∫ Analisi 1
Sezione 1 · Prima parte

Numeri reali e complessi

Il corso comincia costruendo il terreno su cui poggerà tutto il resto: un insieme numerico senza buchi. La proprietà di completezza di $\R$ che vedi qui è, letteralmente, ciò che rende possibili i limiti, le derivate e gli integrali dei mesi successivi.

★ Novità: gli esercizi delle Esercitazioni 1–3

Disequazioni, sup e inf di insiemi e una ventina di esercizi sui numeri complessi (equazioni con $\bar z$, radici, trasformazioni del piano), con le soluzioni del tutor verificate: sono gli esercizi E1.15–E1.40 della palestra.

↳ Dove stiamo andando

Tutta la sezione risponde a una domanda: perché $\Q$ non basta? La risposta breve è $\sqrt2$. La risposta lunga è la completezza, e da lì discende l'esistenza di radici, logaritmi, del numero $e$ e del limite di ogni successione monotòna. Nella seconda metà si allarga $\R$ a $\C$ per un motivo speculare: in $\R$ l'equazione $x^2=-1$ non ha soluzioni.

Checklist del programma

Spunta ogni voce quando sai enunciarla e spiegarla senza guardare. Le voci con dim. scritto richiedono la dimostrazione alla prova scritta.

Avanzamento Sezione 1 0/23 · 0%

1 · Gli insiemi numerici

Definizione — $\N$, $\Z$, $\Q$

$$\N=\{0,1,2,3,\dots\},\qquad \Z=\{\dots,-2,-1,0,1,2,\dots\},\qquad \Q=\left\{\frac mn:\ m\in\Z,\ n\in\Z\setminus\{0\}\right\}.$$

In $\Q$ due frazioni $\frac mn$ e $\frac{m'}{n'}$ rappresentano lo stesso numero se e solo se $mn'=m'n$. Le operazioni sono $\frac mn+\frac pq=\frac{mq+np}{nq}$ e $\frac mn\cdot\frac pq=\frac{mp}{nq}$; l'ordinamento (con $n,q>0$) è $\frac mn\le\frac pq\iff mq\le np$.

Valgono le inclusioni strette $\N\subset\Z\subset\Q$. Ogni ampliamento risponde a un'esigenza algebrica precisa: in $\N$ non si può sempre sottrarre, in $\Z$ non si può sempre dividere. La domanda naturale è: e in $\Q$, cosa manca?

Allineamenti decimali

Definizione

Un allineamento decimale è una scrittura $\pm\,c_0,c_1c_2c_3\dots$ con $c_0\in\N$ e $c_i\in\{0,\dots,9\}$. Può essere finito, infinito periodico o infinito non periodico.

Eseguendo la divisione euclidea fra numeratore e denominatore si ottiene sempre un allineamento finito o periodico, e viceversa. Dunque

$$\Q\ \longleftrightarrow\ \{\text{allineamenti finiti o infiniti periodici}\}.$$
Perché si escludono gli allineamenti di periodo 9? — e la dimostrazione che $0,\overline9=1$

Perché altrimenti la corrispondenza non sarebbe biunivoca: $0,\overline9$ e $1$ sarebbero due scritture dello stesso numero. Per convenzione si sceglie sempre la scrittura finita. Ecco la dimostrazione, passo per passo.

Passo 1 — scrivere l'allineamento come serie

Per definizione di allineamento decimale, ogni cifra pesa una potenza di $\frac1{10}$:

$$0,\overline9=\frac{9}{10}+\frac{9}{100}+\frac{9}{1000}+\dots=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{9}{10^{k}}.$$

Il $9$ è una costante, quindi si raccoglie fuori dalla somma:

$$\sum_{k=1}^{\infty}\frac{9}{10^{k}}=9\sum_{k=1}^{\infty}\left(\frac{1}{10}\right)^{\!k}.$$

Poniamo $q=\dfrac1{10}$. Resta da calcolare $\displaystyle\sum_{k=1}^{\infty}q^{k}$.

Passo 2 — attenzione all'indice di partenza

La formula che conosci parte da $k=0$: $$\sum_{k=0}^{\infty}q^{k}=\frac{1}{1-q}\qquad (|q|<1).$$ Ma qui la somma parte da $\mathbf{k=1}$, perché la prima cifra decimale è $\frac9{10}$, non $9$. È tutta qui la differenza, ed è il motivo per cui compare $\frac{q}{1-q}$ e non $\frac{1}{1-q}$.

Ci sono due modi per sistemare l'indice, e danno ovviamente lo stesso risultato.

