125
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1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik

von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp,TH Deggendorf

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Gliederung

• Summenzeichen• Produktzeichen• Binomialkoeffizient und Fakultät• Logarithmus naturalis (ln)

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1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen -Arithmetik

Die Menge IR der reellen Zahlen ist so konstruiert, dass in ihr die Ausführungen der vier Grundrechenarten möglich ist. Für je zwei Zahlen a, b R ist also auchAddition a + b IRSubtraktion a – b IRMultiplikation a * b IRDivision (für b 0) a / b IR

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1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen -Arithmetik

Regeln bezüglich der Vertauschbarkeit der Zahlen und derKlammermultiplikation (Assoziativität, Kommutativität, Distributivität) sind erfüllt. Gegeben sind die reellen Zahlen a, b, c .a + b = b + aa * b = b * a(a + b) + c = a + (b + c)(a * b) * c = a * (b * c)a + 0 = aa + (-a) = 0a * 1 = aa * 1/a = 1 für alle Werte von a außer der Null.a * 0 = 0a * (b + c) = a * b + a * c. (Distributivität)

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Kap. 1.4 BeispielWurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

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Kap. 1.4 Aufgabe 1Wurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

[richtig]

baab 7337

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Kap. 1.4 Aufgabe 1Wurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

[richtig]

baab 7337

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Kap. 1.4 Aufgabe 1Wurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

[richtig]

baab 7337 falsch

033

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Kap. 1.4 Aufgabe 1Wurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

[richtig]

baab 7337 falsch

033 falsch

babab 2121773

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Kap. 1.4 Aufgabe 1Wurden bei folgenden Umformungen die Mathematikgesetze richtig angewendet? (Mehrfachnennungen möglich)

bcaacb 733337

[richtig]

baab 7337 falsch

033 falsch

babab 2121773

Richtig

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1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen1.4.1 Das Summenzeichen

(1.4.1) DefinitionDie Summe der reellen Zahlen am, ..., an kann man abkürzen in der Form

(sprich: Summe der ai, für i = m bis n).

n

miinmm aaaa 1

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1.4.1 Das Summenzeichen

(1.4.1) DefinitionDie Summe der reellen Zahlen am, ..., an kann man abkürzen in der Form

(sprich: Summe der ai, für i = m bis n).Dabei heißen i Laufindex (Summationsindex), m untere und n obere Summationsgrenze (i, m, n Z; m n).

Der Ausdruck stellt also eine Anweisung dar, die

Summe der Zahlen ai zu bilden, wobei i alle ganzen Zahlen von m bis n durchläuft. Häufig tritt der Spezialfall einer Summe oderauf.

n

miinmm aaaa 1

n

miia

n

iia

1

n

iia

0

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Beispiel

a1=4, a2=7, a3=12, a4=18

4118127443214

1

aaaaaii

Eine größere Bedeutung hat das Summenzeichen, wenn es möglich ist, die zu summierende Größe ai explizit als eine Funktion des Summationsindex i darzustellen.

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Faustregel:1. unterscheiden sich die Folgeglieder um gleichen Betrag (habe er den Wert d), dann ist der Ausdruck etwas mit i*d (wobei i der Laufindex ist), z.B. 2+5+8+11; hier ist gleiche Differenz 3, also ist Formel 3*i, nun geht es mit Startwert los. Starte ich mit i=1, so wäre 1*3=3 und 1 zu hoch, also muss ich meinen Ausdruck, wenn ich mit i=1 starte um 1 reduzieren. Formel lautet Summe I=1 bis 4 von 3*i-1

2. Kann ich Regel 1) nicht anwenden, zerlege ich jeden Summanden um zu sehen, dass sich die zerlegten Teile je Summand um 1 in den Bestandteilen erhöhen, z.B. 4+9+16+25Ich zerlege 2*2+3*3+4*4+5*5also je Summand werden die zwei Faktoren des Produktes um 1 größer, genau das mach ja auch der Summationsindex i, starte ich mit i=2 wäre i*i der erste Summand 2*2 und dann steigt i auf 3 und der zweite Summand wäre 3*3, so dass ich habe: Summe I=2 bis 5 von i*i

3. Das Vorzeichenalternieren bei den Summanden lässt sich mit (-1)i realisieren ((-1)^1=-1;(-1)^2=1; i(-1)^3=-1; (-1)^4=1), wobei man die Potenz i so variieren muss (i, i+1), so dass er erste Summand das richtige Vorzeichen hat, z.B. 1,-2,3.-4 benötigt (-1)i-1, da erstes positiv sein muss und wenn i bei 1 beginnt muss zwei als Potenz beim ersten Summanden raus kommen.

