Insiemi numerici. Sono noti l insieme dei numeri naturali: N = {1, 2, 3, }, l insieme dei numeri interi relativi:

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1 Isiemi umerici Soo oti l isieme dei umeri aturali: N {1,, 3,, l isieme dei umeri iteri relativi: Z {0, ±1, ±, ±3, N {0 ( N e, l isieme dei umeri razioali: Q {p/q : p Z, q N. Si ottiee questo ultimo isieme, co costruzioi diverse ma equivaleti, aggiugedo i reciproci degli iteri relativi o ulli ed i loro multipli, stabiledo ua relazioe di equivaleza (ogi umero razioale ha tate rappresetazioi diverse: e defiedo opportuamete le operazioi di somma e di prodotto. Il risultato è u isieme che ha la struttura algebrica di campo, cioè soo defiite due operazioi (somma e prodotto, etrambe commutative e associative ed etrambe dotate di elemeto eutro. L elemeto eutro rispetto alla somma viee chiamato zero, metre quello rispetto al prodotto viee chiamato uità o uo. ogi elemeto di Q ammette opposto ed ogi elemeto di Q \ {0 ammette reciproco. vale la proprietà distributiva (del prodotto rispetto alla somma: a (b + c a b + a c ioltre su Q è defiita ua relazioe di ordie totale (quella usuale che è compatibile co le operazioi, cioè a Q vale a a (proprietà riflessiva (a b (b a a b (a b (b c a c (proprietà atisimmetrica (proprietà trasitiva (a b (c Q a + c b + c (a b (c > 0 a c b c Ogi campo i cui è defiita ua relazioe di ordie co queste proprietà viee chiamato campo ordiato. Si verifica facilmete che i ogi campo ordiato (o baale, cioè o costituito da u solo elemeto i quadrati soo o egativi e, di cosegueza, l uità è positiva. I umeri razioali possoo essere disposti su ua retta: ua volta fissate le posizioi di 0 e di 1 tutti gli altri umeri della forma p/q possoo essere facilmete idividuati co semplici costruzioi geometriche: ogi umero razioale ha u posto sulla retta, ma o è detto che ad ogi puto sulla retta corrispoda ua frazioe che e idividui la posizioe: per esempio il puto che idica la lughezza della diagoale del quadrato di lato uitario o ha ascissa razioale: ifatti l equazioe p q o ha soluzioi itere. Ogi umero razioale ammette ua rappresetazioe decimale fiita o periodica (basta svolgere la divisioe: per esempio 1 3 0, 3, 1 0 0, 05, 1 7 0, 14857, 1, Si osservi che , 3 0, 9 quidi ci soo umeri razioali che ammettoo 3 due rappresetazioi decimali diverse. Ioltre è facile scrivere u allieameto decimale o periodico, che quidi o può ammettere frazioe geeratrice e quidi o può essere u umero razioale, per esempio 0,

2 I tutti gli isiemi umerici i cui sia stata defiita ua relazioe d ordie ha seso parlare di isiemi umerici limitati superiormete o iferiormete e di maggiorati e miorati: se E è u sottoisieme di u isieme ordiato X si dice che α X è u maggiorate di E se e E vale α e. β X è u miorate di E se e E vale β e. E è superiormete limitato se ammette almeo u maggiorate. E è iferiormete limitato se ammette almeo u miorate. E è limitato se è limitato sia superiormete che iferiormete. α è il massimo di E se α E e e E vale α e. β è il miimo di E se β E e e E vale β e. Il campo dei umeri reali: R. R è il completameto del campo razioale. (assioma di cotiuità: È u campo ordiato che ha la seguete proprietà AC Se A e B soo due sottoisiemi o vuoti di R e per ogi a A, b B è a b allora esiste almeo uo ξ R tale che a ξ b a A, b B. Come cosegueza il campo reale ha la proprietà che ogi isieme o vuoto e superiormete limitato ammette estremo superiore, cioè l isieme dei maggiorati di questo isieme ammette miimo (esiste u umero reale che è il miimo di questo isieme. L estremo superiore l di u isieme (limitato A R, come miimo dei maggiorati, ha questa (ovvia proprietà che caratterizza, tra tutti i maggiorati, l estremo superiore: ogi umero miore di l o può essere u maggiorate, quidi se l < l deve esserci i A almeo u elemeto che supera l i simboli l sup A l < l a A : l < a l. Aalogamete ogi isieme o vuoto e iferiormete limitato ammette estremo iferiore (il massimo dei miorati che ha la proprietà caratteristica: se λ è l estremo iferiore di E e λ > λ allora λ if A λ > λ ã A : λ ã < λ. L isieme dei umeri razioali può essere messo i corrispodeza biuivoca co N (si dice che Q è umerabile, si può dimostrare che questo o è possibile per R (si dice che R o è umerabile ed ha la poteza del cotiuo. Ogi umero reale può però essere approssimato tato bee quato si vuole co umeri razioali (si dice che Q è deso i R. Nell isieme dei umeri reali positivi l equazioe x α (α > 0 ha sempre ua e ua sola soluzioe, che viee i geerale idicata co x α o co x α 1/. Per esempio el caso la soluzioe dell equazioe x α è x sup {x > 0 : x < α.