Modo A — togliere il termine $k=0$. È il «$-1$» che viene naturale pensare:

$$\sum_{k=1}^{\infty}q^{k}\;=\;\underbrace{\sum_{k=0}^{\infty}q^{k}}_{=\,\frac{1}{1-q}}\;-\;\underbrace{q^{0}}_{=\,1}\;=\;\frac{1}{1-q}-1.$$

Ora si fa il denominatore comune, ed è qui che il $-1$ «sparisce» riassorbendosi:

$$\frac{1}{1-q}-1=\frac{1-(1-q)}{1-q}=\frac{1-1+q}{1-q}=\frac{q}{1-q}.$$

Modo B — traslare l'indice. Si pone $j=k-1$, cosicché $k=j+1$ e $k=1$ diventa $j=0$:

$$\sum_{k=1}^{\infty}q^{k}=\sum_{j=0}^{\infty}q^{\,j+1}=\sum_{j=0}^{\infty}q\cdot q^{\,j}=q\underbrace{\sum_{j=0}^{\infty}q^{\,j}}_{=\,\frac{1}{1-q}}=\frac{q}{1-q}.$$

Passo 3 — sostituire $q=\frac1{10}$

$$\sum_{k=1}^{\infty}\left(\frac1{10}\right)^{\!k}=\frac{q}{1-q}=\frac{\dfrac{1}{10}}{1-\dfrac{1}{10}}=\frac{\dfrac{1}{10}}{\dfrac{9}{10}}=\frac{1}{10}\cdot\frac{10}{9}=\frac19.$$

Nota che $|q|=\frac1{10}<1$, quindi la serie geometrica converge davvero e la formula è applicabile.

Passo 4 — rimettere il 9 raccolto all'inizio

$$0,\overline9=9\cdot\frac19=1.$$
✓ La regola generale da memorizzare

$$\sum_{n=n_0}^{\infty}q^{n}=\frac{q^{\,n_0}}{1-q}\qquad(|q|<1),$$ cioè primo termine diviso $1-q$. Con $n_0=0$ il primo termine è $q^0=1$ e ritrovi $\frac1{1-q}$; con $n_0=1$ il primo termine è $q$ e ottieni $\frac{q}{1-q}$. Non serve ricordare due formule: serve guardare da dove parte la somma.

Verifica «dal basso», per convincersi che non c'è trucco

Le somme parziali sono $s_n=0,\underbrace{99\dots9}_{n}$, e

$$1-s_n=\frac{1}{10^{\,n}}\ \longrightarrow\ 0.$$

La distanza fra $s_n$ e $1$ diventa più piccola di qualunque $\eps>0$ fissato: per la definizione di limite, $s_n\to1$. Non è che $0,\overline9$ «si avvicina» a $1$ — il simbolo $0,\overline9$ denota il limite delle somme parziali, e quel limite è $1$.

✗ L'errore da evitare

Applicare $\frac{1}{1-q}$ senza guardare l'indice iniziale: qui darebbe $9\cdot\frac{1}{1-\frac1{10}}=9\cdot\frac{10}{9}=10$, cioè dieci volte il valore giusto. Lo stesso errore ricompare identico negli esercizi sulle serie geometriche che non partono da $n=0$.

Definizione — L'insieme $\R$

$$\R:=\{\text{tutti gli allineamenti decimali}\}.$$ Gli elementi di $\R\setminus\Q$ si dicono numeri irrazionali: sono esattamente gli allineamenti infiniti non periodici.

La corrispondenza fra $\R$ e i punti di una retta (fissati origine e unità di misura) è biunivoca: $\R$ è la retta reale, senza buchi. $\Q$ invece è pieno di buchi — e il prossimo risultato ne esibisce uno.

2 · Richiami di logica

Un teorema ha la forma «ipotesi $\Rightarrow$ tesi». Conoscere la struttura logica dell'enunciato è metà del lavoro, perché determina la tecnica di dimostrazione.

FormaSimboliRelazione con $P\Rightarrow Q$
Implicazione$P\Rightarrow Q$—
Contronominale$\lnot Q\Rightarrow\lnot P$equivalente ✓
Inversa$Q\Rightarrow P$in generale non equivalente ✗
Negazione$P\ \land\ \lnot Q$è ciò che si suppone per assurdo
Le tre tecniche di dimostrazione
  • Diretta: si parte dall'ipotesi e con passaggi leciti si arriva alla tesi.
  • Indiretta per contrapposizione: si dimostra $\lnot Q\Rightarrow\lnot P$, che è equivalente. Utile quando la negazione della tesi è più maneggevole dell'ipotesi.
  • Indiretta per assurdo: si suppongono vere sia $P$ sia $\lnot Q$ e si deriva una contraddizione.
  • Per induzione: quando la tesi dipende da $n\in\N$.
Proposizione — parità dei quadrati dim. orale

Sia $m\in\Z$. Allora $m$ è pari $\iff m^2$ è pari; equivalentemente $m$ è dispari $\iff m^2$ è dispari.

Dimostrazione — prova prima da solo, poi rivela
Caso $m$ pari (verso $\Rightarrow$)
$m=2h$ per qualche $h\in\Z$, quindi $m^2=4h^2=2(2h^2)$: pari.
Caso $m$ dispari (verso $\Rightarrow$)
$m=2h+1$, quindi $m^2=4h^2+4h+1=2(2h^2+2h)+1$: dispari.
Verso $\Leftarrow$: come si ottiene senza nuovi conti?
Per contrapposizione: «$m^2$ pari $\Rightarrow$ $m$ pari» è equivalente a «$m$ dispari $\Rightarrow$ $m^2$ dispari», che è il passo 2. $\blacksquare$

Il numero $\sqrt2$ è irrazionale dim. scritto · n° 1

Teorema

Non esiste alcun $q\in\Q$ tale che $q^2=2$. In simboli, $\sqrt2\notin\Q$.

Dimostrazione a passi coperti — clicca su ogni riga per rivelarla
Quale tecnica si usa, e cosa si suppone?
Per assurdo: si nega la tesi e si suppone $\sqrt2\in\Q$, cioè $\exists m,n\in\Z$, $n\ne0$, con $\sqrt2=\frac mn$.
Quale riduzione lecita è l'innesco di tutto?
Senza perdita di generalità $m$ e $n$ sono coprimi (frazione ridotta ai minimi termini). È l'ipotesi che verrà contraddetta.
Elevando al quadrato
$2=\frac{m^2}{n^2}$, cioè $m^2=2n^2$: dunque $m^2$ è pari.
Quale risultato precedente si applica?
La proposizione sulla parità dei quadrati: $m^2$ pari $\Rightarrow m$ pari, cioè $m=2k$ per qualche $k\in\Z$.
Si sostituisce e si ripete
$(2k)^2=2n^2\Rightarrow 4k^2=2n^2\Rightarrow n^2=2k^2$: quindi $n^2$ è pari e, ancora per la proposizione, $n$ è pari.
Dov'è l'assurdo?
$m$ e $n$ sono entrambi pari, cioè hanno il fattore comune $2$: contraddice la coprimalità. Dunque $\sqrt2\notin\Q$. $\blacksquare$
✗ Errori che costano punti
  • Dimenticare di dire «coprimi»: senza quell'ipotesi non c'è nessun assurdo.
  • Usare «$m^2$ pari $\Rightarrow m$ pari» come se fosse ovvio: è il lemma, va enunciato (e all'orale dimostrato).
  • Confondere questo teorema con «$\sqrt2$ non esiste»: $\sqrt2$ esiste eccome, in $\R$. Semplicemente non sta in $\Q$.

3 · Il principio di induzione

Principio di induzione

Sia $P(n)$ una proposizione dipendente da $n\in\N$. Se

  1. (base) $P(0)$ è vera, e
  2. (passo induttivo) per ogni $n$: $P(n)$ vera $\Rightarrow$ $P(n+1)$ vera,

allora $P(n)$ è vera per ogni $n\in\N$. Se la base si verifica in $n_0$ invece che in $0$, si conclude che $P(n)$ è vera per ogni $n\ge n_0$.

Il domino dell'induzioneservono entrambe le ipotesi
0
Proposizione — somma dei primi $n$ naturali dim. orale

$$\sum_{k=0}^{n}k=\frac{n(n+1)}{2}\qquad\forall n\in\N.$$

Dimostrazione

Base. $n=0$: primo membro $0$, secondo membro $\frac{0\cdot1}{2}=0$. ✓

Passo. Supposto $\sum_{k=0}^n k=\frac{n(n+1)}2$ (ipotesi induttiva), $$\sum_{k=0}^{n+1}k=\underbrace{\frac{n(n+1)}{2}}_{\text{ip. induttiva}}+(n+1)=(n+1)\left(\frac n2+1\right)=\frac{(n+1)(n+2)}{2},$$ che è $P(n+1)$. $\blacksquare$

All'esame, indica esplicitamente il punto in cui usi l'ipotesi induttiva: è quello che il correttore cerca.

Disuguaglianza di Bernoulli dim. scritto · n° 2

Teorema

Sia $h\in\R$ con $h>-1$. Allora $$(1+h)^n\ \ge\ 1+nh\qquad\forall n\in\N.$$

Perché $h>-1$ e non $h\ge-1$?

Non per evitare una divisione per zero: nella formula non si divide mai, e con $h=-1$ la disuguaglianza sarebbe vera lo stesso ($0^n=0\ge1-n$ per $n\ge1$). Il corso la enuncia con $h>-1$ perché così $1+h>0$ e nel passo induttivo si moltiplica per un numero positivo, senza casi particolari. All'esame scrivi l'enunciato del corso.

Bernoulli, vistola curva sta sempre sopra la retta
3
Dimostrazione a passi coperti
Base $n=0$
$(1+h)^0=1$ e $1+0\cdot h=1$: vale con l'uguale. ✓
Ipotesi induttiva e tesi del passo
Si suppone $(1+h)^n\ge1+nh$ e si vuole $(1+h)^{n+1}\ge1+(n+1)h$.
Dove entra l'ipotesi $h>-1$? (è la domanda d'esame)
Da $h>-1$ segue $1+h>0$: moltiplicare entrambi i membri per un numero positivo conserva il verso della disuguaglianza. Se fosse $1+h<0$ il verso si invertirebbe.
Mossa 1: far comparire $(1+h)^n$ — perché?
Perché l'ipotesi induttiva parla di $(1+h)^n$: bisogna prima farlo apparire. Si stacca un fattore con le proprietà delle potenze: $(1+h)^{n+1}=(1+h)^{n}\cdot(1+h)$.
Mossa 2: sostituire $(1+h)^n$ con $1+nh$ — non è un'uguaglianza
Si usa: se $A\ge B$ e $c\ge0$ allora $Ac\ge Bc$, con $A=(1+h)^n$, $B=1+nh$ (ipotesi induttiva) e $c=1+h>0$ (ipotesi $h>-1$). Moltiplicando i due membri dell'ipotesi induttiva per $(1+h)$: $(1+h)^{n}(1+h)\ge(1+nh)(1+h)$. Il fattore $(1+h)$ resta identico da entrambe le parti.
Mossa 3: svolgere il prodotto
$(1+nh)(1+h)=1+h+nh+nh^2=1+(n+1)h+nh^2$, quindi $(1+h)^{n+1}\ge 1+(n+1)h+nh^2$.
La conclusione
Poiché $nh^2\ge0$, si ha $1+(n+1)h+nh^2\ge1+(n+1)h$. Per transitività si ottiene $P(n+1)$. $\blacksquare$

Somma di una progressione geometrica dim. orale

Proposizione

Per $q\ne1$: $$\sum_{k=0}^{n}q^{k}=1+q+\dots+q^{n}=\frac{1-q^{\,n+1}}{1-q}.$$ Se $q=1$ la somma vale $n+1$.

Somme parziali della progressione geometricaanticipa la serie geometrica
0.6
Le due dimostrazioni

Per induzione. Base $n=0$: $q^0=1=\frac{1-q}{1-q}$. Passo: $$\sum_{k=0}^{n+1}q^k=\frac{1-q^{n+1}}{1-q}+q^{n+1}=\frac{1-q^{n+1}+q^{n+1}-q^{n+2}}{1-q}=\frac{1-q^{n+2}}{1-q}.\ \blacksquare$$

Trucco telescopico (più veloce). Posto $S_n=\sum_{k=0}^n q^k$, $$(1-q)S_n=\sum_{k=0}^{n}q^{k}-\sum_{k=0}^{n}q^{k+1}=q^0-q^{n+1}=1-q^{n+1},$$ da cui la tesi dividendo per $1-q\ne0$.

4 · Massimo, minimo, estremo superiore e inferiore

Definizioni

Sia $E\subseteq\R$ non vuoto.

  • $M\in\R$ è maggiorante di $E$ se $x\le M$ per ogni $x\in E$; $m$ è minorante se $x\ge m$ per ogni $x\in E$.
  • $M$ è massimo di $E$ se è maggiorante e $M\in E$. Analogamente il minimo.
  • $E$ è limitato superiormente se ammette almeno un maggiorante; limitato se lo è da entrambe le parti.
  • L'estremo superiore $\sup E$ è il minimo dei maggioranti; l'estremo inferiore $\inf E$ è il massimo dei minoranti.
Caratterizzazione dell'estremo superiore

$L=\sup E$ se e solo se valgono simultaneamente $$\text{(1)}\quad x\le L\ \ \forall x\in E;\qquad\qquad \text{(2)}\quad \forall\eps>0\ \ \exists x_\eps\in E:\ x_\eps>L-\eps.$$ Simmetricamente per $\ell=\inf E$: (1) $x\ge\ell\ \forall x\in E$; (2) $\forall\eps>0\ \exists x_\eps\in E: x_\eps<\ell+\eps$.

✓ Perché la proprietà (2) è quella che conta

La (1) dice solo che $L$ è un maggiorante; è la (2) a dire che è il più piccolo. Ed è la (2) che userai nella dimostrazione della regolarità delle successioni monotòne: fornisce un elemento $a_N$ vicino al sup, e la monotonia fa il resto. Imparala nella forma «$L-\eps$ non è un maggiorante».

Esploratore di sup e infmuovi $\eps$ e guarda la proprietà (2)
0.35

La proprietà di completezza

Teorema — completezza (o continuità) di $\R$

Ogni sottoinsieme di $\R$ non vuoto e limitato superiormente ammette estremo superiore in $\R$. Simmetricamente per l'estremo inferiore.

⚠ La completezza non vale in $\Q$

Sia $A=\{x\in\Q\ :\ x>0,\ x^2<2\}$. $A$ è non vuoto ($1\in A$) e limitato superiormente in $\Q$ (per esempio da $2$), ma non ha estremo superiore in $\Q$: il candidato sarebbe $\sqrt2$, che non è razionale. È questa la differenza strutturale fra $\Q$ e $\R$, e l'unica ragione per cui si introduce $\R$.

Da qui in avanti, ogni volta che un teorema garantisce l'esistenza di qualcosa senza costruirlo — una radice, un logaritmo, il numero $e$, il limite di una successione monotòna — dietro c'è la completezza.

5 · Radici, potenze, logaritmi

Teorema — esistenza della radice $n$-esima

Siano $y\ge0$ e $n\in\N$, $n\ge1$. Allora esiste un unico $x\ge0$ tale che $x^n=y$. Si scrive $x=\sqrt[n]y=y^{1/n}$. Se $n$ è dispari, la radice è definita anche per $y<0$.

