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Teorema di esistenza dell’estremo superiore (dimostrazione)

TEOREMA DI ESISTENZA DELL’ESTREMO SUPERIORE

 

 

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 Il teorema di esistenza dell’lezione completa su estremi e estremanti di insiemi reali afferma che:

Se un insieme reale è superiormente limitato allora l’estremo superiore esiste ed è finito.

Ovviamente il teorema vale anche per l’estremo inferiore. Guarda il video per vedere come si dimostra. Ti consiglio di munirti prima di carta e penna, così sarai più concentrato e non perderai nemmeno un passaggio!

Dimostrazione.

Se un insieme (Asubseteq mathbb{R}) è superiormente limitato allora ammette almeno un maggiorante cioè (exists xin mathbb{R},,,|,,,xge a,forall ain A) .
A questo punto costruiamo l’insieme dei maggioranti di (A) che sarebbe (B=left{ xin mathbb{R}|,xge a,forall ain A right}).
Per come è stato costruito l’insieme (B) vale la proprietà che (xge a,,forall xin B,,forall ain A).
Per l’assioma di completezza esiste un elemento separatore (cin mathbb{R}) | (ale cle x) (forall xin B,,forall ain A)
Poiché (cge a,,forall ain A) allora possiamo dire che si tratta di un maggiorante e quindi(cin B). Allo stesso tempo, siccome (cle x,,forall xin B)allora è il valore minimo dell’insieme (B). In altre parole (c) è un maggiorante ed il più piccolo tra i maggioranti, quindi è proprio l’estremo superiore dell’insieme (A) ovvero (c=sup A) . L’elemento separatore tra un insieme limitato e l’insieme dei suoi maggioranti coincide proprio con l’estremo superiore.

Teorema di unicità dell’estremo superiore (dimostrazione)

TEOREMA DI UNICITÀ DELL’ESTREMO SUPERIORE (DIMOSTRAZIONE)

Dimostrazione per assurdo del teorema di unicità dell’estremo superiore di un insieme reale. Il teorema afferma che:

Se un insieme ammette estremi reali, allora essi sono unici, e quindi un insieme non può ammettere due o più estremi superiori o inferiori.

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Dimostrazione.

Questo teorema si dimostra per assurdo. Vedremo la dimostrazione nel caso dell’estremo superiore, ma vale allo stesso modo anche per quello inferiore.
Partiamo quindi con la negazione della tesi e quindi assumiamo che l’insieme ammette due valori diversi per l’estremo superiore diversi tra loro e cioè \({{L}_{1}}=\sup A\) , \({{L}_{2}}=\sup A\) e \({{L}_{2}}>{{L}_{1}}\) .
A questo punto riscriviamo la definizione di estremo superiore due volte:

\({{L}_{1}}=\sup A\)\(\Leftrightarrow \) \(\forall \varepsilon >0\,\exists {{x}_{1}}\in A\,|\,\,\,\,{{x}_{1}}>{{L}_{1}}-\varepsilon \)
\({{L}_{2}}=\sup A\)\(\Leftrightarrow \) \(\forall \varepsilon >0\,\exists {{x}_{2}}\in A\,|\,\,\,\,{{x}_{2}}>{{L}_{2}}-\varepsilon \)

Inoltre poiché \({{L}_{1}}\) e \({{L}_{2}}\)sono maggioranti posso anche scrivere che \({{L}_{2}}\ge {{x}_{1}}\) e  \({{L}_{1}}\ge {{x}_{2}}\)

Mettendo insieme tutte queste condizioni posso scrivere il sistema

\(\left\{ \begin{align}
& {{L}_{2}}\ge {{x}_{1}}>{{L}_{1}}-\varepsilon  \\
& {{L}_{1}}\ge {{x}_{2}}>{{L}_{2}}-\varepsilon  \\
\end{align} \right.\) \(\Rightarrow \) \(\left\{ \begin{align}
& {{L}_{2}}>{{L}_{1}}-\varepsilon  \\
& {{L}_{1}}>{{L}_{2}}-\varepsilon  \\
\end{align} \right.\)\(\Rightarrow \)\(\left\{ \begin{align}
& {{L}_{2}}-{{L}_{1}}>-\varepsilon  \\
& {{L}_{1}}-{{L}_{2}}>-\varepsilon  \\
\end{align} \right.\)\(\Rightarrow \)\(\left\{ \begin{align}
& {{L}_{2}}-{{L}_{1}}>-\varepsilon  \\
& {{L}_{2}}-{{L}_{1}}<\varepsilon  \\
\end{align} \right.\)\(\Rightarrow \)

\(-\varepsilon <{{L}_{2}}-{{L}_{1}}<\varepsilon \)
Poiché questa disequazione deve essere verificata \(\forall \varepsilon >0\) , l’unica scelta che rende vera la disequazione è \({{L}_{1}}={{L}_{2}}\) , arrivando alla contraddizione che nega l’assunzione iniziale e quindi il teorema risulta dimostrato.

 

Esercizi su insiemi reali (topologia dell’asse dei reali)

ESERCIZI SU INSIEMI REALI 

In questo video svolgo due esercizi relativi agli insiemi reali. In particolare dati due esempi di insiemi, mostro come trovare i relativi insiemi dei punti di accumulazione, punti isolati, punti di frontiera, estremi superiori ed inferiori, limitatezza inferiore e superiore, massimo e minimo (se esistono) e dire se gli insiemi sono aperti o chiusi.

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alcune regole che É bene ricordare
  • i punti di accumulazione sono tutti quei punti in cui l’insieme diventa denso, cioè se costruisco un intorno del punto, comunque piccolo lo prendo, vedo sempre un insieme di infiniti punti.
  • un insieme non sempre ammette massimo e minimo, ma quando essi esistono coincidono con gli estremi superiore ed inferiore rispettivamente.
  • il massimo di un insieme esiste quando tra tutti gli elementi dell’insieme è possibile individuare un elemento più grande di tutti.
  • i punti isolati non sono punti di accumulazione, perchè esiste un intervallo finito che li separa dagli altri elementi dell’insieme.
  • i punti interni si trovano soltanto all’inerno degli intervalli.

dato un insieme reale:

  • si dice aperto, quando l’insieme è fatto di soli punti interni, quindi un insieme è aperto solo se è composto da soli intervalli aperti.
  • si dice chiuso, quando contiene tutti i punti di accumulazione.
  • non può essere sia aperto che chiuso.
  • può essere nè aperto, nè chiuso (è molto probabile che succede).
  • la chiusura (aderenza) di un insieme si ottiene aggiungendo all’insieme ciò che manca per essere chiuso, ovvero i punti di accumulazione esterni all’insieme.
Ing. Casparriello Marco