Resumen
Esta clase abre el paso de lo puntual a lo global. La continuidad en un punto solo controla la función cerca de ese punto; el teorema de Weierstrass afirma que, si la función es continua en todos los puntos de un intervalo cerrado y acotado, está acotada en todo el intervalo y alcanza en él un valor máximo y un valor mínimo. Ambas afirmaciones se demuestran con el axioma de completitud, a través del supremo, como el teorema de Bolzano: la acotación, con el supremo de los puntos hasta los cuales la función está acotada y la acotación local de la clase sobre límite y continuidad; la existencia del máximo, con el supremo de los valores y una función auxiliar que sería continua y no acotada si ese supremo no se alcanzara. La clase muestra con contraejemplos que ninguna hipótesis puede suprimirse, deduce que la imagen de un intervalo cerrado y acotado es otro intervalo del mismo tipo y que, si la función vale lo mismo en los extremos, uno de sus extremos se alcanza en el interior, y aplica el teorema a funciones positivas, periódicas y definidas en toda la recta.
Objetivos de aprendizaje
- Distinguir el supremo de los valores de una función de su valor máximo, y expresar con cuantificadores que una función alcanza su máximo o su mínimo en un conjunto.
- Demostrar con el axioma de completitud que una función continua en un intervalo cerrado y acotado está acotada y alcanza su máximo y su mínimo.
- Mostrar con contraejemplos que el teorema falla si el intervalo no es cerrado, si no es acotado o si la función no es continua, y reconocer que sus hipótesis son suficientes, no necesarias.
- Usar el teorema, junto con el del valor intermedio y los límites en el infinito, para hallar la imagen de un intervalo cerrado y acotado y para probar que una función alcanza sus extremos en dominios que no son intervalos cerrados y acotados.
Máximo, mínimo y supremo de una función
Las dos unidades anteriores estudiaron las funciones en un punto: el límite, la continuidad y la derivada describen lo que ocurre cerca de . Muchas preguntas, en cambio, se refieren a todo un conjunto: cuál es el mayor valor que toma una función en un intervalo, si existe alguno, o en qué punto se alcanza. La función en no tiene un valor mayor que todos los demás: para cada del intervalo, el número también está en él, y es mayor. Sus valores se acercan a sin alcanzarlo. Conviene, por tanto, separar dos nociones: la cota más pequeña de los valores, que existe en cuanto los valores están acotados, y el valor máximo, que es un valor de la función.
Sean una función definida en un conjunto y un subconjunto no vacío de . Se dice que está acotada superiormente en si existe un número tal que para todo de ; acotada inferiormente, si existe tal que para todo de ; y acotada, si lo está de ambos modos, es decir, si existe tal que para todo de . Se dice que alcanza su máximo en en un punto de si el valor no es superado por ningún otro valor de en , y que alcanza su mínimo en si no hay en un valor menor:
El número es el valor máximo (o el valor mínimo) de en , y se escribe (o ); el punto es un punto de máximo (o de mínimo).
El valor máximo, si existe, es único, porque dos valores máximos serían cada uno mayor o igual que el otro; el punto de máximo puede no serlo: el coseno alcanza su máximo en en tres puntos, , y . La clase sobre máximos y mínimos llamará absolutos a estos extremos, para distinguirlos de los locales, que solo comparan con los valores cercanos.
Si está acotada superiormente en , el conjunto de sus valores, , no es vacío y está acotado superiormente; por el axioma de completitud, recordado en la clase sobre la recta real, tiene un supremo, que se escribe . La relación entre las dos nociones es simple: alcanza su máximo en si y solo si el supremo de sus valores es uno de ellos, y entonces ambos coinciden. En efecto, si es el valor máximo, es una cota superior de que pertenece a , y ninguna cota menor puede serlo; recíprocamente, si el supremo es un valor , ningún valor lo supera. La función en está acotada, su supremo es y no lo alcanza; su ínfimo es y tampoco lo alcanza. El teorema de Weierstrass da condiciones bajo las cuales esto no ocurre.
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