Da qui si definiscono le potenze a esponente razionale, $a^{m/n}:=\sqrt[n]{a^m}$ per $a>0$, e poi quelle a esponente reale come estremo superiore:

$$a^{x}:=\sup\{a^{q}\ :\ q\in\Q,\ q\le x\}\qquad (a>1).$$
Teorema — esistenza del logaritmo

Siano $a>0$, $a\ne1$, e $y>0$. Allora esiste unico $x\in\R$ con $a^{x}=y$; si pone $x=\log_a y$. La base usuale è $a=e$, il numero di Nepero, e si scrive $\ln y$.

✓ Il filo conduttore

Tutte e tre le definizioni — radici, potenze reali, logaritmi — sono estremi superiori di opportuni insiemi. In $\Q$ quegli estremi non esisterebbero. È sempre la completezza. Se in sede d'esame ti chiedono «quale proprietà di $\R$ è fondamentale per definirli?», la risposta è una sola.

Perché sono tutti estremi superiori

Questo è il punto concettuale più importante della sezione, e di solito viene detto troppo in fretta. Il problema di fondo è sempre lo stesso:

Non sai costruire l'oggetto direttamente. Sai solo approssimarlo per difetto, quanto vuoi bene, con oggetti che già possiedi. Serve qualcosa che trasformi «approssimabile» in «esistente».

Quel qualcosa è la completezza.

Lo schema, in tre mosse — sempre le stesse

  1. Raccogli le approssimazioni per difetto in un insieme $E$, usando solo cose che sai già definire.
  2. Verifica le due ipotesi: $E\ne\emptyset$ ed $E$ è limitato superiormente. (Senza queste, la completezza non si applica.)
  3. La completezza ti regala $\sup E$, e tu definisci l'oggetto come quel numero. Resta poi da dimostrare che ha la proprietà voluta.

Caso guida: costruire $\sqrt2$

Vuoi un numero il cui quadrato faccia $2$. Non sai scriverlo, ma sai riconoscere chi gli sta sotto: i numeri il cui quadrato è minore di $2$. Poni

$$E=\{t\in\R\ :\ t\ge 0,\ t^{2}<2\}.$$

Per la completezza esiste $x=\sup E\in\R$. Si definisce $\sqrt2:=x$, e si dimostra poi che $x^{2}=2$ escludendo le due alternative: se fosse $x^2<2$ si troverebbe un elemento di $E$ maggiore di $x$ (contro il fatto che $x$ è maggiorante); se fosse $x^2>2$ si troverebbe un maggiorante più piccolo di $x$ (contro il fatto che $x$ è il minimo dei maggioranti).

✗ Lo stesso identico insieme, dentro $\Q$

Prendi $A=\{q\in\Q: q>0,\ q^2<2\}$. È non vuoto, è limitato superiormente, ma non ha estremo superiore in $\Q$: il candidato sarebbe $\sqrt2$, che non è razionale. Le approssimazioni $1;\ 1{,}4;\ 1{,}41;\ 1{,}414;\dots$ si accalcano tutte contro un punto che in $\Q$ non c'è. È letteralmente un buco nella retta razionale — e l'unica ragione per cui si introduce $\R$.

La macchina del suple approssimazioni salgono, il sup è la barriera
3

Gli altri tre casi, in parallelo

Cambia solo cosa metti dentro $E$. La struttura è identica.

OggettoCosa sai già fareL'insieme $E$
$\sqrt[n]{y}$  ($y\ge0$)elevare a potenza intera$\{t\ge0\ :\ t^{n}\lt y\}$
$a^{x}$  ($a>1$, $x\in\R$)$a^{q}$ per $q$ razionale, via le radici: $a^{m/n}=\sqrt[n]{a^{m}}$$\{a^{q}\ :\ q\in\Q,\ q\le x\}$
$\log_a y$  ($a>1$, $y>0$)$a^{q}$ per $q$ razionale$\{q\in\Q\ :\ a^{q}\le y\}$

Nota la catena di dipendenze: le potenze a esponente reale si appoggiano su quelle razionali, che si appoggiano sulle radici, che si appoggiano sulla completezza. E i logaritmi si appoggiano sulle potenze. Tolta la completezza, crolla tutto in fila.

Esempio concreto: che cos'è $2^{\pi}$?

$\pi$ è irrazionale, quindi $2^{\pi}$ non si può definire come «$2$ moltiplicato per sé stesso $\pi$ volte», né come una radice. Ma sai calcolare

$$2^{3},\quad 2^{3{,}1}=2^{31/10}=\sqrt[10]{2^{31}},\quad 2^{3{,}14}=\sqrt[100]{2^{314}},\quad 2^{3{,}141},\ \dots$$

— tutte potenze a esponente razionale, quindi radici, quindi già definite. Questi numeri crescono e restano limitati superiormente (per esempio da $2^{4}=16$). Allora si pone

$$2^{\pi}:=\sup\{2^{q}\ :\ q\in\Q,\ q\le\pi\}\approx 8{,}8249778\dots$$

Con $0\lt a<1$ la funzione $q\mapsto a^q$ è decrescente, quindi si usa l'estremo inferiore (o si passa a $1/a$). È l'unico dettaglio che cambia.

✓ La risposta da dare al Quesito 1.14

«Quale proprietà di $\R$ è fondamentale per poter definire radici, potenze e logaritmi?»