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n321

Beispiel:

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n

i

in1

321

Beispiel:

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Beispiel:

1110

143

132

1

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Beispiel:

10

2 11

11101

431

321

i ii

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Beispiel:

10

2 11

11101

431

321

i ii

Hierbei lautet das allgemeine Bildungsgesetz:

10,,2;1

1

iii

ai

.

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Beispiel:

997531

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Beispiel:

50

1

1 121997531i

i i

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Beispiel:

50

1

1 121997531i

i i

Ungerade Zahlen kann man darstellen durch die Formel (2i-1); einen Vorzeichenwechsel durch die Formel (-1)i+1

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Beispiel:

2562741

Da nicht gleicher Abstand zwischen den Summanden, teste ich Regel 2, d.h. zerlegen4= 2*227=3*9=3*3*3256=16*16=4*4*4*4Also je Summand wird Faktor um 1 größer, also ist das i; aber die Anzahl der multiplizierenden i-s werden auch je Summand um eins mehr, also

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Beispiel:

2562741

Da nicht gleicher Abstand zwischen den Summanden, teste ich Regel 2, d.h. zerlegen4= 2*227=3*9=3*3*3256=16*16=4*4*4*4Also je Summand wird Faktor um 1 größer, also ist das i; aber die Anzahl der multiplizierenden i-s werden auch je Summand um eins mehr, also

ii

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Beispiel:

2562741 ii

4

1i

ii

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1.4.1 Das Summenzeichen

Für das Rechnen mit Summen gelten allgemein folgende Regeln:(1.4.2) Satz

a. (c = const);cncn

i

1

205*4555554

1

i

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1.4.1 Das Summenzeichen

Für das Rechnen mit Summen gelten allgemein folgende Regeln:(1.4.2) Satz

(a) (c = const);

(b)

Ein Handelsunternehm,en hat 2 Filialen a und b und erzielt dort in einem Jahr die monatlichen Umsätze von ai und bi (i=1,…,12).Der gesamte Jahresumsatz berechnet sich aus

cncn

i

1

;

n

mii

n

mii

n

miii baba

12

1

12

1

12

1 ii

ii

iii baba

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1.4.1 Das Summenzeichen

Für das Rechnen mit Summen gelten allgemein folgende Regeln:(1.4.2) Satz

(a) (c = const);

(b)

(c) (c IR);

(d) (m k n - 1);

Ein Unternehmen kann seinen jährlichen Gesamtumsatz bestimmen als Addition der Monatssummen oder Addition der beiden Halbjahre

cncn

i

1

;

n

mii

n

mii

n

miii baba

n

mii

n

mii acca

n

kii

k

mii

n

mii aaa

1

12

16

6

1

12

1 ii

ii

ii aaa

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1.4.1 Das Summenzeichen

Für das Rechnen mit Summen gelten allgemein folgende Regeln:(1.4.2) Satz

(a) (c = const);

(b)

(c) (c IR);

(d) (m k n - 1);

(e)

cncn

i

1

;

n

mii

n

mii

n

miii baba

n

mii

n

mii acca

n

kii

k

mii

n

mii aaa

1

kn

kmiki

n

mii aa

612

616

12

1 ii

ii aa

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Ein Betrieb verbraucht 8 Rohstoffe. Der Verbrauch an Rohstoffen in Geldeinheiten (GE) pro Monat sei gegeben.

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Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Rohstoff 1 a1 1 a1 2 .. a1 12Rohstoff 2 a2 1

Rohstoff 3 :

Rohstoff 4 :

Rohstoff 5

Rohstoff 6

Rohstoff 7Rohstoff 8 a8 1 a8 12

8

1

1

i

ia

8

1

12

i

ia

Ein Betrieb verbraucht 8 Rohstoffe. Der Verbrauch an Rohstoffen in Geldeinheiten (GE) pro Monat sei gegeben.

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Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Rohstoff 1 a1 1 a1 2 .. a1 12Rohstoff 2 a2 1

Rohstoff 3 :

Rohstoff 4 :

Rohstoff 5

Rohstoff 6

Rohstoff 7Rohstoff 8 a8 1 a8 12

12

1

1

j

ja

12

1

8

j

ja

8

1

1

i

ia

8

1

12

i

ia

Ein Betrieb verbraucht 8 Rohstoffe. Der Verbrauch an Rohstoffen in Geldeinheiten (GE) pro Monat sei gegeben.

