Präsenzblatt 7


 

Aufgabe PA 28

 

Bestimmen Sie von folgenden komplexen Zahlen \( z \) jeweils die komplex konjugierte Zahl \( \overline z \) sowie den Betrag \( |z|. \) Überführen Sie dazu die Zahlen in die Form \( x+iy. \)

 

(i) \( z=\sqrt{3}+i \)
(ii) \( z=7 \)
(iii) \( z=(1+i)(1-i) \)
(iv) \( \displaystyle z=\frac{1}{i} \)
(v) \( \displaystyle z=\frac{1}{1+i} \)
(vi) \( \displaystyle z=\frac{1+2i}{3-i} \)

 

Lösung

 

(i) Es sind

\[ \overline z=\sqrt{3}-i,\quad |z|=\sqrt{3+1}=\sqrt{4}=2. \]

(ii) Es sind

\[ \overline z=7,\quad |z|=7. \]

(iii) Zunächst ermitteln wir

\[ z=(1+i)(1-i)=1-i+i-i^2=1-i^2=1+1=2 \]

  und damit

\[ \overline z=2,\quad |z|=2. \]

(iv) Zunächst ermitteln wir

\[ z=\frac{1}{i}=-i \]

  und damit

\[ \overline z=i,\quad |z|=1. \]

(v) Zunächst ermitteln wir

\[ z=\frac{1}{1+i}=\frac{1-i}{(1+i)(1-i)}=\frac{1-i}{2}=\frac{1}{2}-\frac{i}{2} \]

  und damit

\[ \overline z=\frac{1}{2}+\frac{i}{2}\,,\quad |z|=\sqrt{\frac{1}{4}+\frac{1}{4}}=\sqrt{\frac{1}{2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\,. \]

(vi) Zunächst ermitteln wir

\[ z=\frac{1+2i}{3-i}=\frac{(1+2i)(3+i)}{(3-i)(3+i)}=\frac{3+i+6i+i^2}{9-i^2}=\frac{2+7i}{10}=\frac{1}{5}+\frac{7i}{10} \]

  und damit

\[ \overline z=\frac{1}{5}-\frac{7i}{10}\,,\quad |z|=\sqrt{\frac{1}{25}+\frac{49}{100}}=\sqrt{\frac{53}{100}}=\frac{\sqrt{53}}{10}\,. \] Damit sind alle gesuchten Größen ermittelt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 29

 

Ausgehend von \( i^2=-1, \) \( i^3=i^2\cdot i=(-1)\cdot i=-i \) usw. sind zu ermitteln

 

(i) \( i^4, \) \( i^5, \) \( i^6, \) \( i^7, \) \( i^8 \)

 

Welche Regelmäßigkeiten erkennen Sie für die Potenzen \( i^n, \) \( n=1,2,3,\ldots? \) Vereinfachen Sie damit die folgenden Ausdrücke:

 

(ii) \( z_1:=2+5i+8i^2+9i^3+6i^7 \)
(iii) \( z_2:=i^{10}+i^{14}-i^{18}+(-i)^{23} \)

 

Ermitteln Sie schließlich

 

(iv) \( \displaystyle z:=\left(\frac{1+i}{1-i}\right)^k \) mit \( k\in\mathbb N \)

 

Lösung

 

(i) Es sind

\begin{align} i^0 &= 0, \\[0.6ex] i^1 &= i, \\[0.6ex] i^2 &= -1, \\[0.6ex] i^3 &= (-1)\cdot i=-i, \\[0.6ex] i^4 &= i^3\cdot i=(-i)\cdot i=-i^2=1, \\[0.6ex] i^5 &= i^4\cdot i=1\cdot i=i, \\[0.6ex] i^6 &= i^5\cdot i=i\cdot i=-1, \\[0.6ex] i^7 &= i^6\cdot i=(-1)\cdot i=-i, \\[0.6ex] i^8 &= i^7\cdot i=(-i)\cdot i=-i^2=1. \end{align}

