- 1. E ~"",,~:tek~ no es un proyecto lucrativo, sino un esfuerzo
colectivo de estudiantes y profesores de la UNAM para facilitar el
acceso a los materiales necesarios para la educacin de la mayor
cantidad de gente posible. Pensamos editar en formato digital
libros que por su alto costo, o bien porque ya no se consiguen en
bibliotecas y libreras, no son accesibles para todos. Invitamos a
todos los interesados en participar en este proyecto a sugerir
ttulos, a prestamos los textos para su digitalizacin y a ayudarnos
en toda la labor tcnica que implica su reproduccin. El nuestro, es
un proyecto colectivo abierto a la participacin de cualquier
persona y todas las colaboraciones son bienvenidas. Nos encuentras
en los Talleres Estudiantiles de la Facultad de Ciencias y puedes
ponerte en contacto con nosotros a la siguiente direccin de correo
electrnico: [email protected] http:// eduktodos. dyndns. org
2. Calculus 3. TOIT1 M. Apostol CALCULUS VOLUMEN I Clculo con
funciones de una variable, con una introduccin al lgebra lineal
Segunda edicin " EDITORIAL REVERTE, S. A. Barcelona -Bogot -Buenos
Aires - Caracas -Mxico 4. Ttulo de la obra original: CALCULUS, One
-Variable Calculus, with an introduction to Linear Algebra Edicin
original en lengua inglesa publicada por: Blaisdell Publishing
Company, Waltham, Massachusetts Copyright by Blaisdell Publishing
Company, 1967 Versin espaola por: Dr. D. Francisco Vlez Cantarell
Profesor adjunto de la Facultad de Ciencias de Barcelona Revisada
por: Dr. D. Enrique Lins Escard Catedrtico de la Facultad de
Ciencias de la Universidad de Madrid Propiedad de: EDITORIAL
REVERT, S. A. Loreto, 13-15, Local B 08029 Barcelona - ESPAA
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REVERT EDICIONES, S.A. DE C.V Ro Pnuco 141 Col Cuauhtmoc c.P. 06500
Mxico, D.F. - MXICO E-mail: [email protected]
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reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio o
procedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento
informtico, y la distribucin de ejemplares de ella mediante
alquiler o prstamo pbli- cos, queda rigurosamente prohibida sin la
autorizacin escrita de los titulares del copy- right, bajo las
sanciones establecidas por las leyes. Edicin en espaol EDITORIAL
REVERT, S. A., 1984 REVERT EDICIONES, s.A. de C.V., 1999 9"
Reimpresin 2001 Impreso en Espaa - Printed in Spain ISBN - 84 - 291
- 5002 - 1 (Espaa) ISBN - 968 - 6708 - 10 - 3 (Mxico) Depsito
Legal: B - 32464 - 2001 Impreso por Imprimeix S.L. Eduard
Maristany, 100 08912 Badalona (Barcelona) 5. a Jane y Stephen 6.
PRLOGO Extracto del prlogo a la primera edicin Parece que no hay
acuerdo sobre 10 que ha de constituir un primer curso de Clculo y
Geometra Analtica. Unos sostienen que el camino verdadero para
entender el Clculo principia con un estudio completo del sistema de
los nmeros reales desarrollndolo paso a paso de manera lgica y
rigurosa. Otros insisten en que el Clculo es ante todo un
instrumento para los ingenieros y fsicos; y por consiguiente, que
un curso debe llevar a las aplicaciones del Clculo apelando a la
intuicin, para despus, por el ejercicio en la resolucin de
problemas, alcanzar destreza operatoria. En ambos puntos de vista
hay mucha parte de razn. El Clculo es una ciencia deductiva y una
rama de la Matemtica pura. Al mismo tiempo es muy importante
recordar que el Clculo tiene profundas races en pro- blemas fsicos
y que gran parte de su potencia y belleza deriva de la variedad de
sus aplicaciones. Mas es posible combinar un desarrollo terico
riguroso con una sana formacin tcnica, y este libro representa un
intento de establecer un sensible equilibrio entre las dos
tendencias. Aunque se trate el Clculo como ciencia deduc- tiva, no
por eso se abandonan las' aplicaciones a problemas fsicos. Las
demos- traciones de todos los teoremas importantes se consideran
como una parte esencial en el desarrollo de las ideas matemticas, y
con frecuencia van precedidas de una discusin geomtrica o intuitiva
para dar al estudiante una visin ms penetrante del porqu de la
demostracin. Aunque estas discusiones intuitivas pueden ser
suficientes para el lector que no est interesado en los detalles de
la demostracin, tambin se incluye la demostracin completa para
aquellos que prefieran una exposicin ms rigurosa. La disposicin de
este libro ha sido sugerida por el desarrollo histrico y filosfico
del Clculo y la Geometra Analtica. Por ejemplo, se estudia la
integra- cin antes de la diferenciacin. Aunque esta manera de
ordenar la materia del curso sea poco frecuente, es histricamente
correcta y pedaggicamente adecuada. Adems, es el mejor camino para
hacer patente la verdadera conexin entre la derivada y la integral.
El concepto de integral se define en primer lugar para funciones
escalonadas. Puesto que la integral de una funcin escalonada no es
ms que una suma, la VII 7. VIII Prlogo teora de la integracin es
extremadamente sencilla en este caso. Mientras el estu- diante
aprende las propiedades de la integral para funciones escalonadas,
adquiere experiencia en el uso de la notacin sumacin y al mismo
tiempo se familiariza con el simbolismo de la integral. De esta
manera se van construyendo los peldaos para que la transicin de
funciones escalonadas a otras funcicnes ms generales parezca fcil y
natural. Prlogo a la segunda edicin La segunda edicin difiere de la
primera en muchos aspectos. Se ha aadido el lgebra lineal; los
teoremas del valor medio y las aplicaciones del Clculo se han
introducido en los primeros captulos, y se ha aadido buen nmero de
nuevos y sencillos ejercicios. Una inspeccin del ndice revela que
el libro se ha dividido en captulos de menor extensin,
desarrollndose cada uno sobre un concepto importante. Varias
secciones han sido escritas de nuevo y reorganizadas para
proporcionar una mejor fundamentacin y mejorar la fluidez de las
ideas. Al igual que en la primera edicin, cada concepto nuevo
importante viene precedido de una introduccin histrica, que
describe su desarrollo desde una primera nocin fsica intuitiva
hasta su formulacin matemtica precisa. El estu- diante descubre en
parte los esfuerzos del pasado y los triunfos de los hombres que ms
han contribuido al tema. De este modo el estudiante se convierte en
participante activo en la evolucin de las ideas y no queda como
mero observador pasivo de los resultados. La segunda edicin, como
la primera, est dividida en dos volmenes. Las dos terceras partes
primeras del Volumen 1 tratan del Clculo con funciones de una
variable, incluyendo las series y una introduccin a las ecuaciones
diferenciales. La ltima tercera parte del Volumen 1 introduce el
lgebra lineal con aplicaciones a la Geometra y al Anlisis. Gran
parte de estos temas se apoya slidamente en el clculo de ejemplos
que ilustran la teora general. Ello proporciona una mezcla de
lgebra y de Anlisis y contribuye a preparar el camino para la
transicin del Clculo con una variable al Clculo con varias
variables, que se trata en el Volumen Il. Un desarrollo ms amplio
de lgebra lineal se har necesario en la segunda edicin del Volumen
11. Una vez ms reconozco con agrado mi deuda con los profesores H.
F. Boh- nenblust, A. Erdlyi, F. B. Fuller, K. Hoffman, G. Springer,
y H. S. Zuckerman. Su influencia en la primera edicin ha continuado
en la segunda. En la prepara- cin de la segunda edicin, recib
tambin la ayuda del profesor Basil Gordon, que sugiri muchas
mejoras. Estoy tambin agradecido a George Springer y William P.
Ziemer, que leyeron las ltimas pruebas. El personal de Blaisdell
Publishing Company, como siempre, ha prestado una gran ayuda;
aprecio su simptica aceptacin de mis deseos en lo relativo al
formato y a la tipografa. 8. Prlogo IX Por ltimo, tengo especial
satisfaccin en expresar mi gratitud a mi esposa por haber
contribuido en diversas formas a la preparacin de las dos
ediciones. En testimonio de mi agradecimiento le dedico este libro.
T.M.A. Pasadena, California 9. 11.1 I 1.2 I 1.3 *1 1.4 I 1.5 I 1.6
I 2.1 I 2.2 I 2.3 I 2.4 I 2.5 I 3.1 I 3.2 *1 3.3 I 3.4 *1 3.5 I 3.6
I 3.7 I 3.8 I 3.9 NDICE ANALTICO l. INTRODUCCIN Parte 1.
Introduccin histrica Los dos conceptos bsicos del Clculo
Introduccin histrica El mtodo de exhaucin para el rea de un
segmento de parbola Ejercicios Anlisis crtico del mtodo de
Arqumedes La introduccin al Clculo que se utiliza en este libro
Parte 2. Conceptos bsicos de la teora/ de conjuntos Introduccin a
la teora de conjuntos Notaciones para designar conjuntos
Subconjuntos Reuniones, intersecciones, complementos Ejercicios
Parte 3. Un conjunto de axiomas para el sistema de nmeros reales
Introduccin Axiomas de cuerpo Ejercicios Axiomas de orden
Ejercicios Nmeros enteros y racionales Interpretacin geomtrica de
los nmeros reales como puntos de una recta Cota superior de un
conjunto, elemento mximo, extremo superior Axioma del extremo
superior (axioma de completitud) XI 1 3 4 9 10 12 13 14 15 17 19 21
22 24 24 26 26 28 28 30 10. XII I 3.10 I 3.11 *1 3.12 *1 3.13 *1
3.14 *1 3.15 I 4.1 I 4.2 *1 4.3 I 4.4 *1 4.5 I 4.6 I 4.7 I 4.8 I
4.9 *1 4.10 1.1 1.2 *1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12
1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 /ndice analtico La propiedad
arquimediana del sistema de los nmeros reales Propiedades
fundamentales del extremo superior Ejercicios Existencia de races
cuadradas de los nmeros reales no negativos Races de orden
superior. Potencias racionales Representacin de los nmeros reales
por medio de decimales Parte 4. Induccin matemtica, smbolos
sumatorios y cuestiones relacionadas Ejemplo de demostracin por
induccin matemtica El principio de la induccin matemtica El
principio de buena ordenacin Ejercicios Demostracin del principio
de buena ordenacin El smbolo sumatorio Ejercicios Valor absoluto y
desigualdad triangular Ejercicios Ejercicios varios referentes al
mtodo de induccin 1. LOS CONCEPTOS DEL CLCULO INTEGRAL Las ideas
bsicas de la Geometra cartesiana Funciones. Ideas generales y
ejemplos Funciones. Definicin formal como conjunto de pares
ordenados Ms ejemplos de funciones reales Ejercicios El concepto de
rea como funcin de conjunto Ejercicios Intervalos y conjuntos de
ordenadas Particiones y funciones escalonadas Suma y producto de
funciones escalonadas Ejercicios Definicin de integral para
funciones escalonadas Propiedades de la integral de una funcin
escalonada Otras notaciones para las integrales Ejercicios La
integral de funciones ms generales Integrales superior e inferior
El rea de un conjunto de ordenadas expresada como una integral 32
33 34 35 36 37 40 41 42 44 45 46 49 50 53 54 59 61 65 66 69 70 73
74 75 77 78 79 81 85 86 88 91 92 11. lndice analtico 1.19 1.20 1.21
1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 Observaciones relativas a la teora y
tcnica de la integracin Funciones montonas y montonas a trozos.
Definiciones y ejemplos Integrabilidad de funciones montonas
acotadas Clculo de la integral de una funcin montona acotada Clculo
de la integral f~xP dx siendo p entero positivo Propiedades
fundamentales de la integral Integracin de polinomios Ejercicios
Demostraciones de las propiedades fundamentales de la integral 2.
ALGUNAS APLICACIONES DE LA INTEGRACIN 2.1 2.2 Introduccin El rea de
una regin comprendida entre dos grficas expresada como una integral
Ejemplos resueltos Ejercicios Las funciones trigonomtricas Frmulas
de integracin para el seno y el coseno Descripcin geomtrica de las
funciones seno y coseno Ejercicios Coordenadas polares La integral
para el rea en coordenadas polares Ejercicios Aplicacin de la
integracin al clculo de volmenes Ejercicios Aplicacin de la
integracin al concepto de trabajo Ejercicios Valor medio de una
funcin Ejercicios La integral como funcin del lmite superior.
