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@@ -0,0 +1,318 @@ |
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\documentclass[uebung]{../../../lecture} |
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\title{Übungsblatt 9 Analysis 1} |
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\author{Leon Burgard, Christian Merten, Mittwoch Übungsgruppe} |
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\begin{document} |
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% punkte tabelle |
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\begin{tabular}{|c|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|m{1cm}|@{}m{0cm}@{}} |
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\hline |
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Aufgabe & \centering A1 & \centering A2 & \centering A3 & \centering A4 |
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& \centering A5 & \centering A6 & \centering A7 & \centering A8 |
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& \centering $\sum$ & \\[5mm] \hline |
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Punkte & & & & & & & & & & \\[5mm] \hline |
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\end{tabular} |
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\begin{aufgabe}[Vollständige Induktion] |
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\begin{enumerate}[(a)] |
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\item Beh.: |
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\[ |
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\sum_{k=1}^{n} k^{2} = \frac{1}{6} n (n+1) (2n+1) |
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.\] |
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\begin{proof} |
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durch vollständige Induktion |
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I.A.: $n=1 $ |
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\[ |
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\sum_{k=1}^{1} k^2 = 1 = \frac{1}{6} \cdot 2 \cdot 3 |
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.\] |
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I.S.: $n \to n+1$. Es existiere ein festes aber beliebiges |
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$n \in \N$ mit $\sum_{k=1}^{n} k^2 = \frac{1}{6}n(n+1)(2n+1)$. |
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\begin{align*} |
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\frac{1}{6}(n+1)(n+2)(2(n+1)+1) |
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&= \frac{1}{6} (n^2 + 3n + 2)(2n +3) \\ |
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&= \frac{1}{6} (2n^{3} + 3n^2 + n + 6n^2 + 12n + 6) \\ |
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&= \frac{1}{6} (2n^{3} + 3n^2 +n) + n^2 + 2n + 1 \\ |
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&= \frac{1}{6}n(2n^{3} + 3n + 1) + (n+1)^{2} \\ |
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|
&= \frac{1}{6}n (n (2n+3) +1) + (n+1)^2 \\ |
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|
&= \frac{1}{6}n (n+1)(2n+1) + (n+1)^2 \\ |
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|
&\stackrel{\text{I.V.}}{=} \sum_{k=1}^{n} k^2 + (n+1)^2 \\ |
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|
&= \sum_{k=1}^{n+1} k^2 |
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.\end{align*} |
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|
\end{proof} |
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|
\item Beh.: |
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\[ |
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|
\sum_{k=1}^{n} (3k+2)^2 = \frac{1}{2} n \left( 6n^2 + 21n + 23 \right) |
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|
|
.\] |
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|
\begin{proof} |
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|
\begin{align*} |
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|
\sum_{k=1}^{n} (3k+2)^2 &= \sum_{k=1}^{n} (9k^2 + 12 k + 4) \\ |
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|
&= 9 \sum_{k=1}^{n} k^2 |
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|
+ 12 \sum_{k=1}^{n} k |
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|
+ \sum_{k=1}^{n} 4 \\ |
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&\stackrel{\text{(a) und kl. Gauß}}{=} |
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\frac{3}{2} n(n+1)(2n+1) + 6n (n+1) + 4n \\ |
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|
&= \frac{1}{2} n \left( 3(n+1)(2n+1) + 12n + 12 + 8 \right) \\ |
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|
|
&= \frac{1}{2} n \left( 6n^2 + 21n + 23 \right) |
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|
|
.\end{align*} |
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|
\end{proof} |
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|
|
\end{enumerate} |
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|
