Josef Leydold


Mathematik für Ökonomen

Die formalen Grundlagen der Wirtschaftswissenschaften


Inhaltsverzeichnis


Vorwort ..... i

Grundlagen ..... 1

   1   Logik ..... 1
         1.1   Aussagen und Aussageverknüpfungen ..... 1

   2   Mengen und Abbildungen ..... 5
         2.1   Was sind Mengen? ..... 5
         2.2   Mengenverknüpfungen ..... 7
         2.3   Was ist eine Abbildung? ..... 10
               2.3.1   Spezielle Abbildungen ..... 12
               2.3.2   Die inverse Abbildung ..... 12

Lineare Algebra ..... 15

   3   Lineare Gleichungssysteme ..... 15
         3.1   Ein einfaches Leontief-Modell ..... 15
         3.2   Was ist ein lineares Gleichungssystem? ..... 16
         3.3   Das Gaußsche Eliminationsverfahren ..... 17

   4   Matrizen und Vektoren ..... 22
         4.1   Was ist eine Matrix? ..... 22
               4.1.1   Spezielle Matrizen ..... 23
         4.2   Rechenoperationen mit Matrizen ..... 24
               4.2.1   Gleichheit zweier Matrizen ..... 24
               4.2.2   Skalarmultiplikation ..... 25
               4.2.3   Addition zweier Matrizen ..... 25
               4.2.4   Multiplikation zweier Matrizen ..... 25
               4.2.5   Potenzen einer Matrix ..... 27
         4.3   Was ist ein Vektor? ..... 27
               4.3.1   Eine geometrische Interpretation ..... 28
               4.3.2   Punkte und Ortsvektoren ..... 29
               4.3.3   Norm und inneres Produkt ..... 29
         4.4   Matrixdarstellung ..... 31
         4.5   Lineare Unabhängigkeit und Rang einer Matrix ..... 32
               4.5.1   Was heißt linear unabhängig? ..... 32
               4.5.2   Der Rang einer Matrix ..... 35
               4.5.3   Koeffizientenmatrix und erweitere Koeffizientenmatrix ..... 36
         4.6   Die inverse Matrix ..... 37
               4.6.1   Was ist die inverse Matrix? ..... 37
               4.6.2   Wann existiert die inverse Matrix? ..... 38
               4.6.3   Berechnung der inversen Matrix ..... 38
         4.7   Matrixgleichungen ..... 40
               4.7.1   Rechengesetze für Matrizen ..... 40
               4.7.2   Gleichungen mit Matrizen ..... 41

   5   Vektorräume ..... 45
         5.1   Was ist ein Vektorraum? ..... 45
         5.2   Basis, Dimension und Basiswechsel ..... 47
               5.2.1   Basiswechsel ..... 49
               5.2.2   Versuch einer Motivation ..... 51
         5.3   Lineare Abbildungen ..... 51
               5.3.1   Matrizen und lineare Abbildungen ..... 51
               5.3.2   Lineare Abbildung und Rang einer Matrix ..... 52
               5.3.3   Rechenregeln für Matrizen aus der Sicht linearer Abbildungen ..... 53
               5.3.4   Ähnliche Matrizen ..... 54
               5.3.5   Ein Beispiel ..... 55

   6   Determinanten ..... 57
         6.1   Was ist eine Determinante? ..... 57
               6.1.1   Die Idee ..... 57
               6.1.2   Die Ausführung ..... 58
         6.2   Eigenschaften der Determinante ..... 59
         6.3   Die Berechnung der Determinante ..... 61
               6.3.1   (2x2)-Matrizen ..... 61
               6.3.2   Die Regel von Sarrus ..... 62
               6.3.3   Der Laplace'sche Entwicklungssatz ..... 62
               6.3.4   Umformen in Dreiecksmatrix ..... 63
         6.4   Determinante und Inverse ..... 63
               6.4.1   Die inverse Matrix ..... 63
               6.4.2   Die Cramersche Regel ..... 65

   7   Eigenwerte und Eigenvektoren ..... 67
         7.1   Was sind Eigenwerte und Eigenvektoren? ..... 67
         7.2   Berechnung der Eigenwerte und Eigenvektoren ..... 68
               7.2.1   Die Eigenwerte ..... 68
               7.2.2   Die Eigenvektoren ..... 69
         7.3   Eine geometrische Interpretation ..... 71
         7.4   Diagonalisieren ..... 71
               7.4.1   Eigenwerte und ähnliche Matrizen ..... 71
               7.4.2   Diagonalisieren von symmetrischen Matrizen ..... 72
         7.5   Einige Eigenschaften von Eigenwerten ..... 74
         7.6   Quadratische Formen ..... 74

Analysis ..... 80

   8   Reihen und ihre Folgen ..... 80
         8.1   Was sind Folgen und Reihen? ..... 80
               8.1.1   Folgen ..... 80
               8.1.2   Reihen ..... 82
         8.2   Grenzwerte und ihre Berechnung ..... 82
         8.3   Arithmetische und geometrische Folgen ..... 84
         8.4   Zinsen, Renten und Kredite ..... 85
               8.4.1   Zinsenrechnung ..... 85
               8.4.2   Rentenrechnung (nachschüssig) ..... 87
               8.4.3   Tilgungsrechnung ..... 88

