solucões dos exercícios de analise real vol.1 - elon lages lima
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Soluc~oes dos exerccios de Analise do livro de Elon
Lages Lima:Curso de analise vol.1.
Rodrigo Carlos Silva de Lima z
Universidade Federal Fluminense - UFF-RJ
z
15 de setembro de 2011
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1
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Sumario
1 Soluc~oes-Curso de analise vol.1 6
1.1 Notac~oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Captulo 2-Conjuntos nitos, Enumeraveis e n~ao-enumeraveis . . . . . . . . 7
1.2.1 Quest~ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Quest~ao 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Quest~ao 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Quest~ao 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.5 Quest~ao 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.6 Quest~ao 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.7 quest~ao 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.8 Quest~ao 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.9 Quest~ao 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.10 Quest~ao 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.11 Quest~ao 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.12 Quest~ao 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.13 Quest~ao 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.14 Quest~ao 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.15 Quest~ao 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.16 Quest~ao 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.17 Quest~ao 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.18 Quest~ao 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.19 Quest~ao 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.20 Quest~ao 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.21 Quest~ao 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2
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SUMARIO 3
1.2.22 Quest~ao 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.23 Quest~ao 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.24 Quest~ao 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.25 Quest~ao 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.26 Quest~ao 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Captulo 3 -Numeros reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Quest~ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Quest~ao 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3 Quest~ao 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.4 Quest~ao 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3.5 Quest~ao 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.6 Quest~ao 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.7 Quest~ao 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.8 Quest~ao 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.9 Quest~ao 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.10 Quest~ao 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.11 Quest~ao 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.12 Quest~ao 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.13 Quest~ao 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.14 Quest~ao 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.15 Quest~ao 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.16 Quest~ao 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.17 Quest~ao 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.18 Quest~ao 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.3.19 Quest~ao 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.20 Quest~ao 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.3.21 Quest~ao 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.3.22 Quest~ao 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.23 Quest~ao 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.24 Quest~ao 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.25 Quest~ao 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.26 Quest~ao 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.27 Quest~ao 28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
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SUMARIO 4
1.3.28 Quest~ao 29 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.29 Quest~ao 30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3.30 Quest~ao 31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3.31 Quest~ao 32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.32 Quest~ao 33 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.33 Quest~ao 34 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3.34 Quest~ao 35 e 36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.3.35 Quest~ao 37 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.36 Quest~ao 38 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.3.37 Quest~ao 39 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.3.38 Quest~ao 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.3.39 Quest~ao 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.3.40 Quest~ao 43 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.3.41 Quest~ao 44 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1.3.42 Quest~ao 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.3.43 Quest~ao 46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.3.44 Quest~ao 48 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.3.45 Quest~ao 49 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.3.46 Quest~ao 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.3.47 Quest~ao 53 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.3.48 Quest~ao 57 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.4 Captulo 4-Seque^ncias e series de numeros reais . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.4.1 Quest~ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.4.2 Quest~ao 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.4.3 Quest~ao 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.4.4 Quest~ao 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.4.5 Quest~ao 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.4.6 Quest~ao 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1.4.7 Quest~ao 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.8 Quest~ao 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.9 Quest~ao 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.10 Quest~ao 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
1.4.11 Quest~ao 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
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SUMARIO 5
1.4.12 Quest~ao 11a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.13 Quest~ao 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.4.14 Quest~ao 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
1.4.15 Quest~ao 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.4.16 Quest~ao 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.4.17 Quest~ao 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.4.18 Quest~ao 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.4.19 Quest~ao 21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.4.20 Quest~ao 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.4.21 Quest~ao 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
1.4.22 Quest~ao 31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.4.23 Quest~ao 35 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.4.24 Quest~ao 36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
1.4.25 Quest~ao 40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.4.26 Quest~ao 42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.4.27 Quest~ao 43 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1.4.28 Quest~ao 44 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
1.4.29 Quest~ao 46 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.4.30 Quest~ao 48 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.5 Captulo 5-Topologia da reta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.5.1 Quest~ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.5.2 Quest~ao 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.6 Captulo 8-Derivadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.6.1 Quest~ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
1.6.2 Quest~ao 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.6.3 Quest~ao 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.6.4 Quest~ao 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.6.5 Quest~ao 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
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Captulo 1
Soluc~oes-Curso de analise vol.1
Esse texto ainda n~ao se encontra na sua vers~ao nal, sendo, por enquanto, cons-
titudo apenas de anotac~oes informais. Sugest~oes para melhoria do texto, correc~oes da
parte matematica ou gramatical eu agradeceria que fossem enviadas para meu Email
Se houver alguma soluc~ao errada, se quiser contribuir com uma soluc~ao diferente ou
ajudar com uma soluc~ao que n~ao consta no texto, tambem peco que ajude enviando a
soluc~ao ou sugest~ao para o email acima, colocarei no texto o nome da pessoa que tenha
ajudado com alguma soluc~ao. Espero que esse texto possa ajudar alguns alunos que
estudam analise pelo livro do Elon.
1.1 Notac~oes
Denotamos (xn) uma seque^ncia (x1; x2; ). Uma n upla (x1; x2; ; xn) podemosdenotar como (xk)
n1 :
O conjunto de valores de adere^ncia de uma seque^ncia (xn) iremos denotar como A[xn].
Usaremos a abreviac~ao PBO para princpio da boa ordenac~ao.
Denotamos f(x+ 1) f(x) = f(x):Usando a notac~ao Qxn =
xn+1xn
:
6
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CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 7
1.2 Captulo 2-Conjuntos nitos, Enumeraveis e n~ao-
enumeraveis
1.2.1 Quest~ao 1
Axioma 1. Existe uma func~ao s : N ! N injetiva, chamada de func~ao sucessor, onumero natural s(n) e chamado sucessor de n.
Corolario 1. Como s e uma func~ao, ent~ao o sucessor de um numero natural e unico, isto
e, um numero natural possui apenas um sucessor.
Axioma 2. Existe um unico numero natural que n~ao e sucessor de nenhum outro natural,
esse numero simbolizamos por 1:
Axioma 3 (Axioma da induc~ao). Dado um conjunto A N , se 1 2 A e 8n 2 A tem-ses(n) 2 A ent~ao A = N:
Propriedade 1. Supondo os axiomas 1 e 2 ent~ao o axioma 3 e equivalente a proposic~ao:
Para todo subconjunto n~ao vazio A N tem-se A n S(A) 6= ;:
Demonstrac~ao.
)): Supondo o axioma (3) valido. Suponha por absurdo que exista A 6= ;; A N talque AnS(A) = ; ent~ao A S(A), isto e, 8 x 2 A existe y 2 A tal que x = s(y): Sabemosque 1 =2 A, pois se n~ao 1 2 A n S(A). Se n =2 A, vamos mostrar que s(n) =2 A. Se fosses(n) 2 A, chegaramos em uma contradic~ao com A S(A), pois deveria haver y 2 A talque s(y) = s(n) e por injetividade seguiria y = n 2 A, o que contraria a hipotese, logoS(n) =2 A, A e vazio pois n~ao contem nenhum numero natural, mas consideramos que An~ao e vazio como hipotese, absurdo!.
():Pelo axioma 2 temos que 1 e o unico elemento de N n S(N), pelo axioma 1 temos que
S(N) N da temos N = f1g [ S(N) o que implica 1 2 A; 8 n 2 N s(n) 2 A, A = N:
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CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 8
1.2.2 Quest~ao 2
Propriedade 2. Dados m e n naturais ent~ao existe x natural tal que
x:n > m:
Demonstrac~ao. Vale n 1 da multiplicando por m+1 segue (m+1)n m+1 > mlogo (m+ 1)n > n:
1.2.3 Quest~ao 3
Propriedade 3. Seja n0 2 N . Se A N tal que n0 2 A e n 2 A ) n + 1 2 A ent~aotodo x 2 N com x a pertence a A.
Demonstrac~ao. Se a = 1 nada temos a fazer pois A = N . Se a > 1 ent~ao a = b+1 e
sucessor de b. Vamos mostrar que b+n 2 A 8 n 2 N: Sabemos que b+1 2 A. Supondo queb+n 2 A ent~ao b+(n+1) 2 A da por induc~ao segue que b+n 2 A 8 n 2 N: Lembrandoque x > b signica que existe p natural tal que b + p = x, como b + p 2 A 8p 2 N ent~aox 2 A: Outro fato que usamos e que se x > b ent~ao x b+ 1 = a pois n~ao existe naturalentre b e b+ 1, b 2 N .
1.2.4 Quest~ao 5
Denic~ao 1 (Antecessor). m 2 N e antecessor de n 2 N quando m < n mas n~ao existec 2 N tal que m < c < n:
Propriedade 4. 1 n~ao possui antecessor e qualquer outro numero natural possui ante-
cessor.
Demonstrac~ao. N~ao vale m < 1 para algum natural m, logo 1 n~ao possui antecessor.
Agora para todo outro n 2 N vale n > 1 logo existe p 2 N tal que p+1 = n, vamos mostrarque p = m e o antecessor de n. Vale p < p + 1, logo a primeira condic~ao e satisfeita, a
segunda condic~ao tambem e satisfeita pois n~ao existe c 2 N tal que p < c < p+1: Vamosmostrar agora que existe um unico antecessor. Suponha existe^ncia de dois antecessores m
e m0 distintos ent~ao existe um deles que e o maior, digamos m0, da m < m0 e m0 < n por
transitividade segue m < m0 < n o que contraria a denic~ao de antecessor, ent~ao existe
um unico.
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CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 9
1.2.5 Quest~ao 6
Quest~ao 6 a)
Propriedade 5. Mostrar quenX
k=1
k =n(n+ 1)
2:
Demonstrac~ao. Por induc~ao sobre n. Para n = 1 a igualdade vale pois
1Xk=1
k = 1 =1(2)
2:
Supondo a validade para nnX
k=1
k =n(n+ 1)
2
vamos provar para n+ 1n+1Xk=1
k =(n+ 1)(n+ 2)
2:
Por denic~ao de somatorio temos
n+1Xk=1
k = (n+ 1) +nX
k=1
k = (n+ 1) +n(n+ 1)
2= (n+ 1)(1 +
n
2) =
(n+ 1)(n+ 2)
2
onde usamos a hipotese da induc~ao .
Quest~ao 6 b)
Propriedade 6. Mostrar quenX
k=1
(2k 1) = n2:
Demonstrac~ao. Por induc~ao sobre n. Para n = 1 temos
1Xk=1
(2k 1) = 2:1 1 = 1 = 12:
supondo a validade para n,nX
k=1
(2k 1) = n2
vamos provar para n+ 1n+1Xk=1
(2k 1) = (n+ 1)2:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 10
Usando a denic~ao de somatorio e hipotese da induc~ao tem-se
n+1Xk=1
(2k 1) =nX
k=1
(2k 1) + 2n+ 1 = n2 + 2n+ 1 = (n+ 1)2 :
Quest~ao 6 c)
Exemplo 1. Mostrar por induc~ao que
(a 1)nX
k=0
ak = an+1 1:
Para n = 1 temos
(a 1)1X
k=0
ak = (a 1)(a+ 1) = a2 1:
Supondo que (a 1)nX
k=0
ak = an+1 1 vamos provar que (a 1)n+1Xk=0
ak = an+2 1: Pordenic~ao de somatorio e pela hipotese da induc~ao temos
(a 1)n+1Xk=0
ak = (a 1)an+1 + (a 1)nX
k=0
ak = an+2 an+1 + an+1 1 = an+2 1 :
Quest~ao 6 d)
Exemplo 2. Mostre que se n 4 ent~ao n! > 2n:Para n = 4 vale 4! = 24 > 24 = 16: Suponha validade para n , n! > 2n, vamos provar
para n+ 1, (n+ 1)! > 2n+1: Multiplicando n! > 2n por n+ 1 de ambos lados segue que
(n+ 1)! > (n+ 1)| {z }>2
2n > 2:2n = 2n+1 :
1.2.6 Quest~ao 7
Propriedade 7 (Unicidade da fatorac~ao em primos). Seja n 2 N; n > 1: Se n =mYk=1
pk =
sYk=1
qk onde cada pk e qk s~ao primos, n~ao necessariamente distintos ent~ao m = s e pk =
qk8 k , apos, se necessario, uma renomeac~ao dos termos.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 11
Demonstrac~ao. Vamos provar usando o segundo princpio da induc~ao, para n = 2 a
propriedade vale. Suponha a validade para todo t < n vamos provar que nessas condic~oes
vale para n.
n = pm
m1Yk=1
pk = qs
s1Yk=1
qk
pm divide o produtosY
k=1
qk ent~ao deve dividir um dos fatores, por exemplo qs (se n~ao,
renomeamos os termos), como pmjqs ent~ao pm = qs
pm
m1Yk=1
pk = pm
s1Yk=1
qk )m1Yk=1
pk =s1Yk=1
qk = n0 < n
como n0 e menor que n, usamos a hipotese da induc~ao, que implica m1 = s1, qk = pkde k = 1 ate m 1, da segue que m = n e qk = pk de k = 1 ate m:
1.2.7 quest~ao 8
Propriedade 8. Sejam A e B conjuntos com n elementos, ent~ao o numero de bijec~oes
de f : A! B e n!
