\documentclass[11pt]{article} \usepackage{personal_commands} \usepackage[italian]{babel} \title{\textbf{Note del corso di Analisi Matematica 1}} \author{Gabriel Antonio Videtta} \date{23 e 24 marzo 2023} \begin{document} \maketitle \begin{center} \Large \textbf{Proprietà principali della continuità e dei limiti di funzione} \end{center} \begin{note} Nel corso del documento, per un insieme $X$, qualora non specificato, si intenderà sempre un sottoinsieme generico dell'insieme dei numeri reali esteso $\RRbar$. Analogamente per $f$ si intenderà sempre una funzione $f : X \to \RRbar$. \end{note} \begin{proposition} Dati $f : X \to \RRbar$, $\xbar$ punto di accumulazione di $X$ tale che $\forall \, (x_n) \subseteq X \setminus \{\xbar\} \mid x_n \tendston \xbar$ vale che $f(x_n)$ converge. Allora il limite di $f(x_n)$ è sempre lo stesso, indipendentemente dalla scelta di $(x_n)$. \end{proposition} \begin{proof} Siano per assurdo $(x_n), (y_n) \subseteq X \setminus \{\xbar\}$ due successioni tali che $x_n, y_n \tendston \xbar$ e che $f(x_n) \tendston L$ e $f(y_n) \tendston G$ con $L \neq G$. Si costruisce allora la successione $(z_n) \subseteq X \setminus \{\xbar\}$ nel seguente modo: \[ z_n = \system{x_{\frac{n}{2}} & \text{se } n \text{ è pari}, \\ y_{\frac{n-1}{2}} & \text{altrimenti},} \] \vskip 0.05in ossia unendo le due successioni $(x_n)$ e $(y_n)$ in modo tale che agli indici pari corrispondano gli elementi di $x_n$ e a quelli dispari quelli di $y_n$. \\ Si mostra che $z_n \tendston \xbar$. Sia $I$ un intorno di $\xbar$. Allora, dal momento che $(x_n), (y_n) \tendston \xbar$, esistono sicuramente due $n_x, n_y \in \NN$ tali che $n \geq n_x \implies x_n \in I$ e $n \geq n_y \implies y_n \in I$. Pertanto, detto $n_k = \max\{n_x, n_y\}$, $n \geq n_k \implies x_n, y_n \in I$, ossia che per $n \geq 2 n_k$, $z_n \in I$. Si conclude allora che $(z_n) \tendston \xbar$. \\ Tuttavia $f(z_n)$ non può convergere a nessun limite, dal momento che le due sottosuccessioni $f(x_n)$ e $f(y_n)$ convergono a valori distinti ed il limite deve essere unico. L'esistenza di tale successione contraddice allora l'ipotesi, \Lightning. \end{proof} \begin{proposition} Data $(x_n) \subseteq \RR$, definisco $f : \NN \to \RRbar$ tale che $f(n) := x_n$, $\forall n \in \NN$. Allora $f(n) \tendston L \iff x_n \tendston L$. \end{proposition} \begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\ \rightproof Sia $I$ un intorno di $L$. Allora, poiché $f(n) \tendston L$, esiste un intorno $J = [a, \infty]$ tale che $f(J \cap \NN \setminus \{\infty\}) \subseteq I$. Poiché $\infty$ è un punto di accumulazione di $\NN$, $A = J \cap \NN \setminus \{\infty\}$ non è mai vuoto. Inoltre, poiché $A \subseteq \NN$, $A$ ammette un minimo\footnote{Non è in realtà necessario che si consideri il minimo di tale insieme, occorre semplicemente che $A$ sia non vuoto.