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Ejercicios Resueltos (G. N. Berman)

Del texto “Problemas y Ejercicios del Análisis Matemático” (G. N. Berman, Ed. Mir, 2ª edición) vamos a resolver algunos ejercicios relativos al cálculo de dominios de funciones reales de variable real.

Ej. 48. 6) y=\frac{3}{4-x^2}+ \ln (x^3-x).

Aquí tenemos la suma de dos funciones y_1=\frac{3}{4-x^2} (algebraica) e y_2 =\ln (x^3-x) (trascendente). El dominio buscado es la intersección de los dominios de estas dos funciones. Comenzamos con y_1 y tenemos que

dom(y_1) = \{ x \in \mathbb{R} : 4-x^2 \neq 0 \}.

La solución de 4-x^2 = 0 es inmediata si la ponemos en la forma 2^2-x^2 = (2-x)(2+x)=0. Así pues,

dom(y_1) = \mathbb{R} - \{-2, 2\} =]-\infty, -2[ \cup ]-2,2[ \cup]2, +\infty[.

Recordemos que la función logaritmo neperiano ( y cualquier otro logaritmo de base diferente) tiene por dominio los reales positivos. Es decir,

dom(y_2) = \{ x \in \mathbb{R} : x^3-x >0 \}.

Ahora tenemos que resolver la inecuación x^3-x >0 y para ello necesitamos resolver la ecuación auxiliar x^3-x=0 Descomponemos en la forma

x^3-x=x (x^2-1) = x (x-1)(x+1)=0,

y obtenemos las soluciones x_1=0, x_2=-1, x_3 = 1. Utilizando estos puntos dividimos la recta real en los intervalos abiertos ]-\infty, -1[, ]-1,0[,]0,1[,]1, +\infty[ (pues la desigualdad es estricta) y estudiamos el signo del producto x(x-1)(x+1) en cada uno de ellos. Obtenemos que la solución es ]-1,0[ \cup ]1, +\infty[. Por tanto,

dom(y) = dom(y_1) \cap dom(y_2) = (]-\infty, -2[ \cup ]-2,2[ \cup ]2, +\infty[) \cap (]-1,0[ \cup ]1, +\infty[) = ]-1,0[ \cup ]1,2[ \cup ]2,+\infty[

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Una ecuación trigonométrica

Del texto de problemas “Ejercicios de Análisis”, del doctor en Ciencias J. Rivaud extraigo la siguiente ecuación trigonométrica:

\cos x - \cos (2x) = \sin (3x).

Me ha parecido adecuado resolverla porque en ella aparecen muchas cuestiones que es necesario tener en cuenta en este tipo de ecuaciones. Así puede resultar un ejercicio de gran interés. En primer lugar, se nos puede ocurrir desarrollar los valores de \cos (2x) y \sin (3x) utilizando las igualdades conocidas:

\cos(2x) = \cos^2(x)- \sin^2(x),

\sin(3x) = 3 \sin (x) \cos^2 (x) - \sin^{3} x.

Pero esto es una muy mala idea. Este desarrollo se hace largo y no se consigue nada. Primero vamos a escribir

\cos x - \cos (2x) - \sin (3x) =0, (1)

y luego debemos recordar que

\cos (A)- \cos (B) = -2 \sin (\frac{A+B}{2}) \sin (\frac{A-B}{2}).

Por tanto, la ecuación (1) queda como

-2 \sin (\frac{3x}{2}) \sin (\frac{-x}{2})- \sin (3x) = 0,

que simplificada (recordemos que \sin (-a) = -\sin a ) queda

2 \sin (\frac{3x}{2}) \sin (\frac{x}{2})- \sin (3x)=0. (2)

En este punto parece que no hemos llegado a ninguna parte. Pero basta utilizar la igualdad

\sin a = 2 \sin \frac{a}{2} \cos \frac{a}{2}

para tener

2 \sin (\frac{3x}{2}) \sin (\frac{x}{2}) - 2 \sin (\frac{3x}{2}) \cos(\frac{3x}{2}) =0.

