Supremo e ínfimo
Em matemática , definem-se os conceitos de majorante/cota superior , minorante/cota inferior , máximo , mínimo , supremo e ínfimo . Embora estes conceitos estejam todos relacionados, são bem diferentes.
Na análise real , estes conceitos adquirem relevância desde a própria construção dos números reais e estão intimamente ligados à ideia de limite .
Definições
Seja
S
{\displaystyle S\,}
, um subconjunto de um conjunto
P
{\displaystyle P\,}
parcialmente ordenado pela relação
≤
{\displaystyle \leq \,}
.
Um elemento
M
∈
P
{\displaystyle M\in P\,}
é dito majorante , limite superior ou cota superior de
S
{\displaystyle S\,}
se:
x
≤
M
,
∀
x
∈
S
{\displaystyle x\leq M,~~\forall x\in S}
Um elemento
m
∈
P
{\displaystyle m\in P\,}
é dito minorante , limite inferior ou cota inferior de
S
{\displaystyle S\,}
se:
m
≤
x
,
∀
x
∈
S
{\displaystyle m\leq x,~~\forall x\in S}
Um elemento
s
∈
P
{\displaystyle s\in P\,}
é dito supremo de
S
{\displaystyle S\,}
se for o menor dos majorantes:
x
≤
s
,
∀
x
∈
S
{\displaystyle x\leq s,~~\forall x\in S}
e
x
≤
s
′
,
∀
x
∈
S
⇒
s
≤
s
′
{\displaystyle x\leq s',~~\forall x\in S\Rightarrow s\leq s'}
Um elemento
i
∈
P
{\displaystyle i\in P\,}
é dito ínfimo de
S
{\displaystyle S\,}
se for o maior dos minorantes:
i
≤
x
,
∀
x
∈
S
{\displaystyle i\leq x,~~\forall x\in S}
e
i
′
≤
x
,
∀
x
∈
S
⇒
i
′
≤
i
{\displaystyle i'\leq x,~~\forall x\in S\Rightarrow i'\leq i}
Um majorante
M
∈
P
{\displaystyle M\in P\,}
é dito máximo de
S
{\displaystyle S\,}
se
M
∈
S
{\displaystyle M\in S\,}
.
Um minorante
m
∈
P
{\displaystyle m\in P\,}
é dito mínimo de
S
{\displaystyle S\,}
se
m
∈
S
{\displaystyle m\in S\,}
.
Se um conjunto tem majorante, diz-se que está limitado superiormente .
Se um conjunto tem minorante, diz-se que está limitado inferiormente .
Notação
Se um conjunto
S
{\displaystyle S\,}
possui máximo, ele é denotado:
max
S
=
max
x
∈
S
x
{\displaystyle \max S=\max _{x\in S}x}
Se um conjunto
S
{\displaystyle S\,}
possui mínimo, ele é denotado:
min
S
=
min
x
∈
S
x
{\displaystyle \min S=\min _{x\in S}x}
Se um conjunto
S
{\displaystyle S\,}
possui supremo, ele é denotado:
sup
S
=
sup
x
∈
S
x
{\displaystyle \sup S=\sup _{x\in S}x}
Se um conjunto
S
{\displaystyle S\,}
possui ínfimo, ele é denotado:
inf
S
=
inf
x
∈
S
x
{\displaystyle \inf S=\inf _{x\in S}x}
Se
f
:
S
→
P
{\displaystyle f:S\to P\,}
é uma função de um conjunto
S
{\displaystyle S\,}
em um conjunto parcialmente ordenado
P
{\displaystyle P\,}
, então usa-se a notação:
sup
f
(
S
)
=
sup
x
∈
S
f
(
x
)
{\displaystyle \sup f(S)=\sup _{x\in S}f(x)}
e suas análogas.
Completude
Seja (A , ≤) um conjunto parcialmente ordenado. A é dito completo se para todo conjunto B ⊆A , B ≠∅, se B tem majorante, então tem supremo.
Este conceito não deve ser confundido com a completude lógica nem com a completude de uma teoria axiomática , pois são conceitos diferentes.
Exemplos
O intervalo fechado
[
0
,
1
]
=
{
x
∈
R
:
0
≤
x
≤
1
}
{\displaystyle \left[0,1\right]=\left\{x\in \mathbb {R} :\;0\leq x\leq 1\right\}\,}
possui um elemento mínimo
0
{\displaystyle 0}
e máximo
1
{\displaystyle 1}
.
O intervalo semi fechado
[
0
,
1
)
=
[
0
,
1
[
=
{
x
∈
R
:
0
≤
x
<
1
}
{\displaystyle \left[0,1\right)=\left[0,1\right[=\left\{x\in \mathbb {R} :\;0\leq x<1\right\}\,}
possui um elemento mínimo
0
{\displaystyle 0}
, todo
x
≥
1
,
x
∈
R
,
{\displaystyle x\geq 1,x\in \mathbb {R} ,}
é majorante do conjunto e seu supremo nos reais é o
1
{\displaystyle 1}
que não pertence ao conjunto e, portanto, esse conjunto não tem máximo.