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Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

Rohstoff 1 a1 1 a1 2 .. a1 12Rohstoff 2 a2 1

Rohstoff 3 :

Rohstoff 4 :

Rohstoff 5

Rohstoff 6

Rohstoff 7Rohstoff 8 a8 1 a8 12

8

1

12

1i jija

12

1

1

j

ja

12

1

8

j

ja

8

1

1

i

ia

8

1

12

i

ia

Ein Betrieb verbraucht 8 Rohstoffe. Der Verbrauch an Rohstoffen in Geldeinheiten (GE) pro Monat sei gegeben.

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Beispiel Doppelsumme

2

1

1

0

)36(i j

iji

Berechnen Sie die Doppelsummen:

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Beispiel Doppelsumme

2

1

1

0

)36(i j

iji

Berechnen Sie die Doppelsummen:

i=1 (j=0,1): 6*1+3*1*0+ 6*1+3*1*1

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Beispiel Doppelsumme

2

1

1

0

)36(i j

iji

Berechnen Sie die Doppelsummen:

i=1 (j=0,1): 6*1+3*1*0+ 6*1+3*1*1+i=2 (j=0,1): 6*2+3*2*0+ 6*2+3*2*1=6+0 +6 +3+12+0+12+6 =45

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1.4.1 Das Summenzeichen

Für Doppelsummen sind die zu Satz (1.4.2) analogen Rechenregeln erfüllt. Dabei gilt insbesondere:

es ist also gleichgültig, ob zuerst über die Indices i oder j summiert wird.

n

j

m

iij

m

i

n

jij aa

1 11 1

mnmn

n

jmj

n

jj

m

i

n

jij aaaaaaa

1111

111

1 1

(1.4.3) DefinitionGegeben seien die Zahlen a11, ..., amn IR. Dann bezeichnet man die folgende Summe die Doppelsumme:

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1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.4) DefinitionDas Produkt der reellen Zahlen am, ..., an kann man abkürzen in der Form

(sprich: Produkt der ai, für i = m bis n).

n

miinmm aaaa 1

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1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.4) DefinitionDas Produkt der reellen Zahlen am, ..., an kann man abkürzen in der Form

(sprich: Produkt der ai, für i = m bis n).

Einen wichtigen Spezialfall stellt das Produkt (für n N und a0 = 1) dar.

Für eine beliebige reelle Zahl bezeichnen wir an als die n-te Potenz von a. Dabei heißt a Basis und die Hochzahl n Exponent.

n

miinmm aaaa 1

n

i

n aa1

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Beispiel Produktzeichen

Schreiben sie mit Hilfe des Produktzeichens

1251*

641*

271*

81*1

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Beispiel Produktzeichen

Schreiben sie mit Hilfe des Produktzeichens

1251*

641*

271*

81*1

Faktoren (Nenner) unterscheiden sich nicht um gleichen Betrag, also Regel 2 anwenden: zerlegen8=2*2*227= 3*3*364=4*4*4Formel lautet i^3

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Beispiel Produktzeichen

Schreiben sie mit Hilfe des Produktzeichens

125

1*641*

271*

81*1

Faktoren (Nenner) unterscheiden sich nicht um gleichen Betrag, also Regel 2 anwenden: zerlegen8=2*2*227= 3*3*364=4*4*4Formel lautet i^3

5

13

1i i

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Rechenregeln  für alle beliebigen Werte von außer der Null. Wir nennen den Kehrwert von.

Bei einem Bruch werden Zähler und Nenner so behandelt, wie wenn sie in Klammern stünden.

Zwei Brüche und werden multipliziert, indem man die Zähler miteinander und die Nenner miteinander multipliziert:

  Der Kehrwert eines Bruchs ist der Bruch .

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Rechenregeln

333

Beispiel 1:

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Rechenregeln

333

36

333

nicht

Beispiel 1:

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Rechenregeln  für alle beliebigen Werte von außer der Null. Wir nennen den Kehrwert von.

Bei einem Bruch werden Zähler und Nenner so behandelt, wie wenn sie in Klammern stünden.

Zwei Brüche und werden multipliziert, indem man die Zähler miteinander und die Nenner miteinander multipliziert:

  Der Kehrwert eines Bruchs ist der Bruch .

