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11.2 ANÁLISE SUPERIOR

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BIBLIOGRAFIA INICIAL

GEORGES VALIRON - ThĂŠorie des Fonctions, Masson et Compagnie, Paris, 1948. OSGOOD - Functions of Complex Variable, Steehert, N. Y.. AHLFORS - Complex Analysis, Me Graw and Hill, N. Y. ou Londres, 1953. " CARATHEODORY - Theory of Functions, Chelsea, N. Y., 1954.

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INTRODUÇÃO

Entre a Análise Real e a Análise Complexa existe uma diferença fundamental que convém desde já salientar. Quando se trata de uma função real de variável real, isto é, de uma função y = f(x), em que tanto a variável independente, x, como a variável dependente, y, tomam como valores números reais, pode acontecer que a função admita primeira derivada, f'(x), num dado intervalo, sem admitir aí segunda derivada, ou que admita segunda derivada, sem admitir terceira, etc. Pode também acontecer que f(x) seja indefinidamente derivável num intervalo, isto é, que tenha aí derivadas finitas de todas as ordens, mas que não seja representável pela sua série de Taylor numa vizinhança dum ponto Xo do intervalo: (x - XO)2 f" (x - xo)n () f( Xo ) + (x - Xo ) f '() Xo + 2! (xo) + ... + n! f n (xo) + ... ,

isto é, pode suceder que a soma desta série não coincida com f(x) em todos os pontos x interiores ao intervalo de convergência (1). De todos estes casos poderíamos dar inúmeros exemplos.

(1) Pode mesmo suceder que o raio de convergência seja nulo.

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Pelo contrário, quando se trata de uma função complexa da variável complexa, ou seja, de uma função w = fez), em que tanto a variável independente, z, como a variável dependente, w, tomam como valores números complexos, verifica-se, como veremos, o seguinte facto, deveras notável:

Se a função admite primeira derivada finita(l) nos pontos interiores de um domínio plano, admite necessariamente derivadas de todas as ordens nesses pontos e é representável pela sua série de Taylor, numa vizinhança de cada ponto interior ao domínio. Exprime-se este último facto dizendo que a função é analítica no interior do domínio D considerado. Assim, de uma hipótese tão simples, como é a da existência de primeira derivada finita no interior de D, resulta para as funções de variável complexa uma série de consequências importantes e, como veremos, uma grande riqueza de propriedades, que tornam as funções analíticas extremamente regulares, cómodas, manejáveis - extremamente bem comportadas (2). Esse "bom comportamento" cessa precisamente em certos pontos da fronteira do domínio em que há derivada - pontos singulares, cujo estudo tem, igualmente, uma importância fundamental na teoria das funções analíticas, para um perfeito conhecimento das mesmas. Da grande riqueza de propriedades das funções analíticas resulta não só a perfeição formal da sua teoria (que é, sem dúvida, uma das mais belas e harmoniosas de toda a Matemática), mas também uma (1) Como veremos, a definição de derivada para funções de variável complexa é idêntica à que se dá para funções de variável real (como limite da razão incremental). (2) Em linguagem intuitiva, não rigorosa, da Matemática, uma função diz-se tanto mais regular quanto mais propriedades possui, a facilitar o seu estudo. Assim, uma função derivável é mais regular do que uma função contínua, uma função com segunda derivada contínua é mais regular do que uma que tenha só primeira derivada, etc.

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excepcional importância nas aplicações à Física e à Técnica, especialmente à Electrotecnia: todo o matemático aplicado precisa de ter conhecimentos, não apenas superficiais, da teoria das funções analíticas.

Nótula histórica. A teoria das funções analíticas de uma variável complexa ficou praticamente concluída no século passado principalmente por obra de CAUCHY (que se apoiou sobre os conceitos de derivada e de integral para tais funções) e de WEIERSTRASS (que baseou a teoria, de preferência no estudo das séries de potências). Mas já o mesmo se não pode dizer a respeito da teoria das funções analíticas de mais de uma variável complexa; essa encontra-se hoje em plena evolução. E" provável que, em 1961, tenha lugar em Lisboa um simpósio sobre funções de variáveis complexas, no qual tomarão parte os principais especialistas mundiais sobre o assunto. Como base do estudo das funções analíticas, convém começar por recordar as noções fundamentais sobre números complexos aprendidos em Matemáticas Gerais. Para isso, recomenda-se a leitura de todo o Capítulo I do Curso de Álgebra Superior, 2.° volume, do Prof. J. VICENTE GONÇALVES. Entretanto, para facilitar essa recapitulação, vamos aqui fazer uma breve resenha de tais noções, chamando a atenção para alguns pontos essenciais.

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CAPíTULO VII BREVES NOÇÕES SOBRE MEDIDA E INTEGRAL DE LEBESGUE

Já no final do n? 2 do Capítulo V, aludimos à vantagem de uma generalização do conceito de integral, que englobe, como casos particulares, o integral de Riemann, e, na medida do possível, os integrais que se exprimem como somas de um número finito ou numerável de integrais de Riemann e de integrais impróprios. Também dissemos que o conceito de integral de Lebesgue satisfaz a esse desiderato, se nos limitarmos ao caso dos integrais impróprios absolutamente convergentes, o que já é muito importante. O novo conceito de integral, introduzido por HENRI LEBESGUE na sua tese de doutoramento, em 1902, veio revolucionar a Análise. Na verdade, a teoria do integral de Lebesgue e, mais geralmente, a do integral de Lebesgue-Stieltjes, tem uma importância vital em Análise modema e suas aplicações à Física Teórica e ao Cálculo das Probabilidades. Todavia, para desenvolver de maneira conveniente esta teoria, ser-nos-ia necessário, pelo menos, um semestre, destinado exclusivamente a esse fim. Por isso nos limitaremos a indicar, aqui, uma das maneiras mais simples de introduzir o conceito de integral de Lebesgue. A orientação que vamos apresentar é devida ao matemático húngaro F. RIESZ. Para as demonstrações e outros complementos, aconselhamos o tratado de F. RIESZ e B. SZ.-NAGY, Leçons d'Analyse Fonctionnelle, 3~ edição, Gauthier-Villars, Paris, 1955.

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Como veremos, o integral de Lebesgue apresenta-se como limite duma sucessão de integrais de Riemann de funções em escada, que tendem para a função integranda "em quase todos os pontos". Para explicar o significado desta expressão "em quase todos os pontos", convém introduzir, previamente, a noção de medida dum conjunto segundo Lebesgue. Na realidade, bastar-nos-ia começar pela noção de "medida exterior" e só definir "medida", a partir da própria noção de integral de Lebesgue - como fazem RIESZ e NAGY na citada obra. Isso permite simplificar consideravelmente as demonstrações, economizando muito tempo. Mas, como desde logo renunciámos a fazer aqui a maior parte das demonstrações, preferimos dar já a definição de medida segundo Lebesgue. 1. Medida de LEBESGUE sobre a recta

Dado um conjunto A de pontos da recta, consideremos uma cobertura ;;e de A, formada por um número finito ou por uma infinidade numerável de intervalos II' 12 , ••• , ln' ... , abertos ou não. Chama-se comprimento total da cobertura ;;e à soma dos comprimentos Iln I destes intervalos: 00

(1)

11,1 + 112 1+ ... + Iln! + ... = L Iln!, n=l

soma que não depende da ordem das parcelas, visto estas serem números não negativos. Em particular, se a série for divergente, o comprimento total será, por definição, + 00. Posto isto: DEFINIÇÃO 1.1. Chama-se medida exterior do conjunto A (segundo Lebesgue), e designa-se por m/A), o extremo inferior dos comprimentos totais de todas as coberturas ;;e de A formadas por um número finito ou numerável de intervalos. DEFINIÇÃO 1.2. Chama-se medida interior dum conjunto limitado A, e representa-se por miCA), ao número III-m/l-A), em que I designa qualquer intervalo limitado que contenha A. Ponhamos, agora, ln = [ -n, n], para n = 1, 2, ....

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DEFINIÇÃO 1.3. Chama-se medida interior dum conjunto A ilimitado ao limite, finito ou infinito, da medida interior de A n ln' quando n --7 00. Prova-se que é VACR.

(1)

DEFINIÇÃO 1.4. Diz-se que um conjunto A é mensurável quando m/A)=mj(A). Chama-se, então, medida de A e representa-se por m(A) o número m/A)=mj(A). É bem fácil reconhecer que, segundo as definições anteriores, todo o intervalo limitado I é mensurável, tendo-se, precisamente, m(I) = III = b-a (sendo a e b os extremos de I). A medida dum conjunto A C R também pode chamar-se comprimento de A e designar-se por IA I. Mas esta terminologia só é aplicável a conjuntos de pontos da recta, enquanto o termo "medida" e a notação m(A) se estendem a subconjuntos A dum espaço Rn qualquer, como veremos. De (1) resulta que, se for m/A) =0, o conjunto A é mensurável, sendo m(A) = O. Aos conjuntos de medida nula chamaremos conjuntos menosprezáveis. Convém, desde já, notar que: PROPOSIÇÃO 1.1. Todo o conjunto finito ou numerável é menosprezável. Com efeito, se forem aI' a 2 , ••• , a n , ••• , os pontos de um tal conjunto, este é coberto pelos intervalos

e como se tem Iln I= O para todo o n, será 00

L IIJ= o.

n=l

Também poderíamos cobrir o mesmo conjunto com a sucessão de intervalos abertos ln = ] an - E/2n , an + E/2 n [, sendo E> O; então, o comprimento total da cobertura é 2E e tende para zero com E. Em particular: o conjunto dos números racionais é menosprezável.