  Wir erkennen folgende Regelmäßigkeit

\[ i^n =\left\{ \begin{array}{rl} 1, & \mbox{falls}\ 4|n \\[0.6ex] i, & \mbox{falls}\ 4|(n-1) \\[0.6ex] -1, & \mbox{falls}\ 4|(n-2) \\[0.6ex] -i, & \mbox{falls}\ 4|(n-3) \\[0.6ex] \end{array} \right.. \]

(ii) Wir ermitteln

\[ z=2+5i+8i^2+9i^3+6i^7=2+5i-8-9i-6i=-6-10i. \]

(iii) Wir ermitteln

\[ z=i^{10}+i^{14}-i^{18}+(-i)^{23}=-1-1+1-i^{23}=-1+i. \]

(iv) Wir ermitteln

\[ z=\left(\frac{1+i}{1-i}\right)^k =\left(\frac{(1+i)(1+i)}{(1-i)(1+i)}\right)^k =\left(\frac{1+2i+i^2}{1-i^2}\right)^k =\left(\frac{2i}{2}\right)^k =i^k \]

  mit den aus (ii) bekannten Werten für \( k=1,2,\ldots \)

 

Damit sind alle gesuchten Größen bestimmt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 30

 

Durch Anwenden der Lösungsformel für quadratische Gleichungen bestimme man beide komplexwertigen Lösungen folgender Gleichungen.

 

(i) \( z(10-z)=40 \)
(ii) \( z^2-5z+17=0 \)

 

Lösung

 

(i) Die Gleichung \( z(10-z)=40 \) formen wir um zu \( z^2-10z+40=0 \) und erhalten damit

\[ z_{1/2}=5\pm\sqrt{-15}=5\pm\sqrt{15}\,i. \]

  Die beiden Lösungen der quadratischen Gleichungen lauten also

\[ z_1=5-\sqrt{15}\,i,\quad z_2=5+\sqrt{15}\,i. \]

(ii) Mit der bekannten Lösungsformel ist

\[ z_{1/2}=\frac{5}{2}\pm\sqrt{\frac{25}{4}-17}=\frac{5}{2}\pm\sqrt{\frac{25}{4}-\frac{68}{4}}=\frac{5}{2}\pm\frac{1}{2}\,\sqrt{-43}=\frac{5}{2}\pm\frac{1}{2}\,\sqrt{43}\,i. \]

  Die beiden Lösungen der quadratischen Gleichungen lauten also

\[ z_1=\frac{5}{2}-\frac{1}{2}\,\sqrt{43}\,i,\quad z_2=\frac{5}{2}+\frac{1}{2}\,\sqrt{43}\,i. \] Damit sind alle gesuchten Größen bestimmt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 31

 

Beweisen Sie \[ \sum_{k=1}^{2^n-1}\frac{1}{k^2}\le 2\quad\mbox{für alle}\ n\in\mathbb N, \] und schließen Sie damit auf die Konvergenz \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2}<\infty\,. \)

 

Lösung

 

Wir schätzen zunächst wie folgt ab \begin{align} \sum_{k=1}^{2^n-1}\frac{1}{k^2} &= \frac{1}{1^2}+\left(\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}\right)+\left(\frac{1}{4^2}+\ldots+\frac{1}{7^2}\right)+\ldots+\left(\frac{1}{(2^{n-1})^2}+\ldots+\frac{1}{(2^n-1)^2}\right) \\[2ex] &\le \frac{1}{1^2}+\left(\frac{1}{2^2}+\frac{1}{2^2}\right)+\left(\frac{1}{4^2}+\ldots+\frac{1}{4^2}\right)+\ldots+\left(\frac{1}{(2^{n-1})^2}+\ldots+\frac{1}{(2^{n-1})^2}\right) \\[2ex] &= \frac{1}{1^2}+\frac{2}{2^2}+\frac{4}{4^2}+\ldots+\frac{2^{n-1}}{(2^{n-1})^2} \\[2ex] &= \frac{1}{1}+\frac{1}{2}+\frac{1}{2^2}+\ldots+\frac{1}{2^{n-1}} \\[2ex] &= \sum_{k=0}^{n-1}\frac{1}{2^k}\le\sum_{k=0}^\infty\frac{1}{2^k}=\frac{1}{1-\frac{1}{2}}=2\lt\infty\,. \end{align} Also gilt im Grenzfall \[ \sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2}\lt\infty\,. \] Das war zu zeigen.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 32

 

Beweisen Sie, dass die folgenden Reihen konvergieren.

