Teoreme de Analiză Matematică - I (teorema Weierstrass-Bolzano) 1

Similar documents
FORMULELE LUI STIRLING, WALLIS, GAUSS ŞI APLICAŢII

Soluţii juniori., unde 1, 2

ON THE QUATERNARY QUADRATIC DIOPHANTINE EQUATIONS (II) NICOLAE BRATU 1 ADINA CRETAN 2

Procedeu de demonstrare a unor inegalităţi bazat pe inegalitatea lui Schur

Teorema Reziduurilor şi Bucuria Integralelor Reale Prezentare de Alexandru Negrescu

Divizibilitate în mulțimea numerelor naturale/întregi

Barem de notare clasa a V-a

Gradul de comutativitate al grupurilor finite 1

Câteva rezultate de algebră comutativă

Sisteme cu logica fuzzy

INCLUZIUNI OPERATORIALE PRIN TEHNICA PUNCTULUI FIX ÎN SPAŢII METRICE VECTORIALE

1.3. OPERAŢII CU NUMERE NEZECIMALE

APLICAŢII ALE FORMULELOR LUI NEWTON PENTRU POLINOAME SIMETRICE

Ecuatii si inecuatii de gradul al doilea si reductibile la gradul al doilea. Ecuatii de gradul al doilea

TEOREME DE PUNCT FIX PENTRU OPERATORI CE NU INVARIAZĂ DOMENIUL DE DEFINIŢIE ŞI

O V E R V I E W. This study suggests grouping of numbers that do not divide the number

PENTRU CERCURILE DE ELEVI

Rădăcina pătrată a unei matrici reale de ordinul 2

PROBLEME DIVERSE lecţie susţinută la lotul de 13 de Andrei ECKSTEIN Bucureşti, 25 mai 2015

Despre AGC cuasigrupuri V. Izbaș

GAZETA MATEMATICĂ SERIA A. ANUL XXXVI (CXV) Nr. 1 2/ 2018 ARTICOLE. Computing exponential and trigonometric functions of matrices in M 2 (C)

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Rezultate în Teoria Punctului Fix şi Procese Iterative cu Aplicaţii

Utilizarea claselor de echivalenta in analiza asistata de calculator a sistemelor cu evenimente discrete

Probleme extremale pentru grafuri si retele de transport

INEGALITĂŢI DE TIP HARNACK ŞI SOLUŢII POZITIVE MULTIPLE PENTRU PROBLEME NELINIARE

UNITATEA DE ÎNVĂȚARE 3 Analiza algoritmilor

ECUAŢII CU DERIVATE PARŢIALE ŞI EVALUAREA OPŢIUNILOR CU VOLATILITATE STOHASTICĂ

Mugur Acu OPERATORUL INTEGRAL LIBERA-PASCU ŞI PROPRIETĂŢILE ACESTUIA CU PRIVIRE LA FUNCŢIILE UNIFORM STELATE, CONVEXE, APROAPE CONVEXE ŞI

Avem 6 tipuri de simboluri in logica predicatelor:

Teoria Modelelor Master Anul I, Semestrul II 2016

A GENERALIZATION OF A CLASSICAL MONTE CARLO ALGORITHM TO ESTIMATE π

Alte rezultate din teoria codurilor

Graduări pe algebre de matrice

COMPARATIVE DISCUSSION ABOUT THE DETERMINING METHODS OF THE STRESSES IN PLANE SLABS

Cercet¼ari operaţionale

Pentru clasa a X-a Ştiinţele naturii-sem II

RECREAŢ II MATEMATICE

Matematici speciale Integrarea functiilor complexe

SIMULAREA DECIZIEI FINANCIARE

"IIITO-TEC 'NIKI" & EQUIPME

MATEMATICĂ 3 PROBLEME DE REFLECŢIE

Rezolvarea ecuaţiilor şi sistemelor de ecuaţii diferenţiale ordinare (II)

ON THE ASYMPTOTIC BEHAVIOR OF DYNAMICAL SYSTEMS AND APPLICATIONS

Cristalul cu N atomi = un sistem de N oscilatori de amplitudini mici;