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Demonstra-se, ainda, a seguinte propriedade fundamental da medida segundo Lebesgue: TEOREMA 1.1. A reunião de um número finito ou numerável de conjuntos mensuráveis, AI' A2' ... , An' ... , ainda é um conjunto mensurável, e, se os conjuntos dados forem disjuntos dois a dois, tem-se:

Exprime-se este facto dizendo que a medida m(A) é uma função numeravelmente aditiva (ou a-aditiva) de conjunto, definida na classe dos conjuntos A mensuráveis.

Relação entre a medida à Lebesgue e a medida à Jordan. O conceito de medida estudado na Cadeira de Cálculo Infinitesimal é devido a C. JORDAN. Pois bem, dizem-se conjuntos mensuráveis (J) os conjuntos mensuráveis segundo Jordan e chama-se medida (J) à sua medida nesse sentido. Por outro lado, dizem-se conjuntos mensuráveis (L) os conjuntos mensuráveis segundo Lebesgue e chama-se medida (L) a sua medida à Lebesgue. Demonstra-se, porém, que todo o conjunto mensurável (J) também é mensurável (L) e a sua medida (J) coincide com a sua medida (L). A recíproca é que não é verdadeira; por exemplo, o conjunto dos números racionais não é mensurável (J), mas é mensurável (L), com medida nula (visto ser numerável). Aliás, o TEOREMA 1.1 não é válido para a medida (J): esta apenas é uma função finitamente aditiva de conjunto. O conceito de conjunto mensurável (L) é extremamente geral. Pode bem dizer-se que, praticamente, todos os conjuntos são mensuráveis (L). Na verdade, os conjuntos não mensuráveis segundo Lebesgue são de tal modo irregulares, que não se consegue definir explicitamente um tal conjunto. Apenas se sabe demonstrar a existência teórica de conjuntos não mensuráveis (L), aplicando o axioma de Zermelo. Equivale isto a dizer que todos os conjuntos que se nos podem apresentar concretamente são, com certeza, mensuráveis (L). Daqui por diante, diremos simplesmente mensurável em vez de mensurável (L) e medida em vez de medida (L).

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2. Funções em escada. Funções fundamentais

Diz-se que uma função <p, real ou complexa, é uma função em escada num intervalo I qualquer, quando todo o subintervalo limitado de I se decompõe num número finito de intervalos em cada um dos quais <p se reduz a uma constante. Por exemplo, a função C(x) (característica de x ou parte inteira de x) é tipicamente uma função em escada.

2 - - - - - - - - - - - - r-,- I

------r-,- - e J I I I I

-1

I I I I

1 I...-----C>

-1

Imediatamente se reconhece que as funções em escada são seccionalmente contínuas (ver Capítulo V, n? 2). Seja I um intervalo qualquer da recta, limitado ou ilimitado, aberto ou não, de extremos a, b. Chamaremos função fundamental em I toda a função <p em escada nesse intervalo que só é diferente de zero num número finito de intervalos limitados contidos em I. Deste modo, existe um número finito de intervalos limitados e disjuntos 11' 12 , ••• , I p' contidos em I tais que <p toma um valor constante ck em cada intervalo Ik(k= 1, 2, ... ), sendo nula nos restantes pontos de I, se os houver. Então, de acordo com as convenções usuais, a soma

será chamada integral de <p em I e designada por

<p (x) dx ou

<p(x)dx.

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É óbvio que toda a função em escada num intervalo I limitado é uma função fundamental em I. Mas o mesmo não sucede, se I é ilimitado; por exemplo, a função C(x) não é fundamental na recta. Assim, a distinção entre os dois conceitos só aparece quando o intervalo I é ilimitado. 3. Funções mensuráveis

Daqui por diante, usaremos muitas vezes a expressão "em quase todos os pontos", tradução do francês "presque partout" e do inglês "almost everywhere". Diremos que uma dada propriedade se verifica em quase todos os pontos dum conjunto A, quando se verifica em todos os pontos de A, excepto, quando muito, num sub-conjunto menosprezável de A. Assim: - duas funções f e g são iguais em quase todos os pontos de A, se for f(x) = g(x) em todos os pontos x de A, excepto, quando muito, nos pontos dum sub-conjunto menosprezável de A; - uma sucessão <Pn de funções converge em quase todos os pontos de A para uma função f, se lim <Pn(x) = f(x) em todos os pontos x de A, excepto, quando muito, num sub-conjunto menosprezável de A; etc., etc. Posto isto: DEFINIÇÃO 3.1. Diz-se que uma função f é mensurável num intervalo I, quando existe, pelo menos, uma sucessão <Pn de funções fundamentais em I, que converge para f em quase todos os pontos de I. É claro que, segundo esta definição, uma função mensurável em I pode não ser definida em todos os pontos de I: basta que seja definida em quase todos os pontos de I. Como exercício, pode verificar-se que uma função contínua sobre um intervalo I qualquer é mensurável em I. Aliás, o que dissemos, atrás, acerca de conjuntos não mensuráveis aplica-se, mutatis mutandis, às funções não mensuráveis: só

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teoricamente, admitindo o axioma de Zermelo, se demonstra a existência de tais funções, o que redunda em dizer que, praticamente, todas as funções são mensuráveis. Pode mesmo dizer-se que a classe das funções mensuráveis ultrapassa, largamente, as necessidades da Análise: poderíamos contentar-nos com uma classe de funções bem mais restrita. Designaremos por MI a classe das funções mensuráveis em I. NOTA. O termo ''função mensurável" provém da primitiva definição deste conceito, dada por LEBESGUE: Diz-se que uma função f é mensurável num intervalo I, quando, qualquer que seja o número real c, o conjunto dos pontos x de I tais que f(x) <c é mensurável. Prova-se que esta definição é equivalente à anterior. 4. Funções somáveis. Integral de LEBESGUE

A definição de integral de Lebesgue, dada por F. RIESZ para funções reais, assenta nos dois seguintes lemas: LEMA 1. Se uma sucessão <Pn de funções fundamentais num intervalo I é decrescente em sentido lato e tende para zero em quase todos os pontos de I, a sucessão dos integrais

<Iln(x)dx

também tende para zero.

LEMA 2. Se uma sucessão <Pn de funções fundamentais em I é crescente em sentido lato, e se a sucessão dos respectivos integrais

<Iln(x)dx

é limitada superiomente, a sucessão <Pn converge em quase todos os pontos x de I para um limite f(x) finito (podendo tender para infinito em pontos dum sub-conjunto menosprezável de I).

Para as demonstrações, ver RIESZ e NAGY, obra cit., p. 30-31.

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DEFINIÇÃO 4.1. Diz-se que uma função real f ~ é somável (ou integrável segundo Lebesgue) num intervalo /, quando é limite, em quase todos os pontos de /, duma sucessão <Pn de funções fundamentais em /, que verificam a hipótese do LEMA 2. Designaremos por L; a classe das funções reais não negativas somáveis em l. Como, na hipótese do LEMA 2, a sucessão dos valores dos integrais

<i>,(x)dx

é limitada e crescente em sentido lato, esta sucessão tende para um limito finito, a que é natural chamar o integral de f em / e designar pelas notações usuais. Teremos, pois, neste caso, por definição:

f(x)dx = lim

<i>,(x)dx.

Para legitimar esta definição, resta provar que o limite do segundo membro não muda quando se substitui a sucessão <Pn por uma outra sucessão 'l'n do mesmo tipo, que tenda para f em quase todos os pontos de l. Ora, isso consegue-se aplicando o LEMA 1 (obra cit. p. 31-32). Fica assim provado que o integral de f em / tem um valor único. Seja, agora, f uma função real qualquer definida em quase todos os pontos de l. Chama-se parte positiva de f a função f+ assim definida f+(x)

={f(X), 0,

quando f(x) ~ 0, quando f(x) < O.

Chama-se parte negativa de f, e designa-se por f-, a parte positiva de - f. É fácil ver que f-(x)

={- f(x) , 0,

quando f(x) ~ 0, quando f(x) > 0,

461

Pois bem: DEFINIÇÃO 4.2. Diz-se que i é somável (ou integrável segundo Lebesgue) no intervalo /, quando a sua parte positiva e a sua parte negativa pertencem ambas à classe L;. Nesta hipótese, chama-se integral de i em /, e representa-se por qualquer das notações usuais, o número

f(x)dx

r(x)dx -

f-(x)dx.

Estas noções estendem-se imediatamente ao caso de funções complexas i de variável real. Com efeito, pondo Rei =iI' Imi =i 2' a função i diz-se somável em /, quando iI e i 2 o são, e põe-se, por definição:

f(x)dx

fMdx + i

f,(x)dx.

A classe de todas as funções somáveis em / costuma ser designada por L (por ser L a inicial de "Lebesgue"). Muitas vezes, quando está subentendido o intervalo / de que se trata, omite-se a indicação deste em índice; esta omissão costuma fazer-se, principalmente, quando / é toda a recta R, isto é, o intervalo ] - 00, + 00 [. Em circunstâncias análogas omite-se a indicação do intervalo no integral, escrevendo:

f(x)dx

em vez de

f(x)dx,

sendo então necessário não confundir o integral considerado com um integral indefinido de i. Também por vezes, a fim de aligeirar a escrita, se escreve, simplesmente,

em vez de

f(x)dx.

U saremos com frequência a notação simplificada

462 É óbvio que as funções da classe L; , e, portanto, todas as funções somáveis em /, são mensuráveis em /, isto é, tem-se: L;CLCM.

Mas a recíproca não é verdadeira, como resulta do seguinte exemplo: EXERCÍCIO - Provar que a função 1/x é mensurável na recta, mas não é somável em nenhum intervalo que contenha a origem. NOTA. A definição dada por LEBESGUE do integral que tem o seu nome é diferente da anterior e pode apresentar-se nos seguintes termos: Seja f uma função mensurável no intervalo / e consideremos uma decomposição do intervalo ] - 00, + 00 [ , por meio duma infinidade numerável de pontos:

tais que cn -cn _ 1 ::::; Õ, 'v'n=O, +1, +2, ... , sendo Õ um número >0. Do facto de f ser mensurável, resulta que cada conjunto An dos pontos x de /tais que

é mensurável, qualquer que seja n. Pois bem, a função f diz-se somável em /, quando a série

n=-oo

é convergente para algum Õ---7 O. Nesta hipótese, chama-se integral de f em / ao limite da soma da série quando Õ---7 O. Ter-se-á, neste caso, por definição:

463

Prova-se que esta definição é equivalente à anterior (obra cit., p. 95-96). É, contudo, menos manejável, exigindo demonstrações mais difíceis. 5. Propriedades do integral de LEBESGUE Das DEFINIÇÕES 4.1. e 4.2. deduzem-se, facilmente, as seguintes propriedades: 1) Se f e g são somáveis em I e a é uma constante numérica,

também f + g e af são somáveis em I e tem-se:

2) Dados três números a<c<b, se f é somável em 11 =[a, c] e em 12 = [c, b], também é somável em 1= [a, b] e tem-se ff=ff+ff.

3) Sendo f e g somáveis em I, então

f ,,;;, g em

I ==>

Lf ,,;;, L

4) f é somável em I, se e só se I fi o for, tendo-se, então,

5) Se I fi ~ g, sendo f mensurável e g somável em I, também fé somável em 1.

As demonstrações destas propriedades são simples exercícios. Dentre estas, só a última não se verifica para o integral de Riemann. A propriedade 1) exprime-se dizendo que o integral é umfuncionallinear (mais tarde estudaremos o conceito de funcional). A propriedade 3) exprime-se dizendo que o integral é um funcional crescente (em sentido lato). Esta propriedade é uma consequência imediata da DEFINIÇÃO 4.1 e da propriedade 1). Analogamente, a propriedade 4) é uma consequência de 1) e da DEFINIÇÃ04.2.

464 A propriedade 2) exprime-se dizendo que o integral é uma função aditiva de intervalo. Mas demonstra-se mais geralmente a seguinte propriedade, que não se verifica para o integral de Riemann: 2') Se I é a reunião de uma infinidade numerável de intervalos ln disjuntos dois a dois (n = 1, 2, ... ) e se f é somável em I, tem-se

i i f=L 00

n = 1 ln

f·

Exprime-se este facto dizendo que o integral de Lebesgue é uma função numeravelmente aditiva de intervalo. Uma outra propriedade elementar do integral de Lebesgue, que resulta imediatamente da sua definição, é a seguinte: 6) Se f é uma função somável em I, qualquer outra função g que seja igual a f em quase todos os pontos de I também é somável neste intervalo e tem-se:

Em particular, se I for um intervalo aberto ] a, b [, o integral de f em 1= [a, b] é o mesmo, tendo-se

Importa notar que o produto de duas funções somáveis pode não ser somável. Por exemplo, a função 1IVx é somável em [0, 1] e, contudo, a função (l IVx) (l IVx) = 1Ix não o é. Porém, de 1),4) e 5) deduz-se que: Se f é somável em I, sendo g limitada e mensurável, também f g é somável em l. Com efeito, de Ig I<M, resulta I fgl <MI fi· (Note-se que a soma e o produto de funções mensuráveis são sempre funções mensuráveis).

465

Chama-se valor médio duma função de extremos a, b, ao número: k_

L f f _

- III -

f num intervalo limitado I,

f(x)dx b- a

Mais geralmente, sendo <p uma função não negativa somável em I tal que f<p também o seja, chama-se valor médio de f relativamente a <p ao número:

f<p

L<p Estas noções de valor médio são muito usadas em Física e no Cálculo das Probabilidades (sendo <p a função densidade de probabilidade). De 1) e de 3) resulta o PRIMEIRO TEOREMA DA MÉDIA. O valor médio dumafunção f num intervalo (relativamente a outra função) está sempre compreendido entre os extremos inferior e superior de f nesse intervalo. Por sua vez, de 3) e de 4), deduz-se a FÓRMULA DE MAJORAçÃO DO INTEGRAL:

Relações com o integral de Riemann e com os integrais impróprios. Demonstra-se facilmente o seguinte facto (obra cit., p. 33): Se f é uma função integrável à Riemann num intervalo I limitado, f é somável em I e o integral de Lebesgue de f em I coincide com o integral de Riemann de f em I. Porém, a recíproca não é verdadeira, mesmo que a função f seja limitada em I. Por exemplo, afunção de Dirichlet

466 d (x) = { 1, se x é irracional,

0, se x é racional, não é integrável à Riemann em nenhum intervalo limitado [a, b], com a<b (o integral inferior é e o superior é b-a), mas é somável em qualquer desses intervalos, visto que é igual a 1 em quase todos os pontos (o conjunto dos números racionais tem medida nula). Aliás, da propriedade 5) resulta imediatamente que: Toda a função mensurável limitada num intervalo I limitado é somável em l. Observemos, agora, que todo o integral impróprio num intervalo I, limitado ou ilimitado, se exprime como série de integrais de Riemann, numa sucessão de intervalos ln cuja reunião é I. Assim, atendendo a 2') e a 4), chegamos à seguinte conclusão muito importante, que já se tinha anunciado: Se a expressão

f(x)dx

é um integral impróprio, de tipo simples ou de tipo misto, como os que foram considerados nos n.O 1 e 2 do Capítulo V, a função f é somável em I, se e só se o integral é absolutamente convergente. O valor deste coincide, então, com o integral de Lebesgue de f em I. Assim, se o integral S

f(x)dx

é simplesmente convergente ou divergente, a função f não é somável em I. Portanto, neste caso e só neste, a teoria do integral de Lebesgue não consegue englobar a dos integrais impróprios no sentido clássico. Critério de permutabilidade entre os símbolos de limite e de integral. No integral de Lebesgue, a passagem ao limite sob sinal de inte-

467 gral pode fazer-se com uma extrema liberdade, que não exclui, todavia, certas precauções. Tem lugar o seguinte TEOREMA DE LEBESGUE. Se uma sucessão fll de funções somáveis em I converge em quase todos os pontos para uma função g e se, além disso, existe uma função Jl somável em I tal que I fll(x) I ~ Jl(x), VxEl, n= 1,2, ... ,

então, g é também somável em I e tem-se lim

1f 1 1 n

(lim f n )

•

Para a demonstração, ver obra cit., p. 36-37. Em particular: COROLÁRIO. Se uma sucessão fll de funções somáveis num intervalo limitado I é limitada em I, e converge para uma função g em quase todos os pontos deste intervalo, então, g é somável em I e tem-se

Com efeito, dizer que a sucessão fll é limitada em I equivale a dizer que existe uma constante M tal que

Ora, sendo I limitado, a função Jl(x) =M é somável em I. Mas note-se que o COROLÁRIO deixa de ser válido em intervalos ilimitados. Do TEOREMA DE LEBESGUE deduzem-se critérios relativos a integrais paramétricos bastante mais gerais do que os apresentados no Capítulo V, por meio da noção de convergência uniforme. Por exemplo:

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I) CONTINUIDADE. Se, para quase todos os valores de x em I, a função f(x, t) de t é contínua num ponto to e se existe uma função f.l(x) somável em I tal que

If(x, t) I ~ f.l(x) para todo xEI e todo o t numa vizinhança de to' então, lim t-7 t

f(x, t)dx =

f(x, to)dx,

o que significa que a função de t definida pelo I? integral também é contínua em to. II) DERIVAÇÃO. Se, para quase todos os valores de x em I e para um valor fixo de t, são verificadas as condições: 1) A derivada parcial Dtf(x, t) existe;

2) Existe uma função À(x) somável em I e um número Õ> O independente de x tais que f(x, t+h) - f(x, t) ~ À(x), para xEI, 0<

Ihl < Õ,

então, D,

f(x, t)dx =

D, f(x, t)dx.

6. Integrais indefinidos. Funções absolutamente contínuas Seja I um intervalo qualquer da recta. Diz-se que uma função f é localmente somável em I, quando é somável em todo o intervalo compacto (limitado e fechado) contido em I. Em particular, se o próprio intervalo I é compacto, dizer que f é localmente somável em I equivale a dizer que f é somável em I. Por exemplo, a função 11 x é localmente somável (mas não somável) no intervalo] O, + 00 [; mas não é localmente somável em nenhum intervalo que contenha a origem.

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Também a função log Ix I é localmente somável (mas não somável) em toda a recta, apesar de ter um pólo na origem. DEFINIÇÃO 6. 1. Chama-se integral indefinido duma função f localmente somável em /, a toda a função F da forma F(x) =k+

f(t)dt, 'hEI,

sendo k uma constante arbitrária e c um ponto arbitrário de l.

Demonstra-se o seguinte teorema, que é a generalização do TEOREMA FUNDAMENTAL DO CÁLCULO INTEGRAL ao caso do integral de Lebesgue: TEOREMA 6.1. Se F é um integral indefinido da função f localmente somável em /, F é contínua em / e admite, em quase todos os pontos x de /, derivada F'(x) = f(x) (obra cit. p. 47-48). Por este facto, os integrais indefinidos da função f serão chamados também, funções primitivas de f ou, simplesmente, primitivas de f. Mas note-se que nem todas as funções contínuas são primitivas de funções localmente somáveis: basta lembrar que existem funções contínuas que não admitem derivada em nenhum ponto. Para caracterizar, entre as funções contínuas, aquelas que são primitivas de funções localmente somáveis, há que recorrer ao conceito de variação total duma função num intervalo. Dada uma função f definida num intervalo limitado J = [a, b], chama-se variação total de f em J, e designa-se por "j(J), o extremo superior das somas n

L If(xk) - f(Xk_1)1 k=l

relativas a todas as possíveis decomposições de / por meio dum número finito de pontos x tais que

Se "j(J) é finita, diz-se que f é umafunção de variação limitada em J. Posto isto:

470

DEFINIÇÃO 6.2. Sendo! um intervalo qualquer da recta, diz-se que uma função f é absolutamente contínua num ponto Xo de !, quando a variação total de f num intervalo [x o' x], sendo x>x o ou x < x o' tende para zero com x - x o; isto é, quando lim

~([xo' x]) =

x ~xo

Diz-se que f é absolutamente contínua sobre !, quando a sua restrição a ! é absolutamente contínua em todos os pontos de I.

É imediato que, se f é absolutamente contínua em x o' f é contínua em x o' e que, se f é absolutamente contínua em !, f é de variação limitada em todo o sub-intervalo compacto de ! (funções de variação localmente limitada em !). Também é evidente que, se f verifica a CONDIÇÃO DE LIPSCHITZ:

If(x) - f(x') I=:::; C Ix - x' I, J

(CJ constante),

em todo o intervalo compacto J C!, f é absolutamente contínua em I. Pois bem, demonstra-se o seguinte

TEOREMA 6.2. Condição necessária e suficiente para que uma função F seja primitiva duma função localmente somável em ! é que F seja absolutamente contínua em ! (obra cit., p. 50-52). Assim, há identidade entre funções absolutamente contínuas e funções primitivas de funções localmente somáveis. y

-1 a r - - - - - - -

y=lxl --------€)

1 y=cr(x)

471

Um exemplo muito simples de função absolutamente contínua é a função Ix I, que verifica, manifestamente, a CONDIÇÃO DE LIPSCHITZ: I x I-I x' I : : ; Ix - x' I. Esta função admite derivada em quase todos os pontos da recta (na verdade, em todos, excepto a origem), sendo essa derivada, em cada ponto x"* 0, igual à função sinal de x:

_ x _ { 1, se x> 0, Ix I - 1, se x < O.

cr (x ) - - -

Por outro lado, é evidente que a função cr(x) é localmente somável, sendo Ix I precisamente uma sua primitiva (integral entre ex) (1). Do TEOREMA 6.1 e da propriedade 6) do integral (n? 5) resulta, logo, que:

TEOREMA 6.3. Condição necessária e suficiente para que duas funções iI e i 2, localmente somáveis em /, tenham uma mesma função primitiva neste intervalo é que seja iI (x) = i 2(x) em quase todos os pontos de l. Que a condição é suficiente, mostra-o a propriedade 6) do integral de Lebesgue atrás enunciada (n? 5). Para reconhecer que a condição é necessária, basta lembrar que, se F é uma primitiva de iI e i 2, então, segundo o TEOREMA 6.1, existem dois sub-conjuntos M e N de / menosprezáveis tais que F'(x) =iI (x) em /\M e F'(x) =i 2(x) em /\N

e, portanto, será iI (x) = i 2 (x) em todos os pontos de /, excepto, quando muito, no conjunto menosprezável M UNo 7. Integração por partes e integração por substituição A regra de integração por partes estende-se ao integral de Lebesgue com o seguinte aspecto: TEOREMA 7.1. Se i e g são funções somáveis em /, então, designando por F e G funções primitivas das primeiras, também F g e iG são somáveis em / e tem-se (1) A função sinal de x é designada, muitas vezes, pela notação sgnx.

472

em que [FG] =F(b)G(b)-F(a)G(a), sendo a, b os extremos de / (obra cit., p. 54-55).

Quanto à integração por substituição (ou mudança de variável no integral), tem-se: TEOREMA 7.2. Se <p(t) é uma função monótona em sentido lato e absolutamente contínua num intervalo J, e se, por outro lado, f(x) é uma função somável no intervalo /, transformado de J por <p, também a função f(<p(t))I<p'(t)l, ou seja a função (f0<p)I<p'I, é somável em 1, e tem-se

f(x)dx =

f(<p(t»I<p'(t)ldt.

(Obra cit., p. 55-56). Note-se que, se admitirmos, como no caso do integral de Riemann, a definição

podemos escrever, na hipótese do teorema:

f(x)dx =

f(<p(t»<p'(t)dt,

sendo a, b os extremos de / e a=<p-l(a), ~=<p-l(b) os extremos de J. É claro que, sendo a < b, será a < ~ ou a > ~, conforme for <p' ~ O ou <p' ::::; O em J (<p crescente ou <p descrescente em sentido lato). Em particular, o método de substituição aplica-se aos integrais impróprios, de tipo simples ou misto, atrás considerados, podendo acontecer que um integral impróprio de 2? espécie se transforme num de I? espécie (ou vice-versa) ou mesmo que um integral impróprio se converta num integral próprio de Riemann - como vimos no Capítulo V, n? 3.

473

8. Integral duma função sobre um conjunto mensurável

Temo-nos referido, até aqui, sistematicamente a integrais em intervalos I da recta. Mas pode, mais geralmente, definir-se integral duma função f sobre um conjunto mensurável da recta. Seja A um tal conjunto e consideremos a função f*(x) que é igual a f(x) para x EA e igual a O nos outros pontos da recta. Diz-se que f é somável em A quando f* é somável na recta, e tem-se, por definição:

f(x)dx= Lf*(X)dX.

É manifesto que, se f é somável em A, também o é em todo o sub-conjunto mensurável de A. Tem-se, ainda, o seguinte teorema, que generaliza a propriedade 2') do n~ 5: TEOREMA 8.1. Se A é a reunião de um número finito ou numerável de conjuntos AI' A2' ... , todos mensuráveis e disjuntos dois a dois, sendo f somável em A, tem-se

f f=l f + f JA AI JA

+ ...

Deste modo, se f é definida e mensurável em R, pondo F(A)

F(A)

=+~,

conforme f é somável ou não em A, o teorema mostra que F(A) é uma função numeravelmente aditiva, definida na classe dos conjuntos A mensuráveis. Em particular, se f(x) = 1 para todo o x real, é óbvio que F(A)=m(A) (medida de A segundo Lebesgue). 9. Espaço das funções localmente somáveis num intervalo

Como vimos, duas funções complexas f, g, localmente somáveis num intervalo I da recta, podem ser distintas e ter uma mesma função primitiva, isto é, pode acontecer que seja, para todo o xEI:

474

f(t)dt =

g(t)dt

(com cEI) ,

sendo J*g. Basta, para isso, que J e g sejam iguais em quase todos os pontos de / (TEOREMA 6.3). Por exemplo, as funções:

cri (X) -_ {- 1, se x < 0, cr2(x ) -_ {- 1, se x::::; 0, 1, se x;::::: 0,

1, se x>O,

são distintas, visto que cri (O) = 1 e cr2(0) = - 1, mas têm ambas como primitiva a função 1x I, que também, como vimos, é primitiva da função cr(x), atrás considerada (não definida na origem). Dadas duas funções J, g distintas, com uma mesma função primitiva F, pergunta-se: Será natural dizer que J e g são funções derivadas de F e escrever DF=J, DF=g?

Se assim convencionarmos, uma função absolutamente contínua F passa a ter uma infinidade de funções derivadas, em vez de uma única, e o operador D de derivação deixa de ser unívoco. Ora, isso não convém. Para estabelecer a univocidade do operador de derivação, há que introduzir as seguintes convenções, geralmente adoptadas: Dadas duas funções J, g, localmente somáveis num intervalo / da recta, diz-se que J e g são equivalentes (em I) e escreve-se J '" g , quando J(x) = g(x) em quase todos os pontos de I. A relação assim definida entre funções localmente somáveis é, de facto, uma relação de equivalência. Que a relação é reflexiva e simétrica, é evidente. Para ver que é transitiva, consideremos três funções, J, g, h, tais que J(x) = g(x) em quase todos os pontos de / e g(x) = h(x) em quase todos os pontos de I. Quer isto dizer que existem conjuntos menosprezáveis M e N tais que J(x)=g(x), VxE/\M,

g(x) = h(x) , VxE/\N.

Mas, então, será J(x) = g(x) , VxE/\(MUN) ,

475

e, como o conjunto MUN também é menosprezável, conclui-se que f(x) = g(x) em quase todos os pontos de I. Por exemplo, tem-se (J'~(J'1 e (J'1~(J'2' Posto isto, sendo f uma função localmente somável em I (definida em quase todos os pontos de I), designaremos por [f] a classe de todas as funções equivalentes a f, no sentido acima precisado. Assim, será, por definição: [f] = [g]

Ç::}

o que não quer dizer que seja f=g. Por exemplo:

Designaremos por L I o conjunto de todas as classes de equiv~lência [f], de funções complexas localmente somáveis em I. Em LI define-se naturalmente uma adição do modo seguinte: Dadas duas funções f, g, localmente somáveis em I (definidas em quase todos os pontos de I), tem-se, por definição: (f + g)(x) = f(x) + g(x)

(1)

em todo o ponto x de I em que f e g são ambas definidas. Ora, é fácil verificar o seguinte facto f

f* 1\ g ~ g* ~ f + g ~ f* + g* .

Deste modo, a cada par de classes [f] e [g], pertencentes aLI' corresponde a classe [f + g], que não depende das funções f e g representativas das primeiras, visto que, se for [f] =[f*] e [g] =[g*], será também [f + g] = [f* + g*]. É natural, então, dizer que a classe [f + g] é a soma das classes [f] e [g], e escrever, por definição: (2)

[f] + [g] = [f + g] .

A adição assim definida em L I é, não só sempre possível e unívoca (como acabamos de provar), mas também associativa, comutativa

476

e reversível, como facilmente se reconhece: o conjunto L I é, pois, um grupo comutativo relativamente à adição assim definida. Analogamente, chama-se produto de um número complexo a por uma classe [f]EL I, e designa-se por a[f], o elemento de LI assim definido:

(3)

a[f] = [af],

e que não depende, manifestamente, da função presentante da classe. Não é agora difícil reconhecer que:

f escolhida para re-

TEOREMA 9.1. Relativamente às operações de qdição e de produto por escalares definidas por (2) e (3), o conjuntoL I é um espaço vectorial complexo. Posto isto, é natural que chamemos derivada de uma função absolutamente contínua F em I à classe de todas as funções f localmente somáveis de que F é primitiva e que, segundo o TEOREMA 6.3, são equivalentes entre si. Escreveremos, então: DF=[f] .

Assim, fica restabelecida, como pretendíamos, a univocidade do operador D, visto que a derivada de F é um ente único (a classe [f]), em vez de uma infinidade de entes (as funções f, g, ... ), muito embora o primeiro ente seja formado pelos segundos. . Mas são as funções absolutamente contínuas elementos de L I? N a realidade, não o são, visto que os elementos deste espaço são classes defunções e não funções. Por exemplo, afunção de Dirichlet: d(x) = 1, se x irracional, d(x) = O se x racional,

é equivalente à função f(x) =1, pois que difere desta, apenas, no conjunto dos números racionais, cuja ~edida é nula: ambas representam, portanto, um mesmo elemento de L I' muito embora a segunda seja absolutamente contínua e a primeira descontínua em todos os pontos.

477

Note-se, entretanto, que a função F(x) =x, primitiva comum das duas funções consideradas, admite como derivada 1 em todos os pontos. Assim, a função f(x) 1 é uma representante privilegiada (contínua) da classe a que pertence afunção de Dirichlet. Dum modo geral, consideremos uma classe [f], representada por qualquer função f localmente somável em I. Então, a função

F(x)

f(t)dt, com cEI,

é uma primitiva de f, portanto uma função absolutamente contínua, que admite derivada igual a f(x) em quase todos os pontos de I. Pois bem, chamaremos representante típica da classe [f] à função <p que verifica a seguinte condição: <p(x) = - d F(x) = - d dx dx

LX f(t)dt, c

em todo o ponto x de I em que F admite derivada finita, não sendo <p definida nos restantes pontos. Diremos ainda, neste caso, que <p é uma função localmente somável típica, ou, simplesmente, uma função típica (em I). Assim, uma função <p será típica em I, se e só se for <p(x) = - d dx

LX <p(t)dt c

em todo o ponto x de I em que existe e é finita a derivada, não sendo <p definida nos restantes pontos. Por exemplo, a representante típica da classe [aI] = [a 2 ] é a função a, pois que a(x) coincide com a derivada de Ix I em todo o ponto x:;t:O (em que esta função admite derivada finita), não sendo definida no ponto x = (em que a função Ix I não admite derivada). Analogamente se reconhece que a função igual a log Ix I para x:;t: 0, e não definida na origem, é uma função localmente somável típica (na recta). Chamaremos pontos excepcionais duma função típica aos pontos em que essa função não é definida (comparáveis aos pontos singulares duma função analítica). Imediatamente se reconhece que:

478

PROPOSIÇÃO 9.1. Toda a função definida e contínua em I é uma função típica sem pontos excepcionais.

É natural, agora, chamar soma de duas funções típicas <p, 'ti (em I), e designar por <p + 'ti, a representante típica da classe [<p + 'ti]. Mas note-se que esta noção de soma não é equivalente à definida por (1). Por exemplo, a soma das funções cr(x) e 1- cr(x), segundo (1), será a função igual a 1 para x O e não definida na origem, enquanto a soma típica das duas primeiras é a função igual a 1 em todos os pontos. Por outro lado, é óbvio que, se for a um número complexo e <p uma função típica, também a<p será uma função típica, representante da classe [a<p] =a[<p]. Destes factos resulta imediatamente que:

PROPOSIÇÃO 9.2. As funções localmente . somáveis típicas em I formam um espaço vectorial isomorfo a L [. Daqui por diante de~ignaremos o espaço das funções típicas em I pela mesma notação L [ e ao chamar-lhe o espaço das funções localmente somáveis em I, subentende-se que se trata de funções típicas. Com esta convenção já podemos dizer. que as funções contínuas em I formam um sub-espaço vectorial de L [ :

C[CL[

e que toda a função absolutamente contínua F admite, como derivada, uma única função localmente somável típica <p : DF=<p.

Assim, a univocidade do operador de derivação é restabelecida de maneira mais natural: a derivada duma função absolutamente contínua fica a ser uma determinada função (típica), em vez de uma classe de funções.

479

10. Espaços LP. Espaços de HILBERT

Sendo p um número real ~ 1, diz-se que uma função f é de potência p somável num intervalo I quando a função If(x)lp é somável em I. Prova-se que: Se f é de potência p somável em I, f é localmente somável em I. Mas a recíproca não é verdadeira, mesmo quando I é compacto: por exemplo, a função l/Vx é somável no intervalo [0, 1] e, contudo, a função

1 x

não é somável nesse intervalo. Por outro lado, pode uma função ser de potência p somável num intervalo I sem ser somável em l. Por exemplo, a função 1/x tem quadrado somável no intervalo [1, + 00 [ e, contudo, não é somável nesse intervalo. Visto que toda a função f de potência p somável é localmente somável, podemos sempre substituí-la pela função típica <p equivap lente: o integral de Ifl coincide, manifestamente, com o de l<plp. Para cada número real p ~ 1, designa-se por Lf a classe de todas as funções complexas de potência p somável em I (funções típicas). Demonstra-se, então, que: . O conjunto L f é um sub-espaço vectorial do espaço L I das funções localmente somáveis em l. Quando esteja subentendido o intervalo I de que se trata, omite-se, geralmente, a sua indicação em índice (especialmente quando I=R).

Posto isto, prova-se que, pondo

fica definida uma função norma em IJ. Além disso, demonstra-se que: O espaço normado LP é completo, portanto um espaço de Banach.

480

Mais, ainda, se prova que: O espaço das funções contínuas em I é um sub-conjunto denso de IJ. Equivale isto a dizer que toda a função iEIJ se pode obter como limite em IJ duma sucessão <Pn de funções contínuas: lim Iii - <PJp = O.

n-?oo

Assim, L f é o completado do espaço C[ para a norma IHl p ' (Note-se que, para os diferentes valores de p, as normas 11·ll p não são topologicamente equivalentes entre si). A convergência relativa à norma 11·ll p é chamada convergência em média de ordem p. Os casos mais importantes na prática são aqueles em que p = 1 e p=2. O espaço LI é simplesmente o espaço L das funções somáveis em I, e a convergência relativa à norma 11·111 é a convergência em média simples (ou apenas convergência em média). O espaço L2 é o espaço das funções de quadrado somável e a convergência relativa à sua norma é a convergência em média quadrática (também chamada, apenas, convergência em média, quando não se considera nenhum outro valor de p).

Espaços de Hilbert. O espaço L2 é particularmente importante pelas suas aplicações à Física, sobretudo à Mecânica Quântica. Neste espaço, além da norma, é definido um produto interno <i, g> de dois vectores i, gEL2, por meio da fórmula

<f, g> = Lf(x)g(X)dX, em que g(x) designa, para cada valor de x, o número complexo conjugado de g(x). Desde logo se reconhece que

481

São evidentes as propriedades: <i+ g, h>= <i, h>+<g, h> <ai, g>= a<i, g> <i,g>=<g,i>

quaisquer que sejam i, g EL2 e a E C. Destas ainda se deduzem as seguintes: <i, g+h>= <i, g>+<i, h> <i, ag>= a<i, g>.

Dum modo geral, dado um espaço vectorial complexo E, chama-se função de produto interno definida em E toda a função complexa H(u, v) de duas variáveis u, v, vectores de E, que para quaisquer u, v, wEE, a EC verifique as condições: 1) H(u+v, w)=H(u, w)+H(v, w) 2) H(au, w)=aH(u, w) 3) H(u, v) =H(v, u)

4) H(u, u»O 5) H(u, u)=O~u=O.

Quando se adopta uma determinada noção de produto interno H(u, v) num espaço E, é costume designar esse produto interno por qualquer das notações <u, v>, <ulv>, ulv, (u, v), etc.

Evidentemente, também se podem definir noções de produto interno em espaços vectoriais reais. Basta impor à função H(u, v) a condição de ser real e substituir a condição 3) pela condição 3') H(u, v)=H(v, u) (simetria ou comutatividade).

Note-se que, a partir da noção de produto interno, se definem as noções de norma ou comprimento dum vector u e de ângulo de dois vectores u, v, por meio das fórmulas:

482

Ilull = Y<u, u>, <u, v>

cos (u,

v) = I ull.11 vii

Em particular, os vectores u, v dizem-se ortogonais, quando <u, v>=O. Assim, um espaço vectorial, munido de uma noção de produto interno, é mais do que um espaço normado: é um espaço geométrico, ao qual se generalizam numerosos teoremas da geometria euclideana, tais como o teorema de Pitágoras, o teorema relativo à soma dos ângulos internos dum triângulo, etc., etc. Em R n, costuma definir-se produto interno de dois vectores x= (xl' ... ' x n), Y= (Yl'···' Yn)' pela fómula: n

<x, Y>=

L XkYk=X Yl + ... +XnYn· 1

k=l

Por sua vez, em Cn tem-se, por definção: n

<z, w> =

L ZkWk·

k=l

sendo z= (ZI' ... , Zn) e W= (Wl' ... ' w n )· Chama-se espaço vectorial euclideano com n dimensões todo o espaço vectorial E com n dimensões munido duma noção de produto interno. Prova-se que, nessa hipótese, E é necessariamente isomorfo a Rn ou a Cn, conformefor real ou complexo. Costuma chamar-se espaço hilbertiano numérico e designar-se por f2, o conjunto de todas as sucessões

de números complexos tais que a série 00

483

é convergente. Prova-se que f2 é um espaço vectorial complexo (1), no qual se define uma noção de produto interno, pondo 00

L Zn

< z, w> =

•

n=l

Dum modo geral, chama-se espaço hilbertiano ou espaço de Hilbert a todo o espaço vectorial complexo E, munido duma noção de produto interno e que verifica as seguintes condições suplementares: I) tem um número infinito de dimensões; II) como espaço métrico, é completo; III) como espaço topológico, é separável. Pelo que vimos no Capítulo III, n? 16, a última condição equivale a dizer que existe em E um conjunto numerável B de vectores tal que todo o vector u EE se exprime como limite de elementos de B. Prova-se que todo o espaço hilbertiano E é isomorfo a f2. Quer isto dizer que se pode definir uma aplicação biunívoca <p de E sobre f2, que respeita as noções de soma, de produto por escalares e de produto interno; isto é, tal que: <p(u + v) = <p(u) + <p(v) <p(au) =a<p(u) < <p(u), <p(v) > = < u, v>

'\lu, vEE, '\IaEC.

Assim, todos os espaços de Hilbert são isomorfos entre si. Em particular, prova-se que o espaço L2 das funções de quadrado somável num intervalo I é um espaço de Hilbert. Espaço Loo.

Costuma designar-se por L a classe das funções mensuráveis limitadas num intervalo I (portanto, localmente somáveis em 1). O conjunto L é um espaço vectorial, no qual se define uma norma pondo 00

(1) Também se pode considerar o espaço hilbertiano real contido neste.

484

I flloo = sup If(x)l· xEI

o espaço das funções contínuas limitadas em I é um sub-espaço vectorial normado de Loo, completo como este.

11. Medida e integral em R n O que se disse nos números anteriores sobre medida e integral de Lebesgue estende-se com aspecto análogo a conjuntos de pontos dum espaço R n e a funções complexas de n variáveis reais. Intervalos n-dimensionais e medida. No que diz respeito à medida dum conjunto, bastará utilizar, em vez de intervalos de recta, intervalos n-dimensionais. Dados dois pontos

ambos de R n, escreveremos 'v'k=l, ... ,n,

x:::;; y,

e x<y,

quando x k< Yk'

'v'k=l, ... ,n.

Assim, dados a, bERn, chamaremos intervalo [a, b] ao conjunto dos pontos x tais que a:::;; x :::;; b; intervalo [a, b [ ao conjunto dos pontos x tais que a:::;; x < b, etc. Por sua vez, chamaremos intervalo [a, ~[ ao conjunto dos pontos x tais que x ~ a, intervalo ]f-, a] ao conjunto dos pontos x tais que x:::;; a, intervalo ]f-, ~[ ao próprio espaço R n, etc. Teremos pois, tal como na recta, intervalos limitados e intervalos ilimitados, intervalos abertos, intervalos fechados e intervalos semi-abertos, etc. Serão compactos os intervalos [a, b], limitados e fechados. Também é fácil ver que todo o intervalo n-dimensional será um produto cartesiano de intervalos da recta. Assim:

485

Se n = 2, os intervalos compactos serão os rectângulos de lados paralelos aos eixos coordenados, os intervalos [a, b [ serão esses mesmos rectângulos privados dos lados superior e direito, etc. Sendo a = (aI' a 2 ) e b = (b p b 2 ), a área (ou medida) de qualquer intervalo de extremos a, b será (bI-a I) x (b 2 -a 2 ).

b, - -X

T-,: m -m-m:

----

-I I

I I

a2----ai

I I

: I

I I I

Se n = 3, os intervalos compactos serão os paralelipípedos de arestas paralelas aos eixos, etc. Sendo a =(aI' a 2 , a3 ) e b =(b p b2 , b3 ), o volume (ou medida) de qualquer intervalo de extremos a, b será o produto das suas dimensões

Dum modo geral, sendo a=(al' ... , a n), b=(b p ••• , bn), a medida de qualquer intervalo de extremos a, b será, por definição: n

II (b k=l

k -

ak )

=(b I -

aI)

(b 2 - a2)

X ... X

(b n - an)·

Um intervalo ilimitado terá por medida + 00. Posto isto, as noções de medida exterior, m/A), e de medida interior, miCA), de um conjunto ACRn definem-se, exactamente, como no caso n = 1. Se miCA) = me(A), o conjunto A diz-se mensurável, com medida m(A) =miCA) =m/A). Se me(A) =0, o conjunto A diz-se menosprezável (todo o conjunto numerável é ainda menosprezável). Demonstra-se também que m(A) é uma função numeravelmente aditiva, definida na classe dos conjuntos A mensuráveis. São mensuráveis todos os conjuntos abertos e todos os conjuntos fechados.

486

Pode ainda dizer-se que, praticamente, todos os conjuntos de pontos de R" são mensuráveis.

Funções fundamentais. Integrais múltiplos. Uma vez definida a noção de intervalo n-dimensional, as noções de função em escada, de função fundamental, para n variáveis, bem como a de integral de uma função fundamental, definem-se, mutatis mutandis, como no caso n = 1. Daqui resulta, de modo análogo, a noção de função mensurável (a locução "quase em todos os pontos" continua a usar-se com significado idêntico) . Finalmente, as definições de função não negativa somável num intervalo I, de função real ou complexa somável em I e de integral de tais funções em I são dadas de modo perfeitamente análogo. O integral duma função J, num intervalo 1=11 x··· xln , será designado pela notação

ou, abreviadamente, por

f(x)dx ou mesmo por

pondo x = (xl' ... , xn ) e dx = dx 1 ••• dx n • A indicação do intervalo em índice poderá também ser omitida quando não houver perigo de confusão. As propriedades do integral enunciadas no n? 5 estendem-se ao caso geral com uma pequena modificação evidente na propriedade 2) e na FÓRMULA DE MAJORAÇÃO DO INTEGRAL, em que a notação II I (comprimento de l) deverá ser substituída por m(l). Aliás, a noção de integral múltiplo pode ser estendida ao caso em que o campo de integração é, em vez dum intervalo I, um conjunto mensurável A qualquer de pontos de R", como se fez no n? 8 para o caso n= 1. As referidas propriedades, incluindo o TEOREMA DA MÉDIA e a FÓRMULA DE MAJORAÇÃO DO INTEGRAL, generalizam-se imediatamente a este caso.