 

(i) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2+1} \)
(ii) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{k+1}{k^3+2k^2+k+1} \)
(iii) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{3k^4+k^3+7k^2-k-1} \)
(iv) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^\alpha} \) mit \( \alpha\in\mathbb N \) und \( \alpha\ge 2 \)

 

Lösung

 

(i) Für alle \( n\in\mathbb N \) gilt zunächst

\[ \sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2+1}\le\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2} \]

  und damit im Grenzfall \( n\to\infty \) nach PA 31

\[ \sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2+1}\le\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2}\lt\infty\,. \]

(ii) Für alle \( n\in\mathbb N \) gilt nach PA 31

\[ \sum_{k=1}^n\frac{k+1}{k^3+2k^2+k+1} \le\sum_{k=1}^n\frac{2k}{k^3+2k^2+k+1} \le\sum_{k=1}^n\frac{2k}{k^3} =\sum_{k=1}^n\frac{2}{k^2} =2\,\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2} \]

  und damit im Grenzfall \( n\to\infty \) nach PA 31

\[ \sum_{k=1}^\infty\frac{k+1}{k^3+2k^2+k+1}\le 2\,\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2}\lt\infty\,. \]

(iii) Zunächst beachten wir

\[ \frac{1}{3k^4+k^3+7k^2-k-1}\le\frac{1}{3k^4+1}\quad\mbox{für alle}\ k\in\mathbb N, \]

  denn wegen \( k^3\ge k \) und \( 7k^2\ge 7 \) für alle \( k\in\mathbb N \) ist

\[ \begin{array}{ll} & 7\ge 2 \\[0.6ex] \Longrightarrow & k+7\ge 2+k \\[0.6ex] \Longrightarrow & k^3+7k^2\ge 2+k \\[0.6ex] \Longrightarrow & k^3+7k^2-k-1\ge 1 \\[0.6ex] \Longrightarrow & 3k^4+k^3+7k^2-k-1\ge 3k^4+1 \end{array} \]

  Weiter beachten wir

\[ \frac{1}{3k^4+1}\le\frac{1}{3k^4}\le\frac{1}{k^4}\le\frac{1}{k^2}\quad\mbox{für alle}\ k\in\mathbb N, \]

  und zusammen folgt für alle \( n\in\mathbb N \)

\[ \sum_{k=1}^n\frac{1}{3k^4+k^3+7k^2-k-1}\le\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2} \]

  bzw. im Grenzfall \( n\to\infty \) nach PA 31

\[ \sum_{k=1}^\infty\frac{1}{3k^4+k^3+7k^2-k-1}\le\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2}\lt\infty\,. \]

(iv) Wegen \( k\ge 2 \) ist \( k^\alpha\ge k^2 \) für alle \( k=1,2,\ldots \) Für alle \( n\in\mathbb N \) ist also

\[ \sum_{k=1}^n\frac{1}{k^\alpha}\le\sum_{k=1}^n\frac{1}{k^2} \]

  und damit im Grenzfall \( n\to\infty \) nach PA 31

\[ \sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^\alpha}\le\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{k^2}\lt\infty\,. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)

 

 

Aufgabe PA 33

 

Verifizieren Sie mit Hilfe des Minorantenkriteriums, dass die folgenden Reihen divergieren. Sie d\"urfen dabei die in der Vorlesung bewiesene Divergenz der harmonischen Reihe verwenden.