Esta expresión se puede factorizar y esto es muy interesante. Así tenemos

2 \sin (\frac{3x}{2}) (\sin(\frac{x}{2}) -\cos (\frac{3x}{2})) =0.

Esto nos lleva a dos ecuaciones

2 \sin (\frac{3x}{2})=0, (2)

\sin(\frac{x}{2})- \cos(\frac{3x}{2}) =0. (3)

Pasamos a resolver (2). En la forma dada es inmediato que

\frac{3x}{2} = k \pi, k \in \mathbb{Z},

luego

x = \frac{2k \pi}{3}, k \in \mathbb{Z}.

Veamos ahora (3). Para simplificar utilizamos

\cos a = \sin (\frac{\pi}{2} -a).

Por tanto, quedará

\sin(\frac{x}{2} )- \sin(\frac{\pi}{2} -\frac{3x}{2}) =0. (4)

Para factorizar de nuevo usamos

\sin A - \sin B = 2 \cos (\frac{A+B}{2}) \sin (\frac{A-B}{2}).

Así pues, tenemos que (4) se expresa como

2 \cos(\frac{\pi}{4} -\frac{x}{2}) \sin(x-\frac{\pi}{4}) =0.

Es decir,

\cos(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2})  =0, (5)

\sin(x-\frac{\pi}{4}) =0. (6)

Por tanto, para (5) es

 \frac{\pi}{4}- \frac{x}{2} = (2k+1) \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z},

x = 2k \pi - \frac{\pi}{2}, k \in \mathbb{Z}

y para (6) es

x- \frac{\pi}{4} = k \pi, k \in \mathbb{Z},

x =\frac{\pi}{4} + k \pi, k \in \mathbb{Z}.

Estas son todas la soluciones posibles.

 

Un ejercicio más de E.V.

Captura de pantalla de 2015-11-28 10-54-26

Recordemos que si E y F son dos subespacios vectoriales de V, entonces el conjunto

E+F = \{ u+v: u \in E, v \in F \}

es un subespacio de V y además el más pequeño entre aquellos que incluyen a ambos. Es decir,
E \cup F \subset E+F \subset H,
para todo H subespacio de V que incluye a E y a F. En el caso de que E \cap F = \{0 \} y sólo en ese caso diremos que la suma E+F es directa y escribimos E \bigoplus F.  Por otro lado, la notación

L(S)

hace referencia a la envoltura lineal del conjunto S. Esto es, al subespacio vectorial formado por las combinaciones lineales de los elementos de S o lo que es lo mismo, al menor subespacio vectorial que incluye a S.

(a) Sean S_1 y S_2 dos subconjuntos finitos de vectores de V, linealmente independientes. Por ejemplo, si suponemos que V = \mathbb{R}^2, y definimos

S_1= \{(0,1)\}, S_2 = \{(0,1),(1,1) \}.

Tenemos que

L(S_1) = \{(0.x) : x \in \mathbb{R} \}, \quad L(S_2) = \mathbb{R}^2 ,

por lo que L(S_1) \cap L(S_2) = L(S_1) y la suma L(S_1)+L(S_2) no es directa.

(b) Si L(S_1) \bigoplus L(S_2), entonces L(S_1) \cap L(S_2) = \{0\} o lo que es lo mismo, cada vector de L(S_1) + L(S_2) se puede escribir de una sola forma como suma de un vector de L(S_1) y otro de L(S_2). En particular, si formamos la combinación lineal

\lambda_1 u_1 + \lambda_n u_n+ \mu_1 v_1+ \ldots + \mu_m v_m =0,

tenemos que

\lambda_1 u_1 + \ldots + \lambda_n v_n = -\mu_1 v_1 - \ldots - \mu_m v_m.

Es decir, tenemos un vector que pertenece a la intersección L(S_1) \cap L(S_2) por lo que será nulo. Es decir,

\lambda_1 u_1 + \ldots + \lambda_n v_n = 0,

-\mu_1 v_1 - \ldots - \mu_m v_m = 0.

Pero esto no garantiza que todos los escalares sean nulos. Sólo será posible si tanto S_1 como S_2 son linealmente independientes. Así que la afirmación (b) es falsa.

(c) Por nuestras explicaciones iniciales podemos afirmar que

L(S_1) \cup L(S_2) \subset L(S_1)+L(S_2).

Como S_1 \subset L(S_1) y S_2 \subset L(S_2) concluimos que

S_1 \cup S_2 \subset L(S_1) \cup L(S_2) \subset L(S_1)+L(S_2).

En consecuencia,

L(S_1 \cup S_2) \subset L(S_1)+ L(S_2).

Por otro lado, si z es un vector L(S_1)+L(S_2), hallaremos

u = \sum_{i=1}^{n} \lambda_i u_i, \quad v= \sum_{j=1}^{m} \mu_{j} v_j,

tales que

z = u+v = \sum_{i=1}^{n} \lambda_i u_i+\sum_{j=1}^{m} \mu_{j} v_j,

luego z \in L(S_1 \cup S_2). Esto prueba que L(S_1) + L(S_2) \subset L(S_1 \cup S_2) y la doble inclusión nos lleva a la igualdad

L(S_1 \cup S_2) =L(S_1)+ L(S_2).

Un problema de sucesiones de conjuntos

Problema: Sean A_n y B_n sucesiones de partes de un conjunto X y sea B_n \subset A_n, para todo n \geq 1. Probar que entonces \lim \inf B_n \subset \lim \inf A_n y que la misma relación de inclusión se tiene para el límite inferior.
Solución: Como resulta que B_n \subset A_n, para todo n, si definimos las sucesiones:
D_n = \cup_{k=n}^{\infty} B_k,
E_n = \cup_{k=n}^{\infty} A_k,
podemos probar por inducción que
D_n \subset E_n, para todo n. Es decir,
\lim \inf B_n = \cap_{n=1}^{\infty} D_n \subset \cap_{n=1}^{\infty} E_n = \lim \inf A_n.
El mismo razonamiento se puede aplicar para demostrar la inclusión del límite superior usando las sucesiones
H_n = \cap_{k=n}^{\infty} B_k,
J_n = \cap_{k=n}^{\infty} A_k.
Esto termina nuestro desarrollo. Ahora bien, ¿cómo utilizamos la inducción para probar que D_n \subset E_n? Pues bien, vamos a esbozar el procedimiento. En primer lugar, dado n definimos para r=1,2, \ldots:
D_{n}^{r} = \cup_{k=n}^{r} B_k,
E_{n}^{r} = \cup_{k=n}^{r} A_k.
Por hipótesis, si n es fijo
D_{n}^{r} \subset E_{n}^{r}.
Entonces,
D_{n}^{r+1} = D_{n}^{r} \cup B_{r+1} \subset E_{n}^{r} \cup A_{r+1} = E_{n}^{r+1}.
Esto significa que para cualquier r es
D_{n}^{r} \subset E_{n}^{r},
luego
D_n = D_{n}^{\infty} \subset E_{n}^{\infty} = E_n,
que es lo que queríamos probar.

Un ejercicio de inducción

Probar por inducción que n(n+1)(n+2)(n+3) es divisible por 24 (o equivalentemente que n(n+1)(n+2)(n+3) es múltiplo de 24).

Solución: Este problema no se resuelve aplicando directamente la inducción. Hay que dar un pequeño “rodeo”. Lo esencial es advertir que

24 = 4! = 4 \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1.

Si tenemos eso en mente veremos que basta probar que n(n+1) es múltiplo de 2! =2, n(n+1)(n+2) es múltiplo de 3! = 6 y n(n+1)(n+2)(n+2) es múltiplo de de 24.

Para n=1 tenemos

1 \cdot 2 =2 es múltiplo de 2.

1 \cdot 2 \cdot 3=6 es múltiplo de 6.

1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot =24 es múltiplo de 24.