}, detto $m$. Vale in particolare che $f(n) \in I$, $\forall n \geq m$, e quindi che $x_n \in I$, $\forall n \geq m$, ossia che $x_n \tendston L$. \\ \leftproof Sia $I$ un intorno di $L$. Dal momento che $x_n \tendston L$, $\exists n_k \in \NN \mid n \geq n_k \implies x_n \in I$. Allora, detto $J = [n_k, \infty]$, vale che $f(J \cap \NN \setminus \{\infty\}) \subseteq I$, ossia che $f(n) \tendston L$. \end{proof} \begin{proposition} Siano $f : X \to \RRbar$, $\xbar \in X$ punto di accumulazione di $X$. Allora sono fatti equivalenti i seguenti: \begin{enumerate}[(i)] \item $f(x) \tendsto{\xbar} f(\xbar)$, \item $f$ è continua in $\xbar$. \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proof} Sia $I$ un intorno di $f(\xbar)$. Dal momento che $\xbar$ è un punto di accumulazione, si ricava allora da entrambe le ipotesi che esiste un intorno $J$ di $f(\xbar)$ tale che $f(J \cap X \setminus \{\xbar\}) \subseteq I$, e quindi, per definizione, la tesi. \end{proof} \begin{remark} Se $\xbar$ è un punto isolato di $X$, allora $f$ è continua in $\xbar$. Pertanto per rendere la proposizione precedente vera, è necessario ipotizzare che $\xbar$ sia un punto di accumulazione (infatti il limite in un punto isolato non esiste per definizione, mentre in tale punto $f$ è continua). \end{remark} \begin{proposition} Siano $f : X \to \RR$ e $\xbar$ punto di accumulazione di $X$. Siano $L \in \RRbar$ e $\tilde{f} : X \cup \{\xbar\} \to \RRbar$ tale che: \[ \tilde{f}(x) = \begin{cases} L & \text{se } x = \xbar, \\ f(x) & \text{altrimenti}. \end{cases} \] \vskip 0.05in Allora $f(x) \tendsto{\xbar} L \iff \tilde{f}$ è continua in $\xbar$. \end{proposition} \begin{proof} Si dimostrano le due implicazioni separatamente. \\ \rightproof Sia $I$ un intorno di $L$. Si ricava allora dalle ipotesi che esiste sempre un intorno $J$ di $\xbar$ tale che $f(\underbrace{J \cap X \setminus \{\xbar\}}_{A}) \subseteq I$. Dal momento che $\xbar \notin A$, si deduce che $f(J \cap X \setminus \{\xbar\}) = \tilde{f}(J \cap X \setminus \{\xbar\}) \subseteq I$, ossia che $\tilde{f}$ è continua in $\xbar$. \\ \leftproof Sia $I$ un intorno di $L$. Poiché $\tilde{f}$ è continua in $\xbar$, esiste un intorno $J$ di $\xbar$ tale che $\tilde{f}(\underbrace{J \cap (X \cup \{\xbar\}) \setminus \{\xbar\}}_{A}) \subseteq I$. Poiché $\xbar \notin A$ e $\xbar$ è punto di accumulazione, si deduce che $I \supseteq \tilde{f}(J \cap (X \cup \{\xbar\}) \setminus \{\xbar\}) = f(J \cap (X \cup \{\xbar\}) \setminus \{\xbar\}) \supseteq f(J \cap X \setminus \{\xbar\})$, e quindi che $f(x) \tendsto{\xbar} L$. \end{proof} \begin{remark} Tutte le funzioni elementari (e.g.