a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Samankaltaiset tiedostot
a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

(2n 1) = n 2

X R Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 5, ratkaisuista

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

Algebra I, harjoitus 5,

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Huom. muista ilmoittautua kokeeseen ajoissa. Ilmoittautumisohjeet kurssin kotisivuilla.

Johdatus matematiikkaan

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

1 Joukkojen mahtavuuksista

Vieruskaverisi on tämän päivän luennolla työtoverisi. Jos sinulla ei ole vieruskaveria, siirry jonkun viereen. Esittäytykää toisillenne.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Johdatus matemaattiseen päättelyyn (5 op)

Injektio. Funktiota sanotaan injektioksi, mikäli lähtöjoukon eri alkiot kuvautuvat maalijoukon eri alkioille. Esim.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

Vastaoletuksen muodostaminen

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 6 (8 sivua) OT. 1. a) Määritä seuraavat summat:

Johdatus matematiikkaan

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 9 (6 sivua) OT

6 Relaatiot. 6.1 Relaation määritelmä

Diskreetin matematiikan perusteet Malliratkaisut 2 / vko 38

Johdatus matematiikkaan

Reaaliluvut 1/7 Sisältö ESITIEDOT:

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

Johdatus matematiikkaan

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

reaalifunktioiden ominaisuutta, joiden perusteleminen on muita perustuloksia hankalampaa. Kalvoja täydentää erillinen moniste,

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

1 Peruslaskuvalmiudet

Diskreetti matematiikka, syksy 2010 Harjoitus 7, ratkaisuista

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Johdatus yliopistomatematiikkaan. JYM, Syksy2015 1/195

Johdatus lukuteoriaan Harjoitus 11 syksy 2008 Eemeli Blåsten. Ratkaisuehdotelma

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

x > y : y < x x y : x < y tai x = y x y : x > y tai x = y.

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdoituksia harjoituksiin 8 (7 sivua)

a ord 13 (a)

Algebran perusteet. 44 ϕ(105) = (105). Näin ollen

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

Algebra kl Tapani Kuusalo

a b 1 c b n c n

Onko kuvaukset injektioita? Ovatko ne surjektioita? Bijektioita?

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta Liite 1: Joukko-oppi

Todistusmenetelmiä Miksi pitää todistaa?

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

1 sup- ja inf-esimerkkejä

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9

MAT Algebra 1(s)

3. Kongruenssit. 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

1 Supremum ja infimum

811120P Diskreetit rakenteet

Äärettömistä joukoista

Hilbertin aksioomat ja tarvittavat määritelmät Tiivistelmä Geometria-luentomonisteesta Heikki Pitkänen

Algebra 1, harjoitus 9, h = xkx 1 xhx 1. a) Käytetään molemmissa tapauksissa isomorfialausetta. Tarkastellaan kuvauksia

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Ohjaus 1 / Ratkaisuehdotuksia (AK) alkavalle viikolle

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

Valitsemalla sopivat alkiot joudutaan tämän määritelmän kanssa vaikeuksiin, jotka voidaan välttää rakentamalla joukko oppi aksiomaattisesti.

Lukujoukot luonnollisista luvuista reaalilukuihin

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Tehtävä 2. Osoita, että seuraavat luvut ovat algebrallisia etsimällä jokin kokonaislukukertoiminen yhtälö jonka ne toteuttavat.

Johdatus matematiikkaan

Ratkaisu: a) Kahden joukon yhdisteseen poimitaan kaikki alkiot jotka ovat jommassakummassa joukossa (eikä mitään muuta).

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Kokonaisluvut. eivät ole kokonaislukuja!

Ketjumurtoluvut ja Pellin yhtälö

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

Johdatus matematiikkaan

Topologia Syksy 2010 Harjoitus 4. (1) Keksi funktio f ja suljetut välit A i R 1, i = 1, 2,... siten, että f : R 1 R 1, f Ai on jatkuva jokaisella i N,

Yhtäpitävyys. Aikaisemmin osoitettiin, että n on parillinen (oletus) n 2 on parillinen (väite).