Structura matematicii (II)

Habilitation Thesis. Periodic solutions of differential systems: existence, stability and bifurcations

Subiecte geometrie licenta matematica-informatica 4 ani

Numere prime. O selecţie de probleme pentru gimnaziu

Teoreme de compresie-extensie de tip Krasnoselskii şi aplicaţii (Rezumatul tezei de doctorat)

RECREAŢ II MATEMATICE REVISTĂ DE MATEMATICĂ PENTRU ELEVI Ş I PROFESORI

ARTICOLE ŞI NOTE MATEMATICE

PRELUCRARI PE IMAGINI BINARE (ALB/NEGRU)

Dynamic Response of Beams on Elastic Foundation with Axial Load

PROPRIETĂŢI GEOMETRICE ŞI ANALITICE ALE UNOR CLASE DE FUNCŢII UNIVALENTE

FINDING THE TRACES OF A GIVEN PLANE: ANALYTICALLY AND THROUGH GRAPHICAL CONSTRUCTIONS

AN APPROACH TO THE NONLINEAR LOCAL PROBLEMS IN MECHANICAL STRUCTURES

Nonlinear Vibrations of Elastic Beams

Definiţie. Pr(X a) - probabilitatea ca X să ia valoarea a ; Pr(a X b) - probabilitatea ca X să ia o valoare în intervalul a,b.

Anul I, Semestrul I 2017/2018

Ce este logica? Aristotel (IV î.e.n.) Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Visul lui Leibniz. raţionament

BABEŞ-BOLYAI UNIVERSITY CLUJ-NAPOCA FACULTY OF MATHEMATICS AND COMPUTER SCIENCE

Reactoare chimice cu curgere piston (ideala) cu amestecare completa de tip batch (autoclava)

RECREAŢ II MATEMATICE REVISTĂ DE MATEMATICĂ PENTRU ELEVI Ş I PROFESORI

Laborator 3. Backtracking iterativ

Programarea Dinamica. (si alte chestii adiacente) Andrei Olariu

Logică și structuri discrete. Marius Minea 25 septembrie 2017

GENERATOARE DE SEMNAL DIGITALE

PLANIFICAREA TEMELOR LA GRUPELE DE EXCELENȚĂ DISCIPLINA MATEMATICĂ AN ȘCOLAR

Test de Departajare pentru MofM 2014 (Bucureşti) Enunţuri & Soluţii

STUDIUL GEOMETRIEI ȘI TOPOLOGIEI VARIETĂȚILOR DE CONTACT ȘI SUBVARIETĂȚILOR LOR TEZĂ DE DOCTORAT REZUMAT

Sem. I, Ioana Leustean FMI, UB

TWO BOUNDARY ELEMENT APPROACHES FOR THE COMPRESSIBLE FLUID FLOW AROUND A NON-LIFTING BODY

The 2017 Danube Competition in Mathematics, October 28 th. Problema 1. Să se găsească toate polinoamele P, cu coeficienţi întregi, care

Self-Small Abelian Groups and Related Problems. (Abstract)

FLORENTIN SMARANDACHE Asupra unor conjecturi si probleme nerezolvate referitoare la o functie in Teoria Numerelor

ELEMENTE DE DINAMICĂ ŞI GEOMETRIE PE SPAŢII VECTORIALE POISSON

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF FRICTIONAL CONTACTS

Legi de distribuţie (principalele distribuţii de probabilitate) Tudor Drugan

RECREAŢ II MATEMATICE

METODOLOGIE PRIVIND PROGRAMUL DE URMARIRE I in TIMP A COMPORTARII CONSTRUCTIILOR DIN PUNCT DE VEDERE AL CERINTELOR FUNCTIONALE

ATTENUATION OF THE ACOUSTIC SCREENS IN CLOSED SPACES

Lucrare de cercetare postdoctorală

Matematici speciale Variabile aleatoare discrete

Sisteme cu logica fuzzy cu mai multe intrari (MISO)