487

As principais diferenças entre os integrais múltiplos e os integrais simples surgem quando se trata das relações entre a integração e a derivação, da mudança de variáveis em integrais e da redução dum integral múltiplo a integrais simples. Integrações sucessivas. Teorema de Fubini. Sejam II e 12 intervalos quaisquer da recta e I = II X 12 (intervalos de R2, que pode, em particular, ser este espaço). Posto isto, demonstra-se o seguinte teorema, devido a FUBINI:

TEOREMA 11.1. Se f(x, y) é uma função somável em I, toda afunção de y que se obtém atribuindo a x em f(x, y) um valor situado em II é somável em 12, excepto, quando muito, para os pontos x dum sub-conjunto menosprezável de II. Portanto, se pusermos <l>(x) =

f(x, y)dy,

fica assim definida uma função <l> em quase todos os pontos de II. Estafunção é somável em II e o seu integral neste intervalo coincide com o integral duplo de f em l. Ter-se-á, pois,

fJ/f

f(x, y)dxdy =

f dx f

J/ J/ 1

f(x, y)dy =

f dy f f(x, y)dx

J/ J/ 2

(visto que o que se diz para uma variável se aplica, automaticamente, à outra).

Ficam assim, consideravelmente generalizados, critérios estabelecidos no Capítulo V, n? 7, como, por exemplo, o TEOREMA 7.7. O TEOREMA DE FUBINI estende-se, de maneira evidente, ao caso de funções de n variáveis, com n qualquer, e dele se deduz este outro teorema, que generaliza o TEOREMA 7.8 do Capítulo V: TEOREMA 11.2. Se f(x I , .. . , xJ é o produto de n funções fI(X I), f2(X 2), ... , f/x n ), de uma variável, nenhuma das quais é nula em quase todos os pontos, para que f seja somável em I = II X ... xl n' é necessário e suficiente que f k seja somável em Ik (k= 1, ... , n). Então, o integral de f em I é o produto dos integrais das funções f k nos respectivos intervalos Ik:

488

II .··1 UX =

)f2(X2 )

fI(xI)dx I X 1

•••

f (x.)dx 1 ••• dx. =

f 2(x2 )dx2 X

...

f (xJdxn.

Mudança de variáveis em integrais múltiplos. Para maior clareza, começaremos pelo caso dos integrais duplos: TEOREMA 11. 3. Seja T um conjunto mensurável de pontos de R2, e seja x=<p(t) uma aplicação biunívoca de T sobre um outro conjunto XCR2, definida por duas funções reais

definidas e continuamente deriváveis num aberto Q que contenha T. Então o conjunto X também é mensurável e, para que uma função f(x) = f(xl' x 2 ) seja somável em X, é necessário e suficiente que seja somável em T a função f(<p(t))J(t) de t, em que

J(t) = J(tl' t2) =

d<PI

dtI

dt2

d<P2 d<P2 dtI

dt2

(jacobiano ou determinante funcional da aplicação <p). Nesta hipótese, tem-se

No caso geral, tratar-se-á de um sub-conjunto T de Rn e de uma aplicação biunívoca <P de T sobre outro conjunto X, definida por n funções

489

continuamente deriváveis num aberto Q ~ T. O jacobiano da transformação <P será:

d<PI dtl

d<PI dtn

l(t) = l(tl' ... , tn) = .................. .. d<Pn d<Pn dtl dtn Então, para que f(x) = f(x l , ... , x) seja somável em X, é necessário e suficiente que a função

de ti' .. . , tn seja somável em T. Nesta hipótese, tem-se, em notação abreviada, Lf(X)dX

f(<jl(t)) IJ(t)ldt.

Exemplos importantes - Seja X = R2 e ponhamos: x = r cos e,

y = r sen e ,

tomando para T o conjunto dos valores de r e e tais que r> 0, o::::; e<21t, acrescido do ponto r=O, e=o, de modo que a aplicação (r, e) ~ (x, y) de T sobre X seja biunívoca. Então,

e 2n - - -- --- --,- - -- :- - - ---- - :- -,- -T '

ler, e) = cos e - r sen e = r . sene - rcose Logo, para que f(x, y) seja somável em R2, é necessário e suficiente que f(rcos e, rsen e) r seja somável em T, e tem-se, então:

490

L~- L~- f(x, y)dxdy = =

f! f+oo

f(rcos 9, rsen9)rdrd9 =

f21t

f(rcos e, rsen e)rde.

Note-se que rde é o comprimento ds do arco de círculo de raio r e de amplitude igual a de radianos. Então, designando por C r a circunferência de centro na origem e raio r, podemos escrever o anterior integral sob a forma

f+oo dr f fds, Jo JC r

em que o segundo integral simples é o integral (curvilíneo) de sobre Cr • Analogamente, considerando X = R3 e pondo:

x=rcos<p sene, y=sen<p sene, z=rcose

o::::; <p<21t, o<e<1t,

r~O,

acha-se J(p, <p, e) = r 2 sen e

e, na hipótese de f ser somável:

ffL,

f(x, y, z)dxdydz =

F(r)dr,

em que F(r) =

f21t f1t

Jo Jo

f(rcos<p sene, rsen<p sene, rcose)r 2 sened<pde

ou ainda, designando por E r a superfície esférica de centro na origem e raio r, e pondo dQ=r 2 sened<pde (elemento de área da superfície):

491

F(r)

fL, fda

que é, por definição, o integral de f sobre a superfície Er. Em particular, se f se reduz a uma função só de r, f(x, y, z) = g (r),

tem-se

ffL

f(x, y, z)dxdydz = 4n

g(r)r 2dr,

visto ser 4nr2 a área de Er . Estes resultados estendem-se a Rn. Por exemplo, se for f(xl' .. . , x n ) uma função que só depende de r=Vx~+ ... +x;, f(xl' ... ,xn)=g(r),

para que f seja somável em Rn, é necessário e suficiente que <p seja somável em [0, + oo[ e, então:

JRn

f(x)dx = Sn

g(r)rn-1dr,

em que Sn designa a "área" da hipersuperfície de equação X12 +X 22 + ... +xn2 =1

(fronteira da bola unitária de centro na origem). No caso geral, supondo f somável, tem-se

r f(x)dx = Jor+ JRn

r fdS,

em que L r designa a hipersuperfície

e dS o "elemento de área" de L r • Critérios de convergência para integrais múltiplos. Dos resultados anteriores deduz-se que:

492

PROPOSIÇÃO 11.1. O integral

J.. J

dXl ..~ dXn , '" com r= r

r;a, 1

é convergente se a> n, divergente se a

Ixl,

. O integral

.J . J r~ 1

dX 1 ••~ dXn r

é convergente se a < n, divergente se a

Com efeito, basta notar que estes integrais, são, respectivamente, IgUaIS a

Daqui resultam, por confronto, critérios de convergência, que generalizam, ao caso de n variáveis, os critérios estabelecidos no Capítulo V para integrais impróprios simples, de 1~ e de 2~ espécie. Assim: TEOREMA 11.4. Seja A um conjunto mensurável de Rn e i uma função mensurável em A: I. Suponhamos que A é ilimitado e não contém a origem. Então, se existem constantes M e a tais que, para xEA,

Ii(x) I ~ -M, Ixla

com a>n e M.finito,

o integral L i é convergente. Se existem contantes M e a tais que, paraxEA,

Ii(x) I ~-, a

Ixl

o integral Li é divergente.

com a~n e M>O,

493

II. Suponhamos A limitado e seja a EA. Então, se existem constantes M e ex tais que, para todo o xEA, M

If(x) I < Ix _ala'

com ex< n e Mfinito,

o integral Lf é convergente. Se existem constantes M e ex tais que, para todo o xEA, M

If(x) I ~ lx-ala'

com ex~n e M> 0,

o integral Lf é divergente.

Não esquecer que, neste enunciado, x e a designam pontos (xl' ... , x n ) e (aI' ... , aJ de Rn e que

Estes resultados podem aplicar-se, por exemplo, ao estudo do potencial newtoniano criado por uma distribuição de matéria de densidade fl(X), em cada ponto x do espaço ordinário. Num ponto a qualquer do espaço o potencial é dado por: U(a) =

fl(x)

Ix-a I dx.

EXERCÍCIO - Calcular o potencial em a, supondo que a densidade é igual a uma constante fl numa bola de centro a e raio R, e nulafora dessa bola. Espaços de funções localmente somáveis. Consideremos um conjunto A mensurável de pontos de Rn. Diz-se que uma função complexa f(x) = f(xl' ... , x n ) é localmente somável em A, quando é somável em todo o compacto contido em A. Duas funções f e g localmente somáveis em A dizem-se equivalentes, e escreve-se f ~ g, quando são iguais em quase todos os pontos de A; prova-se que a relação assim d~finida é, de facto, uma relação de equivalência. Designemos por LA o conjunto de todas as classes de

494

equivalência [f] de funções localmente somáveis em A; neste conjunto, definem-se, de modo natural, operações de soma e de produto por escalares, que o tomam um espaço vectorial complexo. Também é possível, neste caso, escolher representante~ típicos para cada classe de equivalência, e, assim, chamaremos a LA o espaço da~ funções localmente somáveis em A. Um sub-espaço vectorial de LA é o das funções contínuas sobre A. Para todo o número real p ~ 1, designa-se por LX, ou simplesmente por LP, o espaço das funções f de potência p somável em A, isto é, tais que a função

é somável em A. Prova-se que LX é um sub-espaço vectorial de LA. Nele se define uma norma por meio da fórmula

j Llilp .

