Um Curso de Cálculo, Volume 1

Hamilton Luiz Guidorizzi · Capítulo 94 de 111

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Um Curso de Cálculo, Volume 1

Apêndice C Demonstrações do Teorema da Seção 6.1 e da Propriedade (7) da Seção 2.2

C.1 Demonstração do Teorema da Seção 6.1

 

Lema 1. Seja a > 1 um real dado. Então, para todo ε > 0, existe um natural n tal que

 

Demonstração

 

Pelo binômio de Newton (veja Seção 17.2), para todo natural n ≥ 1

(1 + n ε ) ≥ 1 + nε.

Tomando-se n tal que 1 + nε > a resulta

(1 + n ε ) > a

ou

 

e, portanto,

■

 

Lema 2. Sejam a > 1 e x dois reais dados. Então, para todo ε > 0, existem racionais r e s,

com r < x < s, tais que

a s r − a < ε.

 

Demonstração

 

Inicialmente, tomemos um t > x, t racional; assim, para todo racional r < x, a r t < a , pois estamos supondo a > 1. Temos

a s r r s − r − a = a ( a − 1).

Pelo lema 1, existe um natural n tal que

 

ou

Escolhamos, agora, racionais r e s, r < x < s, tais que Para

 

estes racionais

 

■

 

Lema 3. Seja a > 1 um real dado. Então, para todo x real dado, existe um único real γ tal que

a r s < γ < a

quaisquer que sejam os racionais r e s, com r < x < s.

 

Demonstração

 

Primeiro vamos provar que existe tal r γ . O conjunto { a | r racional, r < x} é não vazio e limitado superiormente por todo s a , s racional e s > x; tal conjunto admite, então, supremo que indicaremos por γ. Segue que

a r s ≤ γ ≤ a

para todo racional r < x e todo racional s > x.

Fica a seu cargo verificar que em realidade temos

a r s < γ < a quaisquer que sejam os racionais r e s, com r < x < s.

Vamos, agora, provar que tal r s γ é único. Se γ for tal que a < γ < a ,

1 1

quaisquer que sejam os racionais r e s, com r < x < s, teremos

| s r γ − γ | < a − a

1

para todo racional r < x e todo racional s > x. Segue, então, do lema 2 que

|γ − γ | < ε 1

para todo ε > 0, logo γ = γ . 1

■

Com relação ao lema anterior, observe que, se x for racional, então γ =

a x . O único γ (a que se refere o lema anterior) será indicado por f(x). Fica construída, assim, uma função r f , definida em ℝ , e tal que f ( r ) = a para todo racional r. Antes de provar a continuidade de f, provaremos que f é estritamente crescente. De fato, se x < x (x e x reais quaisquer), 1 2 1 2 teremos

 

quaisquer que sejam os racionais r , s , r e s tais que r < x < s e 1 1 2 2 1 1 1 r < x < s . Sendo s um racional, x < s < x , teremos 2 2 2 1 2

f s ( x ) < a < f(x )

1 2

o que prova que f é estritamente crescente.

Vamos provar, agora, a continuidade de f. Seja p um real qualquer. Pelo

lema 2, dado ε > 0, existem racionais r e s, com r < p < s, tais que