Demonstrac~ao.
Por induc~ao sobre n, para n = 1, tem-se uma func~ao A = fa1g e B = fb1g, f : A! Btal que f(a1) = b1: Supondo a validade para conjuntos com n elementos, vamos provar
que vale para conjuntos com n+1 elementos. Tomando A = fak; k 2 In+1g e B = fbk; 2In+ 1g, dado s 2 In+1, xamos as bijec~oes f com f(a1) = bs da a quantidade dessasfunc~oes e dada pela quantidade de bijec~oes de A n fa1g em B n fbsg, que e n! para cada svariando de 1 ate n+ 1, o total ent~ao e (n+ 1)n! = (n+ 1)!:
Corolario 2. O mesmo vale se A = B.
1.2.8 Quest~ao 9
Quest~ao a)
Propriedade 9. Se A e B s~ao nitos e disjuntos com jAj = n e jBj = m ent~ao A [ B enito com jA [Bj = m+ n:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 12
Demonstrac~ao. Existem bijec~oes f : In ! A, g : Im ! B. Denimos h : Im+n !A [ B como h(x) = f(x) se 1 x n e h(x) = g(x n) se 1 + n x m + n(1 x n m), como h e bijec~ao segue o resultado.
Propriedade 10. Se A e B s~ao conjuntos nitos n~ao necessariamente disjuntos vale a
relac~ao
jA [Bj = jAj+ jBj jA \Bj:
Demonstrac~ao. Escrevemos A como a uni~ao disjunta A = (A n B) [ (A \ B), dajAj jA \Bj = jA nBj agora escrevemos A [B = (A nB) [B, uni~ao disjunta logo
jA [Bj = jA nBj+ jBj
usando a primeira express~ao segue que
jA [Bj = jAj+ jBj jA \Bj:
1.2.9 Quest~ao 10
Propriedade 11. Seja A nito. Existe uma bijec~ao g : In ! A para algum n, pois A enito, a func~ao f : A! A e injetiva ou sobrejetiva , g1 f g : In ! In e injetiva ousobrejetiva, respectivamente.
Demonstrac~ao.
)): Se f e injetiva ou sobrejetiva ent~ao g1 f g : In ! In e injetiva ou sobrejetiva,por ser composic~ao de func~oes com essas propriedades.
(): Seja g1 f g : In ! In sobrejetiva vamos mostrar que f tambem e sobrejetiva.Dado y 2 A vamos mostrar que existe x 2 A tal que f(x) = y: Como g : In ! A esobrejetiva ent~ao existe x1 2 In tal que g(x1) = y e pelo fato de g1 f g ser sobrejetivaent~ao existe x2 2 In tal que g1(f(g(x2))) = x1 = g1(y) como g1 e injetiva segue quef(g(x2)) = y logo f e sobrejetiva.
Se g1 f g e injetiva ent~ao f e injetiva. Sejam x; y quaisquer em A, existemx1; x2 2 In tais que g(x1) = x, g(x2) = y. Vamos mostrar que se f(x) = f(y) ent~ao x = y:
Se f(x) = f(y) ent~ao f(g(x1)) = f(g(x2)) e g1(f(g(x1))) = g1(f(g(x2))) com
g1 f g segue que x1 = x2 que implica g(x1) = g(x2), isto e, x = y:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 13
Propriedade 12. Seja A um conjunto nito. f : A! A e injetiva , e sobrejetiva.
Demonstrac~ao.
)):Consideramos o caso f : In ! In, se f for injetiva ent~ao f : In ! f(In) e uma bijec~ao
com f(In) In. fn n~ao pode ser parte propria de In pois se n~ao f1(In) ! In seriabijec~ao de um conjunto com sua parte propria, logo f(In) = In e f : In ! In e bijec~ao.
(): Se f for sobrejetiva ent~ao para cada y 2 In (imagem) podemos escolher x 2 In(domnio) tal que f(x) = y e da denir g : In ! In tal que g(y) = x, g e injetiva, pois fe func~ao, logo pelo resultado ja mostrado g e bijetora, implicando que f tambem e.
1.2.10 Quest~ao 11
Propriedade 13 (Princpio das gavetas de Dirichlet- Ou princpio da casas dos pombos.).
Se temos m conjuntos (Ak)m1 e n elementos n > m, com
nXk=1
jAkj = n ent~ao existe At em(Ak)
m1 tal que jAtj > 1:Esse resultado diz que se temos n elementos e m conjuntos tais que n > m ent~ao deve
haver um conjunto com pelo menos 2 elementos.
Demonstrac~ao. Supondo que jAkj 1 8 k ent~ao aplicando a somanX
k=1
em ambos
lados dessa desigualdade temos
n =nX
k=1
jAkj m) n m
o que contraria a hipotese de n > m ,portanto deve valer jAtj > 1 para algum t 2 In.
1.2.11 Quest~ao 12
Propriedade 14. Seja A um conjunto com n elementos, ent~ao o numero de func~oes
injetivas f : Ip ! A ep1Yk=0
(n k):
Demonstrac~ao. Se p > n o resultado vale pois n~ao existe func~ao injetiva de f : Ip !A, pois se n~ao f : Ip ! f(A) seria bijec~ao e f(A) A da A iria possuir um subconjunto
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 14
com p elementos que e maior que o numero de elementos de A, o que e absurdo. Iremos
provar o resultado para outros valores de p n. Para p = 1 temos n func~oes, que s~ao
f1(1) = a1; f2(1) = a2; ; fn(1) = an:
Suponha que para Ip temos
p1Yk=0
(n k) func~oes que s~ao injetivas, vamos mostrar que
para Ip+1 temos
pYk=0
(n k) func~oes. Seja o conjunto das func~oes f : Ip+1 ! A injetivas,
podemos pensar o conjunto das f restritas a Ip tendo
p1Yk=0
(n k) func~oes, por hipotese dainduc~ao , agora podemos denir essas func~oes no ponto p+1, onde temos n p escolhas,para cada uma dessas escolhas temos
p1Yk=0
(n k) func~oes, portanto temos um total de
(n p)p1Yk=0
(n k) =pY
k=0
(n k) func~oes.
1.2.12 Quest~ao 13
Propriedade 15. Se X possui n elementos ent~ao tal conjunto possui
n
p
subconjuntos
com p elementos.
Demonstrac~ao. Vamos provar por induc~ao sobre n e p livre. Para n = 0 ele so
possui um subconjunto com 0 elementos
0
0
= 1 e para outros valores de p > 0 2 N
vale
0
p
= 0:
Suponha que para um conjunto qualquer A com n elementos, temos
n
p
subconjuntos,
agora podemos obter um conjunto com n + 1 elementos, adicionando um novo elemento
fan+1g, continuamos a contar osn
p
subconjuntos que contamos com elementos de A
e podemos formar mais subconjuntos com p elementos adicionando o ponto fan+1g aosconjuntos com p 1 elementos, que por hipotese da induc~ao temos
n
p 1, ent~ao temos
no total
n
p 1+
n
p
=
n+ 1
p
pela identidade de Stifel, como queramos demonstrar.
1.2.13 Quest~ao 14
Propriedade 16. Seja jAj = n ent~ao jP (A)j = 2n:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 15
Demonstrac~ao. Por induc~ao sobre n, se n = 1, ent~ao A = fa1g possui dois subcon-juntos que s~ao ; e f1g: Suponha que qualquer conjunto qualquer B com n elementostenha jP (B)j = 2n, vamos provar que um conjunto C com n + 1 elementos implicajP (C)j = 2n+1: Tomamos um elemento a 2 C, C n fag possui 2n subconjuntos (porhipotese da induc~ao), sk de k = 1 ate k = 2
n, que tambem s~ao subconjuntos de C, porem
podemos formar mais 2n subconjuntos de C com a uni~ao do elemento fag, logo no totaltemos 2n + 2n = 2n+1 subconjuntos de C e mais nenhum subconjunto, pois n~ao temos
nenhum outro elemento para unir aos subconjuntos dados.
1.2.14 Quest~ao 15
Exemplo 3. Existe g : N ! N sobrejetiva tal que g1(n) e innito para cada n 2 N .Seja f : N ! N denida como f(n) = k se n e da forma n = pkk onde pk e o k-esimo
numero primo e f(n) = n caso contrario, f e sobrejetiva e existem innitos n 2 N taisque f(n) = k para cada k natural.
1.2.15 Quest~ao 16
Propriedade 17. Pn = fA N j jAj = ng e enumeravel.
Demonstrac~ao. Denimos a func~ao f : Pn ! Nn da seguinte maneira: Dado A =fx1 < x2 < < xng, f(A) = (x1; ; xn). Tal func~ao e injetiva pois dados A = fxk; k 2Ing e B = fyk; k 2 Ing n~ao pode valer xk = yk para todo k, pois se n~ao os conjuntosseriam iguais.
Se trocamos N por outro conjunto X enumeravel o resultado tambem vale, basta
denir uma func~ao f : Pn ! Xn e g : X ! N injetiva, enumeramos um subconjuntonito qualquer com n elementos A X como A = fx1; ; xng onde g(x1) < g(x2) < < g(xn) e denimos f(A) = (x1; ; xn).
Corolario 3. o conjunto Pf dos subconjuntos nitos de N e enumeravel pois
Pf =1[k=1
Pk
e uni~ao enumeravel de conjuntos enumeraveis. O mesmo vale trocando N por um conjunto
enumeravel qualquer A.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 16
1.2.16 Quest~ao 17
Propriedade 18. X e nito , existe f : X ! X que so admite subconjuntos estaveis ;e X.
Demonstrac~ao. Iremos considerar sempre conjuntos n~ao vazios.
)): Suponha X nito, ent~ao X = fa1; ; ang, denimos f : X ! X como f(a1) =a2, f(a2) = a3, em geral f(ak) = ak+1 se k < n e f(an) = a1: f n~ao possui subconjunto
estavel diferente de X, pois, suponha um conjunto Y 6= X estavel, a1 n~ao pode pertencerao conjunto, pois se n~ao f(a1) = a2 2 Y , f(a2) = a3 2 Y ate f(an1) = an 2 Y ent~aoteramos Y = X o que e absurdo, da mesma maneira se at 2 Y ent~ao f(at) = at+1 2 Y ,f(at+1) = at+2 2 Y , em menos de n aplicac~oes da func~ao teremos f(an1) = an 2 Y e daf(an) = a1 2 Y o que implica Y = X, logo n~ao podemos ter outro subconjunto estavelalem de X com a func~ao f denida acima.
():Suponha X innito, vamos mostrar que qualquer func~ao f : X ! X possui subcon-
junto estavel Y 6= X:Tomamos a1 2 X, consideramos f(a1) := a2 se a1 = a2 paramos e temos o conjunto
Y = fa1g 6= X pois X e innito, se n~ao continuamos a aplica a func~ao f(a2) := a3, se a3 =a2 ou a1 ent~ao paramos e tomamos Y = fa1; a2g, continuamos o processo recursivamentef(ak) : ak+1 se ak+1 e igual a algum dos elementos de fa1; ; akg, ent~ao paramos oprocesso e tomamos Y = fa1; ; akg, se para todo k 2 N os elementos ak+1 = f(ak) n~aopertencem ao conjunto fa1; ; akg, ent~ao temos um conjunto
= fa2 = f(a1); f(a2) = a3; f(a3) = a4; ; f(an) = an+1; g
tomamos tal conjunto como Y e temos
f(Y ) = ff(a2) = a3; f(a3) = a4; ; g Y
podemos observar que Y 6= X pois a1 =2 Y: Assim conclumos nossa demonstrac~ao.
