Opgaver – Store Dag#


Opgave 1: Repetitionsopgave om rekursion#

Der defineres rekursivt en følge af tal \(c_0,c_1,c_2,\dots\) på følgende måde:

\(c_0=0\), \(c_1=1\), \(c_2=2\) og for \(n \ge 3\) gælder \(c_n=c_{n-1}c_{n-2}+c_{n-3}.\)

Hvilken værdier har \(c_3,c_4\) og \(c_5\)?


Opgave 2: Afledte funktioner og induktion#

Som kendt fra gymnasiet, gælder for alle \(n \in \mathbb{Z}_{\ge 1}\) at den afledte af \(x^n\) er lig med \(nx^{n-1}\), dvs. \((x^n)'=nx^{n-1}\). I denne opgave vises det ved hjælp af induktion. I må i denne opgave bruge at den afledte af \(x\) er \(1\), samt produktreglen \((f(x)\cdot g(x))'=f(x)'\cdot g(x)+f(x) \cdot g(x)'.\)

Spørgsmål a#

Formuler induktionsstarten (på engelsk: “base case of the induction”). Tjek bagefter at induktionsstarten holder.

Spørgsmål b#

Formuler nu induktionsskridtet. Hvad er induktionshypotesen i dette tilfælde?

Spørgsmål c#

Vis at induktionsskridtet holder. Induktionsprincippet medfører nu at formlen \((x^n)'=nx^{n-1}\) holder for alle \(n \in \mathbb{Z}_{n \ge 1}.\)

Opgave 3: Summen af ulige tal og induktion#

Spørgsmål a#

Beregn for \(n=1,2,3,4\) summen af de første \(n\) ulige naturlige tal. Med andre ord: bestem værdien af \(\sum_{k=1}^n (2k-1)\) for \(n \in \{1,2,3,4\}.\) Er der et mønster i de fundne værdier? Find/gæt nu et kort udtryk for \(\sum_{k=1}^n (2k-1)\) som giver det rigtige svar for \(n \in \{1,2,3,4\}\) og check at dit gæt også giver den rigtige værdi for \(\sum_{k=1}^n (2k-1)\) hvis \(n=5.\)

Spørgsmål b#

Lad \(P(n)\) være det logiske udsagn at \(\sum_{k=1}^n (2k-1)\) er lig med det korte udtryk du fandt i spørgsmål a. Målet er nu at vise at \(P(n)\) er sandt for alle naturlige tal \(n\) (dvs. for alle \(n \in \mathbb{N}=\mathbb{Z}_{\ge 1}\)).

Vis at induktionsstarten holder.

Spørgsmål c#

Gennemfør nu induktionsskridtet og brug bagefter induktionsprincippet til at konkludere at \(P(n)\) er sandt for alle naturlige tal \(n\).


Opgave 4: At gange ind i parenteser#

Lad \(n \in \mathbb{Z}_{\ge 2}\) og \(a,b_1,\dots,b_n\) være komplekse tal. Vis følgende ved hjælp af induktion efter \(n\):

\[a \cdot (b_1+\cdots+b_n)=a\cdot b_1+\cdots + a \cdot b_n.\]

Man må bruge at ligningen holder for \(n=2\), ved at henvise til Theorem 3.2.2, 3. del fra lærebogen.


Opgave 5: Den geometriske række: del 1#

Spørgsmål a#

En hoppebold slippes to meter over gulvet. Efter at have ramt gulvet hopper den én meter op igen, anden gang en halv meter, en kvart meter tredje gang, osv. Altså faldhøjden halveres, for hvert påbegyndt nyt fald. Lad nu \(n\) være et naturligt tal. Hvilken afstand har bolden tilbagelagt, når den rammer gulvet for \(n\)’te gang?


Opgave 6: Den geometriske række: del 2#

Lad \(r \in \mathbb{C} \setminus \{1\}\) være et komplekst tal og \(n\) et naturligt tal. I denne opgave vises følgende identitet:

\[1+r+\cdots + r^n= \frac{r^{n+1}-1}{r-1}.\]

Spørgsmål a#

Hvorfor må \(r\) ikke være lig med \(1\) i identiteten?

Spørgsmål b#

Tjek at identiteten holder for \(n=1\).

Spørgsmål c#

Vis at identiteten \(1+r+\cdots + r^n= \frac{r^{n+1}-1}{r-1}\) holder for alle naturlige tal \(n\).

Spørgsmål d#

Vi vender tilbage til hoppebolden fra Opgave 5. Hvor mange meter når hoppebolden at tilbagelægge inden den ligger stille på gulvet?


Opgave 7: En ulighed#

En følge af reelle tal \(a_0,a_1,\dots\) bliver defineret rekursivt som følger:

\(a_1=0\) og \(a_n=\sqrt{2+a_{n-1}}\) hvis \(n \ge 2\).

Spørgsmål a#

Beregn \(a_1,a_2,a_3\) og \(a_4\).

Spørgsmål b#

Påstanden er nu at der for alle naturlige tal \(n\) gælder, at \(a_n<2\). Bevis det vha. induktion efter \(n\).


Opgave 8: En sum med brøker#

Vis at identiteten

\[\sum_{k=1}^n \frac{1}{k(k+1)}=1-\frac{1}{n+1}\]

gælder for alle \(n \in \mathbb{N}.\)


Opgave 9: Areal under en parabel#

Lad \(N\) være et positivt reelt tal og \(n\) et naturligt tal. Vi definerer \(d=N/n\). Som kendt fra gymnasiet kan arealet mellem parablen og første aksen fra \(x=0\) til \(x=N\) beregnes som følger:

\[\int_0^N x^2 dx =\frac13 N^3-\frac13 0^3=\frac13 N^3.\]

I denne opgave undersøges i hvilken grad dette areal tilnærmes med den endelige sum \(\sum_{k=1}^n d\cdot(kd)^2\). Situationen illustreres i følgende figur:

Spørgsmål a#

Brug tegningen til at indse at

\[\frac13 N^3 \le \sum_{k=1}^n d\cdot (kd)^2.\]

Spørgsmål b#

Brug resultatet fra Opgave 4 til at indse at

\[d^3\sum_{k=1}^n k^2=\sum_{k=1}^n d^3\cdot k^2=\sum_{k=1}^n d\cdot (kd)^2.\]

Spørgsmål c#

Brug induktion efter \(n\) til at indse at \(\sum_{k=1}^n k^2=\frac13 n(n+1/2)(n+1)\) for alle naturlige tal \(n\).

Spørgsmål d#

Vis nu at \(\sum_{k=1}^n d\cdot (kd)^2=\frac{1}{3}N(N+d/2)(N+d)\).

Bemærkning: ligningen medfører at hvis \(N\) holdes fast og \(n\) går mod uendeligt, så går \(d\) mod nul og summen går derfor mod \(\frac13 N^3,\) som netop er arealet under parablen.