Page 47: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Rechenregeln

87

43

Beispiel 2:

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Rechenregeln

3221

87

43

Beispiel 2:

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Rechenregeln  für alle beliebigen Werte von außer der Null. Wir nennen den Kehrwert von.

Bei einem Bruch werden Zähler und Nenner so behandelt, wie wenn sie in Klammern stünden.

Zwei Brüche und werden multipliziert, indem man die Zähler miteinander und die Nenner miteinander multipliziert:

  Der Kehrwert eines Bruchs ist der Bruch .

Page 50: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Rechenregeln• Zwei Brüche und werden dividiert, indem man den Zählerbruch mit dem Kehrwert des

Nennerbruchs multipliziert:

• Kann man einen Bruch mit Hilfe eines Wertes so umformen, dass man erhält, kann man den Bruch mit kürzen und erhält . Der Wert des neuen Bruches hat sich nicht verändert. . Es gilt dann also

• Brüche werden so addiert:1. Die Brüche werden gleichnamig gemacht. Es werden also alle Brüche durch Erweitern so

umgeformt, dass sie den gleichen Nenner haben. 2. Die Zähler, die durch das Gleichnamig-Machen resultierten, werden addiert zur Summe .3. Im Ergebnis steht im Zähler die Summe und im Nenner der gleichnamige Ausdruck : .

• Eine Potenz ist ein Term, der in der Form dargestellt werden kann, wobei x im Allgemeinen größer als 0 und a beliebig sind.

• Bei ungeradzahligem kann auch aus negativen Zahlen die n-te Wurzel gezogen werden

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Rechenregeln

7321

Beispiel 3:

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Rechenregeln

67

37

21

7321

Beispiel 3:

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Rechenregeln• Zwei Brüche und werden dividiert, indem man den Zählerbruch mit dem Kehrwert des

Nennerbruchs multipliziert:

• Kann man einen Bruch mit Hilfe eines Wertes so umformen, dass man erhält, kann man den Bruch mit kürzen und erhält . Der Wert des neuen Bruches hat sich nicht verändert. . Es gilt dann also

• Brüche werden so addiert:1. Die Brüche werden gleichnamig gemacht. Es werden also alle Brüche durch Erweitern so

umgeformt, dass sie den gleichen Nenner haben. 2. Die Zähler, die durch das Gleichnamig-Machen resultierten, werden addiert zur Summe .3. Im Ergebnis steht im Zähler die Summe und im Nenner der gleichnamige Ausdruck : .

• Eine Potenz ist ein Term, der in der Form dargestellt werden kann, wobei x im Allgemeinen größer als 0 und a beliebig sind.

• Bei ungeradzahligem kann auch aus negativen Zahlen die n-te Wurzel gezogen werden

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Rechenregeln

1612

Beispiel 4:

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Rechenregeln

43

4434

1612

Beispiel 4:

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Rechenregeln• Zwei Brüche und werden dividiert, indem man den Zählerbruch mit dem Kehrwert des

Nennerbruchs multipliziert:

• Kann man einen Bruch mit Hilfe eines Wertes so umformen, dass man erhält, kann man den Bruch mit kürzen und erhält . Der Wert des neuen Bruches hat sich nicht verändert. . Es gilt dann also

• Brüche werden so addiert:1. Die Brüche werden gleichnamig gemacht. Es werden also alle Brüche durch Erweitern so

umgeformt, dass sie den gleichen Nenner haben. 2. Die Zähler, die durch das Gleichnamig-Machen resultierten, werden addiert zur Summe .3. Im Ergebnis steht im Zähler die Summe und im Nenner der gleichnamige Ausdruck : .

• Eine Potenz ist ein Term, der in der Form dargestellt werden kann, wobei x im Allgemeinen größer als 0 und a beliebig sind.

• Bei ungeradzahligem kann auch aus negativen Zahlen die n-te Wurzel gezogen werden

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Rechenregeln

97

64

Beispiel 5:

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Rechenregeln

913

97

96

97

64

Beispiel 5:

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Rechenregeln• Zwei Brüche und werden dividiert, indem man den Zählerbruch mit dem Kehrwert des

Nennerbruchs multipliziert:

• Kann man einen Bruch mit Hilfe eines Wertes so umformen, dass man erhält, kann man den Bruch mit kürzen und erhält . Der Wert des neuen Bruches hat sich nicht verändert. . Es gilt dann also

• Brüche werden so addiert:1. Die Brüche werden gleichnamig gemacht. Es werden also alle Brüche durch Erweitern so

umgeformt, dass sie den gleichen Nenner haben. 2. Die Zähler, die durch das Gleichnamig-Machen resultierten, werden addiert zur Summe .3. Im Ergebnis steht im Zähler die Summe und im Nenner der gleichnamige Ausdruck : .

