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1.5: Continuidad

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

A medida que hemos estudiado los límites, hemos ganado la intuición de que los límites miden ``hacia dónde se dirige una función”. Es decir, si

limx1f(x)=3

entonces comox está cerca de 1,f(x) está cerca de 3. Hemos visto, sin embargo, que esto no es necesariamente un buen indicador de lo quef(1) realmente es. Esto puede ser problemático; las funciones pueden tender a un valor pero alcanzar otro. Esta sección se centra en las funciones que no exhiben tal comportamiento.

Definición 3 Función continua

Letf Ser una función definida en un intervalo abiertoI que contienec.

  1. fes continuo enc silimxcf(x)=f(c).
  2. fes continuo encendidoI sif es continuo enc para todos los valores dec inI. Sif es continuo(,), decimos quef es continuo en todas partes.

Una manera útil de establecer si una funciónf es continua o no enc es verificar las siguientes tres cosas:

  1. limxcf(x)existe,
  2. f(c)se define, y
  3. limxcf(x)=f(c).

Ejemplo 21: Encontrar intervalos de continuidad

fSea definido como se muestra en la Figura 1.25. Dar el (los) intervalo (s) en el quef es continuo.

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FIGURE 1.25: Una gráfica def en el Ejemplo 21.

Solución

Se procede examinando los tres criterios de continuidad.

  1. Los límiteslimxcf(x) existen para todosc entre 0 y 3.
  2. f(c)se define para todosc entre 0 y 3, excepto parac=1. Sabemos de inmediato quef no puede ser continuo enx=1.
  3. El límitelimxcf(x)=f(c) para todosc entre 0 y 3, excepto, por supuesto, parac=1.

Concluimos quef es continuo en cada punto de(0,3) excepto enx=1. Por lo tantof es continuo en(0,1)(1,3).

Ejemplo 22: Encontrar intervalos de continuidad

La función floor,f(x)=x, devuelve el entero más grande menor que la entradax. (Por ejemplo,f(π)=π=3.) El gráfico def la Figura 1.26 demuestra por qué esto a menudo se llama una “función de paso”.

Dar los intervalos en los quef es continuo.

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FIGURE 1.26: Un gráfico de la función step en el Ejemplo 22.

Solución

Se examinan los tres criterios de continuidad.

  1. Los límiteslimxcf(x) no existen en los saltos de un “paso” al siguiente, que ocurren en todos los valores enteros dec. Por lo tanto los límites existen para todosc excepto cuandoc es un entero.
  2. La función se define para todos los valores dec.
  3. El límitelimxcf(x)=f(c) para todos los valores dec donde exista el límite, ya que cada paso consiste en solo una línea.

Concluimos quef es continuo en todas partes excepto en valores enteros dec. Entonces los intervalos en los quef es continuo son,(2,1),(1,0),(0,1),(1,2),.

Nuestra definición de continuidad en un intervalo especifica que el intervalo es un intervalo abierto. Podemos extender la definición de continuidad a intervalos cerrados considerando los límites unilaterales apropiados en los puntos finales.

Definición 4: Continuidad en Intervalos Cerrados

Dejarf ser definido en el intervalo cerrado[a,b] para algunos números realesa,b. fes continuo[a,b] si:

  1. fes continuo en(a,b),
  2. limxa+f(x)=f(a)y
  3. limxbf(x)=f(b).

Podemos hacer los ajustes adecuados para hablar de continuidad en intervalos medio abiertos como[a,b) o(a,b] si es necesario.

Ejemplo 23: Determinación de intervalos en los que una función es continua

Para cada una de las siguientes funciones, dé el dominio de la función y el (los) intervalo (s) en el que es continua.

  1. f(x)=1/x
  2. f(x)=sinx
  3. f(x)=x
  4. f(x)=1x2
  5. f(x)=|x|

Solución

Examinamos cada uno a su vez.

  1. El dominio def(x)=1/x es(,0)(0,). Al tratarse de una función racional, aplicamos el Teorema 2 para reconocer quef es continuo en todo su dominio.
  2. El dominio def(x)=sinx es todo números reales, o(,). Aplicando el Teorema 3 demuestra quesinx es continuo en todas partes.
  3. El dominio def(x)=x es[0,). Aplicando el Teorema 3 muestra quef(x)=x es continuo en su dominio de[0,).
  4. El dominio def(x)=1x2 es[1,1]. Aplicando los Teoremas 1 y 3 demuestra quef es continuo en todo su dominio,[1,1].
  5. El dominio def(x)=|x| es(,). Podemos definir la función de valor absoluto comof(x)={xx<0xx0. Cada “pieza” de esta función definida por partes es continua en todo su dominio, dando quef es continua en(,0) y[0,). No podemos asumir que esto implica quef es continuo(,); necesitamos comprobarlolimx0f(x)=f(0), comox=0 es el punto en el quef transita de una ``pieza” de su definición a la otra. Es fácil verificar que efectivamente esto es cierto, de ahí que concluyamos quef(x)=|x| es continuo en todas partes.

