Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas
Universidad Abierta y a Distancia de México
Licenciatura en Matemáticas
8° cuatrimestre
Análisis Matemático II
Información general de la asignatura
Clave: 050930829
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas
Índice Unidad 1. Aproximación de funciones continuas ................................................................... 3 Presentación de la unidad ........................................................................................................ 3 Propósitos de la unidad ........................................................................................................... 3 Competencia específica ........................................................................................................... 3 1.1. Series de números ............................................................................................................. 4 1.1.1. Series convergentes ...................................................................................................... 4 1.1.2. Series absolutamente convergentes .............................................................................. 7 1.1.3. Criterios de convergencia ............................................................................................ 10 1.1.4. Reordenamientos ........................................................................................................ 12 Actividad 1. Práctica y aplicación. ......................................................................................... 14 1.2. Aproximación de funciones ............................................................................................ 15 1.2.1 ¿Qué es aproximar funciones? ..................................................................................... 15 1.2.2 Funciones continuas extrañas ...................................................................................... 19 Actividad 2. Aproximación de funciones continuas ............................................................. 22 1.3 Teorema de aproximación de Weierstrass ...................................................................... 22 1.3.1 Enunciado, demostración y consecuencias notables .................................................... 23 1.3.2 Algunas generalizaciones ............................................................................................. 25 Actividad 3. Teorema de Weierstrass .................................................................................... 26 Autoevaluación ....................................................................................................................... 27 Evidencia de Aprendizaje. Aproximación de funciones continuas ..................................... 27 Autorreflexiones ..................................................................................................................... 28 Cierre de la unidad.................................................................................................................. 28 Para saber más: ...................................................................................................................... 28 Referencias Bibliográficas ..................................................................................................... 28
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Unidad 1. Aproximación de funciones continuas
Presentación de la unidad Uno de los objetivos fundamentales del Análisis Matemático es el estudio de los procesos de aproximación. En ciertos casos la intención es acercarse a un objeto matemático (una función, un número, un conjunto, etc.) por medio de otros objetos “más simples” –más manejables o más conocidos- esperando que el objeto original herede algunas de las propiedades de los objetos de aproximación o al menos que el límite que está detrás del proceso de aproximación permita manipular mejor al primer objeto, que lo vuelva más cercano. En tus cursos de cálculo aprendiste que hay funciones que pueden aproximarse mediante los polinomios de Taylor, sin embargo, no todas las funciones diferenciables admiten una aproximación de esta manera. Idealmente lo que se desea es aproximar una función continua cualquiera mediante una función polinomial. Los polinomios significan muchas ventajas para la representación en aproximación numérica, interpolación y modelación geométrica. Y han demostrado ser extremadamente útiles en la implementación de estrategias de cálculo digital. En esta Unidad estudiarás el Teorema de aproximación de Weierstrass, resultado esencial al buscar la mejor aproximación polinomial de una función continua. Previamente, abordaremos el tema de series de números, cuyos resultados serán de gran ayuda para el buen entendimiento y manejo de resultados ulteriores.
Propósitos de la unidad
Asimilar los resultados más importantes sobre series de números Identificar las hipótesis del Teorema de Weierstrass Demostrar el Teorema de Weierstrass Aplicar el Teorema de Weierstrass
Competencia específica
Aplicar el Teorema de Weierstrass para comprender que toda función real continua es límite uniforme de una sucesión de polinomios, utilizando las definiciones y propiedades de sucesiones, convergencia y continuidad.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas 1.1. Series de números Una serie es una suma , con una cantidad infinita de sumandos. Formalmente la escribimos como . Cómo sabes, un límite puede existir o no. Por esta razón, hay series convergentes y divergentes. Aprender a distinguirlas será nuestra principal motivación.
1.1.1. Series convergentes A partir de una sucesión
Los números
de números reales, podemos generar una nueva sucesión
son llamados sumas parciales de la serie ∑
A su vez, el sumando es el término general de la serie.
:
.
ésimo término (por el lugar que ocupa). También se le llama
Definición. Si el límite existe, diremos que la serie ∑ es convergente, y ∑ ∑ definimos a , como la suma de la serie. Si el límite no existe, diremos que ∑ es una serie divergente.
Veamos algunos ejemplos. Presta mucha atención, ya que aportarán resultados que más adelante citaremos y/o aplicaremos. Ejemplo. La serie geométrica suma es ⁄
, es convergente cuándo
. De inicio consideremos
, observa que las sumas parciales ⁄
, cuyo término general es crecientes (i.e.
), y acotadas dado que
, y su
⁄
para todo
, son estrictamente .
Además, ⁄
⁄
por lo tanto, ⁄
Los cálculos anteriores también son válidos si
. Ya que
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si
,
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas puesto que
si y sólo si
.
⁄
Ejemplo. La serie
⁄
, es convergente y su suma es el número . ⁄
En efecto, las sumas parciales
⁄
son crecientes. Además están
acotadas, ya que
Para comprobar que están acotadas, sólo observa que ⁄
⁄
y sí hacemos ⁄
podemos aplicar lo visto en el Ejemplo 1, ⁄
⁄
⁄
⁄ , y por lo tanto
De donde se sigue que
. Finalmente, por un
resultado visto en tu curso anterior, sabes que toda sucesión creciente y acotada es convergente, de modo que el límite existe, y lo escribimos como . El número es una de las constantes más importantes para muchas ramas de las matemáticas, y especialmente para el Análisis matemático.
Ejemplo. La serie , que tiene por término general , es divergente ya que la suma parcial es cero si es un número par, e igual a si es impar. Luego, hay dos subsucesiones de sumas parciales que convergen a límites distintos, y por los criterios de convergencia y divergencia de sucesiones, no existe .
Ejemplo. La serie ∑ ⁄ tiene como
, con término general
ésima suma parcial (
Luego
,
)
(
, y entonces ∑ ⁄
)
(
)
.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas En una serie ∑ , si para todo , las sumas parciales de la serie ∑ forman una sucesión creciente. Y por lo tanto, una serie ∑ cuyos términos no son negativos, converge si y sólo si existe una constante tal que para todo . Por ésta razón, se acostumbra utilizar la notación ∑ para señalar que la serie ∑ , con , es convergente. Observación. Si para todo ∑ implicará que ∑
,y
es una subsucesión de
, entonces
.
Ejemplo. La serie armónica ∑ ⁄ es divergente. En efecto, razonemos del siguiente modo: Supongamos por un momento que la serie es convergente, i .e. ∑ sería convergente y ∑
, entonces ∑
también. Ahora bien, comprobar que
, no es muy
complicado (sólo desarróllalo para las sumas parciales y lo verás). Luego, haciendo que tendríamos que
. Sin embargo,
∑
∑
; y por lo tanto
.
A su vez, se cumple que
)
[(
(
)
(
(
)] )
Lo que significa que . Esta desigualdad establece una contradicción con la hipótesis, luego entonces la serie armónica es divergente.
Teorema 1. Criterio de comparación.- Sean ∑ y ∑ series cuyos términos son mayores o iguales a . Si existen y tales que para todo , entonces la convergencia de ∑ implica la de ∑ , mientras que la divergencia de ∑ implica la de ∑ .
Demostración. Bajo las condiciones de la hipótesis del teorema, la desigualdad se cumplirá para casi todos los valores de , salvo en una cantidad finita de términos, para los cuales no podemos asegurar nada. Sin embargo, a partir de podemos generar otro valor que satisfaga la desigualdad para todo
, por ejemplo
⁄
Así que, sin pérdida de generalidad, podemos suponer que
⁄
.
para todo
.
La idea del argumento demostrativo es el siguiente: Supongamos que la segunda serie converge, luego por la desigualdad anterior, tendríamos que la segunda serie (creciente) estaría
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas acotada superiormente (por un múltiplo del límite de la segunda serie) y por lo tanto la primera también sería convergente. Por otro lado, si la primer serie fuera divergente, tendríamos que la segunda serie nunca podría alcanzar un límite, en virtud de la desigualdad de la hipótesis. La argumentación anterior, aunque intuitiva es perfectamente válida, de hecho suele ser lo que detona el argumento formal: Las sumas parciales y , de ∑ y ∑ respectivamente, determinan sucesiones crecientes tales que para todo . Y dado que , el que sea acotada implica que también lo sea, y si no es acotada entonces tampoco lo será, pues .
■ Ejemplo. Si
, la serie ∑ ⁄
Veamos porque, sea suma parcial
es convergente.
la suma de la serie geométrica ∑
de la serie ∑
⁄
. Probaremos que toda
es menor que . En efecto, sea
tal que
.
Luego, (
)
(
)
(
) ∑( )
Dado que la serie armónica es divergente, y al aplicar el criterio de comparación obtendremos ⁄ . que ∑ diverge también si , ya que ⁄
Teorema 2. El término general de una serie convergente tiene a cero cómo límite.
Demostración. Si la serie ∑ converge, al hacer existe. Ahora, considera la sucesión y . Por lo que
tal que
, tendremos que y . Luego, .
■ 1.1.2. Series absolutamente convergentes Definición. Una serie ∑
se define como absolutamente convergente cuando ∑
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas converge.
Ejemplo. Si los términos de una serie convergente son todos del mismo signo, la serie misma será absolutamente convergente. Ejemplo. Si ya que ∑
, entonces la serie geométrica ∑ es absolutamente convergente, es una serie geométrica, y siempre que .
Ejemplo. Veamos ahora un ejemplo de una serie convergente que no es absolutamente ⁄
convergente: ∑
.
Si en esta serie tomamos la suma de los valores absolutos, resulta la serie armónica, que sabemos diverge. A su vez, la convergencia de la original, resultará del teorema siguiente.
Teorema 3. (Leibniz). Si es una sucesión monótona decreciente que tiende a cero entonces ∑ es una serie convergente.
Demostración. Si . Tendremos que ,y . Observamos entonces, que las sumas parciales con índice par forman una sucesión creciente (ya que ), a su vez las de índice impar forman una sucesión decreciente (ya que ). Por otro lado , de modo que . De lo anterior se sigue, que
Así mismo demostrado el teorema.
