Matemáticas · Glosario

¿Qué es Cotas, supremo e ínfimo?

También llamado: cota superior

Definición 10.1 Matemáticas universitarias — Grado 1 · Capítulo 10 — Números reales

Sea ARA \subseteq \R no vacío. Un real MM es una cota superior de AA cuando aMa \leq M para todo aAa \in A; AA está acotado superiormente cuando tiene una cota superior (análogamente por abajo, con cotas inferiores; acotado significa las dos cosas). Un máximo de AA es una cota superior que pertenece a AA.

El supremo supA\sup A es la mínima cota superior de AA, cuando existe; el ínfimo infA\inf A es la máxima cota inferior.

El conjunto A = \1 - 1n : n ∈ ℕ*\ sobre la recta numérica: sus puntos se acumulan hacia 1 sin alcanzarlo. Todo número ≥ 1 es cota superior (la semirrecta) y nada menor lo es, porque un elemento de A entra en cada intervalo (1 - , 1): las dos cláusulas de la  en una sola imagen. El supremo es el extremo izquierdo de la semirrecta de cotas superiores — y el axioma de completitud es precisamente la garantía de que esa semirrecta tiene siempre extremo izquierdo.
El conjunto A={11n:nN}A = \{1 - \frac1n : n \in \N^*\} sobre la recta numérica: sus puntos se acumulan hacia 11 sin alcanzarlo. Todo número 1\geq 1 es cota superior (la semirrecta) y nada menor lo es, porque un elemento de AA entra en cada intervalo (1ε,1)\intoo{1 - \varepsilon}{1}: las dos cláusulas de la Proposición 10.4 en una sola imagen. El supremo es el extremo izquierdo de la semirrecta de cotas superiores — y el axioma de completitud es precisamente la garantía de que esa semirrecta tiene siempre extremo izquierdo.

Ejemplos

Ejemplo 10.5

sup(0,1)=1\sup \intoo{0}{1} = 1, no alcanzado (no hay máximo); sup[0,1]=1=max\sup \intcc{0}{1} = 1 = \max. Para A={11n:nN}A = \{1 - \frac 1n : n \in \N^*\}: supA=1\sup A = 1, no alcanzado; infA=minA=0\inf A = \min A = 0. Un máximo, cuando existe, es el supremo; el sentido del sup\sup es tener un sustituto cuando el máximo no existe.

Ejemplo 10.6 (Calcular supremos en la práctica)

Dos ejercicios completos con la Proposición 10.4.

El conjunto A={x+1x:x>0}A = \{x + \frac1x : x > 0\}. Para todo x>0x > 0, x+1x2=(x1/x)210x + \frac1x - 2 = \frac{(\,\sqrt x - 1/\sqrt x\,)^2}{1} \geq 0, luego 22 es cota inferior; y 2=1+11A2 = 1 + \frac11 \in A: por tanto infA=minA=2\inf A = \min A = 2, alcanzado en x=1x = 1. Por arriba, AA no está acotado (x+1x>xx + \frac1x > x puede superar cualquier MM, por el Teorema 10.10): supA\sup A no existe en R\R (vale ++\infty en R\overline\R).

El conjunto B={mm+n:m,nN}B = \bigl\{\frac{m}{m + n} : m, n \in \N^*\bigr\}. Todo elemento está en (0,1)\intoo{0}{1}, luego 00 y 11 son cotas. Ninguna se alcanza: mm+n=1\frac{m}{m+n} = 1 obligaría a n=0n = 0. Para el supremo, fíjese n=1n = 1 y hágase crecer mm: mm+1=11m+1>1ε\frac{m}{m+1} = 1 - \frac{1}{m+1} > 1 - \varepsilon en cuanto m+1>1εm + 1 > \frac1\varepsilon (Arquímedes): supB=1\sup B = 1. Simétricamente (m=1m = 1, nn grande), infB=0\inf B = 0. La idea de cierre: para fijar un supremo basta un camino de un parámetro bien elegido dentro del conjunto — aquí el camino n=1n = 1 — y la caracterización con ε\varepsilon no pide más.

Ejemplo 10.7 (El espejo del ínfimo)

El ínfimo tiene su propia caracterización con ε\varepsilon, obtenida de la Proposición 10.4 mediante infA=sup(A)\inf A = -\sup(-A): i=infAi = \inf A si y solo si ii acota AA inferiormente y, para todo ε>0\varepsilon > 0, algún aAa \in A cumple a<i+εa < i + \varepsilon. Un ejercicio con las dos cotas a la vez: sea

A={(1)n+1n:nN}={0, 32, 23, 54, 45, }.A = \Bigl\{(-1)^n + \frac1n : n \in \N^*\Bigr\} = \Bigl\{0,\ \tfrac32,\ -\tfrac23,\ \tfrac54,\ -\tfrac45,\ \dots\Bigr\} .

Los índices pares dan 1+1n321 + \frac1n \leq \frac32, con igualdad en n=2n = 2: como además los valores de índice impar son 0<32\leq 0 < \frac32, resulta supA=maxA=32\sup A = \max A = \frac32. Los índices impares dan 1+1n>1-1 + \frac1n > -1, decreciendo hacia 1-1: todo elemento de AA es >1> -1, y a 1+ε-1 + \varepsilon lo supera 1+1n-1 + \frac1n para impares n>1εn > \frac1\varepsilon: infA=1\inf A = -1, no alcanzado. Un solo conjunto y los cuatro comportamientos a la vista: un supremo que es máximo y un ínfimo que no es mínimo.

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