1. E ~"",,~:tek~ no es un proyecto lucrativo, sino un esfuerzo
colectivo de estudiantes y profesores de la UNAM para facilitar el
acceso a los materiales necesarios para la educacin de la mayor
cantidad de gente posible. Pensamos editar en formato digital
libros que por su alto costo, o bien porque ya no se consiguen en
bibliotecas y libreras, no son accesibles para todos. Invitamos a
todos los interesados en participar en este proyecto a sugerir
ttulos, a prestamos los textos para su digitalizacin y a ayudarnos
en toda la labor tcnica que implica su reproduccin. El nuestro, es
un proyecto colectivo abierto a la participacin de cualquier
persona y todas las colaboraciones son bienvenidas. Nos encuentras
en los Talleres Estudiantiles de la Facultad de Ciencias y puedes
ponerte en contacto con nosotros a la siguiente direccin de correo
electrnico: [email protected] http:// eduktodos. dyndns. org
2. Calculus
3. TOIT1 M. Apostol CALCULUS VOLUMEN I Clculo con funciones de
una variable, con una introduccin al lgebra lineal Segunda edicin "
EDITORIAL REVERTE, S. A. Barcelona -Bogot -Buenos Aires - Caracas
-Mxico
4. Ttulo de la obra original: CALCULUS, One -Variable Calculus,
with an introduction to Linear Algebra Edicin original en lengua
inglesa publicada por: Blaisdell Publishing Company, Waltham,
Massachusetts Copyright by Blaisdell Publishing Company, 1967
Versin espaola por: Dr. D. Francisco Vlez Cantarell Profesor
adjunto de la Facultad de Ciencias de Barcelona Revisada por: Dr.
D. Enrique Lins Escard Catedrtico de la Facultad de Ciencias de la
Universidad de Madrid Propiedad de: EDITORIAL REVERT, S. A. Loreto,
13-15, Local B 08029 Barcelona - ESPAA E-mail: [email protected]
Internet: http://www.reverte.com y REVERT EDICIONES, S.A. DE C.V Ro
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derechos. La reproduccin total o parcial de esta obra, por
cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografa y el
tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares de ella
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right, bajo las sanciones establecidas por las leyes. Edicin en
espaol EDITORIAL REVERT, S. A., 1984 REVERT EDICIONES, s.A. de
C.V., 1999 9" Reimpresin 2001 Impreso en Espaa - Printed in Spain
ISBN - 84 - 291 - 5002 - 1 (Espaa) ISBN - 968 - 6708 - 10 - 3
(Mxico) Depsito Legal: B - 32464 - 2001 Impreso por Imprimeix S.L.
Eduard Maristany, 100 08912 Badalona (Barcelona)
5. a Jane y Stephen
6. PRLOGO Extracto del prlogo a la primera edicin Parece que no
hay acuerdo sobre 10 que ha de constituir un primer curso de Clculo
y Geometra Analtica. Unos sostienen que el camino verdadero para
entender el Clculo principia con un estudio completo del sistema de
los nmeros reales desarrollndolo paso a paso de manera lgica y
rigurosa. Otros insisten en que el Clculo es ante todo un
instrumento para los ingenieros y fsicos; y por consiguiente, que
un curso debe llevar a las aplicaciones del Clculo apelando a la
intuicin, para despus, por el ejercicio en la resolucin de
problemas, alcanzar destreza operatoria. En ambos puntos de vista
hay mucha parte de razn. El Clculo es una ciencia deductiva y una
rama de la Matemtica pura. Al mismo tiempo es muy importante
recordar que el Clculo tiene profundas races en pro- blemas fsicos
y que gran parte de su potencia y belleza deriva de la variedad de
sus aplicaciones. Mas es posible combinar un desarrollo terico
riguroso con una sana formacin tcnica, y este libro representa un
intento de establecer un sensible equilibrio entre las dos
tendencias. Aunque se trate el Clculo como ciencia deduc- tiva, no
por eso se abandonan las' aplicaciones a problemas fsicos. Las
demos- traciones de todos los teoremas importantes se consideran
como una parte esencial en el desarrollo de las ideas matemticas, y
con frecuencia van precedidas de una discusin geomtrica o intuitiva
para dar al estudiante una visin ms penetrante del porqu de la
demostracin. Aunque estas discusiones intuitivas pueden ser
suficientes para el lector que no est interesado en los detalles de
la demostracin, tambin se incluye la demostracin completa para
aquellos que prefieran una exposicin ms rigurosa. La disposicin de
este libro ha sido sugerida por el desarrollo histrico y filosfico
del Clculo y la Geometra Analtica. Por ejemplo, se estudia la
integra- cin antes de la diferenciacin. Aunque esta manera de
ordenar la materia del curso sea poco frecuente, es histricamente
correcta y pedaggicamente adecuada. Adems, es el mejor camino para
hacer patente la verdadera conexin entre la derivada y la integral.
El concepto de integral se define en primer lugar para funciones
escalonadas. Puesto que la integral de una funcin escalonada no es
ms que una suma, la VII
7. VIII Prlogo teora de la integracin es extremadamente
sencilla en este caso. Mientras el estu- diante aprende las
propiedades de la integral para funciones escalonadas, adquiere
experiencia en el uso de la notacin sumacin y al mismo tiempo se
familiariza con el simbolismo de la integral. De esta manera se van
construyendo los peldaos para que la transicin de funciones
escalonadas a otras funcicnes ms generales parezca fcil y natural.
Prlogo a la segunda edicin La segunda edicin difiere de la primera
en muchos aspectos. Se ha aadido el lgebra lineal; los teoremas del
valor medio y las aplicaciones del Clculo se han introducido en los
primeros captulos, y se ha aadido buen nmero de nuevos y sencillos
ejercicios. Una inspeccin del ndice revela que el libro se ha
dividido en captulos de menor extensin, desarrollndose cada uno
sobre un concepto importante. Varias secciones han sido escritas de
nuevo y reorganizadas para proporcionar una mejor fundamentacin y
mejorar la fluidez de las ideas. Al igual que en la primera edicin,
cada concepto nuevo importante viene precedido de una introduccin
histrica, que describe su desarrollo desde una primera nocin fsica
intuitiva hasta su formulacin matemtica precisa. El estu- diante
descubre en parte los esfuerzos del pasado y los triunfos de los
hombres que ms han contribuido al tema. De este modo el estudiante
se convierte en participante activo en la evolucin de las ideas y
no queda como mero observador pasivo de los resultados. La segunda
edicin, como la primera, est dividida en dos volmenes. Las dos
terceras partes primeras del Volumen 1 tratan del Clculo con
funciones de una variable, incluyendo las series y una introduccin
a las ecuaciones diferenciales. La ltima tercera parte del Volumen
1 introduce el lgebra lineal con aplicaciones a la Geometra y al
Anlisis. Gran parte de estos temas se apoya slidamente en el clculo
de ejemplos que ilustran la teora general. Ello proporciona una
mezcla de lgebra y de Anlisis y contribuye a preparar el camino
para la transicin del Clculo con una variable al Clculo con varias
variables, que se trata en el Volumen Il. Un desarrollo ms amplio
de lgebra lineal se har necesario en la segunda edicin del Volumen
11. Una vez ms reconozco con agrado mi deuda con los profesores H.
F. Boh- nenblust, A. Erdlyi, F. B. Fuller, K. Hoffman, G. Springer,
y H. S. Zuckerman. Su influencia en la primera edicin ha continuado
en la segunda. En la prepara- cin de la segunda edicin, recib
tambin la ayuda del profesor Basil Gordon, que sugiri muchas
mejoras. Estoy tambin agradecido a George Springer y William P.
Ziemer, que leyeron las ltimas pruebas. El personal de Blaisdell
Publishing Company, como siempre, ha prestado una gran ayuda;
aprecio su simptica aceptacin de mis deseos en lo relativo al
formato y a la tipografa.
8. Prlogo IX Por ltimo, tengo especial satisfaccin en expresar
mi gratitud a mi esposa por haber contribuido en diversas formas a
la preparacin de las dos ediciones. En testimonio de mi
agradecimiento le dedico este libro. T.M.A. Pasadena,
California
9. 11.1 I 1.2 I 1.3 *1 1.4 I 1.5 I 1.6 I 2.1 I 2.2 I 2.3 I 2.4
I 2.5 I 3.1 I 3.2 *1 3.3 I 3.4 *1 3.5 I 3.6 I 3.7 I 3.8 I 3.9 NDICE
ANALTICO l. INTRODUCCIN Parte 1. Introduccin histrica Los dos
conceptos bsicos del Clculo Introduccin histrica El mtodo de
exhaucin para el rea de un segmento de parbola Ejercicios Anlisis
crtico del mtodo de Arqumedes La introduccin al Clculo que se
utiliza en este libro Parte 2. Conceptos bsicos de la teora/ de
conjuntos Introduccin a la teora de conjuntos Notaciones para
designar conjuntos Subconjuntos Reuniones, intersecciones,
complementos Ejercicios Parte 3. Un conjunto de axiomas para el
sistema de nmeros reales Introduccin Axiomas de cuerpo Ejercicios
Axiomas de orden Ejercicios Nmeros enteros y racionales
Interpretacin geomtrica de los nmeros reales como puntos de una
recta Cota superior de un conjunto, elemento mximo, extremo
superior Axioma del extremo superior (axioma de completitud) XI 1 3
4 9 10 12 13 14 15 17 19 21 22 24 24 26 26 28 28 30
10. XII I 3.10 I 3.11 *1 3.12 *1 3.13 *1 3.14 *1 3.15 I 4.1 I
4.2 *1 4.3 I 4.4 *1 4.5 I 4.6 I 4.7 I 4.8 I 4.9 *1 4.10 1.1 1.2
*1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16
1.17 1.18 /ndice analtico La propiedad arquimediana del sistema de
los nmeros reales Propiedades fundamentales del extremo superior
Ejercicios Existencia de races cuadradas de los nmeros reales no
negativos Races de orden superior. Potencias racionales
Representacin de los nmeros reales por medio de decimales Parte 4.
Induccin matemtica, smbolos sumatorios y cuestiones relacionadas
Ejemplo de demostracin por induccin matemtica El principio de la
induccin matemtica El principio de buena ordenacin Ejercicios
Demostracin del principio de buena ordenacin El smbolo sumatorio
Ejercicios Valor absoluto y desigualdad triangular Ejercicios
Ejercicios varios referentes al mtodo de induccin 1. LOS CONCEPTOS
DEL CLCULO INTEGRAL Las ideas bsicas de la Geometra cartesiana
Funciones. Ideas generales y ejemplos Funciones. Definicin formal
como conjunto de pares ordenados Ms ejemplos de funciones reales
Ejercicios El concepto de rea como funcin de conjunto Ejercicios
Intervalos y conjuntos de ordenadas Particiones y funciones
escalonadas Suma y producto de funciones escalonadas Ejercicios
Definicin de integral para funciones escalonadas Propiedades de la
integral de una funcin escalonada Otras notaciones para las
integrales Ejercicios La integral de funciones ms generales
Integrales superior e inferior El rea de un conjunto de ordenadas
expresada como una integral 32 33 34 35 36 37 40 41 42 44 45 46 49
50 53 54 59 61 65 66 69 70 73 74 75 77 78 79 81 85 86 88 91 92
11. lndice analtico 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26
1.27 Observaciones relativas a la teora y tcnica de la integracin
Funciones montonas y montonas a trozos. Definiciones y ejemplos
Integrabilidad de funciones montonas acotadas Clculo de la integral
de una funcin montona acotada Clculo de la integral f~xP dx siendo
p entero positivo Propiedades fundamentales de la integral
Integracin de polinomios Ejercicios Demostraciones de las
propiedades fundamentales de la integral 2. ALGUNAS APLICACIONES DE
LA INTEGRACIN 2.1 2.2 Introduccin El rea de una regin comprendida
entre dos grficas expresada como una integral Ejemplos resueltos
Ejercicios Las funciones trigonomtricas Frmulas de integracin para
el seno y el coseno Descripcin geomtrica de las funciones seno y
coseno Ejercicios Coordenadas polares La integral para el rea en
coordenadas polares Ejercicios Aplicacin de la integracin al clculo
de volmenes Ejercicios Aplicacin de la integracin al concepto de
trabajo Ejercicios Valor medio de una funcin Ejercicios La integral
como funcin del lmite superior. Integrales indefinidas Ejercicios
2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17
2.18 2.19 3. FUNCIONES CONTINUAS 3.1 Idea intuitiva de continuidad
155 3.2 Definicin de lmite de una funcin 156 3.3 Definicin de
continuidad de una funcin 160 3.4 Teoremas fundamentales sobre
lmites. Otros ejemplos de funciones continuas 162 3.5
Demostraciones de los teoremas fundamentales sobre lmites 167 XIIl
93 94 95 97 98 99 101 102 104 109 109 111 116 117 121 126 129 133
134 136 137 140 141 144 145 147 148 153
12. XIV 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 ndice analtico
3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19
3.20 Ejercicios Funciones compuestas y continuidad Ejercicios
Teorema de Bolzano para las funciones continuas Teorema del valor
intermedio para funciones continuas Ejercicios El proceso de
inversin Propiedades de las funciones que se conservan por la
inversin Inversas de funciones montonas a trozos Ejercicios Teorema
de los valores extremos para funciones continuas Teorema de la
continuidad uniforme Teorema de integrabilidad para funciones
continuas Teoremas del valor medio para funciones continuas
Ejercicios 4. CLCULO DIFERENCIAL 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
4.9 4.10 4.11 Introduccin histrica Un problema relativo a velocidad
Derivada de una funcin Ejemplos de derivadas lgebra de las
derivadas Ejercicios Interpretacin geomtrica de la derivada como
una pendiente Otras notaciones para las derivadas Ejercicios Regla
de la cadena para la derivacin de funciones compuestas Aplicaciones
de la regla de la cadena. Coeficientes de variacin ligados y
derivacin implcita Ejercicios Aplicaciones de la derivacin a la
determinacin de los extremos de las funciones Teorema del valor
medio para derivadas Ejercicios Aplicaciones del teorema del valor
medio a propiedades geomtricas de las funciones Criterio de la
derivada segunda para los extremos Trazado de curvas Ejercicios
Ejemplos resucitas de problemas de extremos Ejercicios 4.12 4.13
169 172 174 175 177 178 179 180 182 183 184 186 187 189 190 191 192
195 197 201 204 207 209 211 213 216 219 221 224 227 228 230 231 233
234 237
13. ':'4.22 ':'4.23 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 ':'5 .11 Indice
analtico Derivadas parciales Ejercicios 5. RELACIN ENTRE INTEGRACIN
y DERIVACIN 5.1 La derivada de una integral indefinida. Primer
teorema fundamental de l c lculo Teorema de la derivada nula
Funciones primitivas y segundo teorema fundamental del clculo
Propiedades de una funcin deducidas de propiedades de su derivada
Ejercicios La notacin de Leibniz para las primitivas 1ntegracin por
sustitucin Ejercicios 1ntcgracin por partes Ejercicios Ejercicios
de repaso 5.2 5.3 5.4 6. F1 C1CTN LOGARITMO, FUNCIN EX POXENCIAL y
FUNCIONES TRIGONOM~TRICASINVERSAS 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 J
ntrcduccin Definicin del logaritmo natural como integral Definicin
de logaritmo. Propiedades fundamentales Grfica del logaritmo
natural Consecuencias de la ecuacin funcional L(ab) = L(a) + L(b)
Logaritmos referidos a una base positiva b =1= 1 Frmulas de
derivacin e integracin en las que intervienen logaritmos Derivacin
logartmica Ejercicios Polinomios de aproximacin para el logaritmo
Ejercicios La funcin exponencial Exponenciales expresadas como
potencias de e Definicin de e' para x real cualquiera Definicin de
a" para a>O y x real Frmulas de derivacin e integracin en las
que intervienen exponenciales 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15
6.16 xv 239 245 247 250 250 253 254 257 259 264 266 269 272 277 278
281 282 282 284 286 288 289 291 296 296 298 299 300 300
14. XVI 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 6.24 7.1 7.2 7.3 7.4
7.5 7.6 *7.7 7.8 7.9 lndice analtico 6.25 6.26 Ejercicios Funciones
hiperblicas Ejercicios Derivadas de funciones inversas Inversas de
las funciones trigonomtricas Ejercicios Integracin por fracciones
simples Integrales que pueden transformarse en integrales de
funciones racionales Ejercicios Ejercicios de repaso 304 307 308
308 309 314 316 323 326 328 333 335 337 340 341 342 347 348 350 354
356 357 362 363 366 368 371 8.1 Introduccin 373 8.2 Terminologa y
notacin 374 8.3 Ecuacin diferencial de primer orden para la funcin
exponencial 376 8.4 Ecuaciones diferenciales lineales de primer
orden 377 8.5 Ejercicios 381 7. APROXIMACIN DE FUNCIONES POR
POLINOMIOS 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 Introduccin
Polinomios de Taylor engendrados por una funcin Clculo con
polinomios de Taylor Ejercicios Frmula de Taylor con resto
Estimacin del error en la frmula de Taylor Otras formas de la
frmula de TayIor con resto Ejercicios Otras observaciones sobre el
error en la frmula de Taylor. La notacin 0- Aplicaciones a las
formas indeterminadas Ejercicios Regla de L'Hpital para la forma
indeterminada O/O Ejercicios Los smbolos + 00 y - oo , Extensin de
la regla de L'Hpital Lmites infinitos Comportamiento de log x y ea:
para valores grandes de x Ejercicios 8. INTRODUCCIN A LAS
ECUACIONES DIFERENCIALES
15. 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13 8.14 8.15 In dice
analtico 8.16 Algunos problemas fsicos que conducen a ecuaciones
diferenciales de primer orden Ejercicios Ecuaciones lineales de
segundo orden con coeficientes constantes Existencia de soluciones
de la ecuacin y" +by =O Reduccin de la ecuacin general al caso
particular y" +by =O Teorema de unicidad para la ecuacin y" +by =O
Solucin completa de la ecuacin y" +by =O Solucin completa de la
ecuacin y" +ay' +by =O Ejercicios Ecuaciones lineales no homogneas
de segundo orden con coeficientes constantes Mtodos particulares
para la determinacin de una solucin particular de la ecuacin no
homognea y"+ay' +by =R Ejercicios Ejemplos de problemas fsicos que
conducen a ecuaciones lineales de segundo orden con coeficientes
constantes Ejercicios Observaciones relativas a las ecuaciones
diferenciales no lineales Curvas integrales y campos direccionales
Ejercicios Ecuaciones separables de primer orden Ejercicios
Ecuaciones homogneas de primer orden Ejercicios Algunos problemas
fsicos y geomtricos que conducen a ecuaciones de 'primer orden
Ejercicios de repaso 8.17 8.18 8.19 8.20 8.21 8.22 8.23 8.24 8.25
8.26 8.27 8.28 9. NMEROS COMPLEJOS 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8
9.9 9.10 Introduccin histrica Definiciones y propiedades Los nmeros
complejos como una extensin de los nmeros reales La unidad
imaginaria i Interpretacin geomtrica. Mdulo y argumento Ejercicios
Exponenciales complejas Funciones complejas Ejemplos de frmulas de
derivacin e integracin Ejercicios XVII 382 390 394 395 396 397 398
399 401 402 406 408 408 414 416 417 421 422 424 425 429 429 434 437
437 440 441 443 445 446 449 451 453
16. XVIII lndice analtico 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7
10.8 10.9 *10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 10.16 10.17 10.18
10.19 10.20 * 10.21 10.22 10.23 10.24 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6
11.7 11.8 11.9 11.10 10. SUCESIONES, SERIES, INrrEGRALES IMPROPIAS
La paradoja de Zenn Sucesiones Sucesiones montonas de nmeros reales
Ejercicios Series infinitas Propiedad de linealidad de las series
convergentes Series telescpicas Serie geomtrica Ejercicios
Ejercicios con expresiones decimales Criterios de convergencia
Criterios de comparacin para series de trminos no negativos El
criterio integral Ejercicios Criterios de la raz y del cociente
para series de trminos no negativos Ejercicios Series alternadas
Convergencia condicional y absoluta Criterios de convergencia de
Dirichlet y Abel Ejercicios Reordenacin de series Ejercicios varios
de repaso Integrales impropias Ejercicios 11. SUCESIONES Y SERIES
DE FUNCIONES Convergencia puntual de sucesiones de funciones
Convergencia uniforme de sucesiones de funciones Convergencia
uniforme y continuidad Convergencia uniforme e integracin Una
condicin suficiente para la convergencia uniforme Series de
potencias. Crculo de convergencia Ejercicios Propiedades de las
funciones representadas por series reales de potencias Serie de
Taylor generada por una funcin Condicin suficiente para la
convergencia de una serie de Taylor 457 462 465 467 469 471 472 474
477 479 480 482 484 486 487 490 492 496 496 499 501 506 508 513 517
519 520 521 522 524 526 528 532 532
17. 11.11 *11.12 11.13 11.14 11.15 11.16 12.1 12.2 12.3 12.4
12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 12.12 12.13 12.14 12.15 12.16
12.17 ndice analtico Desarrollos en serie de potencias de las
funciones exponencial y trigonomtricas Teorema de Bernstein
Ejercicios Series de potencias y ecuaciones diferenciales La serie
binmica Ejercicios 12. LGEBRA VECTORIAL Introduccin histrica El
espacio vectorial de las n-plas de nmeros reales Interpretacin
geomtrica para n ::;3 Ejercicios Producto escalar Longitud o norma
de un vector Ortogonalidad de vectores Ejercicios Proyecciones.
ngulo de dos vectores en el espacio de n dimensiones Los vectores
coordenados unitarios Ejercicios Envolvente lineal de un conjunto
finito de vecotres Independencia lineal Bases Ejercicios El espacio
vectorial Vn(C) de n-plas de nmeros complejos Ejercicios 13.
