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Aus Konkavitätät, f(0)=0 und f(x)>0 folgt Isotonie

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Tags: Differentiation, Funktion

 
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manjul

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17:53 Uhr, 08.05.2024

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Hallo, hat jemand einen Tipp oder Lösungsvorschlag zu der folgenden Aufgabe?
Sei f:R —> R (positive reelle Zahlen auf positive reelle Zahlen mit 0) konkav mit f(0)=0 und f(x)>0 für x>0. Zeige f ist monoton wachsend.
Danke schonmal im Voraus!

Für alle, die mir helfen möchten (automatisch von OnlineMathe generiert):
"Ich möchte die Lösung in Zusammenarbeit mit anderen erstellen."
Hierzu passend bei OnlineMathe:
Funktion (Mathematischer Grundbegriff)

Online-Übungen (Übungsaufgaben) bei unterricht.de:
 
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Antwort
HAL9000

HAL9000

18:18 Uhr, 08.05.2024

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Beweis indirekt:

Wenn f nicht monoton wachsend ist, muss es x1<x2 mit f(x1)>f(x2) geben. Davon ausgehend kann man mit Hilfe der Konkavität ein x3 konstruieren mit f(x3)<0, was im Widerspruch zur Voraussetzung steht.

manjul

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01:46 Uhr, 09.05.2024

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Danke für den Hinweis.
Ich dachte mir ich fange mit 0=f(0)< an und versuche die Null anders zu schreiben, um die konkavität zu verwenden, allerdings komme ich da nicht weiter. Wenn man annimmt, dass es x1 und x2,x1<x2 gibt mit f(x1)>f(x2), muss das ja auch eine Rolle spielen, also sollte das x3 was schließlich auf f angewandt <0 ergeben soll auch in einer Art von x1 oder x2 abhängen oder?
Wie konstruiere ich nun aber das x3?

manjul

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01:46 Uhr, 09.05.2024

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Danke für den Hinweis.
Ich dachte mir ich fange mit 0=f(0)< an und versuche die Null anders zu schreiben, um die konkavität zu verwenden, allerdings komme ich da nicht weiter. Wenn man annimmt, dass es x1 und x2,x1<x2 gibt mit f(x1)>f(x2), muss das ja auch eine Rolle spielen, also sollte das x3 was schließlich auf f angewandt <0 ergeben soll auch in einer Art von x1 oder x2 abhängen oder?
Wie konstruiere ich nun aber das x3?

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HAL9000

HAL9000

08:54 Uhr, 09.05.2024

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Nehmen wir die x1,x2 aus der Annahme, dann gilt für alle x3>x2 gemäß Konkavitätsungleichung

f(λx1+(1-λ)x3)λf(x1)+(1-λ)f(x3) für alle 0<λ<1,

speziell auch für λ=x3-x2x3-x1, das bedeutet dann eingesetzt und umgeformt

(x3-x1)f(x2)(x3-x2)f(x1)+(x2-x1)f(x3)

(x2-x1)f(x3)x3(f(x2)-f(x1))-x1f(x2)+x2f(x1)

D.h., es gilt

f(x3)mx3+n mit m=f(x2)-f(x1)x2-x1 sowie n=-x1f(x2)+x2f(x1),

und der obigen Annahme wegen ist der Geradenanstieg m negativ. Wählen wir nun einfach x3=max{-n+1m,x2+1}, dann folgt f(x3)-1, Widerspruch.

P.S.: Voraussetzung f(0)=0 wird für den Beweis nicht benötigt.
Frage beantwortet
manjul

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16:25 Uhr, 11.05.2024

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Danke dir vielmals!