Corso di Matematica I - Anno 2003-04 Soluzioni 81. Supponiamo che g sia iniettiva e che f sia una funzione tale che g ◦ f è continua. Le nostre ipotesi ci assicurano che g −1 : g(R) → R è definita e continua. Allora anche f = g −1 ◦ (g ◦ f ) è continua, dunque P è vera. Se invece g non è iniettiva, si costruisce un controesempio per P nel seguente modo: siano a 6= b in R tali che g(a) = g(b); allora basta comporre g con la funzione f discontinua che vale a sulla semiretta aperta dei numeri negativi e b sulla semiretta chiusa dei numeri non negativi. La domanda (b) è una applicazione della prima parte, se si osserva che la funzione g(x) = x3 + 2x + 1 è iniettiva. 82. Sia g una funzione che soddisfa l’equazione funzionale data. È facile vedere che f deve essere iniettiva, dunque strettamente monotona; si nota direttamente dalla equazione che non può essere decrescente, dunque deve essere crescente. Si ponga ora h(x) = g(x) − x; allora l’equazione funzionale si scrive h(g(x)) = h(x), e questo porta per induzione a concludere che g n (x) = x + nh(x) da cui si ricava che g n (x) n tende ad h(x) quando n tende verso +∞. n L’ultimo passo consiste nel mostrare che il limite di g n(x) per n che tende verso +∞ non dipende da x. Questo implica che la funzione g è una traslazione. Poi una semplice verifica permette di stabilire che tutte le traslazioni soddisfano l’equazione funzionale data. Supponiamo che h non sia nulla, e che esista un valore a per il quale h(a) > 0 (simile argomento se h(a) < 0). La successione g n (a) (n ∈ Z) è crescente e dunque, dato x ∈ R qualunque, si può trovare un intero p tale che g n+p (a) g n (x) g n+p+1 (a) ≤ < n n n da cui per il teorema dei carabinieri di ottiene che il limite di verso +∞ non dipende da x. g n (x) n per n che tende 83. (a) Se f : R → R è K-Lipschtziana, allora g(x) = f (x) + Kx risulta monotona crescente: se x < y risulta g(x) = f (x) + Kx = f (x) − f (y) + f (y) + Kx ≤ |f (x) − f (y)| +f (y) + Kx ≤ K |x − y| + f (y) + Kx = Ky + f (y) = g(y). 1 Allora f (x) = g(x) − Kx è differenza di due funzioni crescenti. (b) Supponiamo che f : R → R sia K-Lipschitziana con K < 1. Dimostriamo che la funzione g(x) = f (x)−x ha almeno uno zero. A meno di cambiare f con −f , possiamo supporre g(0) = f (0) > 0. Se x > f (0)/(1 − K), risulta g(x) = f (x) − x = f (x) − f (0) + f (0) − x ≤ |f (x) − f (0)| + f (0) − x ≤ Kx + f (0) − x = −(1 − K)x + f (0) < 0, quindi per il Teorema degli zeri, g sia annulla in qualche punto di (0, x). Si osservi che la K-Lipschitzianità con K < 1 implica anche che il punto fisso è unico: se x, y sono punti fissi per f , allora |x − y| = |f (x) − f (y)| ≤ K|x − y| implica che x = y. 84. (a) Se β = 0 la funzione f è costante, quindi è Hölderiana di qualsiasi costante. Dimostriamo che se β ∈ (0, 1) la funzione f (x) = xβ è β-Hölderiana. Dobbiamo mostrare che esiste una costante c = c(β) tale che |xβ − y β | ≤ c|x − y|β , ∀x, y ∈ [0, +∞). (1) Possiamo supporre x ≥ y > 0, e dividendo per y β la (1) è equivalente a β x β x − 1 ≤ C − 1 . y y Quindi, ponendo x/y = 1 + t, t ≥ 0, dobbiamo mostrare che esiste c tale che (1 + t)β − 1 ≤ ctβ , ∀t ≥ 0. (2) Consideriamo la funzione g(t) = ((1 + t)β − 1)/tβ : g è continua in (0, +∞), e poiché 0 < β < 1 otteniamo, sfruttando uno dei limiti dell’esercizio 80, (1 + t)β − 1 βt + o(t) = lim = lim βt1−β = 0, β t→0+ t→0+ t→0+ t tβ β β (1 + t) − 1 1 1 lim = lim − 1 − β = 1. t→+∞ t→+∞ tβ t t lim Quindi la funzione g è limitata e (2) vale con c = sup g. Se β = 1 la funzione f è 1-Lipschitz (la disuguaglianza di Hölderianità vale con c = α = 1). Se β > 1 la funzione f non è Hölderiana per alcuna costante. p (b) Supponiamo che f sia α-Hölderiana di costante c. Se > 0, poniamo δ = α /c, cosı́ che se |x − y| < δ, |f (x) − f (y)| ≤ c|x − y|α < cδ α = . (c) Si consideri la funzione f : [0, 1] → R 0 se x = 0, 1 x − n1 n se n1 < x ≤ n1 + en12 , n ≥ 2, f (x) = n2 −n 1 1 n(n−1)e − x se n1 + en12 < x ≤ n−1 , n ≥ 2. 