Γενίκευση συνέπειας του θεωρήματος Bolzano

Αν δύο συναρτήσεις f, g είναι συνεχείς σε κάποιο διάστημα Δ και f(x)≠g(x) για κάθε x∈Δ, τότε ή f(x)>g(x) για κάθε x∈Δ ή f(x)<g(x) για κάθε x∈Δ, δηλαδή θα λέγαμε ότι η γραφική παράσταση κάποιας από τις δύο συναρτήσεις “διατηρείται πάνω” από την γραφική παράσταση της άλλης στο Δ.

Διαίσθηση απόδειξης

Θεωρούμε την συνέπεια του θεωρήματος Bolzano (σ. 74 του σχολικού βιβλίου, οι χρωματικές επισημάνσεις δικές μου):

«Αν μια συνάρτηση f είναι συνεχής σε ένα διάστημα Δ και δε μηδενίζεται σ’ αυτό, τότε αυτή ή είναι θετική για κάθε x∈Δ ή είναι αρνητική για κάθε x∈Δ, δηλαδή διατηρεί πρόσημο στο διάστημα Δ»

Η τελευταία πρόταση μπορεί να διατυπωθεί ισοδύναμα ως εξής (τα ισοδύναμα τμήματα επισημαίνονται με το ίδιο χρώμα):

Έστω η συνάρτηση g για την οποία ισχύει g(x)=0 για κάθε x∈Δ. Αν μια συνάρτηση f είναι συνεχής στο Δ και f(x)≠g(x) για κάθε x∈Δ, τότε ή f(x)>g(x) για κάθε x∈Δ ή f(x)<g(x) για κάθε x∈Δ, δηλαδή η γραφική παράσταση κάποιας από τις δύο συναρτήσεις “διατηρείται πάνω” από την γραφική παράσταση της άλλης στο Δ.

Οπότε, δημιουργείται η διαίσθηση της γενίκευσης της παραπάνω συνέπειας του θεωρήματος Bolzano, θεωρώντας στην θέση της g μια οποιαδήποτε συνεχή στο Δ συνάρτηση, δηλαδή θεωρώντας το θεώρημα στην αρχή αυτής της δημοσίευσης.

Απόδειξη:

Θεωρούμε την συνάρτηση h ορισμένη στο Δ με h(x) = f(x) – g(x).

Για κάθε x∈Δ έχουμε:

f(x)≠g(x) ⇔ f(x) – g(x) ≠ 0 ⇔ h(x) ≠ 0 (1)

Ακόμη:

η h είναι συνεχής στο Δ, αφού προκύπτει από συνήθεις πράξεις μεταξύ συνεχών στο Δ συναρτήσεων (2)

Από την συνέπεια του θεωρήματος Bolzano (σχόλιο σελ. 74 σχολικού βιβλίου) λόγω των (1), (2), παίρνουμε ότι η h “διατηρεί πρόσημο” στο Δ, οπότε:

ή h(x) >0 για κάθε x∈Δ ή h(x) <0 για κάθε x∈Δ ⇔

ή f(x) – g(x) >0 για κάθε x∈Δ ή f(x) – g(x) <0 για κάθε x∈Δ⇔

ή f(x) > g(x) για κάθε x∈Δ ή f(x) < g(x) για κάθε x∈Δ ∎

Γιώργος Μπουγιούκας

Σημειώσεις πάνω στο θεώρημα Bolzano

Το θεώρημα Bolzano, σύμφωνα με την διατύπωση του σχολικού βιβλίου, είναι:

i)   Απόδειξη «σχολίου» του σχολικού βιβλίου Μαθηματικών Προσανατολισμού

Θα αποδείξουμε τον ισχυρισμό που εμφανίζεται στο σχόλιο για το θεώρημα Bolzano στο σχολικό βιβλίο στην σελίδα 74:

«Αν μια συνάρτηση f είναι συνεχής σε ένα διάστημα Δ και δε μηδενίζεται σ’ αυτό, τότε αυτή ή είναι θετική για κάθε x∈Δ ή είναι αρνητική για κάθε x∈Δ, δηλαδή διατηρεί πρόσημο στο διάστημα Δ»

Απόδειξη:

Θα δείξουμε το ζητούμενο με απαγωγή σε άτοπο.