APLICACIONES DEL ALGEBRA VECrrORIAL A LA GEOMETRA ANALTICA 13.1
Introduccin 13.2 Rectas en el espacio n-dimensional 13.3 Algunas
propiedades sencillas de las rectas 13.4 Rectas y funciones
vectoriales 13.5 Ejercicios 13.6 Planos en el espacio eucldeo
n-dimensional 13.7 Planos y funciones vectoriales 13.8 Ejercicios
13.9 Producto vectorial XIX 533 535 536 538 541 542 545 546 549 551
552 554 557 558 559 561 563 565 567 570 571 573 575 577 578 579 581
584 585 589 590 591
18. xx 13.10 13.11 13.12 13.13 13.14 13.15 13.16 13.17 13.18
13.19 13.20 13.21 13.22 13.23 13.24 13.25 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5
14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11 14.12 14.13 14.14 14.15 14.16 14.17
14.18 14.19 lndice analtico El producto vectorial expresado en
forma de determinante Ejercicios Producto mixto Regla de Cramer
para resolver un sistema de tres ecuaciones lineales Ejercicios
Vectores normales a planos Ecuaciones lineales cartesianas para
planos Ejercicios Las secciones cnicas Excentricidad de las
secciones cnicas Ecuaciones polares de las cnicas Ejercicios Cnicas
simtricas respecto al origen Ecuaciones cartesianas de las cnicas
Ejercicios Ejercicios varios sobre cnicas 14. CLCULO CON FUNCIONES
VECTORIALES Funciones vectoriales de una variable real Operaciones
algebraicas. Componentes Lmites, derivadas e integrales Ejercicios
Aplicaciones a las curvas. Tangencia Aplicaciones al movimiento
curvilneo. Vector velocidad, velocidad y aceleracin Ejercicios
Vector tangente unitario, normal principal y plano osculador a una
curva Ejercicios Definicin de longitud de un arco Aditividad de la
longitud de arco Funcin longitud de arco Ejercicios Curvatura de
una curva Ejercicios Los vectores velocidad y aceleracin en
coordenadas polares Movimiento plano con aceleracin radial
Coordenadas cilndricas Eiercicios 595 597 598 601 602 604 606 607
609 612 614 615 616 618 621 623 627 627 628 632 633 637 641 643 646
648 651 652 655 657 659 660 663 664 665
19. 14.20 14.21 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9
15.10 15.11 15.12 15.13 15.14 15.15 15.16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5
16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16 In
dice analtico Aplicaciones al movimiento planetario Ejercicios de
repaso 15. ESPACIOS LINEALES Introduccin Definicin de espacio
lineal Ejemplos de espacios lineales Consecuencias elementales de
los axiomas Ejercicios Subespacios de un espacio lineal Conjuntos
dependientes e independientes, en un espacio lineal Bases y
dimensin Ejercicios Productos interiores, espacios eucldeos. Normas
Ortogonalidad en un espacio eucldeo Ejercicios Construccin de
conjuntos ortogonales. Mtodo de Gram-Schmidt Complementos
ortogonales. Proyecciones Aproximacin ptima de elementos de un
espacio eucldeo por elementos de un subespacio de dimensin finita
Ejercicios 16. TRANSFORMACIONES LINEALES Y MATRICES
Transformaciones lineales Ncleo y recorrido Dimensin del ncleo y
rango de la transformacin Ejercicios Operaciones algebraicas con
transformaciones lineales Inversas Transformaciones lineales uno a
uno Ejercicios Transformaciones lineales con valores asignados
Representacin matricial de las transformaciones lineales
Construccin de una representacin matricial en forma diagonal
Ejercicios Espacios lineales de matrices Isomorfismo entre
transformaciones lineales y matrices Multiplicacin de matrices
Ejercicios XXI 667 671 675 675 677 679 680 681 683 685 686 687 691
694 696 701 704 706 709 711 712 714 716 718 721 723 725 726 730 732
733 735 736 740
20. XXII lndice analtico 16.17 Sistemas de ecuaciones lineales
16.18 Tcnicas de clculo 16.19 Inversas de matrices cuadradas 16.20
Ejercicios 16.21 Ejercicios varios sobre matrices Soluciones a los
ejercicios ndice alfabtico 742 745 750 752 754 757 805
21. Calculus
22. INTRODUCCIN Parte l. - Introduccin histrica 1 1.1 Los dos
conceptos bsicos del Clculo El considerable progreso habido en la
ciencia y en la tcnica durante los ltimos cien aos procede en gran
parte del desarrollo de las Matemticas. La rama de la Matemtica
conocida por Clculo integral y diferencial es un instrumento
natural y poderoso para atacar mltiples problemas que surgen en
Fsica, Astronoma, Ingeniera, Qumica, Geologa, Biologa, y en otros
campos, incluyendo recientemente algunos de Ciencias sociales. Para
dar una idea al lector de los muy diversos tipos de problemas que
pueden tratarse por los mtodos de Clculo se expone a continuacin
una pe- quea muestra de cuestiones seleccionadas entre los
ejercicios que aparecen en captulos posteriores de este libro. Con
qu velocidad debera ser impulsado un cohete para que nunca volviera
a la Tierra? Cul es el radio del menor disco circular que cubra a
todo tringulo issceles de permetro L? Cul es el volumen de material
extrado de una esfera de radio 2r al atravesarla por un orificio
cilndrico de radio r cuyo eje pase por el centro de la esfera? Si
un cultivo de bacterias crece en razn directa a la can- tidad que
hay en cada instante, y la poblacin se duplica en una hora, en
cunto se habr incrementado al cabo de dos horas? Si una fuerza de
diez libras estira una cuerda elstica una pulgada, qu trabajo se
necesita para estirarla un pie? Estos ejemplos, elegidos en
distintos campos, ilustran algunas de las cues- tiones tcnicas que
pueden ser resueltas como aplicaciones ms o menos ruti- narias del
Clculo. El Clculo no slo es un instrumento tcnico, sino que
contiene una colec- cin de ideas fascinadoras y atrayentes que han
ocupado el pensamiento humano durante centurias. Estas ideas estn
relacionadas con velocidad, rea, volumen, razn de crecimiento,
tangente a una lnea, y con otros conceptos referentes a otros
dominios. El Clculo obliga a detenerse y a pensar cuidadosamente
acerca del significado de estos conceptos. Otro carcter notable del
Clculo es su poder
23. 2 Introduccin unificador. Muchos de estos problemas pueden
ser formulados de manera que se reduzcan a otros problemas de
naturaleza puramente geomtrica. A continuacin se procede a una
breve descripcin de tales problemas. Considrese una curva C situada
encima de una lnea horizontal base, como se indica en la figura
1.1. Se supone que esta curva tiene la propiedad de ser cortada por
cada vertical, en un punto a lo ms. La parte sombreada de la figura
est formada por aquellos puntos situados por debajo de la curva C,
enci- ma de la horizontal, y entre dos segmentos verticales
paralelos que unen C con la base. El primer problema fundamental
del Clculo es el siguiente: Determinar un nmero que mida el rea de
esta regin sombreada. Considrese despus una recta que sea tangente
a la curva, tal como se ve en la figura 1.1. El segundo problema
fundamental puede formularse de la siguiente manera: Determinar un
nmero que mida la pendiente de esta recta. FIGURA I.1
Fundamentalmente, el Clculo se ocupa en la formulacin precisa y la
reso- lucin de estos dos problemas considerados. En el Clculo se
definen los con- ceptos de rea y tangente y se calculan el rea de
una regin dada y la pen- diente de la tangente a una curva dada. El
Clculo integral se ocupa del problema del rea y ser discutido en
este captulo 1. El Clculo diferencial se ocupa del problema de la
tangente y ser introducido en el captulo 4. El estudio del Clculo
exige una cierta preparacin matemtica. El presente captulo trata de
estos conceptos bsicos y est dividido en cuatro partes: La l ."
parte da una perspectiva histrica; la 2.a se refiere a la notacin y
terminologa en la matemtica de conjuntos; la 3.a trata del sistema
de nmeros reales; la 4.a ofrece la induccin matemtica y la notacin
sumatoria. Si el lector est infor- mado de estos temas, puede
abordar directamente el desarrollo del Clculo inte- gral en el
captulo 1. Si no, deber familiarizarse con las materias contenidas
en esta introduccin antes de iniciar el captulo 1.
24. 1ntroduccin histrica 3 I 1.2 Introduccin histrica El origen
del Clculo integral se remonta a ms de 2000 aos, cuando los griegos
intentaban resolver el problema del rea ideando el procedimiento
que llamaron mtodo de exhaucin. Las ideas esenciales de este mtodo
son real- mente muy simples y se pueden describir brevemente como
sigue: Dada una regin cuya rea quiere determinarse, se inscribe en
ella una regin poligonal que se aproxime a la dada y cuya rea sea
de fcil clculo. Luego se elige otra regin poligonal que d una
aproximacin mejor y se contina el proceso to- mando polgonos con
mayor nmero de lados cada vez, tendiendo a llenar la regin dada. La
figura 1.2 es una ilustracin del mtodo en el caso de una regin
semicircular. Este mtodo fue usado satisfactoriamente por Arqumedes
(287- 212 A.C.) para hallar frmulas exactas de las reas del crculo
y de algunas otras figuras especiales. Desde Arqumedes, el
desarrollo del mtodo de exhaucin tuvo que esperar casi 18 siglos,
hasta que el uso de smbolos y tcnicas algebraicas se hizo pre- ciso
en los estudios matemticos. El lgebra elemental que hoy da es
familiar a la mayora de los alumnos de los ltimos cursos de
enseanza secundaria, era totalmente desconocida en tiempos de
Arqumedes, lo que haca imposible exten- der el mtodo a cualquier
clase de regiones, sin poseer manera adecuada de poder expresar los
largos clculos en forma simplificada. FIGURA 1.2 El mtodo de
exhaucin aplicado a una regin semicircular. Un cambio lento pero
revolucionario, en el desarrollo de las notaciones ma- temticas,
empez en el siglo XVI D.C. El engorroso sistema de numeracin romano
fue desplazado gradualmente por los caracteres arbigos utilizados
hoy da; los signos + y - fueron introducidos por primera vez, y se
empezaron a reconocer las ventajas de la notacin decimal. Durante
este mismo perodo, los brillantes resultados de los matemticos
italianos Tartaglia, Cardano y Ferrari que dieron soluciones
algebraicas a las ecuaciones cbica y curtica, estimul el desarrollo
de la Matemtica y anim a la aceptacin del lenguaje algebraico nuevo
y superior. Con la introduccin muy extendida de los bien elegidos
sm- bolos algebraicos, revivi el inters por el antiguo mtodo de
exhaucin y en el siglo XVI descubrieron mltiples resultados
parciales, los que como Cava- lieri, Toricelli, Roberval, Fermat,
Pascal y Wallis fueron pioneros.
