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Ejercicios resueltos 125
t0 2 Œ8; 12�, es decirf .t0/D ˛ � g.t0/. Por tanto, el sábado y el domingo, en el instante
t0 el automovilista se encuentra a la misma distancia de Granada.
Si dibujas las gráficas def y de˛ � g verás que este resultado esevidente. ©
Ejercicio resuelto 62 Seanf;g funciones continuas que no se anulan en un intervaloI ,
verificando que.f .x//2D .g.x//2 para todox2I . Prueba que o bienf .x/Dg.x/ para
todox 2 I , o bienf .x/D�g.x/ para todox 2 I . ¿Cuántas funciones hay' WR! R
continuas y verificando que.'.x//2 D x2 para todox2R?.
Solución.La funciónh.x/D f .x/
g.x/
es continua enI y verifica queh.x/2 D 1 para todo
x2I , luegoh.x/D1 oh.x/D�1 para cadax2I . ComoI es un intervalo yh es continua,
el conjuntoh.I / tiene que ser un intervalo, luego deberá serh.I /D f1g o h.I /D f�1g.
En el primer caso esf .x/D g.x/ para todox 2 I , en el segundof .x/D �g.x/ para
todox2I .
La igualdad'.x/2 D x2 para todox 2 R equivale aj'.x/j D jxj. Lo que da cuatro
posibilidades; a saber:'1.x/D x, '2.x/D �x, '3.x/D jxj, '4.x/D �jxj, donde, en
cada caso, se entiende que las igualdades son para todox2R. ©
Ejercicio resuelto 63 Sea f WR! R continua y decreciente. Prueba que hay un único
a2R verificando quef .a/D a.
Solución.Naturalmente, se trata de probar que la funcióng W R! R dada porg.x/D
x � f .x/ para todox2R se anula en algún punto. Como es continua (porque nos dicen
quef lo es) y está definida en un intervalo, intentaremos aplicar el teorema de Bolzano.
Tomemos un puntoc 2 R. Si f .c/ D c hemos acabado. En otro caso seráf .c/ ¤ c.
Supongamos quef .c/ < c. Entonces, comof es decreciente, seráf .f .c//> f .c/. Si
f .f .c//D f .c/, hemos acabado. En otro caso seráf .f .c// > f .c/. Pero en este caso
obtenemos queg.c/ > 0 y g.f .c// < 0 por lo que el teorema de Bolzano garantiza
queg tiene que anularse en algún punto. Se razona de forma análogasi suponemos que
c < f .c/. Finalmente, comog es estrictamente creciente, solamente puede anularse en
un único punto. ©
Ejercicio resuelto 64 SeanA, B, conjuntos no vacíos y acotados de números reales. Defina-
mos
A � B D fa � b W a2A; b2BgI AB D fab W a2A; b2Bg
Prueba que sup.A � B/D supA � Kınf B y, supuesto queA � RC y B � RC, prueba
que sup.AB/D supA supB.
Solución.Sea˛Dsup.A/; ˇDKınf.B/; 
Dsup.A�B/. Cualesquiera seana2A; b2B
se tiene quea 6 ˛; ˇ 6 b. En consecuenciaa � b 6 ˛ � ˇ, lo que prueba quę � ˇ
es un mayorante deA � B, y por tanto
 6 ˛ � ˇ. Probaremos ahora quę� ˇ 6 
 .
Cualesquiera seana2A; b2B se tiene quea� b 6 
 , es decir,a 6 bC 
 . Esta última
desigualdad nos dice que, fijado un elementob2B, el númerob C 
 es un mayorante
de A, por lo que˛ 6 b C 
 . Hemos obtenido así que para todob 2B se verifica que
˛ � 
 6 b, es decir,̨ � 
 es un minorante deB, y por tanto˛ � 
 6 ˇ, es decir,
˛ � ˇ 6 
 .
Sea˛ D sup.A/; ˇ D sup.B/; � D sup.AB/. Cualesquiera seana 2A, b 2B se tiene
que a 6 ˛ y b 6 ˇ. En consecuencia, por sera > 0; b > 0, ab 6 ˛ ˇ, lo que prueba que
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Dpto. de Análisis Matemático
Prof. Javier Pérez
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Ejercicios resueltos 126
˛ ˇ es un mayorante deAB y por tanto�6 ˛ ˇ.
Probaremos ahora quęˇ 6 �. Cualesquiera seana 2A, b 2B se tiene queab 6 �,
esto es,a 6 �=b. Esta última desigualdad nos dice que, fijado un elementob 2 B, el
número�=b es un mayorante deA, por lo que˛ 6 �=b. Hemos obtenido así que para
todo b 2B se verifica queb 6 �=˛, es decir,�=˛ es un mayorante deB, y por tanto
ˇ 6 �=˛, es decir,˛ ˇ 6 �. ©
Ejercicio resuelto 65 Sea A un conjunto no vacío de números reales. Para cadax 2 R
definamos la “distancia dex a A” por dist.x;A/DKınffjx�aj Wa2Ag. Prueba que para
todos x;y2R se verifica que:
jdist.x;A/ � dist.y;A/j6 jx � yj:
Deduce que la aplicaciónx 7! dist.x;A/ es continua.