3. Kirjoita seuraavat joukot luettelemalla niiden alkiot, jos mahdollista. Onko jokin joukoista tyhjä joukko?

Matematiikan mestariluokka, syksy

Joukko-oppi. Joukko-oppi. Joukko-oppi. Joukko-oppi: Mitä opimme? Joukko-opin peruskäsitteet

Vastauksia. Topologia Syksy 2010 Harjoitus 1

1. Logiikan ja joukko-opin alkeet

ALGEBRA KEVÄT 2013 JOUNI PARKKONEN

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

Johdatus p-adisiin lukuihin

rm + sn = d. Siispä Proposition 9.5(4) nojalla e d.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

33. pohjoismainen matematiikkakilpailu 2019 Ratkaisut

Transkriptio:

Matematiikan johdantokurssi, syksy 08 Harjoitus 3, ratkaisuista. Kokonaisluvut määriteltiin luonnollisten lukujen avulla ekvivalenssiluokkina [a, b], jotka määrää (jo demoissa ekvivalenssirelaatioksi osoitettu) relaatio R (N N) (N N), missä (a, b)r(c, d) a + d = b + c, a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon [3, 8] = R((3, 8)): (8, 3), (3, 3), (, 3), (4, 9), (, 6), (0, 5)? b) Sievennä ([a, b] [c, d]) [e, f] ja [a, b] ([c, d] [e, f]). Mitä siis teitkään? Ratkaisut. a) Ekvivalenssiluokka [3, 8] koostuu kaikista järjestetyistä pareista (a, a+5) N N, koska juuri näille on totta 3 + (a + 5) = 8 + a. Siispä luokassa [3, 8] ovat vain parit (4, 9) ja (, 6) (luvut ja 0 eivät ole luonnollisia lukuja!). b) Molemmista tulee ottaen huomioon luonnollisten lukujen yhteenlaskun liitännäisyys ekvivalenssiluokka [a+c+e, b+d+f]. Todistit näiden juuri konstruoitujen kokonaislukujen (siis ekvivalenssiluokkien) yhteenlaskun liitännäisyyden eli assosiatiivisuuden.. Jatkoa Tehtävään : Ratkaise x yhtälöstä [a, b] x = [c, d]. Ratkaisu. Koska tässä yhteydessä on lukuparien ekvivalenssiluokkien välinen laskutoimitus, voidaan merkitä x := [x, x ]. Lasketaan nyt yhtälö muotoon [a, b] [x, x ] = [a + x, b + x ] = [c, d], mikä on relaation R määrittelyn takia yhtäpitävää sen kanssa, että a+x +d = b+x +c. Helposti hoksataan, että tämän toteuttavat esimerkiksi x = b + c ja x = a + d. Näin ollen ainakin yksi ratkaisu on x := [x, x ] = [b + c, a + d]. Tarkasta! Olemme siis jo todistaneet, että ratkaisuja on. Mutta onkohan muita ratkaisuja? Oletetaan, että eräs ratkaisu on x = [u, v]. Jännitys tiivistyy: onko (u, v)r(b + c, a + d) tosi? Mutta yhtälön oletettuna ratkaisuna x toteuttaa sen: [a, b] [u, v] = [a+u, b+v] = [c, d], ja siten (a + u) + d = (b + v) + c. Yhteenlaskun vaihdannaisuuden ja liitännäisyyden nojalla u + (a + d) = v + (b + c), ja siten (u, v)r(b + c, a + d) eli [u, v] = [b + c, a + d]. Yhtälöllä on siis tasan yksi ratkaisu x = [b+c, a+d] (joka toki voidaan esittää muidenkin tuohon ekvivalenssiluokkaan kuuluvien alkioparien avulla!). 3. Oletetaan kokonaislukujen kertolasku tunnetuksi. Osoita, että rationaaliluvut määrittelevä relaatio R, (a, b)r(c, d) ad = bc, on ekvivalenssirelaatio joukossa Z N (ks. luennot). Ratkaisu. Olkoot (a, b), (c, d) Z N. Tällöin rationaaliluvut määrittelevä relaatio R on (a, b)r(c, d) ad = bc. Tutkitaan onko R ekvivalenssirelaatio:

E) (refleksiivisyys) Kaikilla (a, b) Z N on (a, b)r(a, b), sillä kertolasku on vaihdannainen: ab = ba. E) (symmetrisyys) Olkoon (a, b)r(c, d), eli ad = bc. Silloin edelleen vaihdannaisuuden avulla cb = da eli (c, d)r(a, b). E3) (transitiivisuus) Olkoot (a, b)r(c, d) ja (c, d)r(e, f). Silloin ad = bc ja cf = de. Riittää osoittaa, että af = be, jolloin on totta (a, b)r(e, f). Kertomalla edellä olevat yhtälöt puolittain keskenään saadaan adcf = bcde. Koska jakolaskua ei vielä ole, pitää tyytyä kokonaislukujen aritmetiikkaan ilman sitä. Muunnetaan osittelulain (ja muiden, minkä?) mukaan yhtälö muotoon cd(af be) = 0, josta saadaan c = 0 tai d = 0 tai af be = 0. Mutta d N, joten on vain kaksi mahdollisuutta: ) Jos af be = 0, on asia selvä. ) Jos c = 0, niin koska b, d, f 0, yhtälöstä ad = bc seuraa a = 0 ja yhtälöstä cf = de seuraa e = 0. Siis af = 0 = be. Molemmissa tapauksissa af = be eli (a, b)r(e, f). Kaikki ehdot ovat voimassa, joten R on ekvivalenssirelaatio. Huomautus: Tapauksessa c 0, olisi ollut cd 0 ja yhtälöstä adcf = bcde voisi supistaa käyttäen vähennyslaskua, ja taas saadaan af = be. Supistaminen onnistuu myös kertolaskussa, onhan kokonaislukujen kertolasku oikeastaan yhteenlaskua nipuittain. 4. Palautetaan mieleen määritelmät: Reaaliluku x on rationaaliluku, jos x = m, missä m Z ja n N. n Reaaliluku x on irrationaaliluku, jos se ei ole rationaaliluku. Todista: a) Kahden rationaaliluvun summa on rationaaliluku. b) Rationaaliluvun ja irrationaaliluvun summa on irrationaaliluku. Ratkaisut. a) Väitetään siis että jos x, y Q, niin x+y Q. Todistetaan väite suoralla todistuksella. Koska x, y Q, on x = m n ja y = p q joillakin m, p Z ja n, q N. Tällöin x + y = m n + p q mq + np =. nq Koska mq+np Z ja nq N, on x + y Q. b) Väitetään siis, että jos x Q ja y R \ Q, niin x+y R \ Q. Todistetaan väite epäsuorasti. Tehdään vastaoletus: x+y Q. Tällöin x+y = m, missä m Z ja n N. Koska x Q, n on x = p joillakin p Z ja q N. Silloin q y = x + y x = m n p q mq np =, nq missä mq np Z ja nq N. Siis y Q, mikä on ristiriita. Väite on siis tosi.

5. Osoita oikeaksi tai vääräksi: a) Kahden irrationaaliluvun summa on aina irrationaliluku. b) Kahden irrationaaliluvun tulo on aina irrationaaliluku. c) Rationaaliluvun ja irrationaaliluvun tulo on aina irrationaaliluku. Ratkaisut. a) Valitaan irrationaaliluvut x := ja y :=. Silloin x+y = = 0 Q. Irrationaalilukujen summa ei siis aina ole irrationaaliluku. b) Valitaan irrationaaliluvut x := ja y :=. Tällöin x y = = Q. Siis irrationaalilukujen tulo ei ole aina irrationaaliluku. c) Olkoot x := 0 Q ja y := / Q. Silloin x y = 0 = 0 Q. Tämä osoittaa, että rationaaliluvun ja irrationaaliluvun tulo ei aina ole irrationaalinen. 6. Osoita: Jos α on irrationaaliluku ja luvut a ja b 0 ovat rationaalilukuja, niin luku a + αb on irrationaaliluku. Ratkaisu. Oletetaan, että α / Q, a, b Q ja b 0. Todistetaan väite epäsuorasti. Tehdään vastaoletus: a+αb Q. Tällöin a+αb = m, missä m Z ja n N. Koska a, b Q, niin a = p n q ja b = p q joillakin arvoilla q, q N, p, p Z ja p 0. Tällöin α = m a n b = m p n q p = mq p q = mq q np q Q, q np q p np q mikä on ristiriita. Siis vastaoletus ei ole voimassa, ja a+αb / Q. 7. a) Muuta desimaaliluku 0,47373737... murtolukumuotoon. b) Muuta desimaaliluku,... murtolukumuotoon geometrisen sarjan summan avulla. Ratkaisu. a) Merkitään x := 0,473737.... Tällöin 000x = 047,3737... x = 0,4737... 999x = 007,8 mistä seuraa x = 0078 99900 = 000453 6650. 3