 

(i) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{3k-1} \)
(ii) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{3k}{k+2} \)
(iii) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{k+1}{k(k+1)} \)
(iv) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{\sqrt{k(k+1)}} \)
(v) \( \displaystyle\sum_{k=1}^\infty\left(-k+\sqrt{k^2+1}\right) \)

 

Lösung

 

(i) Die Reihe konvergiert nicht, denn es ist

\[ \frac{1}{3k}\le\frac{1}{3k-1}\quad\mbox{für alle}\ k\in\mathbb N \]

  und damit für alle \( n\in\mathbb N \) wegen der Divergenz der harmonischen Reihe

\[ \sum_{k=1}^n\frac{1}{3k-1}\ge\sum_{k=1}^n\frac{1}{3k}\longrightarrow\infty\quad\mbox{für}\ n\to\infty\,. \]

(ii) Die Reihe konvergiert nicht, denn für \( n\ge 2 \) schätzen wir wie folgt ab

\begin{align} \sum_{k=1}^n\frac{3k}{k+2} &\ge \sum_{k=1}^n\frac{k}{k+2} =\frac{1}{1+2}+\sum_{k=2}^n\frac{k}{k+2}+\frac{1}{3}+\sum_{k=2}^n\frac{1}{k+k} \\[2ex] &= \frac{1}{3}+\sum_{k=2}^n\frac{1}{2k} =\frac{1}{3}+\frac{1}{2}\,\sum_{k=1}^n\frac{1}{k} \end{align}

  und daher wegen der Divergenz der harmonischen Reihe

\[ \sum_{k=1}^n\frac{3k}{k+2}\longrightarrow\infty\quad\mbox{für}\ n\to\infty\,. \]

(iii) Die Reihe divergiert, denn wegen

\[ \frac{k+1}{k(k+1)}=\frac{1}{k}\quad\mbox{für alle}\ k=1,2,\ldots \]

  ist sofort für alle \( n\in\mathbb N \) wegen der Divergenz der harmonischen Reihe

\[ \sum_{k=1}^n\frac{k+1}{k(k+1)}=\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}\longrightarrow\infty\quad\mbox{für}\ n\to\infty\,. \]

(iv) Die Reihe divergiert, denn beachte zunächst

\[ \frac{1}{\sqrt{k(k+1)}}\ge\frac{1}{k+1}\,, \]

  was man nach beidseitigem Quadrieren verifiziert

\[ \frac{1}{k\cdot(k+1)}\ge\frac{1}{(k+1)\cdot(k+1)}\,. \]

  Für alle \( n\in\mathbb N \) ist also wegen der Divergenz der harmonischen Reihe

\[ \sum_{k=1}^n\frac{1}{\sqrt{k(k+1)}} \ge\sum_{k=1}^n\frac{1}{k+1} =\sum_{k=2}^{n+1}\frac{1}{k} =\sum_{k=1}^{n+1}\frac{1}{k}-1 \longrightarrow\infty\quad\mbox{für}\ n\to\infty\,. \]

(v) Die Reihe divergiert, denn zunächst ist (siehe die anschließende Begründung)

\begin{align} -k+\sqrt{k^2+1} &= \frac{(-k+\sqrt{k^2+1})(k+\sqrt{k^2+1})}{k+\sqrt{k^2+1}} =\frac{-k^2+k^2+1}{k+\sqrt{k^2+1}} \\[2ex] &= \frac{1}{k+\sqrt{k^2+1}} \ge\frac{1}{k+k+1} =\frac{1}{2k+1} \ge\frac{1}{2k+2} =\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{k+1}\,, \end{align}

  wobei wir in der zweiten Zeile für alle \( k=1,2,\ldots \) beachten

\[ \begin{array}{ll} & 0\le 2k \\[0.6ex] \Longrightarrow & k^2+1\le k^2+2k+1=(k+1)^2 \\[0.6ex] \Longrightarrow & \sqrt{k^2+1}\le k+1 \\[0.6ex] \Longrightarrow & k+\sqrt{k^2+1}\le k+k+1 \end{array} \]

  Es ist also für alle \( n\in\mathbb N \) und wie in (iv)

\[ \sum_{k=1}^n(-k+\sqrt{k^2+1}) \ge\frac{1}{2}\,\sum_{k=1}^n\frac{1}{k+1} \longrightarrow\infty\quad\mbox{für}\ n\to\infty\,. \] Damit ist alles gezeigt.\( \qquad\Box \)