Um Curso de Cálculo, Volume 4

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 30 de 93

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Um Curso de Cálculo, Volume 4

7.5 Exemplo de função que é contínua em ℝ, mas que não é derivável em nenhum ponto de ℝ

d) Prove que, para todo x no domínio de f,

 

7.5. EXEMPLO DE FUNÇÃO QUE É CONTÍNUA EM

, MAS QUE NÃO É DERIVÁVEL EM NENHUM

PONTO DE

Seja g: → a função que satisfaz as condições:

 

b) para todo x ∈ , g (x + 2) = g (x).

A condição b nos diz que g é periódica, com período 2. Observe que, para todo x, |g (x)| ≤ 1.

 

Para cada natural n, seja

Assim,

 

f (x) = g (x); 0

 

Faça você o gráfico de f + f + f e imagine os gráficos de f + f + f + ... + 0 1 2 0 1 2 f , para n ≥ 3. n

Nosso objetivo a seguir é provar que a função f dada por

 

é contínua em , mas não derivável em nenhum ponto de . Para todo x real e para todo natural n,

 

Como é convergente (série geométrica com razão < 1), segue do

critério M de Weierstrass que a série

é uniformemente convergente em e como, para cada n,

 

é contínua em , resulta que a função

 

é contínua em .

Seja, agora, x ∈ . Para cada natural m, existe um inteiro k tal que

k ≤ 4 mx ≤ k + 1.

Daí,

k4−m −m ≤ x ≤ (k + 1)4 .

Sejam α = k4−m e β = (k + 1)4−m. De β − α = 4−m resulta m m m m

 

Mas, para todo m, α ≤ x ≤ β ; logo, m m

 

Vamos provar a seguir que

o que mostra que f não é derivável em x. (Se f fosse derivável em x, deveríamos ter

 

Confira!) Temos

 

Para n > m,

4n β − 4 α = 4 (β − α ) = 4 , n n n − m

m m m m

que é múltiplo de 4; daí

g (4n n β ) − g (4 α ) = 0,

m m

pois g é periódica com período 2. Para n = m,

4n β = k + 1 e 4 α = k, n

m m

daí

|g(4 n β ) − g(4 α )| = 1. n

m m

Para n < m, não existe inteiro entre| 4 n n β e 4 α (verifique); logo,

m m

|g(4 n n n − m β ) − g(4 α )| = 4. (Pense!)

m m

Segue que

 

daí

 

Do que vimos acima resulta

 

ou seja,

 

Como

 

resulta

 

e daí

Como β −m − α = 4, resulta

m m

 

Logo,