, ya que
. Y por lo tanto,
converge, quedando
■ Ejemplo. A partir del Teorema 3, sabemos que la serie ∑
(
Pero no es absolutamente convergente. Observemos que la la serie ∑
(
)
∑
(
) es convergente. ésima suma parcial de
), es ( )
( )
(
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)
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Luego entonces,
.
Definición. Una serie convergente ∑ convergente.
tal que ∑
, se llama condicionalmente
En una serie, ¿qué pasaría si cambamos de manera arbitraria los signos de algunos términos? O mejor aún, si el cambio de signo se hace sobre un subconjunto infinito de términos. La intuición nos alerta sobre un resultado impredecible. Sin embargo, veremos que bajo ciertas premisas iniciales, no todo resulta caótico.De hecho, si la serie es convergente y los todos los términos son mayores o iguales a , entonces aunque se cambie el signo a una cantidad infinita de términos, obtendremos una serie convergente.
Teorema 4. Toda serie absolutamente convergente es convergente.
Demostración. Sea ∑ una serie convergente. Para todo número natural , vamos a definir los números y del siguiente modo: {
{ Los números y , los llamamos respectivamente, parte positiva y parte negativa de Observa que para cada , al menos uno de los números y es cero. Luego entonces, ), , .
.
Finalmente, por el Teorema 1 las series ∑ y ∑ son convergentes. Por lo que también será ∑ ∑ ∑ . convergente la serie ∑
■ Observa que si la serie ∑ , es condicionalmente convergente, obligadamente tenemos que ∑ y ∑ . De otro modo, si sólo una de estas dos series fuese convergente, ∑ ∑ digamos la primera, tendríamos que ∑ . Y si ambas son ∑ ∑ convergentes, tendríamos que ∑ , luego la serie resultaría ser absolutamente convergente.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas 1.1.3. Criterios de convergencia Teorema 5. Sea ∑ una serie absolutamente convergente tal, que para todo ⁄ la sucesión está acotada (sabemos que converge), entonces la serie ∑ es absolutamente convergente.
, se cumple |
Demostración. Si ocurre que para algún
⁄ |
para cualquier
. Si
;
entonces tendríamos que . Luego por el criterio de comparación (ver Teorema 1) la serie ∑ es absolutamente convergente.
■ Corolario. (Criterio de d’Alambert) Sea para todo . Si existe una constante ⁄ que para todo suficientemente grande (un caso particular, sería que ⁄ ), entonces la serie ∑ es absolutamente convergente.
Demostración. Supongamos que para todo
tal
suficientemente grande se cumple ⁄
⁄ de modo que ⁄ Afirmamos entonces, que la sucesión
⁄
⁄ para todo
, es decreciente a partir de un
determinado índice, y por lo tanto está acotada. Luego, dado que la serie ∑ es absolutamente convergente, y a partir del Teorema 5 deducimos que ∑ converge absolutamente. ⁄ Para el caso particular, donde exista , elegimos un número tal que ⁄ , con esto tendremos que para todo suficientemente grande (en virtud de un Resultado* clásico de límites). Con lo que estaremos en el caso ya demostrado. [Resultado*. En teoría de límites se estudió, que si y si suficientemente grande, se cumple . Equivalentemente, si para todo suficientemente grande]
, entonces para todo , tendremos que
■
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas ⁄ Generalmente, para calcular el es que aplicamos el Criterio de d’Alambert. En ⁄ tal caso si , la serie será divergente, pues , de donde para todo suficientemente grande, con lo que el término general no tiende a cero. Por otro lado, si , el criterio como tal nada nos permite saber, ya que la serie bien puede ser convergente (caso ∑ ⁄ ) o divergente (caso ∑ ⁄ ).
Teorema 6. (Criterio de Cauchy) Si existe un número real
) la serie ∑
√
suficientemente grande (en particular si convergente.
tal que √
para todo
es absolutamente
Demostración. Si √ entonces para todo suficientemente grande. Y dado que la serie geométrica ∑ es convergente, a partir del criterio de comparación deducimos que ∑ converge absolutamente. En la situación particular que exista para todo √ caso anterior.
√
, se elije
tal que
. Luego
suficientemente grande (ver Resultado*) y una vez más, caemos en el
■ Es importante notar, que al aplicar el criterio de Cauchy, nuevamente se está intentando √
calcular
. Si
la serie es divergente, ya que para fines prácticos tendremos
que para todo suficientemente grande, luego , de modo que la serie √ ∑ es divergente (pues su término general no tiende a cero). Finalmente, cuando , la serie puede ser convergente (caso ∑ ⁄ ) o divergente (caso ∑ ⁄ ).
Ejemplo. Sea
(
⁄ ) . Dado que √
⁄ tiende a cero, la serie ∑
es
convergente. El presente resultado, relaciona los dos anteriores.
Teorema 7. Dada ⁄
una sucesión cuyos términos son diferentes de cero. Si , entonces
√
.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Demostración. Por simplicidad, supondremos que Caso
. Dado
para todo
, se fijan
y
tales, que ⁄
con la propiedad de que ⁄
desigualdades para todo ,
√
√ Caso
√
, y
⁄
. Si multiplicamos miembro a miembro las ⁄
; vemos que ⁄
y
. Y entonces
√ para todo
√ y
√
. Por lo que existe
, con
. Luego, escribimos
Sacando raíces, llegamos a
.