1.2.17 Quest~ao 18
Propriedade 19. Seja f : A! A injetiva, tal que f(A) 6= A, tomando x 2 Anf(A) ent~aoos elementos fk(x) de O(x) = ffk(x); k 2 Ng s~ao todos distintos. Estamos denotandofk(x) pela k-esima composic~ao de f com ela mesma.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 17
Demonstrac~ao. Para todo t vale que f t e injetiva, pois a composic~ao de func~oes
injetivas e injetiva.
Se existisse k 6= t tal que fk(x) = f t(x); t > k , ent~ao existe p > 0 2 N tal quet = k + p
fk+p(x) = fk(fp(x)) = fk(x)
por injetividade de fk segue que fp(x) = x, logo x 2 f(A) o que contraria a hipotese dex 2 A n f(A). Portanto os elementos s~ao distintos.
1.2.18 Quest~ao 19
Propriedade 20. Se A e innito ent~ao existe func~ao injetiva f : N ! A.
Demonstrac~ao. Podemos denir f indutivamente. Tomamos inicialmente x1 2 A edenimos f(1) = x1 e para n 2 N escolhemos xn+1 2 An
n[k=1
fxkg denido f(n+1) = xn+1:
A nn[
k=1
fxkg nunca e vazio pois A e innito. f e injetora pois tomando m > n tem-se
f(n) 2m1[k=1
fxkg e f(m) 2 A nm1[k=1
fxkg:
Corolario 4. Existe func~ao injetiva de um conjunto nito B num conjunto innito A,
usamos o mesmo processo do exemplo anterior, mas o processo para depois de denir a
func~ao jBj pontos.
Propriedade 21. Sendo A innito e B nito existe func~ao sobrejetiva g : A! B.
Demonstrac~ao. Existe func~ao injetiva f : B ! A, logo f : B ! f(B) A ebijec~ao, possuindo inversa g1 : f(B)! B. Considere a func~ao f : A! B denida comof(x) = g1(x) se x 2 f(B) e f(x) = x1 2 B se x =2 f(B), f e func~ao sobrejetiva.
1.2.19 Quest~ao 20
Quest~ao 20-a)
Propriedade 22. O produto cartesiano nito de conjuntos enumeraveis e enumeravel.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 18
Demonstrac~ao. SejasY
k=1
Ak o produto cartesiano dos conjuntos Ak enumeraveis,
ent~ao para cada k existe uma func~ao fk : N ! Ak que e sobrejetiva, ent~ao denimos afunc~ao f : N s !
sYk=1
Ak dada por
f(xk)s1 = (fk(xk))
s1
,isto e,
f(x1; ; xs) = (f1(x1); ; fs(xs))
como tal func~ao e sobrejetiva e N s e enumeravel segue quesY
k=1
Ak e enumeravel.
Corolario 5. Se X e nito e Y e enumeravel, ent~ao F (X; Y ) e enumeravel. Basta
considerar o caso de X = In, ent~ao F (X; Y ) =nY
k=1
Y = Y n, que e enumeravel.
Quest~ao 20-b)
Propriedade 23. Para cada f : N ! N seja Af = fn 2 N j f(n) 6= 1g: O conjunto Mdas func~oes, f : N ! N tais que Af e nito e um conjunto enumeravel.
Demonstrac~ao. Seja Bn o conjunto das f : N ! N , tais que jAf j = n; va-mos mostrar inicialmente que Bn e enumeravel. Cada f : N ! N e uma seque^ncia(f(1); f(2); f(3); ; f(n); ), os elementos de Bn s~ao as seque^ncias que diferem da uni-dade em exatamente n valores. Para cada elemento f de Bn temos n termos diferentes
de 1, que ser~ao simbolizados por
f(k1); f(k2); ; f(kn) onde k1 < k2 < < kndenimos g : Bn ! Nn como
g(f) = (pf(k1)k1
; pf(k2)k2
; ; pf(kn)kn )
onde cada pt e o t-esimo primo. A func~ao denida dessa forma e injetora, pois se vale
g(f) = g(h) ent~ao
(pf(k1)k1
; pf(k2)k2
; ; pf(kn)kn ) = (qf(k01)k01
; qf(k02)k02
; ; qf(k0n)k0n )
por unicidade de fatorac~ao em primos segue que qt = pt e kt = k0t 8 t.
Agora escrevemos M =1[k=1
Bk e uma uni~ao enumeravel de conjuntos enumeraveis,
portanto o conjunto das func~oes f : N ! N tais que Af e nito e enumeravel.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 19
1.2.20 Quest~ao 21
Exemplo 4. Exprimir N =1[k=1
Nk onde os conjuntos s~ao innitos e dois a dois disjuntos.
Tome Nk+1 = fpkk ; k 2 N onde pk o k-esimo primog e N1 = N n1[k=2
Nk, cada um
deles e innito, s~ao disjuntos e sua uni~ao da N .
1.2.21 Quest~ao 22
Exemplo 5. f : N N ! N denida como f(m;n) = 2m1(2n 1) e uma bijec~ao.Dado um numero natural n qualquer, podemos escrever esse numero como produto dos
seus fatores primos
n =nY
k=1
pkk = 21 :
nYk=2
pkk
como os primos maiores que 2 s~ao mpares e o produto de mpares e um numero mpar
ent~ao n = 2m(2n1): Agora vamos mostrar que a func~ao e injetora seja f(m;n) = f(p; q)
2m(2n 1) = 2p(2q 1)
se m 6= p os numeros ser~ao diferentes pela unicidade de fatorac~ao (2s 1 n~ao possuifatores 2 pois sempre e mpar), ent~ao devemos ter m = p, da segue que n = q e termina
a demonstrac~ao.
1.2.22 Quest~ao 23
Propriedade 24. Todo conjunto A N e enumeravel.
Demonstrac~ao. Se A e nito ent~ao A e enumeravel. Se A e innito podemos enu-
merar seus elementos da seguinte maneira x1 = minA, xn+1 = minA nn[
k=1
fxkg, da
A =1[k=1
fxkg
pois se existisse x 2 A tal que x 6= xk da teramos x > xk para todo k que e absurdo,pois nenhum conjunto innito de numeros naturais e limitado superiormente. A func~ao x
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 20
denida e injetora e sobrejetora. Vamos mostrar agora que ela e a unica bijec~ao crescente
entre A e N . Suponha outra bijec~ao crescente f : N ! A: Deve valer f(1) = x1, pois sefosse f(1) > x1 ent~ao f n~ao seria crescente. Supondo que vale f(k) = xk 8 k n 2 Nvamos mostrar que f(n + 1) = xn+1, n~ao pode valer f(n + 1) < xn+1 com f(n + 1) 2 Apois a func~ao e injetora e os possveis termos ja foram usados em f(k) com k < n + 1,
n~ao pode valer f(n + 1) > xn+1 pois se n~ao a func~ao n~ao seria crescente, ela teria que
assumir para algum valor x > n + 1 o valor de xn+1, a unica possibilidade restante e
f(n+ 1) = xn+1 o que implica por induc~ao que xn = f(n) 8n 2 N:
1.2.23 Quest~ao 24
Propriedade 25. Todo conjunto innito se decomp~oe como uni~ao de uma innidade
enumeravel de conjuntos innitos, dois a dois disjuntos.
Demonstrac~ao. Todo conjuntoX innito possui um subconjunto innito enumeravel
E = fb1; b2; ; bn; g, tomamos b2k = xk e formamos o conjuntoA = fx1; x2; ; xn; g.Denimos Bk = fxkpk ; k 2 Ng, onde pk e o k-esimo primo e B0 = A n
1[k=1
Bk, cada um
desses conjuntos B0; B1; e innito e todos s~ao disjuntos, vale A =1[k=0
Bk , denimos
B1 = (E [ X) n A que e innito e n~ao possui elemento e disjunto com todo outro Bk,com isso temos
X =1[
k=1Bk
que e uma uni~ao enumeravel de conjuntos innitos disjuntos.
1.2.24 Quest~ao 25
Denic~ao 2 (Func~ao caracterstica). Sejam um conjunto A e V um subconjunto qualquer
de A, denimos
Cv(t) = 0 se x =2 V
Cv(t) = 1 se x 2 V
Propriedade 26. Sejam X; Y A: Valem as propriedades.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 21
Cx\y = CxCy
Cx[y = Cx + Cy Cx\y e Cx\y = 0, X \ Y = ;:
Se X Y , Cx Cy:
CAnX = 1 Cx:
Demonstrac~ao.
Cx\y = CxCy. Temos dois casos a analisar, se t 2 X \ Y ent~ao
Cx\y(t) = 1 = Cx(t)| {z }1
Cy(t)| {z }1
;
se t =2 X \ Y podemos supor t =2 Y ent~ao
Cx\y(t) = 0 = Cx(t)Cy(t)| {z }0
:
Cx[y = Cx + Cy Cx\y e Cx\y = 0, X \ Y = ;:Analisamos tre^s casos.
1. Se t 2 X \ Y ent~ao Cx[y(t) = 1, Cx(t) +Cy(t)Cx\y(t) = 1 + 1 1 = 1, logovale a igualdade.
2. Se t =2 X \ Y e t 2 X ( sem perda de generalidade), ent~ao Cx[y(t) = 1,Cx(t) + Cy(t) Cx\y(t) = 1 + 0 0 = 1, logo vale a igualdade.
3. Agora o ultimo caso, se t =2 X; Y , Cx[y(t) = 0 e Cx(t) + Cy(t) Cx\y(t) =0 + 0 0 = 0, valendo novamente a igualdade.
Cx[y = Cx + Cy , Cx\y = 0 , Cx\y(t) = 0 8t 2 A, isso signica que X e Y s~aodisjuntos.
Se X Y , Cx Cy: )): Analisamos tre^s casos
1. t =2 Y e t =2 Y da t =2 x e vale Cx(t) = 0Cy(t):2. Se t 2 Y e t =2 x ent~ao Cx(t) = 0 Cy(t) = 1:3. Se t 2 Y tem-se t 2 Y da Cx(t) = 1 1 = Cy(t):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 22
Em qualquer caso vale a desigualdade.
(): Suponha que X n~ao esteja contido em Y , ent~ao existe t tal que t 2 X; t =2 Yportanto vale cx(t) = 1 e cy(t) = 0 e n~ao se verica a desigualdade.
CAnX = 1 Cx:Analisamos dois casos
1. Se t =2 X ent~ao CAnX(t) = 1 = 1 Cx(t)| {z }0
.
2. Se t 2 X CAnX(t) = 0 = 1 Cx(t)| {z }1
.
1.2.25 Quest~ao 26
Propriedade 27. O conjunto das seque^ncias crescentes de numeros naturais n~ao e enu-
meravel.
Demonstrac~ao. Seja A o conjunto das seque^ncias crescentes de numeros naturais.
Suponha que seja enumeravel, ent~ao existe uma bijec~ao x : N ! A
x1 = (y(1;1); y(2;1); y(3;1); y(4;1); )
x2 = (y(1;2); y(2;2); y(3;2); y(4;2); )...
xn = (y(1;n); y(2;n); y(3;n); y(4;n); )
vamos mostrar que existe uma seque^ncia crescente que sempre escapa a essa enu-
merac~ao, tomamos a seque^ncia s como
s = (y(1;1)+1 ; y(2;2)+y(1;1)+1 ; y(3;3)+y(2;2)+y(1;1)+1; y(4;4)+y(3;3)+y(2;2)+y(1;1)+1 ; )
denotando y(0;0) = 1 o t-esimo termo da seque^ncia acima e st =tX
k=0
y(k;k), tal seque^ncia
e crescente e ela difere de cada xt na t-esima coordenada, portanto ela n~ao pertence
a enumerac~ao, o que e absurdo, portanto o conjunto das seque^ncias crescentes e n~ao
enumeravel.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 23
1.2.26 Quest~ao 27
Propriedade 28. Sejam (N; s) e (N 0; s0) dois pares formados por um conjunto e uma
func~ao em que ambos cumprem os axiomas de Peano. Ent~ao existe uma unica bijec~ao
f : N ! N 0 tal que f(1) = 10, f(n+ 1) = f(n) + 10 e vale ainda que
f(m) + f(n) = f(m+ n)
f(m:n) = f(m)f(n)
m < n, f(m) < f(n):Demonstrac~ao. Primeiro vamos provar que f deve ser obrigatoriamente da forma
f(n) = n0 8n 2 N , por induc~ao sobre n, a propriedade vale para n = 1, suponha avalidade para n, vamos provar para n+ 1
f(n+ 1) = f(n) + 10 = n0 + 10 = s0(n) = (n+ 1)0:
Ent~ao para todo n 2 N ca provado que f(n) = n0, f e unica por construc~ao, sendotambem sobrejetora.