Integrales indefinidas Ejercicios 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10
2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 3. FUNCIONES CONTINUAS
3.1 Idea intuitiva de continuidad 155 3.2 Definicin de lmite de una
funcin 156 3.3 Definicin de continuidad de una funcin 160 3.4
Teoremas fundamentales sobre lmites. Otros ejemplos de funciones
continuas 162 3.5 Demostraciones de los teoremas fundamentales
sobre lmites 167 XIIl 93 94 95 97 98 99 101 102 104 109 109 111 116
117 121 126 129 133 134 136 137 140 141 144 145 147 148 153 12. XIV
4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 ndice analtico 3.6 3.7 3.8
3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20
Ejercicios Funciones compuestas y continuidad Ejercicios Teorema de
Bolzano para las funciones continuas Teorema del valor intermedio
para funciones continuas Ejercicios El proceso de inversin
Propiedades de las funciones que se conservan por la inversin
Inversas de funciones montonas a trozos Ejercicios Teorema de los
valores extremos para funciones continuas Teorema de la continuidad
uniforme Teorema de integrabilidad para funciones continuas
Teoremas del valor medio para funciones continuas Ejercicios 4.
CLCULO DIFERENCIAL 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11
Introduccin histrica Un problema relativo a velocidad Derivada de
una funcin Ejemplos de derivadas lgebra de las derivadas Ejercicios
Interpretacin geomtrica de la derivada como una pendiente Otras
notaciones para las derivadas Ejercicios Regla de la cadena para la
derivacin de funciones compuestas Aplicaciones de la regla de la
cadena. Coeficientes de variacin ligados y derivacin implcita
Ejercicios Aplicaciones de la derivacin a la determinacin de los
extremos de las funciones Teorema del valor medio para derivadas
Ejercicios Aplicaciones del teorema del valor medio a propiedades
geomtricas de las funciones Criterio de la derivada segunda para
los extremos Trazado de curvas Ejercicios Ejemplos resucitas de
problemas de extremos Ejercicios 4.12 4.13 169 172 174 175 177 178
179 180 182 183 184 186 187 189 190 191 192 195 197 201 204 207 209
211 213 216 219 221 224 227 228 230 231 233 234 237 13. ':'4.22
':'4.23 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 ':'5 .11 Indice analtico Derivadas
parciales Ejercicios 5. RELACIN ENTRE INTEGRACIN y DERIVACIN 5.1 La
derivada de una integral indefinida. Primer teorema fundamental de
l c lculo Teorema de la derivada nula Funciones primitivas y
segundo teorema fundamental del clculo Propiedades de una funcin
deducidas de propiedades de su derivada Ejercicios La notacin de
Leibniz para las primitivas 1ntegracin por sustitucin Ejercicios
1ntcgracin por partes Ejercicios Ejercicios de repaso 5.2 5.3 5.4
6. F1 C1CTN LOGARITMO, FUNCIN EX POXENCIAL y FUNCIONES
TRIGONOM~TRICASINVERSAS 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 J ntrcduccin
Definicin del logaritmo natural como integral Definicin de
logaritmo. Propiedades fundamentales Grfica del logaritmo natural
Consecuencias de la ecuacin funcional L(ab) = L(a) + L(b)
Logaritmos referidos a una base positiva b =1= 1 Frmulas de
derivacin e integracin en las que intervienen logaritmos Derivacin
logartmica Ejercicios Polinomios de aproximacin para el logaritmo
Ejercicios La funcin exponencial Exponenciales expresadas como
potencias de e Definicin de e' para x real cualquiera Definicin de
a" para a>O y x real Frmulas de derivacin e integracin en las
que intervienen exponenciales 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15
6.16 xv 239 245 247 250 250 253 254 257 259 264 266 269 272 277 278
281 282 282 284 286 288 289 291 296 296 298 299 300 300 14. XVI
6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 6.24 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6
*7.7 7.8 7.9 lndice analtico 6.25 6.26 Ejercicios Funciones
hiperblicas Ejercicios Derivadas de funciones inversas Inversas de
las funciones trigonomtricas Ejercicios Integracin por fracciones
simples Integrales que pueden transformarse en integrales de
funciones racionales Ejercicios Ejercicios de repaso 304 307 308
308 309 314 316 323 326 328 333 335 337 340 341 342 347 348 350 354
356 357 362 363 366 368 371 8.1 Introduccin 373 8.2 Terminologa y
notacin 374 8.3 Ecuacin diferencial de primer orden para la funcin
exponencial 376 8.4 Ecuaciones diferenciales lineales de primer
orden 377 8.5 Ejercicios 381 7. APROXIMACIN DE FUNCIONES POR
POLINOMIOS 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17 Introduccin
Polinomios de Taylor engendrados por una funcin Clculo con
polinomios de Taylor Ejercicios Frmula de Taylor con resto
Estimacin del error en la frmula de Taylor Otras formas de la
frmula de TayIor con resto Ejercicios Otras observaciones sobre el
error en la frmula de Taylor. La notacin 0- Aplicaciones a las
formas indeterminadas Ejercicios Regla de L'Hpital para la forma
indeterminada O/O Ejercicios Los smbolos + 00 y - oo , Extensin de
la regla de L'Hpital Lmites infinitos Comportamiento de log x y ea:
para valores grandes de x Ejercicios 8. INTRODUCCIN A LAS
ECUACIONES DIFERENCIALES 15. 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13
8.14 8.15 In dice analtico 8.16 Algunos problemas fsicos que
conducen a ecuaciones diferenciales de primer orden Ejercicios
Ecuaciones lineales de segundo orden con coeficientes constantes
Existencia de soluciones de la ecuacin y" +by =O Reduccin de la
ecuacin general al caso particular y" +by =O Teorema de unicidad
para la ecuacin y" +by =O Solucin completa de la ecuacin y" +by =O
Solucin completa de la ecuacin y" +ay' +by =O Ejercicios Ecuaciones
lineales no homogneas de segundo orden con coeficientes constantes
Mtodos particulares para la determinacin de una solucin particular
de la ecuacin no homognea y"+ay' +by =R Ejercicios Ejemplos de
problemas fsicos que conducen a ecuaciones lineales de segundo
orden con coeficientes constantes Ejercicios Observaciones
relativas a las ecuaciones diferenciales no lineales Curvas
integrales y campos direccionales Ejercicios Ecuaciones separables
de primer orden Ejercicios Ecuaciones homogneas de primer orden
Ejercicios Algunos problemas fsicos y geomtricos que conducen a
ecuaciones de 'primer orden Ejercicios de repaso 8.17 8.18 8.19
8.20 8.21 8.22 8.23 8.24 8.25 8.26 8.27 8.28 9. NMEROS COMPLEJOS
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 Introduccin histrica
Definiciones y propiedades Los nmeros complejos como una extensin
de los nmeros reales La unidad imaginaria i Interpretacin
geomtrica. Mdulo y argumento Ejercicios Exponenciales complejas
Funciones complejas Ejemplos de frmulas de derivacin e integracin
Ejercicios XVII 382 390 394 395 396 397 398 399 401 402 406 408 408
414 416 417 421 422 424 425 429 429 434 437 437 440 441 443 445 446
449 451 453 16. XVIII lndice analtico 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6
10.7 10.8 10.9 *10.10 10.11 10.12 10.13 10.14 10.15 10.16 10.17
10.18 10.19 10.20 * 10.21 10.22 10.23 10.24 11.1 11.2 11.3 11.4
11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 10. SUCESIONES, SERIES, INrrEGRALES
IMPROPIAS La paradoja de Zenn Sucesiones Sucesiones montonas de
nmeros reales Ejercicios Series infinitas Propiedad de linealidad
de las series convergentes Series telescpicas Serie geomtrica
Ejercicios Ejercicios con expresiones decimales Criterios de
convergencia Criterios de comparacin para series de trminos no
negativos El criterio integral Ejercicios Criterios de la raz y del
cociente para series de trminos no negativos Ejercicios Series
alternadas Convergencia condicional y absoluta Criterios de
convergencia de Dirichlet y Abel Ejercicios Reordenacin de series
Ejercicios varios de repaso Integrales impropias Ejercicios 11.
SUCESIONES Y SERIES DE FUNCIONES Convergencia puntual de sucesiones
de funciones Convergencia uniforme de sucesiones de funciones
Convergencia uniforme y continuidad Convergencia uniforme e
integracin Una condicin suficiente para la convergencia uniforme
Series de potencias. Crculo de convergencia Ejercicios Propiedades
de las funciones representadas por series reales de potencias Serie
de Taylor generada por una funcin Condicin suficiente para la
convergencia de una serie de Taylor 457 462 465 467 469 471 472 474
477 479 480 482 484 486 487 490 492 496 496 499 501 506 508 513 517
519 520 521 522 524 526 528 532 532 17. 11.11 *11.12 11.13 11.14
11.15 11.16 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10
12.11 12.12 12.13 12.14 12.15 12.16 12.17 ndice analtico
Desarrollos en serie de potencias de las funciones exponencial y
trigonomtricas Teorema de Bernstein Ejercicios Series de potencias
y ecuaciones diferenciales La serie binmica Ejercicios 12. LGEBRA
VECTORIAL Introduccin histrica El espacio vectorial de las n-plas
de nmeros reales Interpretacin geomtrica para n ::;3 Ejercicios
Producto escalar Longitud o norma de un vector Ortogonalidad de
vectores Ejercicios Proyecciones. ngulo de dos vectores en el
espacio de n dimensiones Los vectores coordenados unitarios
Ejercicios Envolvente lineal de un conjunto finito de vecotres
Independencia lineal Bases Ejercicios El espacio vectorial Vn(C) de
n-plas de nmeros complejos Ejercicios 13. APLICACIONES DEL ALGEBRA
VECrrORIAL A LA GEOMETRA ANALTICA 13.1 Introduccin 13.2 Rectas en
el espacio n-dimensional 13.3 Algunas propiedades sencillas de las
rectas 13.4 Rectas y funciones vectoriales 13.5 Ejercicios 13.6
Planos en el espacio eucldeo n-dimensional 13.7 Planos y funciones
vectoriales 13.8 Ejercicios 13.9 Producto vectorial XIX 533 535 536
538 541 542 545 546 549 551 552 554 557 558 559 561 563 565 567 570
571 573 575 577 578 579 581 584 585 589 590 591 18. xx 13.10 13.11
13.12 13.13 13.14 13.15 13.16 13.17 13.18 13.19 13.20 13.21 13.22
13.23 13.24 13.25 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9
14.10 14.11 14.12 14.13 14.14 14.15 14.16 14.17 14.18 14.19 lndice
analtico El producto vectorial expresado en forma de determinante
Ejercicios Producto mixto Regla de Cramer para resolver un sistema
de tres ecuaciones lineales Ejercicios Vectores normales a planos
Ecuaciones lineales cartesianas para planos Ejercicios Las
secciones cnicas Excentricidad de las secciones cnicas Ecuaciones
polares de las cnicas Ejercicios Cnicas simtricas respecto al
origen Ecuaciones cartesianas de las cnicas Ejercicios Ejercicios
varios sobre cnicas 14. CLCULO CON FUNCIONES VECTORIALES Funciones
vectoriales de una variable real Operaciones algebraicas.
Componentes Lmites, derivadas e integrales Ejercicios Aplicaciones
a las curvas. Tangencia Aplicaciones al movimiento curvilneo.