25. 4 Introduccin Gradualmente, el mtodo de exhaucin fue
transformndose en lo que hoy se conoce como Clculo integral, nueva
y potente disciplina que tiene numero- ssimas aplicaciones no slo
en problemas relativos a reas y volmenes, sino tambin en problemas
de otras ciencias. Este mtodo, que mantiene alguno de los
caracteres originales del mtodo de exhaucin, recibi su mayor
impulso en el siglo XVII, debido a los esfuerzos de Isaac Newton
(1642-1727) y Gottfried Leibniz (1646-1716), y su desarrollo
continu durante el siglo XIX, hasta que Augustin-Louis Cauchy
(1789-1857) y Bernhard Riemann (1826-1866) le dieron una base
matemtica firme. Posteriores afinamientos y extensiones de la teora
han llegado hasta la Matemtica contempornea. 1 1.3 El mtodo de
exhaucin para el rea de un segmento de parbola Antes de proceder al
estudio sistemtico del Clculo integral, ser instruc- tivo aplicar
el mtodo de exhaucin directamente a una de las figuras particu-
lares tratadas por el mismo Arqumedes. La regin en cuestin est
presentada en la figura 1.3 y puede describirse como sigue: Si se
elige un punto arbitrario de la base de la figura y se designa por
x su distancia a 0, la distancia vertical de este punto a la curva
es x', En particular, si la longitud de la base es b la altura de
la figura es b2 La distancia vertical de x a la curva se denomina
orde- nada de x. La curva as descrita se denomina parbola y la
regin limitada por ella y por los dos segmentos rectilneos, se
llama segmento parablico. r----------------- o x Aproximacin por
defecto FIGURA 1.3 Segmento parablico FIGURA 1.4 Aproximacin por
exceso
26. El mtodo de exhaucin para el rea de un segmento de parbola
5. Esta figura puede encerrarse en un rectngulo de base b y altura
b", como se ve en la figura 1.3. Observando la figura parece
natural afirmar que el rea del segmento parablico es menor que la
mitad del rea del rectngulo. Arqu- medes hizo el sorprendente
descubrimiento de que el rea del segmento para- blico es
exactamente un tercio de la del rectngulo; es decir, A =b3 /3,
donde A designa el rea del segmento parablico. Se ver a continuacin
cmo se llega a este resultado. Se hace notr que el segmento
parablico dibujado en la figura 1.3 no est elegido exactamente tal
como lo dibuj Arqumedes y que los detalles que b" rea del rectngulo
= -. k2 n kb ... b = nb n n o b 2b n n FIGURA 1.5 Clculo del rea de
un segmento parablico. siguen no son exactamente los utilizados por
l. Sin embargo, las ideas esenciales son las de Arqumedes; lo que
aqu se expone puede considerarse como el m- todo de exhaucin
expuesto con la notacin moderna. El mtodo consiste simplemente en
lo siguiente: se divide la figura en un cierto nmero de bandas y se
obtienen dos aproximaciones de la regin, una por defecto y otra por
exceso, utilizando dos conjuntos de rectngulos como se indica en la
figura 1.4. (Se utilizan rectngulos mejor que polgonos arbitrarios
para simplificar los clculos.) El rea del segmento parablico es
mayor que el rea total de los rectngulos interiores pero menor que
la de los rectngulos exteriores. Si cada banda se subdivide a su
vez, se obtiene una nueva aproximacin con mayor nmero de bandas, la
reunin de las reas de los rectngulos inte-
27. 6 Introduccin riores crece, mientras que el total de las
reas de los rectngulos exteriores decrece. Arqumedes vio que se
poda lograr el rea con el grado de aproximacin deseado sin ms que
tomar un nmero suficiente de bandas. El clculo efectivo en este
caso se realiza como se indica a continuacin. Con objeto de
simplificar se subdivide la base en n partes iguales, cada una de
longitud bf n (vase fig. 1.5). Los puntos de subdivisin
corresponden a los si- guientes valores de x: o, ~ , 2b , 3b , ...
, (n - l)b , nb = b . n n n n n La expresin general de un punto de
la subdivisin es x =kb In, donde k toma los valores sucesivos k =
O, 1, 2, 3, .. , n, En cada punto kb I n se construye el rectngulo
exterior de altura (kbln)2 como se indica en la figura 1.5. El rea
de este rectngulo es el producto de la base por la altura y es
igual a: Si se designa por S; la suma de las reas de todos los
rectngulos exteriores, puesto que el rea del rectngulo k-simo es (b
3 In3 )k2 se tiene la frmula: (1.1 ) De forma anloga se obtiene la
frmula para la suma s de todos los rectngulos interiores: (1.2) La
forma de estas sumas es de gran importancia para su clculo. Ntese
que el factor que multiplica a b" In3 en la ecuacin (1.1) es la
suma de los cua- drados de los n primeros nmeros naturales: 12 + 22
+ ... + n2 (El factor correspondiente en la ecuacin (1.2) es anlogo
salvo que la suma tiene nicamente n - 1 sumandos.) Para valores
grandes de n la obtencin de esta suma por adicin directa de sus
sumandos es pesada, pero afortunada-
28. El mtodo de exhaucin para el rea de un segmento de parbola
7 mente existe una interesante identidad que hace posible obtener
esta suma por un camino ms simple, y es la siguiente: (1.3) 3 2 12
22 2 n n n + +"'+n =-+-+-.3 2 6 Esta identidad es vlida para todo
entero n 2: 1 Y puede demostrarse del siguien- te modo: Se parte de
la frmula (k+ l)3=k8 +3F+3k+ 1 Y se pone en la forma 3k2 + 3k + 1 =
(k + 1)3 - k3 . Haciendo k = 1, 2, ... , n - 1, obtenemos las n - 1
frmulas 3 . 12 + 3 . 1 + 1 = 23 - 13 3 . 22 + 3 . 2 + 1 = 33 - 23
3(n - 1)2 + 3(n - 1) + 1 = n3 - (n - 1)3. Al sumar estas frmulas,
todos los trminos del segundo miembro se reducen excepto dos y se
obtiene 3[P + 22 + ... + (n - 1)2] + 3[1 + 2+ ... + (n - 1)] + (n -
1) = n3 - P. La segunda suma del primer miembro es la suma de los
trminos de una pro- gresin aritmtica cuyo valor es t n(n - 1). Por
tanto la ltima igualdad nos da (lA) 3 2 12 + 22 + ... + (n - 1)2 =
!!..- _ !!..- + !:!. . 3 2 6 Sumando n' a los dos miembros,
obtenemos (1.3). Las expresiones exactas dadas en los segundos
miembros de (1.3) y (1.4) no son necesarias para el objeto que aqu
se persigue, pero sirven para deducir fcilmente las dos
desigualdades que interesan (I.5) n3 12 + 22 + ... + (n - 1)2 <
- < 12 + 22 + ... + n2 3 que son vlidas para todo entero n 2: 1.
Estas desigualdades pueden deducirse fcilmente como consecuencias
de (1.3) Y (I.4), o directamente por induccin. (Vase la Seccin 1
4.1.)
29. 8 Introduccin Multiplicando ambas desigualdades en (1.5)
por ba/na y haciendo uso de (1.1) Y (1.2) se tiene: (1.6) para cada
n, y observndose que se presenta por primera vez el nmero b" /3.
Las desigualdades en (1.6) expresan que para cada n el nmero ba /3
est com- prendido entre s.; y S Pero ahora es fcil probar que b' /3
es el nico nmero que goza de esta propiedad; es decir, que si A es
un nmero que verifica las desigualdades (1.7) para cada entero
positivo n, ha de ser necesariamente A =ba!3. Por esta razn dedujo
Arqumedes que el rea del segmento parablico es ba!3. Para probar
que A =ba!3 se utilizan una vez ms las desigualdades (1.5). Sumando
n2 a los dos miembros de la desigualdad de la izquierda en (1.5) se
obtiene: Multiplicando por ba! na y utilizando (1.1) se tiene (1.8)
Anlogamente, restando n2 de los dos miembros de la desigualdad de
la derecha en (1.5) y multiplicando por b"/na se llega a la
desigualdad: (1.9) Por tanto, cada nmero A que satisfaga (1.7) ha
de satisfacer tambin: (LlO) para cada entero n ;:: 1. Ahora bien,
hay slo tres posibilidades: A < b 3 3 '
30. Ejercicios 9 Si se prueba que las dos primeras conducen a
una contradiccin habr de ser A =b"j 3, ya que, al estilo de
Sherlock Holmes, se agotan as todos las posibili- dades. Supngase
que la desigualdad A > b"j 3 fuera cierta. De la segunda desi-
gualdad en (1.10) se obtiene: (I.11) b3 b3 A--O}; el conjunto
universal S en este caso se sobrentiende que es el conjunto de
todos los nmeros reales. Del mismo modo, el conjunto de todos los
nmeros pares positivos {2, 4, 6, ... } puede designarse con {x I x
entero par positivo}. Naturalmente, la letra x puede reemplazarse
por otro signo adecuado. As, se puede escribir {x Ix> O} = {y I
y > O} = {t I t > O} etctera. Puede ocurrir que un conjunto
no contenga elementos. Un tal conjunto se llama conjunto vaco, y se
representa mediante el smbolo 0. Consideremos el 0 como subconjunto
de cualquier conjunto. Hay quien imagina un conjunto como un
recipiente (tal como una bolsa o una caja) que contiene ciertos
objetos, sus elementos. Entonces, el conjunto vaco sera un
recipiente vaco. Para evitar dificultades y confusiones, debemos
distinguir entre el elemento x y el conjunto {x} cuyo nico elemento
es x. (Una caja con un sombrero dentro, es conceptualmente distinto
del sombrero considerado solo.) En particular el con- junto vaco 0
no es lo mismo que el conjunto { 0 }. En realidad el conjunto vaco
o no contiene elementos, mientras que el conjunto {0} contiene un
elemen- to, 0 (Una bolsa que contiene una bolsa vaca no est vaca.)