3 Fattoriali, coefficieti biomiali, poteza del biomio Per ogi itero aturale si defiisce fattoriale il prodotto di tutti i umeri iteri compresi tra 1 ed :! 1 3 la defiizioe può essere fatta per ricorreza: 1! 1 e, per ogi > 1! ( 1!. Per ogi coppia di iteri, k co 1 k 1 si defiisce coefficiete biomiale (si legge ee su cappa (! ( 1 ( k + 1 k k! ( k! k! ( ( Si verifica immediatamete che ioltre poedo (è ua covezioe, di k k per sé o avrebbe ( seso 0! 1 si può dare seso al coefficiete biomiale ache ei casi ( k 0 e k : 1. 0 ( È comodo ordiare i coefficieti biomiali i ua tabella (triagolo di Tartaglia i cui si k trova all icrocio della riga di idice co la coloa di idice k: k i questa tabella si vede immediatamete che ogi riga è simmetrica rispetto al cetro, ifatti ( (, ioltre ogi termie o agli estremi di ua riga può essere otteuto come k k somma dei due termii della riga precedete, uo sulla stessa coloa, l altro ella coloa precedete, cioè ( ( ( k k k 1 Il termie coefficiete biomiale sopra itrodotto è giustificato dalla seguete formula: (a + b k0 ( k a k b k. 3

4 Progressioi aritmetiche. Somma dei primi umeri aturali: ( ( 1 + k. Somma dei primi umeri dispari: ( 1 (k 1. Somma di umeri aturali cosecutivi: k k 00 Esempi, esercizi, formule 99 k ( oppure: k (99 + k 99 + k ( Somma di termii di ua progressioe aritmetica: (5k (5k + (5k + 5 k Progressioi geometriche. 1 + a + a + + a 1 + a 5 ( a k 1 a+1 1 a si ottiee dalla ota formula x +1 y +1 (x y (x + x 1 y + x y + + xy 1 + y poedo x 1, y a. { 3 Cosegueza 0, 3 sup. k 3 3 k k +1 k quidi 0, , 345 1, + 0, { 1 sup k 1 ( ( 1 0, da cui la ota formula per la frazioe geeratrice ( k 4

5 Per ciascuo dei segueti isiemi stabilire se è limitato, se ammette massimo e/o miimo e determiare l estremo superiore e l estremo iferiore. 1. A (3, 5] {x R : 3 < x 5. B [3, 5 {x R : 3 x < 5 3. C [3, 5 {7 {x R : (3 x < 5 (x 7 4. N {1,, 3,,. 5. D {1, 1, 13,, 1, { 1, N { 1 ( 1 ( 1 6. E { 1,, 13,,, 7. F {1 + 1, N, N ( 8. G {( , N ( 9. H {( 1 1 1, N { + m. I m,, m N { + m 11. J m,, m N { 3m 1. K m,, m N {( 13. L, 0, 1,,, {( M, 0, 1,,, 11 {( 15. N, N 16. O {x : x s/r, r R, s S dove R ( 3, /3] [1, 4], S [ 4, 3. 5