√
.
. Teniendo en cuenta que
, podemos concluir que existe √
. Entonces
. Sólo hay que considerar única y exclusivamente a
tal que .
en la prueba del caso
.
■ Ejemplo. A partir del resultado anterior (T. 7), nos va a resultar que porque. Escribiendo
⁄ , resulta ⁄
√
(
⁄ )
√
, veamos
. Por otro lado
(
y así
⁄
, de donde se sigue que
√
)
.
1.1.4. Reordenamientos Definición. Decimos que una serie ∑ es incondicionalmente convergente si, para cualquier biyección , si hacemos , la serie ∑ es convergente. Como consecuencia de posteriores resultados, tendremos que si ∑ es incondicionalmente ∑ ∑ convergente, entonces , independientemente de la biyección . Esta es la forma sugerida, para afirmar que la suma ∑ términos. Aunque no siempre suceda.
no depende del orden de sus
Ejemplo. La serie
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas converge, pero no incondicionalmente, dado que
Luego podemos escribir
Haciendo la suma, término a término,
Y así, la última serie tiene por suma a
y tiene los mismos términos que la serie inicial, cuya
suma es , pero en orden distinto.
Teorema 8. Si ∑ haciendo
es absolutamente convergente entonces para toda biyección ∑ , se tiene ∑
Demostración. Inicialmente vamos a suponer que ; escribimos Observa como, para cada , los números donde es el mayor de los . Luego entonces
∑
Vemos como, que para cada , es decir ∑
∑
existe .
y pertenecen al conjunto {
,
. },
∑
tal que
. De donde se sigue, que
∑ ∑ , donde Para el caso general, tendremos que ∑ y son respectivamente, la parte positiva y negativa de . A su vez, toda reordenación de los términos , determina reordenaciones de los y de los , de forma tal que y son respectivamente, la ∑ y∑ ∑ . Luego, parte positiva y negativa de . Y por lo que hemos visto, ∑ ∑
∑
∑
∑
■
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas En el siguiente resultado, veremos que únicamente las series absolutamente convergentes, serán también incondicionalmente convergentes.
Teorema 9. (Riemann). Si se alterna convenientemente el orden de los términos de una serie condicionalmente convergente es posible hacer que su suma sea igual a cualquier número real prefijado.
Demostración. Sea la serie ∑ de la hipótesis del teorema. Elegimos un número , y comenzamos a sumar los términos positivos de ∑ , en el orden natural, esto es uno a uno, deteniéndonos sí al sumar , el resultado supera por primer vez al número . Podemos hacer lo anterior, ya que la suma de los términos positivos de ∑ es . Así, a la suma así construida, le añadimos los términos negativos, también en su orden natural, uno a uno, y nos detenemos en el primer momento en que, si al sumar el término negativo , la suma resulte menor que (lo que es posible ya que la suma de los términos negativos es ). Repitiendo el proceso de manera análoga, obtendremos una nueva serie cuyos términos son los mismos de ∑ , pero en un orden distinto. A su vez, las sumas parciales de esta nueva serie oscilan alrededor de de forma tal que, a partir del índice , la diferencia entre cada una de ellas es inferior, en su valor absoluto, al término , justo en dónde tuvo lugar el último cambio de signo. Finalmente, puesto que la serie ∑ converge. Luego entonces, las sumas parciales de la nueve serie convergen a .
Actividad 1. Práctica y aplicación. La finalidad de esta actividad es aplicar los conocimientos que has adquirido sobre series de números 1. Descarga el documento “Act. 1. Practica y aplicación” 2.
Realiza lo que se te pide hacer en cada ejercicio y problema planteado.
3.
Guarda y envía tu documento con la nomenclatura MAMT2_U1_A1_XXYZ.
4. Envía el documento a tu Facilitador(a) y espera su retroalimentación.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas 1.2. Aproximación de funciones
Karl Weierstrass (2004). Obtenido el 10 de mayo desde
Karl Weierstrass (1815 Ostenfelde - 1897 Berlín) es conocido como el padre del Análisis Matemático moderno. Una de sus muchas aportaciones fue la de haber introducido la definición de continuidad y, en general, el haber construido los fundamentos del Análisis Matemático dándole la formalidad con que lo conocemos ahora. Su rigor y formalismo eran inusuales para la época por lo que asombraron, y en ocasiones desconcertaron, a los matemáticos más reconocidos. Sus principales aportaciones matemáticas giraron en torno al estudio de las series infinitas destacando de forma sobresaliente la introducción del concepto de convergencia. Gran parte de su formación fue autodidacta y ya tenía 40 años de edad cuando publicó su primer artículo de matemáticas.
http://www.biografiasyvida s.com/biografia/w/weierstr ass.htm En esta unidad conocerás uno de los más importantes teoremas de aproximación de funciones continuas, el teorema de aproximación de Weierstrass que afirma que las funciones reales continuas definidas en un intervalo cerrado y acotado pueden ser aproximadas arbitrariamente por un polinomio. Este resultado es muy útil para el desarrollo de nuevas teorías pues permite simplificar la demostración de ciertos teoremas: Si la propiedad a demostrar se preserva al tomar límites uniformes, entonces es suficiente demostrarla solamente para polinomios. Es importante que recuerdes los conceptos de función continua y función uniformemente continua que aprendiste en tu curso de cálculo diferencial y también los de sucesiones de funciones y convergencia uniforme que estudiaste en Análisis matemático I.