Υποθέτουμε ότι υπάρχει συνάρτηση f συνεχής στο Δ και χωρίς να μηδενίζεται σ’ αυτό, για την οποία ισχύουν και οι δύο παρακάτω ισχυρισμοί:

f(x)>0, για κάθε x∈Δ   (1)

f(x)<0, για κάθε x∈Δ   (2)

Από τον (1), αφού το Δ δεν είναι το κενό σύνολο, συνεπάγεται ότι υπάρχει x∈Δ τέτοιο ώστε f(x)>0, ενώ από τον (2) συνεπάγεται ότι δεν υπάρχει x∈Δ τέτοιο ώστε f(x)≥0, από το οποίο συνεπάγεται ότι δεν υπάρχει x∈Δ τέτοιο ώστε f(x)>0, άτοπο.

Υποθέτουμε τώρα ότι υπάρχει συνάρτηση f συνεχής στο Δ και χωρίς να μηδενίζεται σ’ αυτό, για την οποία δεν ισχύει κανένας από τους ισχυρισμούς (1), (2), με άλλα λόγια ισχύουν και οι δύο παρακάτω ισχυρισμοί:

Υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x∈Δ τέτοιο ώστε f(x)≤0  (3)

Υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x∈Δ τέτοιο ώστε f(x)≥0  (4)

Με βάση τον (3) θεωρούμε ένα στοιχείο α του Δ με f(α)≤0, και επειδή η f από την υπόθεσή μας δεν μηδενίζεται στο Δ, συνεπάγεται f(α)<0. Με βάση τον (4) θεωρούμε ένα στοιχείο β του Δ με f(β)≥0, και επειδή η f από την υπόθεσή μας δεν μηδενίζεται στο Δ, συνεπάγεται f(β)>0. Από τα προηγούμενα συνεπάγεται ότι f(α)∙f(β)<0, αλλά και α≠β (από τον ορισμό της συνάρτησης, αφού f(α)≠f(β)). Ακόμη, η f είναι συνεχής στο [α,β], εφόσον από την υπόθεσή μας είναι συνεχής στο Δ.

Θεωρώντας ότι α<β (δεν αλλάζει κάτι ουσιαστικά στην απόδειξη αν θεωρήσουμε την άλλη επιλογή, δηλαδή α>β), από το θεώρημα Bolzano (του οποίου οι προϋποθέσεις ισχύουν για το διάστημα [α,β] από την προηγούμενη παράγραφο), παίρνουμε ότι υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x₀∈(α,β), και επομένως υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x₀∈Δ όπου η f μηδενίζεται, άτοπο, αφού με βάση την υπόθεσή μας η f δεν μηδενίζεται στο Δ.

Επομένως, για τους ισχυρισμούς (1), (2) αποδείξαμε ότι δεν μπορεί να ισχύουν και οι δύο μαζί, αλλά δεν μπορεί να μην ισχύει και κανένας, άρα ισχύει ακριβώς ένας, αυτό που έπρεπε να δείξουμε. ∎

ii) Μια άλλη συνέπεια του θεωρήματος Bolzano

Έστω μια συνάρτηση f, ορισμένη σε ένα κλειστό διάστημα [α,β]. Αν δεν υπάρχει (κανένα) x₀∈(α,β) τέτοιο ώστε f(x₀)=0 (δηλαδή αν η εξίσωση f(x)=0 δεν έχει καμία ρίζα στο (α,β)), τότε ισχύει τουλάχιστον ένας από τους παρακάτω δύο ισχυρισμούς:
– Η f δεν είναι συνεχής στο [α,β] (5)
– f(α)∙f(β)≥0 (6)

Απόδειξη*:

Θα δείξουμε το ζητούμενο με απαγωγή σε άτοπο.

