Cálculo UNO

Invertibilidad de funciones

Introducción

El Teorema del Valor Intermedio

Teorema

Teorema del valor intermedio

Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua en todo \([a,b]\). Si \(x_1< x_2\) son dos puntos en \([a,b]\), tales que \(f(x_1) \ne f(x_2)\) entonces todo valor entre \(f(x_1)\) y \(f(x_2)\) es alcanzado \(f\), en el intervalo \((x_1,x_2)\). Es decir, para todo número \(y\) entre \(f(x_1)\) y \(f(x_2)\) existe \(x \in (x_1,x_2)\), tal que \(f(x)=y\).

Sugerencia: si \(f(x_1)< f(x_2)\) y \(y\in (f(x_1),f(x_2))\), considera \(g(x)=f(x)-y\). Aplica el Teorema de Bolzano a \(g\).

Ejercicio

Existencia de raíces \(n\)-ésimas

Si \(n\in \mathbb{Z}^+\) y si \(a>0\), existe un y sólo un \(b \in \mathbb{R^+}\) que satisface \(b^n=a\).

Sugerencia: Para la existencia, aplica el teorema del valor intermedio y el hecho de que \(\lim_{x\to +\infty} x^n=+\infty\), para todo \(n\). Para la unicidad usa Ejercicio 1.18.

Ejercicio

Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua en \([a,b]\). Demuestra:
  1. Si \(f\) es monótona creciete en \([a,b]\) entonces \[ \{ f(x) :x\in [a,b]\}=[f(a), f(b)] \]
  2. Si \(f\) es monótona decreciete en \([a,b]\) entonces \[ \{ f(x) :x\in [a,b]\}=[f(b), f(a)] \]
Sugerencia: usa el Teorema del Valor Intermedio.

Definición

Sea \(f: D\to \mathbb{R}\) y \(E \subseteq \mathbb{R}\). Decimos que \(f\) es sobreyectiva a \(E\) si, para todo \(y \in E\) existe al menos un \(x\in D\) tal que \(f(x)=y\). Por ejemplo, por el ejercicio anterior, si \(f:[a,b] \to \mathbb{R}\) es monótona creciente entonces \(f\) es sobreyectiva a \([f(a),f(b)]\). Nota que en este caso podemos escribir \(f:[a,b] \to [f(a),f(b)]\).

Ejercicio

Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua y estrictamente creciente en \([a,b]\). Recuerda que por el Ejercicio 19.5 podemos considerar a la misma función con contradominio \(f:[a,b]\to [f(a),f(b)]\). Demuestra que existe \(\tilde{f}:[f(a),f(b)] \to [a,b]\) tal que \(\tilde{f}(f(x))=x\) para todo \(x\in [a,b]\) y \(f(\tilde{f}(y))=y\) para todo \(y\in [f(a),f(b)]\).

Definición

Sea \(f:D \to D'\) una función. Decimos que \(f\) es invertible si existe \(\tilde{f}: D' \to D\) que satisface
  1. \(\tilde{f}(f(x))=x\), para todo \(x\in D\);
  2. \(f(\tilde{f}(y))=y\), para todo \(y\in D'\).
Por ejemplo, el Ejercicio 19.7 dice que toda función continua y estrictamente creciente tiene una inversa.

Ejercicio

Sea \(f:[a,b]\to \mathbb{R}\) una función continua y estrictamente creciente. Sea \(\tilde{f}:[f(a),f(b)] \to \mathbb{R}\) su inversa (ver Ejercicio). Demuestra:
  1. \(\tilde{f}\) es estrictamente creciente. Sugerencia: Sean \(y_1,y_2 \in [f(a),f(b)]\) con \(y_1 < y_2\). Toma \(x_1,x_2 \in [a,b]\) con \(f(x_i)=y_i\), \(i=1,2\). Por contradicción prueba que \(x_1 < x_2\).
  2. \(\tilde{f}\) es continua en \([f(a),f(b)]\). Sugerencia: Sean \(y_0 \in [f(a),f(b)]\) y \(\varepsilon>0\). Para encontrar la \(\delta >0\) de la continuidad considera \(\min\{ f(x_0)-f(x_0-\varepsilon),F( x_0+\varepsilon)-f(x_0) \}\), donde \(x_0\in [a,b]\) es el único punto que satisface \(f(x_0)=y_0\).

Ejercicio

Sea \(f:D\to D'\) una función invertible, con inversa \(\tilde{f}:D' \to D\). Demuestra \[ (x,y)\in \textrm{Gráfica}(f) \Leftrightarrow (y,x)\in \textrm{Gráfica}(\tilde{f}). \]

Ejercicio

Sea \(h:[a,b] \to \mathbb{R}\) una función.
  1. Demuestra que \(h\) es estrictamente creciente si y sólo si toda recta secante a \(\textrm{Gráfica}(h)\) tiene pendiente positiva.
  2. Supon que \(h\) es continua y estrictamente creciente en \([a,b]\). Usa el inciso anteror y el Ejercicio 19.10 para probar que la función inversa de \(h\) también es estrictamente creciente.

Ejercicio

Sea \(h:[a,b] \to \mathbb{R}\) una función monótona creciente. Sea \(x_0\in (a,b)\) un punto fijo y arbitrario. Demuestra que ambos límites laterales \(\lim_{x\to x_0^+}f(x)\) y \(\lim_{x\to x_0^-}f(x)\) existen. Sugerencia: Demuestra \[ \lim_{x\to x_0^-}f(x)=\sup\{ f(x): x< x_0 \}, \quad \lim_{x\to x_0^+}f(x) = \inf\{ f(x): x_0 < x\} \]

Ejercicio

Considera \(f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\) dada por \(f(x)=mx+b\), \(m\ne 0\). Demuestra que existe \(\tilde{f}:\mathbb{R} \to \mathbb{R}\) la función inversa de \(f\). Sugerencia: despeja \(x\) en \(y=mx+b\).

Ejercicio

Sea \(f:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\) una función invertible. Define la función \(h(x)=mf(x)+b\), con \(m\ne 0\). Demuestra que \(h\) es invertible.