Vector velocidad, velocidad y aceleracin Ejercicios Vector tangente
unitario, normal principal y plano osculador a una curva Ejercicios
Definicin de longitud de un arco Aditividad de la longitud de arco
Funcin longitud de arco Ejercicios Curvatura de una curva
Ejercicios Los vectores velocidad y aceleracin en coordenadas
polares Movimiento plano con aceleracin radial Coordenadas
cilndricas Eiercicios 595 597 598 601 602 604 606 607 609 612 614
615 616 618 621 623 627 627 628 632 633 637 641 643 646 648 651 652
655 657 659 660 663 664 665 19. 14.20 14.21 15.1 15.2 15.3 15.4
15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 15.13 15.14 15.15 15.16
16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12
16.13 16.14 16.15 16.16 In dice analtico Aplicaciones al movimiento
planetario Ejercicios de repaso 15. ESPACIOS LINEALES Introduccin
Definicin de espacio lineal Ejemplos de espacios lineales
Consecuencias elementales de los axiomas Ejercicios Subespacios de
un espacio lineal Conjuntos dependientes e independientes, en un
espacio lineal Bases y dimensin Ejercicios Productos interiores,
espacios eucldeos. Normas Ortogonalidad en un espacio eucldeo
Ejercicios Construccin de conjuntos ortogonales. Mtodo de
Gram-Schmidt Complementos ortogonales. Proyecciones Aproximacin
ptima de elementos de un espacio eucldeo por elementos de un
subespacio de dimensin finita Ejercicios 16. TRANSFORMACIONES
LINEALES Y MATRICES Transformaciones lineales Ncleo y recorrido
Dimensin del ncleo y rango de la transformacin Ejercicios
Operaciones algebraicas con transformaciones lineales Inversas
Transformaciones lineales uno a uno Ejercicios Transformaciones
lineales con valores asignados Representacin matricial de las
transformaciones lineales Construccin de una representacin
matricial en forma diagonal Ejercicios Espacios lineales de
matrices Isomorfismo entre transformaciones lineales y matrices
Multiplicacin de matrices Ejercicios XXI 667 671 675 675 677 679
680 681 683 685 686 687 691 694 696 701 704 706 709 711 712 714 716
718 721 723 725 726 730 732 733 735 736 740 20. XXII lndice
analtico 16.17 Sistemas de ecuaciones lineales 16.18 Tcnicas de
clculo 16.19 Inversas de matrices cuadradas 16.20 Ejercicios 16.21
Ejercicios varios sobre matrices Soluciones a los ejercicios ndice
alfabtico 742 745 750 752 754 757 805 21. Calculus 22. INTRODUCCIN
Parte l. - Introduccin histrica 1 1.1 Los dos conceptos bsicos del
Clculo El considerable progreso habido en la ciencia y en la tcnica
durante los ltimos cien aos procede en gran parte del desarrollo de
las Matemticas. La rama de la Matemtica conocida por Clculo
integral y diferencial es un instrumento natural y poderoso para
atacar mltiples problemas que surgen en Fsica, Astronoma,
Ingeniera, Qumica, Geologa, Biologa, y en otros campos, incluyendo
recientemente algunos de Ciencias sociales. Para dar una idea al
lector de los muy diversos tipos de problemas que pueden tratarse
por los mtodos de Clculo se expone a continuacin una pe- quea
muestra de cuestiones seleccionadas entre los ejercicios que
aparecen en captulos posteriores de este libro. Con qu velocidad
debera ser impulsado un cohete para que nunca volviera a la Tierra?
Cul es el radio del menor disco circular que cubra a todo tringulo
issceles de permetro L? Cul es el volumen de material extrado de
una esfera de radio 2r al atravesarla por un orificio cilndrico de
radio r cuyo eje pase por el centro de la esfera? Si un cultivo de
bacterias crece en razn directa a la can- tidad que hay en cada
instante, y la poblacin se duplica en una hora, en cunto se habr
incrementado al cabo de dos horas? Si una fuerza de diez libras
estira una cuerda elstica una pulgada, qu trabajo se necesita para
estirarla un pie? Estos ejemplos, elegidos en distintos campos,
ilustran algunas de las cues- tiones tcnicas que pueden ser
resueltas como aplicaciones ms o menos ruti- narias del Clculo. El
Clculo no slo es un instrumento tcnico, sino que contiene una
colec- cin de ideas fascinadoras y atrayentes que han ocupado el
pensamiento humano durante centurias. Estas ideas estn relacionadas
con velocidad, rea, volumen, razn de crecimiento, tangente a una
lnea, y con otros conceptos referentes a otros dominios. El Clculo
obliga a detenerse y a pensar cuidadosamente acerca del significado
de estos conceptos. Otro carcter notable del Clculo es su poder 23.
2 Introduccin unificador. Muchos de estos problemas pueden ser
formulados de manera que se reduzcan a otros problemas de
naturaleza puramente geomtrica. A continuacin se procede a una
breve descripcin de tales problemas. Considrese una curva C situada
encima de una lnea horizontal base, como se indica en la figura
1.1. Se supone que esta curva tiene la propiedad de ser cortada por
cada vertical, en un punto a lo ms. La parte sombreada de la figura
est formada por aquellos puntos situados por debajo de la curva C,
enci- ma de la horizontal, y entre dos segmentos verticales
paralelos que unen C con la base. El primer problema fundamental
del Clculo es el siguiente: Determinar un nmero que mida el rea de
esta regin sombreada. Considrese despus una recta que sea tangente
a la curva, tal como se ve en la figura 1.1. El segundo problema
fundamental puede formularse de la siguiente manera: Determinar un
nmero que mida la pendiente de esta recta. FIGURA I.1
Fundamentalmente, el Clculo se ocupa en la formulacin precisa y la
reso- lucin de estos dos problemas considerados. En el Clculo se
definen los con- ceptos de rea y tangente y se calculan el rea de
una regin dada y la pen- diente de la tangente a una curva dada. El
Clculo integral se ocupa del problema del rea y ser discutido en
este captulo 1. El Clculo diferencial se ocupa del problema de la
tangente y ser introducido en el captulo 4. El estudio del Clculo
exige una cierta preparacin matemtica. El presente captulo trata de
estos conceptos bsicos y est dividido en cuatro partes: La l ."
parte da una perspectiva histrica; la 2.a se refiere a la notacin y
terminologa en la matemtica de conjuntos; la 3.a trata del sistema
de nmeros reales; la 4.a ofrece la induccin matemtica y la notacin
sumatoria. Si el lector est infor- mado de estos temas, puede
abordar directamente el desarrollo del Clculo inte- gral en el
captulo 1. Si no, deber familiarizarse con las materias contenidas
en esta introduccin antes de iniciar el captulo 1. 24. 1ntroduccin
histrica 3 I 1.2 Introduccin histrica El origen del Clculo integral
se remonta a ms de 2000 aos, cuando los griegos intentaban resolver
el problema del rea ideando el procedimiento que llamaron mtodo de
exhaucin. Las ideas esenciales de este mtodo son real- mente muy
simples y se pueden describir brevemente como sigue: Dada una regin
cuya rea quiere determinarse, se inscribe en ella una regin
poligonal que se aproxime a la dada y cuya rea sea de fcil clculo.
Luego se elige otra regin poligonal que d una aproximacin mejor y
se contina el proceso to- mando polgonos con mayor nmero de lados
cada vez, tendiendo a llenar la regin dada. La figura 1.2 es una
ilustracin del mtodo en el caso de una regin semicircular. Este
mtodo fue usado satisfactoriamente por Arqumedes (287- 212 A.C.)
para hallar frmulas exactas de las reas del crculo y de algunas
otras figuras especiales. Desde Arqumedes, el desarrollo del mtodo
de exhaucin tuvo que esperar casi 18 siglos, hasta que el uso de
smbolos y tcnicas algebraicas se hizo pre- ciso en los estudios
matemticos. El lgebra elemental que hoy da es familiar a la mayora
de los alumnos de los ltimos cursos de enseanza secundaria, era
totalmente desconocida en tiempos de Arqumedes, lo que haca
imposible exten- der el mtodo a cualquier clase de regiones, sin
poseer manera adecuada de poder expresar los largos clculos en
forma simplificada. FIGURA 1.2 El mtodo de exhaucin aplicado a una
regin semicircular. Un cambio lento pero revolucionario, en el
desarrollo de las notaciones ma- temticas, empez en el siglo XVI
D.C. El engorroso sistema de numeracin romano fue desplazado
gradualmente por los caracteres arbigos utilizados hoy da; los
signos + y - fueron introducidos por primera vez, y se empezaron a
reconocer las ventajas de la notacin decimal. Durante este mismo
perodo, los brillantes resultados de los matemticos italianos
Tartaglia, Cardano y Ferrari que dieron soluciones algebraicas a
las ecuaciones cbica y curtica, estimul el desarrollo de la
Matemtica y anim a la aceptacin del lenguaje algebraico nuevo y
superior. Con la introduccin muy extendida de los bien elegidos sm-
bolos algebraicos, revivi el inters por el antiguo mtodo de
exhaucin y en el siglo XVI descubrieron mltiples resultados
parciales, los que como Cava- lieri, Toricelli, Roberval, Fermat,
Pascal y Wallis fueron pioneros. 25. 4 Introduccin Gradualmente, el
mtodo de exhaucin fue transformndose en lo que hoy se conoce como
Clculo integral, nueva y potente disciplina que tiene numero-
ssimas aplicaciones no slo en problemas relativos a reas y
volmenes, sino tambin en problemas de otras ciencias. Este mtodo,
que mantiene alguno de los caracteres originales del mtodo de
exhaucin, recibi su mayor impulso en el siglo XVII, debido a los
esfuerzos de Isaac Newton (1642-1727) y Gottfried Leibniz
(1646-1716), y su desarrollo continu durante el siglo XIX, hasta
que Augustin-Louis Cauchy (1789-1857) y Bernhard Riemann
(1826-1866) le dieron una base matemtica firme. Posteriores
afinamientos y extensiones de la teora han llegado hasta la
Matemtica contempornea. 1 1.3 El mtodo de exhaucin para el rea de
un segmento de parbola Antes de proceder al estudio sistemtico del
Clculo integral, ser instruc- tivo aplicar el mtodo de exhaucin
directamente a una de las figuras particu- lares tratadas por el
mismo Arqumedes. La regin en cuestin est presentada en la figura
1.3 y puede describirse como sigue: Si se elige un punto arbitrario
de la base de la figura y se designa por x su distancia a 0, la
distancia vertical de este punto a la curva es x', En particular,
si la longitud de la base es b la altura de la figura es b2 La
distancia vertical de x a la curva se denomina orde- nada de x. La
curva as descrita se denomina parbola y la regin limitada por ella
y por los dos segmentos rectilneos, se llama segmento parablico.
r----------------- o x Aproximacin por defecto FIGURA 1.3 Segmento
parablico FIGURA 1.4 Aproximacin por exceso 26. El mtodo de
exhaucin para el rea de un segmento de parbola 5. Esta figura puede
encerrarse en un rectngulo de base b y altura b", como se ve en la
figura 1.3. Observando la figura parece natural afirmar que el rea
del segmento parablico es menor que la mitad del rea del rectngulo.
Arqu- medes hizo el sorprendente descubrimiento de que el rea del
segmento para- blico es exactamente un tercio de la del rectngulo;
es decir, A =b3 /3, donde A designa el rea del segmento parablico.
Se ver a continuacin cmo se llega a este resultado. Se hace notr
que el segmento parablico dibujado en la figura 1.3 no est elegido
exactamente tal como lo dibuj Arqumedes y que los detalles que b"
rea del rectngulo = -. k2 n kb ... b = nb n n o b 2b n n FIGURA 1.5
Clculo del rea de un segmento parablico. siguen no son exactamente
los utilizados por l. Sin embargo, las ideas esenciales son las de
Arqumedes; lo que aqu se expone puede considerarse como el m- todo
de exhaucin expuesto con la notacin moderna. El mtodo consiste
simplemente en lo siguiente: se divide la figura en un cierto nmero
de bandas y se obtienen dos aproximaciones de la regin, una por
defecto y otra por exceso, utilizando dos conjuntos de rectngulos
como se indica en la figura 1.4. (Se utilizan rectngulos mejor que
polgonos arbitrarios para simplificar los clculos.) El rea del
segmento parablico es mayor que el rea total de los rectngulos
interiores pero menor que la de los rectngulos exteriores. Si cada
banda se subdivide a su vez, se obtiene una nueva aproximacin con
mayor nmero de bandas, la reunin de las reas de los rectngulos
inte- 27. 6 Introduccin riores crece, mientras que el total de las
reas de los rectngulos exteriores decrece. Arqumedes vio que se
poda lograr el rea con el grado de aproximacin deseado sin ms que
tomar un nmero suficiente de bandas. El clculo efectivo en este
caso se realiza como se indica a continuacin. Con objeto de
simplificar se subdivide la base en n partes iguales, cada una de
longitud bf n (vase fig. 1.5). Los puntos de subdivisin
corresponden a los si- guientes valores de x: o, ~ , 2b , 3b , ...
