La nozione di funzione continua formalizza l’idea di una funzione il cui grafico sia appunto costituito da una linea senza interruzioni. Il teorema dei valori intermedi esprime una proprietà delle funzioni continue che sembra tanto ovvia da non meritare neppure una dimostrazione: se una linea continua possiede dei punti in entrambi i semipiani divisi da una retta, allora essa dovrà necessariamente attraversare la retta.
Questa semplice proprietà possiede innumerevoli applicazioni a problemi pratici dell’ingegneria e della fisica, ad esempio l’esistenza di soluzioni di varie equazioni che non risultano determinabili in maniera esplicita.
In questo articolo mostreremo il teorema basandoci sul teorema di esistenza degli zeri; vedremo inoltre alcune proprietà equivalenti a quella dei valori intermedi; mostreremo infine che la proprietà dei valori intermedi, pur essendo una conseguenza della continuità, non è ad essa equivalente.
Se desideri scoprire tutti i risvolti di questo affascinante campo dell’Analisi Matematica, questo è l’articolo che cercavi!
Oltre agli
- Esercizi sul teorema di esistenza degli zeri – volume 1;
- Esercizi sul teorema di esistenza degli zeri – volume 2;
- Esercizi teorici sulla continuità;
- Esercizi teorici sull’uniforme continuità;
segnaliamo il materiale di teoria su argomenti affini, estratto dall’esaustiva lista reperibile alla fine dell’articolo:
- Il teorema di esistenza degli zeri;
- Funzioni continue – Teoria;
- Il metodo di bisezione
- Il teorema della permanenza del segno;
- Il teorema di Heine-Cantor.
Autori e revisori
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Revisori: Valerio Brunetti, Sara Sottile , Sergio Fiorucci, Matteo Talluri, Chiara Bellotti.
Introduzione
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L’intuizione dietro questo teorema è che, tracciando una linea continua che cominci da una parte di una retta e termini dall’altra, la linea deve attraversare la retta. Qui la retta è quella orizzontale di equazione , con
il valore compreso tra
e
che si vuole che
assuma.
Il risultato principale di questo articolo, il teorema dei valori intermedi, è quindi la formalizzazione di questa idea intuitiva.
l’estremo inferiore e l’estremo superiore dei valori assunti da in
, rispettivamente.1
Allora per ogni esiste
tale che
. In altri termini la funzione assume tutti i valori compresi tra
e
.
Quindi, non soltanto assume tutti i valori compresi tra
e
, ma tutti quelli compresi tra il suo estremo inferiore
e il suo estremo superiore
.
e
possono appartenere o meno all’immagine di
.
Un modo sostanzialmente equivalente per esprimere il teorema dei valori intermedi consiste nel dire che l’immagine tramite una funzione continua di un intervallo è un intervallo. Lo presentiamo come corollario del teorema 1.
Il lavoro è così organizzato: nella sezione 1 presentiamo le definizioni e i risultati necessari alla trattazione che segue. Nella sezione 2 dimostriamo il teorema 1 e il corollario 2. Nella sezione 3 presentiamo un esempio di applicazione del teorema 1 al calcolo dell’immagine di una funzione, mentre nella sezione 4 mostriamo, con un esempio, che la proprietà dei valori intermedi non è equivalente alla continuità.
- Si veda [1, Teoria sulle funzioni, sezione 2.8] per la definizione di estremi inferiore e superiore di una funzione e una trattazione completa dell’argomento.. ↩
Risultati preliminari
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In questa sezione richiamiamo, per comodità del lettore, il teorema di esistenza degli zeri. Rimandiamo a [2, Funzioni continue, sezione 5.2] per due dimostrazioni di questo risultato.
In altre parole, se una funzione continua assume valori di segno opposto agli estremi dell’intervallo (la condizione
esprime proprio questo), allora
assume il valore
.
Dimostrazione del teorema dei valori intermedi
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Figura 1:rappresentazione del teorema 1; si determinano con
e si applica il teorema 3 alla funzione
(in verde), ottenendo uno zero
di
. Per costruzione si ha quindi
.