1.2.1 ¿Qué es aproximar funciones? En algunas aplicaciones es conveniente aproximar funciones mediante otras funciones más sencillas. Así por ejemplo las funciones trigonométricas, las logarítmicas y las exponenciales son “complicadas” en el sentido de que toman valores reales que no pueden ser expresados explícitamente en términos de sus argumentos. Para usar estas funciones en cálculos prácticos debemos recurrir a buenas aproximaciones de ellas.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas En este caso entenderemos por aproximar, al hecho de definir otra función con el mismo dominio y codominio que la función dada de manera que en cualquier punto del dominio la función de aproximación sea muy parecida a la función original, es decir, que la diferencia entre ambas imágenes sea casi cero. Recordemos algunas definiciones aprendidas en tus cursos previos. Una función , definida en el conjunto , se dice que es continua en el punto cuando, para todo , se puede obtener tal que y impliquen . Continuidad
Con simbología matemática,
continua en el punto
significa:
* es continua en , si es continua en para todo Una función se dice uniformemente continua en el conjunto cuando, para todo dado, se puede obtener que , implican .
Continuidad uniforme
Con simbología matemática, conjunto significa:
. tal
uniformemente continua en el
* Una función uniformemente continua es continua en todos los puntos del conjunto . Sin embargo, el recíproco es falso. En el primer caso, la existencia de depende de y . Mientras que, en el segundo, depende únicamente de . También aprendiste que las funciones continuas definidas sobre intervalos cerrados y acotados resultan ser uniformemente continuas.
Teorema. (Continuidad uniforme). Sean es uniformemente continua en .
y
continua en
entonces
Usaremos estos conceptos para analizar el resultado principal de esta Unidad, el Teorema de aproximación de Weierstrass. Las dos formas más sencillas de aproximar una función continua son mediante una función escalonada y mediante una función lineal por partes.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Definición. (Función escalonada). Sean , entonces es una función escalonada si toma tan sólo un número finito de valores diferentes, es decir es finito.
Ejemplo. La función
definida por:
⁄
{ Es una función escalonada. A partir de su gráfica puedes ver porqué se llama función escalonada.
Una función continua definida en un intervalo cerrado y acotado puede ser aproximada mediante funciones escalonadas, como demostraremos en el teorema siguiente.
Teorema 1. Sean función escalonada
,y
continua en tal que
si entonces existe una para toda
Demostración. Por el Teorema de continuidad uniforme sabemos que uniformemente continua en , entonces si existe tal que si Entonces Dividamos ahora el intervalo
. Sea en
Como la longitud de cada subintervalo de es menor que .
y
suficientemente grande para que
intervalos ajenos de longitud es
es
así:
. la diferencia entre dos valores cualesquiera
Definimos ahora la función:
que, en efecto es una función escalonada, pues es constante en cada intervalo manera en que la construimos se cumple que si entonces
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y, por la
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Por lo que
para toda
■ Las funciones escalonadas son extremadamente simples pero no son continuas (excepto las constantes), y con frecuencia se desea aproximar funciones continuas con otras funciones continuas simples. Ahora demostraremos, que es posible aproximar funciones continuas mediante funciones lineales por partes que son continuas.
Definición. (Función lineal por partes). Sean , decimos que función lineal por partes en si es la unión finita de intervalos ajenos tales que la restricción de a cada intervalo es una función lineal.
es una
Notemos que la gráfica de una función lineal por partes es una colección de segmentos de recta y para que la función pueda ser continua estos segmentos han de estar unidos por sus puntos terminales a los segmentos correspondientes a los intervalos adyacentes.
Función continua definida por intervalos Una función continua definida en un intervalo cerrado y acotado puede ser aproximada mediante una función lineal por partes continua, como demostraremos en el teorema siguiente.
Teorema 2. Sean ,y función lineal por partes continua
continua en tal que
si
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entonces existe una para toda
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Demostración. Nuevamente, el teorema de continuidad uniforme garantiza la continuidad uniforme de en . Así, si
existe
tal que si
y
suficientemente grande para que intervalos ajenos de longitud cada subintervalo definamos
entonces
. Sea
y dividamos ahora el intervalo
en . En
como la recta que une a los puntos:
La función así definida es una función lineal por partes continua en cada el valor de está a menos de unidades de tiene entonces que para toda
puesto que para se
■ El Teorema principal de esta unidad es también un teorema de aproximación; su autor, Karl Weierstrass realizó grandes aportaciones matemáticas durante el siglo XIX. Él tenía 70 años cuando publicó este resultado (Vargas Jarillo, 1997), (Murillo, 1997) refiriéndose a (K. Weierstrass, 1885). Teorema de aproximación de Weierstrass. Sean si entonces existe un función polinomial
,y tal que |
continua en |
para toda Mientras que en los Teoremas 1 y 2 la estrategia es exhibir explícitamente la función de aproximación, el Teorema de aproximación de Weierstrass procede de otra manera: demuestra que cualquier función continua es límite uniforme de una sucesión de funciones polinomiales. Para entender esta estrategia será necesario que recuerdes algunos conceptos que aprendiste en tus cursos previos.
