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Consecuencias del teorema de Bolzano 113
Demostración. La funciónf WRCo ! R dada porf .x/Dxk�a, es continua yf .0/D�a < 0,
f .1Ca/D .1Ca/k �a > 0. Deducimos que hay algún númeroc > 0 tal quef .c/D0. Dicho
número es único porque la funciónf es estrictamente creciente. 2
4.22 Corolario (Ceros de polinomios de grado impar). Toda función polinómica de grado
impar se anula en algún punto.
Demostración. Sea
P .x/D c0 C c1x C c2x2 C � � � C cn�1xn�1 C cnxn
una función polinómica de grado imparn>3. Nuestro objetivo es probar queP .x/ toma valores
positivos y negativos. Podemos suponer quecn > 0. Supongamos en lo que sigue quejxj> 1.
Dividiendo porxn tenemos que
P .x/
xn
D c0
xn
C c1
xn�1
C c2
xn�2
C � � � C cn�1
x
C cn (4.7)
Para0 6 k 6 n� 1, tenemos, por serjxj> 1 y n� k > 1, que:
jck j
jxjn�k
6
jck j
jxj
Por otra parte
jck j
jxj 6
cn
2n
”jxj> jck j
cn
2n
Definamos
M DmKax
� jck j
cn
2n W k D 0; 1; 2 : : : ;n � 1
�
; K DmKaxfM; 1g
Parajxj> K y parak D 0; 1; 2; : : : ;n � 1, tenemos que:
ck
xn�k
> � jck j
jxjn�k
> �jckjjxj >�
cn
2n
Deducimos que parajxj> K es:
P .x/
xn
>�.n � 1/ cn
2n
C cn > �
cn
2
C cn D
cn
2
> 0 (4.8)
Ahora six < �K, se tiene por sern impar quexn < 0, y la desigualdad anterior implica que
P .x/ < 0. Análogamente, six > k debe serP .x/ > 0.
Hemos probado queP .x/ toma valores positivos y negativos, como es una función continua
y está definida en un intervalo,R, concluimos que debe anularse en algún punto. 2
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Prof. Javier Pérez
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4.3.3.1. Continuidad y monotonía
Hemos visto que la imagen de un intervalo por una función continua es un intervalo. Pode-
mos preguntarnos si esta propiedad caracteriza la continuidad. En general, la respuesta es que
no. Es fácil dar ejemplos de funciones discontinuas en un intervalo cuya imagen es un intervalo
pero estas funciones no pueden ser monótonas. Es fácil entender que si una función monóto-
na es discontinua es porque su gráfica “da saltos”, es decir, su imagenno es un intervalo. El
siguiente resultado deja claro este punto.
4.23 Teorema.Una función monótona en un intervalo1 cuya imagen es un intervalo es conti-
nua.
Demostración. Seaf W I ! R una función creciente en un intervaloI cuya imagenJDf .I /
es un intervalo. Queremos probar quef es continua. Seaa2 I y supongamos quea no es un
punto extremo deI , esto es, que los conjuntos
I�a D fx2I W x < ag ; ICa D fx2I W x > ag
no son vacíos. Para demostrar quef es continua ena, probaremos que
supf .I�a /D supff .x/ W x2I;x < ag D f .a/D Kınf ff .x/ W x2I;x > ag D Kınf f .ICa /
Probemos quef .a/ D supf .I�a /. Pongamos̨ D supf .I�a /. Para todox 2 I�a tenemos que
x < a y, comof es creciente,f .x/6 f .a/. Luegof .a/ es un mayorante del conjuntof .I�a /
y, en consecuencia, debe ser˛ 6 f .a/. Veamos que no puede ocurrir que˛ < f .a/. Para
ello supondremos quę < f .a/ y llegaremos a una contradicción. Tomemos un elemento
cualquieraz 2�˛; f .a/Œ. Seau 2 I�a . Entoncesf .u/ 6 ˛ < z < f .a/. Comof .u/ y f .a/
están enJ D f .I / y J es, por hipótesis, un intervalo, deducimos quez2J , esto es,z D f .s/
para algúns 2I . No puede sers D a y, comof es creciente yz < f .a/, debe verificarse que
s < a, esto es,s 2 I�a en cuyo caso debe serf .s/ 6 ˛, es decir,z 6 ˛ lo cual es claramente
contradictorio pues̨ < z.
Análogamente se prueba quef .a/D ˇ D Kınf f .ICa /.