Los conjuntos que contienen un solo elemento se llaman conjuntos de
un elemento. Con frecuencia nos ayudamos de diagramas para hacer
intuitivas las relaciones entre conjuntos. Por ejemplo, podemos
pensar que el conjunto universal S es una regin en el plano, y cada
uno de sus elementos un punto Los subconjuntos de S pueden
imaginarse como colecciones de puntos interiores a S. Por ejemplo,
en la figura 1.6(b) la porcin sombreada es un subconjunto de A y
tambin de B. Las ayudas grficas de este tipo se llaman diagramas de
Venn y se utilizan para comprobar la validez de ciertos teoremas de
la Teora de conjuntos o para sugerir mtodos de demostracin de los
mismos. Naturalmente, tales demostraciones se basan en las
definiciones y conceptos y su validez depender de un razonamiento
correcto y no precisamente de los diagramas. 38. Reuniones,
intersecciones, complementos 1 2.4 Reuniones, intersecciones,
complementos 17 A partir de dos conjuntos dados A y B, siempre
podemos formar un nuevo conjunto llamado reunin de A y B. Este
nuevo conjunto se representa con el smbolo Ca) A u B A U B (se lee
A reunin B) o A n B Ce) A n B = 0 FIGURA 1.6 Reuniones e
intersecciones. y se define como el conjunto de los elementos que
pertenecen a A o a B o a ambos. Es decir, A U B es el conjunto de
todos los elementos que pertenecen por lo menos a uno de los
conjuntos A, B. En la figura I.6(a) la parte sombreada representa A
U B. Anlogamente, la interseccin de A y B que se representa con el
smbolo A n B (se lee: A interseccin B) se define como el conjunto
de los elementos comunes a A y a B. En la figura I.6(b) se
representa la interseccin de A y B. En la figura I.6(c) se ve que
la intersec- cin de A y B es el conjunto 0, puesto que A y B no
tienen elementos comunes. Dos conjuntos A y B se llaman disjuntos
si A n B= 0. Dados dos conjuntos A y B, se define la diferencia A -
B (que tambin se llama complemento de B relativo a A) como el
conjunto de los elementos de A que no pertenecen a B. As pues, segn
la definicin A - B = {x Ix E A Y x rF B} . En la figura I.6(b) la
porcin no sombreada de A representa A - B; la no som- breada de B
representa B - A. Las operaciones de reunin e interseccin poseen
muchas analogas formales con la adicin y multiplicacin ordinarias
de nmeros reales. Por ejemplo, puesto 39. 18 Introduccin que no
existe cuestin de orden en las definiciones de reunin e
interseccin, se deduce que A U B=B U A Y que A n B=B nA. Es decir,
la reunin y la in- terseccin son operaciones conmutativas. Asimismo
dichas definiciones estn dadas de tal modo que las operaciones son
asociativas: (A U B) U C = A U (B U C) y (A n B) n C = A n (B n C)
. Estos y otros teoremas relativos al lgebra de conjuntos se citan
como Ejercicios en la Seccin 12.5. Uno de los mejores mtodos para
que el lector se familiarice con la terminologa y las notaciones
antes introducidas es deducir las demostra- ciones de cada una de
estas leyes formales. Una muestra del tipo de razonamiento que se
necesita aparece inmediatamente despus de los Ejercicios. Las
operaciones de reunin e interseccin pueden extenderse a colecciones
finitas o infinitas de conjuntos, de la manera siguiente: Sea .'!F
una clase (t) no vaca de conjuntos. La reunin de todos los
conjuntos de .'!F se define como el conjunto de todos aquellos
elementos que pertenecen por 10 menos a uno de los conjuntos de
.'!F, y se representa con el smbolo UA.AeF Si ff es una coleccin
finita de conjuntos, sea por ejemplo ff ={Al> A2, , An},
escribimos n U A = U Ak = Al U A2 U ... U An AeF k~l Anlogamente,
la interseccin de todos los conjuntos de .'!F se define como el
conjunto de aquellos elementos que pertenecen a todos los conjuntos
de.'!F; se representa con el smbolo Al igual que antes, para
colecciones finitas de conjuntos escribimos: n n A = nAk = Al n A2
n ... nA. A~ ~ n (t) Para simplificar el lenguaje llamamos clase a
una coleccin de conjuntos. Para representar clases empleamos letras
maysculas cursivas. La terminologa y la notacin usuales de la Teora
de conjuntos se aplica, naturalmente, a las clases. As, por
ejemplo, A E ~ significa que A es uno de los conjuntos de la
clase~, y d S; [!J significa que todo conjunto de d pertenece a ~,
y as sucesivamente. 40. Ejercicios 19 La reunin y la interseccin se
han definido de manera que las leyes asociati- vas se satisfacen
inmediatamente. En consecuencia no existir ambigedad cuando
escribimos Al u A2 U ... U An o Al n A2 n ... n An . 1 2.5
Ejercicios l. Utilizar la notacin en lista para representar los
siguientes conjuntos de nmeros reales. A = {x I x2 - 1 = O} . B =
{x I(x - 1)2 = O} . e = {x Ix + 8 = 9} . D = {x Ix3 - 2x2 + x = 2}
. E = {x I(x + 8)2 = 92}. F = {x I(x2 + 16x)2 = 172} 2. Para los
conjuntos del Ejercicio 1, obsrvese que B S; A. Citar todas las
relaciones de inclusin S; que son vlidas entre los conjuntos A, B,
e, D, E, F. 3. Sean A = {I }, B = {1, 2}. Discutir la validez de
las afirmaciones siguientes (probar que unas son ciertas y explicar
por qu las otras son falsas). (a) A e B. (b) A S; B. (e) A E B. (d)
1 EA. (e) ISA. (f) 1 e B. 4. Resolver el Ejercicio 3 si A = {1} YB
= {{1}, 1}. 5. Dado el conjunto S = {1, 2, 3, 4}. Expresar todos
los subconjuntos de S. Hay en total 16, si contamos 0 y S. 6. Dados
los cuatro conjuntos siguientes A = {I, 2}, B = {{l}, {2}}, e =
{{l}, {l, 2}}, D = {{l}, {2}, {l, 2}}, discutir la validez de las
afirmaciones siguientes (probar que unas son certas y explicar por
qu las otras no lo son). (a) A = B. (b) A e; B. (e) A e C. (d) A E
C. (e) A e D. (f) B e C. (g) BcD. (h) BE D. (i) A E D. 7. Demostrar
las propiedades siguientes de la igualdad de conjuntos. (a) {a, a}
= {a}. (b) {a, b} = {b, a}. (e) {a} = {b, e} si y slo si a = b = c.
Demostrar el conjunto de relaciones de los Ejercicios 8 al 19. (Al
final de esta Seccin se dan ejemplos de estas demostracnes). 8.
Leyes conmutativas; A v B = B v A, A n B = B n A. 41. 20
Introduccin 9. Leyes asociativas: A U (B U C) = (A U B) U C, A r,
(B r. C) = (A rv B) n C. 10. Leyes distributivas: A n(B U C) = (A
nB) U (A n C), A U (B n C) = (A U B) n (A U C). 11. A uA =A, A nA
=A, 12. A S A u B, A n B S A. 13. A U 0 = A, A n 0 = 0. 14. A U (A
n B) = A, A n (A U B) = A. 15. Si A S C y B S C, entonces A U B S
C. 16. Si C S A Y C S B, entonces C S A n B. 17. (a) SiA e B y Be
C,probar que A e C. (b) SiA S B Y B S C,probar que A S C. (e) Qu
puede afirmarse si A e B y B S C? (d) Si x E A Y A S; B, es cierto
necesariamente que x E B? (e) Si x E A Y A E B, es cierto
necesariamente que x E B? 18. A - (B n C) = (A - B) u (A - C). 19.
Sea ~ una clase de conjuntos. Entonces B - U A = n(B - A) AE.'F
AE.'F y B - nA = U (B - A). AE.'F AE.F 20. (a) Demostrar que una de
las dos frmulas siguientes es siempre correcta y la otra algu- nas
veces es falsa: (i) A - (B - C) = (A - B) U C, (ii) A - (B u C) =
(A - B) - C. (b) Establecer una condicin necesaria y suficiente
adicional para que la frmula que sea incorrecta sea siempre vlida.
Demostracin de la ley conmutativa A U B=B U A. Sean X=A U B, Y=B U
A. Para demostrar que X =Y se demuestra que X S; Y e Y S X. Su-
pngase que x E X. Entonces x est por lo menos en A o en B. Luego, x
est por lo menos en B o en A; de modo que x E Y. As, pues, todo
elemento de X est tambin en Y, con lo que X S; Y. Anlogamente,
encontramos que Y S X, de modo que X =Y. Demostracin de A n B s; A.
Si x E A n B, x est simultneamente en A y en B. En particular, x E
A. As, pues, todo elemento de A n B est tambin en A; por lo tanto,
A n B S; A. 42. Introduccin 21 Parte 11I.- Un conjunto de axiomas
para el sistema de nmeros reales I 3.1 Introduccin Hay muchos
mtodos para introducir el sistema de los nmeros reales. Un mtodo
corriente es el de empezar con los enteros positivos 1,2,3, ... y
utilizarlos como base para construir un sistema ms amplio que tenga
las propiedades deseadas. Brevemente, la idea de este mtodo es
tomar los enteros positivos como base para formar un sistema ms
amplio, que es el de los nmeros racionales positivos (cocientes de
enteros positivos). Los nmeros racionales positivos se utilizan a
su vez como base para construir los irracionales positivos (nmeros
reales como V2 y 7T que no son racionales). El paso final es la
introduccin de los nmeros reales negativos y el cero. La parte ms
difcil del proceso total es el paso de los nmeros racionales a los
nmeros irracionales. Aunque la necesidad del nmero irracional se
haba presentado ya a los matemticos de la antigua Grecia en sus
estudios geomtricos, no se introdujeron mtodos satisfactorios de
construccin de los nmeros reales a partir de los racio- nales hasta
entrado el siglo XIX. En esta poca se perfilaron tres teoras
distintas por Karl Weierstrass (1815-1897), Georg Cantor
(1845-1918) y Richard Dede- kind (1831-1916). En 1889, el matemtico
italiano Giuseppe Peana (1858-1932) dio cinco axiomas para los
enteros positivos que se utilizaron como punto de partida para la
construccin total. Una exposicin detallada de esta construccin
empezando por los axiomas de Peana y utilizando el mtodo de
Dedekind para introducir el nmero irracional, se encuentra en el
libro de E. Landau, Funda- mentos del Anlisis (Nueva York, Chelsea
Publishing Co., 1951). El punto de vista adoptado aqu no es
constructivo. Se inicia el proceso en un punto bastante avanzado,
considerando los nmeros reales como conceptos primitivos que
satisfacen a un cierto nmero de propiedades que se toman como
axiomas; es decir, se supone que existen ciertos objetos, llamados
nmeros reales, que satisfacen los 10 axiomas enunciados en las
cinco Secciones que siguen. Todas las propiedades de los nmeros
reales que se utilizarn en este libro, o estn entre los axiomas o
se pueden deducir de ellos. Cuando los nmeros reales se definen
mediante un proceso constructivo, las propiedades que se toman como
axiomas tendrn que demostrarse como teoremas. Mientras no se diga
10 contrario, las letras a, b, e, ... x, y, z que aparecen en los
axiomas representan nmeros reales cualesquiera. Los axiomas se
agrupan en forma natural en tres grupos, que son, axiomas de
cuerpo, axiomas de orden y axioma del extremo superior (llamado
tambin axioma de continuidad o axioma de completitud). 43. 22
1ntroduccin 1 3.2 Axiomas de cuerpo Junto con el conjunto de los
nmeros reales se supone la existencia de dos operaciones llamadas
adicin y multiplicacin, tales que para cada par de nmeros reales x
e y se puede formar la suma de x e y, que es otro nmero real
designado por x+y y el producto de x por y designado por xy o X' y.
