![Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas
48
También tenemos
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
5
5
5
5
2
2
2
2
2
.
Intervalos, vecindades y distancias
1.14
1.14.1 Diversos tipos de intervalos
Para el estudio de las funciones, con frecuencia recurriremos a los intervalos que son subconjun-
tos de los reales. Los hay de diversos tipos, algunos de los cuales son de especial importancia en
el análisis de las funciones. A continuación describimos las diferentes clases de intervalos.
• Si a y b son dos números reales con a , b, el intervalo abierto (a, b) consiste de todos los
reales x que satisfacen a , x , b.
• Si a es un número real, el intervalo abierto (a, 1`) consiste de todos los reales x que
satisfacen a , x.
• Si b es un número real, el intervalo abierto (2`, b) consiste de todos los reales x
que satisfacen x , b.
• Si a y b son dos números reales con a # b, el intervalo cerrado [a, b] consiste de todos los
reales x que satisfacen a # x # b.
• Si a es un número real, el intervalo cerrado [a, 1`) consiste de todos los reales x que
satisfacen a # x.
• Si b es un número real, el intervalo cerrado (2`, b] consiste de todos los reales x
que satisfacen x # b.
• Si a y b son dos números reales con a , b, los intervalos semiabiertos o semicerrados,
[a, b) y (a, b], están definidos, respectivamente, por las desigualdades a # x , b y
a , x # b.
Observemos que un intervalo cerrado de la forma [a, a] consiste solo del punto a. Algunas veces,
hablaremos del intervalo abierto (a, a), lo cual significa el conjunto vacío. Estos intervalos los
llamaremos intervalos degenerados.
1.14.2 Distancia entre dos reales
Ahora veamos el concepto de distancia entre dos reales. Si x y y son dos números reales, el
valor absoluto de su diferencia ux 2 yu, representa la distancia entre los puntos de la recta real](https://image.slidesharecdn.com/introduccionalcalculo-231026042243-0bf2bad6/85/introduccion-al-calculo-pdf-66-320.jpg)
![Los números reales
55
Si b # 0, entonces esta desigualdad no tiene solución, pues (x 1 a)2 $ 0 para toda x ∈ ¡. Por tanto,
la desigualdad original tampoco tiene solución, ya que ambas desigualdades ax2 1 bx 1 c d y
(x 1 a)2 b son equivalentes. Si por el contrario b 0, entonces al extraer raíz cuadrada a ambos
de la desigualdad (x 1 a)2 b obtenemos
x
Así que la solución de la desigualdad original y de esta última es el intervalo con centro 2a y
radio :
x
x
Para el caso a 0 se procede de una manera similar. Si a 0, entonces la desigualdad original
ax2 1 bx 1 c d se transforma en la desigualdad equivalente
x
b
a
x
c
a
d
a
2 1 1
Esta última se transforma como sigue
x
b
a
x
c
a
d
a
x
b
a
x
b
a
c
a
d
a
b
2
2
2
2
2
2
4
2
2 2
2
a
x
b
a
d
a
b
a
c
a
Si hacemos
=
b
a
d
a
b ac
a
y
2 4
4
, obtenemos la forma deseada
(x 1 a)2 b
Si b 0, entonces todos los reales satisfacen la desigualdad, pues (x 1 a)2 $ 0 b para toda
x ∈ ¡. Si b 5 0, entonces se cumple (x 1 a)2 b 5 0 para todo real x, excepto cuando x 1 a 5 0,
es decir, x 5 2a. Entonces en este caso el conjunto de soluciones es la unión de los intervalos
(2∞, 2a), y (2a, 1∞):
(2∞, 2a) ∪ (2a, 1∞) 5 ¡ ∖ {2a}
Finalmente, si b 0 entonces extrayendo la raíz cuadrada a ambos miembros de la desigualdad
(x 1 a)2 b obtenemos x
, así que los reales x que satisfacen esta desigualdad son
los que cumplen x x
o ( ) . También podemos describir las soluciones de la
desigualdad x
como el conjunto de reales x cuya distancia a 2a es mayor que .
Entonces el conjunto de soluciones de la desigualdad x
y, por tanto, de la desigualdad
original, cuando a 0, es la unión de dos intervalos:
(2∞, 2a 2 ) ∪ (2a 1 , 1∞) = ¡ ∖ [2a 2 ,2a 1 ].
Con esto terminamos la discusión de la desigualdad ax2 1 bx 1 c d.
Dejamos como ejercicio para el lector la discusión de la desigualdad ax2 1 bx 1 c # d. Los
resultados son muy similares, pero ahora el signo de desigualdad # en lugar del signo modifica la
naturaleza de los intervalos solución.](https://image.slidesharecdn.com/introduccionalcalculo-231026042243-0bf2bad6/85/introduccion-al-calculo-pdf-73-320.jpg)
![Los números reales
57
Multiplicando ambos miembros por 21 y completando cuadrados tenemos
x x
x x
x x
x
2
2
2 2 2
6 1 10
6 1 10
6 3 1 10 3
3
( )
)
( )
2
2
1 1
3 0
x
Esta desigualdad se cumple para toda x ≠ 3 (para x 5 3 el miembro izquierdo toma el valor cero),
por tanto el conjunto de soluciones son todos los reales diferentes de 3. Este conjunto se puede
escribir de diversas formas:
(2∞, 3) ∪ (3, 1∞)5 {x | x ∈ ¡ , x ≠ 3} 5 ¡ ∖ {3}.
Ejemplo 19
Halle las soluciones de la desigualdad 2 x2 1 10x 2 20 1.
Multipliquemos ambos miembros por 21 y completemos cuadrados:
x x
x x
x x
2
2
2
10 20 1
10 20 1
10 25 20 1 25
(x
x
x
x
5 20 24
5 4
5 2
2
2
)
( )
Por tanto, la solución de la desigualdad dada son todos los reales cuya distancia al 5 es mayor que
2, es decir son todos los reales del conjunto
¡ ∖ [3, 7] = (2∞, 3) ∪ (7, 1∞)
Método de inducción matemática
1.16
1.16.1 Introducción
Se trata de un método de prueba muy poderoso en matemáticas que nos permite demostrar
proposiciones acerca de los números naturales, por ejemplo, proposiciones como las siguientes:
Proposición A. Para todo natural n, la suma de los primeros n naturales es
n n
( )
11
2
Dicho de otro modo
1 2
1
2
+ + +
L n
n n
( )
para todo natural n.
Proposición B. La suma de los cuadrados de los primeros n naturales es
n n n
( )( )
1 1
1 2 1
6](https://image.slidesharecdn.com/introduccionalcalculo-231026042243-0bf2bad6/85/introduccion-al-calculo-pdf-75-320.jpg)
![Los números reales
63
1 2
1 2 1
6
2 2 2
L k
k k k
( )( )
.
Esta es la hipótesis de inducción. Usando esta hipótesis, vamos a probar que la fórmula es cierta
para n 5 k 1 1. Es decir, probaremos que se vale la igualdad
1 2 1
1 1 1 2 1 1
6
1
2 2 2
L ( )
( )( )[ ( ) ]
(
k
k k k
k )
)( )( )
k k
2 2 3
6
Por una parte tenemos que el miembro izquierdo de la igualdad a probar es
12 1 22 1 L 1 (k 1 1)2 5 12 + 22 1 L 1 k2 1 (k 1 1)2
Usando la hipótesis de inducción obtenemos
1 2 1 1 2
2 2 2 2 2 2
( )
k k
+
para estasumaconocem
moslafórmula
( )
( )( )
(
k
k k k
1
1 2 1
6
2
k
k
k k k k
k k k
1
1 2 1 6 1
6
2 1 6 1
2
2
)
( )( ) ( )
( ) ( )
[
[ ]
( )
( ) ( )
k
k k k k
2
1
6
2 6 6 1
6
Luego
1 2 ( 1)
2 2 2
L k
k k k
2
( ) ( )
2 7 6 1
6
Por otra parte el miembro derecho de la igualdad a probar es
( )( )( ) ( )( )( )
(
k k k k k k
k k
+ + + + + +
+
1 2 2 3
6
2 2 3 1
6
2 7
2
5
5
+
+ +
6 1
6
)( )
.
k
Por tanto ambos miembros, izquierdo y derecho, son iguales a
2 7 6 1
6
.
2
k k k
1 1 1
( )
Usando el principio de inducción concluimos que la fórmula
1 2
1 2 1
6
2 2 2
L n
n n n
( )( )
es cierta para todo número natural n.](https://image.slidesharecdn.com/introduccionalcalculo-231026042243-0bf2bad6/85/introduccion-al-calculo-pdf-81-320.jpg)
introduccion al calculo.pdf
- 1. DR. ANTONIO RIVERA FIGUEROA INVESTIGADOR DEL DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA EDUCATIVA CINVESTAV DEL IPN CALCULO DIFERENCIAL, FUNDAMENTOS, APLICACIONES Y NOTAS HISTORICAS PRIMERA EDICIÓN EBOOK MÉXICO, 2014 GRUPO EDITORIAL PATRIA x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y x y
- 2. Dirección editorial: Javier Enrique Callejas Coordinadora editorial: Estela Delfín Ramírez Supervisor de prepensa: Gerardo Briones González Diseño de portada: Juan Bernardo Rosado Solís Fotografías: © Thinkstockphoto Revisión técnica: Ana Elizabeth García Hernández Instituto Politécnico Nacional Cálculo diferencial. Fundamentos, aplicaciones y notas históricas Derechos reservados: © 2014, Antonio Rivera Figueroa © 2014, GRUPO EDITORIAL PATRIA, S.A. DE C.V. Renacimiento 180, Colonia San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco, Código Postal 02400, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro núm. 43 ISBN ebook: 978-607-438-898-5 Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del contenido de la presente obra en cualesquiera formas, sean electrónicas o mecánicas, sin el consentimiento previo y por escrito del editor. Impreso en México Printed in Mexico Primera edición ebook: 2014 info editorialpatria.com.mx www.editorialpatria.com.mx JIMÉNEZ.indd 1 26/06/12 17:48
- 3. Dedicatoria Dedico esta obra a la memoria de mi querida esposa Gloria y de mi entrañable madre Nachita. También va mi dedicatoria a mis hijos Gloria, Karla y Toño. A mis nietos Robin, Sandy y Toñito.
- 5. CONTENIDO Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii Sotero Prieto Rodríguez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii Capítulo 1 Los números reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Nuestras primeras experiencias con los números reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Sumatorias infinitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Números racionales y expansiones decimales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Números irracionales y expansiones decimales no periódicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6 Los irracionales 2 y 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6.1 2 es irracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 1.6.2 3 es irracional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 1.7 Racionalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.8 Números algebraicos y números trascendentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.9 El número e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.10 El número p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.10.1 Fórmulas notables para p y el cálculo de sus decimales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.10.2 Fechas notables sobre p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.10.3 Una definición analítica de p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.11 Desigualdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.11.1 Definiciones básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.11.2 Propiedades fundamentales de las desigualdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.11.3 Más propiedades de las desigualdades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.12 Los números reales. Una reflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.12.1 A manera de resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.13 Valor absoluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.13.1 Definición y propiedades del valor absoluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.13.2 Fórmula algebraica para el valor absoluto x x = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.14 Intervalos, vecindades y distancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.14.1 Diversos tipos de intervalos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.14.2 Distancia entre dos reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1.14.3 Intervalo abierto con centro x0 y radio r . 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.15 La desigualdad cuadrática ax2 1 bx 1 c < d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.15.1 Una nota sobre el razonamiento aplicado en el ejemplo 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.15.2 Método para hallar las soluciones de la desigualdad cuadrática general . . . . . . . . 54 1.16 Método de inducción matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
- 6. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas vi 1.16.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 1.16.2 Principio de Inducción Matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 1.16.3 Aplicaciones del método de inducción matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 1.17 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Capítulo 2 Funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.1 El concepto de función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.1.2 Concepto de función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.2 Imagen, preimagen e imagen inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3 Funciones reales de una variable real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.4 Gráfica de una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.5 Composición de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 2.6 Función inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.6.1 Funciones inyectivas, suprayectivas y biyectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.6.2 Una reflexión sobre la suprayectividad y teoremas de existencia . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.6.3 Funciones crecientes y funciones decrecientes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.6.4 Una caracterización de la función inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.6.5 Gráfica de la función inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2.7 Tablas de valores y funciones definidas mediante tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Capítulo 3 Funciones elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.1 Funciones elementales básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.1.2 Funciones polinomiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.1.3 Funciones racionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.1.4 Funciones algebraicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.1.5 Potencias racionales ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.1.6 Leyes de los exponentes racionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.1.7 La función exponencial ax y la función logaritmo logex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.1.8 Funciones trigonométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.1.8.1 Círculo trigonométrico. El radián . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.1.8.2 Las funciones seno y coseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 3.2 Funciones elementales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3.3 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
- 7. Contenido vii Capítulo 4 Sucesiones y series de reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.1.1 Concepto de sucesión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.2 Operaciones con sucesiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.3 Sucesiones monótonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 4.4 Sucesiones acotadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.5 Límite de una sucesión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.6 Teoremas importantes sobre límites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 4.7 Criterios de convergencia intrínsecos. Propiedad de continuidad de los reales . . . . . . . . 178 4.7.1 Acerca de la continuidad de los reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.7.2 Conjuntos acotados. Supremo e ínfimo. Axioma del supremo . . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.7.3 Teorema de convergencia de Weierstrass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.7.4 Postulado de continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 4.7.5 Subsucesiones y teorema de Bolzano-Weierstrass sobre subsucesiones convergentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 4.7.6 Criterio de Cauchy para convergencia de sucesiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.8 Algunas sucesiones especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 4.8.1 La sucesión a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 4.8.2 La sucesión an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4.8.3 La sucesión nan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.8.4 La sucesión n n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 4.8.5 Número e de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4.8.6 El número p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 4.8.7 Constante g de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 4.9 Nuevamente sumatorias infinitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 4.9.1 Notación S para suma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 4.9.1.1 Propiedades de la notación S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 4.10 Series infinitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.10.1 Serie y sumas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 4.10.2 Propiedades básicas de las series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 4.11 Criterios de convergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 4.11.1 Condiciones necesarias y condiciones suficientes para convergencia . . . . . . . . . . 210 4.11.2 Una condición necesaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 4.11.3 Criterio por comparación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 4.11.4 Lema (criterio por acotamiento) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 4.11.5 Teorema (criterio por comparación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 4.11.6 Criterio de Cauchy para convergencia de series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 4.12 Divergencia a infinito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 4.13 La serie armónica 1 n ∑ y la serie alternante ( ) − ∑ 1 n n 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
- 8. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas viii 4.14 Convergencia absoluta y convergencia condicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 4.15 Criterio de la razón de D’Alembert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 4.15.1 Teorema (criterio de la razón de D’Alembert) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 4.16 Criterio de la raíz de Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 4.16.1 Teorema (criterio de la raíz de Cauchy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 4.17 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Capítulo 5 Límite y continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 5.1 Límite de una función en un punto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 5.2 Límites laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 5.2.1 Definición (límites laterales) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 5.3 Desigualdades importantes para funciones trigonométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 5.3.1 lim x x x →0 sen 5 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 5.3.2 Una reflexión sobre la relevancia del radián . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 5.4 Definición de ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 5.5 Continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 5.6 Las funciones exponencial ax y logax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 5.7 Las funciones xn y x n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 5.7.1 Las funciones x p q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 5.8 Leyes de los exponentes reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 5.9 Leyes de los logaritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 5.10 La función xr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 5.11 Propiedades fundamentales de las funciones continuas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 5.11.1 Propiedad de continuidad uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 5.11.2 Teorema de Weierstrass sobre funciones acotadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 5.11.3 Teorema del valor intermedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 5.12 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Capítulo 6 Razón de cambio y derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 6.1 Razón de cambio promedio y razón de cambio instantánea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 6.1.1 Caída libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 6.1.2 Tiro vertical de un proyectil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 6.1.3 Disipación del alcanfor blanco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 6.1.4 Desintegración radiactiva del uranio 238 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 6.2 La derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 6.2.1 Derivadas laterales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 6.3 Cálculo de la derivada de algunas funciones elementales (parte 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 6.3.1 Derivada de f(x) 5 xr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 6.3.2 Derivada de f(x) 5 sen x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
- 9. Contenido ix 6.3.3 Derivada de f(x) 5 cos x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 6.3.4 Derivada de la función exponencial f(x) 5 ex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 6.3.5 Derivada de la función logaritmo natural f(x) 5 log x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 6.4 Fórmulas o reglas de derivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 6.4.1 Derivada del producto de una constante por una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 6.4.2 Derivada de la suma de dos funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 6.4.3 Derivada del producto de dos funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 6.4.4 Derivada del cociente de dos funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 6.5 Cálculo de la derivada de algunas funciones elementales (parte 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 6.5.1 Derivada de las funciones tan x, cot x, sec x y csc x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 6.6 Generalización de las reglas de derivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 6.6.1 Derivada de la suma de un número finito de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 6.6.2 Derivada del producto de un número finito de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 6.7 Derivada de funciones compuestas: regla de la cadena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 6.8 Definiciones alternativas para la derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 6.9 Cálculo de la derivada de algunas funciones elementales (parte 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 6.9.1 Derivada de las funciones ax y xn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 6.9.2 Algunas fórmulas básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 6.10 Derivadas de algunas funciones especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .344 6.11 Derivada de funciones inversas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 6.11.1 Derivada de las funciones arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 6.11.1.1 Derivada de arcsen x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 6.11.1.2 Derivada de arccos x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 6.11.1.3 Derivadas de arctan x, arccot x, arcsec x y arccsc x . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 6.12 Derivadas sucesivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 6.12.1 Derivada de orden k de xn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 6.12.2 Derivada de orden k de sen x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 6.12.3 Derivada de orden k de cos x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 6.12.4 Derivada de orden k de f(x) 5 ax y Exp(x) 5 ex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 6.12.5 Derivada de orden k de log x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 6.13 Fórmula de Leibniz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 6.14 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 Capítulo 7 La derivada aplicada al estudio de las funciones . . . . . . . . . . . . 369 7.1 Tangente de una curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 7.2 Máximos y mínimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 7.2.1 Primer criterio para máximas y mínimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 7.3 Teoremas del valor medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 7.3.1 Teorema (de Rolle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 7.3.2 Teorema (del valor medio de Lagrange) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
- 10. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas x 7.4 Más criterios para máximos y mínimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 7.4.1 Criterio de la primera derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 7.4.2 Teorema (criterio de la primera derivada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 7.4.3 Criterio de la segunda derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 7.4.4 Teorema (criterio mejorado de la segunda derivada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 7.5 Concavidad y puntos de inflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 7.5.1 Concavidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 7.5.1.1 Definición alternativa de concavidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 7.5.2 Punto de inflexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 7.6 Bosquejando gráficas de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 7.7 Funciones con derivada cero y funciones idénticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 7.8 Derivada de funciones monótonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 7.9 Más sobre los teoremas del valor medio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 7.9.1 Teorema (del valor medio de Cauchy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 7.9.2 Teorema (regla de l’Hospital) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 7.9.3 Teorema (de Taylor orden 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 7.9.4 Teorema (de Taylor orden 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 7.9.5 Teorema (de Taylor de orden n) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 7.10 Polinomio de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 7.10.1 Orden de aproximación del polinomio de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 7.10.1.1 Aproximación de primer orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 7.10.1.2 Aproximación de segundo orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 7.10.1.3 Aproximación de orden n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 7.11 Criterio de la n-ésima derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 7.11.1 Dos situaciones donde no aplica el criterio de la n-ésima derivada . . . . . . . . . . . . 421 7.12 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 Capítulo 8 Aplicaciones de la derivada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 8.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 8.2 Caída libre y lanzamiento de proyectiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 8.2.1 Velocidad y aceleración en movimiento rectilíneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 8.2.2 Ley de la gravitación universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 8.2.3 Segunda ley de movimiento de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 8.2.4 Velocidad de escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 8.3 Movimiento oscilatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 8.4 Circuito eléctrico con una bobina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 8.5 Crecimiento poblacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 8.6 La derivada: su relación con el comportamiento de las funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 8.6.1 Velocidad de crecimiento de una función . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
- 11. Contenido xi 8.6.2 La función e x 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 8.6.3 Las funciones ex 1 y e x 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 8.6.4 La función tanh 1 x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 8.6.5 La función 1 1 2 + x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 8.7 Método de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 8.8 Problemas de optimización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 8.8.1 Una reflexión sobre los máximos y los mínimos de una función . . . . . . . . . . . . . . 467 8.8.2 Caja de máximo volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470 8.8.3 Problema de óptica. Ley de Snell de la refracción de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 8.8.4 Un problema de mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476 8.8.5 Un problema de alumbrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478 8.8.6 ¿Qué número es mayor ep o pe? ¿Qué número es mayor 2 3 o 3 2 ? . . . . . . . . . 480 8.9 Problemas geométricos de máximos y mínimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 8.9.1 Cilindro de mayor volumen inscrito en un cono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 8.9.2 Rectángulo de mayor área inscrito en una parábola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484 8.9.3 Rectángulo de mayor área inscrito en una elipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 8.10 Problemas y ejercicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 Apéndice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