, (n - l)b , nb = b . n n n n n La expresin general de un punto de
la subdivisin es x =kb In, donde k toma los valores sucesivos k =
O, 1, 2, 3, .. , n, En cada punto kb I n se construye el rectngulo
exterior de altura (kbln)2 como se indica en la figura 1.5. El rea
de este rectngulo es el producto de la base por la altura y es
igual a: Si se designa por S; la suma de las reas de todos los
rectngulos exteriores, puesto que el rea del rectngulo k-simo es (b
3 In3 )k2 se tiene la frmula: (1.1 ) De forma anloga se obtiene la
frmula para la suma s de todos los rectngulos interiores: (1.2) La
forma de estas sumas es de gran importancia para su clculo. Ntese
que el factor que multiplica a b" In3 en la ecuacin (1.1) es la
suma de los cua- drados de los n primeros nmeros naturales: 12 + 22
+ ... + n2 (El factor correspondiente en la ecuacin (1.2) es anlogo
salvo que la suma tiene nicamente n - 1 sumandos.) Para valores
grandes de n la obtencin de esta suma por adicin directa de sus
sumandos es pesada, pero afortunada- 28. El mtodo de exhaucin para
el rea de un segmento de parbola 7 mente existe una interesante
identidad que hace posible obtener esta suma por un camino ms
simple, y es la siguiente: (1.3) 3 2 12 22 2 n n n + +"'+n =-+-+-.3
2 6 Esta identidad es vlida para todo entero n 2: 1 Y puede
demostrarse del siguien- te modo: Se parte de la frmula (k+ l)3=k8
+3F+3k+ 1 Y se pone en la forma 3k2 + 3k + 1 = (k + 1)3 - k3 .
Haciendo k = 1, 2, ... , n - 1, obtenemos las n - 1 frmulas 3 . 12
+ 3 . 1 + 1 = 23 - 13 3 . 22 + 3 . 2 + 1 = 33 - 23 3(n - 1)2 + 3(n
- 1) + 1 = n3 - (n - 1)3. Al sumar estas frmulas, todos los trminos
del segundo miembro se reducen excepto dos y se obtiene 3[P + 22 +
... + (n - 1)2] + 3[1 + 2+ ... + (n - 1)] + (n - 1) = n3 - P. La
segunda suma del primer miembro es la suma de los trminos de una
pro- gresin aritmtica cuyo valor es t n(n - 1). Por tanto la ltima
igualdad nos da (lA) 3 2 12 + 22 + ... + (n - 1)2 = !!..- _ !!..- +
!:!. . 3 2 6 Sumando n' a los dos miembros, obtenemos (1.3). Las
expresiones exactas dadas en los segundos miembros de (1.3) y (1.4)
no son necesarias para el objeto que aqu se persigue, pero sirven
para deducir fcilmente las dos desigualdades que interesan (I.5) n3
12 + 22 + ... + (n - 1)2 < - < 12 + 22 + ... + n2 3 que son
vlidas para todo entero n 2: 1. Estas desigualdades pueden
deducirse fcilmente como consecuencias de (1.3) Y (I.4), o
directamente por induccin. (Vase la Seccin 1 4.1.) 29. 8
Introduccin Multiplicando ambas desigualdades en (1.5) por ba/na y
haciendo uso de (1.1) Y (1.2) se tiene: (1.6) para cada n, y
observndose que se presenta por primera vez el nmero b" /3. Las
desigualdades en (1.6) expresan que para cada n el nmero ba /3 est
com- prendido entre s.; y S Pero ahora es fcil probar que b' /3 es
el nico nmero que goza de esta propiedad; es decir, que si A es un
nmero que verifica las desigualdades (1.7) para cada entero
positivo n, ha de ser necesariamente A =ba!3. Por esta razn dedujo
Arqumedes que el rea del segmento parablico es ba!3. Para probar
que A =ba!3 se utilizan una vez ms las desigualdades (1.5). Sumando
n2 a los dos miembros de la desigualdad de la izquierda en (1.5) se
obtiene: Multiplicando por ba! na y utilizando (1.1) se tiene (1.8)
Anlogamente, restando n2 de los dos miembros de la desigualdad de
la derecha en (1.5) y multiplicando por b"/na se llega a la
desigualdad: (1.9) Por tanto, cada nmero A que satisfaga (1.7) ha
de satisfacer tambin: (LlO) para cada entero n ;:: 1. Ahora bien,
hay slo tres posibilidades: A < b 3 3 ' 30. Ejercicios 9 Si se
prueba que las dos primeras conducen a una contradiccin habr de ser
A =b"j 3, ya que, al estilo de Sherlock Holmes, se agotan as todos
las posibili- dades. Supngase que la desigualdad A > b"j 3 fuera
cierta. De la segunda desi- gualdad en (1.10) se obtiene: (I.11) b3
b3 A-- O} = {y I y > O} = {t I t > O} etctera. Puede ocurrir
que un conjunto no contenga elementos. Un tal conjunto se llama
conjunto vaco, y se representa mediante el smbolo 0. Consideremos
el 0 como subconjunto de cualquier conjunto. Hay quien imagina un
conjunto como un recipiente (tal como una bolsa o una caja) que
contiene ciertos objetos, sus elementos. Entonces, el conjunto vaco
sera un recipiente vaco. Para evitar dificultades y confusiones,
debemos distinguir entre el elemento x y el conjunto {x} cuyo nico
elemento es x. (Una caja con un sombrero dentro, es conceptualmente
distinto del sombrero considerado solo.) En particular el con-
junto vaco 0 no es lo mismo que el conjunto { 0 }. En realidad el
conjunto vaco o no contiene elementos, mientras que el conjunto {0}
contiene un elemen- to, 0 (Una bolsa que contiene una bolsa vaca no
est vaca.) Los conjuntos que contienen un solo elemento se llaman
conjuntos de un elemento. Con frecuencia nos ayudamos de diagramas
para hacer intuitivas las relaciones entre conjuntos. Por ejemplo,
podemos pensar que el conjunto universal S es una regin en el
plano, y cada uno de sus elementos un punto Los subconjuntos de S
pueden imaginarse como colecciones de puntos interiores a S. Por
ejemplo, en la figura 1.6(b) la porcin sombreada es un subconjunto
de A y tambin de B. Las ayudas grficas de este tipo se llaman
diagramas de Venn y se utilizan para comprobar la validez de
ciertos teoremas de la Teora de conjuntos o para sugerir mtodos de
demostracin de los mismos. Naturalmente, tales demostraciones se
basan en las definiciones y conceptos y su validez depender de un
razonamiento correcto y no precisamente de los diagramas. 38.
Reuniones, intersecciones, complementos 1 2.4 Reuniones,
intersecciones, complementos 17 A partir de dos conjuntos dados A y
B, siempre podemos formar un nuevo conjunto llamado reunin de A y
B. Este nuevo conjunto se representa con el smbolo Ca) A u B A U B
(se lee A reunin B) o A n B Ce) A n B = 0 FIGURA 1.6 Reuniones e
intersecciones. y se define como el conjunto de los elementos que
pertenecen a A o a B o a ambos. Es decir, A U B es el conjunto de
todos los elementos que pertenecen por lo menos a uno de los
conjuntos A, B. En la figura I.6(a) la parte sombreada representa A
U B. Anlogamente, la interseccin de A y B que se representa con el
smbolo A n B (se lee: A interseccin B) se define como el conjunto
de los elementos comunes a A y a B. En la figura I.6(b) se
representa la interseccin de A y B. En la figura I.6(c) se ve que
la intersec- cin de A y B es el conjunto 0, puesto que A y B no
tienen elementos comunes. Dos conjuntos A y B se llaman disjuntos
si A n B= 0. Dados dos conjuntos A y B, se define la diferencia A -
B (que tambin se llama complemento de B relativo a A) como el
conjunto de los elementos de A que no pertenecen a B. As pues, segn
la definicin A - B = {x Ix E A Y x rF B} . En la figura I.6(b) la
porcin no sombreada de A representa A - B; la no som- breada de B
representa B - A. Las operaciones de reunin e interseccin poseen
muchas analogas formales con la adicin y multiplicacin ordinarias
de nmeros reales. Por ejemplo, puesto 39. 18 Introduccin que no
existe cuestin de orden en las definiciones de reunin e
interseccin, se deduce que A U B=B U A Y que A n B=B nA. Es decir,
la reunin y la in- terseccin son operaciones conmutativas. Asimismo
dichas definiciones estn dadas de tal modo que las operaciones son
asociativas: (A U B) U C = A U (B U C) y (A n B) n C = A n (B n C)
. Estos y otros teoremas relativos al lgebra de conjuntos se citan
como Ejercicios en la Seccin 12.5. Uno de los mejores mtodos para
que el lector se familiarice con la terminologa y las notaciones
antes introducidas es deducir las demostra- ciones de cada una de
estas leyes formales. Una muestra del tipo de razonamiento que se
necesita aparece inmediatamente despus de los Ejercicios. Las
operaciones de reunin e interseccin pueden extenderse a colecciones
finitas o infinitas de conjuntos, de la manera siguiente: Sea .'!F
una clase (t) no vaca de conjuntos. La reunin de todos los
conjuntos de .'!F se define como el conjunto de todos aquellos
elementos que pertenecen por 10 menos a uno de los conjuntos de
.'!F, y se representa con el smbolo UA.AeF Si ff es una coleccin
finita de conjuntos, sea por ejemplo ff ={Al> A2, , An},
escribimos n U A = U Ak = Al U A2 U ... U An AeF k~l Anlogamente,
la interseccin de todos los conjuntos de .'!F se define como el
conjunto de aquellos elementos que pertenecen a todos los conjuntos
de.'!F; se representa con el smbolo Al igual que antes, para
colecciones finitas de conjuntos escribimos: n n A = nAk = Al n A2
n ... nA. A~ ~ n (t) Para simplificar el lenguaje llamamos clase a
una coleccin de conjuntos. Para representar clases empleamos letras
maysculas cursivas. La terminologa y la notacin usuales de la Teora
de conjuntos se aplica, naturalmente, a las clases. As, por
ejemplo, A E ~ significa que A es uno de los conjuntos de la
clase~, y d S; [!J significa que todo conjunto de d pertenece a ~,
y as sucesivamente. 40. Ejercicios 19 La reunin y la interseccin se
han definido de manera que las leyes asociati- vas se satisfacen
inmediatamente. En consecuencia no existir ambigedad cuando
escribimos Al u A2 U ... U An o Al n A2 n ... n An . 1 2.5
Ejercicios l. Utilizar la notacin en lista para representar los
siguientes conjuntos de nmeros reales. A = {x I x2 - 1 = O} . B =
{x I(x - 1)2 = O} . e = {x Ix + 8 = 9} . D = {x Ix3 - 2x2 + x = 2}
. E = {x I(x + 8)2 = 92}. F = {x I(x2 + 16x)2 = 172} 2. Para los
conjuntos del Ejercicio 1, obsrvese que B S; A. Citar todas las
relaciones de inclusin S; que son vlidas entre los conjuntos A, B,
e, D, E, F. 3. Sean A = {I }, B = {1, 2}. Discutir la validez de
las afirmaciones siguientes (probar que unas son ciertas y explicar
por qu las otras son falsas). (a) A e B. (b) A S; B. (e) A E B. (d)
1 EA. (e) ISA. (f) 1 e B. 4. Resolver el Ejercicio 3 si A = {1} YB
= {{1}, 1}. 5. Dado el conjunto S = {1, 2, 3, 4}. Expresar todos
los subconjuntos de S. Hay en total 16, si contamos 0 y S. 6. Dados
los cuatro conjuntos siguientes A = {I, 2}, B = {{l}, {2}}, e =
{{l}, {l, 2}}, D = {{l}, {2}, {l, 2}}, discutir la validez de las
afirmaciones siguientes (probar que unas son certas y explicar por
qu las otras no lo son). (a) A = B. (b) A e; B. (e) A e C. (d) A E
C. (e) A e D. (f) B e C. (g) BcD. (h) BE D. (i) A E D. 7. Demostrar
las propiedades siguientes de la igualdad de conjuntos. (a) {a, a}
= {a}. (b) {a, b} = {b, a}. (e) {a} = {b, e} si y slo si a = b = c.
Demostrar el conjunto de relaciones de los Ejercicios 8 al 19. (Al
final de esta Seccin se dan ejemplos de estas demostracnes). 8.
Leyes conmutativas; A v B = B v A, A n B = B n A. 41. 20
Introduccin 9. Leyes asociativas: A U (B U C) = (A U B) U C, A r,
(B r. C) = (A rv B) n C. 10. Leyes distributivas: A n(B U C) = (A
nB) U (A n C), A U (B n C) = (A U B) n (A U C). 11. A uA =A, A nA
=A, 12. A S A u B, A n B S A. 13. A U 0 = A, A n 0 = 0. 14. A U (A
n B) = A, A n (A U B) = A. 15. Si A S C y B S C, entonces A U B S
C. 16. Si C S A Y C S B, entonces C S A n B. 17. (a) SiA e B y Be
C,probar que A e C. (b) SiA S B Y B S C,probar que A S C. (e) Qu
puede afirmarse si A e B y B S C? (d) Si x E A Y A S; B, es cierto
necesariamente que x E B? (e) Si x E A Y A E B, es cierto
necesariamente que x E B? 18. A - (B n C) = (A - B) u (A - C). 19.