1.2.2 Funciones continuas extrañas En la Unidad 2 de Análisis Matemático I, aprendiste a trabajar con sucesiones de funciones y a extender a ellas los conceptos de convergencia de sucesiones numéricas que habías estudiado en tus cursos de Cálculo. Tal como sucede en las sucesiones de números reales, en las que para cada número natural se tiene un número real, en una sucesión de funciones hay una función por cada natural. Recordemos la definición y algunos resultados sobre convergencia.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Definición. (Sucesión de funciones). Sea y supongamos que decimos que { } es una sucesión de funciones de en
Sean { }, puntual de {
definidas en } en si
existe una función
decimos que ocurre que
es el límite
Convergencia puntual
y se denota:
Convergencia uniforme
También se dice que { } converge puntualmente a en . Sean { }, definidas en decimos que es el límite } en si uniforme de { tal que si y se denota: También se dice que { } converge uniformemente a
en .
En el primer caso para cada punto fijo, se considera la sucesión formada por las imágenes de las funciones en el punto, tal sucesión es convergente y la función propuesta como límite, es aquella que en la que se define como el límite de esa sucesión. Entonces { } es una sucesión numérica que converge a lo que, por definición significa que
por lo que, la existencia de
depende no solamente de
sino también del punto
El segundo caso es distinto, si observamos la definición podremos notar que la existencia de depende únicamente de sin importar de que punto del conjunto se tome.
En la Sección 2.2 del curso de Análisis Matemático I, se vieron con más detalles estos conceptos y así como ejemplos de sucesiones de funciones continuas que convergen puntualmente a una función que no es continua. En la misma sección se demuestra que el límite uniforme de funciones continuas es una función continua (Teorema A). Adicionalmente, sabes por el Teorema de continuidad uniforme, que las funciones continuas definidas en intervalos cerrados son uniformemente continuas. Estos dos hechos son precisamente los que garantizan la existencia del polinomio al que se refiere el Teorema de aproximación de Weierstrass, que en términos sencillos dice que
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Las funciones polinomiales son continuas y convergen uniformemente a cualquier función continua dada.
La convergencia uniforme es una propiedad fuerte que preserva características fundamentales de las funciones que forman una sucesión. Cuando estudiaste la sección 2.2 del curso de Análisis matemático I, tuviste oportunidad de revisar con detalle algunas de ellas. Contrastando con la convergencia uniforme de funciones continuas se tiene que el límite uniforme de funciones derivables no es necesariamente derivable: considera por ejemplo la función , esta función es continua en todo su dominio pero no es derivable en cero; sin embargo, el Teorema de aproximación de Weierstrass afirma que es posible aproximarla uniformemente con una sucesión de polinomios que son funciones infinitamente derivables. De hecho fue Weierstrass quien en 1874, once años antes de establecer el teorema de aproximación, construyó una función continua que no es diferenciable en ningún punto. Nos cuenta G. Grabinsky en su interesante artículo (Grabinsky, 1997), acerca de este descubrimiento
“El impacto causado a la comunidad matemática fue inmenso y provoc reacciones muy variadas que iban desde la incredulidad hasta el horror, pero la grave llamada de atención estaba dada sobre el poco rigor y la engañosa intuición, y precipitó en gran medida la imperiosa necesidad de construir sobre bases irrefutables los números reales.”
En el mismo artículo se encuentra la definición de tan interesante función y la demostración de que no existe algún punto en su dominio en que sea derivable. Incluimos aquí únicamente la definición. Teorema. (Función de Weierstrass). Sean entonces la función
∑
impar tales que no es derivable
Demostración. (Grabinsky, 1997)
■ Es por esto que el Teorema de aproximación de Weierstrass resulta tan sorprendente pues incluso estas funciones tan peculiares pueden ser aproximadas uniformemente por polinomios.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Actividad 2. Aproximación de funciones continuas A través de esta actividad podrás analizar algunas de las ventajas de aproximar funciones por medio de polinomios. Para ello
1. Navega y consulta. En las siguientes ligas interactivas. Lee, interactúa con las aplicaciones javas, sobre la aproximación de funciones continuas.
http://recursostic.educacion.es/descartes/web/materiales_didacticos/Desarr ollo_serie_taylor/Desarrollo_en_serie_de_taylor.htm http://recursostic.educacion.es/descartes/web/Descartes1/Bach_HCS_2/Teo remas_bolzano_y_weierstrass/Teoremas_de_Bolzano_y_de_Weierstrass.ht m 2. De acuerdo a lo leído, responde las siguientes preguntas. a) ¿Por qué es necesario aproximar funciones? b) ¿Qué métodos de aproximación encontraste? c) ¿Qué ventajas tiene aproximar una función continua? 3. Ingresa al foro y anota tus conclusiones. 4. Comenta las aportaciones de tus compañeros. Acepta o rechaza al menos las de dos de ellos. Nota: Antes de participar en el foro, recuerda consultar la Rúbrica general de participación en foros que se encuentra en la sección Material de apoyo.