Solución.Teniendo en cuenta quejaj6 b equivale a quea 6 b y �a 6 b, la desigualdad
que nos piden probar equivale a estas dos desigualdades:
dist.x;A/� dist.y;A/6 jx � yj y dist.y;A/ � dist.x;A/6 jx � yj (4.12)
Pero es claro que basta con probar una sola de ellas pues entonces cambiandox por
y obtenemos la otra (porquejx � yj D jy � xj). Probaremos la primera de las dos
desigualdades (4.12). Escribamos la desigualdad en la forma:
dist.x;A/6 jx � yj C dist.y;A/
En todo lo que siguex ey están fijos. Tenemos que para todoa2A:
dist.x;A/6 jx � aj6 jx � yj C jy � aj:
Es decir
dist.x;A/� jx � yj 6 jy � aj para todo a2A:
Deducimos que dist.x;A/ � jx � yj es un minorante del conjuntofjy � aj W a 2 Ag,
y por tanto será menor o igual que el máximo minorante de dichoconjunto, que es por
definición dist.y;A/. Hemos probado así que
dist.x;A/� jx � yj6 dist.y;A/:
Que es la desigualdad que queríamos probar.
Es evidente, teniendo en cuenta la desigualdad que acabamosde probar, que la función
'.x/Ddist.x;A/ es continua, pues dado" > 0, tomamosıD" con lo que, evidentemente,
j'.x/� '.y/j6 jx � yj < " siempre quejx � yj < ı. Observa que aquí un mismo “ı”
vale para todo punto. ©
Ejercicio resuelto 66 Seaf WR! R continua, mayorada y tal que para todosa; b2R con
a < b, se verifica que supf .�a; bŒ/D supf .R/. Prueba quef es constante.
Solución.Llamemosˇ D supf .R/. Es claro quef .x/ 6 ˇ para todox 2 R. Y, si f
es constante deberá darse la igualdadf .x/D ˇ en todo puntox deR. Luego tenemos
que probar que, dadoa2R, es imposible que ocurraf .a/ < ˇ. Pero eso es claro, pues
si fueraf .a/ < ˇ, entonces tomando� 2�f .a/; ˇŒ, por el teorema de conservación del
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signo aplicado a la funcióng.x/ D � � f .x/ en el puntoa, deducimos que existe un
intervalo abierto�u; vŒ que contiene al puntoa y tal que para todox 2�u; vŒ esg.x/ > 0,
es decir,f .x/ < �. Pero entonces supf .�u; vŒ/6� < ˇ en contradicción con la hipótesis
hecha. ©
Ejercicio resuelto 67 Sea f W Œa; b�! R creciente. Supongamos quea 6 f .x/ 6 b para
todox en Œa; b�. Prueba que hay algún puntoc 2 Œa; b� tal quef .c/D c.
Sugerencia. Considera el supremo del conjuntofx 2 Œa; b� W x 6 f .x/g. Fíjate que no
suponemos quef sea continua.
Solución.Sea M D fx 2 Œa; b� W x 6 f .x/g. El conjunto M no es vacío (a 2 M ) y
está mayorado (b es un mayorante deM ). Seac D sup.M /. Evidentementec 2 Œa; b�.
Probaremos quef .c/D c. Probaremos para ello quenopuede serf .c/¤ c.
a) Si fuerac < f .c/, entonces, comoc es un mayorante deM , tendríamos que
f .c/ 62M , es decir,f .c/ > f .f .c//. Y también, por serf creciente, tendríamos
que f .c/6 f .f .c//, resultando así una contradicción.
b) Si fueraf .c/ < c, entonces hay algúnz 2M tal quef .c/ < z. Y como z 6 f .z/
deducimos quef .c/ < f .z/ lo cual, por serf creciente, implica quec < z lo que es
contradictorio. ©
Ejercicio resuelto 68 Justifica que, dadox 2R, la ecuación logt C t5 D x tiene una única
solución, que representamos por'.x/. Justifica que la funciónx 7! '.x/, .x 2R/, así
definida es continua.
Solución.La función f WRC ! R dada porf .t/D log tC t5 es continua. ComoRC es
un intervalo, el conjunto imagenf .RC/ también es un intervalo. Claramentef .RC/ es
un intervalo no minorado ni mayorado, luegof .RC/DR. La funciónf es estrictamente
creciente, por tanto es inyectiva. Deducimos que dadox 2 R hay un únicot 2 RC tal
quef .t/ D x. Sea' WR! R la función inversa def . La función' es estrictamente
creciente y su imagen es un intervalo (RC), luego es continua en virtud del teorema
(4.23). ©
Ejercicio resuelto 69 Seaf W Œ0; 1�! R continua verificando quejf .s/ � f .t/j > js � t j
para todoss; t 2 Œ0; 1�, y f .f0; 1g/ D f0; 1g. Prueba que o bien esf .x/ D x para todo
x2 Œ0; 1�, o bien esf .x/D 1� x para todox2 Œ0; 1�.
Solución. La clave de este ejercicio consiste en darse cuenta de que la condición del
enunciadojf .s/�f .t/j> js� t j implica quef es inyectiva enŒ0; 1�. Comof se supone
continua, el teorema (4.26) nos dice quef es estrictamente monótona.
La condiciónf .f0; 1g/ D f0; 1g nos dice que o bien esf .0/ D 0 y f .1/ D 1 o bien es
f .0/D 1 y f .1/D 0. En el primer casof será estrictamentecreciente y en el segundo
estrictamente decreciente.
Supongamos quef .0/ D 0 y f .1/ D 1. Probaremos quef .x/D x para todox 2 Œ0; 1�.
Comof es estrictamente creciente, será06f .x/61 para todox2 Œ0; 1�. HaciendotD0
y s D x en la desigualdadjf .s/ � f .t/j > js � t j, obtenemos quef .x/> x. Haciendo
t D 1 y s D x obtenemos que1 � f .x/ > 1 � x, es decir,f .x/ 6 x. Concluimos que
f .x/D x.
El caso en quef .0/D 1 y f .1/D 0 se hace de forma parecida. ©
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