La suma x+y y el producto xy estn unvocamente determinados por x e
y. A los signos + y . no se les asigna otro significado especial
que el precisado en los axiomas. AXIOMA 1. PROPIEDAD CONMUTATIVA.
x+y=y+x, xy=yx. AXIOMA 2. PROPIEDAD ASOCIATIVA. x+(y+z)=(x+y)+z,
x(yz)= (xy)z. AXIOMA 3. PROPIEDAD DISTRIBUTIVA. x(y+z)=xy+xz.
AXIOMA 4. EXISTENCIA DE ELEMENTOS NEUTROS. Existen dos nmeros rea-
les distintos, que se indican por O y 1 tales que para cada nmero
real x se tiene: O+x=x+O=x y I.: X=X' 1=x. AXIOMA 5. EXISTENCIA DE
NEGATIVOS. Para cada nmero real x existe un nmero real y tal que
x+y=y+x=O. AXIOMA 6. EXISTENCIA DEL RECPROCO. Para cada nmero real
x =1= O existe un nmero real y tal que xy =yx = 1. Nota: Los nmeros
O y 1 de los axiomas 5 y 6 son los mismos que los del axioma 4. De
los axiomas anteriores se puede deducir todas las leyes usuales del
lgebra elemental. Las ms importantes de ellas se recogen a
continuacin como teoremas. En todos estos teoremas las letras a, b,
e, d, representan nmeros reales cuales- quiera. TEOREMA 1.1. LEY DE
SIMPLIFICACIN PARA LA SUMA. Si a+b=a+c, entonces b =c. (En
particular esto prueba que el nmero O del axioma 4 es nico.)
TEOREMA 1.2. POSIBILIDAD DE LA SUSTRACCIN. Dados a y b existe uno y
slo un x tal que a+x =b. Este x se designa por b - a. En particular
O- a se es- cribe simplemente -a y se denomina el negativo de a.
TEOREMA 1.3. b - a = b + (-a). TEOREMA lA. -(-a) = a. TEOREMA 1.5.
a(b - e) = ab - ac. TEOREMA 1.6. O a = a' 0= O. 44. Axiomas de
cuerpo 23 TEOREMA 1.7. LEY DE SIMPLIFICACIN PARA LA MULTIPLICACIN.
Si ab =ac y a # O, entonces b =c. (En particular esto demuestra que
el nmero 1 del axioma 4 es nico.) TEOREMA 1.8. POSIBILIDAD DE LA
DIVISIN. Dados a y b con a =1= O, existe uno y slo un x tal que ax
=b. La x se designa por b/ a o ~ y se denomina cociente a de b y a.
En particular 1/a se escribe tambin a:' y se designa recproco de a.
TEOREMA 1.9. Si a ~ O, entonces b]a = b . a-l. TEOREMA 1.10. Si a ~
O,entonces (a-1)-1 = a. TEOREMA 1.11. Si ab=O entonces o a=O o b=O.
TEOREMA I.12. (-a)b = -(ab) y (-a)( -b) = ab. TEOREMA I.13. (a/b) +
(c/d) = (ad + bc)/(bd) si b; O Y d; O. TEOREMA I.14. (a/b)(c/d) =
(ac)/(bd) si b; O Y d ~ O. TEOREMA I.15. (ajb)j(c/d) = (ad)j(bc) si
b ~ O, e ~ O, Y d ~ O. Para poner de manifiesto cmo estos teoremas
pueden obtenerse como con- secuencia de los axiomas, se dan las
demostraciones de 1.1 hasta 1.4, Y sera ins- tructivo para el
lector tratar de demostrar los restantes. Demostracin de 1.1. Dado
a+b=a+c. En virtud del axioma 5, se puede elegir y de manera que
y+a=O, con lo cual y+(a+b)=y+(a+c), y aplicando la propiedad
asociativa (y+a)+b=(y+a)+c, o sea, O+b=O+c. Pero en virtud del
axioma 4, se tiene O+b=b y O+c=c, o sea, b=c. Obsrvese que este
teore- ma demuestra que existe un solo nmero real que tiene la
propiedad del O en el axioma 4. En efecto, si O y O' tuvieran ambos
esta propiedad, entonces, 0+0'=0 y 0+0=0; por tanto, 0+0'=0+0 y por
la ley de simplificacin 0=0'. Demostracin de 1.2. Dados a y b se
elige y de manera que a+y=O y sea x=y+b. Entonces,
a+x=a+(y+b)=(a+y)+b=O+b=b. Por tanto, hay por lo menos una x tal
que a +x =b. Pero en virtud del teorema 1.1, hay a lo sumo una.
Luego hay una y slo una x en estas condiciones. Demostracin de 1.3.
Sea x=b-a y sea y=b+( -a). Se trata de probar que x=y. Por
definicin de b-a, x+a=b y y + a = [b + (-a)] + a = b + [(-a) + a] =
b + O = b. 45. 24 Introduccin Por tanto, x+a=y+a, Y en virtud de
1.1, x=y. Demostracin de 1.4. Se tiene a+( -a)=O por definicin de
-a. Pero esta igualdad dice que a es el opuesto de (-a), es decir,
que a= -( -a) como se afirma en el teorema. 1 3.3 Ejercicios 1.
Demostrar los teoremas del 1.5 al 1.15, utilizando los axiomas 1 al
6 y los teoremas 1.1 al 1.4. En los ejercicios del 2 al 10,
demostrar las afirmaciones indicadas, o establecer las igual- dades
dadas. Aplquense los axiomas 1 al 6 y los teoremas del 1.1 al 1.15.
2. -O = O. 3. 1-1 = 1. 4. El cero no tiene recproco. 5. - (a + b) =
- a-b. 6. - (a - b) = - a + b, 7. (a - b) + (b - e) = a-e. 8. Si a
; O Y b ; O, entonces (ab)-l = a-1 s. 9. - (a/b) = ( - aib) = a/( -
b) si b ; O. 10. (a/b) - (e/d) = (ad - be)/(bd) sib ; O Y d; O. 1
3.4 Axiomas de orden Este grupo de axiomas se refiere a un concepto
por el que se establece una ordenacin entre los nmeros reales. Segn
esta ordenacin se puede decidir si un nmero real es mayor o menor
que otro. Se introducen aqu las propiedades de orden, como un
conjunto de axiomas referentes al nuevo concepto primitivo de
positivo, para definir despus los conceptos de mayor que y menor
que a partir del de positivo. Supondremos que existe un cierto
subconjunto R+ e R, llamado conjunto de nmeros positivos, que
satisfacen los tres axiomas de orden siguientes: AXIOMA 7. Si x e y
pertenecen a R+, lo mismo ocurre a x+y y xy. AXIOMA 8. Para todo
real x # O, o X E R+ o -x E R+, pero no ambos. AXIOMA 9. O rf: R+.
Ahora se pueden definir los smbolos , ~, y ~ llamados
respectivamente menor que, mayor que, igual o menor que, e igual o
mayor que, de la manera siguiente: x 46. Axiomas de orden 25 y>x
significa que x O si y slo si x es POSItIVO. Si x < O se dice
que x es negativo; si x 2 O se dice que x es no negativo. El par de
desigualda- des simultneas x < y, y < z se escriben
frecuentemente en la forma ms breve x < < y < z;
interpretaciones anlogas se dan a las desigualdades compuestas x :5
y < z, x < y :5 z, X :5 Y :5 z, De los axiomas de orden se
pueden deducir todas las reglas usuales de clculo con'
desigualdades, las ms importantes de las cuales se dan a
continuacin como teoremas. TEOREMA 1.16. PROPIEDAD DE TRICOTOMA.
Para a y b nmeros reales cualesquiera se verifica una y slo una de
las tres relaciones a < b, b < a, a = b, TEOREMA 1.17.
PROPIEDAD TRANSITIVA. Si a < b y b < e, es a < c. TEOREMA
1.18. Si a < b es a + e < b + c. TEOREMA 1.19. Si a < b y
e > O es ac < be. TEOREMA 1.20. Si a =1= O es a2 > O.
TEOREMA 1.21. 1 > O. TEOREMA 1.22. Si a < b y e < O,es ae
> be. TEOREMA 1.23. Si a < b, es -a > - b, En particular
si a < O,es - a > O. TEOREMA 1.24. Si ab > O entonces a y
b son o ambos positivos o ambos negativos. TEOREMA 1.25. Si a <
e y b < d,entonees a + b < e + d. Tambin aqu se demostrarn
slo algunos de estos teoremas, como ejemplo de cmo se procede en la
demostracin. Los dems se dejan como ejercicio al lector.
Demostracin de 1.16. Sea x = b - a. Si x = O, entonces b - a = a- b
= O y, por tanto, en virtud del axioma 9 no puede ser ni a > b
ni b > a. 47. 26 Introduccin Si x =1= O, el axioma 8 afirma que
o x > O o x < O, pero no ambos; por consi- guiente, o es a
< b o es b < a, pero no ambos. Por tanto se verifica una y
slo una de las tres relaciones a = b, a < b, b < a.
