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Grado en Matemáticas

Completitud de los números reales

Un conjunto puede acercarse a una frontera sin incluirla. Aprenderemos a distinguir una cota, la menor cota y un máximo. La completitud de los reales garantiza que ciertas fronteras existen, y de esa propiedad salen resultados de convergencia que no serían válidos en los racionales.

Si necesitas repasar:

1. Una cota limita todos los elementos, aunque no pertenezca al conjunto

M es cota superior de A si a≤M para todo a∈A.

Una cota inferior m cumple m≤a para todos. Si hay cotas de ambos tipos, el conjunto es acotado. No hace falta que la cota sea un elemento del conjunto.

La frontera superior puede quedar fuera del conjunto
A=[−2;3)sup=3M=4−2M es cota, pero no la menor cota.
Intervalo desde menos dos incluido hasta tres excluido. Tres es supremo pero no máximo. Cuatro es otra cota superior, mayor que el supremo. Menos dos es mínimo e ínfimo. Los puntos azules representan pertenencia del extremo y el círculo abierto indica exclusión.

Si M es cota superior, cualquier número mayor también lo es. Por eso encontrar una cota no identifica la frontera exacta. Revisamos la condición para todos los elementos y distinguimos acotado superiormente de acotado en ambos sentidos.

Varias cotas para el mismo intervalo

A=[−2,3). Da cotas superiores e inferiores.

  1. Superiores

    Tres y cuatro sirven porque todo a<3≤4.
  2. Inferiores

    Menos dos y menos cuatro sirven porque −4≤−2≤a.

  3. Pertenencia

    −2 sí pertenece; tres y cuatro no. Eso no impide ser cotas.

Resultado

Hay muchas cotas, no una sola.

Lo comprobamos

Dos no es cota superior: por ejemplo 2,5 pertenece a A y está por encima.

Solo una de las dos clases de cota

A={x∈ℝ:x≥0}. ¿Es acotado?

  1. Por abajo

    Cero y cualquier negativo son cotas inferiores.

  2. Por arriba

    Para cualquier M propuesto, elegir x=max(M,0)+1 da un elemento mayor.

  3. Conclusión

    Está acotado inferiormente, pero no superiormente ni en ambos sentidos.

Resultado

El tipo de cota forma parte de la respuesta.

Lo comprobamos

Encontrar cero como cota inferior no autoriza a llamar acotado al conjunto sin especificar el sentido.

2. Supremo es la menor cota superior; máximo es además un elemento

s=supA exige dos cosas: cada elemento a≤s y ninguna cota superior está por debajo de s. Si dos números fueran supremos, cada uno sería ≤el otro y serían iguales. La definición da unicidad cuando existe.

Una sucesión puede acercarse al supremo sin alcanzarlo
aₙ=2−1/n, n≥12a₁=1a₂=3/2Ningún término alcanza la frontera.
Términos de dos menos uno partido por n, con n desde uno. Se muestra un fragmento creciente de puntos desde uno hacia dos. Dos es cota superior y límite; cada término sigue siendo estrictamente menor que dos. El conjunto de términos no tiene máximo.

Un máximo debe pertenecer a A y ser mayor o igual que todos. Si existe, coincide con el supremo. El supremo puede quedar fuera y entonces no hay máximo. Por abajo distinguimos del mismo modo ínfimo y mínimo.

Leer cada extremo del intervalo

Para A=[−2,3), identifica las cuatro nociones.

  1. Arriba

    La frontera superior es tres, pero queda excluida: supA=3 y no hay máximo.

  2. Abajo

    −2 pertenece y ningún elemento baja más: infA=minA=−2.

  3. Sin máximo alternativo

    Si a<3, el número (a+3)/2 está en A y es mayor.
Resultado

Supremo tres sin máximo; mínimo e ínfimo menos dos.

Lo comprobamos

Un punto abierto cambia pertenencia, no la posición de la frontera.

Un conjunto de términos en lugar de un intervalo

A={2−1/n:n≥1}.

  1. Inicio

    n=1 da uno; todos los términos son al menos uno.

  2. Arriba

    Siempre 2−1/n<2 y crecen hacia esa frontera.
  3. Extremos

    Mínimo uno; supremo dos sin máximo. La aproximación arbitraria se justificará con la propiedad arquimediana.

Resultado

La frontera superior no tiene que aparecer entre los términos.

Lo comprobamos

El conjunto no contiene todos los números entre uno y dos; solo los valores dados por la fórmula.

3. La completitud garantiza existencia bajo dos hipótesis precisas

El axioma del supremo afirma: todo A⊆ℝ no vacío y acotado superiormente tiene un supremo real. No da necesariamente una fórmula sencilla para él, ni exige que pertenezca a A. La existencia es la propiedad adicional de ℝ que estamos usando.

Si A es vacío, todo real es cota superior y nunca hay una menor: para M también M−1 es cota. Si no hay cota superior, no puede haber supremo real. Los símbolos infinitos de los reales extendidos requieren otra convención; no son números reales producidos por este axioma.

Garantizar una frontera sin calcularla

A={cos n:n≥1}, con ángulos en radianes. ¿Por qué existe supremo real?

  1. No vacío

    Por ejemplo cos1 es un elemento.

  2. Cota

    Cada cosn está entre −1 y uno, así que uno es cota superior.

  3. Axioma

    Las dos hipótesis garantizan un supremo en ℝ.

Resultado

La existencia queda probada sin identificar aquí su valor exacto.

Lo comprobamos

No hemos deducido que sea uno solo por encontrar la cota uno; esa sería una afirmación adicional.

Qué falta en dos casos distintos

Compara A=∅ con B=ℝ.

  1. Vacío

    Todas las cotas reales sirven, sin una menor; falla la hipótesis no vacío.

  2. Todos los reales

    No hay cota superior: para M también M+1 pertenece y lo supera.

  3. Conclusión

    Ninguno tiene supremo real, por razones diferentes.

Resultado

Las hipótesis del axioma no se omiten.

Lo comprobamos

No se concluye que la completitud haya fallado: los conjuntos no cumplen sus condiciones.

4. La menor cota se reconoce porque el conjunto llega arbitrariamente cerca por debajo

Si s=supA, para cada ε>0 hay a∈A con s−ε<a≤s.

Si no lo hubiera, s−ε sería una cota superior menor que s. Esta es una forma práctica de demostrar que una cota es la menor.

Al revés, si s es cota y tiene esa aproximación para toda ε, ninguna M<s puede ser cota: toma ε=s−M y aparece a>M. No exigimos distancia exactamente ε ni que el aproximante sea distinto de s si s pertenece al conjunto.

Elegir un aproximante que funcione incluso con ε grande

Prueba sup(−2,3)=3.

  1. Cota

    Todo a del intervalo es menor que tres.

  2. Construir

    Para ε>0 toma a=3−min(ε/2,1).
    Entonces 2≤a<3, así que a está dentro.
  3. Cercanía

    3−a=min(ε/2,1)<ε, por tanto a>3−ε.
Resultado

Tres es la menor cota superior.

Lo comprobamos

Elegir simplemente a=3−ε puede salir del intervalo cuando ε sea grande.

Un supremo que sí se alcanza

A={−1,2,4}. Comprueba la aproximación desde abajo.

  1. Cota

    Cuatro es mayor o igual que los tres elementos.

  2. Para cualquier ε>0

    Podemos elegir siempre a=4.
  3. Desigualdad

    4−ε<4≤4; el testigo pertenece al conjunto.
Resultado

Cuatro es supremo y máximo.

Lo comprobamos

La condición no obliga a acercarse mediante elementos distintos; permitir el extremo incluido es correcto.

5. Cambiar signos convierte una cota inferior en una superior

Define −A={−a:a∈A}.

Si A es no vacío y acotado inferiormente, −A está acotado superiormente.

La completitud da infA=−sup(−A).

Así no necesitamos un axioma independiente para la frontera inferior.

Para i=infA, todo elemento es ≥i y para cada ε>0 hay a∈A con i≤a<i+ε. Multiplicar un conjunto por un número negativo invierte el papel de sus extremos; sumar una constante solo traslada las fronteras.

Obtener ínfimo mediante el reflejo

A=(−3,2].

  1. Reflejar

    −A=[−2,3).
  2. Supremo reflejado

    Tres.

  3. Volver

    infA=−3; no es mínimo porque −3 está excluido.
Resultado

El máximo de A sí es dos.