Curs de Geometrie. Andrei-Dan Halanay

ROMANIAN MATHEMATICAL SOCIETY

U.P.B. Sci. Bull., Series A, Vol. 74, Iss. 3, 2012 ISSN SCALAR OPERATORS. Mariana ZAMFIR 1, Ioan BACALU 2

QUASI-ANALYTIC SOLUTIONS OF FIRST-ORDER PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS USING THE ACCURATE ELEMENT METHOD

VINDECAREA BOLILOR INCURABILE PRIN METODE NATURALE BY MIKHAIL TOMBAK

Probleme actuale în studiul funcţiei zeta Igusa

CALITATEA VIEŢII ÎN ORAŞELE ROMÂNEŞTI ÎN CONTEXTUL REFORMEI STATULUI

2D AND 3D PROCESSING OF THE INTERDEPENDENCE BETWEEN THE COMFORT MAIN INDICATORS

Ordin. pentru aprobarea structurii informaţiilor înscrise pe cardul naţional de asigurări sociale de sănătate

THE METROLOGY OF OPTICAL FIBRE LOSSES

U.P.B. Sci. Bull., Series A, Vol. 74, Iss. 4, 2012 ISSN ALTERNATING -GROUPS. Ion ARMEANU 1, Didem OZTURK 2

DanielaMANEA. x n +a 1. EdituraParalela45

ALGORITMI DE OPTIMIZARE IN INGINERIE ELECTRICA. Sef lucrari ing. Alin-Iulian DOLAN

Logică avansată pentru informatică Master Anul I, Semestrul I

Transcription:

Educaţia Matematică Vol. 3, Nr. 1-2 (2007), 79-84 Teoreme de Analiză Matematică - I (teorema Weierstrass-Bolzano) 1 Silviu Crăciunaş, Petrică Dicu, Mioara Boncuţ Abstract In this paper we propose a Weierstrass - Bolzano theorem s demostration based on real number axiomatic construction, fact that allows to place it before series convergence. 2000 Mathematical Subject Classification: 03E99, 11B99 Teorema 1. O submulţime mărginită şi infinită de numere reale are cel puţin un punct de acumulare. Vom considera în primul rând câteva abordări ale acestei teoreme în tratate cunoscute de Analiză Matematică în care demonstraţiile teoremei sunt tributare plasării acesteia înainte de studiul şirurilor de numere reale. Pentru a nu permite nici un fel de interpretări, menţionăm că acest material, sau părţi ale sale, nu se constituie ca observaţii critice asupra acestor monografii pe care le utilizăm cu deosebită consideraţie faţă de conţinutul acestora şi cu mare respect faţă de autori, nume de marcă în şcoala românească de matematică. În monografia de Analiză Matematică [2], vol I, autori Academician Miron Nicolescu, Nicolae Dinculeanu, Solomon Marcus, ediţia din 1966, 1 Received 19 May 2007 Accepted for publication (in revised form) 25 October 2007 79

80 Teoreme de Analiză Matematică - I Editura Didactică şi Pedagogică, demonstraţia se bazează pe o proprietate enunţată la pag. 37. Propoziţia 1. Dacă (a n ) n şi (b n ) n sunt două şiruri de numere raţionale care au proprietăţile 1. a 1 a 2 a n b m b 2 b 1 m,n N 2. pentru orice α R există n N aşa încât b n a n < α atunci există un număr real x 0 şi numai unul astfel încât a n x 0 b n pentru orice n N. Afirmaţia nu este demonstrată făcându-se referire la convergenţa şirurilor definită ulterior. În tratatul de Analiză Matematică [4], autor Marcel Roşculeţ, Editura Didactică şi Pedagogică, 1979, teorema Weierstrass-Bolzano, enunţată la pag. 45, este demonstrată urmând aceeaşi paşi ca în tratatul anterior dar existenţa lui x 0 este justificată prin construcţia numerelor iraţionale cu ajutorul şirurilor de numere raţionale, raţionament exemplificat la pag. 14-17 pentru 2. În alte tratate de Analiză Matematică teorema este scoasă din contextul structurii topologice a lui R şi demonstrată complet după introducerea convergenţei şirurilor. Propunem o demonstraţie a teoremei care să utilizeze definiţia axiomatică a numerelor reale şi proprietăţi rezultate pentru mulţimea numerelor reale. Definiţia 1. Numim sistem de numere reale sau mulţime a numerelor reale orice corp comutativ K faţă de două operaţii notate + şi având proprietăţile: care I. Corpul K este total ordonat printr-o relaţie de ordine notată pentru a. pentru orice x,y K cu x y avem x+z y +z oricare ar fi z K b. pentru orice x,y K cu x 0 şi y 0 avem x y 0 II. Corpul K este complet ordonat, adică orice submulţime A a lui K care este majorată admite o margine superioară în K.