   9   Funktionen ..... 92
         9.1   Reelle Funktionen ..... 92
               9.1.1   Elementare Funktionen ..... 92
         9.2   Wie zeichne ich einen Graphen? ..... 95
         9.3   Ist f injektiv und surjektiv? ..... 98
         9.4   Die inverse Funktion ..... 99
         9.5   Limiten ..... 101
         9.6   Stetigkeit ..... 103

   10   Differentialquotient und Ableitung ..... 108
         10.1   Was ist der Differentialquotient? ..... 108
               10.1.1   Eine graphische Interpretation ..... 110
               10.1.2   Änderungsrate und Grenzfunktion ..... 110
               10.1.3   Wann existiert der Differentialquotient? ..... 112
               10.1.4   Die Berechnung des Differentialquotienten ..... 113
         10.2   Die Ableitungen einer Funktion ..... 113
               10.2.1   Differentiationsregeln ..... 114
               10.2.2   Höhere Ableitungen ..... 115
         10.3   Monotonie und Krümmungsverhalten ..... 116
               10.3.1   Die Monotonie ..... 116
               10.3.2   Die Krümmung ..... 117
         10.4   Lokale und globale Extremwerte ..... 118
               10.4.1   Berechnung der lokalen Extrema ..... 119
               10.4.2   Berechnung der globalen Extrema ..... 121
         10.5   Das Differential ..... 123
         10.6   Die Elastizität ..... 124
         10.7   Die Regel von de l'Hôspital ..... 127

   11   Taylorreihen ..... 132
         11.1   Was sind Taylorreihen? ..... 132
         11.2   Taylorreihen als Funktionen ..... 138
         11.3   Taylorreihen und stationäre Punkte ..... 138

   12   Stammfunktion und Integral ..... 142
         12.1   Was ist eine Stammfunktion? ..... 142
               12.1.1   Integrationsverfahren ..... 143
         12.2   Was ist ein Integral? ..... 145
               12.2.1   Integrationsverfahren ..... 147
               12.2.2   Einige Eigenschaften von Integralen ..... 147
               12.2.3   Das uneigentliche Integral ..... 148

   13   Funktionen in mehreren Variablen ..... 151
         13.1   Was sind Funktionen in mehreren Variablen? ..... 151
         13.2   Die Ableitung ..... 153
               13.2.1   Partielle Ableitungen ..... 153
               13.2.2   Der Gradient ..... 154
               13.2.3   Die Richtungsableitung ..... 155
               13.2.4   Höhere partielle Ableitungen ..... 156
         13.3   Das totale Differential ..... 157
         13.4   Partielle Elastizitäten ..... 158
               13.4.1   Die Kreuzpreiselastizität ..... 158
         13.5   Implizite Funktionen ..... 159
         13.6   Taylorreihen ..... 161

Optimierung ..... 164

   14   Extrema ..... 164
         14.1   Krümmungsverhalten ..... 164
               14.1.1   Konvexe Mengen ..... 164
               14.1.2   Konvexe und Konkave Funktionen -- Die Hesse-Matrix ..... 165
         14.2   Lokale Extrema ..... 168
               14.2.1   Stationäre Punkte ..... 168
               14.2.2   Die Hesse-Matrix ..... 169
         14.3   Globale Extrema ..... 172

   15   Lagrange-Multiplikatoren ..... 175
         15.1   Eine graphische Methode ..... 175
         15.2   Stationäre Punkte -- Die Lagrange-Funktion ..... 176
               15.2.1   Eine Interpretation der Lagrange-Multiplikatoren ..... 179
         15.3   Die geränderte Hesse-Matrix ..... 179

   16   Lineare Optimierung ..... 181
         16.1   Was ist lineare Optimierung? ..... 181
               16.1.1   Ein Beispiel ..... 181
               16.1.2   Das lineare Optimierungsproblem ..... 183
         16.2   Ein graphisches Verfahren ..... 183
               16.2.1   Der zulässige Bereich ..... 184
               16.2.2   Die Isoniveaulinie ..... 184
               16.2.3   Parallelverschieben ..... 185
               16.2.4   Die Lösung ..... 186
               16.2.5   Lösbarkeit eines linearen Optimierungsproblems ..... 186
               16.2.6   Bemerkung über die graphische Methode ..... 188
         16.3   Der Simplex-Algorithmus -- Die Idee ..... 188
               16.3.1   Schlupfvariable ..... 188
               16.3.2   Basislösungen ..... 189
               16.3.3   Der Algorithmus ..... 190
               16.3.4   Das Simplextableau ..... 190
               16.3.5   Umformen des Tableaus -- Pivotschritte ..... 191
               16.3.6   Auswahl der Pivotspalte ..... 193
               16.3.7   Optimale Basislösung ..... 193
               16.3.8   Auswahl der Pivotzeile ..... 193
               16.3.9   Anmerkung ..... 194
         16.4   Der Standard-Simplex-Algorithmus ..... 194
               16.4.1   Aufstellen des Anfangs-Simplex-Tableaus -- Die Standardform ..... 194
               16.4.2   Das Standard-Maximierungsproblem ..... 197
               16.4.3   Das Standard-Minimierungsproblem ..... 199
         16.5   Der Zwei-Phasen-Simplexalgorithmus ..... 200
               16.5.1   1. Phase: Die Suche nach einem Startpunkt ..... 201
               16.5.2   2. Phase: Berechnen des Optimums ..... 203
               16.5.3   Zusammenfassung ..... 204
         16.6   Spezialfälle ..... 204
               16.6.1   Unendlich viele Lösungen ..... 206
               16.6.2   Degenerierte Basislösung ..... 207
               16.6.3   Unbeschränkter zulässiger Bereich ..... 208
               16.6.4   Zulässiger Bereich leer ..... 208