6 1. A (3, 5] {x R : 3 < x 5 if A 3, sup A max A 5.. B [3, 5 {x R : 3 x < 5 if B mi B 3, sup B C [3, 5 {7 {x R : (3 x < 5 (x 7 if C mi C 3, sup C max C N {1,, 3,,. if N mi N 1, N o è superiormete limitato (sup N D {1, 1, 13,, 1 { 1,, N if D 0, sup D max D 1. { 1 ( 1 ( 1 6. E { 1,, 13,,, if E mi E 1, sup E max E F {1 + 1, N if F 1, sup F max F. ( 8. G {( , N, N if G mi G, sup G max G H ( {( 1 1 1, N if H 1, sup H 1. { + m. I m,, m N { 1 m + 1,, m N. if I 0, sup I max I. { + m { 11. J m,, m N m + m,, m N { q + 1 q, q Q +. sup J +, if J mi J. { { 3m 1. K m,, m N m 3,, m N. { { 3 Posto I 1 m, m N, I, N si ha I {x y, x I 1, y I quidi if I 3, sup I. 6

7 13. L {(, 0, 1,,, Ogi ( isieme fiito ammette massimo e miimo: if K mi K 1, sup K max K M {( 11, 0, 1,,, 11 ( ( if L mi L 1, sup L max L 46. I valori del massimo e del 5 6 miio soo uici e ciascuo viee assuto per due diversi valori di. {( 15. N, N if M mi M, M o è superiormete limitato (sup M +. Ifatti ( (! ( ( 4 ( 1 ( 3 3 1!!!! 16. Coviee costruire l isieme Si può riscrivere l isieme O come T {t : t 1/r, r R [ 3/, 1/3 [1/4, 1]. O {x : x s t, t C, s S.. S e T soo limitati, quidi O è a sua volta limitato. Teedo coto che sia S che T cotegoo umeri egativi e umeri positivi, l estremo superiore di O (certamete positivo è il massimo tra il prodotto degli estremi superiori di S e di T ed il prodotto degli estremi iferiori di S e di T, metre l estremo iferiore di O (certamete egativo è il miimo (cioè il massimo i valore assoluto tra i prodotti icrociati dell estremo superiore di u isieme co l estremo iferiore dell altro. Poiché si ottiee: perché sup S 3, if S 4 mi B sup T 1 max T, if T 3/ mi T sup O max {3 1, 4 ( 3/ max {3, 6 6 max O 4 S e 3/ T if O mi {3 ( 3/, 1 ( 4 mi { 9/, 4 9/ / O perché 3 / S. Duque O è limitato, ammette massimo ma o ammette miimo. Voledo costruire l isieme O (teedo coto di quato detto sopra si ottiee che O è l itervallo ( 9/, 6]. 7

8 Altri esercizi sui coefficieti biomiali. 17. Calcolare il coefficiete di x 9 y 1 ello sviluppo di ( 3 x y 3 y 9 4 x 9 ( ( 9 k 3 k0 9 ( ( k ( 9 k 3 x y 3 4 k0 k ( x k y k k y 18 k x k 9 Deve essere k 6 quidi il coefficiete cercato è ( ( 6 ( y 9 k x 9 k0 ( 9 k ( 3 x y Risolvere le segueti equazioi: ( itero maggiore di 9 ( ( ( ( ( (,, ( (!!,. Deve essere 7 7! ( 7! 9 9! ( 9! y 9. x ( k ( 3 9 k x 3 4 3k 9 y 18 k. 7! ( 7! 9! ( 9!, ( 7 ( , L uica soluzioe ( accettabile ( è 16. Questo era ituibile fi dall iizio: quidi. 7 9 Le altre due equazioi hao certamete come soluzioe (per il motivo citato sopra rispettivamete 15 e 14. Si può verificare che la prima o ammette altre soluzioi reali, la secoda ammette come uica altra soluzioe reale 1 (da scartare. ( ( 19. Risolvere l equazioe 8 9 ( itero maggiore di Ricordado che (! 17 17! ( 17!, ( 15! 15! ( 15! l equazioe è:! 8 17! ( 17! 9! semplificado per! 15! ( 15! 8 17! ( 17! 9 e riscrivedo meglio 15! ( 15! ! ( 17! 9 15! ( 15 ( 16 ( 17! semplificado acora per tutto il semplificabile duque ( 15 ( ( 15 ( 16 Le soluzioi soo e 33 quidi l uica soluzioe è 33. 8

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