\end{aufgabe} |
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|
\begin{aufgabe} |
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\begin{enumerate}[(a)] |
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\item Beh.: $a_n := \sqrt[n]{n F^{n}}$. $\lim_{n \to \infty} a_n = F$ |
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|
\begin{proof} $\lim_{n \to \infty} a_n |
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|
= \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n} \cdot F = F$ |
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|
\end{proof} |
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|
\item Beh.: $b_n := \sum_{k=0}^{n} \left(\frac{\rho -1}{\rho}\right)^{k}$, $\rho \in [2,100]. \lim_{n \to \infty} b_n = \rho$ |
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|
\begin{proof} |
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|
Mit $q := \frac{\rho - 1}{\rho}$ folgt $0 < q < 1$ $\forall \rho > 1 $. \\ |
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|
$\implies$ |
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|
\begin{align*} |
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|
\lim_{n \to \infty} b_n \stackrel{\text{geometrische Reihe}}{=} \frac{1}{1- q} = \frac{1}{1 - \frac{\rho - 1}{\rho}} = \frac{1}{\frac{\rho - (\rho - 1)}{\rho}} = \rho |
|
|
|
.\end{align*} |
|
|
|
\end{proof} |
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|
|
\item Beh.: $c_n := \sum_{k=0}^{n} \frac{s^{k}}{k!}$. $\lim_{n \to \infty} c_n = e^{S}$ |
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\begin{proof} |
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|
|
Mit $e^{x} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^{k}}{k!}$ folgt direkt |
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|
$\lim_{n \to \infty} c_n = e^{S}$ |
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|
\end{proof} |
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|
\item Beh.: $d_n := \frac{3 - Fn^{5}}{\frac{n^{5}}{E} + n} |
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|
\cdot \frac{R - GSTn}{\frac{U}{n} + Gn}$. $\lim_{n \to \infty} d_n = FEST$ |
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|
\begin{proof} |
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|
\begin{align*} |
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|
d_n &= \frac{3 - Fn^{5}}{\frac{n^{5}}{E} + n} |
|
|
|
\cdot \frac{R - GSTn}{\frac{U}{n} + Gn} |
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|
|
= \frac{\frac{3}{n^{5}} - F}{\frac{1}{E} + \frac{1}{n^{4}}} \cdot \frac{\frac{R}{n} - GST}{\frac{U}{n^2} + G} |
|
|
|
\intertext{$\implies$} |
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|
\lim_{n \to \infty} d_n &= \frac{F}{\frac{1}{E}} \cdot \frac{GST}{G} = FEST |
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|
.\end{align*} |
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|
\end{proof} |
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|
|
\end{enumerate} |
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|
\end{aufgabe} |
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\begin{aufgabe} |
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\begin{enumerate}[(a)] |
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|
\item |
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|
\begin{enumerate}[(1)] |
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|
\item $\sum_{k=0}^{\infty} k$ konvergiert nicht, |
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|
da $k$ keine Nullfolge. Die Folge der Partialsummen ist: $s_n = \sum_{k=0}^{n} k \stackrel{\text{kl. Gauß}}{=} \frac{n(n+1)}{2}$. |
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|
|
\item $\sum_{m=1}^{\infty} \frac{1}{m(m+1)} = \sum_{m=1}^{\infty} \frac{1}{k^2+k} < \sum_{m=1}^{\infty} \frac{1}{k^2}$ $\forall k \in \N$ |
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|
ist konvergent, da $\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^2}$ |
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|
konvergente Majorante. Die Folge der Partialsummen ist |
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$s_n := \sum_{m=1}^{n} \frac{1}{m(m+1)}$. |
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|
\end{enumerate} |
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|
\item |
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|
\begin{enumerate}[(i)] |
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|
\item |
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\begin{align*} |
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\sum_{k=2}^{\infty} \frac{4\cdot 2^{k+1}}{3^{k}} |
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= \sum_{k=2}^{\infty} \frac{4 \cdot 2 \cdot 2^{k}}{3^{k}} |
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|
= 8 \sum_{k=2}^{\infty} \left(\frac{2}{3}\right)^{k} |
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|
= 8 \left( \sum_{k=0}^{\infty} \left( \frac{2}{3} \right)^{k} |
