G1-E12

Sea ARA\subseteq \mathbb{R} acotado superiormente y no vacío. Probar que si AA no tiene máximo entonces existe (an)nNA( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq A estrictamente creciente tal que annsup(A)a_{n}\underset{ n\to \infty }{ \to } sup(A)


Comentario

Una consideración, si el ejercicio no me pediría una sucesión estrictamente creciente podría tomar un nNn \in \mathbb{N} tal que

s1n<annNs- \frac{1}{n}<a_{n}\quad \forall n\in \mathbb{N}

¿Como aseguro que anAnNa_{n}\in A\quad\forall n \in \mathbb{N} ? Como 1n>0\frac{1}{n}>0 , si considero ε=1n\varepsilon= \frac{1}{n} por propiedad de supremo anAsε<an\:\exists\:a_{n}\in A\:|\:s-\varepsilon<a_{n}
Así, afirmo que limnan=s=sup(A)\underset{ n\to \infty }{ \lim }a_{n}=s=sup(A) Dado ε>0\varepsilon>0 tomo n0Nn_{0} \in \mathbb{N} tal que 1n0<ε\frac{1}{n_{0}}<\varepsilon que existe por arquimedianidad. Luego, si nn0n\geq n_{0}:

anl=ans>(s1n)s=1n1n0<ε|a_{n}-l|=|a_{n}-s| >|(\cancel{ s }- \frac{1}{n})-\cancel{ s }|= \frac{1}{n}\leq \frac{1}{n_{0}}<\varepsilon

Como ε\varepsilon era arbitrario, queda que existe (an)nNA( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq A limnan=s\underset{ n\to \infty }{ \lim }a_{n}=s


Desarrollo de la idea

¿Ahora cómo salvo eso de que sea estrictamente creciente?

El problema con la consideración anterior es que no podes asegurar que

an1<annN(1)a_{n-1}<a_{n}\quad \forall n\in \mathbb{N}\tag{1}

Un escenario ideal sería que pasara esto: Draw-Avanzado-G1-E12-1 Entonces si se cumpliría (1), pero esto no podemos asegurar que pasa. Pues a priori el ana_{n} que generamos no tiene ninguna condición impuesta por nosotros para que sea no solo mayor a sεs-\varepsilon (que si lo hace por propiedad) sino también mayor al término anterior que generamos.

Un ejemplo sería este: Draw-Avanzado-G1-E12-2 Acá generamos los términos de la sucesión cumpliendo que sean mayores a sus respectivos sεs-\varepsilon pero no cumplen an<an+1a_{n}<a_{n+1}

Esto se arregla tomando ε\varepsilon de la siguiente manera:

ε=min{1n,san1}\varepsilon=min\left\{ \frac{1}{n},s-a_{n-1} \right\}

La manera de ilustrar esto sería: Estoy por generar el término ana_{n}, tengo que considerar un ε\varepsilon acorde a lo pedido y hasta ahora tengo esto:

Draw-Avanzado-G1-E12-3

Para asegurar que an1<ana_{n-1}<a_{n} debo elegir el mínimo de los 2 epsilons posibles.


Demostración

Dem:Dem: Como AA no tiene máximo entonces s=sup(A)∉As=sup(A)\not\in A y por lo tanto a<saAa<s\quad\forall a \in A Tomo un elemento aA,a\in A, existe pues AA\neq \emptyset . Por axioma de completitud existe s=sup(A)s=sup(A) Defino mi primer término de la sucesión como a1=aa_{1}=a. Defino mi sucesión de la siguiente manera: Dado nNn \in \mathbb{N} tomo anAa_{n}\in A tal que sε<ans- \varepsilon<a_{n} con ε=min{1n,san1}\varepsilon=min\left\{ \frac{1}{n},s-a_{n-1} \right\}

Afirmo:

  • La sucesión (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es estrictamente creciente.
an<an+1nNa_{n}<a_{n+1}\quad \forall n \in \mathbb{N}

Dado nNn \in \mathbb{N}, como εsan1\varepsilon\leq s-a_{n-1} entonces

sεs(san1)=an1s-\varepsilon\geq s-(s-a_{n-1})=a_{n-1}

Como fijé ε\varepsilon al tomar ana_{n} tal que

sε<ans-\varepsilon<a_{n}

Me queda que

an1sε<ana_{n-1}\leq s-\varepsilon<a_{n}

Como nn era arbitrario

an1<annNa_{n-1}<a_{n}\quad \forall n \in \mathbb{N}
  • Afirmo limnan=s\underset{ n\to \infty }{ \lim }a_{n}=s Dado ε>0\varepsilon>0, existe n0Nn_{0}\in \mathbb{N} tal que 1n0<ε\frac{1}{n_{0}}<\varepsilon

Por lo tanto sε<s1n0<ans-\varepsilon< s-\frac{1}{n_{0}}< a_{n} por construcción de la sucesión para todo nn0n\geq n_{0}     san<ε\implies s-a_{n}<\varepsilon Así, si nn0n\geq n_{0}:

ans=an<ssan<εnN|a_{n}-s|\underset{ a_{n}<s }{ = }s-a_{n}<\varepsilon \quad \forall n \in\mathbb{N}

Como ε\varepsilon era arbitrario, tengo que ε>0n0Nans<εnn0\forall\varepsilon>0\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm||a_{n}-s|<\varepsilon \quad\forall n\geq n_{0}

limnan=sup(A)\underset{ n\to \infty }{ \lim } a_{n}=sup(A)

Finalmente, existe (an)nNA( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq A estrictamente creciente tal que ansup(A)a_{n}\longrightarrow sup(A)

\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