Resumo
Esta aula abre a passagem do pontual ao global. A continuidade num ponto só controla a função perto desse ponto; o teorema de Weierstrass afirma que, se a função é contínua em todos os pontos de um intervalo fechado e limitado, ela é limitada em todo o intervalo e atinge nele um valor máximo e um valor mínimo. Ambas as afirmações se demonstram com o axioma da completude, por meio do supremo, como o teorema de Bolzano: a limitação, com o supremo dos pontos até os quais a função é limitada e a limitação local da aula sobre limite e continuidade; a existência do máximo, com o supremo dos valores e uma função auxiliar que seria contínua e ilimitada se esse supremo não fosse atingido. A aula mostra com contraexemplos que nenhuma hipótese pode ser suprimida, deduz que a imagem de um intervalo fechado e limitado é outro intervalo do mesmo tipo e que, se a função assume o mesmo valor nos extremos do intervalo, um de seus extremos é atingido no interior, e aplica o teorema a funções positivas, periódicas e definidas em toda a reta.
Objetivos de aprendizagem
- Distinguir o supremo dos valores de uma função de seu valor máximo, e expressar com quantificadores que uma função atinge seu máximo ou seu mínimo em um conjunto.
- Demonstrar com o axioma da completude que uma função contínua em um intervalo fechado e limitado é limitada e atinge seu máximo e seu mínimo.
- Mostrar com contraexemplos que o teorema falha se o intervalo não é fechado, se não é limitado ou se a função não é contínua, e reconhecer que suas hipóteses são suficientes, não necessárias.
- Usar o teorema, junto com o do valor intermediário e os limites no infinito, para encontrar a imagem de um intervalo fechado e limitado e para provar que uma função atinge seus extremos em domínios que não são intervalos fechados e limitados.
Máximo, mínimo e supremo de uma função
As duas unidades precedentes estudaram as funções em um ponto: o limite, a continuidade e a derivada descrevem o que ocorre perto de . Muitas perguntas, em contrapartida, referem-se a todo um conjunto: qual é o maior valor que uma função assume em um intervalo, se existe algum, ou em que ponto ele é atingido. A função em não tem um valor maior que todos os demais: para cada do intervalo, o número também está nele, e é maior. Seus valores se aproximam de sem alcançá-lo. Convém, portanto, separar duas noções: a menor cota superior dos valores, que existe assim que os valores são limitados, e o valor máximo, que é um valor da função.
Sejam uma função definida em um conjunto e um subconjunto não vazio de . Diz-se que é limitada superiormente em se existe um número tal que para todo de ; limitada inferiormente, se existe tal que para todo de ; e limitada, se o é de ambos os modos, isto é, se existe tal que para todo de . Diz-se que atinge seu máximo em em um ponto de se o valor não é superado por nenhum outro valor de em , e que atinge seu mínimo em se não há em um valor menor:
O número é o valor máximo (ou o valor mínimo) de em , e escreve-se (ou ); o ponto é um ponto de máximo (ou de mínimo).
O valor máximo, se existe, é único, porque dois valores máximos seriam cada um maior ou igual ao outro; o ponto de máximo pode não sê-lo: o cosseno atinge seu máximo em em três pontos, , e . A aula sobre máximos e mínimos chamará absolutos esses extremos, para distingui-los dos locais, que só comparam com os valores próximos.
Se é limitada superiormente em , o conjunto de seus valores, , não é vazio e é limitado superiormente; pelo axioma da completude, lembrado na aula sobre a reta real, ele tem um supremo, que se escreve . A relação entre as duas noções é simples: atinge seu máximo em se e somente se o supremo de seus valores é um deles, e então ambos coincidem. De fato, se é o valor máximo, é uma cota superior de que pertence a , e nenhum número menor pode ser cota superior; reciprocamente, se o supremo é um valor , nenhum valor o supera. A função em é limitada, seu supremo é e ela não o atinge; seu ínfimo é e ela tampouco o atinge. O teorema de Weierstrass dá condições sob as quais isso não ocorre.
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