La completezza. Tutti e tre sono definiti come estremo superiore di un insieme di approssimazioni per difetto; la completezza è ciò che garantisce che quell'estremo superiore esista in $\R$. In $\Q$ gli stessi insiemi non hanno estremo superiore, e infatti $\sqrt2$, $2^\pi$ e $\log_2 5$ non sono razionali.

Dove rivedrai esattamente questo schema

La mossa «insieme limitato $\to$ completezza $\to$ esiste il sup $\to$ quello è l'oggetto cercato» tornerà, identica, nel teorema sulla regolarità delle successioni monotòne: lì l'insieme è $\{a_n:n\in\N\}$ e il sup è il limite. E da quel teorema discendono il numero $e$ e tutti i criteri di convergenza per le serie. Se capisci bene questo passaggio adesso, ne hai capiti quattro in anticipo.

Grandezze goniometriche

Circonferenza goniometricatrascina il punto sulla circonferenza
0.90
Le formule che servono per de Moivre

$$\sin(\alpha\pm\beta)=\sin\alpha\cos\beta\pm\cos\alpha\sin\beta,\qquad \cos(\alpha\pm\beta)=\cos\alpha\cos\beta\mp\sin\alpha\sin\beta.$$ Sono esattamente le identità che compariranno svolgendo il prodotto di due numeri complessi in forma trigonometrica. Impararle adesso significa non doverle ricostruire durante la dimostrazione.

6 · Valore assoluto e disuguaglianza triangolare

Definizione

$$|x|:=\begin{cases}x & x\ge0\\ -x & x<0\end{cases}\qquad\text{equivalentemente}\qquad |x|=\max\{x,-x\}=\sqrt{x^2}.$$

Lettura geometrica — quella da tenere in testa: $|x|$ è la distanza di $x$ dall'origine, e $|x-y|$ è la distanza fra $x$ e $y$. Ogni definizione di limite del corso sarà scritta con questa lettura: $|a_n-L|<\eps$ significa «$a_n$ dista da $L$ meno di $\eps$».

Teorema — disuguaglianza triangolare dim. orale

$$|a+b|\le|a|+|b|\qquad\forall a,b\in\R,$$ e nella forma inversa $\bigl||a|-|b|\bigr|\le|a-b|$.

Disuguaglianza triangolarequando vale l'uguale?
2.5
-1.5
Dimostrazione

Per ogni $x$ vale $-|x|\le x\le|x|$. Scrivendola per $a$ e per $b$ e sommando membro a membro: $$-(|a|+|b|)\le a+b\le |a|+|b|.$$ Poiché per $c\ge0$ si ha $-c\le t\le c\iff|t|\le c$, con $t=a+b$ e $c=|a|+|b|$ si ottiene la tesi. $\blacksquare$

Forma inversa: $|a|=|(a-b)+b|\le|a-b|+|b|$ dà $|a|-|b|\le|a-b|$; scambiando $a$ e $b$ si ottiene anche $|b|-|a|\le|a-b|$, e insieme $\bigl||a|-|b|\bigr|\le|a-b|$.

7 · I numeri complessi

In $\R$ l'equazione $x^2=-1$ non ha soluzioni, perché ogni quadrato è $\ge0$. Si introduce allora l'unità immaginaria $i$, con la sola regola $i^2=-1$, e si pone

$$\C:=\{z=a+ib\ :\ a,b\in\R\}.$$
Forma algebrica e operazioni

$a=\Real z$ è la parte reale, $b=\Imag z$ la parte immaginaria — entrambe numeri reali. Due complessi sono uguali sse coincidono parte reale e parte immaginaria.

$$ (a+ib)+(c+id)=(a+c)+i(b+d),\qquad (a+ib)(c+id)=(ac-bd)+i(ad+bc).$$

Coniugato $\bar z=a-ib$; modulo $|z|=\sqrt{a^2+b^2}$; vale $z\bar z=|z|^2$, da cui la divisione: $\dfrac zw=\dfrac{z\bar w}{|w|^2}$.

Opposto, inverso, coniugato, modulo: le proprietà della Lezione 3
  • Opposto di $z=a+ib$: $-z=-a-ib$, perché $z+(-z)=0$.
  • Inverso di $z\ne0$: si moltiplica sopra e sotto per il coniugato, $$(a+ib)^{-1}=\frac{1}{a+ib}\cdot\frac{a-ib}{a-ib}=\frac{a-ib}{a^2+b^2}=\frac{a}{a^2+b^2}+i\,\frac{-b}{a^2+b^2}.$$
  • Coniugato: $z\bar z=a^2+b^2=|z|^2$,   $\dfrac1z=\dfrac{\bar z}{|z|^2}$,   $\bar{\bar z}=z$,   $z+\bar z=2\Real z$,   $z-\bar z=2i\Imag z$.
  • Modulo: $|z|\ge0$ e $|z|=0\iff z=0$;   $|\Real z|\le|z|$,   $|\Imag z|\le|z|$;   $|z+w|\le|z|+|w|$ (disuguaglianza triangolare anche in $\C$).