Ilfllp=

Em particular, L~ = LA é o espaço das funções somáveis em A. Por sua vez, L~ é o espaço das funções de quadrado somável em A. Neste podemos definir um produto interno, pondo

< f, g > =

f(x)g(x)dx.

Desde logo se reconhece que IIfl12 = V<f, f> e prova-se que o espaço vectorial L~, munido deste produto interno, é um espaço de Hilbert, quaisquer que sejam o conjunto mensurável A C Rn e n= 1,2, .... Os espaços funcionais deste tipo intervêm, essencialmente, na Mecânica Quântica.

íNDICE ANÁLISE SUPERIOR

BIBLIOGRAFIA INICIAL .. .............. .... ................ ........ ................... INTRODUÇÃO..................................................................................

111 113

CAP. I - Preliminares

1. Números complexos .............................................................. . 2. Representação geométrica ..................................................... . 3. Representação trigonométrica dos números complexos ......... . 4. Interpretação geométrica da multiplicação ............................. . 5. Outro tipo de interpretação geométrica dos números complexos ................................................................ . 6. Limites de sucessões de números complexos ........................ . 7. Séries de termos complexos .................................................. . 8. Soma e produto de séries ....................................................... . 9. Séries de potências ................................................................. . 10. Função exponencial ............................................................... . 11. Logaritmação no campo complexo ....................................... .. 12. Senos e cosenos de números complexos ............................... .

117 121 124 127 128 130 136 139 141 143 148 149

CAP. II - Estudo elementar das funções de variável complexa

1. Generalidades sobre funções de mais de uma variável ..........

151

568 2. Funções complexas de variável complexa .............................. 3. Funções reais da variável complexa e funções complexas de variável real ............................................................................. 4. Noção de limite para funções complexas da variável complexa ................................................................... 5. Propriedades dos limites das funções ...................................... 6. Continuidade para funções complexas de variável complexa 7. Conceito de derivada. Funções monogéneas e funções holomorfas .............................................................................. 8. Regras de derivação ................................................................ 9. Condições de monogeneidade ................................................ 10. Condições de holomorfia......................................................... 11. Estudo de algumas funções pluriformes .................................

155 157 159 161 163 164 168 173 180 183

CAP. III - Noções prévias sobre espaços vectoriais abstractos e sobre topologia 1. Espaços vectoriais: definição, axiomática e exemplos ........... . 2. Dependência linear. Número de dimensões ........................... . 3. Noção de subespaço vectorial ............................................... .. 4. Noção de semi-norma ............................................................. . 5. Noção de norma ...................................................................... . 6. Noções de desvio, distância e espaço métrico ........................ . 7 . Noções métricas ..................................................................... . 8. Isometrias ............................................................................... . 9 . Noções topológicas em espaços métricos .............................. . 10. Topologia e Lógica formal .................................................... .. 11. Noção geral de espaço topológico ......................................... . 12. Sistemas fundamentais de vizinhança ................................... . 13. Filtros e bases de filtros ......................................................... . 14. Noção de subespaço topológico ............................................ . 15. Produto topológico ................................................................ . 16. Espaços separados ................................................................. . 17. Noção de limite de uma sucessão .......................................... . 18. Limite de um filtro ................................................................. .

193 197 197 199 200 202 205 207 208 214 217 220 222 223 224 226 228 231

569 19. Limite de uma função. Funções contínuas ............................. 20. Aplicações bicontínuas. Grupo da Topologia ......................... 21. Conjuntos compactos .............................................................. 22. Funções contínuas sobre compactos ....................................... 23. Continuidade uniforme em espaços métricos ......................... 24. Imersão de um espaço localmente compacto num espaço compacto ................................................................................. 25 . Noção de linha ........................................................................ 26. Conjuntos conexos .................................................................. 27. Espaços métricos completos. Espaços de BANACH .............. 28. Análise infinitesimal em espaços de BANACH ..................... 29. Espaços vectorais topológicos. Espaços localmente convexos .................................................

232 238 240 243 245

ALGUMAS INDICAÇÕES BIBLIOGRÁFICAS .......................

271

247 250 254 260 262 269

CAP. IV - Fundamentos da teoria das funções analíticas 1. Noção de integral para as funções complexas de variável real ............................................................................ 2. Noção de integral para as funções complexas de uma ·variável complexa ................................................................... 3. Nova definição de integral para funções complexas de variável complexa ................................................................... 4. Domínios simplesmente conexos e domínios multiplamente conexos.................................................................................... 5. Primeira forma do teorema fundamental de CAUCHY Demonstração de RIEMANN ................ .... ................... ...... .... 6. O teorema fundamental de CAUCHY para poligonais. Demonstração de GOURSAT .......... ........ ...................... .......... 7. O teorema fundamental do cálculo integral no campo complexo. Forma geral do teorema fundamental de CAUCHY................................................................................. 8. Caso dos domínios multiplamente conexos .................. .......... 9. Fórmula integral de CAUCHY................................................ 10. Convergência uniforme no campo complexo .........................

273 275 278 283 286 288

291 297 299 302

570 11. Primeiras consequências da fórmula integral de CAUCHY. ... 12. Teoremas de MORERA e de WEIERSTRASS ...................... 13. Série de LAURENT ................................................................ 14. Zeros de uma função holomorfa ............................................. 15. Pontos singulares de uma função ............................................ 16. Funções analíticas globais (ou funções analíticas de WEIERSTRASS) .................................................................... 17. Funções holomorfas em domínios da esfera de RIEMANN ... 18. Funções homográficas. Geometria analagmática e geometria projectiva da rectaprojectiva complexa ................................. . 19. Funções analíticas globais em domínios da esfera de RIEMANN ............................................................................. . 20. Funções algébricas ................................................................. . 21. Breves noções sobre representação conforme ........................ . 22. Funções vectoriais analíticas ................................................. ..

308 314 317 319 324 330 352 360 365 366 376 387

CAP. V - Revisões e complementos sobre integrais

impróprios e sobre integrais paramétricos 1. Integrais com extremos infinitos para funções reais ............... 2. Integrais de funções ilimitadas................................................ 3. Mudança de variáveis em integrais impróprios ....................... 4. Funções de EULER .............. ....... ....... ................ ............ ......... 5. Integrais impróprios de funções vectoriais e de funções complexas .............................................................................. . 6. Convergência uniforme relativa a parâmetros contínuos ....... . 7. Integr~is paramétricos ............................................................. .

391 405 411 413 415 417 425

CAP. VI - Método dos resíduos 1. 2. 3. 4.

Definição e teorema fundamental ......................................... .. Aplicação à contagem dos zeros duma função meromorfa .... . Resíduos no ponto impróprio ................................................. . Aplicação do método dos resíduos ao cálculo de integrais impróprios ...............................................................................

437 439 443 444

571

CAP. VII - Breves noções sobre medida e integral de Lebesgue 1. Medida de LEBESGUE sobre a recta .................................... . 2. Funções em escada. Funções fundamentais .......................... . 3. Funções mensuráveis .............................................................. . 4. Funções somáveis. Integral de LEBESGUE ......................... . 5. Propriedades do integral de LEBESGUE .............................. . 6. Integrais indefinidos. Funções absolutamente contínuas ....... . 7. Integração por partes e integração por substituição ............... . 8. Integral duma função sobre um conjunto mensurável ........... . 9. Espaço das funções localmente somáveis num intervalo ...... . 10. Espaços LP. Espaços de HILBERT .......... ............................... 11. Medida e integral em Rn ........................................................ .

454 457 458 459 463 468 471 473 473 479 484

CAP. VIII - Transformação de Fourier 1. Definição e notações ... ............... ..................... .................. ...... 2. Campo de existência. Primeiras propriedades......................... 3. Efeito da transformação de FOURIER sobre a derivação e sobre a multiplicação por x ..................................................... 4. Inversão. Teorema de FOURIER ............................................ 5. Demonstração do teorema integral de FOURIER .................. 6. Efeito da transformação de FOURIER sobre a multiplicação. Convolução ............................................................................ . 7. Efeito da transformação de FOURIER sobre as translações .. 8. Aplicações às equações diferenciais ...................................... . 9. A transformação de FOURIER para funções de mais de uma variável ........................... ..... .................................................. .

495 498

526

ALGUMAS INQICAÇÕES BIBLIOGRÁFICAS ...................... .

531

501 503 511 515 518 519

CAP. IX - Transformação de Laplace 1. Definição e notações ............................................................... 2. Campo de existência. Funções de tipo exponencial à direita. 3. Linearidade da transformação de LAPLACE .........................

533 535 541

572 4. 5. 6. 7. 8.

Efeito da transformação de LAPLACE sobre a derivação ..... Efeito da transformação de LAPLACE sobre as translações. Inversão ................................................................................... Convolução no intervalo [0, + 00 [ ........................................... Aplicações às equações diferenciais .......................................

542 545 547 550 552

BIBLIOGRAFIA ................................... .......................................

566