Demostracin de 1.17. Si a < by b < c, entonces b - a > O y
e - b > O. En virtud del axioma 7 se puede sumar obtenindose (b
- a) + (c - b) > o. Es decir, e - a > O, y por tanto, a <
c. Demostracin de 1.18. Sea x = a + e, y = b + c. Entonces y - x =
b - a. Pero b - a> O, por tanto, a < b. De donde y - x >
O, lo que significa x < y. Demostracin de 1.19. Si a < b
entonces b - a > O. Si c> O en virtud del axioma 7, se puede
multiplicar e por (b - a) obtenindose (b - a) e > o. Pero (b -
a)c = be - ac, por tanto, be - ac > O y esto significa be >
ac como se quera demostrar. Demostracin de 1.20. Si a> O, en
virtud del axioma 7 a- a > o. Si a < O, entonces - a > O
y, por tanto, (- a) (- a) > O en virtud del axioma 7. En ambos
casos se tiene a2 > O. Demostracin de 1.21. Aplicando el teorema
1.20 al caso a = 1. *1 3.5 Ejercicios 1. Demostrar los teoremas
1.22 al 1.25 utilizando los teoremas anteriores y los axiomas del 1
al 9. En los ejercicios del 2 al 10 demostrar las proposiciones y
establecer las desigualdades dadas. Se pueden utilizar los axiomas
del 1 al 9 y los teoremas del 1. 1 al 1.25. 2. No existe ningn
nmero real tal que x2 + 1 = O. 3. La suma de dos nmeros negativos
es un nmero negativo. 4. Si a > O; tambin l/a> O; si a <
O, entonces l/a < O. 5. Si O < a < b, entonces, O < b-l
< a-l. 6. Si a :$ b Y b -s e, es a :$ c. 7. Si a :$ b Y b s: c y
a = c, entonces b = c. 8. Para nmeros reales a y b cualesquiera, se
tiene a2 + b2 ~ O. Si ab ~ 0, entonces es a2 + b2 > O. 9. No
existe ningn nmero real a tal que x :$ a para todo real x. 10. Si x
tiene la propiedad que O :$ x < h para cada nmero real positivo
h, entonces x = O. 1 3.6 Nmeros enteros y racionales Hay ciertos
subconjuntos de R que se distinguen porque tienen propiedades
especiales de que no gozan todos los nmeros reales. En esta Seccin
se discutirn dos de estos subconjuntos, los nmeros enteros y los
nmeros racionales. 48. N meros enteros y racionales 27 Para
introducir los enteros POSItiVOSse empieza con el nmero 1, cuya
existencia queda asegurada por el axioma 4. El nmero 1 + 1 se
representa por 2, el 2 + 1 por 3, y as sucesivamente. Los nmeros 1,
2, 3, ... , obtenidos de este modo por la adicin repetida del 1 son
todos positivos, y se llaman enteros positivos. En rigor, esta
descripcin de los enteros positivos no es del todo precisa pues no
hemos explicado con detalle lo que entendemos por y as
sucesivamente o por adicin repetida del 1. Si bien la significacin
intuitiva puede parecer clara, en un estudio cuidadoso del sistema
de los nmeros reales es necesario dar una definicin ms precisa de
los enteros positivos. Hay varios modos de hacerlo. Un mtodo
consiste en introducir primero la nocin de conjunto inductivo.
DEFINICIN DE CONJUNTO INDUCTIVO. Un conjunto de nmeros reales se
de- nomina conjunto inductivo si tiene las propiedades siguientes:
a) El nmero 1 pertenece al conjunto. b) Para todo x en el conjunto,
el nmero x + 1 pertenece tambin al conjunto. Por ejemplo, R es un
conjunto inductivo. Tambin lo es el conjunto R+. Definire- mos los
enteros positivos como aquellos nmeros reales que pertenecen a todo
conjunto inductivo. DEFINICIN DE ENTEROS POSITIVOS. Un nmero real
se llama entero positivo si pertenece a todo conjunto inductivo.
Sea P el conjunto de todos los enteros positivos. Es un conjunto
inductivo ya que a) contiene el 1, y b) contiene a x + 1 siempre
que contenga x. Puesto que los elementos de P pertenecen a todo
conjunto inductivo, nos referiremos a P como el menor conjunto
inductivo. Esta propiedad del conjunto P constituye la base lgica
para un tipo de razonamiento que los matemticos denominan demos-
tracin por induccin, que se expone con detalle en la parte 4 de
esta Introduccin. Los opuestos de los enteros positivos se llaman
enteros negativos. Los enteros positivos junto con los enteros
negativos y el O (cero), constituyen un conjunto Z que se llama
simplemente conjunto de los enteros. En un estudio completo del
sistema de los nmeros reales, sera necesario al llegar aqu
demostrar ciertos teoremas acerca de los enteros. Por ejemplo, la
suma, la diferencia o el producto de dos enteros es un entero, pero
el cociente de dos enteros no es necesariamente entero. Sin
embargo, no entraremos en los detalles de tales demostraciones. Los
cocientes de enteros a/b (siendo b =1=O) se llaman nmeros
racionales. El conjunto de los nmeros racionales, representado por
Q, contiene a Z como subconjunto. El lector debera comprobar que Q
satisface todos los axiomas de cuerpo y de orden. Por esta razn se
dice que el conjunto de los nmeros racio- 49. 28 Introduccin nales
es un cuerpo ordenado. Los nmeros reales que no pertenecen a Q se
llaman irracionales. I 3.7 Interpretacin geomtrica de los nmeros
reales como puntos de una recta Sin duda que el lector debe estar
familiarizado con la representacin de los nmeros reales por medio
de los puntos de una recta. Se elige un punto para representar el O
y otro a la derecha del O para representar el 1, como se indica en
la figura 1.7. Esta eleccin determina la escala. Si se adopta un
conjunto de axiomas apropiados para la Geometra eucldea, cada nmero
real corresponde a uno y slo un punto de la recta y, recprocamente,
cada punto de la recta a un nmero real y slo uno. Por esta razn la
recta se denomina frecuentemente recta real o eje real, y es
costumbre utilizar las palabras nmero real y punto como sinnimos.
Por eso se dice muchas veces el punto x en vez del punto corres-
pondiente al nmero real x. La relacin de orden entre los nmeros
reales tiene una interpretacin geom- trica simple. Si x < y, el
punto x est a la izquierda del punto y, como se ve en la figura
1.7. Los nmeros positivos estn a la derecha del O y los negativos a
la izquierda del O. Si a < b, un punto x satisface las
desigualdades a < x < b, si y slo si x est entre a y b, Esta
posibilidad de representar geomtricamente los nmeros reales es un
auxiliar poderoso, pues permite descubrir y comprender mejor
ciertas propiedades de los nmeros reales. Aunque el lector debe
observar que todas las propiedades de los 'nmeros reales que se han
dado como teoremas deben deducirse de los axiomas sin ninguna
referencia geomtrica, esto no prejuzga que no deba hacerse uso de
la Geometra en el estudio de las propiedades de los nmeros reales.
Por el contrario, la Geometra sugiere a menudo el mtodo de
demostracin para un teorema particular, y algunas veces un
argumento geomtrico es ms sugestivo que la demostracin puramente
analtica (dependiente exclusivamente de los axio- mas del nmero
real). En este libro, se utiliza con frecuencia la intuicin geom- I
I I I O I x y FIGURA 1.7 Nmeros reales representados geomtricamente
en una lnea trica para aclarar determinadas cuestiones o para
inducir a discusiones de otras. No obstante, las demostraciones de
todos los teoremas importantes se presentan en forma analtica. I
3.8 Cota superior de un conjunto. elemento mximo, extremo superior
Los nueve axiomas expuestos hasta ahora contienen todas las
propiedades de los nmeros reales estudiados ordinariamente en
lgebra elemental. Hay otro 50. Cota superior de un conjunto 29
axioma de importancia fundamental en el Clculo que de ordinario no
se estudia en los cursos de Algebra elemental. Este axioma (u otro
equivalente) es necesario para establecer la existencia del nmero
irracional. En Algebra elemental se presentan nmeros irracionales
cuando se trata de resolver ciertas ecuaciones cuadrticas. Por
ejemplo, se desea tener un nmero real x tal que x2 = 2. A partir de
los nueve axiomas anteriores no se puede probar que exista un x en
el sistema de los nmeros reales que verifique tal ecuacin, ya que
estos nueve axiomas son satisfechos tambin por los nmeros
racionales y no hay ningn nmero racional cuyo cuadrado sea 2. (En
el Ejercicio 11 de la Sec- cin 13.12 se esboza una demostracin de
esta afirmacin.) El axioma 10 permite introducir nmeros
irracionales en el sistema de los nmeros reales. Se ver tambin que
atribuye al conjunto de los nmeros reales una propiedad de conti-
nuidad que es especialmente importante en el estudio del Clculo.
Antes de exponer el axioma 10, conviene introducir alguna
terminologa y notacin especiales. Sea S un conjunto no vaco de
nmeros reales y supongamos que existe un nmero B tal que x~B para
todo x de S. Entonces se dice que S est acotado superiormente por
B. El n- mero B se denomina una cota superior para S. Decimos una
cota superior debido a que todo nmero mayor que B tambin es una
cota superior. Si una cota supe- rior B pertenece tambin aS,
entonces B se llama el elemento mximo de S. A lo sumo puede existir
un B que sea elemento mximo. Si existe, se escribe B = maxS. As
que, B = max S si B E S Y x ~ B para todo x de S. Un conjunto sin
cota su- perior se dice que es no acotado superiormente. Los
ejemplos que siguen ilustran el significado de estas
denominaciones. EJEMPLO 1. Sea S el conjunto de todos los nmeros
reales positivos. Es un conjunto no acotado superiormente. No tiene
cotas superiores ni elemento mximo. EJEMPLO 2. Sea S el conjunto de
todos los nmeros reales x tales que O .~ x ~ 1. Este conjunto est
acotado superiormente por el 1. Su elemento mxi- mo es el 1.
EJEMPLO 3. Sea T el conjunto de todos los nmeros reales x tales que
O ::::;;x < 1. Es parecido al conjunto del ejemplo 2 salvo que
el punto 1 no est incluido. Este conjunto est acotado superiormente
por el 1 pero no tiene elemen- to mximo. 51. 30 1ntroduccin Algunos
conjuntos, parecidos al del ejemplo 3, estn acotados superiormente
pero no tienen mximo. Para ellos existe un concepto que sustituye
al del mximo. Este se llama extremo superior del conjunto y se
define como sigue: DEFINICIN DE EXTREMO SUPERIOR. Un nmero B se
denomina extremo su- perior de un conjunto no vaco S si B tiene las
dos propiedades siguientes: a) B es una cota superior de S. b)
Ningn nmero menor que B es cota superior para S. Si S tiene mximo,
ste es tambin extremo superior de S. Pero si S no posee mximo,
puede tener extremo superior. En el ejemplo 3 precedente, el nmero
1 es extremo superior para T si bien T no tiene mximo. (Ver figura
1.8.) cotas superiores de T / 1~/////////////// extremo superior de
T O S / cotas superiores de S / .~1"" O T / mximo de S a) S tiene
mximo: maxS=l b) T no tiene mximo, pero s extremo superior: sup T =
1 FIGURA 1.8 Cotas superiores, mximo y extremo superior. TEOREMA
1.26. Dos nmeros distintos no pueden ser extremos superiores para
el mismo conjunto. Demostracin. Sean B y e dos extremos superiores
para un conjunto S. La propiedad b) implica que e ~ B puesto que B
es extremo superior; anloga- mente, B e ya que e es extremo
superior. Luego, tenemos B = C. Este teorema nos expresa que si
existe extremo superior para un conjunto S, hay solamente unoy
puede decirse el extremo superior. Con frecuencia se emplea el
trmino supremo de un conjunto en vez de extremo superior utilizando
la abreviatura sup, escribiendo entonces: B = sup S. 1 3.9 Axioma
del extremo superior (axioma de completitud) Podemos ahora
establecer el axioma del extremo superior para el sistema de nmeros
reales. 52. Axioma del extremo superior 31 AXIOMA 10. Todo conjunto
no vaco S de nmeros reales acotado superior- mente posee extremo
superior; esto es, existe un nmero real B tal que B = sup S.