Esempio della lezione: $\dfrac{1-2i}{1+i}=\dfrac{(1-2i)(1-i)}{(1+i)(1-i)}=\dfrac{1-i-2i+2i^2}{2}=\dfrac{-1-3i}{2}=-\dfrac12-\dfrac32\,i.$

⚠ $\C$ non è ordinato

Non esiste su $\C$ un ordinamento compatibile con le operazioni: scritture come $z>0$ o $z_1\lt z_2$ sono prive di senso (a meno che i numeri siano reali). Si può confrontare solo il modulo, che è un numero reale.

Il piano di Argand-Gauss

Piano complesso interattivotrascina $z$ nel piano

Forma trigonometrica ed esponenziale

Definizione

Per $z\ne0$, posti $\rho=|z|>0$ e $\theta=\arg z$ (tale che $\cos\theta=\frac a\rho$, $\sin\theta=\frac b\rho$): $$z=\rho(\cos\theta+i\sin\theta).$$ L'argomento è determinato a meno di multipli di $2\pi$. Nel corso l'argomento principale si sceglie in $\left[-\frac\pi2,\frac32\pi\right)$.

Formula di Eulero: $e^{i\theta}:=\cos\theta+i\sin\theta$, da cui la forma esponenziale $z=\rho\,e^{i\theta}$.

Come si calcola l'argomento principale (convenzione del corso)

Per $z=x+iy\ne0$ si ha $\dfrac yx=\dfrac{\rho\sin\theta}{\rho\cos\theta}=\tan\theta$. Ma $\arctan$ restituisce solo angoli in $\left(-\frac\pi2,\frac\pi2\right)$, l'intervallo in cui la tangente è invertibile, quindi: $$\theta=\begin{cases}\arctan\dfrac yx & x>0\\[8pt] \arctan\dfrac yx+\pi & x<0\\[8pt] \ \ \dfrac\pi2 & x=0,\ y>0\\[8pt] -\dfrac\pi2 & x=0,\ y<0\end{cases}$$

Così $\theta$ cade sempre in $\left[-\frac\pi2,\frac32\pi\right)$: primo e quarto quadrante da $\arctan$, secondo e terzo aggiungendo $\pi$. Molti libri usano invece $(-\pi,\pi]$: stesso numero complesso, argomento diverso di $2\pi$ nel terzo quadrante. All'esame usa la convenzione del corso.

✗ L'errore sull'argomento

$\theta=\arctan\frac yx$ vale solo nel primo e quarto quadrante ($x>0$). Per $x<0$ bisogna aggiungere $\pi$. Esempio: $z=-1+i\sqrt3$ ha $\arctan\frac{\sqrt3}{-1}=-\frac\pi3$, ma l'argomento corretto è $-\frac\pi3+\pi=\frac{2\pi}{3}$: il punto sta nel secondo quadrante. E $z=-1-i$ ha argomento $\frac\pi4+\pi=\frac54\pi$ (non $-\frac34\pi$, che è la stessa direzione ma fuori dall'intervallo del corso). Disegna sempre il punto prima di scrivere l'argomento.

Formule di de Moivre dim. scritto · n° 3

Teorema

$$z_1z_2=\rho_1\rho_2\bigl[\cos(\theta_1+\theta_2)+i\sin(\theta_1+\theta_2)\bigr],\qquad z^{\,n}=\rho^{\,n}\bigl[\cos(n\theta)+i\sin(n\theta)\bigr].$$ In parole: il prodotto moltiplica i moduli e somma gli argomenti.

Lettura geometrica (Lezione 3): moltiplicare $z$ per $w=R(\cos\varphi+i\sin\varphi)$ agisce come una dilatazione ($R>1$) o compressione ($R<1$) seguita da una rotazione di angolo $\varphi$. Per esempio moltiplicare per $i=\cos\frac\pi2+i\sin\frac\pi2$ ruota di $\frac\pi2$ senza cambiare il modulo: è l'opzione «mostra $iz$» del piano interattivo qui sopra.

de Moivre: le potenze di $z$una spirale, se $\rho\ne1$
1.05
0.70
8
Dimostrazione a passi coperti
Si svolge il prodotto
$z_1z_2=\rho_1\rho_2\bigl[(\cos\theta_1\cos\theta_2-\sin\theta_1\sin\theta_2)+i(\sin\theta_1\cos\theta_2+\cos\theta_1\sin\theta_2)\bigr]$, usando $i^2=-1$.
Cosa si riconosce nelle due parentesi?
Le formule di addizione: $\cos(\theta_1+\theta_2)$ e $\sin(\theta_1+\theta_2)$. Quindi $z_1z_2=\rho_1\rho_2[\cos(\theta_1+\theta_2)+i\sin(\theta_1+\theta_2)]$.
Potenza: quale tecnica?
Induzione su $n$. Base $n=0$: $z^0=1=\rho^0(\cos0+i\sin0)$. ✓
Passo induttivo
$z^{n+1}=z^n\cdot z$; applicando la formula del prodotto già dimostrata, $z^{n+1}=\rho^{n+1}[\cos((n+1)\theta)+i\sin((n+1)\theta)]$. $\blacksquare$
✗ Attenzione al circolo vizioso

Scrivere $z_1z_2=\rho_1e^{i\theta_1}\rho_2e^{i\theta_2}=\rho_1\rho_2e^{i(\theta_1+\theta_2)}$ non è una dimostrazione: la formula di Eulero definisce $e^{i\theta}$ tramite seno e coseno, e la proprietà $e^{i\alpha}e^{i\beta}=e^{i(\alpha+\beta)}$ è proprio de Moivre. All'esame usa le formule di addizione.