Silviu Crăciunaş, Petrică Dicu, Mioara Boncuţ 81 Definiţia 2. Fie R sistemul de numere reale şi A o submulţime nevidă. Spunem că A este inductivă dacă pentru orice x A rezultă x + 1 A. Putem remarca următoarele: 1. Mulţimea A = {x R/x 0} este inductivă. 2. Intersecţia oricărei familii de mulţimi inductive ce conţin pe 0 este deasemenea inductivă. Definiţia 3. Fie A familia de mulţimilor inductive conţinând numărul real 0. Mulţimea N definită ca intersecţia tuturor elementelor lui A se numeşte mulţimea numerelor naturale. În continuare vom prezenta câteva rezultate cunoscute referitoare la interacţiunea dintre mulţimea numerelor reale şi mulţimea numerelor naturale. Teorema 2. Pentru orice număr real x există un număr natural m aşa încât să avem x m x + 1. Demonstraţie. Fie x R fixat. Presupunem că x > n pentru orice n N. În consecinţă mulţimea N este mărginită deci ar admite o margine superioară z R. Din definiţia marginei superioare rezultă că există n 0 N cu z 1 < n 0 < z, de unde avem că z = sup N < n 0 + 1 absurd deoarece N este inductivă şi ca atare n 0 + 1 N. Aşadar există un m N cu x m. Fie mulţimea A = {n N/x < n}. Mulţimea A este mărginită inferior deci există y R cu y = inf A. Din definiţia infimumului există pentru un ǫ < 1 un m 0 A cu y < m 0 < y + ǫ. Fie n A arbitrar. Evident nu putem avea n < y. Aşadar avem fie y < n < m 0 < y + ǫ fie m 0 < n. În prima situaţie ar rezulta că m 0 n < ǫ absurd. Aşadar pentru orice n A avem m 0 < n ceea ce înseamnă că m 0 = inf A. Întrucât m 0 A rezultă că x < m 0 iar dacă am avea x+1 < m 0

82 Teoreme de Analiză Matematică - I ar rezulta că x < m 0 1 deci m 0 nu ar mai fi inf A absurd. Aşadar avem şi relaţia m 0 < x + 1. Teorema 3. (principiul sau axioma lui Arhimede). Pentru orice x,y R cu y > 0 există n N cu x ny. Demonstraţie. Dacă x 0 putem lua n = 1. Dacă x > 0 având în vedere că xy 1 > 0, putem aplica teorema precedentă. Deci există n N cu xy 1 < n de unde rezultă afirmaţia. Teorema 4. (principiul Cantor-Dedekind) Pentru orice familie numărabilă de intervale inchise I n = [a n,b n ] cu I n+1 I n avem că n N I n. Demonstraţie. Din I n+1 I n avem inegalităţile a 1 < a 2 <... < a n <... < b m <... < b 2 < b 1, deoarece în caz contrar, adică dacă ar exista n 0,m 0 numere naturale cu b m0 < a n0 atunci luând k = max{n 0,m 0 } am obţine b m0 < a n0 < a k < b k absurd pentru m 0 < k. Mulţimea A = {a n,n N} este majorată superior deci există α = supa. Avem că α < b m m N. Întradevăr, în caz contrar ar exista un m 0 N cu b m0 < α şi în consecinţă există şi un a n1 cu b m0 < a n1 < α fapt ce contravine faptului că cele două familii de numere reale nu se amestecă. Mulţimea B = {b m,m N} este minorată inferior deci există β = inf B. Urmând acelaşi raţionament rezultă că a n < β n N. Vom arăta prin reducere la absurd că α < β. Dacă avem β α atunci există a n cu β < a n < α şi având în vedere prima inegalitate rezultă că există un b m cu β < b m < a n fapt ce ne conduce tot la o contradicţie. Aşadar α şi β sunt două numere reale cu proprietatea că a n < α < β < b n pentru orice n N şi în consecinţă rezultă că intersecţia familiei de intervale este nevidă conţinând intervalul [α,β]. Teorema 5. (Weierstrass-Bolzano) O submulţime mărginită şi infinită de numere reale are cel puţin un punct de acumulare

