 4Re(z2), 3.17. Bestimmen Sie alle verschiedenen Werte geben! a) d) b + 12i, Vi, Wj, C (c reell). j = 0, 1, ... , (n - 1), die sich fUr b)~, c) V-2+2i, e) V-S+iS..[3, f) rz er- Vs + Si. 3.18. Man lose die Gleichungen: b) Z4 a) Z6 = 1, = d) Z4 = e) Z5 + 10 - Si = 0, g) (z - 3i)6 + 64 = 0, i) Z2 - 2iz + S = 0, -1, ~ (i..[3 - 1) , f) z2(1+i)=2z, h) Izl=z·i, j) Z2 - Z + iz - i = O. 3.19. Welche Kurven besitzen in der GauBschen Zahlenebene folgende Parameterdarstellungen: . z(t) = ae 't 1 + -ea . I1 ' (a '*' 1, a > 0, 0 ~ t ~ 21r)? Man gebe fUr a = 2 eine Skizze an! 3.20.* Fur die durch die Gleichung Iz2 - 11 = 1 bestimmte Punktmenge ist eine Parameterdarstellung in der Form z = z(cp) = r(cp) eiq; anzugeben. 4. Kombinatorik 4.1. Sechs Personen werden namentlich in eine Liste eingetragen. Auf wie viele verschiedene Arten der Reihenfolge ist das moglich? 10 4. Kombinatorik 3.15. Geben Sie die komplexen Zahlen ZI = 4i, Z2 = [i + ..j6i, Z3 = 3..[3 - 3i, Z4 = - 3 - 3i in exponentieller Darstellung an! Berechnen Sie mit deren Hilfe: 3.16. Fur welche Punkte z = x + iy der GauBschen Zahlenebene gilt: b) O<[iIm(z)<lzl, c) Iz + 4i - 31 = 3, i d) Iz + 2 - il ;;; 2, e) - = 1 f) Iz + 11 ~ Iz - 11, g) Iz+ll~2Iz-11, 1 1 h) -+-:-= 1 z z ' i) Re(z2) = c (c reell), z ' k) Iz + 2il > 12z + iI, m)* (z - i)2 - (z + i)2 = j) Izl + Re(z) = 1, 1) Sz· i + ISIm(z) ~ 4Re(z2), 3.17. Bestimmen Sie alle verschiedenen Werte geben! a) d) b + 12i, Vi, Wj, C (c reell). j = 0, 1, ... , (n - 1), die sich fUr b)~, c) V-2+2i, e) V-S+iS..[3, f) rz er- Vs + Si. 3.18. Man lose die Gleichungen: b) Z4 a) Z6 = 1, = d) Z4 = e) Z5 + 10 - Si = 0, g) (z - 3i)6 + 64 = 0, i) Z2 - 2iz + S = 0, -1, ~ (i..[3 - 1) , f) z2(1+i)=2z, h) Izl=z·i, j) Z2 - Z + iz - i = O. 3.19. Welche Kurven besitzen in der GauBschen Zahlenebene folgende Parameterdarstellungen: . z(t) = ae 't 1 + -ea . I1 ' (a '*' 1, a > 0, 0 ~ t ~ 21r)? Man gebe fUr a = 2 eine Skizze an! 3.20.* Fur die durch die Gleichung Iz2 - 11 = 1 bestimmte Punktmenge ist eine Parameterdarstellung in der Form z = z(cp) = r(cp) eiq; anzugeben. 4. Kombinatorik 4.1. Sechs Personen werden namentlich in eine Liste eingetragen. Auf wie viele verschiedene Arten der Reihenfolge ist das moglich? H. Wenzel et al., Übungsaufgaben zur Analysis Ü 1 © Springer Fachmedien Wiesbaden 1999