- 13. PRÓLOGO Este libro está dirigido a estudiantes y profesores de la asignatura de cálculo diferencial impartida a nivel universitario en las carreras pertenecientes al área de ciencias físico-matemáticas e ingeniería. El lector encontrará aquí un tratamiento completo de los fundamentos del cálculo diferencial, al tiempo que también hallará diversas aplicaciones de este. A lo largo de la obra, las exposiciones de los temas se acompañan con notas históricas y biografías de personajes que desempeñaron un papel importante en la creación y el desarrollo del cálculo diferencial. Estas notas históricas no solo tienen el propósito de hacer más amena la lectura sino también de proporcionar al lector información sobre el desarrollo y la evolución de las ideas acerca del cálculo diferencial, ayudándolo a comprender la importancia de estas y el papel que juegan en la actualidad. Por ejemplo, una pregunta que solemos hacernos con frecuencia es: ¿por qué todo libro de cálculo o más bien de fundamentos de cálculo, inicia con el estudio de los números reales? Sin duda, la respuesta se obtiene de los datos históricos sobre los trabajos del matemático alemán Richard Dedekind. El estudio de los números reales, con el que inicia todo tratado de fundamentos del cálculo, es la herencia que legó Dedekind como resultado de las reflexiones que hizo hacia el otoño de 1858, cuando enseñaba cálculo en la Escuela Politécnica de Zúrich, en Suiza. En aquella época, Dedekind se percató de que todas las pruebas de los principales resultados del cálculo se basaban en las propiedades de los números reales, aunque concebidas en un contexto geométrico, sobre todo la que se refiere a la continuidad. Por ejemplo, el hecho que toda sucesión de reales que crece permanentemente y que no sobrepasa algún número, por necesidad siempre tiene un límite, esta es, sin duda, una aseveración que se sustenta en la evidencia geométrica, o más específicamente en la representación de los reales en la recta y en la incuestionable continuidad de la recta ideal. Por tanto, Dedekind llegó a la conclusión de que en las demostraciones de los teoremas impor- tantes del cálculo, hacía falta un tratamiento puramente aritmético de los reales, tarea a la cual se dedicó durante varios años de su vida; por supuesto, con resultados exitosos. Desde entonces, los matemáticos tomaron conciencia de la necesidad de expresar aritméticamente la continuidad de los números reales en la construcción y el desarrollo del cálculo, por lo que en el futuro el estudio de los números reales constituirá el inicio de todo tratado de fundamentos de cálculo en el que se pretenda probar con rigor sus principales resultados. Por lo antes expuesto, resulta importante comprender el papel que juegan las propiedades de los números reales en ese afán de rigor, solo así será posible saber en realidad cuándo es necesario dedicarle un capítulo a este importante sis- tema de números y cuándo no lo amerita; todo depende de los objetivos que tengamos en nuestro estudio del cálculo. Por supuesto, en lo que se refiere a los fundamentos del cálculo, este libro no es la excep- ción. Esto significa que también inicia con el estudio de los números reales, aunque desde una perspectiva diferente a la de la mayor parte de los libros de cálculo del mismo nivel; así pues, expliquemos en qué consiste nuestro punto de vista. Es común que los libros de cálculo presen- ten a los números reales como un sistema axiomático, donde primero se postulan las propieda- des algebraicas, conocidas como propiedades de campo y después se enuncian las propiedades de orden, es decir las de las desigualdades, para luego hacer referencia a las propiedades de continuidad, acerca de las cuales Dedekind reflexionó profundamente. Presentar los números reales de esta manera, representa mirarlos como un sistema axiomático. En general, en un siste- ma axiomático la teoría inicia solamente probando teoremas a partir de los axiomas y continúa probando teoremas, para lo cual se usan los axiomas y los teoremas ya probados. Además, en este caso, toda aseveración o propiedad referente a los números reales que no esté enunciada en los axiomas deberá ser probada usando los axiomas o los teoremas ya probados. Trabajar con los sis-
- 14. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas xiv temas axiomáticos requiere de una madurez matemática que se va adquiriendo en forma gradual; por ejemplo, un tratamiento axiomático de los números reales requiere demostrar la desigualdad 1 > 0. Así, teoremas como este causan desconcierto en los estudiantes que se inician en el arte de las demostraciones matemáticas, pues en esta etapa de sus estudios apenas empiezan a comprender qué significa trabajar con los sistemas axiomáticos, aun cuando así lo hayan hecho en sus cursos de geometría de bachillerato. Algunos docentes podrían opinar que el estudio de los números reales como sistema axiomático podría ser el inicio del entrenamiento de los estudiantes con los sistemas axiomáticos; sin embargo, vale la pena notar que en cálculo hay mucho que aprender, pero tam- bién que hay muchas otras oportunidades más para entrenarse en las demostraciones matemáti- cas, fuera por supuesto del contexto de los sistemas axiomáticos. Los razonamientos y las pruebas matemáticas no son exclusivos de los sistemas axiomáticos; el arte de la demostración ocurre en muchos contextos. Las demostraciones de los principales resultados del cálculo de por sí ya poseen la suficiente complejidad como para que todavía se agregue un innecesario tratamiento axiomático de los reales. Hacerlo así puede distraer al lector acerca de lo relevante del cálculo, además de que consume un valioso tiempo que puede ser empleado para reflexionar y profundizar acerca de los fundamentos principales del cálculo, con el objetivo de estudiar temas como los que se tratan en el capítulo 7, los cuales se exponen más adelante, y para la resolver problemas. En el caso de este libro, el interés primordial que tenemos al presentar los números reales en el capítulo 1, es que el lector adquiera destrezas en el manejo de los números reales; por ejemplo, con las propiedades algebraicas, las desigualdades y los procesos de racionalización. Asimismo, también se considera importante aquí que el estudiante comprenda lo que significan las repre- sentaciones decimales periódicas y no periódicas, que conozca las diferentes clases de números reales y cómo se caracterizan por sus expansiones decimales; aunque, por supuesto, también se postula la continuidad de los reales, pero no en el contexto de un sistema axiomático. Esto signi- fica que aquí asumimos, como lo hacían los matemáticos en la época de Dedekind, familiaridad por parte del lector con el álgebra de los reales y las desigualdades (aunque no precisamente en el contexto axiomático). En este sentido, uno de los objetivos del capítulo dedicado a los números reales es que el lector adquiera destreza en el manejo de los mismos. Asimismo, uno de nuestros objetivos es que el lector comprenda la muy importante propiedad de continuidad de los reales y que entienda el porqué de su importancia; no obstante, es seguro que esto se logrará en forma gradual a lo largo del libro. En el estudio de los números reales, también se tratan los dos famosos números y e, los cuales juegan un papel muy importante en el estudio del cálculo. Para un acer- camiento a estos números, que se tratan en el capítulo dedicado a los números reales, se acude a ideas y recursos heurísticos; el tratamiento riguroso se pospone para capítulos posteriores. Ahora, dedicamos estas líneas a explicar otras diferencias importantes que el lector encontra- rá en este texto con respecto a la mayor parte de los libros de cálculo. El concepto de función y las funciones elementales son una parte importante en todo curso de cálculo, por esta razón en este libro se dedican dos capítulos a su estudio. El primero de estos se refiere al concepto general de función y a los diversos conceptos sobre funciones en general; este es, sin duda, un capítulo muy apropiado para entrenarse en lógica y razonamientos matemáticos, ya que se trata de un tema en extremo formativo en el aprendizaje de la matemática. El segundo capítulo sobre funciones está dedicado a la presentación de las funciones elementales. No obstante, la función exponencial se presenta heurísticamente en el capítulo introductorio a las funciones elementales, aunque en capítulos subsiguientes se le da el tratamiento riguroso propio de un curso sobre fundamentos del cálculo. Por su parte, la función exponencial queda rigurosamente definida en el capítulo 5, el cual está dedicado a la continuidad, por lo que a partir del estudio de ese capítulo se considera que este tema puede usarse en los capítulos dedicados a la derivada y sus propiedades, así como en posteriores tratados sobre cálculo integral. Esta constituye, sin duda, otra diferencia respecto de la mayor parte de los libros de cálculo, pues en aquéllos, por lo general, se presenta la función
- 15. Prólogo xv exponencial hasta los capítulos dedicados al cálculo integral. Presentar la función exponencial tempranamente tiene la ventaja de que puede usarse en el tema de la derivada y sus aplicaciones. Además, el acercamiento que adoptamos en esta obra responde a la percepción intuitiva que te- nemos de la función exponencial, la cual consiste en considerarla como una extensión natural de las potencias con exponentes enteros o racionales. Aun cuando no se estudien las demostraciones en esta construcción de la exponencial, es interesante observar y analizar cómo se organizan es- tas en este proceso, además de entender cuáles son las dificultades que se tienen que salvar para establecer una definición. Si así lo desea, el alumno tiene la posibilidad de no estudiar las demos- traciones de la cadena de los pequeños resultados que conducen a la definición, aunque sí se le recomienda que observe el panorama en su generalidad, ya que esto resulta una buena manera de aprender matemáticas. En tanto, las funciones trigonométricas también se estudian en el capítulo de las funciones elementales, donde se acude al famoso círculo trigonométrico. En este tema, asimismo, se re- flexiona acerca de la posibilidad de medir los ángulos con diferentes unidades. Por su parte, en el capítulo dedicado a la continuidad de funciones se destaca la importancia de medir los ángulos en radianes. Como se puntualiza, el radián es la unidad que se adopta en cálculo para medir los ángulos, ya que es la unidad ideal para medir los ángulos en cálculo; sin embargo, es común que no se conozca o no se haya reflexionado acerca del porqué el radián es tan relevante. Un recurso importante para definir las funciones con rigor y efectuar un tratamiento simple de límites y continuidad de funciones son las sucesiones y sus límites, por esa razón el capítulo 4 se dedica íntegramente a su estudio. En ese capítulo, además de desarrollar la teoría sobre límites de sucesiones, también se definen con precisión los famosos números y e, entre otros. En el estudio sobre límites de funciones, se inicia con el uso de la propiedad de continuidad de los números reales; con ese tema también inicia nuestra reflexión acerca del papel que juega esta continuidad, concebida aritméticamente como lo hizo Dedekind. En el capítulo 4 también se analizan el concepto de serie y algunos resultados sobre las mismas, dado que las series y sus límites son el recurso para definir las expansiones decimales estudiadas en el capítulo 1. Por supuesto, esta no será la única aplicación de las series, ya que están presentes a lo largo de la teoría del cálculo diferencial e integral. El capítulo 5, por su parte, está dedicado al estudio de los límites y de la continuidad de las fun- ciones, debido a que la teoría sobre límites de funciones resulta de gran importancia para el estudio de la continuidad de las funciones y de la derivada que se hace en capítulos posteriores. En el capí- tulo sobre continuidad también se establecen los principales resultados sobre funciones continuas, entre los que destacan el teorema de Bolzano, el teorema del valor intermedio, el teorema de Weiers- trass sobre funciones acotadas y la propiedad conocida como continuidad uniforme; este último teorema también desempeña un papel muy importante en capítulos posteriores. Cabe aclarar que la teoría sobre límites de sucesiones facilita el estudio sobre continuidad, por lo que resulta una gran ventaja estudiar con antelación los límites de sucesiones. De cualquier manera, es tan importante la teoría sobre límites de sucesiones que resulta necesario estudiarla en algún momento, así que es mejor anticiparla, ya que de esa manera matamos dos pájaros con un solo tiro. El capítulo 6 está dedicado al concepto de la derivada y de sus propiedades más importantes. En este se exponen las reglas de derivación, la derivada de funciones compuestas (la de la cade- na), la derivación de funciones inversas y las derivadas sucesivas. Todas estas reglas se aplican a las funciones elementales, con lo que podemos obtener, en particular, las derivadas de las funcio- nes polinomiales, racionales, algebraicas, exponenciales, logarítmicas, las seis funciones trigono- métricas y sus funciones inversas, las cuales constituyen las seis funciones arco. Con las derivadas de estas funciones, es posible obtener la derivada de cualquier función elemental, concepto que se estudia con amplitud en el capítulo 3, mismo que precisamente lleva ese nombre; quizá, esta reflexión no la hayan hecho muchas personas que ya conozcan el tema.
- 16. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas xvi Sin menoscabo de otros capítulos, consideramos que el capítulo 7 es uno de los más importan- tes de esta obra y, por tanto, no debe omitirse en ningún curso de cálculo universitario; es prefe- rible sacrificar algo de tiempo al estudio de los reales y hasta omitir diversas demostraciones del capítulo 5, con tal de tener tiempo suficiente para estudiar los temas de este capítulo. Sin duda, podemos considerar a este capítulo como el corazón del cálculo diferencial, al menos los capí- tulos que le preceden tienen como propósito la preparación del lector para el estudio los temas aquí expuestos; en este sentido, el capítulo 7 es una meta muy importante. En este se exponen los principales resultados del cálculo diferencial; por ejemplo, el teorema del valor medio en sus dife- rentes versiones, como los teoremas de Rolle, de Lagrange y de Cauchy. En este capítulo, también se estudia, como consecuencia del teorema de Cauchy, la utilísima regla de L’Hospital, que suele ser de los recursos favoritos de los estudiantes para el cálculo de límites de funciones; aunque es necesario saber con exactitud cómo se establece este teorema, para no tratar de aplicarlo donde no es posible. Entre otros temas muy importantes, tanto en el estudio de las funciones como en las aplicaciones del cálculo diferencial, destacan los diversos criterios para máximos, mínimos y concavidades de funciones. Por tanto, estos temas se exponen ampliamente, acompañados de algunas reflexiones interesantes acerca de las condiciones de necesidad y suficiencia que suelen confundir a alumnos y profesores. Asimismo, también se estudia el desarrollo de Taylor y las propiedades de los polinomios de Taylor. Con estos teoremas conoceremos, por ejemplo, cuáles son los algoritmos que utilizan las calculadoras científicas y las computadoras personales para evaluar funciones, como las exponenciales y trigonométricas. Se trata, pues, de un capítulo que es obligatorio en todo curso de cálculo; por este motivo, se recomienda estudiar el capítulo 7 en su totalidad. Así pues, constituye un capítulo muy importante. El capítulo 8 está dedicado a las aplicaciones de la derivada; en este se ofrece una diversidad de aplicaciones tanto en la matemática como en la física, la ingeniería y otras disciplinas. Aquí también se muestra el poder de la derivada como recurso para el estudio de las funciones, se incluye el mé- todo de Newton para el cálculo aproximado de raíces de funciones y se hace un análisis del error correspondiente cuando se obtiene una aproximación de una raíz mediante este método. Finalizamos este prólogo haciendo una sugerencia para la lectura de la obra; si bien el lector puede encontrar todas las demostraciones de los resultados que se enuncian, incluyendo algunas pruebas que, por lo común, se evitan en los libros de cálculo, no es necesario estudiar muchas de estas pruebas en un primer curso de cálculo, ya que estas demostraciones podrán estudiarse en una segunda lectura de la obra. También es posible omitir diversas demostraciones si el libro se usa en un curso de las carreras de física o de ingeniería, pues los objetivos difieren sustancialmente de los objetivos de una carrera de matemáticas. Pero aun como libro de apoyo para las carreras de mate- máticas, en su estudio pueden omitirse algunas de las pruebas, sin menoscabo de la comprensión de los teoremas y de sus aplicaciones en el resto de la obra. Entre las pruebas que pueden omitir- se, en particular están las que hemos remitido al apéndice. El propósito de que incluyamos estas demostraciones no contradice nuestra sugerencia de que puedan omitirse algunas de estas en un primer curso de cálculo universitario, ya que pretendemos que el lector vea en este libro una fuente de consulta en donde posteriormente encuentre las demostraciones que por lo común no se hallan en obras similares. Si se hace una selección cuidadosa de los resultados y de las demostraciones, el libro resulta muy útil, por ejemplo para un curso de ingeniería, con la seguridad de que los temas son tratados con el nivel matemático que requiera o desee cualquier institución universitaria. El autor espera que el lector disfrute de la obra tanto como él la disfrutó al escribirla. Antonio Rivera Figueroa México, D.F., mayo 2012.
- 17. Agradecimientos Deseo agradecer al Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional por el amplio apoyo que siempre me ha brindado para llevar a cabo mis investigaciones y la escritura de obras como la presente. Los resultados de estas investigaciones han suministrado material que se incluye a lo largo del libro y que espero lo haga más didáctico en el tema de los fundamentos del cálculo. También agradezco a mis alumnos de varias generaciones del curso de cálculo que a lo largo de varios años he ofrecido en la Escuela Superior de Física y Matemáticas del mismo Instituto. De mis alumnos no solamente me ha hecho consciente de las dificultades que se presentan en el estudio de los fundamentos del cálculo sino también he aprendido ideas de ellos y me ha hecho reconocer que las ideas del profesor no necesariamente son mejores que la de sus discípulos. Gracias a esos jóvenes por sus enseñanzas.
- 18. xviii Sotero Prieto Rodríguez (1884–1935) Destacado ingeniero mexicano. Nació en Guadalajara, Jalis- co, hijo del ingeniero minero y profesor de matemáticas Raúl Prieto González Bango y de doña Teresa Rodríguez de Prieto. En 1901 terminó sus estudios en la Escuela Nacional Preparatoria y en 1906 concluyó la carrera de ingeniería civil en la Escuela Nacional de Ingenieros, de la cual nunca obtuvo su título. Durante más de un cuarto de siglo se desarrolló como profesor de matemáticas en la Escuela Nacional Preparatoria y en la Escuela Nacional de Ingenieros, donde influyó en la formación de ingenieros y licencia- dos en ciencias exactas. Por su destacada labor en la enseñanza de las ma- temáticas y física, don Sotero Prieto Rodríguez fue considerado siempre como un gran maestro, que con- tribuyó de manera importante en la formación de una importante generación de destacados profesionales, de quienes sobresalen Alfonso Nápoles Gándara, Manuel Sandoval Vallarta, Vicente Guerrero y Gama, Enrique Rivero Borrel, Nabor Carrillo Flores, Javier Barros Sierra, Alberto Barajas, Roberto Vásquez, Efrén Fierro, Carlos Graeff Fernández, Jorge Quijano, Manuel López Aguado y muchos más. Los científicos e ingenieros discípulos del maestro Sotero Prieto consolidaron la certidumbre del gran maestro de que las ciencias matemáticas y físicas son fun- damentales en cualquier ingeniería. Respecto a la influencia que Sotero Prieto ejerció en la instauración de la matemática y la fí- sica en México, Alberto Barajas comenta: “Sotero Prieto es indudablemente el maestro al que se debe el desarrollo moderno de las matemáticas y la física”. También, como dijese Elí de Gortari, en 1980, Sotero Prieto fue el precursor de la intensa actividad matemática que existe hoy día en México.
- 20. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 2 Enelprólogodesubreve,perohistóricotrabajosobrecontinuidadynúmerosirracionales,elprofesor y brillante matemático alemán Richard Dedekind narra que mientras enseñaba los fundamentos de cálculo diferencial, en el otoño de 1858, en la recién creada Escuela Politécnica de Zurich, en Suiza, durante un momento de inspiración se percató con una claridad como jamás había tenido, de la carencia de una fundamentación realmente científica de la aritmética. Dedekind expone en ese prólogo que escribe en marzo de 1872, que al discutir la noción de aproximación de una magnitud variable a un valor límite fijo, había recurrido a evidencias geométricas, especialmente al probar el teorema de que cada magnitud que crece continuamente, pero no más allá de todos los límites, de- be aproximarse a un valor límite (hoy diríamos que toda sucesión creciente y acotada superiormente debe converger). Dedekind reconoce en su exposición que el recurrir a la intuición geométrica lo considera ex- tremadamente útil e indispensable desde el punto de vista didáctico, sobre todo si uno no desea invertirmuchotiempoenexponerlosprincipiosdelcálculo,perotaltratamientodeningunamanera puede considerarse realmente científico. Continúa diciendo que su insatisfacción era tan fuerte que tomó la firme determinación de reflexionar sobre la cuestión tanto como se requiriese hasta encontrar una fundamentación puramente aritmética y completamente rigurosa de los principios del cálculo. Por supuesto, Dedekind logró su objetivo y el fruto de sus profundas reflexiones fue su trabajo sobre continuidad y números irracionales, en donde el concepto fundamental es lo que actualmente conocemos como cortaduras de Dedekind. Este concepto, hoy en día es un recurso muy utilizado para definir los números reales, en especial los números irracionales. Después del trabajo de Dedekind, todas las demostraciones tuvieron que rehacerse, pues estaban basadas en evidencias geométricas, dicho en otras palabras, estaban sustentadas en la representación geométrica de los números reales. Antes del trabajo de Dedekind, las pruebas se apoyaban en la continuidad de la línea recta. Este era el motivo de insatisfacción de Dedekind. El importante teorema de que toda sucesión creciente y acotada superiormente converge, se sustentaba en la continui- dad de los reales percibida de forma geométrica, y no con un sustento puramente aritmético. Dedekind añade que este teorema muy bien podría usarse para fundamentar el cálculo, es decir, aceptándolo como verdadero sería totalmente posible probar los principales teoremas del cálculo con todo el rigor matemático que requiere un tratamiento científico. La aportación importante que Dedekind hace en su trabajo sobre continuidad y números irracionales es construir los números reales, especialmente los números irracionales, de esta manera da una definición puramente aritmética de los números reales, misma que entraña su propiedad más profunda que es la continuidad de los mismos, concepto indispensable para poder hablar de límite y continuidad de las funciones. Hoy en día hay dos alternativas para abordar el tema de continuidad de los números reales. Una consiste en construir el sistema de los números reales, por ejemplo, mediante las cortaduras de Dedekind y otra consiste en presentar a los números reales postulando su continuidad, además de las otras propiedades algebraicas y sobre desigualdades que comparten los racionales. Este último acercamiento consiste en definir los números reales como un sistema axiomático, se trata de un acercamiento que es muy común encontrar en los textos de cálculo, razón por la cual casi siempre inician con un capítulo sobre los números reales (algunos inician con álgebra de conjuntos). En este texto hemos adoptado postular el principio de continuidad de los números reales, su construcción no es parte de nuestros objetivos, además consideramos que esa construcción no es indispensable para fundamentar el cálculo. Sin embargo, es importante aclarar que tampoco presentamos a los números reales como un sistema axiomático. No es necesario invertir tiempo en Introducción 1.1
- 21. 3 Los números reales la axiomática ni en la construcción de los reales, será suficiente y muy importante que tengamos destreza con las propiedades algebraicas de los números reales, propiedades que a nivel simbólico son una extensión de las que tienen los racionales y que trabajamos desde nuestros cursos previos de cálculo elemental. En lugar de darle un tratamiento axiomático a los números reales preferimos poner énfasis en sus representaciones decimales, en distinguir los racionales de los irracionales mediante su representación decimal. También será importante fortalecer los procesos de racionalización y la habilidad en el uso de desigualdades. Nuestro acercamiento difiere de los que suelen encontrarse en la mayoría de los textos de cálculo, o deberíamos decir de los dedicados a los fundamentos del cálculo, propio del nivel universitario o de escuelas profesionales. Desde que cursamos nuestros estudios de bachillerato estamos familiarizados con los números reales, aunque podríamos decir que nuestro primer contacto con ellos se remonta a la primaria, cuando aprendimos, primero a contar con los números naturales y después a aplicar los algoritmos de la adición, la multiplicación y la división con enteros o números decimales. También fue en la primaria donde conocimos un famoso número real cuando aprendimos la fórmula C 5 2pr, para calcular la circunferencia de un círculo; donde r es el radio del círculo y p una constante, un número real cuyo valor siempre recordamos como 3.1416. Dado que 2r es el diámetro del círculo, es posible describir la fórmula para la circunferencia C 5 2pr como: la circunferencia es igual al producto que resulta de multiplicar p por el diámetro. Pero, ¿qué es p? Con seguridad leímos su definición clásica en nuestros libros de texto de la primaria, la cual dice que p es la razón que hay entre la circunferencia de un círculo y su diáme- tro, es decir p 5 C 2r . La fórmula del perímetro de un círculo no es otra cosa que la misma defini- ción de p, pareciera entonces que el único círculo interesante en la definición de p y la fórmula para la circunferencia fuera el círculo vicioso: la circunferencia es p veces el diámetro y, por definición, p es igual a la razón de la circunferencia al diámetro. Independientemente de esta aparente extraña situación de quién fue primero, el huevo o la gallina, nos encontramos ante una definición de p de naturaleza geométrica, pero no una aritmética. Es en el contexto del cálculo, donde podemos hacer una definición aritmética de p, o debiéramos decir una definición analítica, no podemos hacer una definición de p con recursos puramente aritméticos. Como el diámetro “cabe” cerca de 3.1416 veces en la circunferencia, p es aproximadamente 3.1416; pero, este no es su valor exacto. Tratando de mejorar la aproximación de p, algunas ve- ces acudimos a 3.14159 y quizá lleguemos a escribir que p 5 3.14159... para indicar que todavía pueden escribirse más decimales si deseamos tener mejores aproximaciones. Sumatorias infinitas 1.3 ¿Qué significan los puntos suspensivos en la expresión decimal p 5 3.14159... y en otras ex- presiones numéricas? La interpretación que hemos dado a estos puntos corresponde a lo que Nuestras primeras experiencias con los números reales 1.2
- 22. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 4 podemos leer en el diccionario de la Real Academia Española: “signo ortográfico (...) con que se denota quedar incompleto el sentido de una oración...”. Para el caso particular p 5 3.14159…, por ejemplo podemos plantear preguntas como: ¿cuántos decimales faltan por escribir?, ¿cuáles son esos decimales? En una sección posterior de este capítulo, dedicada a p, estudiaremos un poco acerca de su interesante historia y cómo la humanidad siempre tuvo presente dichas pre- guntas. Es probable que durante nuestros estudios de secundaria o bachillerato nos enteramos de que los decimales faltantes en la expresión para el valor de p son una infinidad. Quizá p fue el primer número que conocimos con una cantidad infinita de decimales y también es probable que nuestra segunda experiencia con este tipo de expresiones se dio cuando dividimos ) 3 1 : 0.3333 ) 3 1 0 . 10 10 10 1 El interesante fenómeno que observamos en este proceso de división, el cual consiste en la repetición interminable del residuo 1, nos permite continuar agregando tantos decimales como queramos en el cociente; esto lo expresamos acudiendo a los puntos suspensivos 1 3 5 0.333... En este caso, los puntos suspensivos tienen un significado un tanto diferente al de los puntos suspensivos que utilizamos para p. Ahora no solo indican que hay más dígitos que estamos omi- tiendo, sino que se trata de una infinidad de decimales iguales a 3. Tiempo después aprendimos que las expansiones decimales de 2 y 3 se escriben con puntos suspensivos 2 5 1.4142... 3 5 1.732... En estos dos casos, como para p, los puntos suspensivos ciertamente nos mantienen en el suspen- so, son un misterio, no sabemos con certeza lo que representan, excepto por el hecho obvio de que sustituyen a los decimales faltantes. Lo que representan los tres puntos suspensivos sólo puede explicarse con precisión en un curso de cálculo y no en uno de aritmética elemental, pues para este fin se requiere el concepto de límite o algún otro con el mismo grado de complejidad. Por ejemplo, con los puntos suspensivos podemos escribir 1 5 0.999... Veamos qué significa esto. Es bien conocido por nosotros que la expresión 0.25, significa 0.25 5 0 1 2 10 5 102 1 .
