Continuidad de funciones · Definición
Teorema del valor extremo
Antes de empezar necesitas conocer
El teorema del valor extremo garantiza que una función continua en un intervalo cerrado y acotado tiene extremos absolutos. Así sabemos que existen antes de buscarlos.
Definición
Si \(f\) es continua en un intervalo cerrado y acotado \([a,b]\), entonces \(f\) alcanza un máximo y un mínimo absolutos en \([a,b]\).
Una función continua en un intervalo cerrado y acotado \([a,b]\) alcanza un máximo y un mínimo absolutos. No «se acerca» a ellos: los toma realmente.
Las dos hipótesis importan. En \((0,1)\) la función \(1/x\) no está acotada; en \([0,\infty)\) la función \(x\) no tiene máximo. Si falta cerrado o acotado, el teorema puede fallar.
Este resultado justifica buscar extremos en problemas de optimización: sabemos que existen antes de buscarlos.
Para pensar
¿Por qué \(f(x)=x\) en \((0,1)\) no contradice el teorema?
Porque el intervalo es abierto: no alcanza máximo ni mínimo y el teorema exige un intervalo cerrado.
¿Alcanza máximo \(f(x)=x/(1+|x|)\) en \(\mathbb R\)?
No. Es continua y está acotada por \(1\), pero \(f(x)<1\) para todo \(x\) y \(f(x)\to1\) cuando \(x\to\infty\). Falla que el dominio sea acotado.
Ejercicios 20
- ¿Para cuál de estas funciones NO está garantizado un máximo absoluto por el teorema del valor extremo?
- ¿Qué condición del teorema del valor extremo falla para \(f(x)=\dfrac{1}{x}\) en \([-1,1]\)?
- ¿Qué garantiza el teorema del valor extremo para una función continua en \([a,b]\)?
- ¿Cuál de estos intervalos es cerrado y acotado?
- ¿Qué significa que \(f\) tenga un máximo absoluto en \([a,b]\)?
- ¿Cuál de estas funciones NO es continua en \([0,1]\)?
- Sea \(f(x)=x^{3}-3x\) en \([-2,2]\). ¿Cuál es el valor máximo absoluto de \(f\) en ese intervalo?
- ¿Cuál de estas funciones muestra que el teorema falla si la función no es continua?
- ¿Qué significa que un intervalo sea acotado?
- Sea \(f(x)=x^{2}\) continua en \([0,3]\). ¿Cuál es el máximo absoluto de \(f\) en \([0,3]\)?
- Halla el máximo y el mínimo de \(f(x)=x^2\) en \([-1,2]\).
- ¿Cuál es el máximo de \(f(x)=x^2-4x\) en \([0,5]\)?
- ¿Por qué el teorema no se aplica a \(f(x)=1/x\) en \((0,1]\), aunque \(f\) es continua allí?
- Sea \(g(x)=x\) en \([0,1)\). ¿Cuál afirmación es verdadera?
- Sea \(f(x)=\cos x\) en \([0,\pi]\). ¿En qué puntos alcanza su máximo y su mínimo?
- Si \(f\) es continua en \([a,b]\), ¿qué consecuencia inmediata tiene el teorema?
- En la demostración se toma \((x_n)\) en \([a,b]\) con \(f(x_n)\to\sup f\). ¿Qué teorema da una subsucesión convergente de \((x_n)\)?
- Halla el máximo y el mínimo de \(f(x)=x^3-3x\) en \([-2,3]\).
- Sea \(f(x)=x\) si \(0\le x<1\) y \(f(1)=0\), definida en \([0,1]\). ¿Qué hipótesis del teorema falla y qué ocurre?
- Sea \(f\) continua en \([a,b]\) y \(M=\sup\{f(x):x\in[a,b]\}\). ¿Qué es cierto?
Después de esto
Referencias
- James Stewart, Calculus: Early Transcendentals, 8.ª edición, Cengage Learning, 2015.
- Michael Spivak, Calculus, 4.ª edición, Publish or Perish, 2008.
- Stephen Abbott, Understanding Analysis, 2nd edition, Springer, 2015. §4.4, Teorema 4.4.3
- Walter Rudin, Principles of Mathematical Analysis, 3rd edition, McGraw-Hill, 1976. Cap. 4, Teorema 4.16
- Robert G. Bartle, Donald R. Sherbert, Introduction to Real Analysis, 4th edition, Wiley, 2011. §5.3, Teorema 5.3.4