• Eine Potenz ist ein Term, der in der Form dargestellt werden kann, wobei x im Allgemeinen größer als 0 und a beliebig sind.

• Bei ungeradzahligem kann auch aus negativen Zahlen die n-te Wurzel gezogen werden

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Rechenregeln

51

51

51

51

Beispiel 6:

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Rechenregeln

)51(

4

51

51

51

51

Beispiel 6:

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Rechenregeln• Zwei Brüche und werden dividiert, indem man den Zählerbruch mit dem Kehrwert des

Nennerbruchs multipliziert:

• Kann man einen Bruch mit Hilfe eines Wertes so umformen, dass man erhält, kann man den Bruch mit kürzen und erhält . Der Wert des neuen Bruches hat sich nicht verändert. . Es gilt dann also

• Brüche werden so addiert:1. Die Brüche werden gleichnamig gemacht. Es werden also alle Brüche durch Erweitern so

umgeformt, dass sie den gleichen Nenner haben. 2. Die Zähler, die durch das Gleichnamig-Machen resultierten, werden addiert zur Summe .3. Im Ergebnis steht im Zähler die Summe und im Nenner der gleichnamige Ausdruck : .

• Eine Potenz ist ein Term, der in der Form dargestellt werden kann, wobei x im Allgemeinen größer als 0 und a beliebig sind.

• Bei ungeradzahligem kann auch aus negativen Zahlen die n-te Wurzel gezogen werden

Page 63: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Rechenregeln

3 8

Beispiel 7:

Page 64: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Rechenregeln

283

Beispiel 7:

Page 65: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

Page 66: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m; 23*24= 8*16=128

23+4= 27=128

Page 67: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m;

Page 68: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m; (23)4=212=

Page 69: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m; (23)4=84=4096

212=4096

Page 70: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m;

(c) für a 0; mm aa

1

Page 71: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m;

(c) für a 0;

(d) für a 0;

mm aa

1

mnm

n

aaa 23/24=8/16=1/2

23-4=1/2

Page 72: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m;

(c) für a 0;

(d) für a 0;

(e) anbn = (ab)n.

mm aa

1

mnm

n

aaa

23/24=8/16=1/2 23-4=1/2

22*32= (2*3)2=

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1.4.2 Das Produktzeichen

(1.4.5) SatzEs seien a,b IR und n, m Z. Dann gilt:

(a) an * am = an+m;

(b) (an)m = an*m;

(c) für a 0;

(d) für a 0;

(e) anbn = (ab)n

(f) a m/n =

mm aa

1

mnm

n

aaa

23/24=8/16=1/2 23-4=1/2

22*32=4*9= 36 (2*3)2=62=36

n ma 521

2 55

Page 74: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Quadratische Gleichung• ax² + bx + c = 0

mit a, b, c IR und a 0 • Es gibt hierbei zwei Lösungen x1 und x2 falls • b² - 4ac 0

aacbbx

242

2,1

Im Falle von b² - 4ac < 0 existiert keine reellwertige Lösung.

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Lösen Sie die folgende quadratische Gleichung:

x² - 4x + 3 = 0 1,32

242

12164212,1

xxx

aacbbx

242

2,1

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1.4.3 Binomkialkoeffizient und Fakultät

(1.4.6) DefinitionSeien n, k N {0} mit k n. Dann setzen wir

(a) und 0! = 1

(sprich: n- Fakultät); n! ist die Anzahl der möglichen Anordnungen

n

i

nin1

321!

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1.4.3 Binomkialkoeffizient und Fakultät

(1.4.6) DefinitionSeien n, k N {0} mit k n. Dann setzen wir

(a) und 0! = 1

(sprich: n- Fakultät);

(b)

(sprich: n über k).

Man bezeichnet als Binomialkoeffizienten.Binomialkoeffizient n über k ist Anzahl der k-elementigen

Teilmengen aus einer n-elementigen Menge.

n

i

nin1

321!

!!