Scelto , l’idea della dimostrazione, rappresentata in figura 1, è applicare il teorema 3 alla funzione
. Poiché
è strettamente compreso tra l’estremo inferiore e superiore di
,
assumerà valori negativi e positivi. Per il teorema 3, vi sarà un punto
in cui
si annulla, ossia tale che
.
Dimostrazione. Sia e dimostriamo che esiste
tale che
. Definiamo una funzione
tale che
il cui grafico è rappresentato in verde nella figura 1. Osserviamo che è continua in quanto somma di funzioni continue. Poiché
, allora
non è un minorante di
e deve dunque esistere un valore
tale che
, ovvero
.
Analogamente, poiché non è un maggiorante di Im
, deve esistere
tale che
, da cui
.
Supponiamo (l’altro caso è analogo). Allora per il teorema degli zeri
Dimostrazione del corollario.
In questa sezione mostriamo il corollario 2 che, come abbiamo anticipato nell’introduzione, costituisce un modo equivalente di affermare la proprietà dei valori intermedi. Lo riportiamo di nuovo per comodità del lettore.
Dimostrazione. Per mostrare che è un intervallo, occorre mostrare che, dati
con
e dato
, allora anche
, ossia esiste
tale che
. Definiti
(1)
a tal fine osserviamo che, da , per definizione di estremi inferiore e superiore segue che
. Quindi possiamo applicare il teorema 1 all’intervallo
, ottenendo che esiste
tale che
, cioè la tesi.
Dunque, se è una funzione continua, allora l’immagine
di un intervallo
è a sua volta un intervallo, come stabilito dal corollario 2. Gli estremi di tale intervallo sono
Quindi si può affermare che
(2)
Occorre tuttavia osservare che il teorema dei valori intermedi non dà informazioni riguardo l’appartenenza di e
all’intervallo
, e infatti è facile costruire esempi in cui tali valori sono assunti o meno da
.
Esempio 4. Si considerino le funzioni e
definite rispettivamente da
(3)
Si ha ovviamente e
. Nel primo caso, quindi, gli estremi inferiore e superiore di
non sono assunti, mentre quelli di
vengono assunti.
Esempio di applicazione
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Il teorema dei valori intermedi è un efficace strumento per il calcolo dell’immagine di una funzione continua. Basta infatti determinare alcuni valori assunti da essa, per poter affermare quindi che essa assume tutto l’intervallo di valori compresi.
Esempio 5. Si consideri la funzione rappresentata in figura 2
definita da
(4)
Figura 2: la funzione dell’esempio 5. Poiché è crescente e continua, dallo studio fatto segue che
è pari all’intervallo
, rappresentato in verde.
Determiniamo . Osserviamo che
è continua per [2, proposizione 2.8] e che
(5)
Inoltre è crescente in
in quanto
(6)
e la funzione è decrescente in
. Dalla monotonia di
e da (5) segue che
(7)
(8)
Controesempi all’equivalenza
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Esempio 6. Si consideri la funzione definita da
(9)
rappresentata in figura 3.
Figura 3: la funzione dell’esempio 6. Se l’intervallo (in rosso) contiene
, allora esistono
con
continua in
e tali che
e
, da cui si vede quindi che
.
Poiché non esiste,
non è continua in
. Mostriamo però che essa possiede la proprietà dei valori intermedi.
A tal fine, sia
un intervallo. Se
, allora
è un intervallo in quanto
è continua in
. Se invece
, mostriamo che
. L’idea è che esistono numeri reali dello stesso segno e arbitrariamente vicini a
in cui
assume valori pari a
e
. Da
, segue che esiste
tale che
(10)
da cui per la continuità di
in
e per il teorema 1. D’altronde, per costruzione di
, poiché il seno assume solo valori compresi tra
e
, si ha
, da cui
(11)
e in particolare è un intervallo.
Riferimenti bibliografici
[1] Qui Si Risolve Teoria sulle funzioni
[2] Qui Si Risolve Funzioni continue
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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.
- 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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