~$\sin(x)$, $\cos(x)$, $\exp(x)$, $\ln(x)$, $\abs{x}$, $x^a$) sono funzioni continue nel loro insieme di definizione. \end{remark} \begin{proposition} Siano $f : X \to Y \subseteq \RRbar$ e $g : Y \to \RRbar$ e sia $\xbar \in X$. Sia $f$ continua in $\xbar$ e sia $g$ continua in $f(\xbar)$. Allora $g \circ f$ è continua in $\xbar$. \end{proposition} \begin{proof} Sia $I$ un intorno di $z = g(f(\xbar))$. Allora, poiché $g$ è continua in $f(\xbar)$, $\exists J$ intorno di $f(\xbar)$ $\mid g(J \cap Y \setminus \{f(\xbar)\}) \subseteq I$. Tuttavia, poiché $f$ è continua in $\xbar$, $\exists K$ intorno di $\xbar$ $\mid f(K \cap X \setminus \{\xbar\}) \subseteq J$, da cui si conclude che $g(f(K \cap X \setminus \{\xbar\})) \subseteq I$, dacché $\forall x \in K \cap X \setminus \{\xbar\}$, o $f(x) = f(\xbar)$, e quindi $g(f(x)) = z$ chiaramente appartiene a $I$, o altrimenti $f(x) \in J \cap Y \setminus \{f(\xbar)\} \implies g(f(x)) \in g(J \cap Y \setminus \{f(\xbar)\}) \subseteq I$. \end{proof} \begin{theorem} Sia $f : X \to Y \subseteq \RRbar$, sia $\xbar$ punto di accumulazione di $X$ tale che $f(x) \tendsto{\xbar} \ybar$. Se $\ybar$ è un punto di accumulazione di $Y$ e $g : Y \to \RRbar$ è tale che $\ybar \in Y \implies g$ continua in $\ybar$ e $g(y) \tendstoy{\ybar} \zbar$, allora $g(f(x)) \tendsto{\xbar} \zbar$. \end{theorem} \begin{proof} Siano $\tilde{f} : X \cup \{\xbar\}$, $\tilde{g} : Y \cup \{\ybar\}$ due funzioni costruite nel seguente modo: \[ \tilde{f}(x) = \begin{cases} \ybar & \text{se } x = \xbar, \\ f(x) & \text{altrimenti}, \end{cases} \qquad \tilde{g}(y) = \begin{cases} \zbar & \text{se } y = \ybar, \\ g(y) & \text{altrimenti}. \end{cases} \] Poiché $f(x) \tendsto{\xbar} \ybar$ e $\xbar$ è un punto di accumulazione di $X$, per una proposizione precedente, $\tilde{f}$ è continua in $\xbar$. Analogamente $\tilde{g}$ è continua in $\ybar$. Dal momento che vale che $\tilde{f}(\xbar) = \ybar$, per la proposizione precedente $\tilde{g} \circ \tilde{f}$ è continua in $\xbar$, e dunque $\lim_{x \to \xbar} \tilde{g}(\tilde{f}(x)) = \tilde{g}(\tilde{f}(\xbar)) = \zbar$. \\ Si consideri adesso la funzione $\widetilde{g \circ f} : X \to \RRbar$ definita nel seguente modo: \[ \widetilde{g \circ f}(x) = \begin{cases} \zbar & \text{se } x = \xbar, \\ g(f(x)) & \text{altrimenti}. \end{cases} \] Si mostra che $\widetilde{g \circ f} = \tilde{g} \circ \tilde{f}$. Se $x = \xbar$, chiaramente $\widetilde{g \circ f}(x) = \zbar = \tilde{g}(\tilde{f}(\xbar))$. Se $x \neq \xbar$, si considera il caso in cui $\tilde{f}(x) = f(x)$ è uguale a $\ybar$ ed il caso in cui non vi è uguale. \\ Se $\tilde{f}(x) \neq \ybar$, $\tilde{g}(\tilde{f}(x)) = \tilde{g}(f(x)) \overbrace{=}^{f(x) \neq \ybar} g(f(x)) = \widetilde{g \circ f}(x)$. Se invece $\tilde{f}(x) = \ybar$, $\ybar \in Y$, e quindi $g$ è continua in $\ybar$, da cui necessariamente deriva che $g(\ybar) = \zbar$. Allora $\widetilde{g \circ f}(x) = g(f(x)) = g(\ybar) = \zbar = \tilde{g}(\tilde{f}(\xbar))$. \\ Si conclude allora che $\widetilde{g \circ f} = \tilde{g} \circ \tilde{f}$, e quindi che $\widetilde{g \circ f}$ è continua in $\xbar$. Pertanto, dalla proposizione precedente, $g(f(x)) \tendsto{\xbar} \zbar$. \end{proof} \begin{exercise} Mostrare che tutte le ipotesi della proposizione