Sea ~ una clase de conjuntos. Entonces B - U A = n(B - A) AE.'F
AE.'F y B - nA = U (B - A). AE.'F AE.F 20. (a) Demostrar que una de
las dos frmulas siguientes es siempre correcta y la otra algu- nas
veces es falsa: (i) A - (B - C) = (A - B) U C, (ii) A - (B u C) =
(A - B) - C. (b) Establecer una condicin necesaria y suficiente
adicional para que la frmula que sea incorrecta sea siempre vlida.
Demostracin de la ley conmutativa A U B=B U A. Sean X=A U B, Y=B U
A. Para demostrar que X =Y se demuestra que X S; Y e Y S X. Su-
pngase que x E X. Entonces x est por lo menos en A o en B. Luego, x
est por lo menos en B o en A; de modo que x E Y. As, pues, todo
elemento de X est tambin en Y, con lo que X S; Y. Anlogamente,
encontramos que Y S X, de modo que X =Y. Demostracin de A n B s; A.
Si x E A n B, x est simultneamente en A y en B. En particular, x E
A. As, pues, todo elemento de A n B est tambin en A; por lo tanto,
A n B S; A. 42. Introduccin 21 Parte 11I.- Un conjunto de axiomas
para el sistema de nmeros reales I 3.1 Introduccin Hay muchos
mtodos para introducir el sistema de los nmeros reales. Un mtodo
corriente es el de empezar con los enteros positivos 1,2,3, ... y
utilizarlos como base para construir un sistema ms amplio que tenga
las propiedades deseadas. Brevemente, la idea de este mtodo es
tomar los enteros positivos como base para formar un sistema ms
amplio, que es el de los nmeros racionales positivos (cocientes de
enteros positivos). Los nmeros racionales positivos se utilizan a
su vez como base para construir los irracionales positivos (nmeros
reales como V2 y 7T que no son racionales). El paso final es la
introduccin de los nmeros reales negativos y el cero. La parte ms
difcil del proceso total es el paso de los nmeros racionales a los
nmeros irracionales. Aunque la necesidad del nmero irracional se
haba presentado ya a los matemticos de la antigua Grecia en sus
estudios geomtricos, no se introdujeron mtodos satisfactorios de
construccin de los nmeros reales a partir de los racio- nales hasta
entrado el siglo XIX. En esta poca se perfilaron tres teoras
distintas por Karl Weierstrass (1815-1897), Georg Cantor
(1845-1918) y Richard Dede- kind (1831-1916). En 1889, el matemtico
italiano Giuseppe Peana (1858-1932) dio cinco axiomas para los
enteros positivos que se utilizaron como punto de partida para la
construccin total. Una exposicin detallada de esta construccin
empezando por los axiomas de Peana y utilizando el mtodo de
Dedekind para introducir el nmero irracional, se encuentra en el
libro de E. Landau, Funda- mentos del Anlisis (Nueva York, Chelsea
Publishing Co., 1951). El punto de vista adoptado aqu no es
constructivo. Se inicia el proceso en un punto bastante avanzado,
considerando los nmeros reales como conceptos primitivos que
satisfacen a un cierto nmero de propiedades que se toman como
axiomas; es decir, se supone que existen ciertos objetos, llamados
nmeros reales, que satisfacen los 10 axiomas enunciados en las
cinco Secciones que siguen. Todas las propiedades de los nmeros
reales que se utilizarn en este libro, o estn entre los axiomas o
se pueden deducir de ellos. Cuando los nmeros reales se definen
mediante un proceso constructivo, las propiedades que se toman como
axiomas tendrn que demostrarse como teoremas. Mientras no se diga
10 contrario, las letras a, b, e, ... x, y, z que aparecen en los
axiomas representan nmeros reales cualesquiera. Los axiomas se
agrupan en forma natural en tres grupos, que son, axiomas de
cuerpo, axiomas de orden y axioma del extremo superior (llamado
tambin axioma de continuidad o axioma de completitud). 43. 22
1ntroduccin 1 3.2 Axiomas de cuerpo Junto con el conjunto de los
nmeros reales se supone la existencia de dos operaciones llamadas
adicin y multiplicacin, tales que para cada par de nmeros reales x
e y se puede formar la suma de x e y, que es otro nmero real
designado por x+y y el producto de x por y designado por xy o X' y.
La suma x+y y el producto xy estn unvocamente determinados por x e
y. A los signos + y . no se les asigna otro significado especial
que el precisado en los axiomas. AXIOMA 1. PROPIEDAD CONMUTATIVA.
x+y=y+x, xy=yx. AXIOMA 2. PROPIEDAD ASOCIATIVA. x+(y+z)=(x+y)+z,
x(yz)= (xy)z. AXIOMA 3. PROPIEDAD DISTRIBUTIVA. x(y+z)=xy+xz.
AXIOMA 4. EXISTENCIA DE ELEMENTOS NEUTROS. Existen dos nmeros rea-
les distintos, que se indican por O y 1 tales que para cada nmero
real x se tiene: O+x=x+O=x y I.: X=X' 1=x. AXIOMA 5. EXISTENCIA DE
NEGATIVOS. Para cada nmero real x existe un nmero real y tal que
x+y=y+x=O. AXIOMA 6. EXISTENCIA DEL RECPROCO. Para cada nmero real
x =1= O existe un nmero real y tal que xy =yx = 1. Nota: Los nmeros
O y 1 de los axiomas 5 y 6 son los mismos que los del axioma 4. De
los axiomas anteriores se puede deducir todas las leyes usuales del
lgebra elemental. Las ms importantes de ellas se recogen a
continuacin como teoremas. En todos estos teoremas las letras a, b,
e, d, representan nmeros reales cuales- quiera. TEOREMA 1.1. LEY DE
SIMPLIFICACIN PARA LA SUMA. Si a+b=a+c, entonces b =c. (En
particular esto prueba que el nmero O del axioma 4 es nico.)
TEOREMA 1.2. POSIBILIDAD DE LA SUSTRACCIN. Dados a y b existe uno y
slo un x tal que a+x =b. Este x se designa por b - a. En particular
O- a se es- cribe simplemente -a y se denomina el negativo de a.
TEOREMA 1.3. b - a = b + (-a). TEOREMA lA. -(-a) = a. TEOREMA 1.5.
a(b - e) = ab - ac. TEOREMA 1.6. O a = a' 0= O. 44. Axiomas de
cuerpo 23 TEOREMA 1.7. LEY DE SIMPLIFICACIN PARA LA MULTIPLICACIN.
Si ab =ac y a # O, entonces b =c. (En particular esto demuestra que
el nmero 1 del axioma 4 es nico.) TEOREMA 1.8. POSIBILIDAD DE LA
DIVISIN. Dados a y b con a =1= O, existe uno y slo un x tal que ax
=b. La x se designa por b/ a o ~ y se denomina cociente a de b y a.
En particular 1/a se escribe tambin a:' y se designa recproco de a.
TEOREMA 1.9. Si a ~ O, entonces b]a = b . a-l. TEOREMA 1.10. Si a ~
O,entonces (a-1)-1 = a. TEOREMA 1.11. Si ab=O entonces o a=O o b=O.
TEOREMA I.12. (-a)b = -(ab) y (-a)( -b) = ab. TEOREMA I.13. (a/b) +
(c/d) = (ad + bc)/(bd) si b; O Y d; O. TEOREMA I.14. (a/b)(c/d) =
(ac)/(bd) si b; O Y d ~ O. TEOREMA I.15. (ajb)j(c/d) = (ad)j(bc) si
b ~ O, e ~ O, Y d ~ O. Para poner de manifiesto cmo estos teoremas
pueden obtenerse como con- secuencia de los axiomas, se dan las
demostraciones de 1.1 hasta 1.4, Y sera ins- tructivo para el
lector tratar de demostrar los restantes. Demostracin de 1.1. Dado
a+b=a+c. En virtud del axioma 5, se puede elegir y de manera que
y+a=O, con lo cual y+(a+b)=y+(a+c), y aplicando la propiedad
asociativa (y+a)+b=(y+a)+c, o sea, O+b=O+c. Pero en virtud del
axioma 4, se tiene O+b=b y O+c=c, o sea, b=c. Obsrvese que este
teore- ma demuestra que existe un solo nmero real que tiene la
propiedad del O en el axioma 4. En efecto, si O y O' tuvieran ambos
esta propiedad, entonces, 0+0'=0 y 0+0=0; por tanto, 0+0'=0+0 y por
la ley de simplificacin 0=0'. Demostracin de 1.2. Dados a y b se
elige y de manera que a+y=O y sea x=y+b. Entonces,
a+x=a+(y+b)=(a+y)+b=O+b=b. Por tanto, hay por lo menos una x tal
que a +x =b. Pero en virtud del teorema 1.1, hay a lo sumo una.
Luego hay una y slo una x en estas condiciones. Demostracin de 1.3.
Sea x=b-a y sea y=b+( -a). Se trata de probar que x=y. Por
definicin de b-a, x+a=b y y + a = [b + (-a)] + a = b + [(-a) + a] =
b + O = b. 45. 24 Introduccin Por tanto, x+a=y+a, Y en virtud de
1.1, x=y. Demostracin de 1.4. Se tiene a+( -a)=O por definicin de
-a. Pero esta igualdad dice que a es el opuesto de (-a), es decir,
que a= -( -a) como se afirma en el teorema. 1 3.3 Ejercicios 1.
Demostrar los teoremas del 1.5 al 1.15, utilizando los axiomas 1 al
6 y los teoremas 1.1 al 1.4. En los ejercicios del 2 al 10,
demostrar las afirmaciones indicadas, o establecer las igual- dades
dadas. Aplquense los axiomas 1 al 6 y los teoremas del 1.1 al 1.15.
2. -O = O. 3. 1-1 = 1. 4. El cero no tiene recproco. 5. - (a + b) =
- a-b. 6. - (a - b) = - a + b, 7. (a - b) + (b - e) = a-e. 8. Si a
; O Y b ; O, entonces (ab)-l = a-1 s. 9. - (a/b) = ( - aib) = a/( -
b) si b ; O. 10. (a/b) - (e/d) = (ad - be)/(bd) sib ; O Y d; O. 1
3.4 Axiomas de orden Este grupo de axiomas se refiere a un concepto
por el que se establece una ordenacin entre los nmeros reales. Segn
esta ordenacin se puede decidir si un nmero real es mayor o menor
que otro. Se introducen aqu las propiedades de orden, como un
conjunto de axiomas referentes al nuevo concepto primitivo de
positivo, para definir despus los conceptos de mayor que y menor
que a partir del de positivo. Supondremos que existe un cierto
subconjunto R+ e R, llamado conjunto de nmeros positivos, que
satisfacen los tres axiomas de orden siguientes: AXIOMA 7. Si x e y
pertenecen a R+, lo mismo ocurre a x+y y xy. AXIOMA 8. Para todo
real x # O, o X E R+ o -x E R+, pero no ambos. AXIOMA 9. O rf: R+.