- 23. Los números reales 5 De forma similar, el significado de la expresión decimal 1.4142 es 1.4142 5 1 1 4 10 1 10 4 10 2 10 2 3 4 + + + . Pero, ¿qué significa la expresión 1.4142...? Si con ingenuidad sólo trasladamos los tres puntos suspensivos a la sumatoria finita: 1.4142 … 5 1 1 4 10 1 10 4 10 2 10 2 3 4 1 1 1 1 …, podemos pensar que ellos toman el lugar de los sumandos faltantes. Un caso simple es cuando estos tres puntos representan una cantidad finita de decimales faltantes, ahora estos tres puntos podrán representar una infinidad de sumandos. Una sumatoria con una infinidad de sumandos se define a través del concepto de límite. Observe con cuidado las siguientes expresiones 1 4 0 25 10 5 10 2 1 4142 1 4 10 1 10 4 10 2 2 3 . . 2 … 2 2 10 1 4142 1 4 10 1 10 4 10 2 10 3 1 732 4 2 3 4 L . . … 1 7 10 3 10 2 10 1 732 1 7 10 3 10 2 10 3 2 3 2 3 L . π . . . 14159 3 1 10 4 10 1 10 5 10 9 10 3 1415 2 3 4 5 … L 9 9 3 1 10 4 10 1 10 5 10 9 10 2 3 4 5 Nótese que las relaciones 2 5 1.4142 3 5 1.732 p 5 3.1416 son incorrectas (¿por qué?). En aritmética elemental, la operación adición está permitida solo para una cantidad finita de sumandos; más adelante extenderemos esta operación a una cantidad infinita. No es fácil conce- bir que tal operación sea posible, quizá pensemos que la infinitud de sumandos necesariamente nos conduce a resultados infinitos, sin embargo, es posible sumar una cantidad infinita de nú- meros teniendo como resultado un número finito. A reserva de que más adelante estudiemos este concepto (consulte capítulo 4), veamos algunos ejemplos que nos convencerán que tales sumatorias tienen sentido. Vamos a construir una sucesión de sumatorias, a partir de un segmento de longitud, una unidad. Dividámoslo en dos partes iguales y tomemos como primer sumando una de ellas. Ahora, la mitad restante del segmento la dividimos en dos partes iguales. Cada una de estas
- 24. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 6 partes tendrá una longitud de 1 4 . Tomemos una de estas cuartas partes como segundo sumando. Entonces, tenemos la suma 1 2 1 4 3 4 . 0 1 4 3 2 1 4 1 4 1 2 1 0 1 2 1 2 1 0 1 644474448 644444744444864748 0 1 8 1 8 1 4 1 2 1 + + 8 7 4 3 2 1 644444474444448 678 El segmento restante, de longitud 1 4 , lo dividimos ahora en dos partes, cada una de longitud 1 8 . Una de estas dos partes de longitud 1 8 constituye otro sumando Si continuamos con este proceso, obtendremos de forma consecutiva las siguientes sumatorias, 1 2 1 4 3 4 1 2 1 4 1 8 7 8 1 2 1 4 1 8 1 16 15 16 etc. Podemos ver en nuestras figuras que el resultado de cada una de las sumatorias es igual a lo que resulta de sustraerle al segmento unitario el segmento que nos ha quedado después de construir la sumatoria. Así, la suma puede calcularse fácilmente sin necesidad de realizar las operaciones con las fracciones. Por ejemplo, tenemos 1 2 1 4 1 1 4 1 2 1 4 1 8 1 1 8 1 2 1 4 1 8 1 16 1 1 16
- 25. Los números reales 7 Entonces podemos escribir 1 2 1 4 1 8 1 16 1 32 1 64 1 128 1 256 1 512 1 1 024 1 + 1 1024 1023 1 024 El caso general se escribe 1 2 1 4 1 8 1 2 1 1 2 2 1 2 L n n n n . En esta sumatoria general, n representa un número natural arbitrario. Entonces tenemos una sumatoria con n sumandos. De la expresión para esta, concluimos que la suma siempre será menor que 1 y que a medida que incrementamos el número de sumandos se aproximará a 1 tanto como queramos. En símbolos escribimos 1 2 1 4 1 8 1 2 1 1 1 1 1 L n n ≈ , para grande Dado que para valores grandes de n, la suma “es casi 1”, convenimos en decir que la sumatoria con la infinidad de sumandos es igual a 1, exactamente 1 y escribimos 1 2 1 4 1 8 1 L . Los tres puntos suspensivos representan la infinidad de sumandos restantes. La expresión anterior es una definición, una abstracción, y una extensión de la operación adición de la aritmética elemental. Ahora, nos permitiremos adicionar una cantidad infinita de sumandos. En este ejemplo particular fue posible asignar el resultado 1 a la sumatoria infinita, pues de la fórmula general 1 2 1 4 1 8 1 2 1 1 2 L n n concluimos que “lo que le falta a la suma para ser 1” es 1 2n , lo cual es muy pequeño si n es grande. Si a la fórmula anterior adicionamos una unidad a ambos miembros, obtenemos una suma- toria cuyo primer sumando es 1. 1 1 2 1 4 1 8 1 2 2 1 2 L n n . Esta sumatoria es un caso particular de lo que se llama sumatoria geométrica. Aunque nosotros obtuvimos esta fórmula acudiendo a la interpretación gráfica, podemos deducirla sin este recur- so. Por ejemplo, también tenemos las siguientes relaciones 1 1 3 1 3 1 3 1 3 3 2 1 1 3 1 1 5 1 5 1 5 2 3 1 2 3 L n n ( ) L L L 1 5 5 4 1 1 5 1 1 7 1 7 1 7 1 7 7 6 1 1 7 1 2 3 n n n ( ) n n1 ( )
- 26. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 8 Estas relaciones son casos particulares de la fórmula general de la sumatoria geométrica. Si r es cualquier número real diferente de 1 y n es cualquier número natural, entonces 1 1 1 2 3 1 r r r r r r n n L . Esta fórmula la estableceremos y aplicaremos en el capítulo 4 (sección 4.9). Si hacemos las sustituciones respectivas r r r 5 5 5 1 3 1 5 1 7 , y , obtenemos las relaciones anteriores, de las cuales podemos escribir las sumatorias infinitas 1 1 3 1 3 1 3 3 2 1 1 5 1 5 1 5 5 4 1 1 7 1 7 2 3 2 3 2 L L 1 1 7 7 6 3 L A las sumatorias infinitas, que hemos establecido empíricamente, le daremos un significado preciso en el capítulo 4. Por el momento es suficiente saber que son rigurosamente definidas y que son el recurso para definir las representaciones con un número infinito de decimales. En las siguientes secciones de este capítulo estudiaremos cómo estas representaciones decimales permiten caracterizar a los números racionales y, por tanto, a los números irracionales. Números racionales y expansiones decimales 1.4 Un número racional es cualquiera de la forma p q , donde p y q son enteros con q 0, por ejemplo 1 3 , 226 13 y 11 7 2 . Es posible representar los números racionales en la forma 6 p q , donde p es entero no negativo (es decir, entero positivo o cero) y q es entero positivo. Cuando p es divisible por q, entonces p q se reduce a un entero positivo, así que todos los enteros (positivos, negativos y el cero) también son llamados números racionales. La expansión decimal de un número racional consiste de entero a, llamado parte entera, seguido de un punto, llamado punto decimal, el cual a su vez es seguido de una lista o sucesión de dígi- tos, llamados cifras decimales o simplemente decimales: x 5 a.a1a2a3 … La expansión decimal de un número racional, no es otra cosa que una representación del número, cuyo significado es una sumatoria de múltiplos de potencias de 1 10 . Por ejemplo, la representación 5 4 1 25 5 . , es otra forma de escribir 5 4 1 2 10 5 102 .
- 27. Los números reales 9 Otro ejemplo es 5093 2 500 2 0372 2 3 10 7 10 2 10 2 3 4 . . En general, una expansión decimal x 5 a.a1a2a3 …ak, donde a es un entero y a1,…, ak son dígitos, significa x a a a a a a a a a a k k k . 1 2 3 1 2 2 3 3 10 10 10 10 … L Cada uno de los decimales indica el múltiplo de la potencia de 1 10 , la cual depende de la posición que ocupe el dígito. El dígito ai en la posición i, es el factor de la potencia 1 10 . Un fenómeno interesante es el que ocurre con el racional 1 3 , el cual no puede escribirse en la forma x 5 a.a1a2a3 …ak. En este caso, recurrimos a una representación decimal con puntos suspensivos 1 3 0 333 5 . … Esta es una expresión que en el estudio de la matemática previa a la universidad solo signi- fica que el proceso de la división no termina, es decir, puede continuarse todo lo que se desee. En ese nivel, este es el único significado de los puntos suspensivos, pero también se dice que la expansión decimal es infinita. Si queremos darle algún sentido preciso a este tipo de expresio- nes tenemos que recurrir a la noción de sumatoria con un número infinito de sumandos. Las expansiones finitas se obtienen cuando, al aplicar el algoritmo de la división, obtenemos de forma eventual el residuo cero. Cuando nunca alcanzamos el residuo cero no es posible representar el racional en la forma x 5 a.a1a2a3 …ak (sumatoria finita). Otro ejemplo de este fenómeno es 7 5 0 10 30 20 60 . 1 40 50 0 71 . ) 4 42857 En este ejemplo, el primer residuo 1 se obtiene de nuevo durante el proceso de la división. Al obtener el residuo 1 por segunda ocasión, podemos concluir que la secuencia se repite, y entonces sabemos lo que ocurrirá si proseguimos con el proceso. Esto implica que en particular no es posible escribir el racional 5 7 como una expansión finita. En esta situación, como en el caso de 1 3 , escribimos 5 7 0 714285714285 5 . ... Con los puntos suspensivos queremos decir, aunque no de manera explícita, que la cadena de dígitos 714285 se repite infinitas veces. Como los puntos suspensivos solo indican que continúan decimales y no proporcionan más información, resulta mejor opción la escritura 5 7 0 714285714285 5 .
- 28. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 10 Con la línea o testada arriba de los decimales hacemos explícita la cadena de dígitos que se repite infinitas veces. Esta cadena de dígitos se llama periodo de la expansión decimal, y decimos en este caso que la expansión decimal es periódica. En términos estrictos, la expresión anterior significa una sumatoria infinita. En nuestros ejemplos tenemos 1 3 3 10 3 10 3 10 5 7 7 10 1 10 4 10 2 10 8 10 2 3 2 3 4 L 5 5 6 5 10 L Para precisar lo que significa tal sumatoria se requiere el concepto de límite. Este concepto es lo que hace la diferencia entre la aritmética elemental y el cálculo. Un hecho interesante es que la expansión decimal de cualquier número racional positivo p q es periódica, es decir, siempre tendrá un periodo. Para convencernos de ello, observemos que si tenemos una fracción p q y realizamos la división ) q p con el algoritmo ya conocido desde la primaria, tenemos dos opciones: • o bien, eventualmente obtenemos residuo cero. • o durante el proceso obtendremos la repetición de un residuo diferente de cero. Si nunca obtenemos residuos cero la repetición de un residuo es inevitable, pues solo hay un número finito de posibilidades para el mismo. Por ejemplo, para la división ) 7 5 , los únicos posibles residuos son 0, 1, 2, 3, 4, 5 y 6, así que en el proceso de la división eventualmente se va a repetir alguno de estos residuos, que fue lo que ocurrió cuando obtuvimos la expansión decimal de 5 7 . Otro ejemplo es la división ) 2500 5093 ; en este caso, los posibles residuos son 0, 1, 2, … , 2499. Por fortuna, se obtiene residuo cero tempranamente, por lo que pronto obtuvimos la expansión decimal finita 5093 2500 2 0372 5 . . En general, si durante el proceso de la división ) q p obtenemos residuo cero, el proceso se concluye y obtenemos una expansión decimal finita. Si nunca se obtiene residuo cero, entonces durante el proceso de la división eventualmente se repetirá uno de los residuos, 0, 1, 2, … , q 2 1, dando lugar a un periodo. Esto muestra que Todo número racional tiene una expansión decimal periódica. Algo menos evidente y más interesante es el hecho de que si escribimos cualquier expresión deci- mal con el periodo que deseemos, esa expresión será la expansión decimal de algún racional positivo p q . Por ejemplo, trate de averiguar a cuáles racionales corresponden las expansiones 0 666 0 6 1 111 1 1 . . . . … … 5 5 Para explicar el método que nos permitirá descubrir el racional a partir de su expansión decimal periódica, veamos primero el caso de las expansiones decimales finitas. Por ejemplo, ya hemos visto que expresiones como 7.14935 y 60384.30029 significan 7 14935 7 1 10 4 10 9 10 3 10 5 10 60 384 3002 2 3 4 5 . . 9 9 60 384 3 10 2 10 9 10 4 5 .
- 29. Los números reales 11 En realidad podemos escribir en potencias de 10 y de 1 10 : 7 14935 7 1 10 4 10 9 10 3 10 5 10 60 384 3002 2 3 4 5 . . 9 9 6 10 3 10 8 10 4 10 3 10 2 10 9 10 4 2 0 4 5 . De este significado general de una expansión decimal finita, es posible deducir la muy usada regla de multiplicación por 10, que consiste en recorrer el punto una posición a la derecha. Por ejemplo, para multiplicar por 10 el número 60384.30029, simplemente recorremos el punto deci- mal una posición a la derecha: 10 60384 30029 10 6 10 3 10 8 10 4 10 3 1 4 2 0 . 0 0 2 10 9 10 6 10 3 10 8 10 4 10 3 10 4 5 5 3 2 0 ( ) 2 10 9 10 603843 0029 3 4 . Esta idea, aun cuando sea a nivel intuitivo, podemos extenderla al caso de sumatorias con un número infinito de sumandos. La regla de la multiplicación por 10, que consiste en recorrer el punto decimal una posición a la derecha y que podemos justificar por completo para expansio- nes decimales finitas, puede extrapolarse para expansiones decimales infinitas, por ejemplo, si x 0 333 3 10 3 10 3 10 3 10 2 3 4 . … L, entonces 10 10 0 333 10 3 10 3 10 3 10 3 10 3 2 3 4 x ( . ) … L ( ) 3 10 3 10 3 10 3 0 333 3 333 2 3 L . . … … En resumen, si x 5 0.333… , entonces 10x 5 3.333… La justificación de este hecho es una propiedad de las sumatorias infinitas también llamadas series, las cuales estudiaremos en el capítulo 4. Ahora veamos, a través de ejemplos, cómo podemos aplicar la regla de la multiplicación por 10 para encontrar el número racional cuando conocemos su expansión decimal infinita. Iniciemos con el interesante caso de la expansión decimal infinita con periodo 9: a 5 0.999… Tenemos entonces 10a 5 9.999… Así que 10a 5 9.999… 5 9 1 0.999… a 5 0.999…
- 30. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 12 Observemos que al restar la segunda expresión de la primera, la parte decimal que es común a ambos números, se cancela para darnos 9a 5 9. Por tanto, obtenemos a 5 5 9 9 1. Es decir 1 5 0.999… Veamos otro ejemplo, sea b 5 0.3525252… 5 0. 352 En este caso, el periodo es 52, pero inicia en el segundo decimal de la expansión. Para descubrir la fracción p q a la cual corresponde la expansión decimal dada, aplicaremos la misma idea que en el ejemplo anterior. Construiremos dos expansiones decimales con la misma parte decimal, si bien infinita será común a ambos números. Al restar uno de estos al otro, obtendremos un entero, pues las partes decimales se eliminarán. Con esto, finalmente será posible expresar la expansión dada como cociente de dos enteros positivos: b 5 0.3525252 5 0. 352 1000b 5 352.525252…5 352 1 0.52 10b 5 3.525252… 5 3 1 0.52 990b 5 352 2 3 990b 5 349 de donde obtenemos b 5 349 990 . Con estos ejemplos es fácil adivinar la estrategia a seguir para hallar el racional cuando se conoce su expansión decimal infinita. Primero, tenemos que saber que se trata de una expansión decimal periódica, esta condición es muy importante, además tenemos que conocer el periodo. Una vez que conocemos esto, construimos dos múltiplos distintos del número dado, de manera que ambos múltiplos tengan una expansión decimal con el mismo periodo, el cual deberá iniciar a partir del punto decimal. De esta manera, al hallar la diferencia de ambos múltiplos se cancela la parte decimal y se obtiene un número entero. Esto permitirá obtener el racional buscado. De lo anterior obtenemos la importantísima caracterización de los números racionales: a) Todo número racional p q tiene una expansión decimal periódica, y b) Toda expansión decimal periódica corresponde a un número racional. Aquí es importante hacer una reflexión de carácter lógico. La condición a) no afirma que los números racionales sean los únicos que tienen expansión decimal periódica, su afirmación es más
- 31. Los números reales 13 débil, debido a que deja la posibilidad de que haya números no racionales con expansión decimal periódica, pero esta queda eliminada por la propiedad b). Precisamente la propiedad b) dice que no hay otro tipo de números que tengan expansión decimal periódica. Dicho de otra manera, si una expansión decimal es periódica, entonces la expansión corresponde a un número racional, no hay otra posibilidad. Ambas condiciones a) y b) podemos enunciarlas a la vez diciendo que los números racionales están caracterizados por el hecho de que su expansión decimal es periódica: Un número a es racional si y solamente si su expansión decimal es periódica. Entonces, una manera de identificar a los números racionales es mediante su expansión decimal. Por tanto, si estamos ante una expansión que no es periódica, se trata de un número que no es racional. Una pregunta que surge de manera natural es si los siguientes números tienen expansiones decimales periódicas 2 1 4142156 3 1 7320508 3 14159265 . . . … … … En las siguientes secciones despejaremos esta duda. Números irracionales y expansiones decimales no periódicas 1.5 Los números racionales son por definición cocientes de enteros p q , con q 0; se caracterizan porque su expansión decimal es periódica. Por tanto, un número cuya expansión decimal no sea periódica no es racional, estos números reciben el nombre de irracionales. Entonces, los irraciona- les son los números cuya expansión decimal es no periódica o bien se puede decir que son los que no se pueden escribir como cociente de enteros. Tenemos entonces dos caracterizaciones de los irracionales: a) Un número es irracional si no es posible representarlo como cociente de dos enteros. b) Un número es irracional si su expansión decimal es no periódica. En resumen los números reales son conjuntamente los racionales y los irracionales.Así que hay dos tipos de números reales. Dado un número real, este puede ser racional o irracional. Todo número real tiene una expansión decimal, finita o infinita. Los números racionales son aquellos cuya expansión decimal es periódica, esto incluye a los que tienen expansión decimal finita que constitu- yen casos particulares de las expansiones periódicas. Los números irracionales son los que tienen expansión decimal no periódica. En principio, uno puede determinar si un número es racional o irracional observando su expansión decimal. Si se observa un periodo, el número será racional. Sin embargo, en la práctica puede ocurrir que sea difícil observar el periodo de un número racional, la longitud del perio- do puede ser tan grande que no sea posible identificarlo. Por ejemplo, suponga que el periodo consistedeunmillóndedígitos,asimplevistaseríaimposibledeterminarsihayonoperiodo,inclu- so puede ser difícil para una computadora. Para darnos una idea de la dimensión de este problema,
- 32. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 14 supongamos que las siguientes expansiones decimales son periódicas, trate usted de determi- nar un posible periodo a 5 1.5439822154398221543982215439822154398221543982215439822154398221… b 5 1.27324918524791647209642534208644118524791647209642534208644118524… Para el primer número no es difícil reconocer un posible periodo, que consiste de los dígitos 54398221; sin embargo, para el segundo número no es fácil identificar lo que puede ser un perio- do 185247916472096425342086441. Por otra parte, es perfectamente posible que, a partir de la expansión decimal de un número, podamos concluir que se trata de un número irracional, es decir, es posible saber que la expan- sión decimal es no periódica. Por ejemplo, consideremos el número cuya expansión decimal es 1.01001100011100001111... Los tres puntos representan los decimales que a continuación describimos: después de los cuatro unos, sigue un bloque de cinco ceros y cinco unos, seguido por un bloque de seis ceros y seis unos. En general, la expansión está formada por bloques de n ceros consecutivos y n unos consecutivos. Después de un bloque de n ceros y n unos le sigue un bloque de n 1 1 ceros y n 1 1 unos. Esta expansión decimal es no periódica, por lo que representa un número irracional, no obstante podemos decir que conocemos todos sus decimales, pues es posible determinar el decimal correspondiente a cualquier posición dada. Por ejemplo, aunque hemos escrito solo unos cuantos decimales podemos determinar el decimal que aparece en la posición 100. Para eso, podemos extender la lista de los decimales o hacer algo más inteligente, como crear alguna estrategia de conteo, que nos permita determinar cuál es el dígito que aparece en esa posición. Por ejemplo, agrupemos los decimales en bloques de ceros y unos, el mismo número de ceros y de unos. El primer bloque es 01, el segundo bloque 0011, el tercero es 000111, y así sucesivamente. Por ejemplo, el bloque 20 estará formado por 20 ceros y 20 unos. El bloque n-ésimo estará formado por n ceros seguidos de n unos; este bloque está constituido por 2n dígitos. Ahora podemos obtener la cantidad de dígitos acumulados desde el bloque uno hasta el bloque n: … bloque 1 bloque 2 bloque 3 2 4 6 2 n n n n n n n n … bloque 2 1 2 3 2 1 2 1 ( ) ( ) ( ). Por ejemplo, es fácil identificar que el número de dígitos acumulados hasta el bloque cinco es 5 · 6 5 30 y que el número de dígitos hasta el bloque 10 es 10 · 11 5 110. De aquí concluimos que el decimal en la posición 110 es un uno. De igual modo se puede concluir dado que el bloque 10 está formado por 10 ceros y 10 unos, el decimal de la posición 100 es un cero (es el último cero del bloque 10), este cero va seguido de 10 unos. En general, ciertamente, los decimales de un número irracional son desconocidos, a excepción de algún número finito de estos, pero es importante notar que el hecho de que la cantidad de dígitos de una expansión sea infinita, no significa que todos estos sean en su totalidad desconocidos; en otras palabras, el hecho de que estos sean una infinidad no se contrapone con el hecho de que pudieran ser conocidos. Así, podemos decir que en el ejemplo anterior conocemos todos los dígitos de la expansión, aun cuando no es periódica. Conocer todos los dígitos de la
- 33. Los números reales 15 expansión significa que en teoría es posible determinar el dígito que ocupa cualquier posición en la expansión. Por ejemplo determine los dígitos que aparecen en las posiciones respectivas 1305 y 9742, de la expansión decimal antes dada. Otro ejemplo de una expansión decimal no periódica, de la que podemos decir que son completamente conocidos todos sus decimales, es d 5 0.123456789101112131415161718192021… La expansión decimal la construimos yuxtaponiendo en orden todos los números naturales; otra vez, podemos decir que conocemos todos los decimales de esta expansión, pues es posible determinar el decimal que corresponde a cualquier posición dada. Quizá no sea tan simple como el caso anterior, pero podemos crear una estrategia de conteo que nos permita determinar el dígito que aparece en cualquier posición dada. Si deseamos averiguar si un número es irracional podemos proceder de dos maneras, o bien mostramos que no es posible escribirlo como cociente de dos enteros o que su expansión decimal no es periódica. En general, tratar de probar cualquiera de las dos propiedades para un número dado puede ser un problema difícil. En la siguiente sección probaremos que 2 es irracional mostrando que no es posible escribirlo como cociente de dos enteros positivos, lo cual implica que su expansión decimal es no periódica. Por otra parte, hoy se sabe que p es irracional, y aunque su prueba es mucho más complicada y no la veremos aquí, sí nos enteraremos cuándo y quién la llevó a cabo. Antes de que se tuviera la certeza de que p fuera irracional, hubo muchos intentos por tratar de encontrar un periodo, tratando con ello de probar que era racional. Por supuesto, los intentos fallaron, pues no existe tal periodo. Cuando revisemos un poco la interesante historia de este número comentaremos acerca de la investigación que se generó por el hecho de no saber que p es un número irracional. También conoceremos otro famoso número irracional denotado por la letra e. Este número, conjuntamente con p, son de los más notables de la matemática. Otro número famoso es el llamado constante gamma de Euler, denotado precisamente por la letra griega g (gamma). Es posible aproximarse a la constante g calculando 1 1 2 1 3 1 4 1 … n n log para valores grandes de n. Por ejemplo, tenemos las siguientes aproximaciones de g 1 1 2 1 3 1 10 10 1 1 2 1 3 1 … 0.6263831609 … log ≈ 1 100 100 1 1 2 1 3 1 1 000 log lo ≈ 0.5822073316 … g g lo 1 000 1 1 2 1 3 1 1 000 000 0.5777155815 … ≈ g g1 000 000 0.5772161655 ≈ A continuación mostramos los primeros 20 decimales de la constante gamma de Euler g 5 0.57721566490153286060… Un problema interesante acerca de este número es que actualmente no se sabe si es racional o irracional; es un problema que aún no se resuelve. Quien halle la respuesta a esta interrogante con certeza se inmortalizará en la historia de la matemática.