   17   Die Kuhn-Tucker Bedingung ..... 213
         17.1   Eine graphische Methode ..... 213
         17.2   Die Kuhn-Tucker Bedingung ..... 214
         17.3   Der Satz von Kuhn-Tucker ..... 218

Dynamische Analyse ..... 220

   18   Differentialgleichungen ..... 220
         18.1   Was ist eine Differentialgleichung? ..... 220
               18.1.1   Ein einfaches Modell ..... 221
               18.1.2   Die Lösung des Modells ..... 222
         18.2   Differentialgleichungen erster Ordnung ..... 223
               18.2.1   y'(x) = f(x) ..... 223
               18.2.2   y'(x) = f(x) . g(y) -- Methode der Trennung der Variablen ..... 223
               18.2.3   Homogene lineare DG erster Ordnung: y'(x)+a(x) y(x)=0 ..... 224
               18.2.4   Inhomogene lineare DG erster Ordnung: y'(x)+a(x) y(x)=s(x) ..... 224
               18.2.5   Logistische DG: y'(x) - k y(x)(L-y(x)) = 0 ..... 227
         18.3   Differentialgleichungen zweiter Ordnung ..... 230
               18.3.1   Homogene lineare DG zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten: y''(x) + a1 y'(x) + a2 y(x) = 0 ..... 230
               18.3.2   Inhomogene lineare DG zweiter Ordnung mit konstanten Koeffizienten: y''(x) + a1 y'(x) + a2 y(x) = s ..... 234

   19   Differenzengleichungen ..... 237
         19.1   Was ist eine Differenzengleichung? ..... 237
         19.2   Differenzengleichungen erster Ordnung ..... 238
               19.2.1   Iteration ..... 238
               19.2.2   Homogene lineare Differenzengleichungen yt+1+a yt = 0 ..... 239
               19.2.3   Inhomogene lineare Differenzengleichungen yt+1+a yt = s ..... 239
               19.2.4   Ein Cobweb-Model ..... 242
         19.3   Differenzengleichungen zweiter Ordnung ..... 243
               19.3.1   Homogene lineare Differenzengleichungen yt+2+a1 yt+1+a2 yt = 0 ..... 243
               19.3.2   Inhomogene lineare Differenzengleichungen yt+2+a1 yt+1+a2 yt = s ..... 245

Appendizes ..... 248

   A   Terme, Gleichungen und Ungleichungen ..... 248
         A.1   Zahlen ..... 248
         A.2   Terme ..... 250
               A.2.1   Das Summensymbol ..... 250
               A.2.2   Absolutbetrag ..... 251
               A.2.3   Potenzen und Wurzeln ..... 251
               A.2.4   Polynome ..... 253
               A.2.5   Lineare Terme ..... 257
               A.2.6   Rationale Ausdrücke ..... 258
               A.2.7   Exponent und Logarithmus ..... 259
               A.2.8   Sinus und Cosinus ..... 260
         A.3   Gleichungen ..... 262
               A.3.1   Lineare Gleichungen ..... 264
               A.3.2   Betragsgleichungen ..... 264
               A.3.3   Gleichungen mit Exponenten und Logarithmus ..... 265
               A.3.4   Potenzgleichungen ..... 265
               A.3.5   Wurzelgleichungen ..... 266
               A.3.6   Quadratische Gleichungen ..... 266
               A.3.7   Nullstellen von Polynomen ..... 267
               A.3.8   Nullstellen eines Produkts ..... 267
               A.3.9   Das Newtonverfahren ..... 268
               A.3.10   Gleichungssysteme in mehreren Variablen ..... 268
         A.4   Ungleichungen ..... 270
               A.4.1   Polynom- und andere Ungleichungen ..... 271
               A.4.2   Betragsungleichungen ..... 272

   B   Komplexe Zahlen ..... 275

      Lösungen ..... 281

      Kleines Wörterbuch ..... 301

      Register zum kleinen Wörterbuch ..... 311

      Bücherliste ..... 315

      Symbolverzeichnis ..... 321

      Index ..... 325


© 12. Februar 1998, Josef.Leydold@statistik.wu-wien.ac.at
Abteilung für angewandte Statistik und Datenverarbeitung