!21

11kkn

nkknnn

kn

kn

Page 78: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! =

1! =

2! =

3! =

4! =

71!=

Beispiele

Page 79: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! =

2! =

3! =

4! =

71!=

Beispiele

Page 80: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! = 1

2! =

3! =

4! =

71!=

Beispiele

Page 81: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! = 1

2! = 2

3! =

4! =

71!=

Beispiele

Page 82: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! = 1

2! = 2

3! = 6

4! =

71!=

Beispiele

Page 83: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! = 1

2! = 2

3! = 6

4! = 24

71!=

Beispiele

Page 84: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

0! = 1

1! = 1

2! = 2

3! = 6

4! = 24

71!= am Taschenrechner nicht rechenbar (69! ist die letzte rechenbare Zahl).

Beispiele

Page 85: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiele:

46

02

Page 86: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiele:

1!0!2

!202

Page 87: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiele:

15432121654321

!4!2!6

46

1!0!2

!202

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1.4.3 Binomkialkoeffizient und Fakultät

(1.4.7) SatzFür die Zahlen n, k N mit k n gilt:

1. (n + 1)! = (n + 1) * n! 4! = 4*3!

2.

3.

nnn

1

,10

knn

kn

Page 89: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel:Vereinfachen sie folgenden Ausdruck:

)1()!1(

nnn

Page 90: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel:Vereinfachen sie folgenden Ausdruck:

)1()!1(

nnn

)1(!)1(

)1()!1(

nnnn

nnn

Page 91: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel:Vereinfachen sie folgenden Ausdruck:

)1()!1(

nnn

)1(!)1(

)1()!1(

nnnn

nnn

)1()!1()1(

)1(!)1(

)1()!1(

nnnnn

nnnn

nnn

Page 92: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel:Vereinfachen sie folgenden Ausdruck:

)1()!1(

nnn

)1(!)1(

)1()!1(

nnnn

nnn

)1()!1()1(

)1(!)1(

)1()!1(

nnnnn

nnnn

nnn

)!1()1(

)!1()1()1(!)1(

)1()!1(

nnnnnn

nnnn

nnn

Page 93: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.3 Binomkialkoeffizient und Fakultät

(1.4.8) SatzSeien a, b IR und n N. Dann gilt:

n

k

kkn

nnnnnn

bakn

babnn

ban

ban

aba

0

1221

121

Page 94: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel

kk

k

bak

ba

3

3

0

3 3)(

Page 95: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel

kk

k

bak

ba

3

3

0

3 3)(

03

03

ba

Page 96: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel

kk

k

bak

ba

3

3

0

3 3)(

1203

13

03

baba

Page 97: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel

kk

k

bak

ba

3

3

0

3 3)(

30211203

33

23

13

03

babababa

Page 98: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beispiel

kk

k

bak

ba

3

3

0

3 3)(

30211203

33

23

13

03

babababa

3223 33 babbaa

Page 99: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)• Logarithmen sind in der Wissenschaft ein unverzichtbares

Werkzeug, denn damit können beispielsweise sehr komplizierte Formeln in einfachere Ausdrücke überführt werden.

• Einführungsbeispiel:• Betrachten wir die Gleichung . Wir suchen den Wert x der die

Gleichung löst. Salopp könnte man das schreiben als • Die kleine Kopfrechnung verrät uns, dass ist. Wir können die

Lösung so hinschreibenund so sprechen: „Der Logarithmus zur Basis 5 von 125 ist 3“.

• Es sind die beiden Aussagen und äquivalent, was „gleichwertig“ heißt.

• „Der Logarithmus zur Basis a von x ist y.“• Der Logarithmus gibt an, welche Potenz x die Gleichung ergibt: .

Page 100: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)• Beispiele:• also

• Spezieller Logarithmus zur Basis e, wobei diese die eulersche Zahl ist.

• =ln y• Wir nennen ihn den natürlichen Logarithmus. Seine

Kurzschreibweise ist lny.• Die Bezeichnung natürlich hat sich eingebürgert, weil dieser

Logarithmus - wie die Basis e - sehr einfach in der Anwendung ist. So findet er ähnliche Anwendungen wie e, beispielsweise bei Wachstumsprozessen. Allerdings kann man hier nicht ohne Taschenrechner auf das zugrunde liegende y schließen.

Page 101: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)• Rechenregeln für LogarithmenDie Rechenregeln gelten für alle Basen e.