- 34. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 16 Como se anunció en la sección anterior, ahora probaremos que 2 es un número irracional. La prueba que haremos tiene varios mensajes y será muy ilustrativa. En primer lugar se trata de una demostración de imposibilidad matemática, la imposibilidad de representar 2 como cocien- te de enteros. Que 2 no sea representado como cociente de enteros no es cuestión de tiempo o de incapacidad de quienes lo han intentado. Nadie ha podido, porque nadie jamás podrá hallar tal representación, no es cuestión de tiempo, dedicación o incapacidad. Este tipo de situaciones son comunes en matemáticas y podemos referirnos a ellas como casos de imposibilidad matemática. Para las pruebas de imposibilidad es muy común una técnica de prueba, en la cual se utiliza el llamado razonamiento por contradicción o la también llamada prueba por reducción al absurdo. En realidad, estos dos nombres se refieren a métodos diferentes, y aunque la diferencia es un tanto sutil, por el momento podemos pensar que tratan de lo mismo. Haciendo algunas ligeras modificaciones a la prueba que vamos a presentar para 2 , pode- mos demostrar que 3 y 5 son números irracionales. De hecho, el tipo de argumento se puede utilizar para probar que todo número de la forma p es irracional cuando p no es cuadrado perfecto. Recordemos que un entero p, es cuadrado perfecto si es el cuadrado de otro entero. Por ejemplo, 16 es cuadrado perfecto pues es el cuadrado de 4, también son cuadrados perfectos los números 169 y 13689, ¿por qué? Un número no es cuadrado perfecto si no es el cuadrado de algún entero. Por ejemplo, 2 no es cuadrado perfecto, pues no existe un entero cuyo cuadrado sea 2, tampoco lo son 3, 5 y 6. Los griegos ya sabían que 2 era un número irracional; no lo expresaban con este lenguaje, pero en esencia conocían esta propiedad de 2. Usando su lenguaje, los griegos ya sabían que la hipotenusa del triángulo rectángulo isósceles y cualquiera de sus catetos eran inconmensura- bles. Que dos segmentos sean inconmensurables quiere decir que no es posible medirlos con una unidad común, es decir, no es posible hallar un tercer segmento tal que los dos sigmentos dados sean múltiplos enteros de él. En términos coloquiales podríamos decir que no existe un segmento que “quepa” un número entero de veces en cada uno de los dos segmentos dados. La inconmensurabilidad del cateto y la hipotenusa en un triángulo isósceles rectángulo equivale, en el lenguaje moderno, a que 2 es irracional. 1.6.1 2 es irracional Probemos que no es posible escribir 2 en la forma 2 5 p q , donde p y q son enteros positivos. Supongamos que fuese posible tal representación y que los enteros p y q no tienen divisores en común o, lo que es igual, que no tienen factores en común. Si el numerador y el denominador tuviesen divisores en común, podríamos simplificar la fracción eliminando todos estos factores, obteniendo así una como la que se está suponiendo. Esta condición va a ser muy importante en nuestra argumentación. Entonces, al elevar al cuadrado ambos miembros de la relación 2 5 p q , obtenemos 2 2 2 5 p q . Los irracionales 2 y 3 1.6
- 35. Los números reales 17 Por tanto 2q2 5 p2. Esta relación nos dice que p2 es un número par, entonces necesariamente p es un entero par, porque si fuese impar, su cuadrado sería impar. Tenemos entonces una primera conclusión, en la representación 2 5 p q , el entero p tiene que ser par. Como p es par, lo podemos escribir en la forma p 5 2k, donde k es un entero. Usando esta forma para p y sustituyéndola en 2q2 5 p2, obtenemos 2q2 5 p2 2q2 5 4k2. Por tanto q2 5 2k2. Entonces q2 es par, por un argumento totalmente similar al que usamos para p, concluimos que q es un entero par. Pero esto es imposible, pues contradice nuestra hipótesis de que p y q no tienen divisores en común, en particular no pueden ser ambos números pares. Hemos llegado a una contradicción que se deriva de suponer posible la relación 2 5 p q . Por lo que concluimos que tal relación es imposible. Esto significa que 2 es un número irracional. La prueba anterior nos permite afirmar contundentemente que, aun usando una poderosa computadora, es inútil tratar de hallar un periodo para 2 , este número es irracional y por tan- to su expansión decimal es no periódica. Analicemos la demostración anterior y observemos cuáles son los hechos importantes que utilizamos. Uno de ellos es que si el cuadrado de un entero es par entonces el entero mismo es par. Esto se debe al hecho de que • el cuadrado de todo entero impar es impar. Además, es cierto que • el cuadrado de todo entero par es par. En efecto, dado un entero n hay dos posibilidades: es par o es impar. Es decir, o bien n es de la forma n 5 2m o es de la forma n 5 2m 1 1, donde m es un entero. Los pares son de la forma 2m y los impares son los enteros de la forma 2m 1 1, con m entero. Entonces, si n es par tenemos n 5 2m n2 5 4m2 5 2(2m2) Esto implica que n2 es par, pues se tiene la forma n2 5 2k. Por otra parte, si n es impar, tenemos n 5 2m 1 1 n2 5 (2m 1 1)2 5 4m2 1 4m 1 1 n2 5 2(2m2 1 2m) 1 1 Así que n2 es impar, pues es de la forma n2 5 2k 1 1. De lo anterior, podemos concluir que • si el cuadrado de un entero es par, entonces el entero es par.
- 36. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 18 Y también • si el cuadrado de un entero es impar, entonces el entero es impar. Note que estas dos afirmaciones son lógicamente diferentes de las previamente probadas. En realidad lo que nos interesó de la prueba es que dado un entero n, hay dos posibilidades para n: o es de la forma n 5 2m o de la forma n 5 2m 1 1, donde m es un entero. El nombre que se les asigne a los números de una u otra clase (par e impar) es irrelevante. Esta reflexión es importante, porque si deseamos probar que 3 es irracional, será necesario mirar nuestros argumentos desde otro punto de vista. 1.6.2 3 es irracional Supongamos que 3 pudiera escribirse en la forma 3 5 p q . Como en el caso anterior, supongamos que p y q no tienen divisores en común. Entonces, tenemos 3 3 3 2 2 2 2 5 5 5 p q p q q p . Imitando la prueba anterior, concluimos ahora que p2 es múltiplo de 3, pero, ¿qué podemos concluir acerca de p? En la prueba anterior la conclusión fue que siendo p2 un par, es decir un múltiplo de 2, entonces, a su vez, p era par. Nos encontramos en la parte de la demostración que hemos de adaptar al caso de 3 . Ahora, lo importante es saber que para todo entero positivo p hay tres posibilidades: • que p sea múltiplo de 3, es decir que p sea de la forma p 5 3m, • que p sea de la forma p 5 3m 1 1, • que p sea de la forma p 5 3m 1 2. Estas tres posibilidades son el resultado de aplicar el algoritmo de la división, cuando p se divide entre 3. Es fácil ver que si p es de la forma p 5 3m 1 1, entonces su cuadrado es de la misma forma. Por otra parte, si p es de la forma p 5 3m 1 2, su cuadrado es de la forma p 5 3m 1 1. En efecto, (3m 1 1)2 5 9m2 1 6m 1 1 5 3(3m2 1 2m) 1 1 (3m 1 2)2 5 9m2 1 12m 1 4 5 9m2 1 12m 1 3 1 1 5 3(3m2 1 4m 1 1) 1 1 Por tanto, si p2 es múltiplo de 3, entonces p no puede ser ni de la forma p 5 3m 1 1 ni de la forma p 5 3m 1 2, esto implica que p tiene que ser de la forma p 5 3k. Sustituyendo esta expresión para p, obtenemos 3q2 5 p2 3q2 5 (3k)2 3q2 5 9k2 q2 5 3k2
- 37. Los números reales 19 Esto implica que q2 es múltiplo de 3, entonces, q es múltiplo de 3. Así que p y q son múltiplos de 3, lo cual es imposible, pues, por hipótesis, p y q no tienen divisores en común. Como esta contradicción se obtuvo a partir del supuesto de que 3 es igual a un cociente p q , finalmente podemos concluir que no existen enteros positivos p y q, tales que 3 5 p q . Esto significa que 3 es irracional. En la sección de ejercicios se pide al lector que pruebe que 5 es irracional. Puede usar la prueba anterior, haciendo las adaptaciones apropiadas. Racionalización 1.7 La racionalización de una fracción en cuyo denominador hay alguna raíz, es cualquier proceso mediante el cual se transforma la fracción en otra equivalente con un denominador que no ten- ga radicales. Por ejemplo, la fracción 1 2 , se puede transformar como sigue 1 2 2 2 2 2 2 5 5 . Así que tenemos 1 2 2 2 5 . Entonces, decimos que hemos racionalizado la fracción 1 2 . Veamos otros ejemplos Ejemplo 1 1 3 3 3 3 3 3 5 5 . Ejemplo 2 5 7 5 7 7 35 7 5 5 . Ejemplo 3 4 4 4 2 4 2 4 2 8 4 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 5 . Ejemplo 4 3 9 3 3 9 3 3 3 27 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 5 . Ejemplo 5 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ( )( ) .
- 38. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 20 Ejemplo 6 8 5 1 8 5 1 5 1 5 1 8 5 1 5 1 8 5 1 4 2 5 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( 1). Ejemplo 7 2 7 3 2 7 3 2 7 3 2 7 3 2 7 3 2 7 3 2 7 3 2 2 ( )( ) ( )( ) ( ) ( 7 7 3 28 12 7 9 28 9 37 12 7 19 2 2 ) . Ejemplo 8 5 3 3 3 1 5 3 3 3 1 3 1 3 1 15 5 3 3 3 3 3 1 ( )( ) ( )( ) 18 8 3 2 9 4 3. Ejemplo 9 6 6 3 2 6 6 3 3 3 2 6 2 3 2 6 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 ( ) ( )( ) (2 2 3 2 12 2 2 2 3 10 3 2 3 ) . 6 5
- 39. Los números reales 21 Ejemplo 10 2 7 3 2 7 3 7 3 7 3 2 7 3 7 3 2 7 3 4 7 3 ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2 2 . Números algebraicos y números trascendentes 1.8 Recordemos que los números irracionales son por definición los que no son racionales, es decir los que no se pueden escribir como cociente de dos enteros. Ejemplos de números irraciona- les son 2 , 3 , 5 1 2 2 . Los números e y p, que estudiaremos en las siguientes secciones, también son irracionales. Dentro de esta vasta familia de números irracionales, se distinguen dos categorías: los algebraicos y los trascendentes. Los irracionales 2 , 3 , 5 1 2 2 son algebrai- cos y los irracionales e y p son trascendentes. Los números algebraicos son aquellos que son raíces de ecuaciones polinomiales con coeficientes enteros. Por ejemplo, 2 es algebraico porque es raíz de la ecuación x2 2 2 5 0. El irracional 3 es raíz de la ecuación x2 2 3 5 0. El irracional 5 1 2 2 es raíz de la ecuación x2 1 x 2 1 5 0. Todo racional p q es algebraico, pues satisface la ecuación qx 2 p 5 0. Es un hecho notable que los números p y e no son algebraicos, es decir, son números trascendentes. Las pruebas son un tanto difíciles y escapan a los objetivos de este libro, sin embargo, en una sección posterior, se darán algunos datos sobre quiénes lo probaron y cuándo lo hicieron.
- 40. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 22 En la historia de la matemática, registrada desde el siglo iv a.C., en la gloriosa época griega, se consideraba, sin duda alguna, que p era el número más famoso e importante. Sin embargo, en la matemática moderna, compite en importancia y fama con el número e, llamado así por su descubridor Leonhard Euler (1707-1783), matemático suizo, considerado el mejor de su época y uno de los más grandes de todos los tiempos. La aparición del número p en la historia de la matemática puede considerarse relativamente simple; surge cuando se intenta establecer una relación entre la circunferencia y el diámetro de un círculo. Sin embargo, el número e de Euler, hace su aparición de una manera más sofistica- da. A continuación recurrimos a un tema de finanzas para presentar el número e. Supongamos que cierto capital C se invierte al plazo de un año, a una tasa de interés anual de p%. Esto significa que, al término del año, el capital se habrá incrementado, convirtiéndose en una cantidad igual a la suma inicial invertida C más los intereses generados en ese lapso; así que al término del plazo, el nuevo capital será C p C p C 100 1 100 . Por ejemplo, si la tasa de interés es de 20% anual, p 5 20. Al término del año, el capital se habrá incrementado en una quinta parte C C C C 20 100 1 1 5 1 2 . . Denotemos con r la fracción p 100 . Por ejemplo, si la tasa de interés anual es de 8%, r 5 0.08. Entonces, la expresión para el nuevo capital, al cabo de un año, queda como C 1 rC 5 (1 1 r)C. El cálculo anterior corresponde a lo que se llama inversión con tasa de interés simple anual. Unainversióncontasadeinteréscompuestoanualesaquellaenlaqueelañosedivideenfracciones iguales y los intereses se calculan para la primera fracción. Esos intereses generados se acumu- lan al capital original para dar lugar a un nuevo capital, el cual se reinvierte por la siguiente fracción del año y así sucesivamente hasta concluir el plazo, mismo al que se ha establecido la inversión. Esto significa que el capital se incrementará periódicamente mientras dure el plazo de inversión. La fracción del año puede ser un semestre, un mes o un día. Según sea el caso, hablamos de inversiones con una tasa de interés compuesto capitalizable, semestral, mensual o diariamente. Una inversión a interés compuesto otorga mayores utilidades que una a interés simple. Aho- ra, cuantificaremos esas ventajas. Analicemos, por ejemplo, el caso de inversiones capitaliza- bles cada semestre. Supongamos que el capital, C, se invierte a un plazo de un año al interés compuesto r, capitalizable semestralmente. La utilidad generada durante un semestre será la mitad de la utilidad generada durante el año. Puesto que el interés anual es r, la utilidad generada durante El número e 1.9
- 41. Los números reales 23 un año es rC, por tanto, la utilidad generada durante medio año es 1 2 rC. Así que al finalizar el primer semestre, el capital acumulado será C r C r C 2 1 2 . Dado que se trata de una inversión a un plazo de un año, el capital no se puede retirar al cabo del primer semestre, este debe mantenerse en inversión un semestre más. Para el segundo semestre, los cálculos son similares a los hechos para el primero, pero ahora con un nuevo capi- tal inicial, el cual es C r C 1 1 2 . Por tanto, al término del segundo semestre, el capital acumulado será C r C r C 1 1 1 2 1 2 . Al sustituir el valor de C1 en esta expresión, obtenemos 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 r C r r C r C . Así que al término de los dos semestres, el nuevo capital es 1 2 2 1 r C . Comprobemos que con un interés compuesto capitalizable semestralmente, se obtiene una utilidad ligeramente mayor, que con un interés simple. Con un interés simple, tenemos una utili- dad de rC, mientras que para una inversión con un interés compuesto capitalizable semestral- mente, la utilidad es 1 2 1 4 4 2 2 2 r C C r r C C C rC r C C rC r r C 2 4 . Si comparamos las dos utilidades, inversión simple e inversión compuesta, observamos que la utilidad se ve incrementada en r C 2 4 . Parafijarideas,supongamosquelatasadeinterésanualesde100%(estastasasdeinterésllegaron a ser reales en México en la década de los 70), esto significa r 5 1. En el caso del interés simple, el capital al término del año es (1 1 r)C 5 2C. Es decir, para una inversión con tasa de interés simple de 100%, al cabo del año de la inversión, el capital se duplica. Para el caso de interés compuesto capitalizable semestralmente, el capital al término de los dos semestres es 1 1 2 3 2 2 25 2 2 C C C . .