Vale que f(m) + f(n) = f(m + n), vamos provar por induc~ao sobre n. Para n = 1
ela vale por denic~ao da func~ao, supondo a validade para n, vamos provar para n+1
f((m+ n) + 1) = f(m+ n) + f(1) = f(m) + (f(n) + f(1)) = f(m) + f(n+ 1)
logo ca provada a propriedade. f e injetiva, pois se houvessem dois valores distintos
m > n tais que f(m) = f(n) ent~ao existe p 2 N tal que n + p = m, aplicando afunc~ao temos f(n) + f(p) = f(m) = f(n), isto e n0 + p0 = n0 ent~ao n0 > n0 o que e
absurdo, portanto a func~ao e injetiva.
f(m:n) = f(m)f(n). Por induc~ao sobre n, para n = 1 ela vale. Suponha validade
para n, vamos provar para n+ 1
f(m:(n+ 1)) = f(mn+m) = f(m)f(n) + f(m) = f(m)[f(n) + 1] = f(m)f(n+ 1)
como queramos provar.
m < n, f(m) < f(n): )): Se vale m < n ent~ao existe p 2 N tal que m+ p = n eda aplicando f tem-se m0 + p0 = n0 o que implica n0 > m0, isto e, f(n) > f(m):
() Da mesma forma se f(m) < f(n) ent~ao m0 < n0 e da existe p0 tal que m0+ p0 =n0 ) f(m+ p) = f(n) que por injetividade segue m+ p = n, portanto n > m:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 24
1.3 Captulo 3 -Numeros reais
1.3.1 Quest~ao 1
Quest~ao 1-1
Primeiro provamos um lema, depois a quest~ao pedida.
Propriedade 29.
a
d+c
d=a+ c
d:
Demonstrac~ao.
a
d+c
d= d1a+ d1c = d1(a+ c) =
a+ c
d
por distributividade do produto em relac~ao a soma.
Propriedade 30.
a
b+c
d=ad+ bc
bd:
Demonstrac~ao.
a
b+c
d=a
b
d
d+c
d
b
b=ad
bd+cb
db=ad+ bc
bd:
Quest~ao 1-2
Propriedade 31.
a
b:c
d=ac
bd:
Demonstrac~ao.
a
b:c
d= a:b1:c:d1 = ac:b1:d1 = ac:(bd)1 =
ac
bd:
1.3.2 Quest~ao 2
Quest~ao 2-1
Propriedade 32. Para todo m inteiro vale
am:a = am+1:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 25
Demonstrac~ao. Para m natural vale pela denic~ao de pote^ncia, agora para m =
n; n > 0 2 N um inteiro vamos provar an:a = an+1. Para n = 1 temos
a1a = a1+1 = a0 = 1:
Vamos provar agora para n > 1; n 1 > 0
an = (an)1 = (an1a)1 = an+1a1
multiplicando por a de ambos lados an:a = an+1 como queramos demonstrar.
Propriedade 33.
am:an = am+n:
Demonstrac~ao. Primeiro seja m um inteiro qualquer e n natural, vamos provar a
identidade por induc~ao sobre n, para n = 0 vale
am:a0 = am = am+0
para n = 1 vale
ama1 = ama = am+1:
Supondo valido para n
am:an = am+n
vamos provar para n+ 1
am:an+1 = am+n+1
temos
am:an+1 = amana = am+n:a = am+n+1 :
Agora para n com n natural , sem e natural temos que a propriedade ja foi demonstrada
aman = amn
se m e inteiro negativo temos
aman = amn
pois o inverso de aman e aman = am+n propriedade que ja esta provada por m e nserem naturais e amnanm = 1 por unicidade do inverso de = aman = am+n e aman
logo ca provado para n e m inteiros. Para pote^ncia negativa n podemos fazer como sesegue
aman = (am)1(an)1 = (aman)1 = (am+n)1 = amn:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 26
Quest~ao 2-2
Propriedade 34.
(am)n = amn
para m e n inteiros.
Demonstrac~ao. Primeiro por induc~ao para m inteiro e n natural
(am)0 = 1 = am:0
(am)1 = am = am:1:
Supondo valido para n
(am)n = amn
vamos provar para n+ 1
(am)n+1 = am(n+1)
temos pela denic~ao de pote^ncia e pela hipotese da induc~ao que
(am)n+1 = (am)nam = amnam = amn+m = am(n+1)
onde usamos a propriedade do produto de pote^ncia de mesma base. Para n inteiro negativo
(am)n = ((am)n)1 = (amn)(1) = amn:
1.3.3 Quest~ao 3
Exemplo 6. Sexkyk
=xsys
para todos k; s 2 In, num corpo K, prove que dados, ak 2
K; k 2 In tais quenX
k=1
akyk 6= 0 tem-se
nPk=1
akxk
nPk=1
akyk
=x1y1:
Chamandox1y1
= p temosxkyk
= p logo xk = pyk e a soma
nXk=1
akxk = pnX
k=1
akyk
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 27
logonP
k=1
akxk
nPk=1
akyk
= p =x1y1
:
1.3.4 Quest~ao 4
Denic~ao 3 (Homomorsmo de corpos). Sejam A;B corpos. Uma func~ao f : A ! Bchama-se um homomorsmo quando se tem
f(x+ y) = f(x) + f(y)
f(x:y) = f(x):f(y)
f(1A) = 1B
para quaisquer x; y 2 A: Denotaremos nesse caso as unidades 1A e 1B pelos mesmossmbolos e escrevemos f(1) = 1.
Propriedade 35. Se f e homomorsmo ent~ao f(0) = 0:
Demonstrac~ao. Temos
f(0 + 0) = f(0) + f(0) = f(0)
somando f(0) a ambos lados segue
f(0) = 0:
Propriedade 36. Vale f(a) = f(a):
Demonstrac~ao. Pois
f(a a) = f(0) = 0 = f(a) + f(a)
da f(a) = f(a):
Corolario 6.
f(a b) = f(a) + f(b) = f(a) f(b):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 28
Propriedade 37. Se a e invertvel ent~ao f(a) e invertvel e vale f(a1) = f(a)1:
Demonstrac~ao.
f(a:a1) = f(1) = 1 = f(a):f(a1)
ent~ao pela unicidade de inverso em corpos segue que f(a)1 = f(a1):
Propriedade 38. f e injetora.
Demonstrac~ao. Sejam x; y tais que f(x) = f(y), logo f(x) f(y) = 0, f(x y) = 0,se x 6= y ent~ao x y seria invertvel logo f(x y) n~ao seria nulo, ent~ao segue que x = y:
Propriedade 39. Se f : A ! B com f(x + y) = f(x) + f(y) e f(x:y) = f(x)f(y) parax; y arbitrarios, ent~ao f(x) = 0 8x ou f(1) = 1:
Demonstrac~ao. f(1) = f(1:1) = f(1)f(1), logo f(1) = f(1)2 por isso f(1) = 1 ou
f(1) = 0: Se f(1) = 0 ent~ao f(x:1) = f(x)f(1) = 0, f(x) = 0 8x.
1.3.5 Quest~ao 5
Propriedade 40. Se f : Q! Q e um homomorsmo ent~ao f(x) = x 8x 2 Q:
Demonstrac~ao. Vale que f(x + y) = f(x) + f(y), tomando x = kh e y = h xo,
tem-se
f((k + 1)h) f(kh) = f(h)
aplicamos a soman1Xk=0
de ambos lados, a soma e telescopica e resulta em
f(nh) = nf(h)
tomando h = 1 segue que f(n) = n, tomando h =p
nsegue
f(np
n) = f(p) = p = nf(
p
n)) f(p
n) =
p
n:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 29
1.3.6 Quest~ao 6
1.3.7 Quest~ao 7
1.3.8 Quest~ao 8
Propriedade 41. Seja K um conjunto onde valem todos os axiomas de corpo, exceto a
existe^ncia de inverso multiplicativo. Seja a 6= 0. f : K ! K com f(x) = ax e bijec~ao, 9 a1 2 K:
Demonstrac~ao. )): A func~ao e sobrejetora logo existe x tal que f(x) = 1 = axportanto a e invertvel com a1 = x 2 K:
(): Dado qualquer y 2 K tomamos x = ya1 da f(x) = aa1y = y e a func~ao esobrejetiva. f tambem e injetiva, pois se f(x1) = f(x2), ax1 = ax2 implica por lei do
corte que x1 = x2:. Em geral f e injetiva , vale a lei do corte por essa observac~ao.
Propriedade 42. Seja K nito. Vale a lei do corte em A , existe inverso para cadaelemento n~ao nulo de K,
Demonstrac~ao. )): Se vale a lei do corte, pela propriedade anterior tem-se que paraqualquer a 6= 0 em K, f : K ! K com f(x) = ax e injetiva, como f e injetiva de K emK que e um conjunto nito, ent~ao f e bijetiva, o que implica a ser invertvel.
(): A volta e trivial pois existe^ncia de inverso implica lei do corte.
1.3.9 Quest~ao 9
Exemplo 7. O conjunto dos polino^mios de coeciente racionais Q[t] n~ao e um corpo, pois
por exemplo o elemento x n~ao possui inverso multiplicativo, se houvesse haverianX
k=0
akxk
tal que xnX
k=0
akxk = 1 =
nXk=0
akxk+1 o que n~ao e possvel pois o coeciente do termo
independente x0 e zero emnX
k=0
akxk+1 e deveria ser 1.
O conjunto dos inteiros Z n~ao e um corpo, pois n~ao possui inverso multiplicativo para
todo elementos, por exemplo n~ao temos o inverso de 2:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 30
1.3.10 Quest~ao 10
Propriedade 43. Dados x; y 2 R, x2 + y2 = 0 , x = y = 0:
Demonstrac~ao. )):Suponha que x 6= 0, ent~ao x2 > 0 e y2 0 de onde segue quex2+y2 > 0 , absurdo ent~ao deve valer x2 = 0) x = 0 logo temos tambem y2 = 0) y = 0;portanto x = y = 0.
(): Basta substituir x = y = 0 resultando em 0.
1.3.11 Quest~ao 11
Exemplo 8. A func~ao f : K+ ! K+ com f(x) = xn, n 2 N e crescente. Sejam x > y > 0ent~ao xn > yn pois xn =
nYk=1
x >nY
k=1
y = yn, por propriedade de multiplicac~ao de positivos.
Se f : Q+ ! Q+, Q+ o conjunto dos racionais positivos, ent~ao f n~ao e sobrejetiva paran = 2, pois n~ao existe x 2 Q tal que x2 = 2 2 Q+:
f(K+) n~ao e um conjunto limitado superiormente de K, isto e, dado qualquer x 2 Kexiste y 2 K+ tal que yn > x: O limitante superior do conjunto, se existisse, n~ao poderiaser um numero negativou ou zero, pois para todo y positivo tem-se yn positivo, que e maior
que 0 ou qualquer numero negativo. Suponha que x positivo seja, tomando y = x + 1
temos yn = (x+ 1)n 1 + nx > x, logo f(K+) n~ao e limitado superiormente.