2 n n−1 e −n(n−1) 2 2 E’ facile verificare che f è continua, però sull’intervallo [1/n, 1/n + e−n ] f vale (x − 1/n)1/n che non è α-Hölderiana se α > 1/n. Quindi f non è α-Hölderiana per alcun α. 85. Supponiamo che |f (x) − f (y)| ≤ a|x − y|, |g(x) − g(y)| ≤ b|x − y|, ∀x, y ∈ R. Allora |(f + g)(x) − (f + g)(y)| ≤ |f (x) − f (y)| + |g(x) − g(y)| ≤ (a + b)|x − y|, |f (g(x)) − f (g(y))| ≤ a|g(x) − g(y)| ≤ ab|x − y|, quindi f + g e f ◦ g sono Lipschitziane di costanti a + b e ab, rispettivamente (le funzioni f (x) = ax e g(x) = bx mostrano che queste costanti sono ottimali). La funzione max{f, g} è Lipschitziana di costante max{a, b} (questa costante è ovviamente ottimale). Infatti è sufficiente considerare le coppie x, y per cui f (x) ≥ g(x) e f (y) ≤ g(y), e se inoltre f (x) ≥ g(y), | max{f, g}(x) − max{f, g}(y)| = |f (x) − g(y)| = f (x) − g(y) ≤ f (x) − f (y) ≤ a|x − y|, mentre se f (x) < g(y), | max{f, g}(x) − max{f, g}(y)| = |f (x) − g(y)| = g(y) − f (x) ≤ g(y) − g(x) ≤ b|x − y|. Le funzioni f · g e f /g non sono necessariamente Lipschitziane: se f (x) = g(x) = x, f · g(x) = x2 che non è Lipschitziana; g(x) = 1/(1 + x2 ) è Lipschitziana, ma 1/g non lo è. Supponiamo ora che |f (x) − f (y)| ≤ a|x − y|α , |g(x) − g(y)| ≤ b|x − y|β , ∀x, y ∈ R. Allora |f (g(x)) − f (g(y))| ≤ a|g(x) − g(y)|α ≤ abα |x − y|αβ , quindi f ◦ g è αβ-Hölderiana. Le funzioni p f + g, f · gpe max{f, g} non sono necessariamente Hölderiane. Infatti se f (x) = |x| e g(x) = 3 |x|, si ha che f + g e max{f, g} sono 1/3-Hölderiane sugli intervalli limitati, ma non sono Hölderiane su tutto R. Se f (x) = g(x) = |x|α con α ∈ (1/2, 1), allora f = g è α-Hölderiana, ma f · g non lo è. Analogamante per il quoziente. Si osservi che f + g e max{f, g} sono Hölderiane di costante min{α, β} sugli intervalli limitati. 86. Sia x ∈ (a, b] e siano a = x0 < x1 < · · · < xn = x i punti che dividono l’intervallo [a, x] in n intervalli di lunghezza (x − a)/n. Allora α n n X X x−a α |f (x) − f (a)| ≤ |f (xi ) − f (xi−1 )| ≤ c|xi − xi−1 | = nc . n i=1 i=1 Poiché α > 1, il limite per n tendente all’infinito del membro di destra è 0. Questo implica che f (x) = f (a) per ogni x ∈ (a, b]. 3 87. Supponiamo che la funzione f ammetta un modulo di continuità finito ω. Dato > 0 esiste un δ tale che ω(δ) < . Inoltre per la monotonia di ω vale che se |x − y| < δ allora ω(|x − y|) ≤ ω(δ). Allora abbiamo che, per ogni > 0 esiste un δ > 0 tale che, se |x − y| ≤ δ allora |f (x) − f (y)| ≤ ω(|x − y|) ≤ ω(δ) < quindi abbiamo dimostrato che f è uniformemente continua. Supponiamo adesso che f sia uniformemente continua e dimostriamo che ammette un modulo di continuità finito. Basta porre ω(x) = sup{|f (z) − f (y)| | z, y ∈ A e |z − y| ≤ x} Per quanto riguarda gli esempi di una funzione Lipschitziana di costante K e di una funzione α-Hölderiana con costante K, nel primo caso possiamo prendere come modulo di continuità ω(x) = Kx, nel secondo caso ω(x) = Kxα . 88. Dovendo stimare |f (x) − f (y)|, possiamo supporre f (x) ≥ f (y). Sia > 0 e scegliamo f ∈ F tale che f (x) ≥ f (x) − . Allora |f (x) − f (y)| = f (x) − f (y) ≤ f (x) + − f (y) ≤ f (x) + − f (y) ≤ |f (x) − f (y)| + ≤ ω(|x − y|) + , e per l’arbitrarietà di , |f (x) − f (y)| ≤ ω(|x − y|). Osserviamo che questo in particolare dimostra che il sup di una famiglia di funzioni K-Lipschitziane è ancora una funzione K-Lipschitziana e dunque continua. Lo stesso per quello che riguarda funzioni α-Hölderiane di costante K. 4