- 42. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 24 Así, resulta muy ventajosa la inversión con tasa de interés compuesto capitalizable semes- tralmente. Supongamos, ahora, una tasa de interés compuesto capitalizable mensualmente; como podemos intuir, esto todavía resultará más ventajoso. Veamos qué tanto. Que sea capitalizable mensualmente significa que al finalizar cada mes se calculan las utilidades generadas y se incrementan al capital invertido al inicio del mes. Lo que resulte se considera como capital ini- cial para el siguiente mes. Como la utilidad generada durante un año es rC=, la que se genera durante el primer mes es 1 12 C. Por tanto, el nuevo capital al inicio del segundo mes será C C C C C 1 12 1 12 1 1 12 . Siguiendo un razonamiento similar para los siguientes meses, obtenemos: Capital al término del primer mes: C C 1 1 1 12 . Capital al término del segundo mes: C C C 2 1 2 1 1 12 1 1 12 . Capital al término del tercer mes: C C C 3 2 3 1 1 12 1 1 12 . Capital al término del cuarto mes: C C C 4 3 4 1 1 12 1 1 12 . Continuando con este razonamiento, concluimos que la utilidad al final del mes 12 será C C 12 12 1 1 12 . Con una calculadora económica podemos obtener la aproximación (aunque no el valor exacto) 1 1 12 2 613 12 1 ≈ . . Así, al concluir el año, plazo fijado de la inversión, el nuevo capital será aproximadamente C C C 12 12 1 1 12 2 613 ≈ . . Ahora, la utilidad es significativamente mayor que la obtenida con la tasa de interés simple. A continuación se muestra en qué se convierte el capital para cada uno de los tres tipos de inversiones. C C C C C simple semestral → → 2 2 25 . mensual → 2 613 . C (aproximadamente)
- 43. Los números reales 25 Aplicando este razonamiento, podemos analizar el caso de una inversión con una tasa de interés anual, r, capitalizable cada cierto periodo, que sea la n-ésima parte de un año. De esta forma, al cabo de un año, el capital acumulado será 1 1 r n C n . Si el interés es capitalizable cada día, al finalizar un año tendremos un capital de 1 1 r C 365 365 si el año no es bisiesto. Si el interés es capitalizable cada hora, el capital al término del año será 1 8 760 8 760 1 r C . Si el interés es capitalizable cada minuto, entonces tendremos 1 1 r C 365 24 60 365 24 60 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ como capital final. Tomemos nuevamente r 5 1, ahora tenemos C C C C C simple semestral → → 2 2 25 . mensual dí → → 2 613 . ( ) C C aproximadamente a a h 2.7145674 C C ( ) aproximadamente → o ora 2.7181266 C C ( ) aproximadamente → m minuto 2.7182814 C ( ) aproximadamente Si el interés fuera capitalizable cada segundo, el capital al término del año sería 1 1 r C r 365 24 60 60 31536 365 24 60 60 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 0 000 31 536 000 C. ¿De qué orden de magnitud es el factor? 1 1 r 31536000 31 536 000 . El hecho de que el exponente sea muy grande no significa que este factor sea grande, ya que, en ese caso, la fracción r 31536000 es un número pequeño, por lo que 1 1 r 31536000 tiene un valor aproximado a 1, pero mayor que este. Al ser mayor que 1, al elevarlo a un exponente grande,
- 44. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 26 obtenemos un número que podemos esperar sea grande, ¿pero qué tanto? Ocurre un fenómeno muy interesante. En la siguiente tabla aparecen valores aproximados de 1 1 1 n n para distintos valores de n. n 1 1 1 1 n n n 1 1 1 1 n n 1 2.00000000000000 1 000 2.71692393223552 2 2.25000000000000 10 000 2.71814592682436 3 2.37037037037037 100 000 2.71826823719753 5 2.48832000000000 1 000 000 2.71828046915643 10 2.59374246010000 10 000 000 2.71828169398037 20 2.65329770514442 100 000 000 2.71828178639580 30 2.67431877587030 1 000 000 000 2.71828203081451 50 2.69158802907360 10 000 000 000 2.71828205323479 100 2.70481382942153 100 000 000 000 2.71828205335711 Consideremos los valores de la cuarta columna de la tabla; observemos en esta que, a medida que crece el valor de n, los primeros decimales comienzan a mantenerse fijos. Por ejemplo, en la tabla es posible ver que los cinco primeros decimales (71828) ya no cambian a partir de n 5 1000000. ¿Será cierto que estos decimales ya no cambiarán, aun si incrementamos ilimi- tadamente el valor de n? Podríamos pensar ingenuamente que estos decimales ya no cambiarán a medida que haga- mos crecer el valor de n, pero no podemos estar seguros de que así sea; quizá podrían ir cambian- do todos los decimales, aunque fuese de manera muy lenta. Son estas situaciones para las cuales acudimos al análisis matemático. Es aquí donde requerimos conocer con exactitud cómo es el sistema de los números reales y cómo se comportan los resultados de nuestros cálculos, con el fin de tener la certeza de que lo que estamos suponiendo está ocurriendo. Ciertamente, los decimales 71828 se mantendrán fijos “para siempre”; es decir, se mantendrán fijos para valores suficientemente grandes de n, sin importar cuánto hagamos crecer su valor. De hecho, los deci- males 71828 ya no se modifican a partir del valor n 5 743325, para el cual 1 1 743325 2 7182800000001098541 743325 1 ≈ . . Un hecho interesante es que la sucesión de números que se genera con la expresión a n n n = 1 1 1
- 45. Los números reales 27 crece conforme lo hace el valor de n, aunque también es cierto, como lo probaremos más adelante, que ninguno de estos números an rebasa el 3, no importa qué valor le demos a n. Basados en estos hechos, las propiedades de los reales nos garantizarán que la sucesión de números an tiende a un cierto número fijo, del cual sus primeros decimales son 71828. Llamaremos a este número: el límite de la sucesión que generamos con la expresión anterior. No es posible calcular el valor exacto de este, en el sentido de que es imposible determinar o conocer todos sus decimales. La existencia del límite de la sucesión está garantizada por las propiedades de los números reales. Esta es una de las razones por las cuales es importante estudiar los núme- ros reales. El número al cual tiende la sucesión de números an es muy importante en la matemática y se denota por la letra e. En simbología matemática, la definición del número e se expresa como e n n n lim → 1 1 . Como hemos comentado antes, el número e fue descubierto por Leonhard Euler, quien obtuvo hasta 23 decimales del mismo. e 5 2.71828182845904523536028… El número e es un número irracional y en la actualidad es posible calcular una gran cantidad de decimales para e y otros números irracionales con una computadora de escritorio. El número e será de gran importancia cuando estudie- mos funciones. Considerado el más destacado matemático e inventor griego, nació en la famosa ciudad de Siracusa; hijo del astrónomo Fidias. Estudió en la Universidad de Alejandría, donde tuvo como maestro a Conón de Samos (uno de los sucesores de Euclides). Durante la invasión a Siracusa, Arquíme- des inventó ingeniosas máquinas para apoyar la defensa. A él se le atribuye la creación de la catapulta de largo alcance y un sistema de espejos y lentes que concentraba los rayos solares para incendiar los barcos enemigos. Con sus trabajos científicos, Arquímedes hizo una aportación original a la matemática y a la física;abordan la geometría plana y del es- pacio, la aritmética, la mecánica, la hidrostática y la astronomía. En el campo de la mecánica, Arquímedes estableció la ley de la palanca y es considera- do el inventor de la polea compuesta y del tor- nillo sin fin, el cual servía para elevar el agua de un nivel a otro. Pero, su contribución más reconocida es el principio de la hidrostática, el cual lleva su nombre: Principio de Arquí- medes. No son menos notables sus trabajos acerca de la cuadratura del círculo y el descu- brimiento de la razón entre la circunferencia y su diámetro, la cual actualmente se designa con la letra griega p (pi). Arquímedes escribió más de 10 obras cien- tíficas, entre las que destacan: Primer libro de los equilibrios, Cuadratura de la parábola, Segundo libro de los equilibrios, Sobre la es- fera y el cilindro, Sobre las espirales, Sobre los conoides y los esferoides, Medida del círculo, Arenario, Los cuerpos flotantes y El tratado del método. La última es una bella obra que muestra el gran ingenio de Arquí- medes. En esta es donde se anticipa a las ideas del cálculo integral actual. Arquímedes (287-217 a.C.) El número p 1.10 La historia de p es interesante, fascinante, trágica y diver- tida. Está asociada con diversos episodios de la historia del hombre. El problema para hallar el valor de p fue motivo de una gran cantidad de trabajos que intentaron su cálcu- lo. Algunos de los trabajos sobre este número incidieron con fuerza en el avance y el desarrollo de las matemáticas en general.
- 46. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 28 Según los historiadores, el origen de p se remonta a la época de los babilonios y los egipcios. Uno de los documentos que dejaron constancia de su antigüedad es el papiro de Ahmes, también conocido como papiro Rhind o papiro de Rhind. Este documento, cuyas medidas aproximadas son 6 m de largo por 33 cm de ancho, se encuentra en el museo británico de Londres y se conserva en buen estado. Se halló en las ruinas egipcias ubicadas en Luxor, al centro-sur de Egipto, en el siglo xix y fue adquirido por el inglés Henry Rhind en 1858, de ahí su nombre. El papiro Rhind fue escrito por el escriba Ahmes, hacia el año 1650 a.C.; contiene 87 problemas matemáticos de aritmética, fracciones, cálculo de áreas y volúmenes, progresiones, repartos pro- porcionales, reglas de tres, ecuaciones lineales y trigonometría. Según los estudiosos de este papiro, también aparece la afirmación de que el área de un círculo es como la de un cuadrado cuyo lado es 8 9 del diámetro. Si traducimos esto a fórmulas, obtenemos que el área del círculo es A d r r r 5 5 5 8 9 64 81 2 64 4 81 2 2 2 2 ( ) ⋅ ≈ 3.16 Así que, hace unos 3 650 años ya se utilizaba la aproximación p 3.16. Hoy día, la constante p se asocia al notable científico griego Arquímedes, quien vivió en el siglo iii a.C. Arquímedes, también considerado el primer ingeniero de la humanidad por sus útiles trabajos de carácter práctico, en su breve, pero interesante, tratado de medida del círculo, prueba con gran ingenio los siguientes tres resultados acerca de este. a) Todo círculo es equivalente a un triángulo rectángulo, cuyos catetos sean iguales al radio y a la circunferencia del círculo. b) El área de un círculo es al cuadrado de su diámetro aproximadamente como 11 es a 14. c) La circunferencia de todo círculo es menor que tres veces el diámetro más 1 7 del mismo diámetro y es mayor que tres veces más 10 71 del diámetro. Traduzcamos la proposición a). En esta proposición Arquímedes establece una fórmula para el área del círculo. De esta proposición, se sigue que si r es el radio del círculo y L es la circunferencia (perímetro del círculo), entonces el área del círculo está dada por 1 2 Lr . Esta fórmula es válida aun cuando no conozcamos una para calcular la circunferencia L. Cualquier fórmula para L dará una fórmula para el área del círculo. Si asumimos que la circunferencia está dada por L 5 dp 5 2rp, entonces obtenemos la fórmula del área del círculo en términos de p: 1 2 2 rL r . Por otra parte, de la proposición b) obtenemos que si el círculo es de radio 1, su área p es al cuadrado de su diámetro d = 2, aproximadamente como 11 es a 14, es decir
- 47. Los números reales 29 2 11 14 2 . O sea 4 11 14 22 7 . Con lo que obtenemos la famosa aproximación de Arquímedes 22 7 . Por otra parte, la proposición c) se traduce en símbolos como 223 71 3 10 71 3 1 7 22 7 . Cualquiera de los extremos de esta doble desigualdad es una aproximación para p, y tenemos 223 71 22 7 Usando decimales, de las desigualdades anteriores obtenemos 3.140845070 , p , 3.142857143. La desigualdad de su proposición c), nos revela el hecho de que Arquímedes sabía muy bien que solo se podía aspirar a tener aproximaciones de p y no a su valor exacto.Algunos pueden no estar de acuerdo con esta apreciación, peroArquímedes era un genio, el descubrimiento y las demostraciones de muchísimas de sus proposiciones dan cuenta de ello. Si p hubiese sido un número racional, es seguro queArquímedes lo hubiera sabido y calculado. No es exagerado considerar aArquímedes como el padre de p, fue un protagonista importantísimo en la historia de esta constante. Como episodio trágico de la historia de p, podemos citar aquel que se relaciona con la muerte de Arquímedes, quien nació en Siracusa, Sicilia, en el año 287 a.C. Arquímedes pudo haber tenido un cargo importante por su parentesco con Hierón II, rey de Siracusa, sin embargo decidió dedicarse a la ciencias, estudiando en la universidad de Alejandría con los descendientes académicos de Euclides o quizá con Euclides mismo. Según Plutarco, historiador y biógrafo griego, autor de Vidas paralelas,* Arquímedes ofreció sus servicios al Rey Hierón para la defensa de su ciudad natal ante la invasión del general romano Marcelo. Arquímedes inventó las famosas catapultas y juegos de lentes y espejos con los que hundía y quemaba con los rayos solares las naves de los agresores. Sin embargo, los habitantes de Siracusa, quienes se sentían protegi- dos con la gran maquinaria de guerra de Arquímedes, descuidaron su defensa, por lo que los romanos ocuparon la ciudad. Narra Plutarco que estando Arquímedes reflexionando sobre al- gunas figuras geométricas, fue sorprendido por un soldado que le exigió lo acompañara con Marcelo, a quien sería entregado. Arquímedes le pidió al soldado que le diera tiempo mientras encontraba la solución del problema, a lo que el soldado enfurecido le respondió clavándole su espada para herirlo de muerte. Con este suceso se puso fin a la vida del gran genio Arquímedes. Marcelo despidió con desprecio al soldado que dio muerte a Arquímedes y cuenta Plutarco que buscó a los familiares de Arquímedes para tratarlos con aprecio y distinción. * Una versión en español puede conseguirse en la serie Sepan cuantos, de Editorial Porrúa, México.
- 48. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 30 1.10.1 Fórmulas notables para p y el cálculo de sus decimales Una etapa importante en la historia de p, la constituye el periodo cuando se desarrollaron los métodos de análisis matemático para llevar a cabo cálculos aproximados de p. Los recursos analíticos de los que disponían los calculadores de p, o que desarrollaron ellos mismos, fueron series y productos infinitos, relaciones trigonométricas y fracciones continuas. A continuación citamos algunos ejemplos de estas fórmulas, así como el número de decimales que los autores obtuvieron. Los lectores interesados en obtener más información al respecto, pueden consultar una serie de tres artículos dedicada a dar cuenta de estos acontecimientos, “The chronology of pi”, de Herman C. Schepler, publicados en la revista Mathematics Magazine, en 1950. A partir de aquí, haremos un recuento de las fórmulas notables para p, siguiendo una se- cuencia cronológica. 1579. Francois Vieta (1540-1603), matemático francés, fue el primero en usar un producto infinito 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 Siguiendo el método griego, considera polígonos con 6 · 216 5 393 216 lados y calcula nueve decimales correctos de p 5 3.141592653. 1650. John Wallis (1616-1703), matemático inglés, obtiene la interesante expresión 2 2 2 4 4 6 6 8 8 1 3 3 5 5 7 7 9 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ L L y la fracción continua 4 1 1 2 9 2 25 2 49 2 + L 1668. James Gregory (1638-1675), matemático escocés, aplica la serie de potencias arctan x x x x x 3 5 7 3 5 7 L y haciendo x 5 1, obtiene la serie 4 1 1 3 1 5 1 7 L (Estudiaremos la función arctan x más adelante.) 1673. Esta serie también es descubierta de manera independiente por el filósofo, abogado y matemático alemán Gottfried Wilhelm von Leibniz, quien también escribe dicha serie como 4 1 2 1 3 5 1 7 9 1 11 13 1 15 17 L
- 49. Los números reales 31 1690. Abraham Sharp (1651-1742), matemático inglés, calcula p con 72 decimales, resultan correctos 71. Este valor se obtiene mediante la serie del arctan x, tomando x 1 3 , la cual da 6 1 3 1 1 3 3 1 3 5 1 3 7 1 3 9 2 3 4 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ L . 1706. John Machin (1680-1752), de nacionalidad inglesa, usando la fórmula 4 4 1 5 1 239 arctan arctan y la serie de potencias para arctan x, obtuvo 100 decimales correctos de p. 1776. Hutton (1737-1823), nacido en Inglaterra, sugiere usar las fórmulas 4 1 2 1 3 arctan arctan y 4 5 1 7 2 3 79 arctan arctan . 1779. Leonhard Euler (1707-1783), de origen suizo, obtiene la fórmula 20 1 7 8 3 79 arctan arctan 1841. William Rutherford, de nacionalidad inglesa, usa la fórmula 4 4 1 5 1 70 1 99 arctan arctan arctan . Rutherford calcula 208 decimales de p, de los cuales 152 resultan correctos. 1844. Zacharias Dase (1824-1861), de Alemania, usa la fórmula 4 1 2 1 5 1 8 arctan arctan arctan para calcular 205 decimales p, de los cuales 200 resultan correctos. 1847. Thomas Clausen (1801-1885), de Alemania, usa la fórmula 4 2 1 3 1 7 4 1 5 1 239 arctan arctan arctan arctan para calcular 250 decimales p, de los cuales 248 fueron correctos. 1853. William Rutherford, de origen inglés, calcula 440 decimales de p, todos correctos. 1873. William Shanks (1812-1882), matemático inglés, usando la fórmula de Machin, calcula 707 decimales correctos.
- 50. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 32 1945. Ferguson descubre que hay errores a partir del decimal 528 de los 707 decimales que calculó Shanks en 1873. 1946. Ferguson publica 620 decimales. 1947. Ferguson, con la ayuda de una calculadora electrónica, encuentra 808 decimales. 1949. Con la ayuda de una computadora ENIAC, de la Armada de los Estados Unidos de América, Ferguson calculan 2035 decimales. El cálculo le lleva 70 horas, mientras que a Shanks le tomó 15 años hacer sus cálculos, para que de los 707 decimales, resultaran correctos solo 527. 1955. La computadora NORC es programada para calcular 3089 decimales. 1957. La computadora Pegasus, en Londres, calcula 7480 decimales. 1959. La IBM 704, instalada en París, Francia, calcula 7480 decimales. 1961. La IBM 7090, instalada en Nueva York, calcula 100000 decimales. 1966. Con la IBM 7030, instalada en París, es posible calcular 250000 decimales. 1967. Con la CDC 6600, en París, se calculan 500000 decimales. 1973. Con la CDC 7600, se calculan 1001250 decimales. 1986. Con una CRAY 2, se calculan 29 millones de decimales. 1989. Con la IBM 3090, se calculan 1000 millones de decimales. 2002. Con una Hitachi SR8000/MP, se calculan 1.2 trillones de decimales de p. En esta época moderna, de poderosos avances en la tecnología, aplicados a los equipos de cómputo, se han podido calcular varios miles de millones de cifras decimales de p. Hoy en día, además de contar con una gran cantidad de relaciones matemáticas que nos permiten calcular p, también disponemos de poderosas computadoras de escritorio o portátiles, con las cuales es posible, desde nuestra propia casa, calcular 10000 decimales de p en alrededor de un segundo y si somos pacientes y estamos dispuestos a esperar 90 segundos podemos calcular 100000 decimales. Por supuesto, con las supercomputadoras actuales es posible calcular varios miles de millones de decimales. 1.10.2 Fechas notables sobre p 1706. El matemático inglés William Jones (1675-1749) usa por primera vez la letra p para designar la razón de la circunferencia de un círculo a su diámetro. 1766. El físico, matemático y astrónomo alemán Johann Heinrich Lambert (1728-1777) prueba que p es irracional.
- 51. Los números reales 33 1794. El matemático francés Andrien Marie Legendré (1752-1833) utiliza en su libro Eléments de géométrie el símbolo p para representar la razón de la circunferencia al diámetro. Este es el primer libro de texto francés en el que se usa p de forma regular; en él apa- rece una prueba de la irracionalidad de p y de p2. 1882. El matemático alemán Ferdinand Lindemann (1840-1909) prueba que p es trascen- dente, es decir, no es raíz de ninguna ecuación algebraica con coeficientes enteros. Desde 1766 se sabe que p es un número irracional, lo que en particular significa que su expansión decimal es infinita no periódica, así que los intentos por conocer cada vez más decimales no obedecieron al hecho de descubrir algún periodo, al menos no para los matemáticos enterados. Sin embargo, todavía hacia finales del siglo xix hubo quienes afirmaban que habían encontrado el verdadero valor racional de p. Quizá, hoy en día, todavía haya quienes, esperando que Lindemann se haya equivocado y buscando la inmortalidad, intenten probar que p es racional o al menos algebraico. Usando técnicas del análisis matemático, se puede probar que la posibilidad de que p sea algebraico, equivale a que es posible cuadrar el círculo, es decir, dado cualquier círculo es posi- ble construir con regla y compás un cuadrado con la misma área del círculo dado. Por tanto, dado que en 1882 Lindemann demuestra que p no es algebraico, tenemos una prueba indirecta de que es imposible cuadrar el círculo. Este es uno de los famosos problemas griegos que perma- neció más de 2000 años sin resolver. Aún así, es probable que hoy en día haya quienes busquen cuadrar el círculo, como dijo H. Schubert en su libro The squaring of the circle (en español, La cuadratura del círculo): “la raza de los cuadradores de círculos no morirá en tanto la ignorancia y el deseo de gloria permanezcan unidos”. 1.10.3 Una definición analítica de p Hasta ahora sólo tenemos una definición geométrica de p. Una definición aritmética, o más bien, analítica requiere de conceptos que van más allá de la aritmética elemental y requiere del concepto de límite, el cual pertenece al terreno del cálculo. A reserva de establecer con toda la precisión y el rigor matemático que corresponde a un curso de cálculo universitario, lo cual ha- remos en el capítulo 4, en este momento analizaremos las ideas principales que permiten definir p analíticamente. Consideremos el círculo unitario y el polígono regular de n lados inscrito en este círculo. Sea ln la longitud del lado. El perímetro del polígono es entonces Pn 5 nln. A par- tir de este polígono regular de n lados, es fácil construir el polígono regular inscrito de 2n lados. Para cada lado tracemos el radio del círculo que pasa por su punto medio. De esta mane- ra, determinamos puntos sobre el círculo que, aunados con los vértices del polígono origi- nal, constituyen los vértices de un nuevo polígono inscrito de 2n lados, como se muestra en la siguiente figura A B C D l2n ln O E
- 52. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 34 Calculemos la longitud l2n del lado del polígono de 2n lados en términos de la longitud ln del lado del polígono de n lados. En la figura anterior, DABD es un triángulo rectángulo con hipote- nusa AB 5 2. Calculemos el área del triángulo DABD de dos maneras. La primera de ellas es tomando como base el cateto AD y altura el otro cateto que es l2n; en este caso, el área está dada por 1 2 (AD)l2n. Ahora bien, si tomamos como base la hipotenusa AB 5 2, la altura será la longi- tud del segmento DE, que es igual a 1 2 ln, y el área estará dada por 1 2 ( ) 2 2 2 l l n n 5 . Al igualar estas dos expresiones para el área, obtenemos 1 2 1 2 2 2 ( ) ( ) AD l l AD l l n n n n 5 5 . Por otra parte, del teorema de Pitágoras se sigue que AD l n 4 2 2 , de donde obtenemos l l l n n n 2 2 2 4 . La fórmula anterior nos permite calcular el lado ln del polígono de n lados cuando se conoce el lado del polígono de 2n lados. Nosotros requerimos el lado l2n en términos del lado ln, así que despejaremos l2n de la relación anterior que es una ecuación cuadrática en l2 2n: l l l l l l n n n n n n 2 2 2 2 2 2 4 2 2 2 4 4 0 ( ) − − + 5 5 . Resolviendo esta ecuación para l2 2n, tenemos l l l l l l n n n n n n 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 16 4 2 4 2 4 2 2 4 . Para elegir el signo correcto, notemos que el lado l2n no puede ser mayor que 2 , pues el cuadrado inscrito precisamente tiene por lado 2 . O 2
- 53. Los números reales 35 Así que la longitud de lado de cualquier polígono con mayor número de lados, es menor que 2 . Por tanto, en la fórmula anterior debemos elegir el signo negativo. O sea l l n n 2 2 2 4 . De esta fórmula podemos obtener, por ejemplo, el lado del octágono inscrito a partir del cuadrado cuyo lado mide 2 : l l l l 8 4 2 8 8 2 4 2 4 2 2 2 . El lado del dodecágono inscrito lo obtenemos a partir del hexágono cuyo lado mide 1: l l l l 12 6 2 12 12 2 4 2 4 1 2 3 . Por otra parte, de la fórmula l l l n n n 2 2 2 4 , podemos obtener el lado del pentágono a partir del lado del decágono, el cual mide l10 5 1 2 . Para obtener la longitud del lado del pentágono, observemos primero que l10 2 2 5 1 2 3 5 2 . de esta forma 4 4 3 5 2 5 5 2 10 2 l . Por tanto, la longitud del lado del pentágono está dada por l l l 5 10 10 2 4 5 1 2 5 5 2 ,
- 54. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 36 pero ( ) ( ) ( ) ( ) ( 5 1 5 5 5 1 5 1 5 5 1 5 1 5 1 5 5 1 5 1 ( ) 5 5 1 5 5 1 4 5 2 5 1 5 2 5 5 ) , de donde obtenemos finalmente l5 5 1 2 5 5 2 5 5 2 − . Esta es la longitud del lado del pentágono inscrito en el círculo de radio 1. Retornemos al cuadrado inscrito en el círculo unitario cuyo lado es l4 5 2 . A partir de este cuadrado y por el método de bisección de los lados, generamos los polígonos con número de lados 8, 16, 32…. Estos números son de la forma 2n. Aplicando recursivamente la fórmula l l n n 2 2 2 4 , obtenemos las longitudes de los lados correspondientes: l l l l l 4 8 16 8 2 32 2 2 2 2 4 2 4 2 2 2 2 2 2 ( ) 4 4 2 4 2 2 2 2 2 2 2 16 2 l ( ) . − = Se puede probar que en general se tiene l n n 2 2 2 2 2 … 2 raíces encajadas . Así que el perímetro del polígono de 2n lados está dado por P l n n n n n 2 2 2 2 2 2 2 2 … 2 raíces encajadas . Cuando n es grande, este perímetro se aproximará al perímetro del círculo unitario que definimos como 2p (definición de p). Como el límite geométrico de estos polígonos es la circunferencia del círculo unitario, diremos que el límite de estos perímetros es 2p y escribimos:
- 55. Los números reales 37 lim lim n n n n n P → → 2 2 2 2 2 2 … 2 raíces encaja adas 2. En el capítulo 4 precisaremos el concepto de límite; por el momento es suficiente con tener una idea intuitiva del mismo, aunque el ejemplo sirve para motivar y mostrar la necesidad de este concepto. Así que podemos adoptar como definición aritmética del número p el límite anterior, o mejor aún: Definición 1 El número p es el siguiente límite. lim n n n → − 2 2 2 2 1 … 2 raíces encajadas A título de resumen presentamos las definiciones de los números e, p y g: e n n n n n n lim lim → → − 1 1 2 2 2 2 1 … 2 raíc ces encajadas γ lim n→ 1 1 2 1 3 1 4 1 n n log En el capítulo 4 desarrollaremos, también, la teoría sobre sucesiones, con la cual probaremos que efectivamente existen estos límites.Ahora solo baste presentar valores aproximados de estos números: e 2.718281828 p 3.141592653 g 0.5772156649 Para finalizar esta sección dedicada a la historia de p, comentaremos sobre un episodio un tanto divertido. Se refiere a Edward Johnston Goodwin, aficionado a la física y matemáticas, quien vivía en una pequeña ciudad del condado de Posey, estado de Indiana, Estados Unidos de América, quien publicó en The American Mathematical Monthly, hacia 1894, un artículo con el título “Cuadratura del círculo”. En este, Goodwin obtuvo el valor 3.2 para p y aclara que había registrado su valor de 3.2 en los registros de propiedad intelectual de Estados Unidos de América, Gran Bretaña, Alemania, Francia, España, Bélgica y Austria. Lo interesante de este caso es que en 1896 Goodwin se reunió con Taylor I. Record, represen- tante del condado de Posey en el parlamento estatal de Indiana, para pedirle que llevara un proyecto de ley ante la Cámara Baja, la cámara de representantes de Indiana, con lo cual intentaba que se legislara el valor de p, que él había descubierto, con el fin de ofrecerlo como una contribu- ción a la educación y para que este resultado fuese utilizado sin costo alguno para el estado de Indiana. De esta forma, el resto de los estados deberían pagar los derechos de autor. El 18 de enero de 1897, Taylor presentó a la Cámara el “Proyecto de ley que introduce una nueva verdad
- 56. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 38 matemática”. Copias de este se conservan en la división de archivos de la biblioteca estatal de Indiana. El texto completo también fue reimpreso en un artículo de Edington, E., en el Proceedings of the Indiana Academy of Sciences, vol. 44, pp. 206-210, publicado en 1935. Después de pasar por el comité de educación, el proyecto fue turnado, a la Cámara Baja para su aprobación. El proyecto fue aprobado el 5 de febrero de 1897, por 67 votos a favor y ninguno en contra. Cinco días después, como muestra de la gran eficiencia los legisladores, el proyecto de ley es remitido a la Cámara del Senado, con la recomendación de que se aprobara. Por fortuna, mientras la Cámara Alta consideraba ese proyecto, coincidió que el profesor C. A, Waldo, catedrático de matemáticas en la universidad de Purdue, quien casualmente estaba en la cámara por un asunto de la universidad, quedó sorprendido al descubrir que ese mismo día se iba a debatir un proyec- to de ley sobre un tema matemático. En un artículo que escribió después, Waldo comentó: “Un exprofesor del este de Indiana de- cía: —El caso es muy simple. Si aprobamos este proyecto de ley que establece un nuevo y correc- to valor de p, el autor ofrece a nuestro estado, sin costo alguno, el uso de su descubrimiento y su libre publicación en nuestros libros de texto escolares, mientras que todos los demás estados deberán pagarle derechos de autor”. El proyecto fue aprobado en una primera instancia en el Senado, pero después de que el pro- fesor Waldo se entrevistó con algunos senadores, este órgano, en una segunda instancia, acordó posponer la discusión para una nueva sesión. A la fecha, este proyecto de ley está pendiente en la agenda del Senado del Estado de Indiana. Desigualdades 1.11 1.11.1 Definiciones básicas Los diversos tipos de desigualdades entre números reales y sus propiedades son fundamentales para el cálculo, pues estas se aplican con frecuencia en el estudio de funciones. Desde nuestra enseñanza básica trabajamos con nociones sobre desigualdades; por ejemplo, cuando comparamos dos números y determinamos que uno es menor o mayor que el otro, estamos hablando de desigualdades. Ahora precisaremos los diversos conceptos de desigualdad y estudiaremos sus propiedades más importantes. Que un número a sea menor que un número b significará que b2a es un número positivo, en cuyo caso escribiremos a b o b a. La expresión a b se lee a menor que b y la expresión b a se lee b mayor que a. Al símbolo le llamaremos símbolo menor que, mientras que a le llamaremos símbolo mayor que. Entonces cuando escribamos a b o b a deberemos entender que b2a es un número positivo. A las expresiones a b y b a las llamaremos desigualdades o relaciones de desigualdad. En el caso de a b, diremos que a es el miembro izquierdo de esa desigualdad y que b es el miembro derecho. Estas relaciones entre dos números son los tipos más simples de desigualdades entre números reales. Observemos que para definir las desigualdades a b y b a hemos recurrido a los números po- sitivos. Los números positivos son entonces el punto de partida para el estudio de las desigualdades y asumimos completa familiaridad con ellos, particularmente con las dos propiedades siguientes: i) La suma de dos números positivos es un número positivo. ii) El producto de dos números positivos es un número positivo.
