In questo articolo esploriamo i simboli di Landau, notazioni che indicano un confronto asintotico tra due funzioni. Date due funzioni e
e un punto
, le nozioni di O-grande e o-piccolo esprimono infatti le rispettive idee intuitive:
è “confrontabile con”
per
“vicino” a
;
è “trascurabile rispetto a”
per
“vicino” a
.
Questo articolo spiega le basi di queste notazioni, offrendo anche uno sguardo al contesto storico che ha condotto al loro sviluppo, nei lavori di Edmund Landau all’inizio del XX secolo. Le notazioni di Landau, note anche come notazioni di Bachmann-Landau, includono i concetti di ‘O-grande’ e ‘o-piccolo’. Dopo aver delineato e chiarito i concetti fondamentali, verranno esplorate le applicazioni immediate di queste notazioni, nonché alcune delle loro proprietà algebriche.
Tali idee continuano ad influenzare la matematica contemporanea. Se vuoi approfondire la tua comprensione di queste nozioni, è necessario avere una solida comprensione della topologia dell’insieme dei numeri reali, della definizione di funzioni reali a variabili reali, e dei concetti legati al limite di funzione. Se desideri prendere parte a questo viaggio, questo articolo è quello che fa per te.
Consigliamo la lettura dei seguenti articoli sulla teoria correlata:
- Teoria sui limiti;
- Polinomi di Taylor nei limiti: istruzioni per l’uso;
- Espansione di Taylor: teoria, esempi e applicazioni pratiche.
Buona lettura!
Autori e revisori dell’articolo: simboli di Landau
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Revisori: Davide La Manna.
Definizioni
Definizione di O-grande.
due funzioni.
Si dice che è “O-grande” di
per
se esiste
ed esiste
un intorno di
tale per cui valga
per ogni
Notazione 1. Si denota con la proposizione:
è “O-grande” di
Sarebbe più coerente una scrittura del tipo intendendo con
l’insieme delle funzioni maggiorate da
in opportuni intorni di
non vale la proprietà transitiva dell’uguaglianza: se
e
non è detto che sia
tuttavia si vedrà nel seguito che la simbologia di Landau soddisfa specifiche proprietà di transitività. A rigore, inoltre, per quanto definito, non ha senso neppure scrivere
nemmeno la proprietà simmetrica (soddisfatta dal simbolo di eguaglianza) è verificata.
Osservazione 1. Le osservazioni esposte spingono a suggerire una notazione alternativa, ma che sarebbe più coerente:
Definizione di o-piccolo.
due funzioni.
Si dice che è “o-piccolo” di
per
se per ogni
esiste
un intorno di
tale per cui valga
per ogni
Notazione 2. Si denota con la proposizione:
è “o-piccolo” di
Le medesime considerazioni sull’abuso di notazione valgono per l'”o-piccolo.”
Osservazione 2. Si osservi che “O-grande” ed “o-piccolo” sono un’abbreviazione dell’ “esiste una costante” nel primo caso e di un “per ogni costante” nel secondo.
Osservazione 3. Dalle definizioni, inoltre, segue immediatamente che se
allora necessariamente
Nel prosieguo del lavoro ci si concentrerà sull'”o-piccolo,” in quanto concetto più utile nelle varie applicazioni. Si forniscono delle definizioni equivalenti.
due funzioni, con per ogni
in un certo intorno1 di
Allora le seguenti affermazioni sono equivalenti:
-
per
- per ogni
positivo esiste un intorno
di
tale per cui
per ogni
- Vale
- esiste
una funzione tale per cui
- esiste un intorno
di
tale per cui
per ogni
- esiste un intorno
- È una proprietà locale, per cui richiedere che sia non nullo in ogni punto del dominio è superfluo. ↩
Dimostrazione.
Immediata.
È la definizione di limite.
Bisogna definire una funzione che soddisfi entrambe le richieste:
Si verifica che, ponendo si ha che
per ogni Inoltre l’ipotesi che per ogni
reale positivo esista un intorno
di
tale per cui valga
per ogni equivale ad affermare che
che implica la seconda parte della tesi, per via della proprietà del limite del valore assoluto.2
Segue dalla definizione di limite e da idee simili a quelle già esposte.
Si intendono sottolineare degli aspetti: l’ipotesi aggiuntiva sulla nullità di si rende necessaria per l’esistenza della funzione fratta, mentre non è necessaria nelle definizioni
e
: in questo senso, tali definizioni sono le più generali. Infine l’ipotesi sull’essere
punto di accumulazione permette il calcolo dei limiti, dove necessario.3
Negli esempi e nella pratica le definizioni sono utilizzabili indistintamente.
-
Si consideri
e sia
un punto di accumulazione per
Si consideri
una funzione. Allora vale che
se e solo se
Tale proprietà è conseguenza immediata delle definizioni. ↩
-
Si noti, tuttavia, l’ubiquità della condizione di essere punto di accumulazione richiesta a
↩
Definizione o-piccolo all'infinito.
Si considerino
due funzioni.
Si dice che è “o-piccolo” di
per
se per ogni
esiste
un intervallo della forma
con
reale, tale per cui valga
per ogni
Al lettore il compito della simile definizione che coinvolge e l’adattamento della proposizione sull’equivalenza delle definizioni, oltre all’adattamento della definzione di “O-grande” a questo caso.
Esempi e sviluppini
Introduzione.
Esempio 1.
Ciò equivale ad asserire che per ogni reale positivo esiste un intorno
di
tale per cui
per ogni
Segue immediatamente dalla definizione di “o-piccolo” che
per
ove
Il precedente esempio può essere verificato anche mediante l’utilizzo della terza definizione, mediante l’eguaglianza
in tal caso e rispetta la condizione
Esempio 2.
Si asserisce che per
e per ogni
tale per cui
Infatti esiste una funzione
che rispetta le condizioni: infatti ponendo
vale
e
Nello specifico, per esempio, vale per
tuttavia
per
intendendo le due funzioni ad incognite reali e valori reali.
Osservazione 4. Quanto appena esposto fornisce lo spunto per evidenziare uno dei rischi dell’abuso di notazione permesso: infatti vale
per e per ogni naturale
tale per cui
intendendo
Nonostante l’uso dell’uguale, non è lecito un uso equivalente dei due membri.
Con tali rischi connessi all’uso di questo simbolismo, ci si può chiedere perchè si continua ad usarlo: la risposta sta nella comodità di alcune applicazioni, tipicamente gli sviluppi in serie, nei quali si ottengono scritture del tipo
Una riscrittura rigorosa richiederebbe una notazione simile a con
per evitare la pedanteria, si preferisce abbreviare le notazioni.
Esempio 3.
Si asserisce che
per e per ogni
tale per cui
Sulla scia dell’esempio precedente si definisce in modo che sia
in tale modo
e
Sviluppini delle funzioni elementari.
-
con
-
-
-
-
-
-
La denominazione di sviluppino deriva dalla parentela con lo sviluppo in serie di Taylor, che permette di esprimere in termini di serie una funzione data, se quest’ultima rispetta specifiche condizioni.
Seguono le dimostrazioni.
Dimostrazione.
- Bisogna che si verifichi che
Dunque va esibita una funzione
tale per cui
per ogni
in un intorno di
e tale per cui valga
Si definisce
osservando immediatamente che verifica la prima richiesta. Ora si calcoli
mediante una manipolazione si giunge alla forma equivalente
riconoscendo nel primo fattore il limite notevole
e nel secondo
In tal modo si può giungere alla seguente conclusione
- Bisogna che si verifichi che
va trovata una funzione
tale per cui
per ogni
reale e
Una tale funzione è
in particolare il valore nullo del limite è conseguenza del limite notevole
- Bisogna che si verifichi che
va trovata una funzione
tale per cui
per ogni
reale e
una tale funzione è
in particolare il valore nullo del limite si ottiene dalle seguenti manipolazioni:
che è eguale a
Infine la seguente riscrittura evidenzia la presenza del limite notevole usato al punto precedente:
che permette di concludere che
- L’eguaglianza si può verificare direttamente mediante l’uso dei limiti notevoli, seguendo le tracce già esposte.
Un modo alternativo potrebbe sembrare dimostrare che
ed operare una sostituzione.
Tuttavia tale metodo conduce a conclusioni errate per le considerazioni fatte sull’abuso di notazione: ad esempio, poichè
è “o-piccolo” di
si otterrebbe che
che è falso.
- La funzione
soddisfa entrambi i requisiti.
Il lettore, in particolare, verifichi la nullità del limite, utilizzando l’eguaglianza derivante dalla definizione di tangente e dallo sviluppo della somma
e sfruttando il limite notevole usato in precedenza.
- La funzione
soddisfa entrambi i requisiti.
Il lettore, in particolare, verifichi la nullità del limite, sfruttando il limite notevole:
- La funzione
soddisfa entrambi i requisiti.
Il lettore, in particolare, verifichi la nullità del limite, sfruttando il limite notevole:
Proprietà algebriche
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Si considerino
tre funzioni tali per cui valga
-
per
-
per
Allora vale
e
per
Dimostrazione. Le due ipotesi equivalgono ad affermare l’esistenza di due funzioni
tali per cui
-
per ogni
in un intorno di
;
-
per ogni
in un intorno di
;
-
Ci si concentri sulla somma di funzioni, la differenza è analoga. È possibile scrivere
la funzione definita da
allora soddisfa entrambe le richieste.
Si considerino
tre funzioni tali per cui valga
-
per
-
per
Allora
per
La dimostrazione è simile alla precedente, per cui si omette.
Osservazione 5. Sia un insieme non vuoto e sia
un suo punto di accumulazione.
Si considerino
tre funzioni tali per cui valga
-
per
-
per
Allora
non è -a priori- per
La solita sostituzione permette di scrivere
il cui limite, per che tende a
è indeterminato.
Seguono due risultati sui multipli di funzione.
Si considerino
due funzioni tali per cui valga per
Allora vale
per
Anche questa dimostrazione si omette, essendo simile alle precedenti.
Si osservi che può essere anche
perchè la funzione nulla è “o-piccolo” di ogni funzione
considerando
per ogni
reale.
Si considerino
due funzioni tali per cui valga per
Allora segue che per
Dimostrazione. Le ipotesi equivalgono ad affermare che esiste una funzione
tale per cui
-
per ogni
in un intorno di
;
-
Tuttavia la prima condizione può essere riscritta nel modo che segue,
per cui la funzione richiesta, che soddisfa entrambe le richieste della definizione, è
Ora una proposizione sulla transitività.
Si considerino
tre funzioni tali per cui valga
-
per
-
per
Allora segue che
per
Dimostrazione. Le ipotesi si traducono nell’esistenza di due funzioni
tali per cui valgano
-
per ogni
in un intorno di
;
-
per ogni
in un intorno di
;
-
Le ipotesi permettono, dunque, di scrivere
per ogni in un intorno di
; per cui la funzione
soddisfa i due requisiti richiesti, da cui la tesi.
L’elenco esposto in questa sezione è da intendere come una vetrina dei metodi, per cui non si creda di aver letto una lista esaustiva delle molteplici proprietà dimostrabili.
Tutta la teoria di analisi matematica
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- Teoria Insiemi
- Il metodo della diagonale di Cantor
- Logica elementare
- Densità dei numeri razionali nei numeri reali
- Insiemi Numerici
- Il principio di induzione
- Gli assiomi di Peano
- L’insieme dei numeri reali: costruzione e applicazioni
- Concetti Fondamentali della Retta Reale: Sintesi Teorica
- Costruzioni alternative di
- Binomio di Newton
- Spazi metrici, un’introduzione
- Disuguaglianza di Bernoulli
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- Funzioni elementari: trigonometriche e iperboliche
- Funzioni goniometriche: la guida essenziale
- Teorema di Bolzano-Weierstrass per le successioni
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- Definizione e proprietà del numero di Nepero
- Limite di una successione monotona
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- Il teorema di Weierstrass
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- Il teorema di esistenza degli zeri
- Il metodo di bisezione
- Teorema ponte versione per le funzioni continue
- Discontinuità di funzioni monotone
- Continuità della funzione inversa
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In questa sezione vengono raccolti molti altri esercizi che coprono tutti gli argomenti di geometria proposti all’interno del sito con lo scopo di offrire al lettore la possibilità di approfondire e rinforzare le proprie competenze inerenti a tali argomenti.
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Geometria differenziale.
Risorse didattiche aggiuntive per approfondire la matematica
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- Wolfram MathWorld – Una delle risorse online più complete per la matematica. Contiene migliaia di articoli su argomenti di matematica, creati e curati da esperti. Sebbene non sia un forum, è una risorsa eccellente per la teoria matematica.
- The Math Forum – Un sito storico che offre un’ampia gamma di risorse, inclusi forum di discussione, articoli e risorse educative. Sebbene alcune parti del sito siano state integrate con altri servizi, come NCTM, rimane una risorsa preziosa per la comunità educativa.
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- Reddit (r/Math) – Un subreddit popolare dove si possono trovare discussioni su una vasta gamma di argomenti matematici. È meno formale rispetto ai siti di domande e risposte come Math Stack Exchange, ma ha una comunità attiva e molte discussioni interessanti.
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