Silviu Crăciunaş, Petrică Dicu, Mioara Boncuţ 83 Demonstraţie. Fie A o mulţime mărginită şi infintă de numere reale. Există a,b R cu a < x < b pentru orice x A. Luăm a 0 = a, b 0 = b şi considerăm c = a 0+b 0 2. Avem că cel puţin unul din intervalele [a 0,c], [c,b 0 ] conţine o infinitate de elemente din A. Notăm acest interval prin [a 1,b 1 ]. Avem că [a 1,b 1 ] [a 0,b 0 ] şi că b 1 a 1 = b a. Repetând raţionamentul 2 rezultă o familie de intervale I n = [a n,b n ] cu proprietăţile a. I n+1 I n n N b. b n a n = b a 2 n. Prima proprietate ne permite să aplicăm teorema anterioară şi să afirmăm că intersecţia familiei de intervale este nevidă, adică va conţine intervalul [α,β] definit în demonstraţia principiului lui Cantor-Dedekind. Vom demonstra, folosind a doua proprietate şi principiul lui Arhimede că intersecţia familiei de intervale se reduce la un singur număr real, adică faptul că α = β. Din a n < α < β < b n pentru orice n N rezultă că şi obţinem β α < b n a n < b a 2 n n N 2 n (β α) < b a n N. Aplicând principiul lui Arhimede pentru x = b a şi pentru y = β α > 0 rezultă că există n N cu b a < n(β α) < 2 n (β α) fapt ce contrazice inegalitate stabilită anterior, respectiv 2 n (β α) < b a n N. Să notăm prin x 0 valoarea comună a lui α şi β. Vom arăta că x 0 este punct de acumulare pentru mulţimea A. Fie V = (x 0 ǫ,x 0 + ǫ) o vecinătate a lui x 0. Demonstrăm mai întâi că există a n şi b m cu x 0 ǫ < a n < b m < x 0 + ǫ.

84 Teoreme de Analiză Matematică - I Dacă pentru orice n avem că a n < x 0 ǫ atunci obţinem că [x 0 ǫ,x 0 ] [a n,b n ] pentru orice n deci ar rezulta că intersecţia intervalelor nu se reduce la un punct. Similar se obţine existenţa lui b m cu proprietatea menţionată. În fapt inegalităţile x 0 ǫ < a n < b m < x 0 + ǫ. rezultă imediat şi din construcţia lui α şi β. Fie în continuare k = max{n,m}. Avem inegalităţile x 0 ǫ < a n < a k < b k < b m < x 0 + ǫ. şi deorece intervalul [a k,b k ] conţine o infintate de elemente din mulţimea A rezultă că x 0 este un punct de acumulare al mulţimii. Bibliografie [1] Colojoară I., Analiză Matematică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti (1983). [2] Nicolescu M., Dinculeanu N., Marcus S., Analiză Matematică, vol. I, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti (1966). [3] Iacob F., Note de curs, Universitatea Alexandru Ioan Cuza Iaşi (http://thor.info.uaic.ro/ fliacob/an1/2004-2005/semestrul1/multimi.pdf) [4] Roşculeţ M., Analiză Matematică, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti (1979). Lucian Blaga University, Department of Mathematics, Sibiu- Romania E-mail: silviu.craciunas@ulbsibiu.ro