- 57. Los números reales 39 Estas propiedades de los números reales positivos seguramente son una obviedad para el lector; sin embargo, es notable que todas las propiedades de las desigualdades se desprenden de estas muy simples de los números positivos. Aunado a estas dos propiedades utilizaremos otros hechos, que también podemos calificar de obvios, pero que hacemos explícitos para hacer transparentes nuestros argumentos: Hay tres categorías de números: la primera categoría consiste de los números positivos, la segunda de los negativos y la tercera que consiste de un solo elemento que es el cero. Todo número real pertenece a una y solamente una de las tres categorías; es decir, todo número real que no es cero, es positivo o es negativo, pero no ambos. Si un número a es positivo, entonces 2a es negativo. Si un número a es negativo, entonces 2a es positivo. Nota: La desigualdad b a significa que b 2 a es un real positivo, en particular la desigualdad b 0 significa que b 2 0 es positivo. Recíprocamente, si b es positivo, entonces b 2 0 es positivo, pero esto quiere decir que b 0. El razonamiento que hemos hecho prueba que la propiedad de que b sea positivo es equivalente a la desigualdad b 0: b es positivo si y solamente si b 0. 1.11.2 Propiedades fundamentales de las desigualdades Ahorainiciemosnuestrotratamientosobredesigualdades.Parainiciarestablecemostrespropiedades de la desigualdad a b que también se escribe b a: 1) Si a ambos miembros de una desigualdad a b se adiciona un mismo real, sea positivo o negativo, la desigualdad se preserva. Es decir: Si a b, entonces a1c b 1c para cualquier número c. 2) Si ambos miembros de una desigualdad a b se multiplican por un mismo número positivo, la desigualdad se preserva. Es decir: Si a b y c es cualquier número positivo, entonces ac bc. 3) Si ambos miembros de una desigualdad a b se multiplican por un mismo número negativo, la desigualdad se invierte. Es decir: Si a b y c es cualquier número negativo, entonces ac bc. Probemos la propiedad 1). Supongamos a b y sea c cualquier número real (positivo, negativo o cero). Por definición de a b tenemos que b2a es un número positivo. Para probar que se cumple la desigualdad a1c b1c, debemos probar que cumple con la definición de esta desigualdad, es decir, debemos probar que (b1c)2(a1c) es un número positivo. Pero esto es evidente, pues para cualquier número c tenemos (b1c)2(a1c) 5 b2a y por hipótesis b2a es positivo. Entonces (b1c)2(a1c) es un número positivo. Esto prueba la propiedad 1). Para la prueba de la propiedad 2) supongamos a b y c cualquier número positivo. Para probar que ac bc debemos mostrar que bc 2 ac es positivo. Pero que bc 2 ac es positivo, se deduce fácilmente de la factorización bc 2 ac = (b2a)c
- 58. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 40 y de la propiedad de que el producto de dos números positivos, en este caso b2a y c, son números positivos. Observe que estamos utilizando la hipótesis de que c es un número positivo y que b2a es positivo pues a b. Esto prueba la propiedad 2). Probemos ahora la propiedad 3). Supongamos a b y c cualquier número negativo. Entonces tenemos que b2a es positivo y como c es negativo entonces 2c es positivo. Por tanto, por la segunda propiedad de los números positivos tenemos que (b2a)(2c) es un número positivo. Pero (b2a)(2c) 5 2bc 1 ac 5 ac 2 bc Entonces ac 2 bc es un número positivo. Pero esto quiere decir que ac bc con lo cual queda probada la propiedad 3). Las propiedades 1), 2) y 3) ahora las formulamos para la desigualdad b a que es otra forma de escribir a b: 4) Si b a, entonces b 1 c a 1 c para cualquier número . 5) Si b a y c es cualquier número positivo, entonces bc ac. 6) Si b a y c es cualquier número negativo, entonces bc ac. Usemos las proposiciones 1) a 6) para resolver algunos problemas sobre desigualdades. Ejemplo 11 Determine los valores de x que satisfacen la desigualdad 2x 2 3 5. Este problema se resuelve en dos etapas. Probemos primero que si x es un real que satisface 2x 2 3 5, entonces x satisface x 4. Sea pues x un real que satisface 2x 2 3 5 Si adicionamos a ambos miembros de la desigualdad el número 3, obtenemos 2x 2 3 1 3 5 1 3 2x 8 Multipliquemos ambos miembros por 1 2 para obtener 1 2 2x 1 2 8 x 4 ( ) Hemos probado que si x es un real que satisface 2x 2 3 5, entonces x satisface x 4. Sin embargo, esto no es suficiente para afirmar que el conjunto de reales x que satisfacen 2x 2 3 5 son precisamente los que satisfacen x 4. Para poder hacer esta afirmación debemos probar además que si x satisface la desigualdad x 4. entonces también satisface 2x 2 3 5. La prueba de esto último es la segunda etapa de la solución del problema. Supongamos entonces que x es un real que satisface la desigualdad x 4 Si multiplicamos ambos miembros de esta desigualdad por 2, obtenemos 2x 8 Adicionemos 23 a ambos miembros de esta desigualdad, con lo que obtenemos 2x 2 3 8 2 3
- 59. Los números reales 41 Es decir 2x 2 3 5 Hemos probado que si x satisface x 4, entonces también satisface la desigualdad 2x 2 3 5. Analicemos la lógica de nuestro procedimiento. Primero probamos que si x es un real que satisface 2x 2 3 5, entonces x satisface x 4. Después probamos que si x satisface x 4, entonces también satisface 2x 2 3 5. Esto significa que las desigualdades 2x 2 3 5 y x 4 son equivalentes en el sentido de que toda solución de la primera desigualdad satisface la segunda y viceversa, todo real que satisface la segunda, satisface la primera. En otras palabras, ambas desigualdades tienen exactamente las mismas soluciones. Por tanto, podemos afirmar que los reales que satisfacen la desigualdad original 2x 2 3 5 son precisamente los reales x que satisfacen x 4. Por tanto, esta es la solución del problema. Ejemplo 12 Halle los reales x que satisfacen la doble desigualdad 28 3x 2 2 10 La doble desigualdad se traduce como sigue: x satisface 28 3x 2 2 10 si y solamente si x satisface 28 3x 2 2 y 3x 2 2 10 Por tanto, una manera de hallar las soluciones de la desigualdad 28 3x 2 2 10, es trans- formando las dos desigualdades 28 3x 2 2 y 3x 2 2 10 en dos desigualdades equivalentes respectivamente. Usando un procedimiento similar al del ejemplo anterior, es fácil probar que: a) la desigualdad 28 3x 2 2 es equivalente a la desigualdad 2 2 x b) la desigualdad 3x 2 2 10 es equivalente a la desigualdad x 4 Las pruebas de estas equivalencias las dejamos al lector. Entonces, tenemos la siguiente equivalencia x satisface 28 3x 2 2 10 si y solamente si x satisface 22 x y x 4. Pero también tenemos x satisface 22 x y x 4 si y solamente si x satisface 22 x 4. Por tanto, podemos escribir x satisface 28 3x 2 2 10 si y solamente si x satisface 22 x 4. Esta última afirmación es la solución del problema. Es decir, el conjunto de reales x que satisfacen la desigualdad 28 3x 2 2 10 es el conjunto de reales que satisfacen 22 x 4. La transformación de la desigualdad 28 3x 2 2 10 en la desigualdad equivalente 22 x 4 podemos llevarla a cabo sin separar la doble desigualdad en dos desigualdades simples como sigue: partimos de la desigualdad 28 3x 2 2 10
- 60. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 42 Adicionamos 2 a todos los miembros (izquierdo, derecho e intermedio), con lo que obtenemos 26 3x 12 Si multiplicamos todos los miembros por 1 3 obtenemos finalmente la doble desigualdad que nos muestra la solución 22 x 4 La equivalencia entre las dos dobles desigualdades está garantizada, ya que los pasos de la transformación que aplicamos son reversibles; es decir, si partimos de la última desigualdad multiplicamos por 3 todos los miembros de la desigualdad y sumamos 22 a los tres miembros, obtenemos la desigualdad original. En términos simbólicos escribimos 28 3x 2 2 10 ⇔ 26 3x 12 ⇔ 2 2 x 4 1.11.3 Más propiedades de las desigualdades Veamos algunas propiedades más de las desigualdades. 7) a b y b c entonces a c. Esta proposición la llamaremos propiedad transitiva de la desigualdad . Probemos 7). Como a b tenemos que b 2 a es positivo. Como b c, tenemos que c 2 b es positivo. Aplicando la propiedad (i) de los números positivos, tenemos entonces que la suma de los números positivos b 2 a y c 2 b es un número positivo, pero esta suma es (b 2 a) 1 (c 2 b) 5 c 2 a Entonces c 2 a es positivo, pero esto quiere decir que c a. Hemos probado la propiedad 7). 8) Si a y b son reales positivos, tales que a b entonces a2 b2 Probemos 8). Por una parte, como a es positivo y a b, por la propiedad 2) de las desigualdades tenemos aa ab a2 ab. Por otra parte, como b es positivo y a b, por la misma propiedad 2) tenemos ba bb ab b2. Hemos probado las desigualdades a2 ab y ab b2; por tanto, usando la propiedad transitiva 7), obtenemos finalmente a2 b2. Una versión un poco diferente de la propiedad 8 es la siguiente 8*) Si 0 a b entonces a2 b2. Veamos ahora una propiedad similar a la propiedad 8) 9) Si a y b son reales positivos, tales que a b, entonces a b .
- 61. Los números reales 43 Prueba de 9). Si fuese falso a b , entonces necesariamente tendríamos a = b o b a . La igualdad no puede ser, pues en ese caso tendríamos a = b. Tampoco puede ser cier- to b a , ya que por la propiedad 8) tendríamos b a lo que contradiría la hipótesis, por tanto, se debe tener a b . De la propiedad 9) también se tiene 9*) Si 0 a b entonces a b Finalizamos esta sección con la siguiente propiedad: 10) Si a y b son reales positivos, tales que a b, entonces 1 1 b a , . Prueba de 10). Esta propiedad se prueba multiplicando ambos miembros de a b por 1 ab . Los números enteros nos permite medir segmentos cuyas longitudes son múltiplos enteros de una unidad dada (las mediciones son relativas a una unidad convenida). 1 unidad n unidades Por otra parte, los números racionales nos permiten medir segmentos cuyas longitudes son múltiplos enteros de la unidad, más fracciones de la unidad. 1 unidad División en q partes n unidades p 1 q Desde un punto de vista práctico, se puede decir que para resolver los problemas de medición de longitudes son suficientes los números racionales; pero, desde un punto de vista teórico, estos son insuficientes.Porejemplo,losgriegosyasabíanqueparacualquiereleccióndelaunidaddelongitud, era imposible medir la hipotenusa de cualquier triángulo rectángulo de catetos iguales y cuyas longitudes fuesen un número entero n de unidades. Esta imposibilidad se da, aun considerando las fracciones enteras de la unidad, es decir, aun considerando los números racionales. Los números reales. Una reflexión 1.12
- 62. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 44 Ahora, nuestro sistema de números nos permite asignar el valor 2n a la longitud de la hi- potenusa. Como podemos intuir, hay una infinidad de segmentos cuya longitud no es posible medir utilizando solo números racionales. Por ejemplo, la hipotenusa del triángulo rectángulo cuyos catetos son 1 y 2, tampoco se puede medir usando solo racionales; con nuestro sistema de números, ahora decimos que la hipotenusa mide 5 . En general, para medir cualquier seg- mento es necesario acudir a los números reales, con los cuales es posible hacerlo. Esta es una de las principales virtudes de los reales: nos permiten medir la longitud de cualquier segmento de recta. O A Otra manera de expresar esta propiedad, es diciendo que es posible poner a los números reales en correspondencia con todos los puntos de la recta infinita. Esto no ocurre con los números ra- cionales, ya que estos no se pueden poner en correspondencia con los puntos de la recta infinita. Cuando ubicamos los racionales en la recta infinita, es decir, cuando asignamos todos los racionales a los puntos de la recta, quedará una infinidad de puntos sin asignárseles algún ra- cional. Es aquí donde entran los irracionales, con los cuales se completa la asignación y quedan cubiertos todos los puntos de la recta. En este sentido, los números reales (racionales e irracionales) son un sistema completo. Además de que los reales son suficientes para cubrir todos los puntos de la recta física, ocurre también que no queda un real sin ser asignado. En esta asignación, se agotan los puntos de la recta y se agotan los números reales. Esto es lo que se quiere expresar cuando se dice que los reales se ponen en correspondencia con los puntos de la recta. En matemáticas se dice que los reales y los puntos de la recta se ponen en correspondencia uno a uno. Si todos los racionales los asignamos a puntos de la recta, habrá una infinidad de puntos que no tengan algún racional asignado, un hecho que resulta difícil de comprender es que esta infinitud de puntos que no tienen asignados racionales es mayor que la de puntos de la recta a los cuales se les han asignado los racionales. Con base en la teoría de los “conjuntos infinitos”, desarrollada por el famoso matemático alemán George Cantor, no todos los infinitos son iguales; hay unos más grandes que otros. Desde el punto de vista de esta teoría, la cantidad infinita de irracionales es mayor que la cantidad infinita de racionales, que son los números que mejor cono- cemos. En este sentido, se puede decir que hay más irracionales que racionales. Siendo la infinitud de los irracionales mayor que la de los racionales, surge una interesante pregunta: ¿qué son los números irracionales?, la cual nos lleva a otra: ¿qué son los números rea- les? No obstante que hay una infinidad de números irracionales, apenas conocemos algunos de ellos. Además, carecemos de una definición de los números reales, a nos ser la de las expansio- nes decimales. Pero, requerimos una definición de otra naturaleza, pues muchos de los núme- ros irracionales que hemos ido conociendo, no se nos presentaron a través de sus expansiones n n ?