Radici $n$-esime dim. scritto · n° 4

Teorema

Sia $w=\rho(\cos\theta+i\sin\theta)\ne0$ e $n\ge1$. L'equazione $z^n=w$ ha esattamente $n$ soluzioni distinte: $$z_k=\sqrt[n]{\rho}\left[\cos\frac{\theta+2k\pi}{n}+i\sin\frac{\theta+2k\pi}{n}\right],\qquad k=0,1,\dots,n-1.$$

Radici $n$-esime: il poligono regolaretutte sullo stesso cerchio, equispaziate
5
1.6
0.60
Dimostrazione a passi coperti
Come si imposta?
Si cerca $z=r(\cos\varphi+i\sin\varphi)$ con $r>0$. Per de Moivre, $z^n=r^n[\cos(n\varphi)+i\sin(n\varphi)]$.
Quando due complessi in forma trigonometrica coincidono?
Stesso modulo e argomenti congrui modulo $2\pi$. Imponendo $z^n=w$: $r^n=\rho$ e $n\varphi=\theta+2k\pi$ con $k\in\Z$.
Si risolve
$r=\sqrt[n]\rho$ (unica radice reale positiva, esiste per completezza) e $\varphi_k=\frac{\theta+2k\pi}{n}$.
Perché esattamente $n$ e non infinite? (il ragionamento del prof)
Si scrive $\varphi_k=\frac\theta n+2\pi\,\frac kn$ e si divide $k$ per $n$ con resto: $k=nq+h$, con quoziente $q\in\Z$ e resto $h\in\{0,1,\dots,n-1\}$. Allora $$\varphi_k=\frac\theta n+\frac{2\pi(nq+h)}{n}=\frac\theta n+\frac{2h\pi}{n}+2q\pi,$$ e il termine $2q\pi$ non cambia il numero complesso. Quindi ogni $k\in\Z$ dà la stessa radice di un $h\in\{0,\dots,n-1\}$.

Queste $n$ sono distinte: gli argomenti $\frac\theta n+\frac{2h\pi}{n}$ con $h=0,\dots,n-1$ distano fra loro meno di $2\pi$, quindi non possono differire di un multiplo non nullo di $2\pi$. $\blacksquare$
Notazione degli appunti: $w=Re^{i\varphi}$, $z=re^{i\theta}$, $\theta_h=\frac\varphi m+\frac{2h\pi}{m}$ con $h=0,\dots,m-1$. A pagina 5 della Lezione 3 c'è scritto «$im\theta=i\varphi+2k\pi$»: la condizione giusta è $m\theta=\varphi+2k\pi$, cioè senza le $i$.
La lettura geometrica
Stesso modulo $\sqrt[n]\rho$, argomenti a distanza $\frac{2\pi}{n}$: sono i vertici di un poligono regolare di $n$ lati. Per $w=1$ si ottengono le radici $n$-esime dell'unità $e^{2k\pi i/n}$, la cui somma è $0$ per $n\ge2$.

Teorema fondamentale dell'algebra

Teorema

Ogni polinomio di grado $n\ge1$ a coefficienti complessi ha almeno una radice in $\C$. Iterando, ne ha esattamente $n$ contate con molteplicità: $$P(z)=a_n(z-z_1)(z-z_2)\cdots(z-z_n).$$

Si dice che $\C$ è algebricamente chiuso: passando da $\R$ a $\C$ si risolve non solo $x^2=-1$, ma ogni equazione polinomiale. Una conseguenza utile negli esercizi: se il polinomio ha coefficienti reali, le radici non reali compaiono a coppie coniugate.

Mettiti alla prova

Domande nello stile della prima parte della prova. Le opzioni sono mescolate a ogni giro.

Errori tipici della Sezione 1

  • Confondere massimo e estremo superiore. Il sup esiste sempre (per insiemi limitati superiormente), il massimo solo se è assunto. $\sup(0,2)=2$ ma il massimo non esiste.
  • Scrivere $\min E$ quando serve $\inf E$. Nella prima parte della prova questa distinzione è chiesta quasi sempre.
  • Nell'induzione, «dimostrare» $P(n)$ invece di supporla. $P(n)$ è l'ipotesi induttiva.
  • Dimenticare la base dell'induzione, o verificarla nel punto sbagliato quando l'enunciato parte da $n_0>0$.
  • In Bernoulli, non giustificare il verso della disuguaglianza quando si moltiplica per $(1+h)$.
  • Calcolare l'argomento con $\arctan\frac ba$ senza guardare il quadrante.
  • Scrivere $\sqrt[n]{w}$ in $\C$ come se fosse un solo numero. Sono $n$.
  • Usare disuguaglianze fra numeri complessi. $\C$ non è ordinato.
  • Dimostrare de Moivre con la forma esponenziale. È circolare.