G1-E7

Sea f:[a,b]→[a,b]f: [a, b] \to [a, b] creciente. Supongamos que f(a)>af(a) > a. Sea

x0=sup⁡{x∈[a,b]:f(x)>x}.x_0 = \sup \{x \in [a, b] : f(x) > x\}.

Pruebe que f(x0)=x0f(x_0) = x_0.

Dem:Dem: Considero A={x∈[a,b]:f(x)>x}A=\{x \in [a, b] : f(x) > x\} Asumo que x0∈[a,b]x_{0}\in[a,b] pues sino no tendría sentido evaluar f(x0)f(x_{0})

Por hipótesis, x0=sup(A)x_{0}=sup(A). Como es cota superior de A:A:

x≤x0∀x∈A(1)x\leq x_{0}\quad \forall x\in A\tag{1}

Además, como ff es creciente, por (1)

f(x)≤f(x0)(2)f(x)\leq f(x_{0})\tag{2}

Dado ε\varepsilon, como x0x_{0} es supremo tengo que

 ∃ x∈A:x0−ε<x\:\exists\:x \in A:x_{0}-\varepsilon<x

Luego como x∈A:x<f(x)x \in A:x<f(x) y por (2):

x0−ε<x<f(x)≤f(x0)  ⟹  x0−ε<f(x0)\begin{array}{c} x_{0}-\varepsilon<x<f(x)\leq f(x_{0}) \\ \implies x_{0}-\varepsilon<f(x_{0}) \end{array}

Como ε\varepsilon era arbitrario y por ejercicio 1 de la guía 1:

∴ x0≤f(x0)\therefore\: x_{0}\leq f(x_{0})

Quiero ver que x0≥f(x0)x_{0}\geq f(x_{0}), asumo que x0<f(x0)x_{0}<f(x_{0}) Considero ε=f(x0)−x0>0\varepsilon=f(x_{0})-x_{0}>0 Como x0x_{0} es supremo entonces,

 ∃ x∈A:x0−ε<x\:\exists\:x \in A:x_{0}-\varepsilon<x

Además como x∈A:x \in A:

x<f(x)x<f(x) x0−(f(x0)−x0)=f(x0)<x<f(x)\cancel{ x_{0} }-(f(x_{0})-\cancel{ x_{0 }})=f(x_{0})<x<f(x) f(x0)<f(x)(1)f(x_{0})<f(x)\tag{1}

Además como x0x_{0} es cota superior

∀x∈A:x≤x0\forall x \in A:x\leq x_{0}

y también como ff es creciente

f(x)≤f(x0)(2)f(x)\leq f(x_{0})\tag{2}

De (1) y (2) llego a un absurdo, por lo tanto:

x0≥f(x0)x_{0}\geq f(x_{0})

Finalmente obtengo que f(x0)=x0f(x_{0})=x_{0}

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Otra idea

Supongo que f(x0)>x0f(x_{0})>x_{0} considero ε=f(x0)−x02\varepsilon=\frac{f(x_{0})-x_{0}}{2} o también f(x0)>x0+f(x0)2=x0+εf(x_{0})>\frac{x_{0}+f(x_{0})}{2}=x_{0}+\varepsilon

f(x0+ε)≤x0+εf(x_{0}+\varepsilon)\leq x_{0}+\varepsilon

pues x0x_{0} es supremo de AA

f(x0)≤f(x0+ε)≤x0+εf(x_{0})\leq f(x_{0}+\varepsilon)\leq x_{0}+\varepsilon

Resuelto en la clase práctica 3