Ahora se pueden definir los smbolos , ~, y ~ llamados
respectivamente menor que, mayor que, igual o menor que, e igual o
mayor que, de la manera siguiente: xx significa que x O si y slo si
x es POSItIVO. Si x < O se dice que x es negativo; si x 2 O se
dice que x es no negativo. El par de desigualda- des simultneas x
< y, y < z se escriben frecuentemente en la forma ms breve x
< < y < z; interpretaciones anlogas se dan a las
desigualdades compuestas x :5 y < z, x < y :5 z, X :5 Y :5 z,
De los axiomas de orden se pueden deducir todas las reglas usuales
de clculo con' desigualdades, las ms importantes de las cuales se
dan a continuacin como teoremas. TEOREMA 1.16. PROPIEDAD DE
TRICOTOMA. Para a y b nmeros reales cualesquiera se verifica una y
slo una de las tres relaciones a < b, b < a, a = b, TEOREMA
1.17. PROPIEDAD TRANSITIVA. Si a < b y b < e, es a < c.
TEOREMA 1.18. Si a < b es a + e < b + c. TEOREMA 1.19. Si a
< b y e > O es ac < be. TEOREMA 1.20. Si a =1= O es a2
> O. TEOREMA 1.21. 1 > O. TEOREMA 1.22. Si a < b y e <
O,es ae > be. TEOREMA 1.23. Si a < b, es -a > - b, En
particular si a < O,es - a > O. TEOREMA 1.24. Si ab > O
entonces a y b son o ambos positivos o ambos negativos. TEOREMA
1.25. Si a < e y b < d,entonees a + b < e + d. Tambin aqu
se demostrarn slo algunos de estos teoremas, como ejemplo de cmo se
procede en la demostracin. Los dems se dejan como ejercicio al
lector. Demostracin de 1.16. Sea x = b - a. Si x = O, entonces b -
a = a- b = O y, por tanto, en virtud del axioma 9 no puede ser ni a
> b ni b > a. 47. 26 Introduccin Si x =1= O, el axioma 8
afirma que o x > O o x < O, pero no ambos; por consi-
guiente, o es a < b o es b < a, pero no ambos. Por tanto se
verifica una y slo una de las tres relaciones a = b, a < b, b
< a. Demostracin de 1.17. Si a < by b < c, entonces b - a
> O y e - b > O. En virtud del axioma 7 se puede sumar
obtenindose (b - a) + (c - b) > o. Es decir, e - a > O, y por
tanto, a < c. Demostracin de 1.18. Sea x = a + e, y = b + c.
Entonces y - x = b - a. Pero b - a> O, por tanto, a < b. De
donde y - x > O, lo que significa x < y. Demostracin de 1.19.
Si a < b entonces b - a > O. Si c> O en virtud del axioma
7, se puede multiplicar e por (b - a) obtenindose (b - a) e > o.
Pero (b - a)c = be - ac, por tanto, be - ac > O y esto significa
be > ac como se quera demostrar. Demostracin de 1.20. Si a>
O, en virtud del axioma 7 a- a > o. Si a < O, entonces - a
> O y, por tanto, (- a) (- a) > O en virtud del axioma 7. En
ambos casos se tiene a2 > O. Demostracin de 1.21. Aplicando el
teorema 1.20 al caso a = 1. *1 3.5 Ejercicios 1. Demostrar los
teoremas 1.22 al 1.25 utilizando los teoremas anteriores y los
axiomas del 1 al 9. En los ejercicios del 2 al 10 demostrar las
proposiciones y establecer las desigualdades dadas. Se pueden
utilizar los axiomas del 1 al 9 y los teoremas del 1. 1 al 1.25. 2.
No existe ningn nmero real tal que x2 + 1 = O. 3. La suma de dos
nmeros negativos es un nmero negativo. 4. Si a > O; tambin
l/a> O; si a < O, entonces l/a < O. 5. Si O < a < b,
entonces, O < b-l < a-l. 6. Si a :$ b Y b -s e, es a :$ c. 7.
Si a :$ b Y b s: c y a = c, entonces b = c. 8. Para nmeros reales a
y b cualesquiera, se tiene a2 + b2 ~ O. Si ab ~ 0, entonces es a2 +
b2 > O. 9. No existe ningn nmero real a tal que x :$ a para todo
real x. 10. Si x tiene la propiedad que O :$ x < h para cada
nmero real positivo h, entonces x = O. 1 3.6 Nmeros enteros y
racionales Hay ciertos subconjuntos de R que se distinguen porque
tienen propiedades especiales de que no gozan todos los nmeros
reales. En esta Seccin se discutirn dos de estos subconjuntos, los
nmeros enteros y los nmeros racionales. 48. N meros enteros y
racionales 27 Para introducir los enteros POSItiVOSse empieza con
el nmero 1, cuya existencia queda asegurada por el axioma 4. El
nmero 1 + 1 se representa por 2, el 2 + 1 por 3, y as
sucesivamente. Los nmeros 1, 2, 3, ... , obtenidos de este modo por
la adicin repetida del 1 son todos positivos, y se llaman enteros
positivos. En rigor, esta descripcin de los enteros positivos no es
del todo precisa pues no hemos explicado con detalle lo que
entendemos por y as sucesivamente o por adicin repetida del 1. Si
bien la significacin intuitiva puede parecer clara, en un estudio
cuidadoso del sistema de los nmeros reales es necesario dar una
definicin ms precisa de los enteros positivos. Hay varios modos de
hacerlo. Un mtodo consiste en introducir primero la nocin de
conjunto inductivo. DEFINICIN DE CONJUNTO INDUCTIVO. Un conjunto de
nmeros reales se de- nomina conjunto inductivo si tiene las
propiedades siguientes: a) El nmero 1 pertenece al conjunto. b)
Para todo x en el conjunto, el nmero x + 1 pertenece tambin al
conjunto. Por ejemplo, R es un conjunto inductivo. Tambin lo es el
conjunto R+. Definire- mos los enteros positivos como aquellos
nmeros reales que pertenecen a todo conjunto inductivo. DEFINICIN
DE ENTEROS POSITIVOS. Un nmero real se llama entero positivo si
pertenece a todo conjunto inductivo. Sea P el conjunto de todos los
enteros positivos. Es un conjunto inductivo ya que a) contiene el
1, y b) contiene a x + 1 siempre que contenga x. Puesto que los
elementos de P pertenecen a todo conjunto inductivo, nos
referiremos a P como el menor conjunto inductivo. Esta propiedad
del conjunto P constituye la base lgica para un tipo de
razonamiento que los matemticos denominan demos- tracin por
induccin, que se expone con detalle en la parte 4 de esta
Introduccin. Los opuestos de los enteros positivos se llaman
enteros negativos. Los enteros positivos junto con los enteros
negativos y el O (cero), constituyen un conjunto Z que se llama
simplemente conjunto de los enteros. En un estudio completo del
sistema de los nmeros reales, sera necesario al llegar aqu
demostrar ciertos teoremas acerca de los enteros. Por ejemplo, la
suma, la diferencia o el producto de dos enteros es un entero, pero
el cociente de dos enteros no es necesariamente entero. Sin
embargo, no entraremos en los detalles de tales demostraciones. Los
cocientes de enteros a/b (siendo b =1=O) se llaman nmeros
racionales. El conjunto de los nmeros racionales, representado por
Q, contiene a Z como subconjunto. El lector debera comprobar que Q
satisface todos los axiomas de cuerpo y de orden. Por esta razn se
dice que el conjunto de los nmeros racio- 49. 28 Introduccin nales
es un cuerpo ordenado. Los nmeros reales que no pertenecen a Q se
llaman irracionales. I 3.7 Interpretacin geomtrica de los nmeros
reales como puntos de una recta Sin duda que el lector debe estar
familiarizado con la representacin de los nmeros reales por medio
de los puntos de una recta. Se elige un punto para representar el O
y otro a la derecha del O para representar el 1, como se indica en
la figura 1.7. Esta eleccin determina la escala. Si se adopta un
conjunto de axiomas apropiados para la Geometra eucldea, cada nmero
real corresponde a uno y slo un punto de la recta y, recprocamente,
cada punto de la recta a un nmero real y slo uno. Por esta razn la
recta se denomina frecuentemente recta real o eje real, y es
costumbre utilizar las palabras nmero real y punto como sinnimos.
Por eso se dice muchas veces el punto x en vez del punto corres-
pondiente al nmero real x. La relacin de orden entre los nmeros
reales tiene una interpretacin geom- trica simple. Si x < y, el
punto x est a la izquierda del punto y, como se ve en la figura
1.7. Los nmeros positivos estn a la derecha del O y los negativos a
la izquierda del O. Si a < b, un punto x satisface las
desigualdades a < x < b, si y slo si x est entre a y b, Esta
posibilidad de representar geomtricamente los nmeros reales es un
auxiliar poderoso, pues permite descubrir y comprender mejor
ciertas propiedades de los nmeros reales. Aunque el lector debe
observar que todas las propiedades de los 'nmeros reales que se han
dado como teoremas deben deducirse de los axiomas sin ninguna
referencia geomtrica, esto no prejuzga que no deba hacerse uso de
la Geometra en el estudio de las propiedades de los nmeros reales.
Por el contrario, la Geometra sugiere a menudo el mtodo de
demostracin para un teorema particular, y algunas veces un
argumento geomtrico es ms sugestivo que la demostracin puramente
analtica (dependiente exclusivamente de los axio- mas del nmero
real). En este libro, se utiliza con frecuencia la intuicin geom- I
I I I O I x y FIGURA 1.7 Nmeros reales representados geomtricamente
en una lnea trica para aclarar determinadas cuestiones o para
inducir a discusiones de otras. No obstante, las demostraciones de
todos los teoremas importantes se presentan en forma analtica. I
3.8 Cota superior de un conjunto. elemento mximo, extremo superior
Los nueve axiomas expuestos hasta ahora contienen todas las
propiedades de los nmeros reales estudiados ordinariamente en
lgebra elemental. Hay otro 50. Cota superior de un conjunto 29
axioma de importancia fundamental en el Clculo que de ordinario no
se estudia en los cursos de Algebra elemental. Este axioma (u otro
equivalente) es necesario para establecer la existencia del nmero
irracional. En Algebra elemental se presentan nmeros irracionales
cuando se trata de resolver ciertas ecuaciones cuadrticas. Por
ejemplo, se desea tener un nmero real x tal que x2 = 2. A partir de
los nueve axiomas anteriores no se puede probar que exista un x en
el sistema de los nmeros reales que verifique tal ecuacin, ya que
estos nueve axiomas son satisfechos tambin por los nmeros
racionales y no hay ningn nmero racional cuyo cuadrado sea 2. (En
el Ejercicio 11 de la Sec- cin 13.12 se esboza una demostracin de
esta afirmacin.) El axioma 10 permite introducir nmeros
irracionales en el sistema de los nmeros reales. Se ver tambin que
atribuye al conjunto de los nmeros reales una propiedad de conti-
nuidad que es especialmente importante en el estudio del Clculo.
Antes de exponer el axioma 10, conviene introducir alguna
terminologa y notacin especiales. Sea S un conjunto no vaco de
nmeros reales y supongamos que existe un nmero B tal que x~B para
todo x de S. Entonces se dice que S est acotado superiormente por
B. El n- mero B se denomina una cota superior para S. Decimos una
cota superior debido a que todo nmero mayor que B tambin es una
cota superior. Si una cota supe- rior B pertenece tambin aS,
entonces B se llama el elemento mximo de S. A lo sumo puede existir
un B que sea elemento mximo. Si existe, se escribe B = maxS. As
que, B = max S si B E S Y x ~ B para todo x de S. Un conjunto sin
cota su- perior se dice que es no acotado superiormente. Los
ejemplos que siguen ilustran el significado de estas
denominaciones. EJEMPLO 1. Sea S el conjunto de todos los nmeros
reales positivos. Es un conjunto no acotado superiormente. No tiene
cotas superiores ni elemento mximo. EJEMPLO 2. Sea S el conjunto de
todos los nmeros reales x tales que O .~ x ~ 1. Este conjunto est
acotado superiormente por el 1. Su elemento mxi- mo es el 1.
EJEMPLO 3. Sea T el conjunto de todos los nmeros reales x tales que
O ::::;;x < 1. Es parecido al conjunto del ejemplo 2 salvo que
el punto 1 no est incluido. Este conjunto est acotado superiormente
por el 1 pero no tiene elemen- to mximo. 51. 30 1ntroduccin Algunos
conjuntos, parecidos al del ejemplo 3, estn acotados superiormente
pero no tienen mximo. Para ellos existe un concepto que sustituye
al del mximo. Este se llama extremo superior del conjunto y se
define como sigue: DEFINICIN DE EXTREMO SUPERIOR. Un nmero B se
denomina extremo su- perior de un conjunto no vaco S si B tiene las
dos propiedades siguientes: a) B es una cota superior de S. b)
Ningn nmero menor que B es cota superior para S. Si S tiene mximo,
ste es tambin extremo superior de S. Pero si S no posee mximo,
puede tener extremo superior. En el ejemplo 3 precedente, el nmero
1 es extremo superior para T si bien T no tiene mximo. (Ver figura
1.8.) cotas superiores de T / 1~/////////////// extremo superior de
T O S / cotas superiores de S / .~1"" O T / mximo de S a) S tiene
mximo: maxS=l b) T no tiene mximo, pero s extremo superior: sup T =
1 FIGURA 1.8 Cotas superiores, mximo y extremo superior. TEOREMA
1.26. Dos nmeros distintos no pueden ser extremos superiores para
el mismo conjunto. Demostracin. Sean B y e dos extremos superiores
para un conjunto S. La propiedad b) implica que e ~ B puesto que B
es extremo superior; anloga- mente, B e ya que e es extremo
superior. Luego, tenemos B = C. Este teorema nos expresa que si
existe extremo superior para un conjunto S, hay solamente unoy
puede decirse el extremo superior. Con frecuencia se emplea el
trmino supremo de un conjunto en vez de extremo superior utilizando
la abreviatura sup, escribiendo entonces: B = sup S. 1 3.9 Axioma
del extremo superior (axioma de completitud) Podemos ahora
establecer el axioma del extremo superior para el sistema de nmeros
reales. 52. Axioma del extremo superior 31 AXIOMA 10. Todo conjunto
no vaco S de nmeros reales acotado superior- mente posee extremo
superior; esto es, existe un nmero real B tal que B = sup S.