1.3 Teorema de aproximación de Weierstrass En base a lo mencionado en el tema 1.2.1. Mencionamos el Teorema de Weierstrass, a partir de la aproximación de funciones.
Teorema. (Aproximación de Weierstrass). Sean si entonces existe un función polinomial para toda
,y
continua en tal que
Alternativamente, dicho enunciado puede interpretarse como sigue.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas
Cualquier función real continua definida en un intervalo cerrado es límite uniforme de una sucesión de polinomios.
Esto también significa, desde un punto de vista topológico, lo siguiente.
El conjunto de funciones polinomiales es denso en el conjunto de funciones continuas definidas en un intervalo cerrado. Existen muchas demostraciones de este Teorema, todas ellas, por demás interesantes, echan mano de distintas herramientas matemáticas de muy diversas áreas. La demostración que aquí presentaremos es una de las más elementales, no por ello menos bella y elegante. Es constructiva y se basa en la utilización de los denominados Polinomios de Bernstein.
1.3.1 Enunciado, demostración y consecuencias notables El siguiente concepto introducido por Sergei Bernstein (Ucrania 1880-Moscú 1968) es para funciones continuas definidas en el intervalo .
Definición. (Polinomios de Bernstein). Dada una función de polinomios
se define la sucesión
∑ ( )( )
La función polinomial se llama el ésimo polinomio de Bernstein para polinomio de grado a lo más cuyos coeficientes dependen de: 1. los valores que
toma en los
distancia. Tales puntos son:
puntos del intervalo
es un
separados por la misma
;
2. los coeficientes binomiales ( )
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas
Teorema. (Aproximación de Bernstein). Sean tal que si entonces
continua y
existe
para toda
La demostración de este teorema no la incluiremos aquí, usa dos hechos que aprendiste durante el curso de en Análisis matemático I: 1. Toda función continua definida en un intervalo cerrado es acotada. 2. Toda función continua definida en un intervalo cerrado es uniformemente continua. Ahora, utilizando el resultado anterior, vamos a enunciar y demostrar el siguiente teorema. Demostración del Teorema de Aproximación de Weierstrass Sean
,y , dada como
continua en
Definamos la siguiente función biyectiva , para
Entonces es continua, Como es continua, la composición también es continua. Por el Teorema de aproximación de Bernstein si entonces existe un entero tal que para todo entero el ésimo polinomio de Bernstein satisface que
Como como
es biyectiva y continua, entonces tiene una inversa continua
Entonces, por (1) para toda
dada
, se tiene que |
(
)|
Así, (
| Como
( Como
)|
) es una función polinomial en (
Definimos el polinomio buscado
) por lo que se cumple que
para
toda
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas ■ (
Corolario. La sucesión
) converge uniformemente a
Demostración. Se sigue inmediatamente de (1).
■ La sucesión descrita en el corolario queda definida como:
(
=
)
∑
( )( )(
) (
= ∑
( )( )(
) (
=
= ∑ (
)( )(
(
))
)
) (
)
1.3.2 Algunas generalizaciones Como vimos, el Teorema de aproximación de Weierstrass usa la continuidad uniforme de la cual depende de la compacidad del intervalo En general, una función continua definida en un dominio no compacto no siempre es uniformemente continua. Gracias al Teorema de HeineBorel –que estudiaste en la Unidad 3 de tu curso de Análisis matemático I- sabemos que en los conjuntos compactos son cerrados y acotados, es decir, los intervalos cerrados, por lo que no podremos extender este resultado de aproximación a una función continua definida en todo Sin embargo, en la práctica, siempre se aplica el Teorema de aproximación en un intervalo cerrado que contenga a la región en que nos interese trabajar. Weierstrass demostró entonces, la densidad de los polinomios en el espacio de las funciones reales continuas definidas en un intervalo compacto (K. Weierstrass, 1885). Años más tarde Marshall H. Stone generalizó este resultado, (M. H. Stone, 1937), observando que esta densidad se debe a las propiedades algebraicas de los polinomios enriquecidas con las propiedades que las funciones continuas toman en dominios compactos.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Este resultado es el conocido Teorema de Stone-Weierstrass para conjuntos compactos en espacios métricos. Si es un espacio métrico y un conjunto compacto, definimos como el conjunto de todas las funciones reales continuas definidas en con la norma del supremo, ( , que estudiaste en la Unidad 1 de tu curso de Análisis Matemático I). Stone observó que además , forma un álgebra, es decir, si
Un álgebra la puedes pensar como un espacio vectorial sobre con un producto definido sobre su elementos: si tomas dos funciones de y construyes la función producto, no es muy difícil convencerte de que esta es nuevamente un elemento de (es un buen ejercicio que demuestres esta afirmación). Finalmente, Stone logró establecer con precisión las condiciones necesarias para garantizar la densidad de los polinomios en el espacio de las funciones continuas en un intervalo cerrado y en general en , para compacto en un espacio métrico cualquiera. El enunciado del famoso Teorema quedó dado como sigue:
Teorema. (Stone Weierstrass). Sean espacio métrico, , conjunto compacto y el espacio de las funciones reales continuas definidas en Si existe que contiene a las funciones constantes y separa puntos, es decir tal que entonces es denso en
Actividad 3. Teorema de Weierstrass La intención de esta actividad es aplicar los conocimientos que has adquirido sobre aproximación de funciones continuas mediante funciones polinomiales 1. Descarga el documento “Teorema de aproximación de Weierstrass.pdf” 2.