1.3.12 Quest~ao 12
Propriedade 44. Sejam X um conjunto qualquer e K um corpo, ent~ao o conjunto
F (X;K) munido de adic~ao e multiplicac~ao de func~oes e um anel comutativo com uni-
dade, n~ao existindo inverso para todo elemento. Lembrando que em um anel comu-
tativo com unidade temos as propriedades, associativa, comutativa, elemento neutro e
existe^ncia de inverso aditivo, para adic~ao. valendo tambem a comutatividade, associati-
vidade, existe^ncia de unidade 1 para o produto e distributividade que relaciona as duas
operac~oes.
Demonstrac~ao.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 31
Vale a associatividade da adic~ao
((f + g) + h)(x) = (f(x) + g(x)) + h(x) = f(x) + (g(x) + h(x)) = (f + (g + h))(x)
Existe elemento neutro da adic~ao 0 2 K e a func~ao constante 0(x) = 0 8 x 2 K, da
(g + 0)(x) = g(x) + 0(x) = g(x):
Comutatividade da adic~ao
(f + g)(x) = f(x) + g(x) = g(x) + f(x) = (g + f)(x)
Existe a func~ao simetrica, dado g(x), temos f com f(x) = g(x) e da
(g + f)(x) = g(x) g(x) = 0:
Vale a associatividade da multiplicac~ao
(f(x):g(x)):h(x) = f(x):(g(x):h(x))
Existe elemento neutro da multiplicac~ao 1 2 K e a func~ao constante I(x) = 1 8 x 2K, da
(g:I)(x) = g(x):1 = g(x):
Comutatividade da multiplicac~ao
(f:g)(x) = f(x)g(x) = g(x)f(x) = (g:f)(x)
Por ultimo vale a distributividade (f(g + h))(x) = f(x)(g(x) + h(x)) = f(x)g(x) +
f(x)h(x) = (f:g + f:h)(x):
N~ao temos inverso multiplicativo para toda func~ao, pois dada uma func~ao, tal que
f(1) = 0 e f(x) = 1 para todo x 6= 1 em K, n~ao existe func~ao g tal que g(1)f(1) = 1,pois f(1) = 0, assim o produto de f por nenhuma outra func~ao gera a identidade.
1.3.13 Quest~ao 13
Propriedade 45. Sejam x; y > 0 . x < y , x1 > y1:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 32
Demonstrac~ao. )): Como y > x e x1 e y1 s~ao positivos, multiplicamos a desi-gualdade por x1y1 em ambos lados x1y1y > x1y1x implicando x1 > y1, ent~ao
se y > x temos1
x>
1
y:
(): Se x1 > y1 . x; y s~ao positivos, multiplicamos a desigualdade por xy em amboslados, de onde segue que y > x.
1.3.14 Quest~ao 14
Propriedade 46. Sejam a > 0 em K e f : Z ! K com f(n) = an. Nessas condic~oes fe crescente se a > 1, decrescente se a < 1 e constante se a = 1:
Demonstrac~ao. Para qualquer n 2 Z vale f(n+ 1) f(n) = an+1 an = an(a 1),an e sempre positivo, ent~ao o sinal da diferenca depende do sinal de a 1: Se a = 1 valef(n+ 1) = f(n) 8 n 2 Z logo f e constante, se a 1 < 0; a < 1 ent~ao f(n+ 1) f(n) 0; a > 1 ent~ao f(n+1) > f(n)e a func~ao e crescente.
Perceba que as propriedades citadas valem para todo n 2 Z, por exemplo no caso dea > 1 temos
< f(4) < f(3) < f(2) < f(1) < f(0) < f(1) < f(2) < f(3) < < f(n) < f(n+1) < analogamente para os outros casos.
1.3.15 Quest~ao 15
Exemplo 9. Para todo x 6= 0 real, prove que (1 + x)2n > 1 + 2nx:Se x > 1 tomamos a desigualdade de bernoulli com 2n no expoente. Se x < 1 vale
1 + x < 0 porem elevando a uma pote^ncia par resulta num numero positivo, por outro
lado 2nx < 2n logo 1+2nx < 12n < 0 ent~ao (1+x)2n e positivo e 1+2nx e negativo,logo nesse caso vale (1 + x)2n > 1 + 2nx :
1.3.16 Quest~ao 16
Exemplo 10. Se n 2 N e x < 1 ent~ao (1 x)n 1 nx, pois de x < 1 segue quex > 1 e da aplicamos a desigualdade de Bernoulli (1 + y)n 1 + ny com y = x.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 33
1.3.17 Quest~ao 17
Corolario 7. Se a e a+ x s~ao positivos, ent~ao vale
(a+ x)n an + nan1x:
Poisa+ x
a= (1 +
x
a) > 0 ent~ao podemos aplicar a desigualdade de Bernoulli (1 + y)n
1 + ny com y =x
a, resultando em
(a+ x)n an + nan1x:
Se a 6= 0, arbitrario em R, podendo agora ser negativo, substitumos y = xa
em
(1 + x)2n > 1 + 2nx: chegando na desigualdade
(a+ x)2n > a2n + a2n12nx:
Se valex
a< 1 ent~ao da desigualdade (1 y)n 1 ny, novamente tomamos y = x
ade onde segue
(a x)n an an1nx:
1.3.18 Quest~ao 18
Propriedade 47. Sejam seque^ncias (ak) , (bk) em um corpo ordenado K onde cada bk e
positivo, sendoa1b1
o mnimo eanbn
o maximo dos termos da seque^ncia de termoakbk
ent~ao
vale
a1b1
nPk=1
ak
nPk=1
bk
anbn:
Demonstrac~ao. Para todo k valea1b1 ak
bk an
bn) bk a1
b1 ak bk an
bnpois bk > 0,
aplicamos a somanX
k=1
em ambos lados, de onde segue
nXk=1
bka1b1
nXk=1
ak nX
k=1
bkanbn
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 34
dividindo pornX
k=1
bk que e positivo, temos nalmente
a1b1
nPk=1
ak
nPk=1
bk
anbn:
1.3.19 Quest~ao 19
Propriedade 48 (Multiplicatividade).
jajjbj = ja:bj
para a e b reais quaisquer.
Demonstrac~ao. Vale que jx:yj2 = (x:y)2 = x2y2 e (jxjjyj)2 = jxj2jyj2 = x2:y2 osquadrados desses numeros s~ao iguais e eles s~ao n~ao negativos, ent~ao segue que jx:yj =jxjjyj:
Demonstrac~ao.[2] ja:bj =p(a:b)2 =
pa2:b2 =
pa2:pb2 = jajjbj:
Propriedade 49. Se x 6= 0 ent~ao j1xj = 1jxj :
Demonstrac~ao. Vale jxjj1xj = jx
xj = 1 da j1
xj e inverso de jxj, sendo 1jxj :
Corolario 8 (Preserva divis~ao).
jxyj = jxjjyj :
1.3.20 Quest~ao 20
Propriedade 50.nY
k=1
jakj = jnY
k=1
akj
Demonstrac~ao. Por induc~ao, para n = 1 vale, supondo para n numeros
nYk=1
jakj = jnY
k=1
akj
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 35
vamos provar para n+ 1n+1Yk=1
jakj = jn+1Yk=1
akj
temos
n+1Yk=1
jakj =nY
k=1
jakj:jan+1j = jnY
k=1
akjjan+1j = jnY
k=1
akan+1j = jn+1Yk=1
akj :
Propriedade 51 (Desigualdade triangular generalizada). Sejam g(k) denida para k
inteiro ,a; b 2 Z, ent~ao valej
bXk=a
g(k)j bX
k=a
jg(k)j:
Demonstrac~ao. Para cada k vale
jg(k)j g(k) jg(k)j
aplicando o somatorio em ambos lados segue
bX
k=a
jg(k)j bX
k=a
g(k) bX
k=a
jg(k)j
que implica
jbX
k=a
g(k)j jbX
k=a
jg(k)jj =bX
k=a
jg(k)j
pois os termos jg(k)j somados s~ao n~ao negativos ,logo a soma desses termos e n~ao-negativae o modulo da soma e igual a soma.
Propriedade 52. A identidade que provamos acima vale para numeros reais, vamos
provar agora por induc~ao que se vale jz + wj jzj+ jwj para quaisquer z; w ent~ao vale
jnX
k=1
zkj nX
k=1
jzkj
de maneira que possa ser usada para numeros complexos , normas e outras estruturas que
satisfazem a desigualdade triangular.
Demonstrac~ao.[2] Por induc~ao sobre n, para n = 1 tem-se
j1X
k=1
zkj = jz1j 1X
k=1
jzkj = jz1j
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 36
logo vale. Supondo a validade para n
jnX
k=1
zkj nX
k=1
jzkj
vamos provar para n+ 1
jn+1Xk=1
zkj n+1Xk=1
jzkj:
Da hipotese da induc~ao somamos jzn+1j em ambos lados, logo
jn+1Xk=1
zkj = jzn+1 +nX
k=1
zkj jzn+1j+ jnX
k=1
zkj n+1Xk=1
jzkj
Vejamos outras1 demonstrac~oes da desigualdade triangular
1.3.21 Quest~ao 22
Vamos resolver um caso mais geral do problema.
Denic~ao 4 (Mediana). Dada uma seque^ncia nita (yk)n1 seus termos podem ser rear-
ranjados para forma uma seque^ncia n~ao-decrescente (xk)n1 . A mediana eX e denida da
seguinte maneira
Se n e mpar eX = xn+12.
Se n e par eX = xn2+1 + xn22
.
Exemplo 11. Seja (xk)n1 uma seque^ncia crescente f : R ! R com f(x) =
nXk=1
jx xkj.Se x < x1 ent~ao
f(x) = nx+nX
k=1
xk
logo f e decrescente para x < x1. Tomando x > xn
f(x) = nxnX
k=1
xk
logo f e crescente para x > xn:
1Essas demonstrac~oes aprendi com Pedro Kenzo, obrigado por compartilhar as soluc~oes.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 37
Seja agora x 2 [xt; xt+1), t variando de 1 ate n 1
f(x) =tX
k=1
(x xk)nX
k=t+1
(x xk) = (2t n)x+tX
k=1
xk nX
k=t+1
xk
portanto a func~ao e decrescente se t
n
2, de t = 1 ate t = bn
2c
em cada intervalo [xt; xt+1) a func~ao e decrescente, sendo bn2c segmentos decrescentes, de
t = bn2c+ 1 ate n 1, temos n 1 bn
2c segmentos crescentes.
Se n e mpar f e decrescente em [xbn2c; xbn
2c+1) e crescente em [xbn
2c+1; xbn
2c+2) logo
o ponto xbn2c+1 = xn+1
2e o unico ponto de mnimo.
Se n e par a func~ao e constante em [xn2; xn
2+1), todos os pontos desse intervalo s~ao
pontos de mnimo. Em especial o pontoxn
2+ xn
2+1
2e ponto de mnimo.
Conclumos que um ponto de mnimo acontece sempre na mediana da seque^ncia.
Exemplo 12. Achar o mnimo da func~ao f(x) =nX
k=1
jx kj para n mpar e para n par.Trocando n por 2n temos que o mnimo acontece no ponto x 2n
2= xn = n, substitumos
ent~ao tal valor na func~ao
2nXk=1
jn kj =nX
k=1
jn kj+2nX
k=n+1
jn kj =nX
k=1
(n k) +2nX
k=n+1
(n+ k) =
=nX
k=1
(n k) +nX
k=1
(k) =nX
k=1
n = n:n = n2:
portanto o mnimo de2nXk=1
jx kj e n2:
minfjx 1j+ jx 2jg = 1
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3j+ jx 4jg = 4
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3j+ jx 4j+ jx 5j+ jx 6jg = 9
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3j+ jx 4j+ jx 5j+ jx 6j+ jx 7j+ jx 8jg = 16.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 38
Agora para n mpar, trocamos n por 2n + 1 o mnimo acontece no ponto x (2n+1)+12
=
xn+1 = n+ 1, aplicando na func~ao temos
2n+1Xk=1
jn+1kj =n+1Xk=1
jn+1kj+2n+1Xk=n+2
jn+1kj =n+1Xk=1
(n+1k)+2n+1Xk=n+2
(n+1)+k =
=nX
k=1
(n+ 1 k) +nX
k=1
k =nX
k=1
(n+ 1) = n(n+ 1):
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3jg = 2
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3j+ jx 4j+ jx 5jg = 6
minfjx 1j+ jx 2j+ jx 3j+ jx 4j+ jx 5j+ jx 6j+ jx 7jg = 12
minfjx1j+jx2j+jx3j+jx4j+jx5j+jx6j+jx7j+jx8j+jx9jg = 20.