Insistamos una vez ms en que el extremo superior de S no pertenece
nece- sariamente a S. En realidad sup S pertenece a S si y slo si S
posee mximo, en cuyo caso max S = sup S. Las definiciones de cota
inferior, acotado inferiormente, mnimo, se formulan en forma
parecida. El lector debera hacerlo como ejercicio. Si S tiene
mnimo, se expresa poniendo min S. Un nmero L se llama extremo
inferior (o nfimo) de S si a) L es una cota inferior para S, y b)
ningn nmero mayor que L es cota inferior para S. El extre- mo
inferior de S, cuando existe, es nico y se designa por inf S. Si S
posee mnimo, entonces min S = inf S. Con el axioma 10, se puede
demostrar el siguiente TEOREMA 1.27. Todo conjunto no vaco S
acotado inferiormente posee extre- mo inferior; esto es, existe un
nmero real L tal que L = inf S. Demostracin. Sea - S el conjunto de
los nmeros opuestos de los de S. Entonces -S es no vaco y acotado
superiormente. El axioma 10 nos dice que existe un nmero B que es
extremo superior de -S. Es fcil ver que - B = inf S. Consideremos
una vez ms los ejemplos de la Seccin anterior. En el ejem- plo 1,
el conjunto de todos los nmeros reales positivos, tiene el O como
extremo inferior. Ese conjunto no tiene mnimo. En los ejemplos 2 y
3, el O es el mnimo. En todos esos ejemplos resulta fcil decidir si
el conjunto S es o no acotado superior o inferiormente, y tambin es
fcil determinar los nmeros sup S e inf S. El ejemplo siguiente
muestra que averiguar la existencia de las cotas superior o
inferior puede resultar difcil. EJEMPLO 4. Sea S el conjunto de
todos los nmeros de la forma (l + l/n)n, donde n = 1, 2, 3, ....
Si, por ejemplo, hacemos n = 1,2, Y 3, encontramos que los nmeros
2,L y .~.~pertenecen a S. Todo nmero del conjunto es mayor que 1,
con lo que el conjunto est acotado inferiormente y por tanto tiene
un extremo inferior. Con un pequeo esfuerzo podemos probar que 2 es
el menor elemento de S de modo que inf S = min S = 2. Tambin el
conjunto S est acotado supe- riormente, aunque no es tan fcil
demostrarlo. (Intntese!) Una vez sabido que S est acotado
superiormente, el axioma 10 nos asegura la existencia del extremo
superior de S. En este caso no resulta fcil determinar el valor del
extremo superior de S a partir de la definicin de este conjunto. En
un prximo captulo veremos que el sup S es un nmero irracional
aproximadamente igual a 2,718. Es un n- mero importante en Clculo
llamado nmero de Euler o nmero e. 53. 32 Introduccin 1 3.10 La
propiedad arquimediana del sistema de los nmeros reales Esta Seccin
contiene algunas propiedades importantes del sistema de los nmeros
reales que son consecuencia del axioma del extremo superior.
TEOREMA 1.28. El conjunto P de los enteros positivos 1, 2, 3, ., .
no est acotado superiormente. Demostracin. Supngase P acotado
superiormente. Demostraremos que esto nos conduce a una
contradiccin. Puesto que P no es vaco, el axioma 10 nos dice que P
tiene extremo superior, sea ste b. El nmero b - 1, siendo menor que
b, no puede ser cota superior de P. Luego, existe un mnimo entero
positivo n tal que n > b - 1. Para este n tenemos n + 1 > b.
Puesto que n + 1 pertenece a P, esto contradice el que 'b sea una
cota superior para P. Como corolarios del teorema 1.28, se obtienen
inmediatamente las conse- cuencias siguientes: TEOREMA 1.29. Para
cada real x existe un entero positivo n tal que n > x.
Demostracin, Si no fuera as, x sera una cota superior de P, en
contra- diccin con el teorema 1.28. TEOREMA 1.30. Si x > O e y
es un nmero real arbitrario, existe un entero positivo n tal que nx
> y. Demostracin. Aplicar el teorema 1.29 cambiando x por y]. La
propiedad descrita en el teorema 1.30, se denomina frecuentemente
propiedad arquimediana del sistema de los nmeros reales.
Geomtricamente signi- fica que cada segmento, tan largo como se
quiera, puede ser recubierto por un nmero finito de segmentos de
longitud positiva dada, tan pequea como se quiera. En otras
palabras, una regla corta puede medir distancias tan largas como se
quiera colocndola consecutivamente. Arqumedes, considerando sta
como una propiedad fundamental de la lnea recta, la consider como
uno de los axio- mas de la Geometra. En los siglos XIX y XX se han
construido geometras no arquimedianas en las que se prescinde de
este axioma. A partir de la propiedad arquimediana, podemos
demostrar el teorema si- guiente que nos ser til en Clculo
integral. TEOREMA 1.31. Si tres nmeros reales a, x, e y satisfacen
las desigualdades (1.14) a ::;;x ::;;a + ~ para todo entero n ~ 1,
entonces x = a. 54. Propiedades fundamentales del extremo superior
33 Demostracin. Si x > a, el teorema 1.30 nos dice que existe un
entero positivo n que satisface n(x - a) > y, en contradiccin
con (1.14). Luego no puede ser x > a, con lo que deber ser x =
a. 1 3.11 Propiedades fundamentales del extremo superior En esta
Seccin se consideran tres propiedades fundamentales de los extremos
superior e inferior que se utilizarn en lo sucesivo. La primera de
ellas establece que todo conjunto de nmeros con extremo superior
contiene nmeros tan prxi- mos como se quiera a dicho extremo; del
mismo modo, un conjunto con extremo inferior contiene nmeros tan
prximos a l como se quiera. TEOREMA 1.32. Sea h un nmero positivo
dado y S un conjunto de nme- ros reales. a) Si S tiene extremo
superior, para un cierto x de S se tiene x> sup S - h. b) Si S
tiene extremo inferior, para un cierto x de S se tiene x < inf S
+ h. Demostracin de a). Si es x ~ sup S - h para todo x de S,
entonces sup S - h sera una cota superior de S menor que su extremo
superior. Por con- siguiente debe ser x > sup S - h por lo menos
para un x de S. Esto demuestra a). La demostracin de b) es
parecida. TEOREMA 1.33. PROPIEDAD ADITIVA. Dados dos subconjuntos
no vacos A y B de R, sea e el conjunto e = {a + b Ia E A, b E B} .
a) Si A y B poseen extremo superior, entonces e tiene extremo
superior, y sup e = sup A + sup B . b) Si A Y B tienen extremo
inferior, entonces e tiene extremo inferior, e inf e = inf A + inf
B . Demostracin. Supongamos que A y B tengan extremo superior. Si e
E e, entonces e = a + b, donde a E A Y b E B. Por consiguiente e ~
sup A + sup B; 55. 34 1ntroduccin de modo que sup A + sup B es una
cota superior de C. Esto demuestra que e tiene extremo superior y
que sup e ~ sup A + sup B . Sea ahora n un entero positivo
cualquiera. Segn el teorema 1.32 (con h = 11n) existen un a en A y
un b en B tales que 1 a> sup A - , 1 b > supB - ' Sumando
estas desigualdades, se obtiene 2 a + b > sup A + sup B - , o 2
2 sup A + sup B < a + b + ~ sup e + ' puesto que a + b ~ sup C.
Por consiguiente hemos demostrado que 2 sup e ~ sup A + sup B <
sup e + para todo entero n ~ 1. En virtud del teorema 1.31, debe
ser sup e = sup A + sup B. Esto demuestra a), y la demostracin de
b) es parecida. TEOREMA 1.34. Dados dos subconjuntos no vacos S y T
de R tales que para todo s de S y todo t de T. Entonces S tiene
extremo superior, y T extremo inferior, y se verifica sup S ~ inf
T. Demostracin. Cada t de T es cota superior para S. Por
consiguiente S tiene extremo superior que satisface la desigualdad
sup S ~ t para todo t de T. Luego sup S es una cota inferior para
T, con lo cual T tiene extremo inferior que no puede ser menor que
sup S. Dicho de otro modo, se tiene sup S ~ inf T,como se afirm. *1
3.12 Ejercicios 1. Si x e y son nmeros reales cualesquiera, x <
y, demostrar que existe por lo menos un nmero real z tal que x <
z < y. 56. Existencia de races cuadradas de los nmeros reales no
negativos 35 2. Si x es un nmero real arbitrario, probar que
existen enteros m y n tales que m < x < n. 3. Si x > O,
demostrar que existe un entero positivo n tal que l/n < x. 4. Si
x es un nmero real arbitrario, demostrar que existe un entero n
nico que verifica las desigualdades n ::; x < n + 1. Este n se
denomina la parte entera de x y se designa por [x]. Por ejemplo,
[5] = 5, [tl = 2, r-n = - 3. 5. Si x es un nmero real arbitrario,
probar que existe un entero nico n que satisface la desigualdad n
s; x < n + 1. 6. Si x e y son nmeros reales arbitrarios, x <
y, probar que existe por lo menos un n- mero racional r tal que x
< r < y y deducir de ello que existen infinitos. Esta
propiedad se expresa diciendo que el conjunto de los nmeros
racionales es denso en el sistema de los nmeros reales. 7. Si x es
racional, x ~ O, e y es irracional, demostrar que x + y, x - y, xy,
x/y, y] son todos irracionales. 8. La suma o el producto de dos
nmeros irracionales es siempre irracional? 9. Si x e y son nmeros
reales cualesquiera, x < y, demostrar que existe por lo menos un
nmero irracional z tal que x < z < y y deducir que existen
infinitos. 10. Un entero n se llama par si n = 2m para un cierto
entero m, e impar si n + 1 es par. Demostrar las afirmaciones
siguientes: a) Un entero no puede ser a la vez par e impar. b) Todo
entero es par o es impar. e) La suma o el producto de dos enteros
pares es par. Qu se puede decir acerca de la suma o del producto de
dos enteros impares? d) Si n2 es par, tambin lo es n. Si a2 = 2b2 ,
siendo a y b enteros, entonces a y b son ambos pares. e) Todo nmero
racional puede expresarse en la forma al b, donde a y b son
enteros, uno de los cuales por lo menos es impar. 11. Demostrar que
no existe nmero racional cuyo cuadrado sea 2. [Indicacin. Utilizar
el razonamiento de reduccin al absurdo. Supngase (a/b)2 = 2, siendo
a y b enteros, uno de ellos por lo menos impar. Utilizar partes del
Ejercicio 10.] 12. La propiedad arquimediana del sistema de nmeros
reales se dedujo como consecuencia del axioma del extremo superior.
Demostrar que el conjunto de los nmeros racionales satisface la
propiedad arquimediana pero no la del extremo superior. Esto
demuestra que la propiedad arquimediana no implica el axioma del
extremo superior. ~'I3.13 Existencia de races cuadradas de los
nmeros reales no negativos Se ha visto anteriormente que la ecuacin
x2 = 2 no tiene solucin entre los nmeros racionales. Con auxilio
del axioma 1 se puede demostrar que la ecua- cin x2 = a tiene
soluci