La hipótesis de inducción para k es que k(k+1) es múltiplo de 2, k(k+1)(k+2) lo es de 6 y k(k+1)(k+2)(k+3) lo es de 24. Vemos que ocurre para k+1.

(k+1)(k+2) = (k+2)(k+1)=k(k+1)+ 2(k+1). Como hemos asumido que k(k+1) es múltiplo de 2, es obvio que k(k+1)+2(k+1) es un múltiplo de 2 al ser suma de múltiplos de 2.

(k+1)(k+2)(k+3) = (k+3) (k+1)(k+2)= k(k+1)(k+2)+3(k+1)(k+2). Como hemos supuesto que (k+1)(k+2) es múltiplo de 2 es obvio que 3(k+1)(k+2) es múltiplo de 6 y como k(k+1)(k+2) es múltiplo de 6, concluimos que la suma es múltiplo de seis al ser suma de dos múltiplos de este número.

(k+1)(k+2)(k+3)(k+4) = (k+4)(k+1)(k+2)(k+3) = k(k+1)(k+2)(k+3)+4(k+1)(k+2)(k+3).

De nuevo aplicando la hipótesis de inducción vemos que k(k+1)(k+2)(k+3) es múltiplo de 24. Ahora bien, como (k+1)(k+2)(k+3) es múltiplo de 6, concluimos que 4(k+1)(k+2)(k+3) es múltiplo de 24 y la suma ha de ser múltiplo de 24. Esto termina la demostración.

Ecuaciones trigonométricas (2)

Continuamos resolviendo algunas ecuaciones trigonométricas.  En este caso nos atrevemos con la siguiente:

\tan 2x -4 \sin x \cos x + 1 = 4 \sin^{2} x.

Emplearemos las fórmulas del ángulo doble y el desarrollo buscará factorizar de alguna manera la expresión. Empezaremos con la tangente del ángulo doble:

\tan 2x = \frac{ \sin 2x}{\cos 2x} = \frac{ 2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }.

Sustituimos y sacamos factor común

\frac{ 2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }-4 \sin x \cos x + 1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x) (\frac{ 1}{\cos^{2} x - \sin^{2} x }-2)+ 1 = 4 \sin^{2} x.

Operamos el paréntesis y tenemos en cuenta que $1 = \cos^{2} x + \sin^{2} x$ (identidad pitagórica),

(2 \cos x \sin x) (\frac{ 1-2\cos^{2} x +2  \sin^{2} x }{\cos^{2} x - \sin^{2} x})+ 1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{ \cos^{2} x+ \sin^{2} x-2\cos^{2} x +2  \sin^{2} x }{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) +1 = 4 \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{ + 3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x})+1 = 4 \sin^{2} x.

Pasamos el $1$ al otro miembro y volvemos a utilizar la identidad pitagórica

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 4 \sin^{2} x -1,

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 4 \sin^{2} x -\cos^{2} x - \sin^{2} x,

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) = 3 \sin^{2} x -\cos^{2} x.

En este punto identificamos un factor común en ambos miembros: 3\sin^{2} x-\cos^{2} x. Por tanto, tenemos

(2 \cos x \sin x)(\frac{  3\sin^{2} x-\cos^{2} x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x}) - 3 \sin^{2} x -\cos^{2} x =0,

( 3\sin^{2} x-\cos^{2} x)(\frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1) = 0.

Quedan entonces dos ecuaciones sencillas

3\sin^{2} x-\cos^{2} x = 0, (1)

\frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1 = 0, (2)

que pasamos a resolver

(1) 3\sin^{2} x-\cos^{2} x = 0,

3 \sin^{2} x - (1 - \sin^{2} x) = 0,
4 \sin^{2} x =1,
\sin^{2} x= \frac{1}{4},
\sin x = \frac{1}{2}, - \frac{1}{2}.

(2) \frac{2 \cos x \sin x}{\cos^{2} x - \sin^{2} x} -1 =0,

\frac{ \sin 2x}{\cos 2x} =1,
\tan 2x =1.

El resto se deja al cuidado del lector.