1.3.22 Quest~ao 23
Propriedade 53. ja bj < ") jaj < jbj+ ":
Demonstrac~ao. Partindo da desigualdade ja bj < ", somamos jbj a ambos lados
ja bj+ jbj < "+ jbj
e usamos agora a desigualdade triangular
jaj ja bj+ jbj < "+ jbj
da segue
jaj "+ jbj:
Da mesma forma vale se jabj < " ent~ao jbj "+jaj ) jbj" jaj e com jaj "+jbj:temos
jbj " jaj "+ jbj:
Vimos que ja bj < " implica jaj < jbj+ ", mas como a jaj segue a < jbj+ ":
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 39
1.3.23 Quest~ao 24
Propriedade 54. Dado um corpo ordenado K , s~ao equivalentes
1. K e arquimediano.
2. Z e ilimitado superiormente e inferiormente.
3. Q e ilimitado superiormente e inferiormente.
Demonstrac~ao.
1) 2. N Z ent~ao Z e ilimitado superiormente. Suponha por absurdo que Z sejalimitado inferiormente, ent~ao existe a 2 K tal que a < x 8x 2 Z, logo a > x,porem existe n natural tal que n > a) n|{z}
2Z< a o que contraria a hipotese.
2) 3 . Z Q portanto Q e ilimitado superiormente e inferiormente.
3 ) 1 . Para todo y 2 K existe ab2 Q com a; b > 0 naturais tal que a
b> y,
da a > yb, podemos tomar y =x
b, logo a > x; a 2 N , portanto N e ilimitado
superiormente e o corpo e arquimediano.
1.3.24 Quest~ao 25
Propriedade 55. Seja K um corpo ordenado. K e arquimediado, 8" > 0 em K existen 2 N tal que 1
2n< ":
Demonstrac~ao.
)): Como K e arquimediano, ent~ao 8" > 0 existe n 2 N tal que n > 1") n + 1 >
n >1
"por desigualdade de Bernoulli temos 2n > n+ 1 >
1
") 1
2n< ":
(): Se 8" > 0 em K existe n 2 N tal que 12n
< ", tomamos " =1
x, x > 0 arbitrario
ent~ao x < 2n, com 2n = m 2 N ent~ao K e arquimediano, N n~ao e limitado superiormente.
1.3.25 Quest~ao 26
Propriedade 56. Seja a > 1, K corpo arquimediano, f : Z ! K com f(n) = an, ent~ao
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 40
f(Z) n~ao e limitado superiormente.
inf(F (Z)) = 0:
Demonstrac~ao.
Vale que a > 1 ent~ao a = p + 1 onde p > 0, por desigualdade de Bernoulli temos
(p + 1)n 1 + pn. 8 x > 0 2 K existe n tal que n > xp) pn > x ) (p + 1)n
1 + pn > x, logo f(Z) n~ao e limitado superiormente.
0 e cota inferior de f(Z) pois vale 0 < an 8n 2 Z. Suponha que exista x tal que0 < x < am 8 m 2 Z, sabemos que existe n 2 N tal que an > 1
xda x >
1
an= an,
absurdo, ent~ao 0 deve ser o nmo.
1.3.26 Quest~ao 27
Propriedade 57. Se s e irracional e u 6= 0 e racional ent~ao u:s e irracional.
Demonstrac~ao. Suponha que s e irracional e u:s seja racional, ent~ao u:s =p
qcom
p 6= 0 e q 6= 0 inteiros e como u 6= 0 e racional ele e da forma u = jv, j 6= 0 e v 6= 0,
inteiros, logoj
vs =
p
q
multiplicando porv
jambos lados segue
s =p:v
j:q
que e um numero racional, logo chegamos a um absurdo.
Propriedade 58. Se s e irracional e t racional, ent~ao s+ t e irracional.
Demonstrac~ao. Suponha s + t racional, ent~ao s + t =p
qda s =
p
q t que seria
racional por ser diferenca de dois racionais, um absurdo ent~ao segue que s+ t e irracional.
Exemplo 13. Existem irracionais a e b tais que a + b e a:b sejam racionais. Exemplos
a = 1 +p5 , b = 1
p5 da a+ b = 2 e a:b = 1 5 = 4:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 41
1.3.27 Quest~ao 28
Propriedade 59. Sejam a; b; c; d racionais ent~ao
a+ bp2 = c+ d
p2, a = c e b = d:
Demonstrac~ao.
(): Se a = c e b = d a temos a+ bp2 = c+ d
p2.
)): Suponha a + bp2 = c + d
p2 ent~ao a c =
p2(d b), se d = b ent~ao a = c e
terminamos, se n~ao vale quea cd b =
p2
o que e absurdo poisp2 e irracional.
1.3.28 Quest~ao 29
Exemplo 14. O conjunto da forma fx + yppg onde x e y s~ao racionais e subcorpo dosnumeros reais.
O elemento neutro da adic~ao 0 pertence ao conjunto. Pois 0 = 0 + 0pp
O elemento neutro da multiplicac~ao 1 pertence ao conjunto. Pois 1 = 1 + 0pp
A adic~ao e fechada. Pois x+ ypp+ z + w
pp = x+ z + (y + w)
pp:
O produto e fechado. Pois (x+ ypp)(z + w
pp) = xz + xw
pp+ yz
pp+ y:wp:
Dado x 2 A implica x 2 A. Pois dado x+ ypp temos o simetrico x ypp:
Dado x 6= 0 2 A tem-se x1 2 A: Pois dado x+ ypp temos inverso
x yppx2 y2p
como inverso multiplicativo.
Exemplo 15. O conjunto dos elementos da forma a + b onde =3p2 n~ao e um corpo
pois o produto n~ao e fechado, vamos mostrar que 2 n~ao pertence ao conjunto.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 42
Suponha que 2 = a+b ent~ao 3 = a+b2 = 2 substituindo a primeira na segunda
temos que
a+ b(a+ b) = a + ab+ b2 = (b2 + a) + ab = 2) (b2 + a) = 2 ab
se b2 + a 6= 0 ent~ao = 2 abb2 + a
o que e absurdo pois e irracional, ent~ao devemos ter
a = b2, multiplicamos a express~ao a + b2 = 2 por , de onde segue a2 + 2b = 2,substituindo 2 = a+ b nessa ultima temos
a(a+ b) + 2b = a2 + ab + 2b = 2) (2 ab) = 2b+ a2
se 2 6= ab chegamos num absurdo de = 2b+ a2
2 ab , temos que ter ent~ao 2 = ab e a = b2
de onde segue 2 = b3, porem n~ao existe racional que satisfaz essa identidade, da n~aopodemos escrever 2 da forma a+b com a e b racionais, portanto o produto de elementos
n~ao e fechado e assim n~ao temos um corpo.
1.3.29 Quest~ao 30
Propriedade 60. Sejam a; b 2 Q+: pa+pb e racional , pa e
pb s~ao racionais.
Demonstrac~ao.
)):Se a = b ent~ao 2
pa 2 Q o que implica pa =
pb 2 Q: Agora o caso de a 6= b:
Suponha quepa+
pb e racional ent~ao seu inverso tambem racional , que e
papba b ,
dapa
pb 2 Q , a soma (pa+
pb) + (
pa
pb) = 2
pa 2 Q logo pa 2 Q, a diferenca
de numeros racionais tambem e um numero racional (pa+
pb)pa =
pb, portanto
pa
epb s~ao racionais.
(): A volta vale pois a soma de racionais e um racional.
1.3.30 Quest~ao 31
Propriedade 61. Sejam A R n~ao vazio limitado e c 2 R, ent~ao
1. c sup(A), 8 " > 0 9 x 2 A tal que c " < x:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 43
2. c inf(A), 8 " > 0 9 x 2 A tal que c+ " > x:
Demonstrac~ao.
1. )): Para todo " > 0 vale que c " < sup(A). Dado " > 0 xo, se n~ao existissex 2 A tal que c " < x ent~ao c " seria cota superior menor que o supremo, o quee absurdo, contraria o fato do supremo ser a menor das cotas superiores.
(): Suponha por absurdo que fosse c > sup(A), poderamos tomar c sup(A) = "da c c+ sup(A) = sup(A) < x o que e absurdo.
2. )): Para todo " > 0 vale que c + " < inf(A). Dado " > 0 xo, se n~ao existissex 2 A tal que c+ " > x ent~ao c+ " seria cota superior menor que o nmo, o que eabsurdo, contraria o fato do nmo ser a menor das cotas inferiores.
(): Suponha por absurdo que fosse c < inf(A), poderamos tomar inf(A) c = "da x < c+ inf(A) c = inf(A) o que e absurdo.
1.3.31 Quest~ao 32
Exemplo 16. Seja A = f 1nj n 2 Ng . Mostre que inf A = 0: Sabemos que 0 e uma cota
inferior, agora vamos mostrar que 0 e a menor delas. Dado 0 < x, x n~ao pode ser cota
inferior, pois existe n natural tal que1
n< x, logo 0 e o nmo.
1.3.32 Quest~ao 33
Propriedade 62. Se A e limitado inferiormente e B A ent~ao inf(A) inf(B):
Demonstrac~ao. infA e cota inferior de A, logo tambem e cota inferior de B, sendo
cota inferior de B vale infA infB, pois inf B e a maior cota inferior de B.
Propriedade 63. Se A e limitado superiormente e B A ent~ao sup(A) sup(B):
Demonstrac~ao. Toda cota superior de A e cota superior de B, logo o sup(A) e cota
superior de B, como sup(B) e a menor das cotas superiores de B segue que sup(A) sup(B):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 44
Corolario 9. Se A e B s~ao conjuntos limitados com B A ent~ao vale sup(A) sup(B) inf(B) inf(A) pois temos sup(A) sup(B) e inf(A) inf(B), tendo ainda quesup(B) inf(B):
1.3.33 Quest~ao 34
Propriedade 64. Sejam A;B R tais que para todo x 2 A e todo y 2 B se tenhax y. Ent~ao supA inf B:
Demonstrac~ao. Todo y 2 B e cota superior de A, logo supA y para cada y poissupA e a menor das cotas superiores, essa relac~ao implica que supA e cota inferior de B
logo supA inf B, pois inf B e a maior cota inferior.
Propriedade 65. supA = inf B , para todo " > 0 dado , existam x 2 A e y 2 B comy x < ":
Demonstrac~ao. (, usamos a contrapositiva. N~ao podemos ter inf B < supA pelapropriedade anterior, ent~ao temos forcosamente que inf B > supA, tomamos ent~ao " =
inf B supA > 0 e temos y x " para todo x 2 A e y 2 B pois y inf B esupA x de onde segue x supA, somando esta desigualdade com a de y tem-sey x inf B supA = ":
) , Se supA = inf B. Ent~ao sendo para qualquer " > 0, supA "2n~ao e cota superior
de A, pois e menor que o supA (que e a menor cota superior), da mesma maneira inf A+"
2n~ao e cota inferior de B, ent~ao existem x 2 A e y 2 B tais que
supA "2< x supA = inf B y < inf B + "
2
inf B "2< x y < inf B + "
2
de onde segue inf B "2< x, x < "
2 inf B e y < inf B + "
2somando ambas tem-se
y x < ":
1.3.34 Quest~ao 35 e 36
Propriedade 66. Se c > 0 ent~ao sup(c:A) = c: supA:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 45
Demonstrac~ao. Seja a = supA. Para todo x 2 A tem-se x a, de onde seguecx ca, assim ca e cota superior de cA: Seja d tal que d < ca ent~ao d
c< a logo
d
cn~ao e
cota superior de A, implicando a existe^ncia de pelo menos um x tal qued
c< x, d < cx
de onde segue que d n~ao e cota superior de cA, assim ca e a menor cota superior de cA
logo o supremo.
Propriedade 67. Se c > 0, inf cA = c inf A:
Demonstrac~ao.