- 63. Los números reales 45 decimales. La aritmética con los reales no la llevamos a cabo usando las expansiones decima- les, por cierto, infinitas. Además, aún no hemos precisado el concepto de expansión decimal, ni mucho menos tenemos reglas aritméticas para operarlas. Las expansiones decimales son una representación de los reales; en la práctica nos auxilia- mos de expansiones decimales finitas para llevar a cabo cálculos aritméticos, pero las expansio- nes decimales finitas son aproximaciones de los reales. Si hacemos una reflexión sobre cómo es que adoptamos los números reales y trabajamos con ellos, llegaremos a la conclusión de que aceptamos su existencia casi por decreto. Vale de- cir que asumimos su existencia y que operamos con ellos a través de sus propiedades, mismas que aceptamos en calidad de postulados. 1.12.1 A manera de resumen Los números reales constituyen un conjunto de objetos dotados de las mismas propiedades arit- méticas o algebraicas que los números racionales. Los reales también gozan de las propieda- des de las desigualdades, como las que tienen los racionales. Sin embargo, los reales tienen la ventaja sobre los racionales de que son suficientes para asignarlos a todos los puntos de la recta infinita. A cada punto de la recta infinita, le queda asignado un número real y no hay reales que no sean asignados; en esta asignación se agotan, simultáneamente, puntos y reales. La recta interpretada así, la llamaremos recta real. Entonces, la recta real es una recta física ideal que tiene asignado un número real a cada uno de sus puntos. Los reales “cubren” toda la recta. Debido a que esta es un objeto físico idealmente continuo, diremos que los reales son un sistema conti- nuo de números. Una respuesta “simple”, pero profunda, a la pregunta, ¿qué son los números reales?, es: El sistema de los números reales es un campo ordenado continuo. Cuando se dice que el sistema de los números reales es un campo, se quiere decir que la suma y la multiplicación entre ellos tienen propiedades algebraicas, como las tienen la suma y la multiplicación de los racionales. Cuando se dice que el campo de los reales es ordenado, se quiere decir que en este existe el concepto de desigualdad con todas las propiedades antes expuestas y, finalmente, cuando se dice que es un campo ordenado continuo, podemos entender, por el momento, que es posible poner los reales en correspondencia uno a uno con los puntos de la recta física, que idealmente es un continuo. Que la recta sea un continuo significa que idealmen- te no tiene interrupciones o agujeros. En el capítulo 4, expresaremos en términos puramente aritméticos (no geométricos) lo que significa que los reales sean un continuo. Valor absoluto 1.13 1.13.1 Definición y propiedades del valor absoluto El valor absoluto desempeña un papel muy importante en el cálculo diferencial; por ejemplo, nos permite cuantificar la proximidad que pueden tener dos números, la cual llamaremos distan- cia entre los números. El concepto de distancia entre números es la base para hablar de límites, lo cual, a su vez, es fundamental para el importantísimo concepto de derivada. El valor absoluto de
- 64. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 46 un número real x, positivo o negativo, es el número desprovisto de su signo; en términos precisos, lo definimos como sigue. Definición 2 El valor absoluto de un real x, que denotaremos por uxu, es uxu 5 2x si x , 0 x si x $ 0 678 Por ejemplo u3u 5 3, u25.1u 5 5.1. Observemos que el valor absoluto de un número es no negativo, de hecho, a excepción de x 5 0, el valor absoluto uxu siempre es positivo. De esto se sigue que x # uxu y 2 x # uxu para todo real x. Por tanto 2 uxu# x # uxu para todo real x. También se sigue directamente de la definición que ux2u 5 x2 y uxu2 5 x2 para todo real x. Por otra parte, tenemos que si x es cualquier número real y r es un real positivo, la condición uxu , r es equivalente a la doble desigualdad 2r , x , r. Esta equivalencia entre ambas expresiones la utilizaremos más adelante. A continuación establecemos algunas de las propiedades más importantes del valor absoluto. Teorema El valor absoluto tiene las siguientes propiedades: 1. Para todo real x se tiene uxu $ 0. Además, u0u 5 0 y x 5 0 es el único real x que cumple uxu 5 0. 2. Para todo real x, se tiene u2xu 5 uxu. 3. Para cualesquiera reales x, y, se tiene uxyu 5 uxuuyu. 4. Para cualesquiera reales x, y, con y 0, se tiene x y x y 5 . 5. Para cualesquiera reales x, y, se cumple la desigualdad ux 1 yu # uxu 1 uyu, conocida como desigualdad del triángulo. 6. Para cualesquiera reales x, y, se cumple uxu 2 uyu # ux 2 yu y uyu 2 uxu # ux 2 yu o sea uuxu 2 uyuu # ux 2 yu. Demostración Los incisos 1 y 2 son evidentes. Prueba del inciso 3. Supongamos x $ 0 y y $ 0. Entonces xy $ 0, por tanto uxyu 5 xy. Además, también tenemos uxu 5 x y uyu 5 y. Por tanto, en este caso uxyu 5 xy 5 uxuuyu. Supongamos ahora x # 0 y y # 0. En este caso, también uxyu 5 xy, pues xy $ 0. Por otra parte, uxu 5 2x y uyu 5 2y, de
- 65. Los números reales 47 donde uxuuyu 5 (2x)(2y) 5 xy. Por tanto, también tenemos uxyu 5 xy 5 uxuuyu. Para completar todos los casos supongamos uno de los dos x o y mayor o igual a cero y el otro negativo, por ejemplo x $ 0 y y , 0. En este caso xy # 0, por lo tanto uxyu 5 2xy 5 x(2y) 5 uxuuyu. Esto prueba el inciso 3. La prueba del inciso 4 es similar a la anterior y se deja como ejercicio para el lector. Prueba del inciso 5. Por una parte, tenemos ux 1 yu2 5 (x 1 y)2 5 x2 1 2xy 1 y2 5 uxu2 1 2xy 1 uyu2 Además, como xy # uxyu 5 uxuuyu tenemos uxu2 1 2xy 1 uyu2 # uxu2 1 2uxuuyu 1 uyu2 5 (uxu 1 uyu)2. De donde obtenemos ux 1 yu2 # (uxu 1 uyu)2. Como ux 1 yu $ 0 y uxu 1 uyu $ 0, podemos concluir ux 1 yu # uxu 1 uyu. Esto prueba la desigualdad del triángulo. Para probar el inciso 6) hagamos uxu5 ux 2 y 1 yu # ux 2 yu 1 uyu. Luego uxu 2 uyu # ux 2 yu. La otra desigualdad se prueba de manera similar. 1.13.2 Fórmula algebraica para el valor absoluto x x = 2 Si a es un real positivo, una raíz cuadrada de a es por definición cualquier real r que cumpla r2 5 a. Es un hecho que todo real positivo tiene dos raíces cuadradas, una es positiva y otra negativa, por ejemplo 3 y 23 son raíces cuadradas de 9 pues 32 5 9 y también (23)2 5 9. Si a es un real positivo, se conviene en denotar por a la raíz cuadrada positiva de a, así que a siempre será un número positivo, esta es una convención que se hace en matemáticas. Si x es cualquier real diferente de cero, sabemos que x2 es un real positivo, ya sea que x sea positivo o sea negativo. Nos preguntamos ahora por el valor de x2 . Por definición, x2 es un real positivo r tal que r2 5 x2. Si x 0, entonces r 5 x es un real positivo que satisface r2 5 x2, así que en este caso x x 2 = . Si x 0, entonces r 5 2x es un real positivo que satisface r2 5 (2x )25 x2, por tanto, en este caso x x 2 = 2 . Si comparamos con la definición del valor absoluto x x 5 2 , concluiremos entonces que en cualquier caso x x 2 = . Esta fórmula para el valor absoluto de un real será de mucha utilidad en el futuro. Usando la fórmula x x 5 2 , podemos abreviar algunas demostraciones; por ejemplo, tenemos xy xy x y x y x y 5 5 5 5 ( ) . 2 2 2 2 2
- 66. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 48 También tenemos x y x y x y x y x y 5 5 5 5 2 2 2 2 2 . Intervalos, vecindades y distancias 1.14 1.14.1 Diversos tipos de intervalos Para el estudio de las funciones, con frecuencia recurriremos a los intervalos que son subconjun- tos de los reales. Los hay de diversos tipos, algunos de los cuales son de especial importancia en el análisis de las funciones. A continuación describimos las diferentes clases de intervalos. • Si a y b son dos números reales con a , b, el intervalo abierto (a, b) consiste de todos los reales x que satisfacen a , x , b. • Si a es un número real, el intervalo abierto (a, 1`) consiste de todos los reales x que satisfacen a , x. • Si b es un número real, el intervalo abierto (2`, b) consiste de todos los reales x que satisfacen x , b. • Si a y b son dos números reales con a # b, el intervalo cerrado [a, b] consiste de todos los reales x que satisfacen a # x # b. • Si a es un número real, el intervalo cerrado [a, 1`) consiste de todos los reales x que satisfacen a # x. • Si b es un número real, el intervalo cerrado (2`, b] consiste de todos los reales x que satisfacen x # b. • Si a y b son dos números reales con a , b, los intervalos semiabiertos o semicerrados, [a, b) y (a, b], están definidos, respectivamente, por las desigualdades a # x , b y a , x # b. Observemos que un intervalo cerrado de la forma [a, a] consiste solo del punto a. Algunas veces, hablaremos del intervalo abierto (a, a), lo cual significa el conjunto vacío. Estos intervalos los llamaremos intervalos degenerados. 1.14.2 Distancia entre dos reales Ahora veamos el concepto de distancia entre dos reales. Si x y y son dos números reales, el valor absoluto de su diferencia ux 2 yu, representa la distancia entre los puntos de la recta real
- 67. Los números reales 49 correspondientes a los reales x y y, respectivamente. La distancia se asigna a pares de puntos, los cuales son entes geométricos, pero también vamos a referirnos a ux 2 yu como la distancia entre los reales x y y. Definición 3 Si x y y son dos reales cualesquiera, la distancia de x a y se define como d(x, y) = ux 2 yu. En el siguiente teorema establecemos las propiedades más importantes de este concepto distancia. Teorema Sean x, y y z reales cualesquiera. Entonces se cumple 1) ux 2 yu $ 0 2) ux 2 yu 5 uy 2 xu 3) ux 2 yu # ux 2 zu 1 uz 2 yu La desigualdad 3) es conocida como desigualdad del triángulo para la distancia. Los tres incisos también se escriben: d(x, y) 0, d(x, y) 5 d(x, y) y d(x, y) # d(x, z) 1 d(z, y) Demostración La prueba se sigue inmediatamente de las propiedades del valor absoluto. Probemos el inciso 3). ux 2 yu 5 u(x 2 z) 1 (z 2 y)u # ux 2 zu 1u(z 2 yu. 1.14.3 Intervalo abierto con centro x0 y radio r . 0 Sean x0 un número real cualquiera y r . 0. El intervalo abierto con centro x0 y radio r . 0 es el intervalo (x0 2 r, x0 1 r), que consiste de todos los reales x que satisfacen la desigualdad x0 2 r , x , x0 1 r. Esta desigualdad también se escribe 2r , x 2 x0 , r, la cual equivale a la desigualdad ux 2 x0u , r. Entonces tenemos que el intervalo abierto (x0 2 r, x0 1 r) con centro x0 y radio r . 0 con- siste de los puntos x que satisfacen la desigualdad ux 2 x0u , r. En otras palabras, consiste de los puntos x cuya distancia a su centro x0 es menor que r. La equivalencia de las tres desigualdades anteriores es tan importante que merece se con- signe en una proposición.
- 68. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 50 Proposición Si x0 es cualquier real y r es positivo, entonces las siguientes desigualdades son equivalentes entre sí: a) x0 2 r , x , x0 1 r b) 2r , x 2 x0 , r c) ux 2 x0u , r Dicho de otra manera, cualquiera de las desigualdades anteriores puede usarse para caracterizar los puntos del intervalo (x0 2 r, x0 1 r). Los intervalos abiertos de la forma (x0 2 r, x0 1 r) son muy socorridos en pruebas de teore- mas de cálculo, sin embargo, todo intervalo abierto (a, b) puede verse como un intervalo de esta forma, con centro el punto x a b 0 2 y radio r b a 2 . a b 2 a b 2 b a Ahora vemos el concepto de vecindad de un punto. Sea x0 un número real, una vecindad abierta de x0 es cualquier intervalo abierto (a, b) que lo contenga; el punto x0 no necesariamente es el centro de la vecindad (a, b), aunque ciertamente puede serlo. Es una obviedad que cualquier intervalo abierto (a, b) es una vecindad abierta de cualquiera de sus puntos. Por ejemplo, el intervalo abierto (0, 1) es una vecindad abierta de 1 2 , pero también es una vecindad abierta de 1 3 y 1 4 . El intervalo abierto (0, 1) es vecindad abierta de cualquier real 0 , x0 , 1. A un intervalo de la forma (x0 2 r, x0 1 r) le llamaremos vecindad abierta de x0 de radio r. Esta terminología nos ayudará a hacer más fluida la redacción de las demostraciones. Nota: Ya hemos visto que la desigualdad uxu , r, donde r es un real positivo es equivalente a la dobledesigualdad2r,x,r.Ahoraveamoscómosetraduceladesigualdaduxu. r.Supongamos x un real que satisface uxu . r. Si x es positivo entonces tenemos x 5 uxu . r. Si x , 0, entonces 2x 5 uxu . r, es decir x , 2r. Recíprocamente, supongamos x un real positivo tal que x . r, entonces ciertamente se cumple uxu . r. Por otra parte si x , 2r entonces 2x . r, es decir, también se cumple uxu . r. Se sugiere al lector que reflexione cuidadosamente sobre el razonamiento que hemos realizado, con el cual probamos la siguiente afirmación: Sea r . 0, entonces x ∈ ¡ satisface uxu . r si y solamente si x r o bien x , 2r. Dicho en otras palabras x ∈ ¡ satisface ux u . r si y solamente si x ∈ (2∞, 2r) ∪ (r, 1 ∞). En resumen: si r es un real positivo, entonces a) El conjunto de reales que satisfacen uxu , r es el intervalo abierto (2r, r) cuyos elementos también se describen con la desigualdad 2r , x , r. b) El conjunto de reales que satisfacen uxu . r es la unión de intervalos abiertos (2∞, 2r) ∪ (r, 1 ∞) cuyos elementos también se describen con la disyunción de las desigualdades x r o bien x , 2r.
- 69. Los números reales 51 Para finalizar este capítulo estudiaremos desigualdades cuadráticas, es decir, desigualdades como x2 2 5x 1 6 0 o x2 2 x 1 1 $ 7. Las desigualdades que estudiaremos tienen la siguiente forma ax2 1 bx 1c d o bien ax2 1 bx 1c # d, donde a, b, c, y d son reales cualesquiera con a ≠ 0. Sin embargo dado que toda desigualdad de la forma ax2 1 bx 1 c d, puede escribirse en la forma (2a)x2 1 (2b)x 1 (2c) 2d y toda desigualdad ax2 1 bx 1 c $ d también se escribe como (2a)x2 1 (2b)x 1 (2c)# 2d, será suficiente estudiar las desigualdades ax2 1 bx 1 c , d y ax2 1 bx 1c # d. Cualquiera de estas desigualdades la llamaremos desigualdad cuadrática. Un real x que satisface una desigualdad cuadrática la llamaremos una solución de la misma. En esta sección aprendere- mos un método para encontrar todas las soluciones de cualquier desigualdad cuadrática, cuando tales soluciones existen. El método también permitirá determinar los casos de las desigualdades para las cuales no existe solución. Ejemplo 13 Antes de estudiar la desigualdad cuadrática general, iniciemos con la desigualdad simple x2 , 1. Unpocodereflexiónnosllevaráaconcluirqueelconjuntoderealesquesatisfacenestadesigualdad es el intervalo abierto (21, 1) 5 {x ∈ ¡ u 21 , x , 1}. Probemos que efectivamente este intervalo es el conjunto de reales x que satisfacen x2 , 1. Primero osbservemos que los reales x que satisfacen 21 , x , 1 son los que satisfacen la desigualdad uxu , 1, por lo tanto el intervalo abierto (21, 1) también podemos expresarlo como (21, 1) 5 {x ∈ ¡ u uxu , 1}. La justificación de que el intervalo abierto (21, 1) es el conjunto de soluciones de la desigualdad x2 1 se basa en dos propiedades importantes de las desigualdades: i) Si 0 # a , b entonces 0 # a b . ii) Si 0 # c , d entonces 0 # c2 , d2. También requiere del hecho de que x x 2 = para todo real x y de la prueba de las siguientes implicaciones: 1) Si a ∈ ¡ satisface a2 , 1, entonces satisface uau , 1. y también 2) Si a ∈ ¡ satisface uau , 1, entonces satisface a2 , 1. Las implicaciones se expresan en forma breve como a2 , 1 ⇒ uau , 1 y uau , 1 ⇒ a2 , 1 La desigualdad cuadrática ax2 1 bx 1 c d 1.15
- 70. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 52 Probemos pues estas dos implicaciones. Supongamos que a satisface a2 , 1. Al extraer raíz cuadrada a ambos miembros, obtenemos de la propiedad enunciada en el inciso i) 0 1 0 1 0 1 a a a 2 2 Con esto hemos probado que si a satisface a2 , 1 entonces satisface uau 1. Recíprocamente, supongamos ahora que a satisface uau 1, entonces elevando al cuadrado ambos miembros obtenemos de la propiedad ii): 0 # uau , 1 0 # uau2 , 12 0 # a2 , 1 Lo que hemos probado también se expresa diciendo que las desigualdades x2 , 1 y uxu 1 son equivalentes, lo cual significa: Toda solución de x2 , 1 es solución de uxu 1 y viceversa, toda solución de uxu 1 es solución de x2 , 1. Una manera breve de formular esta equivalencia es x satisface x2 , 1 ⇔ x satisface uxu 1. Dado que el conjunto de reales x que satisfacen la desigualdad uxu , 1 es el intervalo (21, 1), hemos probado que el conjunto de soluciones de la desigualdad x2 , 1 es este intervalo. Quizás a algunos lectores les parezca innecesario la larga la demostración, pues tal vez piensen que bastaría escribir la cadena de desigualdades x x x 2 1 1 1 y ya que la última de las desigualdades equivale a la doble desigualdad 21 , x , 1, con ello terminaría la prueba. Pero esto es incorrecto, pues la secuencia de las tres desigualdades anteriores corresponde solo a la implicación x2 , 1 ⇒ uxu , 1 Sin embargo se requiere probar la implicación recíproca. Ninguna de ellas por sí sola es suficiente para probar la equivalencia de las desigualdades x2 , 1 y uxu , 1. 1.15.1 Una nota sobre el razonamiento aplicado en el ejemplo 13 Para poder afirmar que las soluciones de la desigualdad x2 , 1 son las dadas por la desigualdad uxu 1, hemos insistido en la necesidad de probar las dos implicaciones x satisface x2 , 1 ⇒ x satisface uxu , 1 y x satisface x2 , 1 ⇐ x satisface uxu , 1
- 71. Los números reales 53 Este tipo de razonamiento se aplica también, por ejemplo, a sistemas de ecuaciones o a otro tipo de ecuaciones o desigualdades. Es importante comprender que no es suficiente deducir o transformar la ecuación original, mediante operaciones algebraicas, a otra ecuación de la cual podamos obtener fácilmente el valor o los valores de la incógnita, sino que debemos garantizar que la solución o solu- ciones obtenidas de la ecuación simplificada son las soluciones de la ecuación o desigualdad original. Una manera de garantizar que los valores de la incógnita obtenidos son soluciones de la ecua- ción original es verificar que ciertamente lo son mediante una simple sustitución, sin embargo, no es necesaria esta verificación si se garantiza que la ecuación simplificada y la original son equiva- lentes. En cierto sentido se trata de garantizar que el proceso inverso de transformación también es válido. Esto es lo que hemos hecho con nuestro ejemplo simple. Para comprender mejor lo anterior veamos el siguiente ejemplo. Consideremos la ecuación x + x2 4 1 . A continuación presentamos una secuencia de operaciones que realizamos sobre esta ecuación con el propósito de hallar la solución o soluciones. Sugerimos que el lector se convenza de que todos los pasos algebraicos aplicados son totalmente válidos: x + x x x x x x x x 2 2 2 2 4 1 4 1 4 1 4 1 4 ( ) 2 2 2 1 5 5 2 2 2 x x x Sin embargo, si reemplazamos el valor x5 5 2 en el miembro derecho de la ecuación original, obtenemos 4 16 1 5 2 25 4 5 2 25 4 5 2 9 4 5 2 3 2 4 Esto significa que el valor obtenido x5 5 2 no es solución de la ecuación original. Esta aparente paradoja se debe a que alguno de los pasos en el proceso algebraico (todos válidos) que nos condujo al valor x5 5 2 no es reversible. Se invita al lector a que descubra cuál o cuáles pasos son no reversibles. El método para el caso general de la desigualdad cuadrática consiste en convertir la des- igualdad dada en una equivalente, solo así podemos garantizar que las soluciones de la nueva desigualdad son las soluciones de la desigualdad cuadrática original. Ejemplo 14 La siguiente desigualdad ilustra el caso de las desigualdades que no tienen solución x2 2 2x 1 1 0.
- 72. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 54 En efecto, el miembro derecho puede escribirse como x2 2 2x 1 1 5 (x21)2, así que la desigualdad se escribe como (x21)2 0. Dado que el cuadrado de cualquier número real es no negativo, entonces para todo real x se tiene (x21)2 $ 0, así que no existe un real x que satisfaga (x21)2 0. Esto prueba que la desigualdad no tiene solución. Los razonamientos que hicimos en el tratamiento de los dos ejemplos anteriores va a prevale- cer en el método que utilizaremos para hallar las soluciones de cualquier desigualdad cuadrática, el cual exponemos a continuación. 1.15.2 Método para hallar las soluciones de la desigualdad cuadrática general Consideremos ahora la desigualdad cuadrática general ax2 1 bx 1 c d, donde a, b, c y d son reales cualesquiera, con a 0. El método para hallar las soluciones cuando estas existen, consiste en transformar la desigualdad dada en una de la forma (x 1 a)2 b o bien de la forma (x 1 a)2 b, donde a y b son números reales, positivos, negativos o cero. La transformación la llevaremos a cabo mediante la conocida técnica de completar cuadrados. Para dar inicio al procedimiento, dividamos ambos miembros de la desigualdad por a, que por hipótesis es diferente de cero, con lo que obtenemos x b a x c a d a a x b a x c a d a a 2 2 1 1 1 1 si si 0 0 Supongamos primero el caso a 0. Entonces tenemos las siguientes desigualdades, cada una es consecuencia de la que le precede x b a x c a d a x b a x b a c a d a 2 2 2 2 ( b b a x b a d a b a c a 2 4 2 2 2 2 ) Para el caso a 0, hemos transformado entonces la desigualdad ax2 1 bx 1 c d en la desigualdad x b a d a b ac a 2 2 2 4 4 . Esto lo sintetizamos como a 0, ax2 1 bx 1 c d ⇒ x b a d a b ac a 2 2 2 4 4 La implicación recíproca también es cierta, pues todos los pasos de la cadena de desigualdades son reversibles, es decir, también es cierta a 0, x b a d a b ac a ax bx c d ⇒ 2 2 2 2 4 4 Si hacemos b a d a b ac a y 2 2 4 4 obtenemos la forma de la desigualdad anunciada (x 1 a)2 b
- 73. Los números reales 55 Si b # 0, entonces esta desigualdad no tiene solución, pues (x 1 a)2 $ 0 para toda x ∈ ¡. Por tanto, la desigualdad original tampoco tiene solución, ya que ambas desigualdades ax2 1 bx 1 c d y (x 1 a)2 b son equivalentes. Si por el contrario b 0, entonces al extraer raíz cuadrada a ambos de la desigualdad (x 1 a)2 b obtenemos x Así que la solución de la desigualdad original y de esta última es el intervalo con centro 2a y radio : x x Para el caso a 0 se procede de una manera similar. Si a 0, entonces la desigualdad original ax2 1 bx 1 c d se transforma en la desigualdad equivalente x b a x c a d a 2 1 1 Esta última se transforma como sigue x b a x c a d a x b a x b a c a d a b 2 2 2 2 2 2 4 2 2 2 2 a x b a d a b a c a Si hacemos = b a d a b ac a y 2 4 4 , obtenemos la forma deseada (x 1 a)2 b Si b 0, entonces todos los reales satisfacen la desigualdad, pues (x 1 a)2 $ 0 b para toda x ∈ ¡. Si b 5 0, entonces se cumple (x 1 a)2 b 5 0 para todo real x, excepto cuando x 1 a 5 0, es decir, x 5 2a. Entonces en este caso el conjunto de soluciones es la unión de los intervalos (2∞, 2a), y (2a, 1∞): (2∞, 2a) ∪ (2a, 1∞) 5 ¡ ∖ {2a} Finalmente, si b 0 entonces extrayendo la raíz cuadrada a ambos miembros de la desigualdad (x 1 a)2 b obtenemos x , así que los reales x que satisfacen esta desigualdad son los que cumplen x x o ( ) . También podemos describir las soluciones de la desigualdad x como el conjunto de reales x cuya distancia a 2a es mayor que . Entonces el conjunto de soluciones de la desigualdad x y, por tanto, de la desigualdad original, cuando a 0, es la unión de dos intervalos: (2∞, 2a 2 ) ∪ (2a 1 , 1∞) = ¡ ∖ [2a 2 ,2a 1 ]. Con esto terminamos la discusión de la desigualdad ax2 1 bx 1 c d. Dejamos como ejercicio para el lector la discusión de la desigualdad ax2 1 bx 1 c # d. Los resultados son muy similares, pero ahora el signo de desigualdad # en lugar del signo modifica la naturaleza de los intervalos solución.
- 74. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 56 Ejemplo 15 Halle las soluciones de la desigualdad cuadrática x2 26x 1 6 1. En lugar de aplicar las fórmulas que obtuvimos en nuestra discusión de la desigualdad cua- drática general, reproduzcamos el procedimiento. Completando cuadrados, la desigualdad x2 26x 1 6 1 la transformamos como sigue x x x x x 2 2 2 2 6 6 1 6 6 2 6 1 6 2 3 ( )2 2 2 6 1 9 3 4 3 2 x x ( ) Entonces la solución de la desigualdad x2 26x 1 6 1 está dada por la solución de la desigual- dad |x 23| 2, es decir, consiste de los reales x que satisfacen 22 x 23 2 o sea 1 x 5. El conjunto de soluciones es el intervalo abierto (1, 5). Ejemplo 16 Halle las soluciones de la desigualdad x2 24x 1 10 5. Mediante completación de cuadrados obtenemos x x x x x x 2 2 2 2 2 2 4 10 5 4 2 10 5 2 2 10 9 2 ( ) ( ) 1 Por tanto, dado que el cuadrado de todo real es no negativo, concluimos que no existe real x que satisfaga la última de las desigualdades. Entonces esta desigualdad y la desigualdad original x2 24x 1 10 5 no tienen solución, pues ambas desigualdades son equivalentes. Ejemplo 17 Halle las soluciones de la desigualdad 2x2 1 8x 1 3 20. Transformemos la desigualdad completando cuadrados: x x x x x x x 2 2 2 2 2 8 3 20 8 3 20 8 4 3 20 4 4 ( ) )2 1 Dado que el cuadrado de todo real es no negativo, deducimos que la última de las desigualdades se cumple para todo real x, esto significa que el conjunto de soluciones de la desigualdad original 2 x2 1 8x 1 3 20 es el conjunto ¡ de todos los reales. Ejemplo 18 Halle las soluciones de la desigualdad 2 x2 1 6x 1 1 10.
