G5-Ej.12b

[!infobox] Teorema: Continuidad Uniforme con Límites Nulos Contexto: Análisis Real / Continuidad Uniforme. Enunciado: Sea f:RRf: \mathbb{R} \to \mathbb{R} una función continua tal que limx±f(x)=0\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = 0. Entonces, ff es uniformemente continua en todo R\mathbb{R}. Clave: Se utiliza la técnica de partición del dominio: control por acotación en las "colas" y Teorema de Heine-Cantor en un compacto ampliado.

Demostración Rigurosa

Sea ϵ>0\epsilon > 0 arbitrario. Debemos encontrar δ>0\delta > 0 tal que para todo x,yRx, y \in \mathbb{R}, si xy<δ    f(x)f(y)<ϵ|x - y| < \delta \implies |f(x) - f(y)| < \epsilon.

1. Control en el infinito (Acotación) Por hipótesis, limx±f(x)=0\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = 0. Por definición de límite, existe un K>0K > 0 suficientemente grande tal que:

xK    f(x)<ϵ2|x| \ge K \implies |f(x)| < \frac{\epsilon}{2}

2. Control en el compacto (Heine-Cantor) Consideremos el intervalo cerrado y acotado I=[K1,K+1]I = [-K-1, K+1]. Dado que ff es continua en R\mathbb{R}, es continua en II. Como II es un conjunto compacto, por el Teorema de Heine-Cantor, ff es uniformemente continua en II. Por tanto, existe un δ1>0\delta_1 > 0 tal que para todo u,vIu, v \in I:

uv<δ1    f(u)f(v)<ϵ|u - v| < \delta_1 \implies |f(u) - f(v)| < \epsilon

3. Elección del δ\delta global Definimos δ=min{1,δ1}\delta = \min\{1, \delta_1\}. Sean x,yRx, y \in \mathbb{R} tales que xy<δ|x - y| < \delta. Analizamos los casos posibles:

  • Caso A: Al menos uno de los puntos está en [K,K][-K, K]. Supongamos sin pérdida de generalidad que x[K,K]x \in [-K, K]. Como xy<δ1|x - y| < \delta \le 1, la distancia máxima de yy al origen es:
yx+yx<K+1|y| \le |x| + |y - x| < K + 1
Esto implica que tanto $x$ como $y$ pertenecen al intervalo ampliado $I = [-K-1, K+1]$.
Aplicando la continuidad uniforme en $I$ (Paso 2):
f(x)f(y)<ϵ|f(x) - f(y)| < \epsilon
  • Caso B: Ninguno de los puntos está en [K,K][-K, K]. Esto significa que x>K|x| > K y y>K|y| > K. Ambos puntos están en las "colas" de la función. Aplicando la cota del Paso 1 y la desigualdad triangular:
f(x)f(y)f(x)+f(y)<ϵ2+ϵ2=ϵ|f(x) - f(y)| \le |f(x)| + |f(y)| < \frac{\epsilon}{2} + \frac{\epsilon}{2} = \epsilon

Conclusión: En cualquiera de los casos, se cumple que f(x)f(y)<ϵ|f(x) - f(y)| < \epsilon. Por lo tanto, ff es uniformemente continua en R\mathbb{R}. \blacksquare