Seja a = inf A, ent~ao vale a x para todo x, multiplicando por c segue ca cxde onde conclumos que ca e cota inferior de cA. Seja d tal que ca < d, ent~ao a ca tem-sed
c< a como a e supremo, isso signica que existe x 2 A tal que d
c< x logo d > cx,
assim esse d n~ao e cota inferior, implicando que ca e a menor cota inferior, ent~ao nmo
do conjunto.
A quest~ao 35 segue da proxima propriedade com c = 1:
Propriedade 69. Se c < 0 ent~ao sup(cA) = c inf A:
Demonstrac~ao. Seja b = inf A ent~ao vale b x para todo x 2 A, multiplicandopor c segue cb cx assim cb e cota superior de cA. Agora tome d tal que cb > d segueb d assim esse d n~ao pode ser cota
superior de cA, ent~ao cb e a menor cota superior, logo o nmo.
1.3.35 Quest~ao 37
Item I
Sejam A;B R, conjuntos limitados .
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 46
Propriedade 70. O conjunto A+B = fx+ y j x 2 A; y 2 Bg tambem e limitado.
Demonstrac~ao. Se A e limitado , existe t tal que jxj < t para todo x 2 A e se B elimitado existe u tal que jyj < u 8y 2 B: Somando as desigualdades e usando desigualdadetriangular segue jxj + jyj < u + t e jx + yj jxj + jyj < u + t logo o conjunto A + B elimitado.
Item II
Propriedade 71 (Propriedade aditiva). Vale sup(A+B) = sup(A) + sup(B):
Demonstrac~ao. Como A;B s~ao limitidados superiomente, temos supA := a e
supB := b, como vale a x e b y para todos x; y 2 A;B respectivamente segueque a+ b x+ y logo o conjunto A+B e limitado superiormente. Para todo e qualquer" > 0 existem x; y tais que
a < x+"
2; b < y +
"
2
somando ambas desigualdades-segue-se que
a+ b < x+ y + "
que mostra que a+ b e a menor cota superior, logo o supremo, ca valendo ent~ao
sup(A+B) = sup(A) + sup(B):
Item III
Propriedade 72. inf(A+B) = inf A+ inf B.
Demonstrac~ao. Sejam a = infA e b = infB ent~ao 8x; y 2 A;B tem-se a x, b yde onde segue por adic~ao a+ b x+ y, assim a+ b e cota inferior de A+B. 9x; y 2 A;Btal que 8" > 0 vale x < a + "
2e y < b +
"
2pois a e b s~ao as maiores cotas inferiores,
somando os termos das desigualdades segue x+ y < a+ b+ ", que implica que a+ b e a
maior cota inferior logo o nmo.
1.3.36 Quest~ao 38
Denic~ao 5 (Func~ao limitada). Seja A R, f : A ! R e dita limitada quando oconjunto f(A) = ff(x) j x 2 Ag, se f(A) e limitado superiormente ent~ao dizemos que f e
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 47
limitada superiormente e caso f(A) seja limitado inferiormente dizemos que A e limitado
inferiormente.
Seja uma func~ao limitada f : V ! R.
Denic~ao 6.
sup f := sup f(V ) = supff(x) j x 2 V g
Denic~ao 7.
inf f := inf f(V ) = infff(x) j x 2 V g
Propriedade 73. A func~ao soma de duas func~oes limitadas e limitada.
Demonstrac~ao. Vale jf(x)j M1 e jg(x)j M2 8x 2 A ent~ao
jf(x) + g(x)j jf(x)j+ jg(x)j M1 +M2 = M
portando a func~ao soma f + g de duas func~oes limitadas e tambem uma func~ao limitada.
Sejam f; g : V ! R func~oes limitadas e c 2 R.
Propriedade 74.
sup(f + g) sup f + sup g:
Demonstrac~ao.
Sejam
A = ff(x) j x 2 V g; B = fg(y) j y 2 V g; C = fg(x) + f(x) j x 2 V g
temos que C A+B, pois basta tomar x = y nos conjuntos, logo
sup(A+B) sup(f + g)
sup(A) + sup(B) = sup f + sup g sup(f + g)
Propriedade 75.
inf(f + g) inf(f) + inf(g):
Demonstrac~ao. De C A+B segue tomando o nmo
inf(A+B) = inf(A) + inf(B) = inf(f) + inf(g) inf(C) = inf(f + g):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 48
Exemplo 17. Sejam f; g : [0; 1]! R dadas por f(x) = x e g(x) = x
Vale sup f = 1; sup g = 0, f + g = 0 logo sup(f + g) = 0 vale ent~ao
sup f + sup g = 1 > sup(f + g) = 0:
Temos ainda inf f = 0; inf g = 1, f + g = 0, inf(f + g) = 0 logo
inf f + inf g = 1 < inf(f + g) = 0:
As desigualdades estritas tambem valem se consideramos as func~oes denidas em [1; 1],nesse caso sup f + sup g = 2 e inf f + inf g = 2 e sup(f + g) = 0 = inf(f + g):
1.3.37 Quest~ao 39
Denic~ao 8. Sejam A e B conjuntos n~ao vazios, denimos A:B = fx:y j x 2 A; y 2 Bg:
Propriedade 76. Sejam A e B conjuntos limitados de numeros positivos, ent~ao vale
sup(A:B) = sup(A): sup(B):
Demonstrac~ao. Sejam a = sup(A) e b = sup(B) ent~ao valem x a e y b; 8x 2A; y 2 B da x:y a:b, logo a:b e cota superior de A:B. Tomando t < a:b segue que t
a< b
logo existe y 2 B tal que ta< y da
t
y< a logo existe x 2 A tal que t
y< x logo t < x:y
ent~ao t n~ao pode ser uma cota superior, implicando que a:b e o supremo do conjunto.
Propriedade 77. Sejam A e B conjuntos limitados de numeros positivos, ent~ao vale
inf(A:B) = inf(A): inf(B):
Demonstrac~ao. Sejam a = inf(A) e b = inf(B) ent~ao valem x a e y b; 8x 2A; y 2 B da x:y a:b, logo a:b e cota inferior de A:B. Tomando t > a:b segue que t
a> b
logo existe y 2 B tal que ta> y da
t
y> a logo existe x 2 A tal que t
y> x logo t < x:y
ent~ao t n~ao pode ser uma cota inferior, implicando que a:b e o nmo do conjunto.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 49
1.3.38 Quest~ao 40
Propriedade 78. Sejam f; g : A! R func~oes limitadas ent~ao f:g : A! R e limitada.
Demonstrac~ao. Vale que jf(x)j < M1 e jg(x)j < M2 ent~ao jf(x)g(x)j < M1M2 =M 8 x 2 A , portanto f:g : A! R e limitada.
Propriedade 79. Sejam f; g : A! R+ limitadas superiormente, ent~ao
sup(f:g) sup(f) sup(g):
Demonstrac~ao. Sejam C = fg(x):f(x) j x 2 Ag , B = fg(y): j y 2 Ag e A =ff(x) j x 2 Ag . Vale que C A:B para ver isso basta tomar x = y nas denic~oes acima,da
sup(A:B) sup(C)sup(A) sup(B) sup(C)sup(f) sup(g) sup(f:g):
Propriedade 80. Sejam f; g : A! R+ limitadas inferiormente, ent~ao
inf(f:g) inf(f) inf(g):
Demonstrac~ao. Sejam C = fg(x):f(x) j x 2 Ag , B = fg(y): j y 2 Ag e A =ff(x) j x 2 Ag . Vale que C A:B, da
inf(A:B) inf(C)
inf(A) inf(B) inf(C)inf(f) inf(g) inf(f:g):
Exemplo 18. Sejam f; g : [1; 2] ! R dadas por f(x) = x e g(x) = 1x, vale sup f = 2,
sup g = 1 sup f: sup g = 2 e sup(f:g) = 1, pois f:g = 1 logo
sup f sup g > sup(f:g):
Da mesma maneira inf f = 1, inf g =1
2vale inf f: inf g =
1
2e inf(f:g) = 1 portanto
inf f: inf g < inf(f:g):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 50
Propriedade 81. Seja f : A! R+ limitada superiormente ent~ao sup(f 2) = (sup f)2:
Demonstrac~ao. Seja a = sup f tem-se f(x) a 8x da f(x)2 a2 ent~ao a2 ecota superior de f 2, e e a menor cota superior pois se 0 < c < a2 ent~ao
pc < a logo
existe x tal quepc < f(x) < a e da c < f(x)2 < a2 logo a2 e a menor cota superior
sup(f 2) = sup(f)2:
Propriedade 82. Seja f : A! R+ ent~ao inf(f 2) = (inf f)2:
Demonstrac~ao. Seja a = inf f tem-se f(x) a 8x da f(x)2 a2 ent~ao a2 e cotainferior de f 2, e e a maior cota inferior pois se a2 < c ent~ao a 1 natural. O conjunto
A = fmkn
2 I j m;n 2 Zg e denso em I.
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 52
Demonstrac~ao. Dado " > 0 existe n 2 N tal que kn > 1", da os intervalos
[m
kn;m+ 1
kn] tem comprimento
m+ 1
kn mkn
=1
kn< ":
Existe um menor inteiro m + 1 tal que x + " m+ 1kn
dam
kn2 (x "; x + ") pois
se fosse x + " t e t =2 [k;1) = Ak logo n~ao podepertencer a intersec~ao te todos esses conjuntos.
Da mesma maneira existe uma seque^ncia decrescente de intervalos abertos limitados
com intersec~ao vazia, sendo Bk = (0;1
k)
1\k=1
Bk = B
B e vazio, pois se houvesse um elemento nele x > 0, conseguimos k tal que1
k< x da x
n~ao pertence ao intervalo (0;1
k) = Bk portanto n~ao pode pertencer a intersec~ao.
1.3.45 Quest~ao 49
Propriedade 89. Sejam B A n~ao vazios, A limitado superiormente, se 8x 2 A existey 2 B tal que y x ent~ao sup(B) = sup(A):
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 55
Demonstrac~ao. B e limitado superiormente pois esta contido em um conjunto limi-
tado e vale que sup(A) sup(B), pois B A, suponha que fosse c = sup(A) > sup(B),ent~ao tomando " = sup(A) sup(B) > 0, existe x 2 A tal que x > c " = sup(A) sup(A) + sup(B) = sup(B), por hipotese existe y x > sup(B) com y 2 B, o que eabsurdo, pois n~ao pode existir um elemento maior que o supremo.
Propriedade 90. Sejam B A n~ao vazios, A limitado inferiormente, se 8x 2 A existey 2 B tal que y x ent~ao inf(B) = inf(A):
Demonstrac~ao. B e limitado inferiormente pois esta contido em um conjunto limi-
tado e vale que inf(A) inf(B), pois B A, suponha que fosse c = inf(A) < inf(B),ent~ao tomando " = inf(B) inf(A) > 0, existe x 2 A tal que x < c + " = inf(A) sup(A) + inf(B) = inf(B), por hipotese existe y x < inf(B) com y 2 B, o que eabsurdo, pois n~ao pode existir um elemento menor que o nmo.
1.3.46 Quest~ao 50
Denic~ao 11 (Corte de Dedekind). Um corte de Dedekind e um par ordenado (A;B)
onde A;B 2 Q n~ao vazios, tais que A n~ao possui maximo, A [ B = Q e 8 x 2 A; y 2 Bvale x < y.
Seja C o conjunto dos cortes de Dedekind.
Propriedade 91. Em (A;B) vale sup(A) = inf(B):
Demonstrac~ao. Ja sabemos que vale sup(A) inf(B), pois 8 x 2 A; y 2 B valex < y implica sup(A) < y e sup(A) ser cota inferior implica sup(A) inf(B), suponhapor absurdo que fosse sup(A) < inf(B), ent~ao o intervalo (sup(A); inf(B)) n~ao possui
valores x 2 A, pois se n~ao x > sup(A), nem y 2 B pois da y < inf(B), mas como existemracionais em tal intervalo, pois Q e denso e A [B = Q, chegamos em um absurdo.
Propriedade 92. Existe bijec~ao entre R e C o conjunto dos cortes.
Demonstrac~ao. Denimos f : C ! R como f(A;B) = sup(A) = inf(B):
f e injetora, suponha f(A;B) = f(A0; B0) ent~ao sup(A) = inf(B) = sup(A0) =
inf(B0).
