Betragsfunktion

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Verlauf der Absolutbetragsfunktion auf $\R$

In der Mathematik ordnet die Betragsfunktion einer reellen oder komplexen Zahl ihren Abstand zur Null zu. Dieser sogenannte absolute Betrag, Absolutbetrag oder auch schlicht Betrag ist immer eine nichtnegative, reelle Zahl. Der Betrag einer Zahl $x$ wird meist mit $| x |$ , seltener mit $\operatorname{abs}(x)$ bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

1 Reelle Betragsfunktion
2 Komplexe Betragsfunktion
3 Eigenschaften
4 Beispiele
5 Betrag und Metrik
6 Verallgemeinerung: Betrag und Bewertung
7 Weitere Verallgemeinerungen

[Bearbeiten] Reelle Betragsfunktion

Den absoluten Betrag einer reellen Zahl erhält man durch Weglassen des Vorzeichens. Auf der Zahlengerade bedeutet der Betrag den Abstand der gegebenen Zahl von der Null.

Für eine reelle Zahl $x$ gilt:

$|x| = \begin{cases} \ \;\,\ \ x &\mathrm{f\ddot ur}\ x \ge 0\\ \ \;\, -x &\mathrm{f\ddot ur}\ x < 0 \end{cases}$

[Bearbeiten] Komplexe Betragsfunktion

Für eine komplexe Zahl $z=x+\mathrm{i}\,y$ definiert man

$|z| = \sqrt{z \cdot \bar z} = \sqrt{(x + \mathrm{i}\,y) \cdot (x - \mathrm{i}\,y)} = \sqrt{x^2 + y^2}$ ,

wobei $\bar z$ die komplex Konjugierte von $z$ bezeichnet. Ist $z$ reell, stimmt diese Definition mit der oberen überein.

Veranschaulicht man die komplexen Zahlen mithilfe der gaußschen Zahlenebene, so entspricht diese Definition nach dem Satz des Pythagoras dem Abstand der Zahl $z$ von der Null.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Die reelle Betragsfunktion $|\cdot|: \; \Bbb R\to \R_0^+, \; x\mapsto |x|$ ist überall stetig, jedoch an der Stelle 0 nicht

differenzierbar. Sie ist aber schwach differenzierbar und ihre schwache Ableitung stimmt fast überall mit der Signumfunktion überein.

Die komplexe Betragsfunktion $|\cdot|: \; \Bbb C\to \R_0^+, \; z\mapsto |z|$ ist überall stetig und nirgends differenzierbar, da die

Cauchy-Riemann-Differentialgleichungen nicht erfüllt sind.

Definitionsbereich: Die Betragsfunktion ist auf ganz $\C$ definiert.
Die einzige Nullstelle ist |0| = 0.
Für alle x gilt: $x = | x | * sgn(x)$ , wobei $sgn(x)$ die Signumfunktion bezeichnet.

[Bearbeiten] Beispiele

$|+7| = 7 \,$

$|-8| = -(-8) = 8 \,$

$|3+4\mathrm{i}| = \sqrt{(3+4\mathrm{i}) \cdot (3-4\mathrm{i})} = \sqrt{3^2 - (4\mathrm{i})^2} = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{25} = 5$

Gleichung mit Absolutbetrag: Gesucht sind alle Zahlen $x\in\R$ , welche die Gleichung $|x+3| = 5 \,$ erfüllen.

Man rechnet wie folgt:

$|x+3| = 5 \,$

$\Leftrightarrow x+3 = 5 \text{ oder } x+3 = -5$

$\Leftrightarrow x = 5-3 \text{ oder } x = -5-3$

$\Leftrightarrow x = 2 \text{ oder } x = -8$

Die Gleichung wird also genau durch 2 und -8 gelöst.

[Bearbeiten] Betrag und Metrik

Über den Betrag kann man eine Abstandsfunktion (Metrik) definieren: Der Abstand $d (x, y)$ zweier Zahlen $x$ und $y$ ist der Betrag ihrer Differenz $| x - y |$ .

Ist der Betrag nichtarchimedisch (siehe unten), dann ist die erzeugte Metrik eine Ultrametrik.

[Bearbeiten] Verallgemeinerung: Betrag und Bewertung

Verallgemeinert spricht man von einem Betrag, wenn eine Funktion |·| von einem Körper K in die reellen Zahlen folgende Eigenschaften erfüllt:

$|x| \geq 0$ für alle $x$ und $| x | = 0$ genau dann, wenn $x = 0$ .
$|x| \cdot |y| = |x \cdot y|$ für alle $x, y$
$|x + y| \leq |x| + |y|$ (die Dreiecksungleichung)

Gilt zudem

4. $|x + y|\leq\max(|x|,|y|)$

so spricht man von einem ultrametrischen oder nichtarchimedischen, andernfalls von einem archimedischen Betrag. Die oben genannte Betragsfunktion auf den reellen bzw. komplexen Zahlen ist archimedisch. Da 3. aus 4. folgt, nennt man 4. auch die verschärfte Dreiecksungleichung. Nichtarchimedische Beträge spielen eine wichtige Rolle in der Theorie der p-adischen Zahlen.

Hat man einen nichtarchimedischen Betrag |·|, und wählt eine reelle Zahl b > 1, dann hat die Funktion $v\colon K\to\R\cup\{\infty\}$ mit
$v (x) = - log b | x |$ für $| x | > 0$ und $v (0) = 0$ folgende Eigenschaften: