Esercizi sull’uniforme continuità – volume 1
In questo articolo vengono presentati sette esercizi svolti in modo dettagliato sulla continuità uniforme delle funzioni reali di variabile reale.
Gli esercizi sono dedicati alla preparazione degli esami di Analisi Matematica 1, coniugando teoria e pratica del problem solving.
Oltre agli esercizi sull’uniforme continuità – volume 2, consigliamo la consultazione delle seguenti raccolte di problemi:
- Esercizi sulle funzioni continue;
- Esercizi teorici sulla continuità;
- Esercizi sul teorema di Weierstrass;
- esercizi sul teorema di esistenza degli zeri – volume 1;
- esercizi sul teorema di esistenza degli zeri – volume 2.
Segnaliamo il seguente materiale teorico di riferimento:
- Funzioni continue – Teoria;
- Il teorema di Heine-Cantor;
- Teoria sui limiti;
- Il teorema dei valori intermedi;
- Il teorema di Weierstrass.
Autori e revisori
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Testi degli esercizi
Svolgimento.
Essendo per ipotesi sia che uniformemente continue, esistono rispettivamente e tali che
e
Scegliendo
si ottiene, per la disuguaglianza triangolare, che se
Possiamo quindi concludere che è uniformemente continua.
Svolgimento.
Osserviamo che sono uniformemente continue su , ma definita da
non è uniformemente continua su . Infatti, negando la definizione di uniforme continuità, ciò si traduce nel dimostrare la seguente proprietà:
(1)
Fissiamo e sia , consideriamo . Chiaramente ma
Dunque, abbiamo dimostrato che vale (1) in corrispondenza di .
Svolgimento.
(2)
ha asintoti orizzontali, cioè esistono tali che
(3)
Per definizione di limite, esistono con tali che
(4)
Ciò implica che
(5)
Analogamente
(6)
Inoltre, poiché è uniformemente continua su per il teorema di Heine-Cantor, esiste (possiamo ovviamente scegliere ) tale che
(7)
Supponiamo quindi con .
- Se , allora da (7) segue .
- Se e non appartengono entrambi a , allora uno di essi, supponiamo che sia , appartiene a oppure a . Supponiamo, senza perdita di generalità, che . Poiché , allora
(8)
e quindi, per (5),
(9)
Il caso è analogo.
In ogni caso, si è provato che esiste tale che
(10)
che è quanto occorreva a mostrare l’uniforme continuità di .
è uniformemente continua sui seguenti insiemi:
- ;
- .
Svolgimento punto 1.
Svolgimento punto 2.
avendo usato il fatto che
Quindi per l’esercizio 3 è uniformemente continua su .
(11)
è uniformemente continua.
Svolgimento.
(12)
e , dal teorema del confronto segue che
(13)
quindi è continua in . Poiché è continua anche in per i risultati presenti in [1, sezione 2], essa è continua in , come mostrato in figura 1
Figura 1: la funzione dell’esercizio 5. Si nota che è continua e che ha asintoti orizzontali (di equazione ) per . Per l’esercizio 5, essa è quindi uniformemente continua.
Usiamo l’esercizio 3 per mostrare che è uniformemente continua. Infatti, da , per la continuità della funzione seno e per il teorema ponte [2 ], si ha
(14)
Dalla limitatezza della funzione , segue quindi
(15)
quindi ha asintoti orizzontali per e quindi per l’esercizio 3 essa è uniformemente continua.
(16)
è uniformemente continua nei seguenti insiemi:
- in ;
- in .
Svolgimento punto 1.
è una funzione continua, per le proposizioni i risultati presenti in [ 1, sezione 2]. Poiché l’intervallo è chiuso e limitato, per il teorema di Heine-Cantor i risultati presenti in [ 1, teorema 6-9] è anche uniformemente continua. Più in generale, è uniformemente continua su tutti gli intervalli del tipo con .
Svolgimento punto 2.
(17)
Allora ovviamente e e
(18)
mentre per ogni
(19)
Da ciò si evince che
(20)
Mostriamo ora che non è uniformemente continua. Sia . Per ogni , da (20) e (18) esistono tali che
(21)
Figura 2: la funzione dell’esercizio 6. Si vede che i punti e sono via via più vicini al crescere di , mentre e , per cui non è uniformemente continua in .
-
Si ricorda che una funzione si dice convessa se e solo se vale
(22)
Una funzione è quindi convessa se e solo se, presi due punti , il grafico di si trova al di sopra di quello della funzione affine passante per i punti e , ossia se per ogni con si ha
(23)
Inoltre, se è una funzione continua tale che
(24)
allora è convessa.
Si rimanda alla dispensa sulle funzioni convesse [3] per una trattazione approfondita. ↩
Locale lipschitzianità delle funzioni convesse.
(25)
Siano , , allora possiamo riscrivere (23) nel modo seguente
da cui si ricava la prima parte della disuguaglianza (25) dividendo per . La seconda parte si ricava in maniera analoga, riscrivendo (23) come
e dividendo per . Abbiamo dunque provato che vale (25).
Siano tali che e siano tali che . Siano , allora poiché è convessa per (25) si ha
Sia
allora si ha che
Ciò prova che è lipschitziana su . Dimostriamo ora la continuità di in . Siano , tali che
Allora per il passo precedente è lipschitziana su , per cui è continua in per i risultati presenti in [ 1, corollario 6.23]
Esempio di funzione convessa e non lipschitziana .
Esempio di funzione convessa non continua.
Proviamo che è convessa. Siano e , allora , da cui
Se (o equivalentemente ) procedendo analogamente si ha che
Riferimenti bibliografici
[1] Qui Si Risolve, Funzioni continue – Teoria .
[2] Qui Si Risolve, Il teorema ponte .
[3] Qui Si Risolve, Funzioni convesse.
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- MathOverflow – Questo sito è destinato a matematici professionisti e ricercatori. È una piattaforma per domande di ricerca avanzata in matematica. È strettamente legato a Math Stack Exchange ma è orientato a un pubblico con una formazione più avanzata.
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- 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.
- Stack Overflow (sezione matematica) – Sebbene Stack Overflow sia principalmente noto per la programmazione, ci sono anche discussioni rilevanti di matematica applicata, specialmente nel contesto della scienza dei dati, statistica, e algoritmi.
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