{
x
∈
Q
:
x
2
≤
2
}
{\displaystyle \left\{x\in \mathbb {Q} :x^{2}\leq 2\right\}}
Esse conjunto possui um supremo real,
2
{\displaystyle {\sqrt {2}}\,}
e infinitas cotas superiores racionais. No entanto, não possui supremo nos números racionais . Portanto, o conjunto dos números racionais não é completo. Por outro lado, o conjunto dos números reais é completo.
Esse conjunto tem mínimo
∅
{\displaystyle \varnothing }
e máximo
A
{\displaystyle A}
, segundo a ordem
⊆
{\displaystyle \subseteq }
.
Todo
B
⊆
P
(
A
)
,
B
≠
∅
{\displaystyle B\subseteq {\mathcal {P}}\!\left(A\right),B\neq \varnothing }
tem supremo e ínfimo em
P
(
A
)
{\displaystyle {\mathcal {P}}\!\left(A\right)}
, segundo a ordem
⊆
{\displaystyle \subseteq }
.
Propriedades
inf
S
≤
sup
S
{\displaystyle \inf S\leq \sup S\,}
, contanto que ambos existam.
Propriedades de monotonicidade :
A
⊆
B
⟹
sup
A
≤
sup
B
{\displaystyle A\subseteq B\Longrightarrow \sup A\leq \sup B\,}
, contanto que ambos existam.
A
⊆
B
⟹
inf
B
≤
inf
A
{\displaystyle A\subseteq B\Longrightarrow \inf B\leq \inf A\,}
, contanto que ambos existam.
Propriedades algébricas:
Se
A
{\displaystyle A}
e
B
{\displaystyle B}
são conjuntos limitados e
A
+
B
=
{
x
+
y
:
x
∈
A
,
y
∈
B
}
{\displaystyle A+B=\{x+y:x\in A,y\in B\}}
então
sup
(
A
+
B
)
=
sup
A
+
sup
B
{\displaystyle \sup(A+B)=\sup A+\sup B}
e
inf
(
A
+
B
)
=
inf
A
+
inf
B
{\displaystyle \inf(A+B)=\inf A+\inf B}
.
Se
A
{\displaystyle A}
é um conjunto limitado e
k
∈
R
{\displaystyle k\in \mathbb {R} }
então
sup
(
k
A
)
=
{
k
sup
A
,
if
k
≥
0
,
k
inf
A
,
if
k
<
0
,
{\displaystyle \sup(kA)={\begin{cases}k\sup A,&{\text{if }}k\geq 0,\\k\inf A,&{\text{if }}k<0,\end{cases}}}
e
inf
(
k
A
)
=
{
k
inf
A
,
se
k
≥
0
,
k
sup
A
,
se
k
<
0
,
{\displaystyle \inf(kA)={\begin{cases}k\inf A,&{\text{se }}k\geq 0,\\k\sup A,&{\text{se }}k<0,\end{cases}}}
onde
k
A
=
{
k
x
:
x
∈
A
}
.
{\displaystyle kA=\{kx:x\in A\}.}
(Ver Elon Lages Lima).
No conjunto de números reais
Todo conjunto não-vazio de números reais limitado superiormente possui um supremo.
Todo conjunto não-vazio de números reais limitado inferiormente possui um ínfimo.
Considerando os reais estendidos,
R
e
=
R
∪
{
−
∞
,
+
∞
}
{\displaystyle \mathbb {R} _{e}=\mathbb {R} \cup \{-\infty ,+\infty \}}
, podemos considerar:
O supremo de um conjunto não limitado superiormente é definido como
+
∞
{\displaystyle +\infty \,}
.
O ínfimo de um conjunto não limitado inferiormente é definido como
−
∞
{\displaystyle -\infty \,}
.
Na notação de supremo, temos que uma função
f
:
D
→
R
{\displaystyle f:D\to \mathbb {R} \,}
é limitada se e somente se :
∃
sup
x
∈
D
|
f
(
x
)
|
{\displaystyle \exists \sup _{x\in D}|f(x)|}
, ou, considerando os reais estendidos,
sup
x
∈
D
|
f
(
x
)
|
<
∞
{\displaystyle \sup _{x\in D}|f(x)|<\infty }
Supremo e ínfimo do conjunto vazio
Ainda considerando os números reais estendidos, por completeza e a fim de manter a monotonicidade, definem-se o supremo e o ínfimo do conjunto vazio (quando este é visto como um subconjunto dos reais):
sup
∅
=
−
∞
{\displaystyle \sup \emptyset =-\infty \,}
inf
∅
=
∞
{\displaystyle \inf \emptyset =\infty \,}
Lista de Referências
↑ Lima, Elon Lages (1987). Curso de Análise (vol. 1) . Brasília: IMPA-Cnpq. pp. 243–245. ISBN 9-216-05138-8