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 56
Dado x 2 A vamos mostrar que x 2 A0.
x < sup(A0) = inf(B0) y0; 8 y0 2 B0; da x 2 A0
a inclus~ao A0 A e analoga. Ent~ao vale A = A0:
Dado y 2 B, vamos mostrar que y 2 B0.
x0 < sup(A) < inf(B0) y
com isso y 2 B0: De maneira similar, B0 B portanto B = B0. Como vale B = B0e A = A0 ent~ao a func~ao e injetiva.
A func~ao e sobrejetiva. Para qualquer y 2 R, tomamos os conjuntos (1; y)\Q = Ae B = [y;1) \Q, A n~ao possui maximo, para todo x 2 A e y 2 B tem-se y > x eQ = [(1; y) \Q] [ [ [y;1) \Q], alem disso vale sup(A) = y = inf(B), portantof(A;B) = y e a func~ao e sobrejetora, logo sendo tambem injetora f e bijec~ao.
1.3.47 Quest~ao 53
Propriedade 93 (Media aritmetica e geometrica.). Se a; b > 0 vale
a+ b
2pa:b:
Demonstrac~ao.
(pa
pb)2 0) a 2pa
pb+ b 0) a+ b 2pa
pb) a+ b
2pab:
1.3.48 Quest~ao 57
Exemplo 21. A func~ao f : R! (1; 1) com f(x) = xp1 + x2
e bijetora.
Ela esta bem denida em R, pois o unico problema possvel seria o termo dentro da
raz no denominador ser n~ao positivo, o que n~ao acontece pois x2 + 1 1, ela e injetorapois
x1p1 + x21
=x2p1 + x22
) x1 = x2, sua imagem esta contida no intervalo (1; 1)
poisp1 + x2 >
px2 = jxj logo j xp
1 + x2j < 1 sendo tambem sobrejetora, pois dado
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 57
y 2 (1; 1) temos jyj < 1) y2 < 1) 0 < 1 y2, podemos tomar x =s
y2
1 y2 se x 0
e x = s
y2
1 y2 caso x < 0 e da vale f(x) = y (Podemos perceber pela denic~ao quex 0, y 0 e x 0, y 0 ).
1.4 Captulo 4-Seque^ncias e series de numeros reais
1.4.1 Quest~ao 1
Propriedade 94. Se lim xn = a ent~ao lim jxnj = jaj:
Demonstrac~ao. Se limxn = a ent~ao
8" > 0;9n0 2 N j n > n0 ) jxn aj < "
porem temos a desigualdade jjxnj jajj jxn aj logo jjxnj jajj < " e lim jxnj = jaj:
Exemplo 22. lim jxnj pode existir porem limxn pode n~ao existir, por exemplo tomamosxn = (1)n, ela n~ao converge porem j(1)nj = 1 e constante logo convergente.
1.4.2 Quest~ao 2
Exemplo 23. Se lim xn = 0 e yn = minfjx1j; ; jxnjg ent~ao lim yn = 0:Por denic~ao vale que 0 yn jxnj, como jxnj ! 0 ent~ao por sanduche segue que
lim yn = 0:
1.4.3 Quest~ao 3
Propriedade 95. Se lim x2n = a e limx2n1 = a ent~ao lim xn = a:
Demonstrac~ao. Sejam yn = x2n e zn = x2n1 como temos lim yn = lim zn = a,
para qualquer " > 0 existem n0 e n1 tais que para n > n0 vale yn 2 (a "; a + ")e n > n1 vale zn 2 (a "; a + "), escolhendo n2 > maxfn0; n1g temos para n n2simultaneamente zn; yn 2 (a "; a+ "), x2n1; x2n 2 (a "; a+ "), ent~ao para n > 2n2 1temos xn 2 (a "; a+ ") logo vale limxn = a:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 58
1.4.4 Quest~ao 4
Propriedade 96. Se N =
p[k=1
Nk e limn2Nk
xn = a ent~ao lim xn = a:
Demonstrac~ao.
Dado " > 0 xo e arbitrario existe nk 2 Nk tal que 8 n > nk, n 2 Nk vale xn 2(a "; a + ") pelo fato de lim
n2Nkxn = a. Tomamos n0 = maxfn1; ; npg, da vale para
n > n0, xn 2 (a "; a+ ") para todo n 2 Nk com todo k, com isso uniformizamos o valordo ndice para o qual os termos da seque^ncia est~ao no mesmo intervalo (a "; a + ").Como todo n 2 N pertence a algum Nk ent~ao para n 2 N sucientemente grande vale xnem (a "; a+ ") . Vamos tentar deixar mais clara a ultima proposic~ao.
Seja n00 = minfn > n0 jxn 2 (a "; a+ ") 8n 2 Nk; 8kg, tal conjunto e n~ao vazio logopossui mnimo. Para todo n 2 N , n > n00 vale xn 2 (a "; a+ "), pois dado n > n00 > n0xn pertence a algum Nk e nas condic~oes colocadas na construc~ao do conjunto para Nk
vale xn 2 (a "; a+ ").
1.4.5 Quest~ao 5
Exemplo 24. Pode valer N =1[k=1
Nk com limn2Nk
xn = a e lim xn 6= a:
Como por exemplo, denimosN2 = f2; 22; 23; ; 2n; g em geralNk+1 = fp1k; p2k; ; pnk ; gonde pk e o k-esimo primo, denindo N1 como o complemento de
1[k=2
Nk em N . De-
nimos em N2, x2 = 2, xn = 0 para os outros valores, da mesma forma em Nk+1
denimos xpk = pk e xn = 0 para os outros valores. Em N1 denimos xn = 0 para
todo n. A seque^ncia xn n~ao converge possui uma subseque^ncia que tende a innito.
x2 = 2; x3 = 3; x5 = 5; ; xpk = pk; a subseque^ncia dos primos.
1.4.6 Quest~ao 6
Corolario da adic~ao e multiplicac~ao de limites.
Corolario 14. Se lim xn = a e lim xn yn = 0 ent~ao lim yn = a pois lim yn xn = 0 epelo limite da soma lim yn xn + xn = lim yn xn + limxn = 0 + a = a = lim yn:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 59
1.4.7 Quest~ao 7
Corolario 15. Seja a 6= 0. Se lim yna
= 1 ent~ao lim yn = a, pois usando linearidade do
limite limyna
=1
alim yn = 1 portanto lim yn = a:
1.4.8 Quest~ao 8
Corolario 16. Se limxn = a e limxnyn
= b 6= 0 ent~ao lim yn = ab, pois lim
ynxn
=1
be da
por limite do produto
lim xnynxn
= lim yn =a
b:
1.4.9 Quest~ao 9
Corolario 17. Se lim xn = a 6= 0 e lim xnyn = b ent~ao lim yn = ba:
Vale que lim1
xn= a, da lim xnyn lim
1
xn= limxnyn
1
xn= lim yn =
b
a:
1.4.10 Quest~ao 10
Propriedade 97. Se existem " > 0 e p 2 N tais que " xn np para n > n0 2 N ent~aolim(xn)
1n .
Demonstrac~ao. Vale " xn np, tomando a raiz n-esima tem-se
"1n npxn (np) 1n
tomando-se o limite segue pelo teorema do sanduche que lim(xn)1n = 1.
1.4.11 Quest~ao 11
Exemplo 25. Usando que a media aritmetica e maior ou igual a media geometrica, na
seque^ncia de n+ 1 numeros com n numeros iguais a (1 +t
n) e um deles sendo a unidade
1, com isso temos
(
1 +nP
k=1
(1 + tn)
n+ 1) (
nYk=1
(1 +t
n))
1n+1
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 60
(n+ 1 + t
n+ 1) = 1 +
t
n+ 1 ((1 + t
n)n)
1n+1 ) (1 + t
n+ 1)n+1 (1 + t
n)n
com t 1 real. Em especial a seque^ncia de termo xn = (1 1n)n e crescente e para
n = 2 temos
x2 =1
4
da xn 14para n > 1:
1.4.12 Quest~ao 11a.
Exemplo 26. Vale que
lim(1 1n)n(1 +
1
n)n = lim 1n = 1
da lim(1 1n)n = e1:
1.4.13 Quest~ao 12
Propriedade 98. Sejam a 0; b 0 ent~ao
ja 1n b 1n j ja bj 1n
Demonstrac~ao. Supondo a b , denindo c = a 1n e d = b 1n , ent~ao c d 0 porexpans~ao binomial tem-se
cn = ((c d) + d)n =nX
k=0
n
k
(c d)kdnk dn + (c d)n 0
da cn dn (c d)n 0 implicando
ja bj ja 1n b 1n jn
e da
ja 1n b 1n j ja bj 1n :
Propriedade 99. Se xn 0 e lim xn = a ent~ao lim(xn)1p = a
1p
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 61
Demonstrac~ao. Como lim xn = a ent~ao 8" > 0 conseguimos n0 2 N tal que paran > n0 tem-se jxn aj < "p e da jxn aj
1p < ", da desigualdade anterior temos que
jx1pn a 1p j jxn aj
1p < "
e da lim(xn)1p = a
1p .
Propriedade 100. Seja m racional e (xn) de termos positivos. Se lim xn = a ent~ao
limxn = am:
Demonstrac~ao.
Escrevemos m =p
q, da
limx1qn = a
1q
usando propriedade do produto segue
limxpqn = a
pq :
1.4.14 Quest~ao 14
Propriedade 101. Seja a; b 0 e ent~ao lim npan + bn = maxfa; bg:
Demonstrac~ao. Seja c = maxfa; bg ent~ao vale Vale an cn, bn cn e da an + bn 2cn da mesma maneira cn an + bn, pois c e a ou b, logo
cn an + bn 2cn
c npan + bn np2 c
tomando limites, temos pelo teorema do sanduche
limnpan + bn = c:
Propriedade 102. Sejam (ak 0)m1 e c = maxfak; k 2 Img ent~ao
limn!1
n
vuut mXk=1
ank = c:
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 62
Demonstrac~ao. Vale ank cn, tomando a soma, tem-semXk=1
ank m:cn, tem-se
tambem cn mXk=1
ank ent~ao vale
cn mXk=1
ank m:cn
tomando a raiz
c nvuut mX
k=1
ank npm:c
e novamente por teorema do sanduche tem-se
lim n
vuut mXk=1
ank = c:
1.4.15 Quest~ao 15
Denic~ao 12 (Termo destacado). Dizemos que xn e um termo destacado quando xn xppara todo p > n: Isto e quando xn e maior ou igual a todos seus sucessores.
Propriedade 103. Toda seque^ncia possui subseque^ncia monotona .
Demonstrac~ao.
Seja A N o conjunto dos ndices s da seque^ncia (xn), tais que xs e destacado,existem dois casos a serem analisados
Se A e innito, ent~ao podemos tomar uma subseque^ncia (xn1 ; xn2 ; ) de termosdestacados formada pelos elementos com ndices em A que e n~ao-crescente com
n1 < n2 < n3 < e com xn1 xn2 .
Se A e nito, tomamos um n1 maior que todos elementos de A da xn1 n~ao e
destacado, existindo xn2 xn1 com n2 > n1, por sua vez xn2 n~ao e destacadologo existe n3 > n2 tal que xn3 xn2 , assim construmos uma subseque^ncia n~ao-decrescente .
-
CAPITULO 1. SOLUC ~OES-CURSO DE ANALISE VOL.1 63
1.4.16 Quest~ao 18
Generalizamos o exerccio em dois resultados.
Propriedade 104. Sejam (an) e (bn) seque^ncias limitada tais que an + bn = 1 8n 2 N ,(zn) e (tn) com o mesmo limite a, ent~ao lim an:zn + bn:tn = a:
Demonstrac~ao. Escrevemos
an:zn + bn:tn = an:zn a:an + a: an|{z}=1bn
+bn:tn = an(zn a) + a(1 bn) + bn:tn =
= an(zn a) + a a:bn + bn:tn = an(zn a) + a+ bn(tn a)da
lim an(zn a) + a+ bn(tn a) = a = lim an:zn + bn:tnpois an e bn s~ao limitadas e zn a; tn a tendem a zero.
Propriedade 105. Se limn!1
zk(n) = a 8 k e cada (xk(n)) e limitada