Theorie Zahlenmengen (1.1.): Unterschied zwischen den Versionen

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[[Kategorie: Angewandte Mathematik : Zahlen und Maße]]
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Version vom 26. September 2013, 17:28 Uhr

Zahlenmengen

Was haben 2, -8, 3.5 oder $\sqrt{7}$ gemeinsam?

Es sind alles Zahlen. Allerdings sind sie unterschiedlich.

  • Einerseits ist ihr Wert unterschiedlich (2 ≠ -8 ≠ 3.5 ≠ $ \sqrt{7} $).
  • Andererseits gehören die Zahlen unterschiedlichen Zahlenmengen an.





die natürlichen Zahlen $\mathbb{N}$

Definition:

Die natürlichen Zahlen $\mathbb{N}$ sind die Zahlenmenge $\mathbb{N}$ ={0,1,2,3,.....}

Sie sind "abgeschlossen" bezüglich der Addition. Das heißt, wenn man zwei natürliche Zahlen addiert, so landet man wieder bei einer natürlichen Zahl.


Beispiel: $ 7+15=22 $

Sowohl die beiden Summanden links, als auch die Summe rechts sind natürliche Zahlen. Es ist nicht möglich, zwei natürliche Zahlen zu addieren und dabei eine "nicht-natürliche" Zahl zu erhalten.


die ganzen Zahlen $\mathbb{Z}$

Definition:

Die ganzen Zahlen $\mathbb{Z}$ sind die Zahlenmenge $\mathbb{Z}$ ={...,-3,-2,-1,0,1,2,3,.....}.


Beachte, dass jede natürliche Zahl auch eine ganze Zahl ist! Um auf die ganzen Zahlen zu kommen, fügt man den natürlichen Zahlen eifnach alle negativen ganzen Zahlen hinzu.


$\mathbb{Z}$ ist "abgeschlossen" bezüglich der Addition und der Subtraktion.


Beispiele

  • $-3+7=4$
  • $ -8-17=-25$

Was ist nun aber, wenn man zwei ganze Zahlen dividiert? Beispiel: $$ -2:4= \frac{-2}{4}=-\frac{1}{2} $$ Die Zahl$ -\frac{1}{2} $ ist ein Bruch und sicherlich keine ganze Zahl mehr. Hier sind wir in der nächsten Zahlenmenge gelandet:


Deshalb fügt man nun zu den ganzen Zahlen alle Brüche hinzu und erhält.


die rationalen Zahlen $\mathbb{Q} $

Definition:

Zu den rationalen Zahlen gehören alle Brüche mit Zähler und Nenner aus den ganzen Zahlen, wobei im Nenner natürlich keine 0 stehen darf. Formal kann man das folgendermaßen schreiben: $$ \mathbb{Q} = \left\{ \frac{a}{b} | a,b \in \mathbb{Z}, b \neq 0\right\} $$



Da man jeden Bruch in eine endliche oder unendlich periodische Dezimalzahl verwandeln kann, indem man Zähler mit Nenner dividiert, gehören zu $\mathbb{Q} $ auch alle endlichen ODER unendlich periodischen Dezimalzahlen


Beispiel: $$ \frac{1}{3}=0.333333...$$ oder $$ \frac{1}{5}=1:5=0.2 $$


Nun gibt es aber noch Dezimalzahlen, die undendlich lang, aber niemals periodisch sind, diese liegen außerhalb von $\mathbb{Q} $ und heißen die irrationalen Zahlen $\mathbb{I}$


die irrationalen Zahlen $\mathbb{I}$

Definition:

Zu den irrationalen Zahlen $\mathbb{I}$ gehören alle Dezimalzahlen, die undendlich lang UND niemals periodisch sind


Beispiele:

  • $0,1001000100001....$ (immer eine 0 mehr)
  • $\pi =3.14159.... $
  • $e =2.718...$, die eulersche Zahl
  • $\sqrt{2}=1.414...$ (und alle weiteren Wurzeln von Primzahlen).




die reellen Zahlen $\mathbb{R}$

$\mathbb{Q}$ und $\mathbb{I}$=$\mathbb{R}$

Fasst man nun alle Dezimahlzahlen zusammen, die

  1. endlichen oder unendlich periodischen und die
  2. unendlichen aber niemals periodischen

so erhält man die reellen Zahlen

Definition:

$$ \mathbb{R} = \mathbb{Q} \cup \mathbb{I} $$ Vereinfacht gesagt: $ \mathbb{R}= $ alle Dezimalzahlen.





die imaginären Zahlen

Stoff der 2. Klasse


Während in den reellen Zahlen $\mathbb{R}$ addiert, subtrahiert, multipliziert und dividiert werden kann, kann man aber NICHT die Wurzel aus negativen Zahlen berechnen.


Beispiel: $ \sqrt{-1} $

Aus diesem Grund erweitert man die reellen Zahlen mit allen negativen Wurzeln und nennt

Definition:

\begin{align} \textrm{die imaginären Zahlen} &=& \textrm{die Menge der negativen Wurzeln} \\ &=&\left\{ \sqrt{-b}\; | b\in \mathbb{R^{+}}\right\}\end{align}


Weitere Beispiele:

  • $ \sqrt{-1}=i$
  • $ \sqrt{-4}=4i\ \ $ (weil $\sqrt{4\cdot (-1)}= \sqrt{4}\cdot \sqrt{-1}=2\cdot i $)

Imaginäre Zahlen treten bei den quadratischen Gleichungen auf, wenn die entsprechende Parabel keine Nullstelle hat.


die komplexen Zahlen $\mathbb{C}$

$\mathbb{R}$ und die Imaginären Zahlen $=\mathbb{C}$

Die komplexen Zahlen $\mathbb{C}$ erhält man, wenn man die reellen Zahlen $\mathbb{R}$ und die imaginären Zahlen zusammenfügt.

Definition:

$$ \mathbb{C} = \mathbb{R} \cup \textrm{imaginäre Zahlen}$$


Setzt man also eine reelle Zahl (z.B. 5) und eine imaginäre Zahl (z.B. 7i) zusammen, so erhält man die komplexe Zahl $$5+7i$$

Beispiele

  • 2 + 3i

(jede komplexe Zahl besteht aus einer reellen Zahl, dem sogenannten Realteil (hier: 2) und einer imaginären Zahl (hier 3i), wobei 3 der sogennante Imaginärteil ist.

  • -9+18i (Realteil=-9 und Imaginärteil=18)
  • 4 $\ \ $ (hier ist der Imaginärteil 0)
  • 8i $\ \ $(hier ist der Realteil 0)




a) Zuordnung

Zuordnung.png


Lösung

Zuordnung-Lösung.png