- 75. Los números reales 57 Multiplicando ambos miembros por 21 y completando cuadrados tenemos x x x x x x x 2 2 2 2 2 6 1 10 6 1 10 6 3 1 10 3 3 ( ) ) ( ) 2 2 1 1 3 0 x Esta desigualdad se cumple para toda x ≠ 3 (para x 5 3 el miembro izquierdo toma el valor cero), por tanto el conjunto de soluciones son todos los reales diferentes de 3. Este conjunto se puede escribir de diversas formas: (2∞, 3) ∪ (3, 1∞)5 {x | x ∈ ¡ , x ≠ 3} 5 ¡ ∖ {3}. Ejemplo 19 Halle las soluciones de la desigualdad 2 x2 1 10x 2 20 1. Multipliquemos ambos miembros por 21 y completemos cuadrados: x x x x x x 2 2 2 10 20 1 10 20 1 10 25 20 1 25 (x x x x 5 20 24 5 4 5 2 2 2 ) ( ) Por tanto, la solución de la desigualdad dada son todos los reales cuya distancia al 5 es mayor que 2, es decir son todos los reales del conjunto ¡ ∖ [3, 7] = (2∞, 3) ∪ (7, 1∞) Método de inducción matemática 1.16 1.16.1 Introducción Se trata de un método de prueba muy poderoso en matemáticas que nos permite demostrar proposiciones acerca de los números naturales, por ejemplo, proposiciones como las siguientes: Proposición A. Para todo natural n, la suma de los primeros n naturales es n n ( ) 11 2 Dicho de otro modo 1 2 1 2 + + + L n n n ( ) para todo natural n. Proposición B. La suma de los cuadrados de los primeros n naturales es n n n ( )( ) 1 1 1 2 1 6
- 76. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 58 es decir 1 2 1 2 1 6 2 2 + + + L n n n n 2 ( )( ) para todo natural n. Proposición C. Para todo número natural n, 7n 2 4n es divisible entre 3. Proposición D. Para todo natural n se cumple 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 1 1 i i i i + + + + n n n n ( ) El método de inducción matemática es particularmente útil para probar relaciones que descubri- mos empíricamente cuando realizamos cálculos en casos particulares y en los que observamos un patrón de comportamiento. Por ejemplo, consideremos las sumas de los primeros naturales impares: 1 1 1 3 4 1 3 4 9 1 3 5 7 16 = + = + + = + + + = Observemos que la suma de los dos primeros impares es 22 5 4; la suma de los tres primeros impares es 32 5 9; la suma de los cuatro primeros es 42 5 16. Si continuamos calculando estas sumatorias verificaremos que siempre que elijamos cualquier número de impares consecutivos iniciando con el 1, la suma será el cuadrado del número de impares. Pero, ¿cómo podemos probar que esto va a ocurrir siempre? No podemos hacer la afirmación de que esto va a ocurrir para cualquier número de impares consecutivos, por el hecho de que así ocurra con algunos casos particulares, no importa que sea grande el número de casos particulares. Debemos dar un argumento contundente que nos permita afirmar que, independientemente de la cantidad de impares consecutivos que adicionemos iniciando con el 1, la suma es igual al cuadrado del número de impares que elijamos. Mientras no tengamos una prueba, la afirmación tiene el carácter de conjetura, es decir, una afirmación en cuya veracidad creemos apoyados en evidencias empíricas. Si la proposición resulta cierta entonces será fácil calcular las siguientes sumas: x y z 1 3 5 99 1 3 5 2 011 1 3 5 L L L 100001 Es un buen ejercicio para el lector que calcule estas sumas, suponiendo que la proposición es verdadera. En esta sección estudiaremos el Método de Inducción Matemática. Este método es un magnífico recurso para probar conjeturas o proposiciones como la que acabamos de descubrir y se basa en lo que se llama Principio de Inducción Matemática. 1.16.2 Principio de Inducción Matemática En lo que sigue utilizaremos la letra P para referirnos a una proposición. Por ejemplo, P puede referirse a la proposición: la suma de los primeros n naturales impares es n2.
- 77. Los números reales 59 Supongamos que tenemos una proposición P sobre los números naturales, que cumple las siguientes dos condiciones 1) La proposición P es cierta para n 5 1. 2) Del supuesto de que la proposición P es cierta para n 5 k, es posible desprender que es cierta para n 5 k 1 1. Entonces podemos afirmar que la proposición P es cierta para todo natural n. Esto es lo que se llama principio de inducción matemática, el cual nos permite probar que una proposición sobre los naturales es cierta para todo los naturales. Para aplicarlo a una proposición específica debemos mostrar que la proposición cumple con las condiciones 1) y 2) de su enunciado. Es decir, primero debemos verificar que la proposición es cierta para el caso particular n 5 1. Esta parte, en general, es la más fácil de llevar a cabo. En seguida debe mostrarse que la proposición satisface la condición 2). Para ello debe probarse que bajo el supuesto de que la proposición es cierta para algún natural n 5 k, entonces la proposición es cierta para el natural siguiente n 5 k 1 1. Esta es la manera de mostrar que se cumple la condición del inciso 2) y es la parte más difícil. Reflexión importante Para mostrar que una proposición satisface la condición 2) debe hacerse una deducción bajo un supuesto. El supuesto es que la proposición es cierta cuando n 5 k. Este supuesto se llama hipótesis de inducción y con frecuencia utilizaremos este término cuando apliquemos el principio de inducción matemática en la prueba de proposiciones. El método de inducción matemática consiste de dos etapas. Por una parte debemos mostrar que la afirmación es cierta para el natural n 5 1. Por otra parte, debemos probar que la afirmación es cierta para n 5 k 1 1 bajo la hipótesis de que es cierta cuando n 5 k. Ambas partes son necesarias, ninguna por sí sola es suficiente. Por ejemplo analicemos las siguientes tres fórmulas A) 2 1 4 1 6 1 L 1 (2n) 5 (n 2 1) 1 n (n 1 1) B) 2 1 4 1 6 1 L 1 (2n) 5 n (n 1 1) 1 6 C) 2 1 4 1 6 1 L 1 (2n) 5 n (n 1 1) Se verifica fácilmente que la fórmula A) es cierta para n 5 1, pero no es posible pasar a la validez de la fórmula para n 5 k 1 1 a partir de su validez para n 5 k. En efecto, para n 5 k la fórmula A) se escribe 2 1 4 1 6 1 L 1 (2k) 5 (k 2 1) 1 k (k 1 1) Por una parte, de esta fórmula se deduce 2 + 4+6+ +(2 ) k k k k k k ( ) ( ) ( ) ( 1 1 2 1 1 2 1 1 ) ( ). ( ) ( k k k ( 1) ( 2) k k k k1) Por otra parte, cuando sustituimos n 5 k 1 1, en el miembro derecho de la fórmula A) obtenemos (n 2 1) 1 n (n 1 1) 5 k 1 (k 1 1) (k 1 2). Pero es falsa la igualdad (k 2 1) 1 (k 1 2) (k 1 1) 5 k 1 (k 1 1) (k 1 2)
- 78. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 60 para todo natural k, pues si fuese cierta para alguna k de esta se deduciría k 2 1 5 k, es decir 2 1 5 0, lo cual es un absurdo. Así que no podemos pasar de la veracidad para n 5 k a la veracidad para n 5 k 1 1. De hecho se verifica fácilmente que la fórmula A) es falsa para n 5 2. En este caso el miembro izquierdo es igual a 6, mientas que el miembro derecho es igual a 7. Ahora analicemos la fórmula B). En este caso es posible deducir la veracidad de la fórmula para n 5 k 1 1 a partir de su veracidad para n 5 k. En efecto, supongamos que la fórmula B) es cierta para alguna n 5 k. Tenemos entonces que vale la igualdad 2 1 4 1 6 1 L 1 (2k) 5 k (k 1 1) 1 6. Probemos que de esta igualdad se deduce la fórmula B) para n 5 k 1 1. Si sustituimos n 5 k 1 1 en el miembro izquierdo de la fórmula B) obtenemos 2 + 4+6+ +(2 ) k k k k k k ( ) ( ) ( ) 1 6 2 1 1 6 2 6 2 1 1 1 1 2 ( ). ( ) ( ) ( )( ) k k k k k k 6. Por otra parte, si sustituimos n 5 k 1 1 en el miembro derecho de la misma fórmula B) obtenemos n(n 1 1) 1 6 5 (k 1 1)(k 1 2) 1 6. Como ambos resultados coinciden hemos mostrado que vale la fórmula para n 5 k 1 1 siempre y cuando valga para n 5 k. Pero la fórmula B) es falsa para n 5 1, así que no podemos aplicar el principio de inducción matemática. Por supuesto, la fórmula podría ser cierta para algún valor de n diferente de 1, pero no es el caso, de hecho no existe un natural n para la cual la fórmula B sea válida. Esto es consecuencia de que la fórmula C) es válida para todo natural n. En efecto 1) Para n 5 1, ambos miembros de la fórmula C) toman el valor de 2, por lo que es cierta para este valor de n. 2) Supongamos ahora que la fórmula es cierta para n 5 k, es decir supongamos que para algún valor k se cumple 2 1 4 1 6 1 L 1 (2k) 5 k (k 1 1) Probemos que la fórmula C) es cierta para n 5 k 1 1. Calculemos primero el miembro izquierdo de C) para n 5 k 1 1: 2 + 4+6+ +(2 ) k k k k k k ( ) ( ) ( ) 1 2 1 1 2( ( ) ( )( ) k k k 1 1 2 Como el miembro derecho para n 5 k 1 1, también es igual a (k 1 1)(k 1 2), tenemos que la fórmula es cierta para n 5 k 1 1. Por tanto, aplicando el principio de inducción matemática podemos concluir que la fórmula C) es cierta para todo natural n. Finalizamos esta sección con un comentario acerca de la naturaleza del principio de inducción matemática. En matemáticas los enunciados podemos clasificarlos como axiomas, definiciones y teoremas (en esta categoría están los lemas, proposiciones y corolarios). En física el término
- 79. Los números reales 61 principio tiene una acepción muy especial que no es de estas categorías matemáticas, entonces es natural preguntarse de qué categoría es el principio de inducción matemática. La respues- ta es simple. Primero mostremos que el principio de inducción matemática puede deducirse de la siguiente propiedad de los números naturales: Todo conjunto no vacío de números naturales tiene un elemento que es menor que todos los elementos del conjunto. Dicho de otra manera, todo conjunto de naturales tienen un elemento mínimo. En efecto, supongamos que una proposición P cumple con las condiciones 1) y 2) del Principio antes enunciado. Mostremos que la proposición P es cierta para todo los naturales n. supóngase que no fuese cierta para todos los naturales y sea M el conjunto de naturales para los cuales es falsa. Usando la propiedad anterior de los números naturales, sea m el menor elemento de M. Es decir, m es el menor de los naturales para los cuales la proposición es falsa. Como la proposición es cierta para n 5 1, entonces m ≠ 1, por tanto m 2 1 es un número natural. Como m 2 1 es menor que m, la proposición es cierta para m 2 1, pues m es el menor natural para los cuales es falsa. Pero siendo cierta para m 2 1 y teniendo P la propiedad 2), P debería ser cierta para m. Pero esto contradice la propiedad de m. Esto prueba que P es cierta para todo natural n. Por lo anterior, podemos considerar que el Principio de Inducción Matemática es un teorema cuya prueba se basa en la propiedad antes enunciada. Esta propiedad es uno de los axiomas que define los números naturales cuando se les estudia desde un punto de vista axiomático. 1.16.3 Aplicaciones del método de inducción matemática Veamos más ejemplos que ilustren cómo se aplica el principio de inducción matemática en la prueba de proposiciones. Iniciemos con una fórmula muy simple, que si bien puede deducirse por varios métodos, ahora la utilizaremos para ilustrar el método de inducción matemática. Ejemplo 20 Probemos que para todo número natural n, se cumple 1 2 1 2 L n n n ( ) . Para aplicar el principio de inducción matemática, verifiquemos que se cumplen las condiciones 1) y 2) del mismo. 1) Debemos verificar que la fórmula es cierta para n 5 1. Para hacer esto calculamos ambos miembros de la fórmula haciendo n 5 1 y mostramos que son iguales. El miembro derecho es trivialmente igual a 1. Por otra parte, haciendo n 5 1 en el miembro derecho de la fórmula obtenemos 1 1 1 2 2 2 1 ( ) Entonces, ambos miembros, izquierdo y derecho, tienen el valor 1, por lo que son iguales. Esto verifica la primera condición del principio de inducción matemática.
- 80. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 62 2) Supongamos ahora que la fórmula es cierta para algún natural n 5 k, es decir, para algún natural k es cierta la igualdad 1 2 1 2 L k k k ( ) . Esto es lo que llamamos hipótesis de inducción. Probemos que obtenemos una igualdad cuando en la fórmula original sustituimos n 5 k 1 1. Es decir, probemos que se cumple la igualdad 1 2 1 1 2 2 L ( ) ( )( ) k k k que es la que resulta después de sustituir n 5 k 1 1 en la fórmula por probar. Por una parte tenemos 1 1 2 1 L 1 (k 1 1) 5 1 1 2 1 L 1 k 1 (k 1 1) Entonces es cierto que 1 2 ( 1) 1 2 +( 1) = L L k k k k k k ( ) ( ) 1 2 1 = k k k k k k ( ) ( ) ( )( ) 1 2 1 2 1 2 2 = Esto prueba que la fórmula es cierta para n 5 k 1 1. Por tanto, se cumplen las condiciones del principio de inducción matemática, por lo que podemos concluir que la fórmula 1 2 1 2 L n n n ( ) . es cierta para todo natural n. Ejemplo 21 Probemos que para todo natural n se cumple 1 2 1 2 1 6 2 2 L n n n n 2 ( )( ) . 1) Verifiquemos que la fórmula es válida para n 5 1. Por una parte, el miembro izquierdo de la fórmula propuesta es igual a 12 5 1. Por otra parte, el miembro derecho se reduce a 1 1 1 2 1 1 6 2 3 6 1 ( )( · ) · . Como ambos miembros de la fórmula tienen el mismo valor 1, entonces concluimos que la fórmula es cierta para n 5 1. 1) Supongamos ahora que la fórmula es cierta para algún natural k, es decir, para algún natural k se vale la igualdad
- 81. Los números reales 63 1 2 1 2 1 6 2 2 2 L k k k k ( )( ) . Esta es la hipótesis de inducción. Usando esta hipótesis, vamos a probar que la fórmula es cierta para n 5 k 1 1. Es decir, probaremos que se vale la igualdad 1 2 1 1 1 1 2 1 1 6 1 2 2 2 L ( ) ( )( )[ ( ) ] ( k k k k k ) )( )( ) k k 2 2 3 6 Por una parte tenemos que el miembro izquierdo de la igualdad a probar es 12 1 22 1 L 1 (k 1 1)2 5 12 + 22 1 L 1 k2 1 (k 1 1)2 Usando la hipótesis de inducción obtenemos 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 ( ) k k + para estasumaconocem moslafórmula ( ) ( )( ) ( k k k k 1 1 2 1 6 2 k k k k k k k k k 1 1 2 1 6 1 6 2 1 6 1 2 2 ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) [ [ ] ( ) ( ) ( ) k k k k k 2 1 6 2 6 6 1 6 Luego 1 2 ( 1) 2 2 2 L k k k k 2 ( ) ( ) 2 7 6 1 6 Por otra parte el miembro derecho de la igualdad a probar es ( )( )( ) ( )( )( ) ( k k k k k k k k + + + + + + + 1 2 2 3 6 2 2 3 1 6 2 7 2 5 5 + + + 6 1 6 )( ) . k Por tanto ambos miembros, izquierdo y derecho, son iguales a 2 7 6 1 6 . 2 k k k 1 1 1 ( ) Usando el principio de inducción concluimos que la fórmula 1 2 1 2 1 6 2 2 2 L n n n n ( )( ) es cierta para todo número natural n.
- 82. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 64 Ejemplo 22 Pruebe que para todo natural n, el entero 7n 2 4n es divisible entre 3. Mostremos que la proposición cumple con las dos condiciones del principio de inducción matemática. 1) La afirmación es cierta para n 5 1. En efecto, para n 5 1 la expresión 7n 2 4n es igual a 7 2 4 5 3, así que obviamente es divisible entre 3. 2) Supongamos ahora que la afirmación es cierta para algún natural n 5 k. Es decir, 7k 2 4k es divisible entre 3. Esto significa que existe un natural q tal que 7k 2 4k 5 3q. Mostremos que 7k11 2 4k11 es divisible entre 3. Para ello escribiremos de manera conveniente 7k11 2 4k11: 7 4 7 7 4 4 3 7 4 7 4 4 3 7 4 1 1 k k k k k k k k = = ( (7 4 k k ) Por la hipótesis de inducción 7k 2 4k 5 3q, donde q es un natural, entonces tenemos 7 4 3 7 4 7 4 3 7 4 3 3 7 4 1 1 k k k k k k k q q ( ( ) = = ) ) Esto prueba que 7k11 2 4k11 es múltiplo de 3, que es lo que deseábamos mostrar. Entonces por el principio de inducción matemática concluimos que 7n 2 4n es divisible entre 3 para todo natural n. Ejemplo 23 Pruebe que para todo natural n, la suma de los primeros n impares es n2. Como en los ejemplos anteriores, para probar que la proposición es cierta para todo natural n, mostremos que la proposición cumple con las condiciones del principio de inducción matemática. 1) La proposición evidentemente es cierta para n 5 1, pues en este caso se trata de un solo natural impar, el primero de ellos, que es 1. 2) Supongamos que la proposición es cierta para n 5 k, es decir, la suma de los k primeros naturales es k2: 1 3 m k primeros naturales impares k k2 Una pregunta que surge, ¿cuál es el impar m? Sabemos que m es el k-ésimo natural impar. La pregunta se responde fácilmente si observamos que los impares se generan con la fórmula 2p 2 1 donde p varía sobre todos los naturales. Por ejemplo: Para p 5 1, 2p 2 1 5 1 Para p 5 2, 2p 2 1 5 3 Para p 5 3, 2p 2 1 5 5, etcétera. Entonces el k-ésimo natural impar se obtiene haciendo p 5 k, es decir, el k-ésimo natural impar es 2k 2 1. De esta fórmula para los naturales impares podemos escribir entonces
- 83. Los números reales 65 1 1 3 1 L 1(2k 2 1) 5 k2. Probemos ahora que la suma de los primeros k 1 1 naturales impares es (k 1 1)2. Observemos primero que el (k 1 1)-ésimo natural impar se obtiene sustituyendo p 5 k 1 1 en la fórmula 2p 21, así que este impar es 2 (k 1 1) 21 5 2k 1 1. Entonces la suma de los primeros k 1 1 naturales impares se escribe 1 1 3 1 L 1(2k 2 1) 1 (2k 1 1). Probaremos que esta suma es igual a (k 1 1)2. En efecto, aplicando la hipótesis de inducción (la suma de los primeros k impares es k 2) obtenemos 1 3 ( 1) ( primeros impares 2k k 2 2k k 2k k 2k k 1) ( 1) 1 ( 1) 2 2 2 Con esto completamos la prueba por inducción matemática, por lo que podemos concluir que para todo natural n, la suma de los primeros n impares es n2. Ejemplo 24 Pruebe que para todo natural n se cumple 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 1 1 i i i i 1 1 1 1 1 1 n n n n ( ) = Mostremos que se cumplen las condiciones 1) y 2) del principio de inducción matemática. 1) Para probar que la fórmula es cierta para n 5 1, calculemos por separado ambos miembros. Para n 5 1 el miembro izquierdo se reduce a 1 1 2 1 2 = . Por otra parte, para n 5 1 el miembro derecho es 1 1 1 1 2 Entonces ambos miembros son iguales a 1 2 . Con esto verificamos la condición 1). 2) Supongamos ahora que la fórmula es cierta para algún natural n 5 k, es decir, es cierta la igualdad 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 1 1 i i i i 1 1 1 1 1 1 k k k k ( ) = Usando esta hipótesis probemos que la fórmula es cierta para n 5 k 11. Primero observemos que el miembro izquierdo de la fórmula propuesta cuando sustituimos n 5 k 11 toma la forma 1 1 2 1 2 3 1 1 1 1 1 1 2 1 2 3 1 i i i i i ( ( k k k ) ( ) ) ( ( ( ( k k k 1 1 1 2 ) ) ) . i Usando la hipótesis de inducción, obtenemos
- 84. Cálculo diferencial, fundamentos, aplicaciones y notas históricas 66 1 1 2 1 2 3 1 1 1 . . ) k k k k ( por hipótesisesigual i i 1 1 2 1 1 1 2 ( ( ( ( k k k k k k ) ) ) ) . k k k k k k k k ( ( ( ( ( 2 1 1 2 2 1 1 2 2 ) ) ) ) ) i i Pero k2 1 2k 1 1 5 (k 1 1)2, por tanto, al hacer la simplificación correspondiente obtenemos 1 1 2 1 2 3 1 1 1 2 1 2 . . ( ) ) ) 1 1 1 1 1 1 1 1 i k k k k k k + = 1 ( ( Pero esta es precisamente la fórmula propuesta para n 5 k 1 1. Como ya hemos verificado que se cumplen las dos condiciones del principio de inducción, concluimos que para todo natural n se cumple 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 1 . . . ) 1 1 1 1 1 1 i 1 ( n n n n = .
- 85. 67 Los números reales Números racionales I. Determine la expansión decimal de los siguien- tes números. 1. 3 8 2. 4 11 3. 127 66 4. 23 99 5. 1 16 6. 1 17 7. m 99 con m natural de 2 o menos cifras. II. Escriba los siguientes números racionales en la forma p q . 8. 1.75 9. 5.125 10. 1.4142 11. 10.1010 5 10.101010. . . 12. 1.75 13. 1.4142 5 1.41424142. . . 14. 1.4142 15. 2.01111 5 2.01111. . . 16. 3.0451818 5 3.045181818. . . 17. 0.101 18. 0.03125 19. 0.49 20. 1.345 21. 2.505 22. 0.0123456789 23. 0.119 Números irracionales 24. Pruebe que 5 es irracional. 25. Sabiendo que 5 es irracional, pruebe que 5 1 2 2 es irracional. 26. Demuestre que p es irracional, si p es primo. 27. Pruebe que si a es número racional y b es un número irracional, entonces a 1 b es irracional. 28. Pruebe que si a es un número racional diferente de cero y b es un número irracional, entonces el producto ab es irracional. 29. Demuestre con un ejemplo que la suma de dos números irracionales, no es necesariamente irracional. 30. Demuestre con un ejemplo que el producto de dos números irracionales no es necesariamente irracional. 31. Considere la “ecuación formal” con un número infinito de radicales x x x x x ¿Cuál es el valor de x? Problemas y ejercicios 1.17