• Der Logarithmus von y ist nur für Werte y>0 definiert. • ln 1=0• ln (y*z)=ln y + ln zWir interessieren uns für . Es ist oder aber mit und :

• ln(y/x) = ln(y)- ln(x)

Page 102: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)• Beispiel:

Wir interessieren uns für ln(528/22). Es ist ln(528/22)=ln(24)=3,178. ln(528/22)=ln 528-ln 22=6,27-3,09=3,178

ln (1/y)= -ln yln zb= b ln z

• Beispiel:ln 153=ln 3375 = 3,52833 ln 15=3*1,1761=3,5283

Eine Rechenregel, die einem das Auflösen von Gleichungen sehr erleichtern kann, ist

ln ex =x

Page 103: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)• Beispiele:

1. Wir wollen vereinfachen und gehen in mehreren Schritten vor:

Page 104: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.4 Logarithmus naturalis (ln)Wir beachten: Der Ausdruck bedeutet nichtln*e, sondern er bedeutet ln(e), also der Logarithmus von e.

Zusammenfassend können wir feststellen, dass die Rechenregeln für Logarithmen dem Umgang mit Potenzen entsprechen. Logarithmen können nur die oben beschriebenen Regeln. Ausdrücke wie ln(x+y) dürfen daher nicht weiter zerlegt werden - auch, wenn uns das manchmal unbefriedigend erscheint.

ln(x+y)<>ln(x)+ln(y)

Page 105: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.9) DefinitionGegeben seien n Elemente. Dann nennt man jede Zusammenstellung dieser nElemente in irgendeiner Anordnung eine Permutation.

Page 106: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.9) DefinitionGegeben seien n Elemente. Dann nennt man jede Zusammenstellung dieser nElemente in irgendeiner Anordnung eine Permutation.Beispiel: drei Elemente a,b,cabc,bac,cab,acb,bca,cba

Page 107: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.9) DefinitionGegeben seien n Elemente. Dann nennt man jede Zusammenstellung dieser nElemente in irgendeiner Anordnung eine Permutation.

(1.4.10) Satz(a) Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl der Permutationen n!

Page 108: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.9) DefinitionGegeben seien n Elemente. Dann nennt man jede Zusammenstellung dieser nElemente in irgendeiner Anordnung eine Permutation.

(1.4.10) Satz(a) Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl der Permutationen n!

Beispiel: Elemente a,b,a; zwei Gruppen a (n1=2), b (n1=1)

aab,aba,baa

Page 109: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.9) DefinitionGegeben seien n Elemente. Dann nennt man jede Zusammenstellung dieser nElemente in irgendeiner Anordnung eine Permutation.

(1.4.10) Satz(a) Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl der Permutationen n!(b) Für n Elemente, die aus r Gruppen zu je n1, ..., nr (n = n1+ ...+ nr) gleichen Elementen bestehen, beträgt die Anzahl der Permutationen

!!!!

21 rnnnn

Page 110: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Auf einer Maschine sollen 8 verschiedene Einzelteile angefertigt werden. Dabei muss vor der Herstellung jedes Einzelteils die Maschine neu eingestellt werden.

Page 111: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Auf einer Maschine sollen 8 verschiedene Einzelteile angefertigt werden. Dabei muss vor der Herstellung jedes Einzelteils die Maschine neu eingestellt werden.

8! =

Page 112: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Auf einer Maschine sollen 8 verschiedene Einzelteile angefertigt werden. Dabei muss vor der Herstellung jedes Einzelteils die Maschine neu eingestellt werden.

8! = 40.320

Es ergeben sich somit 40.320 unterschiedliche Reihenfolgen für die Durchführung der Produktion.

Page 113: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Aus 3 Wagen 1. Klasse, 5 Wagen 2. Klasse und 2 Schlafwagen soll ein Zug von 10 Wagen zusammengestellt werden.

Page 114: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Aus 3 Wagen 1. Klasse, 5 Wagen 2. Klasse und 2 Schlafwagen soll ein Zug von 10 Wagen zusammengestellt werden.

Es gibt hierbei also Gruppen von je 3, 5 und 2 gleichen Wagen, so dass sich insgesamt

2520!2!5!3

!10

verschiedene Arten der Zusammenstellung ergeben.

Page 115: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.11) DefinitionJede Zusammenstellung von k Elementen aus ngegebenen Elementen bezeichnet man als eineKombination der k- ten Ordnung.Die Anzahl der Kombinationen hängt natürlich davon ab,ob es auf die Reihenfolge der Elemente ankommt oder oballe Elemente verschieden sein müssen.