Lee y analiza el documento comparando la información sobre el teorema de Weierstrass.
3. Crea un reporte en el cual se refleje la importancia del teorema de Weierstrass al momento de resolver funciones. El trabajo debe de tener los siguientes lineamientos.
Presentación Crear un argumento válido para la solución de los teoremas propuestos Fundamentar la utilidad del teorema para la aproximación de funciones
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas 4.
Un cuadro comparativo del documento descargado con el contenido de los temas revisados en el programa desarrollado. Crear una conclusión con sustento matemático del contenido comparado.
Guarda y envía tu documento con la nomenclatura MAMT2_U1_A3_XXYZ.
5. Envía el documento a tu Facilitador(a) y espera su retroalimentación.
Autoevaluación Para reforzar los conocimientos relacionados con los temas que se abordaron en esta unidad del curso, es necesario que resuelvas la autoevaluación. Ingresa al Aula virtual para realizar tu actividad.
Evidencia de Aprendizaje. Aproximación de funciones continuas Es momento de realizar tu evidencia de aprendizaje, donde tendrás que aplicar tus conocimientos sobre aproximación de funciones continuas. Instrucciones: 1.
Descarga el documento: “EA. Aproximación de funciones continuas”
2. Lee las instrucciones y resuelve los problemas que se plantean, tomando en cuenta la aproximación de funciones. 3. .Guarda y envía tu reporte al portafolio de evidencias con la nomenclatura MAMT2_U1_EA_XXYZ. 4. Envía tu reporte al portafolio de evidencias y espera la retroalimentación de tu Facilitador(a). Una vez que la tengas, atiende sus comentarios y reenvía la nueva versión de tu evidencia. Nota: No olvides consultar la Escala de evaluación para conocer los criterios con que será evaluado tu trabajo.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Autorreflexiones Como parte de cada unidad, es importante que ingreses al foro Preguntas de autorreflexión y leas los cuestionamientos que formuló tu Facilitador(a), ya que a partir de ellos debes elaborar tu Autorreflexión y enviarla mediante la herramienta Autorreflexiones. No olvides que también se toman en cuenta para la calificación final.
Cierre de la unidad En esta unidad has aprendido acerca de uno de los objetivos principales del Análisis Matemático: la aproximación de funciones y de este tema uno de los Teoremas más conocidos al respecto el Teorema de aproximación de Weierstrass. Aprendiste que las funciones polinomiales forman un conjunto denso en el espacio de funciones continuas definidas en un intervalo cerrado y que esto se debe esencialmente al hecho de que tales funciones resultan ser uniformemente continuas en estos dominios y también pueden ser aproximadas uniformemente por polinomios en tales conjuntos. Todo ello gracias a la compacidad de los intervalos cerrados en Analizaste también como estas ventajas podían ser extendidas a espacios más generales dando lugar al Teorema de Stone-Weierstrass.
Para saber más: Te recomendamos revisar el siguiente link que ha colocado para sus estudiantes el profesor Ng Tze Beng de la National University of Singapore. Donde podrás encontrar mucha información sobre análisis matemático y asignaturas anteriores. http://www.math.nus.edu.sg/~matngtb/Calculus/
Referencias Bibliográficas Bartle, R. (1984). Introducción al Análisis Matemático de una variable. México, D. F.: Limusa. Grabinsky, G. (1997). La función continua no diferenciable de Weierstrass. recuperado del siguiente link. http://www.miscelaneamatematica.org/Misc25/grabinsky.pdf K. Weierstrass. (1885). Uber die analytische Darstellbarkeit sogenannter willkürlicher Functionen einer reellen Vernderlichen,. Sitzungsberichte der Kniglich Preuischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin,, 663-689 und 789-805. M. H. Stone. (1937). Applications of the thoery of Boolean rings to general topology, . Transactions of the American Mathematical Society, Vol. 41, No. 3 , 375-481.
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Análisis matemático II Unidad 1. Aproximación de funciones continuas Montalvo, F. (2003). El Teorema de Stone-Weierstrass. En Cálculo Diferencial e Integral en varias variables (págs. 31-38). Extremadura, España. recuperado de
http://matematicas.unex.es/~montalvo/Analisis_Varias_Variables/apuntes/indice. pdf Murillo, R. (1997). El teorema de aproximación de Weierstrass. obtenido de la siguiente página http://www.miscelaneamatematica.org/Misc25/murillo.pdf . Royden, H. L. (1988). Real Analysis. New York:Macmillan. Vargas C. (1997). Origen y desarrollo del teorema de aproximación de Weierstrass. obtenido de la siguiente link http://biblioteca.cinvestav.mx/indicadores/texto_completo/cinvestav/1997/75731_2.pdf
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