Υποθέτουμε ότι ο παραπάνω ισχυρισμός δεν ισχύει. Επομένως, υπάρχει συνάρτηση f ορισμένη στο [α,β] για την οποία δεν υπάρχει (κανένα) x₀∈(α,β) τέτοιο ώστε f(x₀)=0, χωρίς όμως να ισχύει τουλάχιστον ένας από τους παραπάνω ισχυρισμούς (5), (6). Ισχύει, δηλαδή, ότι και οι δύο ισχυρισμοί (5), (6) δεν ισχύουν, με άλλα λόγια ισχύει ότι η f είναι συνεχής στο [α,β] και f(α)∙f(β)<0.

Αφού, όμως, ισχύει ότι f είναι συνεχής στο [α,β] και f(α)∙f(β)<0, από το θεώρημα Bolzano παίρνουμε ότι υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x₀∈(α,β) τέτοιο ώστε f(x₀)=0, το οποίο έρχεται σε αντίφαση με το συμπέρασμα που προκύπτει από την υπόθεσή μας σύμφωνα με το οποίο δεν υπάρχει (κανένα) x₀∈(α,β) τέτοιο ώστε f(x₀)=0. ∎

Εφαρμογή

Ισχύει ή όχι ο παρακάτω ισχυρισμός;

Αν μια συνάρτηση f ορισμένη στο [α,β] δεν μηδενίζεται στο (α, β) και επιπλέον ισχύει f(α)>0 και f(β)<0, τότε η f δεν είναι συνεχής στο [α,β].

Απάντηση:

Αφού η f δεν μηδενίζεται στο (α,β), από την ii) συνεπάγεται ότι ισχύει τουλάχιστον ένας από τους ισχυρισμούς (5), (6). Όμως, ο (6) αποκλείεται να ισχύει αφού από την υπόθεσή μας παίρνουμε ότι f(α)∙f(β)<0. Άρα, ισχύει ο (5), δηλαδή η f δεν είναι συνεχής στο [α,β]. Ο παραπάνω ισχυρισμός, επομένως, ισχύει.

---

* Η ii) προκύπτει και μέσω του νόμου της Μαθηματικής Λογικής ο οποίος είναι γνωστός ως «αντιθετοαντιστροφή» και μας λέει ότι αν p, q είναι δύο ισχυρισμοί, τότε οι παρακάτω δύο ισχυρισμοί είναι ισοδύναμοι:

• p ⇒ q
• όχι q ⇒ όχι p

Για την απόδειξη της ii) μ’ αυτόν τον τρόπο θα χρειαστούμε επιπλέον και τον ακόλουθο νόμο της Μαθηματικής Λογικής:

Η άρνηση του ισχυρισμού «ισχύει ο ισχυρισμός r₁ και (επιπλέον) ο r₂»  είναι ισοδύναμη με τον παρακάτω ισχυρισμό:

Ισχύει τουλάχιστον ένας από τους παρακάτω ισχυρισμούς:

α) δεν ισχύει ο r₁

β) δεν ισχύει ο r₂

Αυτός ο τελευταίος νόμος της Μαθηματικής Λογικής είναι γνωστός και ως ένας από τους «Νόμους De Morgan»  (ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η χρήση αυτών των νόμων και στο μάθημα της ΑΕΠΠ! – βλ. την δημοσίευση Σχετικά με το θέμα Α1 των πανελλαδικών της ΑΕΠΠ του 2017.)

Οπότε, θεωρώντας τους παρακάτω τρεις ισχυρισμούς για κάθε συνάρτηση f ορισμένη σε κάποιο [α,β],

Η f είναι συνεχής στο [α,β]  (7)

f(α)∙f(β)<0  (8)

Υπάρχει (τουλάχιστον ένα) x₀∈(α,β) τέτοιο ώστε f(x₀)=0  (9),

το θεώρημα Bolzano είναι η συνεπαγωγή, για κάθε συνάρτηση f ορισμένη σε κάποιο [α,β]:

(Ισχύει ο (7) και επιπλέον ο (8)) ⇒ (9)

Μέσω αντιθετοαντιστροφής, παίρνουμε:

όχι (9) ⇒ όχι (Ισχύει ο (7) και επιπλέον ο (8))

Και μέσω του Νόμου De Morgan:

όχι (9) ⇒ ισχύει τουλάχιστον ένας από τους (όχι (7)), (όχι (8))

Γιώργος Μπουγιούκας