(1.4.12) Definition (Mit Berücksichtigung der Anordnung und ohne Wiederholung)

Gegeben seien n verschiedene Elemente. Dann beträgtdie Anzahl der Kombinationen k- ter Ordnung mitBerücksichtigung der Anordnung und ohne Wiederholung:

n*(n -1)*(n - 2)* ... * (n - k + 1) = !!

! kkn

knn

Page 116: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Ein 20-köpfiger Aufsichtsrat bestimmt aus seiner Mitte einen Vorsitzenden und seinen Stellvertreter.

Page 117: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Ein 20-köpfiger Aufsichtsrat bestimmt aus seiner Mitte einen Vorsitzenden und seinen Stellvertreter.

Da es hierbei auf die Reihenfolge ankommt und kein Mitglied beide Funktionen gleichzeitig ausüben kann, gibt es

3802019!18!20

!220!20

verschiedene Besetzungsmöglichkeiten.

Page 118: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.13) Satz (ohne Berücksichtigung der Anordnung und ohne Wiederholung)

Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl derKombinationen k- ter Ordnung ohne Berücksichtigung der

Anordnung und ohne Wiederholung .

kn

Page 119: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beim Zahlenlotto sind aus 49 verschiedenen Zahlen 6 anzukreuzen, wobei die Reihenfolge dieser Zahlen gleichgültig ist.

Page 120: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beim Zahlenlotto sind aus 49 verschiedenen Zahlen 6 anzukreuzen, wobei die Reihenfolge dieser Zahlen gleichgültig ist.

Es gibt deshalb dafür

649

Page 121: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beim Zahlenlotto sind aus 49 verschiedenen Zahlen 6 anzukreuzen, wobei die Reihenfolge dieser Zahlen gleichgültig ist.

Es gibt deshalb dafür

649

=13.983.816 Möglichkeiten.

3

49

Will man dagegen 3 Zahlen ankreuzen, so beträgt die Anzahl der Möglichkeiten nur

Page 122: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Beim Zahlenlotto sind aus 49 verschiedenen Zahlen 6 anzukreuzen, wobei die Reihenfolge dieser Zahlen gleichgültig ist.

Es gibt deshalb dafür

649

=13.983.816 Möglichkeiten.

3

49=18.424.

Will man dagegen 3 Zahlen ankreuzen, so beträgt die Anzahl der Möglichkeiten nur

Page 123: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

1.4.5 Permutation und Kombination

(1.4.13) Satz (Mit Berücksichtigung der Anordnung und ohne Wiederholung)

Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl derKombinationen k- ter Ordnung ohne Berücksichtigung der Anordnung und ohne Wiederholung .

(1.4.14) Satz (Mit Berücksichtigung der Anordnung und Wiederholung)

Gegeben seien n verschiedene Elemente. Dann beträgt dieAnzahl der Kombinationen k- ter Ordnung mitBerücksichtigung der Anordnung und mit Wiederholungen nk.

(1.4.15) Satz (ohne Berücksichtigung der Anordnung und mit Wiederholung)

Für n verschiedene Elemente beträgt die Anzahl der Kombinationen k- ter Ordnung ohne Berücksichtigung der Anordnung und mit Wiederholung .

kn

kkn 1

Page 124: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Bei der Beurteilung der Klangqualität von 10 Lautsprecher-Boxen verschiedener Hersteller wird so verfahren, dass die Tester jeweils einen Hörvergleich zwischen 2 Boxen-Paaren vornehmen. Um die Objektivität der Tester zu überprüfen, soll auch jeweils ein Hörvergleich zwischen zwei Boxen-Paaren des gleichen Fabrikats stattfinden.

Page 125: 1.4 Rechenregeln mit reellen Zahlen - Arithmetik von Prof. Dr. Dr. Heribert Popp, TH Deggendorf

Bei der Beurteilung der Klangqualität von 10 Lautsprecher-Boxen verschiedener Hersteller wird so verfahren, dass die Tester jeweils einen Hörvergleich zwischen 2 Boxen-Paaren vornehmen. Um die Objektivität der Tester zu überprüfen, soll auch jeweils ein Hörvergleich zwischen zwei Boxen-Paaren des gleichen Fabrikats stattfinden.

Da es hierbei nicht auf die Reihenfolge ankommt und Wiederholungen zugelassen sind, muss jeder Tester insgesamt

552

112

1210

Hörvergleiche durchführen.