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Matemática · Glossário

O que é Cotas, sup e inf?

Também chamado de: cota superior

Definição 10.1 Matemática universitária — Graduação 1 · Capítulo 10 — Números Reais

Seja A⊆RA \subseteq \R não vazio. Um real MM é uma cota superior de AA quando a≤Ma \leq M para todo a∈Aa \in A; AA é limitado superiormente quando tem uma cota superior (analogamente por baixo, com cotas inferiores; limitado significa as duas coisas). Um máximo de AA é uma cota superior que pertence a AA.

O supremo sup⁡A\sup A é a menor cota superior de AA, quando existe; o ínfimo inf⁡A\inf A é a maior cota inferior.

O conjunto A = \1 - 1n : n ∈ ℕ*\ na reta numérica: os seus pontos se acumulam rumo a 1 sem alcançá-lo. Todo número ≥ 1 é cota superior (a semirreta), e nada menor o é, pois um elemento de A entra em cada intervalo (1 - , 1): as duas cláusulas da  numa só figura. O supremo é a extremidade esquerda da semirreta das cotas superiores — e o axioma da completude é precisamente a garantia de que essa semirreta sempre tem extremidade esquerda.
O conjunto A={1−1n:n∈N∗}A = \{1 - \frac1n : n \in \N^*\} na reta numérica: os seus pontos se acumulam rumo a 11 sem alcançá-lo. Todo número ≥1\geq 1 é cota superior (a semirreta), e nada menor o é, pois um elemento de AA entra em cada intervalo (1−ε, 1)\intoo{1 - \varepsilon}{1}: as duas cláusulas da Proposição 10.4 numa só figura. O supremo é a extremidade esquerda da semirreta das cotas superiores — e o axioma da completude é precisamente a garantia de que essa semirreta sempre tem extremidade esquerda.

Exemplos

Exemplo 10.5

sup⁡(0, 1)=1\sup \intoo{0}{1} = 1, não atingido (sem máximo); sup⁡[0, 1]=1=max⁡\sup \intcc{0}{1} = 1 = \max. Para A={1−1n:n∈N∗}A = \{1 - \frac 1n : n \in \N^*\}: sup⁡A=1\sup A = 1, não atingido; inf⁡A=min⁡A=0\inf A = \min A = 0. Um máximo, quando existe, é o supremo; toda a razão de ser do sup⁡\sup é dispor de um substituto quando o máximo não existe.

Exemplo 10.6 (Calculando supremos na prática)

Dois exercícios completos da Proposição 10.4.

O conjunto A={x+1x:x>0}A = \{x + \frac1x : x > 0\}. Para todo x>0x > 0, x+1x−2=( x−1/x )21≥0x + \frac1x - 2 = \frac{(\,\sqrt x - 1/\sqrt x\,)^2}{1} \geq 0, de modo que 22 é cota inferior; e 2=1+11∈A2 = 1 + \frac11 \in A: portanto, inf⁡A=min⁡A=2\inf A = \min A = 2, atingido em x=1x = 1. Por cima, AA é ilimitado (x+1x>xx + \frac1x > x pode exceder qualquer MM pelo Teorema 10.10): sup⁡A\sup A não existe em R\R (vale +∞+\infty em R‾\overline\R).

O conjunto B={mm+n:m,n∈N∗}B = \bigl\{\frac{m}{m + n} : m, n \in \N^*\bigr\}. Todo elemento está em (0, 1)\intoo{0}{1}, de modo que 00 e 11 são cotas. Nenhuma delas é atingida: mm+n=1\frac{m}{m+n} = 1 forçaria n=0n = 0. Para o supremo, congele n=1n = 1 e faça mm crescer: mm+1=1−1m+1>1−ε\frac{m}{m+1} = 1 - \frac{1}{m+1} > 1 - \varepsilon assim que m+1>1εm + 1 > \frac1\varepsilon (Arquimedes): sup⁡B=1\sup B = 1. Simetricamente (m=1m = 1, nn grande), inf⁡B=0\inf B = 0. A ideia de fechamento: para fixar um supremo, basta um caminho a um parâmetro bem escolhido dentro do conjunto — aqui o caminho n=1n = 1 — e a caracterização por ε\varepsilon nada mais exige.

Exemplo 10.7 (O espelho do ínfimo)

O ínfimo tem a sua própria caracterização por ε\varepsilon, obtida da Proposição 10.4 por meio de inf⁡A=−sup⁡(−A)\inf A = -\sup(-A): i=inf⁡Ai = \inf A se, e somente se, ii limita AA inferiormente e, para todo ε>0\varepsilon > 0, algum a∈Aa \in A tem a<i+εa < i + \varepsilon. Um exercício com as duas cotas ao mesmo tempo: seja

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

Os índices pares dão 1+1n≤321 + \frac1n \leq \frac32, com igualdade em n=2n = 2: como também os valores de índice ímpar são ≤0<32\leq 0 < \frac32, obtemos sup⁡A=max⁡A=32\sup A = \max A = \frac32. Os índices ímpares dão −1+1n>−1-1 + \frac1n > -1, decrescendo rumo a −1-1: todo elemento de AA é >−1> -1, e −1+ε-1 + \varepsilon é superado por −1+1n-1 + \frac1n para nn ímpar com n>1εn > \frac1\varepsilon: inf⁡A=−1\inf A = -1, não atingido. Um só conjunto, com os quatro comportamentos à mostra: um supremo que é máximo e um ínfimo que não é mínimo.

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