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|
|
- \sum_{k=0}^{1} \left( \frac{2}{3} \right)^{k}\right) |
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|
&= 8 \left( 3 - \frac{5}{3} \right) = \frac{32}{3} |
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|
.\end{align*} |
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|
\item |
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\begin{align*} |
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\sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k} \frac{1}{\sqrt{3^{k+1}} - \sqrt{3^{k}} } = \sum_{k=0}^{\infty} (-1)^{k} \frac{1}{\sqrt{3^{k}}(\sqrt{3} - 1)} |
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|
&\qquad \;= \frac{1}{\sqrt{3} - 1} \sum_{k=0}^{\infty} \left(-\frac{1}{\sqrt{3} }\right)^{k} \\ |
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|
&\stackrel{\text{Geometr. Reihe}}{=} \frac{1}{\sqrt{3} - 1} \cdot \frac{1}{1 + \frac{1}{\sqrt{3} }} \\ |
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|
&\qquad \;= \frac{1}{\sqrt{3} - \frac{1}{\sqrt{3} }} \\ |
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|
|
&\qquad \;= \frac{\sqrt{3} }{2} |
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|
.\end{align*} |
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|
\end{enumerate} |
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|
\item |
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\begin{enumerate}[(i)] |
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|
\item $\sum_{k=1}^{\infty} (-1)^{k+1} \frac{1}{k}$ |
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ist nicht absolut konvergent, |
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da $\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k}$ divergiert. |
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\item $\sum_{k=1}^{\infty} \frac{2^{k}}{k!} = e^2 - 1$ |
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|
konvergiert absolut. |
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\end{enumerate} |
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|
\end{enumerate} |
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\end{aufgabe} |
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\begin{aufgabe} |
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\begin{enumerate}[(a)] |
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|
\item Sei $h\colon \R \to \R$ eine beschränkte und |
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$u\colon \R \to \R$ definiert durch $u(x) := x \cdot h(x)$. |
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Beh.: $u$ im Punkt $x_0 = 0$ stetig. |
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\begin{proof} |
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Da $h$ beschränkt $\implies$ $\exists C \in \R$, s.d. |
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$|h(x)| \le C$ $\forall x \in \R$. Also gilt |
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$|u(x)| \le x \cdot C$ $\forall x \in \R$. |
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Damit folgt |
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\begin{align*} |
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0 \le \lim_{x \nearrow 0} |u(x)| |
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\le \lim_{x \nearrow 0} x \cdot C = 0 |
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|
\intertext{und} |
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|
0 \le \lim_{x \searrow 0} |u(x)| |
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|
\le \lim_{x \searrow 0} x \cdot C = 0 |
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|
\intertext{$\implies$} |
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|
\lim_{x \nearrow 0} u(x) = 0 = \lim_{x \searrow 0} u(x) |
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|
.\end{align*} |
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|
$\implies f$ stetig in $x_0$. |
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\end{proof} |
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|
\item Beh.: |
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\[ |
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f(x) := \begin{cases} |
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1 & x \in \Q \\ |
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-1 & x \in \R \setminus \Q |
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|
\end{cases} |
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.\] ist unstetig auf ganz $\R$ aber $|f(x)|$ ist stetig auf $\R$. |
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\begin{proof} |
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|
$f(x)$ ist unstetig analog zur Dirichlet Funktion und |
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|
$|f(x)| = 1$ ist offensichtlich stetig. |
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\end{proof} |
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\item Beh.: Es gibt keine Funktion die im Punkt $x_0 = 0$ stetig |