Lo comprobamos

El reflejo también intercambia los tipos de extremos incluidos y excluidos en sus posiciones.

Una escala negativa cambia arriba y abajo

Toma A=[1,4) y B=−2A.

  1. Transformar intervalo

    B=(−8,−2].
  2. Arriba

    supB=maxB=−2, imagen del mínimo uno de A.

  3. Abajo

    infB=−8 y no hay mínimo; viene del supremo cuatro de A.

Resultado

El extremo superior antiguo se volvió inferior.

Lo comprobamos

No multiplicamos supA por −2 y lo seguimos llamando supremo sin invertir el orden.

6. La propiedad arquimediana permite elegir un índice concreto para cualquier tolerancia

Los naturales no pueden tener una cota superior real. Si tuvieran supremo s, existiría un natural n>s−1 y n+1 sería otro natural mayor que s: contradicción. Esta consecuencia usa el axioma y la propiedad de aproximación.

Para ε>0 podemos elegir N>1/ε y entonces 1/N<ε.

La elección N=floor(1/ε)+1 es suficiente, donde floor significa parte entera inferior. La desigualdad estricta importa si 1/ε es entero.

Una tolerancia numérica con frontera estricta

Elige N para garantizar 1/n<0,003 en toda la cola n≥N.

  1. Despejar

    Se necesita n>1/0,003=333,333…
  2. Entero

    N=334.
  3. Toda la cola

    Si n≥334, 1/n≤1/334<0,003.
Resultado

Cualquier N mayor también funciona.

Lo comprobamos

No basta escribir n grande: damos un umbral que se puede comprobar.

Encontrar un racional entre dos reales

Para a<b, construye un racional estrictamente intermedio.

  1. Escala

    Elige N natural con N(b−a)>1.
  2. Entero intermedio

    k=floor(Na)+1 cumple Na<k≤Na+1<Nb.
  3. Dividir

    a<k/N<b.
    Por ejemplo entre 1,41 y 1,42 podemos usar N=1000 y k=1411.
Resultado

Los racionales son densos en ℝ.

Lo comprobamos

Denso no significa completo: poder entrar en cada intervalo no llena todos los límites posibles dentro de ℚ.

7. Una sucesión creciente y acotada converge a su supremo

Sea aₙ no decreciente y acotada superiormente. Sus términos tienen supremo s.

Para ε>0 elegimos un término a_N>s−ε.

Por monotonía, todos los siguientes quedan entre a_N y s, de modo que |aₙ−s|<ε para n≥N.

Las dos hipótesis cumplen tareas diferentes: la cota da una frontera finita y la monotonía impide que los términos vuelvan a alejarse hacia abajo. Una creciente sin cota o una acotada que oscila no entra en esta conclusión.

La frontera de los términos del dibujo

Estudia aₙ=2−1/n para n≥1.

  1. Monotonía

    aₙ₊₁−aₙ=1/n−1/(n+1)=1/[n(n+1)]>0.
  2. Cota

    aₙ<2.
  3. Límite

    Para ε>0 toma N>1/ε; entonces 2−aₙ=1/n<ε en la cola.
Resultado

El límite y supremo son dos.

Lo comprobamos

La monotonía se probó para cualquier n permitido, no solo en el fragmento dibujado.

Una recurrencia monótona con límite desconocido

x₀=0, xₙ₊₁=(xₙ+2)/3. Estudia su límite.

  1. Cota por inducción

    Si 0≤xₙ<1, entonces 0≤(xₙ+2)/3<1; vale desde x₀.
  2. Monotonía

    xₙ₊₁−xₙ=(2−2xₙ)/3>0.
  3. Límite

    Existe L por monotonía acotada; pasar al límite da L=(L+2)/3 y L=1.

Resultado

Converge a uno sin haber supuesto antes que existiera el límite.

Lo comprobamos

Resolver la ecuación de punto fijo solo identifica un posible límite; las cotas y monotonía justificaron su existencia.

8. La raíz de tres se puede construir como una frontera real

Sea S={x∈ℝ:x≥0 y x²<3}.

Contiene uno y está acotado por dos.

Tiene supremo s con 1≤s≤2.

Mostraremos que s² no puede ser menor ni mayor que tres; por tanto s²=3.