Insistamos una vez ms en que el extremo superior de S no pertenece
nece- sariamente a S. En realidad sup S pertenece a S si y slo si S
posee mximo, en cuyo caso max S = sup S. Las definiciones de cota
inferior, acotado inferiormente, mnimo, se formulan en forma
parecida. El lector debera hacerlo como ejercicio. Si S tiene
mnimo, se expresa poniendo min S. Un nmero L se llama extremo
inferior (o nfimo) de S si a) L es una cota inferior para S, y b)
ningn nmero mayor que L es cota inferior para S. El extre- mo
inferior de S, cuando existe, es nico y se designa por inf S. Si S
posee mnimo, entonces min S = inf S. Con el axioma 10, se puede
demostrar el siguiente TEOREMA 1.27. Todo conjunto no vaco S
acotado inferiormente posee extre- mo inferior; esto es, existe un
nmero real L tal que L = inf S. Demostracin. Sea - S el conjunto de
los nmeros opuestos de los de S. Entonces -S es no vaco y acotado
superiormente. El axioma 10 nos dice que existe un nmero B que es
extremo superior de -S. Es fcil ver que - B = inf S. Consideremos
una vez ms los ejemplos de la Seccin anterior. En el ejem- plo 1,
el conjunto de todos los nmeros reales positivos, tiene el O como
extremo inferior. Ese conjunto no tiene mnimo. En los ejemplos 2 y
3, el O es el mnimo. En todos esos ejemplos resulta fcil decidir si
el conjunto S es o no acotado superior o inferiormente, y tambin es
fcil determinar los nmeros sup S e inf S. El ejemplo siguiente
muestra que averiguar la existencia de las cotas superior o
inferior puede resultar difcil. EJEMPLO 4. Sea S el conjunto de
todos los nmeros de la forma (l + l/n)n, donde n = 1, 2, 3, ....
Si, por ejemplo, hacemos n = 1,2, Y 3, encontramos que los nmeros
2,L y .~.~pertenecen a S. Todo nmero del conjunto es mayor que 1,
con lo que el conjunto est acotado inferiormente y por tanto tiene
un extremo inferior. Con un pequeo esfuerzo podemos probar que 2 es
el menor elemento de S de modo que inf S = min S = 2. Tambin el
conjunto S est acotado supe- riormente, aunque no es tan fcil
demostrarlo. (Intntese!) Una vez sabido que S est acotado
superiormente, el axioma 10 nos asegura la existencia del extremo
superior de S. En este caso no resulta fcil determinar el valor del
extremo superior de S a partir de la definicin de este conjunto. En
un prximo captulo veremos que el sup S es un nmero irracional
aproximadamente igual a 2,718. Es un n- mero importante en Clculo
llamado nmero de Euler o nmero e. 53. 32 Introduccin 1 3.10 La
propiedad arquimediana del sistema de los nmeros reales Esta Seccin
contiene algunas propiedades importantes del sistema de los nmeros
reales que son consecuencia del axioma del extremo superior.
TEOREMA 1.28. El conjunto P de los enteros positivos 1, 2, 3, ., .
no est acotado superiormente. Demostracin. Supngase P acotado
superiormente. Demostraremos que esto nos conduce a una
contradiccin. Puesto que P no es vaco, el axioma 10 nos dice que P
tiene extremo superior, sea ste b. El nmero b - 1, siendo menor que
b, no puede ser cota superior de P. Luego, existe un mnimo entero
positivo n tal que n > b - 1. Para este n tenemos n + 1 > b.
Puesto que n + 1 pertenece a P, esto contradice el que 'b sea una
cota superior para P. Como corolarios del teorema 1.28, se obtienen
inmediatamente las conse- cuencias siguientes: TEOREMA 1.29. Para
cada real x existe un entero positivo n tal que n > x.
Demostracin, Si no fuera as, x sera una cota superior de P, en
contra- diccin con el teorema 1.28. TEOREMA 1.30. Si x > O e y
es un nmero real arbitrario, existe un entero positivo n tal que nx
> y. Demostracin. Aplicar el teorema 1.29 cambiando x por y]. La
propiedad descrita en el teorema 1.30, se denomina frecuentemente
propiedad arquimediana del sistema de los nmeros reales.
Geomtricamente signi- fica que cada segmento, tan largo como se
quiera, puede ser recubierto por un nmero finito de segmentos de
longitud positiva dada, tan pequea como se quiera. En otras
palabras, una regla corta puede medir distancias tan largas como se
quiera colocndola consecutivamente. Arqumedes, considerando sta
como una propiedad fundamental de la lnea recta, la consider como
uno de los axio- mas de la Geometra. En los siglos XIX y XX se han
construido geometras no arquimedianas en las que se prescinde de
este axioma. A partir de la propiedad arquimediana, podemos
demostrar el teorema si- guiente que nos ser til en Clculo
integral. TEOREMA 1.31. Si tres nmeros reales a, x, e y satisfacen
las desigualdades (1.14) a ::;;x ::;;a + ~ para todo entero n ~ 1,
entonces x = a. 54. Propiedades fundamentales del extremo superior
33 Demostracin. Si x > a, el teorema 1.30 nos dice que existe un
entero positivo n que satisface n(x - a) > y, en contradiccin
con (1.14). Luego no puede ser x > a, con lo que deber ser x =
a. 1 3.11 Propiedades fundamentales del extremo superior En esta
Seccin se consideran tres propiedades fundamentales de los extremos
superior e inferior que se utilizarn en lo sucesivo. La primera de
ellas establece que todo conjunto de nmeros con extremo superior
contiene nmeros tan prxi- mos como se quiera a dicho extremo; del
mismo modo, un conjunto con extremo inferior contiene nmeros tan
prximos a l como se quiera. TEOREMA 1.32. Sea h un nmero positivo
dado y S un conjunto de nme- ros reales. a) Si S tiene extremo
superior, para un cierto x de S se tiene x> sup S - h. b) Si S
tiene extremo inferior, para un cierto x de S se tiene x < inf S
+ h. Demostracin de a). Si es x ~ sup S - h para todo x de S,
entonces sup S - h sera una cota superior de S menor que su extremo
superior. Por con- siguiente debe ser x > sup S - h por lo menos
para un x de S. Esto demuestra a). La demostracin de b) es
parecida. TEOREMA 1.33. PROPIEDAD ADITIVA. Dados dos subconjuntos
no vacos A y B de R, sea e el conjunto e = {a + b Ia E A, b E B} .
a) Si A y B poseen extremo superior, entonces e tiene extremo
superior, y sup e = sup A + sup B . b) Si A Y B tienen extremo
inferior, entonces e tiene extremo inferior, e inf e = inf A + inf
B . Demostracin. Supongamos que A y B tengan extremo superior. Si e
E e, entonces e = a + b, donde a E A Y b E B. Por consiguiente e ~
sup A + sup B; 55. 34 1ntroduccin de modo que sup A + sup B es una
cota superior de C. Esto demuestra que e tiene extremo superior y
que sup e ~ sup A + sup B . Sea ahora n un entero positivo
cualquiera. Segn el teorema 1.32 (con h = 11n) existen un a en A y
un b en B tales que 1 a> sup A - , 1 b > supB - ' Sumando
estas desigualdades, se obtiene 2 a + b > sup A + sup B - , o 2
2 sup A + sup B < a + b + ~ sup e + ' puesto que a + b ~ sup C.
Por consiguiente hemos demostrado que 2 sup e ~ sup A + sup B <
sup e + para todo entero n ~ 1. En virtud del teorema 1.31, debe
ser sup e = sup A + sup B. Esto demuestra a), y la demostracin de
b) es parecida. TEOREMA 1.34. Dados dos subconjuntos no vacos S y T
de R tales que para todo s de S y todo t de T. Entonces S tiene
extremo superior, y T extremo inferior, y se verifica sup S ~ inf
T. Demostracin. Cada t de T es cota superior para S. Por
consiguiente S tiene extremo superior que satisface la desigualdad
sup S ~ t para todo t de T. Luego sup S es una cota inferior para
T, con lo cual T tiene extremo inferior que no puede ser menor que
sup S. Dicho de otro modo, se tiene sup S ~ inf T,como se afirm. *1
3.12 Ejercicios 1. Si x e y son nmeros reales cualesquiera, x <
y, demostrar que existe por lo menos un nmero real z tal que x <
z < y. 56. Existencia de races cuadradas de los nmeros reales no
negativos 35 2. Si x es un nmero real arbitrario, probar que
existen enteros m y n tales que m < x < n. 3. Si x > O,
demostrar que existe un entero positivo n tal que l/n < x. 4. Si
x es un nmero real arbitrario, demostrar que existe un entero n
nico que verifica las desigualdades n ::; x < n + 1. Este n se
denomina la parte entera de x y se designa por [x]. Por ejemplo,
[5] = 5, [tl = 2, r-n = - 3. 5. Si x es un nmero real arbitrario,
probar que existe un entero nico n que satisface la desigualdad n
s; x < n + 1. 6. Si x e y son nmeros reales arbitrarios, x <
y, probar que existe por lo menos un n- mero racional r tal que x
< r < y y deducir de ello que existen infinitos. Esta
propiedad se expresa diciendo que el conjunto de los nmeros
racionales es denso en el sistema de los nmeros reales. 7. Si x es
racional, x ~ O, e y es irracional, demostrar que x + y, x - y, xy,
x/y, y] son todos irracionales. 8. La suma o el producto de dos
nmeros irracionales es siempre irracional? 9. Si x e y son nmeros
reales cualesquiera, x < y, demostrar que existe por lo menos un
nmero irracional z tal que x < z < y y deducir que existen
infinitos. 10. Un entero n se llama par si n = 2m para un cierto
entero m, e impar si n + 1 es par. Demostrar las afirmaciones
siguientes: a) Un entero no puede ser a la vez par e impar. b) Todo
entero es par o es impar. e) La suma o el producto de dos enteros
pares es par. Qu se puede decir acerca de la suma o del producto de
dos enteros impares? d) Si n2 es par, tambin lo es n. Si a2 = 2b2 ,
siendo a y b enteros, entonces a y b son ambos pares. e) Todo nmero
racional puede expresarse en la forma al b, donde a y b son
enteros, uno de los cuales por lo menos es impar. 11. Demostrar que
no existe nmero racional cuyo cuadrado sea 2. [Indicacin. Utilizar
el razonamiento de reduccin al absurdo. Supngase (a/b)2 = 2, siendo
a y b enteros, uno de ellos por lo menos impar. Utilizar partes del
Ejercicio 10.] 12. La propiedad arquimediana del sistema de nmeros
reales se dedujo como consecuencia del axioma del extremo superior.
Demostrar que el conjunto de los nmeros racionales satisface la
propiedad arquimediana pero no la del extremo superior. Esto
demuestra que la propiedad arquimediana no implica el axioma del
extremo superior. ~'I3.13 Existencia de races cuadradas de los
nmeros reales no negativos Se ha visto anteriormente que la ecuacin
x2 = 2 no tiene solucin entre los nmeros racionales. Con auxilio
del axioma 1 se puede demostrar que la ecua- cin x2 = a tiene
solucin entre los nmeros reales si a :2 O. Tal x se denomina raz
cuadrada de a. En primer lugar, sin tener en cuenta el axioma 10,
se pueden hacer las siguientes consideraciones. Los nmeros
negativos no pueden tener races cuadra- das, pues si x2 = a, al ser
a un cuadrado ha de ser no negativo (en virtud del teo- rema 1.20).