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und in allen anderen Punkten unstetig ist. |
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\begin{proof} |
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|
Sei $f\colon \R \to \R$ stetig in $x_0 = 0$ und $\epsilon > 0$ |
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beliebig. Dann $\exists \delta > 0$, s.d. |
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|
$\forall x \in \R\colon |x| < \delta $ |
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|
$|f(x) - f(0)| < \frac{\epsilon}{2}$. Wähle |
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$a := \frac{\delta }{2}$. |
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Zz.: $f$ ist stetig in $a$. |
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Wähle $\delta' := \frac{\delta}{2}$. Sei $x' \in \R$ |
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mit $|x' - a| < \frac{\delta }{2}$. Dann |
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gilt $|f(0) - f(x')| < \frac{\epsilon}{2}$. Mit |
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|
$|f(0) - f(a)| < \frac{\epsilon}{2}$ folgt |
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\begin{align*} |
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|
|f(a) - f(x')| &= |f(a) - f(0) + f(0) - f(x')| \\ |
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|
|
&\le |f(a) - f(0)| + |f(0) - f(x')| \\ |
|
|
|
&< \frac{\epsilon}{2} + \frac{\epsilon}{2} = \epsilon |
|
|
|
.\end{align*} $\implies f$ stetig in $a$. |
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|
\end{proof} |
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|
|
\end{enumerate} |
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|
\end{aufgabe} |
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|
\begin{aufgabe} |
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|
\begin{enumerate}[(a)] |
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|
\item |
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|
Sei $(a_n)_{n \in \N}$ Folge in $\R^{+}$. |
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Beh (i) .: |
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\[ |
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|
\frac{a_{n+1}}{a_n} \xrightarrow{n \to \infty} a \implies |
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|
\sqrt[n]{a_n} \xrightarrow{n \to \infty} a |
|
|
|
.\] |
|
|
|
\begin{proof} |
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|
Sei $\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = a$. Damit gilt |
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\[ |
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|
\liminf_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = a = \limsup_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} |
|
|
|
.\] Mit Blatt 7 folgt damit: |
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|
\[ |
|
|
|
a = \liminf_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} |
|
|
|
\le \liminf_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} |
|
|
|
\le \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} |
|
|
|
\le \limsup_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = a |
|
|
|
.\] Also $\liminf_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = a = \limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} $ \\ |
|
|
|
$\implies \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = a$. |
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|
|
\end{proof} |
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|
|
|
|
Beh (ii) .: |
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|
|
\[ |
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|
\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} \xrightarrow{n \to \infty} |
|
|
|
\infty \implies \sqrt[n]{a_n} \xrightarrow{n \to \infty} \infty |
|
|
|
.\] |
|
|
|
\begin{proof} |
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|
Sei $\frac{a_{n+1}}{a_n} \xrightarrow{n \to \infty} \infty$. |
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|
Dann existiert eine streng monoton wachsende, nach oben |
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|
unbeschränkte Teilfolge |
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|
$(a_{n_k})_{k \in\N}$ von $(a_n)_{n\in\N}$. |
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|
Sei nun $q > 1$ beliebig. Dann $\exists k_0 \in \N$, s.d. |
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|
|
$\forall k > k_0\colon \frac{a_{n_k}}{a_{n_{k-1}}} > q$. Damit |
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|
folgt: |
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\begin{align*} |
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|
&a_{n_k} > q \cdot a_{n_{k-1}} > q^{2} \cdot a_{n_{k - 2}} |
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|
|
> \ldots > q^{k - k_0} a_{n_{k_0}} \\ |
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|
