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Aufgabe: Vollständige Induktion

Zeigen Sie, dass für natürliche Zahlen k gilt

k!= \( \int\limits_{0}^{\infty} \) xk*e-x  dx

Ansatz:

Induktionsbehauptung:

k!= \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k)*e^(-x)  dx

Induktionsanfang:

Es sei zu zeigen, dass k=0 die Gleichung erfüllt.

Links: 0!=1

Rechts: \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k)*e^(-x)  dx

-> partielle Integration

f'(x)=x^k

g(x)=e^(-x)

f'(x)g(x)- \( \int\limits_{0}^{\infty} \) f(x)g'(x) dx

x^k*e^(-x) - \( \int\limits_{0}^{\infty} \)  x^(k)*(-e^(-x))

x^(k)*e^(-x)   +x^(k+1)/((k+1)*e^(-x))

e^(-x)*(x^(k+1) / k+1)

folglich rechts x^0*e^(-0)= 1?

Induktionsschritt:

Das wäre mein bisheriger Ansatz bzw. soweit bin ich gekommen. Könnte mir jemand bitte weiterhelfen?

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Der Anfang ist ok

Induktionsanfang: Es sei zu zeigen, dass k=0 die Gleichung erfüllt.

Links: 0!=1

Rechts:   ABER HIER IST WAS FALSCH:

 \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k)*e^(-x)  dx

Es ist doch k=0  !!!!, also

 \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^0*e^(-x)  dx

 \(= \int\limits_{0}^{\infty} \) e^(-x)  dx

Und um das auszurechnen machst du erst mal

 \( \int\limits_{0}^{z} \) e^(-x)  dx

= - e ^(-x)  in den Grenzen von 0 bis z

= -e^(-z)  -  ( -e^0  )

= -e^(-z)  + 1

Der 1. Summand geht für z gegen unendlich gegen 0,

also ist der Grenzwert 1, also

 \( \int\limits_{0}^{\infty} \) e^(-x)  dx = 1

partielle Integration brauchst du beim Induktionsschritt !

Avatar von 287 k 🚀

ich habe meine gestrige Rechnung überarbeitet.

\( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^0*e^(-x)=\( \int\limits_{0}^{\infty} \)  e^(-x) dx

= [-e^(-x)] mit den Integrationsgrenzen 0 bis unendlich

= - Unendlich -(-1)

=0+1=1

Ich habe es so aufgeschrieben, um für den rechten Term k=0 zu zeigen. Würde das auch so funktionieren?

beim Induktionsschritt hätte ich:


IA gilt für k=k+1

(k+1)! = \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k+1)*e^(-x) dx


Das muss ich nun integrieren auf der rechten Seite?

komme für die rechte Seite auf:

x^(k+1)*e^(-x)-\( \int\limits_{0}^{\infty} \) k*x^k*e^(-x) dx

=x^(k+1)*e^(-x)-k*x^(k+1)/(k+1) *(-e^(-x))

= die Stammfunktion: x^(k+1)*e^(-x)+k*x^(k+1)/(k+1)*e^(-x) dx in den Grenzen von 0 bis Unendlich

e^(-x) kann man ausklammern

e^(-x)*(x^(k+1)*k*x^(k+1)/(k+1)

Ist der Ansatz so ungefähr richtig? 

Könnte mir da jemand behilflich sein? :D

Das muss ich nun integrieren auf der rechten Seite?

Ja genau, und mal erst von 0 bis z und nachher

Grenzwert für z gegen unendlich.

Das stimmt bei dir aber nicht ganz, eher so

$$\int\limits_{0}^{z} x^{k+1}*e^{-x} dx$$
$$=[x^{k+1}*(-e^{-x})]_{0}^{z}  - \int\limits_{0}^{z} (k+1)*x^{k}*(-e^{-x}) dx$$
$$=z^{k+1}*(-e^{-z})-0  +(k+1)\int\limits_{0}^{z} x^{k}*e^{-x} dx$$
Und wenn du das jetzt für z gegen unendlich betrachtest
geht der 1. Summand gegen 0 ( e^z wächst schneller als Potenzen von z)
und das Integral geht nach Ind.vor. gegen k!, also hast du
= 0  + (k+1)*k!   =  (k+1)!    q.e.d.

Gibt es da eine Regel bei der man weiss, was für die partielle Integration f'(x) und g(x) sein müssen oder existiert keine pauschale Regel?

Man muss es immer so auswählen, dass das neu entstehende

Integral "einfacher" wird.

Manchmal ist das auf den ersten Blick gar nicht zu erkennen.

Du hast g(x)=e^(-x) so gewählt, dass es am Anfang der abgeleitete Teil ist und du später integrieren musst. f(x)=x^(k+1) bleibt dagegen zu Beginn als f(x) und muss nur abgeleitet werden?

warum wäre es nicht sinnvoll diese Terme anders herum zu wählen?

f'(x)= e^(-x) und g(x}=x^(k+1)?

weil durch das Ableiten von x^(n+1) etwas entsteht, auf das

ich die Induktionsvoraussetzung anwenden kann.

der induktionsschluss müsste dann aber doch lauten


k!=(k+1)!

was aber nicht stimmen würde?

es war nämlich nach k!=.... gefragt?

Du hast doch selber geschrieben (vor 10h)

beim Induktionsschritt hätte ich:

IA gilt für k=k+1


(k+1)! = \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k+1)*e^(-x) dx

ja, wenn beliebige natürliche Zahlen k die Gleichung oben in der Aufgabe (s. Fragestellung) erfüllen, dann gilt dies auch für den Nachfolger und habe deshalb bei der Induktionsannahme für k=k+1 eingesetzt?

Muss man aber beim Induktionsschluss nicht dann k!=... hinschreiben, weil es darum ja bei der Aufgabe geht? (s. Frage)

… dann gilt dies auch für den Nachfolger …

heißt doch hier:  Das Integral mit k+1 als Exponent

bei x hat den Wert (k+1)!.

Überall konsequent k+1 statt k

wurde doch aber so gemacht, oder nicht?

Eben, deshalb ist doch alles richtig.

und dadurch ist auch automatisch die Behauptung?

k! = \( \int\limits_{0}^{\infty} \) x^(k)*e^(-x) dx bewiesen?

eben durch die Relation

(k+1)! = (k+1)*k!

?

Das käme in den Induktionsschluss?

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