La continuidad está intrínsecamente ligada a las propiedades de los límites. Debido a esto, las propiedades de límites que se encuentran en los Teoremas 1 y 2 también se aplican a la continuidad. Además, ahora conociendo la definición de continuidad podemos re—leer el Teorema 3 como dando una lista de funciones que son continuas en sus dominios. El siguiente teorema establece cómo las funciones continuas se pueden combinar para formar otras funciones continuas, seguido de un teorema que enumera formalmente funciones que sabemos que son continuas en sus dominios.

Teorema 8: Propiedades de las Funciones Continuas

Dejarf yg ser funciones continuas en un intervaloI, dejarc ser un número real y dejarn ser un entero positivo. Las siguientes funciones son continuasI.

  1. Sumas/Diferencias:f±g
  2. Multiplos Constantes:cf
  3. Productos:fg
  4. Cocientes:f/g (siempre y cuandog0 encendidoI)
  5. Poderes:fn
  6. Raíces:nf (sin es par entoncesf0 encendidoI; sin es impar, entonces verdadero para todos los valores def onI.)
  7. Composiciones: Ajustar las definiciones def yg a: Letf be continuous onI, dondeI está el rango def onJ, y letg be continuous onJ. Entoncesgf, es decir,g(f(x)), es continuo enI.

Teorema 9: Funciones continuas

Las siguientes funciones son continuas en sus dominios.

1.f(x)=sinx2.f(x)=cosx3.f(x)=tanx4.f(x)=cotx5.f(x)=secx6.f(x)=cscx7.f(x)=lnx8.f(x)=nx,9.f(x)=ax(a>0)(where n is a positive integer)

Aplicamos estos teoremas en el siguiente Ejemplo.

Ejemplo 24: Determinación de intervalos en los que una función es continua

Indicar el (los) intervalo (s) en el que cada una de las siguientes funciones es continua.

1.f(x)=x1+5x3.f(x)=tanx2.f(x)=xsinx4.f(x)=lnx

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FIGURE 1.27: Un gráfico delf Ejemplo 24 (a).

Solución

Examinamos cada uno a su vez, aplicando los Teoremas 8 y 9 según corresponda.

  1. Los términos de raíz cuadrada son continuos en los intervalos[1,) y(,5], respectivamente. Comof es continuo solo donde cada término es continuo,f es continuo en[1,5], la intersección de estos dos intervalos. En la Figura 1.27f se da una gráfica de.
  2. Las funcionesy=x yy=sinx son cada una continua en todas partes, de ahí que su producto sea, también.
  3. El teorema 9 afirma quef(x)=tanx es continuo “en su dominio”. Su dominio incluye todos los números reales excepto los múltiplos impares deπ/2. Asíf(x)=tanx es continuo en(3π2,π2), (π2,π2), (π2,3π2),, o, equivalentemente, enD={xR | xnπ2,n is an odd integer}.
  4. El dominio dey=x es[0,). El rango dey=lnx es(,), pero si restringimos su dominio a[1,) su rango es[0,). Por lo que restringiry=lnx al dominio de[1,) restringe su salida es[0,), sobre la quey=x se define. Así el dominio def(x)=lnx es[1,).

Una forma común de pensar en una función continua es que “su gráfica se puede esbozar sin levantar el lápiz”. Es decir, su gráfica forma una curva “continua”, sin agujeros, roturas o saltos. Si bien más allá del alcance de este texto, esta pseudodefinición pasa por alto algunos de los puntos más finos de continuidad. Funciones muy extrañas son continuas que uno estaría muy presionado para realmente bosquejar a mano.

Esta noción intuitiva de continuidad nos ayuda a entender otro concepto importante de la siguiente manera. Supongamos quef se define en[1,2] yf(1)=10 yf(2)=5. Sif es continuo[1,2] (es decir, su gráfica se puede esbozar como una curva continua de(1,10) a(2,5)) entonces sabemos intuitivamente que en algún lugar de[1,2]f debe ser igual a98, y, y7, 6, , 0, 1/2, etc. En definitiva,f toma en todos valores intermedios entre10 y5. Puede tomar más valores; en realidadf puede ser igual a 6 en algún momento, por ejemplo, pero se nos garantiza todos los valores entre10 y 5.

Si bien esta noción parece intuitiva, no es trivial de probar y su importancia es profunda. Por lo tanto, el concepto se afirma en forma de teorema.

Teorema 10: Teorema del Valor Intermedio

Quef sea una función continua sobre[a,b] y, sin pérdida de generalidad, dejemosf(a)<f(b). Entonces por cada valory, dondef(a)<y<f(b), hay un valorc en[a,b] tal quef(c)=y.