precedente sono necessarie, fornendo alcuni controesempi. \end{exercise} \begin{proposition} Date $f_1, f_2 : X \to \RR$ continue in $\xbar$. Allora: \begin{enumerate}[(i)] \item $f_1 + f_2$ è continua in $\xbar$, \item $f_1 f_2$ è continua in $\xbar$. \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proof} Si dimostrano i due punti separatamente. \begin{enumerate}[(i)] \item Sia $f := f_1 + f_2$. Poiché $f_1, f_2$ sono continue in $\xbar$, $\forall \eps > 0$, $\exists \delta > 0 \mid \abs{x - \xbar} < \delta \implies \abs{f_1(x) - f_1(\xbar)}, \abs{f_2(x) - f_2(\xbar)} \leq \eps$ (per ogni $\eps > 0$, si prende $\delta = \min\{\delta_1, \delta_2\}$, ossia il minimo delle semilunghezze degli intorni di $\xbar$). Allora $\abs{f(x) - f(\xbar)} \leq \abs{f_1(x) - f_1(\xbar)} + \abs{f_2(x) - f_2(\xbar)} \leq 2\eps$. Si conclude dunque che $\forall \eps > 0$, $\exists \delta > 0 \mid \abs{f(x) - f(\xbar)} \leq 2\eps$, e quindi, poiché $2\eps \tends{\eps \to 0} 0$, che $f$ è continua in $\xbar$. \item Dal momento che $f_1, f_2$ sono continue in $\xbar$, $\forall \eps > 0$, $\exists \delta > 0$ tale che $\abs{x - \xbar} < \delta \implies \abs{f_1(x) - f_1(\xbar)} < \eps, \abs{f_2(x) - f_2(\xbar)} < \eps$ (vale lo stesso ragionamento del punto (i)). Allora $f_1(x) = f_1(\xbar) + e_1$ e $f_2(x) = f_2(\xbar) + e_2$, con $\abs{e_1}, \abs{e_2} < \eps$. Dunque $f_1(x)f_2(x) = f_1(\xbar)f_2(\xbar) + \underbrace{e_1 f_2(\xbar) + e_2 f_1(\xbar) + e_1 e_2}_e$. In particolare, per la disuguaglianza triangolare, $\abs{e} \leq \abs{e_1 f_2(\xbar)} + \abs{e_2 f_1(\xbar)} + \abs{e_1 e_2} \leq \underbrace{\eps \abs{f_2(\xbar)} + \eps \abs{f_1(\xbar)} + \eps^2}_{\eps'}$. Poiché $\eps' \tends{\eps \to 0^+} 0$, si conclude che $\abs{f_1(x) f_2(x) - f_1(\xbar) f_2(\xbar)} = \abs{e} \leq \eps' \implies f_1(x)f_2(x)$ continua in $\xbar$. \end{enumerate} \end{proof} \begin{proposition} Date $f_1, f_2 : X \to \RRbar$, $\xbar$ punto di accumulazione di $X$. Se $\lim_{x \to \xbar} f_1(x) = L_1 \in \RR$ e $\lim_{x \to \xbar} f_2(x) = L_2 \in \RR$, allora valgono i seguenti risultati: \begin{enumerate}[(i)] \item $f_1(x) + f_2(x) \tendsto{\xbar} L_1 + L_2$, \item $f_1(x) f_2(x) \tendsto{\xbar} L_1 L_2$. \end{enumerate} \end{proposition} \begin{proof} Si definiscono preliminarmente le funzioni $\tilde{f_1}$, $\tilde{f_2} : X \cup \{\xbar\} \to \RRbar$ in modo tale che: \[ \tilde{f_1}(x) = \begin{cases} L_1 & \text{se } x = \xbar, \\ f_1(x) & \text{altrimenti}, \end{cases} \qquad \tilde{f_2}(x) = \begin{cases} L_2 & \text{se } x = \xbar, \\ f_2(x) & \text{altrimenti}. \end{cases} \] \vskip 0.05in Si dimostrano allora i due risultati separatamente. \\ \begin{enumerate}[(i)] \item Si definisce $\widetilde{f_1 + f_2} : X \cup \{\xbar\} \to \RRbar$ nel seguente modo: \[ \widetilde{f_1 + f_2}(x) = \system{L_1 + L_2 & \text{se } x = \xbar, \\ f_1(x) + f_2(x) & \text{altrimenti}.