Sea ahora" > 0. Tiene que haber elementosu 2 I�a y v 2 ICa tales quę � " < f .u/ y
f .v/ < ˇ C ", es decir
f .a/ � " < f .u/6 f .v/ < f .a/C ":
Definamosı DmKınfa � u; v � ag > 0. Entonces para todox2I verificando quejx � aj < ı
se tiene quex 2�a � ı; a C ıŒ��u; vŒ y, por tanto,f .u/ 6 f .x/ 6 f .v/ lo que implica que
f .a/ � " < f .x/ < f .a/C ", esto es,jf .x/ � f .a/j < ".
Los casos en quea es un posible extremo deI se hacen de forma análoga. 2
4.24 Corolario. Una función monótona definida en un intervalo es continua si,y sólo si, su
imagen es un intervalo.
1No es necesario suponer que la función está definida en un intervalo, de hecho en la demostración no se usa
esta hipótesis. El enunciado que damos es para facilitar su visualización.
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4.25 Corolario. La función inversa de una función estrictamente monótona definida en un
intervalo es continua.
Demostración. Seaf W I ! R una función estrictamente monótona definida en un intervalo
I . Comof es inyectiva enI su inversa,f �1, está definida en el conjunto imagenJ D f .I /
y, claramente,f �1.J / D I . Como la inversa de una función estrictamente monótonaf es
también estrictamente monótona (y del mismo tipo quef ) e I es, por hipótesis, un intervalo,
el teorema anterior, aplicado af �1, nos dice quef �1 es continua enJ 2. 2
Considera una función inyectiva y continua en un intervalo eintenta dibujar su gráfica;
comprobarás que la función no puede “subir y bajar” porque ental caso se pierde la inyecti-
vidad, por tanto, o bien “siempre sube” y es estrictamente creciente, o bien “siempre baja” y
es estrictamente decreciente. Eso es lo que afirma el siguiente resultado, que será usado más
adelante para obtener una importante propiedad de las funciones con derivada distinta de cero.
4.26 Teorema.Toda función inyectiva y continua en un intervalo es estrictamente monótona.
Demostración. 3 Seaf W I ! R continua e inyectiva en el intervaloI . Seana0 < b0 dos
puntos deI . Comof es inyectiva debe serf .a0/¤f .b0/. Por tanto, o bienf .b0/�f .a0/ > 0,
o bienf .b0/ � f .a0/ < 0. Supongamos que esf .b0/ � f .a0/ > 0 y demostremos quef es
estrictamente creciente enI . Para ello seana1 < b1 puntos deI . Pongamos
x.t/D .1� t/a0 C ta1
y.t/D .1� t/b0 C tb1
�
para 0 6 t 6 1
Tenemos quex.0/Da0, x.1/Da1, y.0/Db0, y.1/Db1. Además, poniendǫDmKınfa0; a1g
y ˇ DmKaxfa0; a1g, se tiene que:
˛ D .1� t/˛ C t˛ 6 x.t/6 .1 � t/ˇ C tˇ D ˇ
ComoI es un intervalo y̨ ; ˇ 2 I , se verifica queŒ˛; ˇ� � I , por lo quex.t/ 2 I . Análoga-
mente, se tiene quey.t/2 I . Además, comoa0 < b0 y a1 < b1, se verifica quex.t/ < y.t/
para0 6 t 6 1. Consideremos la función:
g.t/D f .y.t// � f .x.t// 0 6 t 6 1
La función g es continua enŒ0; 1� por ser composición y diferencia de funciones continuas.
Comof es inyectiva yx.t/ < y.t/, se tiene queg.t/ ¤ 0 para todot 2 Œ0; 1�. El teorema de
Bolzano implica queg debe tener signo constante enŒ0; 1� y, comog.0/ > 0, concluimos que
g.t/ > 0 para todot 2 Œ0; 1�. Por tantog.1/D f .b1/ � f .a1/ > 0. Hemos probado así quef
es estrictamente creciente.
Análogamente, si se supone que esf .b0/�f .a0/ < 0 se demuestra quef es estrictamente
decreciente enI . 2
2Este resultado es cierto tal como está enunciado, sin necesidad de suponer que la función es continua.
3Esta elegante demostración está tomada del libro de M. Spivak [16].
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	Funciones Continuas y límite funcional
	Teorema de Bolzano. Supremo e ínfimo
	Consecuencias del teorema de Bolzano
	Continuidad y monotonía