Una aplicación importante del Teorema del Valor Intermedio es el hallazgo raíz. Dada una funciónf, a menudo nos interesa encontrar valores dex dóndef(x)=0. Estas raíces pueden ser muy difíciles de encontrar exactamente. Se pueden encontrar buenas aproximaciones a través de sucesivas aplicaciones de este teorema. Supongamos que a través del cálculo directo nos encontramos con esof(a)<0\(and\(f(b)>0, dóndea<b. El Teorema del Valor Intermedio establece que hay unc en[a,b] tal quef(c)=0. El teorema no nos da ninguna pista de dónde está ese valor en el intervalo[a,b], solo que existe.

Existe una técnica que produce una buena aproximación dec. Dejard ser el punto medio del intervalo[a,b] y considerarf(d). Hay tres posibilidades:

  1. f(d)=0— tuvimos suerte y tropezamos con el valor real. Nos detenemos como encontramos una raíz.
  2. f(d)<0Entonces sabemos que hay una raíz def en el intervalo[d,b] —hemos reducido a la mitad el tamaño de nuestro intervalo, de ahí que estemos más cerca de una buena aproximación de la raíz.
  3. f(d)>0Entonces sabemos que hay una raíz def en el intervalo[a,d] —de nuevo, hemos reducido a la mitad el tamaño de nuestro intervalo, de ahí que estemos más cerca de una buena aproximación de la raíz.

La aplicación sucesiva de esta técnica se denomina Método de Bisección de búsqueda de raíces. Seguimos hasta que el intervalo sea suficientemente pequeño. Esto lo demostramos en el siguiente ejemplo.

Ejemplo 25: Uso del método de bisección

Aproximar la raíz def(x)=xcosx, precisa a tres lugares después del decimal.

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FIGURE 1.28: Graficando una raíz def(x)=xcosx.

Solución

Considera la gráfica def(x)=xcosx, que se muestra en la Figura 1.28. Es claro que la gráfica cruza elx eje -eje en algún lugar cercanox=0.8. Para iniciar el Método de Bisección, elija un intervalo que contenga0.8. Nosotros elegimos[0.7,0.9]. Tenga en cuenta que todo lo que nos importa son signos def(x), no su valor real, así que esto es todo lo que mostramos.

  1. Iteración 1:f(0.7)<0,f(0.9)>0, yf(0.8)>0. Así que reemplace0.9 con0.8 y repita.
  2. Iteración 2:f(0.7)<0f(0.8)>0,, y en el punto medio0.75,, tenemosf(0.75)>0. Así que reemplace0.8 con0.75 y repita. Tenga en cuenta que no necesitamos continuar verificando los puntos finales, solo el punto medio. Así ponemos el resto de las iteraciones en la Tabla 1.29.

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FIGURE 1.29: Iteraciones del método de bisección de búsqueda de raíces

Observe que en lath iteración 12 tenemos los endpoints del intervalo cada uno comenzando con0.739. Así, hemos reducido el cero a una precisión de los tres primeros lugares después del decimal. Usando una computadora, tenemos

f(0.7390)=0.00014,f(0.7391)=0.000024.Cualquiera de los extremos del intervalo da una buena aproximación de dondef es 0. El Teorema del Valor Intermedio establece que el cero real aún se encuentra dentro de este intervalo. Si bien no conocemos su valor exacto, sabemos que empieza con0.739.

Este tipo de ejercicio rara vez se realiza a mano. Más bien, es sencillo programar una computadora para ejecutar dicho algoritmo y detenerse cuando los puntos finales difieren en una pequeña cantidad preestablecida. Uno de los autores sí escribió dicho programa y encontró que el cero def, exacto a 10 lugares después del decimal, era 0.7390851332. Si bien tardó unos minutos en escribir el programa, tardó menos de una milésima de segundo para que el programa ejecutara las 35 iteraciones necesarias. En menos de 8 centésimas de segundo, el cero se calculó a 100 decimales (con menos de 200 iteraciones).

Es un asunto sencillo extender el Método de Bisección para resolver problemas similares a “Encontrarx, dónde”f(x)=0. Por ejemplo, podemos encontrarx, dóndef(x)=1. En realidad funciona muy bien para definir una nueva funcióng dondeg(x)=f(x)1. Después usa el Método de Bisección para resolverg(x)=0.

De igual manera, dadas dos funcionesf yg, podemos usar el Método de Bisección para resolverf(x)=g(x). Una vez más, crear una nueva funciónh dondeh(x)=f(x)g(x) y resolverh(x)=0.

En la Sección 4.1 se introducirá otro método de resolución de ecuaciones, llamado Método de Newton. En muchos casos, el Método de Newton es mucho más rápido. Se basa en matemáticas más avanzadas, sin embargo, así que esperaremos antes de introducirla.

Esta sección definió formalmente lo que significa ser una función continua. La “mayoría” de las funciones que tratamos son continuas, por lo que a menudo se siente extraño tener que definir formalmente este concepto. Independientemente, es importante, y forma la base del siguiente capítulo.

En la siguiente sección examinamos un aspecto más de los límites: los límites que involucran el infinito.

Colaboradores y Atribuciones


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