b) Esitetään luku,... desimaalisarjojen avulla:,... = + 0 + 0 + 0 3 +... ( = + + ( ) 0 0 + +...) 0 = + 0 0 8. Osoita, että 5 ( + 3) on algebrallinen luku. = + 0 0 9 = 9. Ratkaisu. Luku on algebrallinen, jos se on jonkin kokonaislukukertoimisen polynomiyhtälön ratkaisu (eli polynomin juuri). On useita tapoja keksiä sopiva vaikkapa toisen asteen polynomi. Ottaen huomioon, että luku on irrationaalinen, ei ensimmäisen asteen polynomi tule kyseeseen. Koska luku on selvästi samaa tyyppiä, kuin mitä ovat toisen asteen polynomiyhtälön ratkaisut, voidaan yksinkertaisesti verrata sitä ratkaisukaavaan ja keksiä polynomille ax + bx + c sopivat kertoimet a, b ja c, jotta saadaan toiseksi ratkaisuksi juuri annettu luku. Toinen tapa: Merkitään x := 5 ( + 3), jolloin saadaan x = + 3 5 5x = + 3 5x = 3 (5x ) = 3 5x 0x + = 3 5x 0x = 0. Nyt vielä tarkasta, että 5 (+ 3) todella on polynomiyhtälön 5x 0x = 0 ratkaisu! Jos on, se on algebrallinen luku. Kolmas tapa: arvataan, että luvun kaveriksi käy 5 ( 3), jolloin kokeillaan 0 = (x 5 ( + 3))(x 5 ( 3)) = x 5 x 5 Yhtälö x 5 x 5 = 0 tarvitsee nyt vain kertomisen luvulla 5. 9. a) Osoita kahden numeroituvan joukon tulojoukko numeroituvaksi. b) Onko numeroituvan monen numeroituvan joukon yhdiste numeroituva? Ratkaisut. a) Tämä on helpohko, koska numeroituvat joukot voidaan indeksoida luonnollisilla luvuilla. Olkoot joukot A ja B numeroituvia. Silloin näillä meidän määritelmämme mukaan äärettömillä joukoilla on esitykset A = {a, a, a 3,...} B = {b, b, b 3,...} 4

Niiden tulojoukko A B voidaan esittää taulukon avulla: b b b 3 b 4 b 5 a (a, b ) (a, b ) (a, b 3 ) (a, b 4 ) (a, b 5 ) a (a, b ) (a, b ) (a, b 3 ) (a, b 4 ) (a, b 5 ) a 3 (a 3, b ) (a 3, b ) (a 3, b 3 ) (a 3, b 4 ) (a 3, b 5 ) a 4 (a 4, b ) (a 4, b ) (a 4, b 3 ) (a 4, b 4 ) (a 4, b 5 ) a 5 (a 5, b ) (a 5, b ) (a 5, b 3 ) (a 5, b 4 ) (a 5, b 5 )......... Nyt tulojoukon A B = {(a i, b j ) a i A, b j B} alkiot voidaan luetella sivulävistäjiä myöten aivan kuten positiivisten rationaalilukujen joukko Cantorin ensimmäisessä diagonaalimenetelmässä (ks. luentomoniste): A B = {(a, b ), (a, b ), (a, b ), (a 3, b ), (a, b ), (a, b 3 ), (a, b 4 ), (a, b 3 ),...}. Huomautus. Tulos voidaan yleistää äärellisen monen numeroituvan joukon tulojoukolle, muttei numeroituvan monen (ylinumeroituvasta puhumattakaan), ks. Kertaustehtävät. b) Olkoot A, A, A 3,... numeroituvia jonkin saman perusjoukon osajoukkoja. Taaskin voidaan toimia kuin Cantorin ensimmäisessä diagonaalimenetelmässä: Olkoot A = {a, a, a 3, a 4, a 5, } A = {a, a, a 3, a 4, a 5, } A 3 = {a 3, a 3, a 33, a 34, a 35, } A 4 = {a 4, a 4, a 43, a 44, a 45, } A 5 = {a 5, a 5, a 53, a 54, a 55, }.......... Nyt yhdiste n=a n koostuu kaikista taulukon alkioista ja vain niistä, ja nämä voidaan luetella kuten kohdassa a) sivulävistäjiä pitkin! Näin lueteltuna yhdisteessä voi olla toistoja, jotka voidaan karsia pois. Kuitenkin, koska jo A oli ääretön, myös yhdiste on ääretön. Siis yhdiste on numeroituva. 5