} \] La somma $L_1 + L_2$ è ben definita dacché sia $L_1$ che $L_2$ sono elementi di $\RR$. Poiché da una proposizione precedente $\tilde{f_1}$ e $\tilde{f_2}$ sono continue in $\xbar$, $\tilde{f_1} + \tilde{f_2}$ è continua anch'essa in $\xbar$. È sufficiente allora dimostrare che $\widetilde{f_1 + f_2} = \tilde{f_1} + \tilde{f_2}$. Se $x \neq \xbar$, $\widetilde{f_1 + f_2}(x) = f_1(x) + f_2(x) = \tilde{f_1}(x) + \tilde{f_2}(x) = (\tilde{f_1} + \tilde{f_2})(x)$. Se invece $x = \xbar$, $\widetilde{f_1 + f_2}(x) = L_1 + L_2 = \tilde{f_1}(x) + \tilde{f_2}(x) = (\tilde{f_1} + \tilde{f_2})(x)$. Quindi $\widetilde{f_1 + f_2} = \tilde{f_1} + \tilde{f_2}$, e si conclude che $\widetilde{f_1 + f_2}$ è dunque continua in $\xbar$, ossia che $(f_1 + f_2)(x) = f_1(x) + f_2(x) \tendsto{\xbar} L_1 + L_2$. \item Si definisce, analogamente a prima, $\widetilde{f_1 f_2} : X \cup \{\xbar\} \to \RRbar$ nel seguente modo: \[ \widetilde{f_1 f_2}(x) = \system{L_1 L_2 & \text{se } x = \xbar, \\ f_1(x) f_2(x) & \text{altrimenti}.} \] Il prodotto $L_1 L_2$ è ben definito dacché sia $L_1$ che $L_2$ sono elementi di $\RR$. Poiché da una proposizione precedente $\tilde{f_1}$ e $\tilde{f_2}$ sono continue in $\xbar$, $\tilde{f_1} \tilde{f_2}$ è continua anch'essa in $\xbar$. È sufficiente allora dimostrare che $\widetilde{f_1 f_2} = \tilde{f_1}\tilde{f_2}$. Se $x \neq \xbar$, $\widetilde{f_1 f_2}(x) = f_1(x) f_2(x) = \tilde{f_1}(x) \tilde{f_2}(x) = (\tilde{f_1}\tilde{f_2})(x)$. Se invece $x = \xbar$, $\widetilde{f_1 f_2}(x) = L_1 L_2 = \tilde{f_1}(x) \tilde{f_2}(x) = (\tilde{f_1} \tilde{f_2})(x)$. Quindi $\widetilde{f_1 f_2} = \tilde{f_1} \tilde{f_2}$, e si conclude che $\widetilde{f_1 f_2}$ è dunque continua in $\xbar$, ossia che $(f_1 f_2)(x) = f_1(x) f_2(x) \tendsto{\xbar} L_1 L_2$. \end{enumerate} \end{proof} \begin{definition} (intorno destro e sinistro) Se $\xbar \in \RR$, si dicono \textbf{intorni destri} gli intervalli della forma $[\xbar, \xbar + \eps]$ con $\eps > 0$. Analogamente, gli \textbf{intorni sinistri} sono gli intervalli della forma $[\xbar - \eps, \xbar]$. \end{definition} \begin{definition} (punto di accumulazione destro e sinistro) Sia $\xbar \in X$. Si dice che $\xbar$ è un \textbf{punto di accumulazione destro} di $X$ se $\forall I$ intorno destro di $\xbar$, $I \cap X \setminus \{\xbar\} \neq \emptyset$. Analogamente si dice \textbf{punto di accumulazione sinistro} di $X$ se è tale per gli intorni sinistri. \end{definition} \begin{definition} (limite destro e sinistro) Sia $\xbar$ un punto di accumulazione destro di $X$. Allora $\lim_{x \to \xbar^+} f(x) = L \defiff \forall I$ intorno di $L$, $\exists J$ intorno destro di $\xbar$ tale che $f(J \cap X \setminus \{\xbar\}) \subseteq I$. Analogamente si definisce il limite sinistro. \end{definition} \begin{definition} (continuità destra e sinistra) Sia $\xbar \in X$. Allora $f$ è continua a destra in $\xbar$ se e solo se $\forall I$ intorno di $f(\xbar)$, $\exists J$ intorno destro di $\xbar$ tale che $f(J \cap X \setminus \{\xbar\}) \subseteq I$. Analogamente si definisce la continuità a sinistra di $f$. \end{definition} %TODO: aggiungere osservazioni sulla continuità destra e sinistra. \begin{proposition} Sia $f : X \to \RRbar$ monotona e sia $\xbar$ un punto di accumulazione destro di $X$. Allora esiste $\lim_{x \to \xbar^+} f(x)$. Analogamente esiste da sinistra se $\xbar$ è un punto di accumulazione sinistro di $X$. \end{proposition} %TODO: aggiungere funzione discontinua in ogni punto di R. %TODO: l'insieme dei punti di discontinuità per una funzione monotona è al più numerabile (hint: punto medio). \begin{theorem} (della permanenza del segno) Data $(x_n) \subseteq \RR$ tale che $x_n \tendston L > 0$, allora $(x_n)$ è strettamente positiva definitivamente. Analogamente, se $L < 0$, $(x_n)$ è negativa definitivamente. \end{theorem} \begin{proof} Se $L > 0$, allora esiste sicuramente un intorno $I$ di $L$ tale che ogni suo elemento è positivo (e.g.~$I = [\frac{L}{2}, \frac{3L}{2}]$). Dal momento che $x_n \tendston L$, $\exists n_k \mid n \geq n_k \implies x_n \in I$, ossia, in particolare, $n \geq n_k \implies x_n > 0$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{theorem} (degli zeri) Dati $I = [a, b]$ e $f : I \to \RRbar$ continua tale che $f(a) f(b) < 0$ (i.e.~sono discordi), allora $\exists c \in (a, b) \mid f(c) = 0$. \end{theorem} \begin{proof} Senza alcuna perdita di generalità si pone $f(a) < 0 < f(b)$ (il caso $f(a) > 0 > f(b)$ è infine dimostrato considerando $g(x) = -f(x)$). Si definisce allora l'insieme $E$ in modo tale che: \[ E = \{ a \in I \mid f(a) < 0 \}. \] \vskip 0.05in Si osserva che $E \neq \emptyset$, dacché $a \in E$. Per la completezza dei numeri reali, $E$ ammette un estremo superiore $\xbar := \sup E$. Sia $(x_n) \subseteq E$ una successione tale che $x_n \tendston \xbar$: poiché $f$ è continua in $\xbar$, $\lim_{x \to \xbar} f(x) = f(\xbar) \implies f(x_n) \tendston f(\xbar)$. Allora, poiché $f(x_n) < 0$ $\forall n \in \NN$, $f(\xbar) \leq 0$ (se così non fosse $f(x_n)$ dovrebbe essere definitivamente positiva per il teorema della permanenza del segno, ma questo è assurdo dacché $x_n \in E$ $\forall n \in \NN$, \Lightning). \\ Sia ora $(y_n) \in I$ una successione tale che $y_n \tendston \xbar$ e che $y_n > \xbar$ $\forall n \in \NN$ (questo è sempre possibile dal momento che $\xbar \neq b \impliedby f(\xbar) \leq 0$). Allora, poiché $y_n > \xbar = \sup E$, $y_n$ non appartiene ad $E$, e quindi deve valere che $f(y_n) > 0$. Si conclude allora, per il teorema della permanenza del segno, che $f(\xbar) \geq 0$, e quindi che $f(\xbar) = 0$, da cui la tesi. \end{proof} \begin{corollary} (dei valori intermedi) Dati $I = (a, b)$ e $f : I \to \RRbar$ continua, allora $y_1$, $y_2 \in f(I) \implies [y_1, y_2] \subseteq f(I)$ (ossia $f$ assume tutti i valori compresi tra $y_1$ e $y_2$). \end{corollary} \begin{proof} \end{proof} \end{document}