Adems, si a = 0, x = Oes la nica raz cuadrada (por el; teorema
1.11). 'upngase, pues, a > O. Si x2 = a entonces x =1= Y (_X)2 =
a, por tanto, x y 57. 36 Introduccin su opuesto son ambos races
cuadradas. Pero a lo sumo tiene dos, porque si x2 = a e y2 = a,
entonces x2 = y2 Y (x + y) (x - y) = O, Y en virtud del teore- ma
1.11, o x = y o x = - y. Por tanto, si a tiene races cuadradas,
tiene exacta- mente dos. La existencia de una raz cuadrada por lo
menos se deducir posteriormente de un teorema importante de Clculo,
conocido por el teorema del valor inter- medio para las funciones
continuas, pero es instructivo ver como la existencia de la raz
cuadrada se puede probar directamente a partir del axioma 10.
TEOREMA 1.35. Cada nmero real no negativo a tiene una raz cuadrada
no negativa nica. Nota: Si a ~ O, su raz cuadrada no negativa se
indicar por a1/2 o por -V;;. Si a > O, la raz cuadrada negativa
es - a1/2 o - .ya. Demostracin. Si, a = O, entonces O es la nica
raz cuadrada. Supngase pues que a > O. Sea S el conjunto de
todos los nmeros reales positivos x tales que x2 :;;;a. Puesto que
(1 + a)2 > a, el nmero (1 + a) es una cota superior de S. Pero,
S es no vaco, pues ajO + a) pertenece a S; en efecto a2 :;;;a O +
a)2 y por tanto a2jO + a)2:;;; a. En virtud del axioma 10, S tiene
un extremo superior que se designa por b. Ntese que b~ ajO + a) Y
por tanto b > O. Existen slo tres posibilidades: b2 > a, b2
< a, b2 = a. Supngase b" > a y sea e = b - (b2 - a)j(2b) = Hb
+ ajb). Entonces O < e < b y c2 = b2 - (b2 - a) + (b2 -
a)2/(4b2) = a + (b2 - a)2/(4b2) > a .. Por tanto, e' > x2
para cada x en S, es decir, e > x para cada x en S; luego e es
una cota superior de S, y puesto que e < b se tiene una
contradiccin con el hecho de ser b el extremo superior de S. Por
tanto, la desigualdad b2 > a es imposible. Supngase b' < a.
Puesto que b > O se puede elegir un nmero positivo e tal que e
< b y tal que e < (a - b2 )j(3b). Se tiene entonces: (b + C)2
= b2 + c(2b + c) < b2 + 3bc < b2 + (a - b2) = a. Es decir, b
+ e pertenece a S. Como b + e > b, esta desigualdad est en
contradiccin con que b sea una cota superior de S. Por tanto, la
desigualdad b2 < a es imposible y slo queda como posible b2 = a.
*1 3.14 Races de orden superior. Potencias racionales El axioma del
extremo superior se puede utilizar tambin para probar la existencia
de races de orden superior. Por ejemplo, si n es un entero positivo
58. Representacin de los nmeros reales por medio de decimales 37
impar, para cada real x existe un nmero real y, y uno solo tal que
yO = x. Esta y se denomina raz n-sima de x y se indica por: (I.15)
o y=~. Si n es par, la situacin es un poco distinta. En este caso,
si x es negativo, no existe un nmero real y tal que y = x, puesto
que y O para cada nmero real y. Sin embargo, si x es positivo, se
puede probar que existe un nmero positivo y slo uno tal que y = x.
Este y se denomina la raz n-sima positiva de x y se indica por los
smbolos (1.15). Puesto que n es par, (_y)n = yn y, por tanto, cada
x > O tiene dos races n-simas reales, y y-y. Sin embargo, los
smbolos Xli y 1"; se reservan para la raz n-sima positiva. No
exponemos aqu las demostraciones de estas afirmaciones porque se
deducirn ms adelante como consecuencia del teorema del valor
intermedio para las funciones continuas (ver Seccin 3.10). Si r es
un nmero racional positivo, sea r = m/n, donde m y n son enteros
positivos, se define x' como (xm)l/n, es decir como raz n-sima de
x", siempre que sta exista. Si x 7"= O, se define x-' = l/x' con
tal que x" est definida. Partiendo de esas definiciones, es fcil
comprobar que las leyes usuales de los exponentes son vlidas para
exponentes racionales: x': x = x'+, (x")" = x'", y (xy)" = xryr. *1
3.15 Representacin de los nmeros reales por medio de decimales Un
nmero real de la forma (1.16) donde ao es un entero no negativo, y
al> a. ... , a son enteros que satisfacen O S a S 9, se escribe
corrientemente en la forma ms breve siguiente: Se dice que sta es
la representacin decimal finita de r. Por ejemplo: 1 5 - = - = 0,5
2 10 ' 1 2 -=- =0,02 50 102 29 2 5 - = 7 + - + -- = 7,25 . 4 10 102
Nmeros reales de esta clase son necesariamente racionales y todos
ellos son de la forma r = a/lO donde a es un entero. Sin embargo,
no todos los nmeros racionales pueden expresarse por medio de una
representacin decimal finita. Por ejemplo, si t se pudiera expresar
as, se tendra t = al 10 o 3a = 10 para 59. 38 Introduccin algn
entero a. Pero esto es imposible, puesto que 3 no es divisor de
ninguna potencia de 10. No obstante, cualquier nmero real x > O
puede aproximarse con un error tan pequeo como se desee por medio
de una suma de la forma (1.16) si se toma n suficientemente grande.
La razn de ello puede verse mediante el si- guiente argumento
geomtrico: si x no es entero, x est comprendido entre dos enteros
consecutivos, es decir, a < x < ao + 1. El segmento que une
ao y ao+ 1 puede subdividirse en diez partes iguales. Si x no
coincide con uno de estos puntos de subdivisin, x debe estar
comprendido entre dos de ellos. Esto da lugar a un par de
desigualdades de la forma + al < < + al + 1a - x a --- o 10 o
10' donde al es un entero (0:5: al :5: 9). Se divide ahora, el
segmento que une al al + 1 a + - y Qo + --- en diez partes iguales
(cada una de longitud 10-2 ) y 10 10 se contina el proceso. Si
despus de un nmero finito de subdivisiones, uno de los puntos
coincide con x, x es un nmero de la forma (1.16). Si no es as, el
proceso se contina indefinidamente y se engendra un conjunto de
infinitos enteros a, ac2, a3, ... En este caso se dice que x tiene
la representacin decimal infinita Despus de n subdivisiones, x
satisface las desigualdades al Un al a + 1ao + - + ... + - < x
< U + - + ... + _n__ . 10 lOn o 10 io- las cuales dan dos
aproximaciones de x, una por exceso y otra por defecto, por medio
de decimales finitos que difieren en lO-no Por tanto, se puede
lograr un grado de aproximacin deseado sin ms que tomar n
suficientemente grande. Si x = 1, es fcil comprobar que ao = O Y a;
= 3 para cada n ~ 1, Y por tanto la aproximacin decimal
correspondiente es: 1= 0,333 .... Cada nmero irracional tiene una
representacin decimal infinita. Por ejemplo, si x = V2 se pueden
calcular por tanteo tanto dgitos como se deseen de su
aproximaci_ndecimal. Pues V2 est comprendido entre 1,4 Y 1,5 ya que
(l,4)2 < 60. Representacin de los nmeros reales por medio de
decimales 39 2 < (1,5)2. Anlogamente, elevando al cuadrado y
comparando con 2 se obtienen las siguientes aproximaciones
sucesivas: 1,41 < v'2 < 1,42, 1,414 < v'2 < 1,415,
1,4142 < v'2 < 1,4143 . Obsrvese que el proceso anterior
engendra una sucesin de intervalos de longitud 10-" 10-2 , 10-3 , ,
cada uno contenido en el anterior y conteniendo cada uno el punto
x. Esto es un ejemplo del llamado encaje de intervalos, con- cepto
que se utiliza algunas veces como base para construir los nmeros
irra- cionales a partir de los racionales. Puesto que en este libro
se har poco uso de los decimales, no se estudiarn sus propiedades
con todo detalle, y slo se ver cmo se pueden definir analtica-
mente expresiones decimales, con auxilio del axioma del extremo
superior. Si x es un nmero real positivo dado, sea a el mayor
entero j; x. Toma- do a., sea al el mayor entero tal que: al ao + -
< x. 10- En general, determinados a, al' ... , an-l, sea a; el
mayor entero tal que (I.17) Sea S el conjunto de todos los nmeros:
(1.l8) obtenidos de esta forma para n = O, 1, 2, . " . Puesto que S
es no vaco y aco- tado superiormente, tiene un extremo superior que
es fcil comprobar que coin- cide con x. Los enteros ao, al' a2, as
obtenidos se pueden utilizar para definir una expresin decimal de
x, poniendo: donde el dgito a; que ocupa el lugar n es el mayor
entero que satisface (1.17). Por tanto, se puede escribir: t =
0,125000 .... Si en (1.17) se sustituye el signo de desigualdad j;
por : 1. 9. Demustrese por induccin la proposicin siguiente: Dado
un segmento de longitud unidad, el segmento de longitud yr,; se
puede construir con regla y comps para cada entero positivo n. 10.
Sea b un entero positivo. Demostrar por induccin la proposicin
siguiente: Para cada entero n ;::: O existen enteros no negativos q
y r tales que: n = qb + r, O~r 1 y los nicos divisores de n son 1 y
n. Demos- trar por induccin que cada entero n > 1 es o primo o
producto de primos. 12. Explquese el error en la siguiente
demostracin por induccin. Proposicin. Dado un conjunto de n nias
rubias, si por 10 menos una de las nias tiene ojos azules, entonces
las n nias tienen ojos azules. Demostracin . La proposicin es
evidentemente cierta si n = 1. El paso de k a k + 1 se puede
ilustrar pasando de n = 3 a n = 4. Supngase para ello que la pro-
posicin es cierta para n = 3 Y sean 01' 02' 03' 04' cuatro nias
rubias tales que una de ellas, por lo menos, tenga ojos azules, por
ejemplo, la 01' Tomando 1,02' 03' con- juntamente y haciendo uso de
la proposicin cierta para n = 3, resulta que tambin 02 y 03 tienen
ojos azules. Repitiendo el proceso con 01' 02 Y 04' se encuentra
igualmente que 4 tiene ojos azules. Es decir, las cuatro tienen
ojos azules. Un razonamiento an- logo permite el paso de k a k + 1
en general. Corolario. Todas las nias rubias tienen ojos azules.
Demostracin. Puesto que efectivamente existe una nia rubia con ojos
azules, se puede aplicar el resultado precedente al conjunto
formado por todas las nias rubias. Nota: Este ejemplo es debido a
G. Plya, quien sugiere que el lector compruebe experimentalmente la
validez de la proposicin. *1 4.5 Demostracin del principio de buena
ordenacin En esta Seccin se deduce el principio de buena ordenacin
del de induccin. Sea T una coleccin no vaca de enteros positivos.
Queremos demostrar que 67. 46 Introduccin T tiene un nmero que es
el menor, esto es, que hay en T un entero positivo t.; tal que to
::;; t para todo t de T. Supongamos que no fuera as. Demostraremos
que esto nos conduce a una contradiccin. El entero 1 no puede
pertenecer a T (de otro modo l sera el menor nmero de T).
Designemos con S la coleccin de todos los enteros posi- tivos n
tales que n < t para todo t de T. Por tanto 1 pertenece a S
porque 1 < t para todo t de T. Seguidamente, sea k un entero
positivo de S. Entonces k < t para todo t de T. Demostraremos
que k + 1 tambin es de S. Si no fuera as, entonces para un cierto
t, de T tendramos ti ::;; k + 1. Puesto que T no posee nmero mnimo,
hay un entero t2 en T tal que t2 < ti' Y por tanto t2 < k +
1. Pero esto significa que t2 ::;; k, en contradiccin con el hecho
de que k < t para todo t de T. Por tanto k + 1 pertenece a S.
Segn el principio de induccin, S contiene todos los enteros
positivos. Puesto que T es no vaco, existe un entero positivo t en
T. Pero este t debe ser tambin de S (ya que S contiene todos los
enteros positivos). De la definicin de S resulta que t < t, lo
cual es absurdo. Por consiguiente, la hiptesis de que T no posee un
nmero mnimo nos lleva a una contradiccin. Resulta pues que T debe
tener un nmero mnimo, y a su vez esto prueba que el principio de
buena ordenacin es una consecuencia del de induccin. 1 4.6 El
smbolo sumatorio En el clculo del rea de un segmento parablico,
aparece la suma (1.