|
\implies& \sqrt[k]{a_{n_k}} > q^{1 - \frac{k_0}{k}} \sqrt[k]{a_{n_{k_0}}} |
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|
|
.\end{align*} Für $k \to \infty$ folgt |
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|
|
\[ |
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|
|
\limsup_{k \to \infty} \sqrt[k]{a_{n_k}} > q |
|
|
|
.\] Da $q > 1$ beliebig groß folgt damit |
|
|
|
\[ |
|
|
|
\limsup_{n \to \infty} \sqrt[n]{a_n} = \infty |
|
|
|
.\] |
|
|
|
\end{proof} |
|
|
|
\item |
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|
|
\begin{enumerate}[(i)] |
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|
|
\item $a_n := \sqrt[n]{n!}$. Mit |
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|
|
$\frac{(n+1)!}{n!} = n+1 \xrightarrow{n \to \infty} \infty$ |
|
|
|
folgt mit (a ii) $a_n \xrightarrow{n \to \infty} \infty$. |
|
|
|
\item $b_n := \sqrt[n]{\frac{n^{n}}{n!}}$ |
|
|
|
\[ |
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|
|
\frac{(n+1)^{n+1}}{(n+1)!} \cdot \frac{n!}{n^{n}} |
|
|
|
= \frac{(n+1)^{n}}{n^{n}} |
|
|
|
= \left( \frac{n+1}{n} \right) ^{n} |
|
|
|
= \left( 1 + \frac{1}{n} \right)^{n} |
|
|
|
\xrightarrow{n \to \infty} e |
|
|
|
.\] |
|
|
|
Mit (a i) folgt direkt $\lim_{n \to \infty} b_n = e$. |
|
|
|
\item $c_n := \frac{n^{n}}{n!} = |
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|
|
\sqrt[n]{\left( \frac{n^{n}}{n!} \right)^{n}}$. |
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|
|
\begin{align*} |
|
|
|
\left( \frac{(n+1)^{n+1}}{(n+1)!} \right)^{n+1} |
|
|
|
\cdot \left( \frac{n!}{n^{n}} \right)^{n} |
|
|
|
&= \frac{(n+1)^{(n+1)(n+1)}}{((n+1)!)^{n+1}} |
|
|
|
\cdot \frac{(n!)^{n}}{n^{n^2}} \\ |
|
|
|
&= \frac{(n+1)^{n^2 + 2n + 1}}{(n+1)!(n+1)^{n}} |
|
|
|
\cdot \frac{1}{n^{n^2}} \\ |
|
|
|
&= \frac{(n+1)^{n^2 + n + 1}}{(n+1)! \cdot n^{n^2}} \\ |
|
|
|
&> \frac{(n+1)^{n^2 + n + 1}}{(n+1)^{n} \cdot (n+1)^{n^2}} \\ |
|
|
|
&= \frac{(n+1)^{n^2 + n + 1}}{(n+1)^{n + n^2}} \\ |
|
|
|
&= n+1 \xrightarrow{n \to \infty} \infty |
|
|
|
.\end{align*} |
|
|
|
Mit (a ii) folgt damit $c_n \xrightarrow{n \to \infty} \infty$. |
|
|
|
\end{enumerate} |
|
|
|
\end{enumerate} |
|
|
|
\end{aufgabe} |
|
|
|
|
|
|
|
\begin{aufgabe} Ergebnisse |
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|
|
\begin{tabular}{m{1.5cm}|m{3cm}|m{3cm}|m{3cm}|m{3.5cm}@{}m{0pt}@{}} |
|
|
|
Aufgabe & Beschränkt nach unten & Beschränkt nach oben & Monoton? & Konvergent? & \\[2mm] \hline |
|
|
|
(a) & Ja, durch $\frac{1}{2}$ & Ja, durch $1$ & Ja, streng monoton wachsend & Ja, da monoton und beschränkt & \\[5mm] \hline |
|
|
|
(b) & Ja, durch $1$ & Ja, durch $2$ & Nein & Ja, nach Quotientenkriterium für Folgen & \\[2mm] |
|
|
|
\end{tabular} |
|
|
|
\end{aufgabe} |
|
|
|
|
|
|
|
\begin{aufgabe} |
|
|
|
\begin{enumerate}[(a)] |
|
|
|
\item |
|
|
|
\begin{enumerate}[(i)] |
|
|
|
\item ist konvergent nach Leibniz Kriterium, da |
|
|
|
$\frac{1}{\ln(k)}$ monoton fallende Nullfolge. |
|
|
|
\item ist divergent, da $(-1)^{k} \frac{(k+1)^{k}-k^{k}}{(k+1)^{k}}$ |
|
|
|
keine Nullfolge ist. |
|
|
|
\item $\sum_{k=2}^{\infty} 2^{k}\cdot \frac{1}{2^{k}\cdot \ln^2(2^{k})}$ ist konvergent und damit ist (iii) nach Verdichtungskriterium konvergent. |
|
|
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\end{enumerate} |
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\item |
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Der Konvergenzradius $\rho$ ist $\frac{1}{4}$, da |
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Häufungspunkte von $\sqrt[k]{|a_k|}$ bei $\pi$ und $4$ vorliegen. |
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Wegen $4 > \pi$ ist damit |
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$\limsup_{k \to \infty} \sqrt[k]{a_k} = 4$. |
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\end{enumerate} |
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\end{aufgabe} |
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\begin{aufgabe} |
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\begin{enumerate}[(a)] |
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\item $\lim_{x \to \infty} \frac{2x + 3}{5x + 1} = \frac{2}{5}$ |
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\item $\lim_{x \to \infty} \sqrt{4x^2-2x+3} -2x = -\frac{1}{2}$ |
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\item $\lim_{x \to \infty} 2^{-x} = 0$ |
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\item $\lim_{x \to \infty} \frac{x+\sin(x)}{x} = 1$ |
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\item $\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - x}{x^2 - 1} = \frac{1}{2}$ |
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\item $\frac{x^2 + x}{x^2 -1} \to \infty$ für $x \searrow 1$. |
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\end{enumerate} |
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\end{aufgabe} |
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\end{document} |