En los racionales, el conjunto con esa misma condición tendría frontera real √3, pero no un supremo racional. La completitud distingue ℝ de ℚ aunque ambos tengan operaciones y orden, y aunque ℚ sea denso.

Descartar ambas desigualdades para s²

Prueba que el supremo anterior satisface s²=3.

  1. Si s²<3

    Elige 0<h<min(1,(3−s²)/(2s+1)).

    Entonces (s+h)²<s²+(2s+1)h<3, así que s+h∈S contradice que s sea cota.

  2. Si s²>3

    Elige 0<h<min(s,(s²−3)/(2s)).
    Entonces (s−h)²>s²−2sh>3.
  3. Contradicción de la segunda opción

    Todo x∈S es no negativo y tiene x²<3<(s−h)², así que x<s−h.

    Este sería una cota menor que s.

  4. Única opción

    s²=3; el supremo construye la raíz positiva.
Resultado

Existe un real positivo cuyo cuadrado es tres.

Lo comprobamos

Las elecciones de h son posibles porque los numeradores de cada caso son positivos; no se invierte una desigualdad sin revisar el signo.

Por qué esa frontera no pertenece a ℚ

Supón √3=a/b con fracción entera irreducible y b≠0.

  1. Cuadrar

    a²=3b².

    Los cuadrados módulo tres solo tienen resto cero o uno, así que tres divide a.

  2. Sustituir a=3k

    9k²=3b² da b²=3k²; también tres divide b.
  3. Conflicto

    a y b comparten factor tres, contra irreducibilidad. Ningún racional tiene ese cuadrado.

  4. Supremo racional imposible

    Una supuesta frontera racional del conjunto racional tendría que cuadrar tres: las perturbaciones racionales pequeñas refutan las otras dos posibilidades igual que arriba.

Resultado

El conjunto racional no tiene supremo dentro de ℚ.

Lo comprobamos

La existencia de perturbaciones racionales positivas pequeñas se obtiene eligiendo 1/N por la propiedad arquimediana.

9. La completitud tiene otras formulaciones y siempre conserva condiciones

En ℝ también se expresa mediante sucesiones de Cauchy o intervalos cerrados encajados. Para intervalos no vacíos [aₙ,bₙ] dentro del primero, encajados, los extremos izquierdos tienen supremo s. Cada bₙ sigue siendo cota de todos esos extremos, así que aₙ≤s≤bₙ y s pertenece a todos.

Si además bₙ−aₙ→0, el punto común es único.

Las equivalencias con Cauchy y convergencia monótona requieren pruebas, no solo operaciones algebraicas. Completar no significa que toda sucesión converja ni que cualquier intersección de intervalos sea no vacía.

Intervalos cerrados que aprietan un punto

Iₙ=[0,1/n], n≥1.

  1. Encajados

    Cada uno está dentro del anterior y todos son cerrados y no vacíos.

  2. Punto común

    Cero pertenece a todos.

  3. Unicidad

    Si x>0, elige n>1/x y queda fuera; los negativos ya están fuera. La intersección es {0}.

Resultado

La longitud 1/n tiende a cero y solo queda un punto.

Lo comprobamos

La pertenencia al extremo cero utiliza que los intervalos son cerrados.

Qué falla si se omite una condición

Compara Jₙ=(0,1/n) y Kₙ=[n,∞).

  1. Primeros

    Son no vacíos y encajados, pero abiertos; su intersección es vacía porque cero está excluido y todo positivo acaba fuera.

  2. Segundos

    Son cerrados y encajados, pero no están acotados dentro de un primer intervalo compacto; ningún real supera todos los naturales.

  3. Lección

    No se aplica una conclusión de intervalos cerrados acotados a cualquiera de esas familias.

Resultado

La forma precisa del teorema evita ambas falsas generalizaciones.

Lo comprobamos

La sucesión (−1)ⁿ tampoco converge: la completitud no elimina oscilaciones que no cumplen Cauchy.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una frontera sin máximo

Halla supremo y máximo de A=(0,1).

  1. Conjunto

    A contiene los reales a con 0<a<1.
  2. Cota

    Uno es cota superior porque todos los elementos son menores que uno.

  3. Aproximante

    Para ε>0 elige a=1−min(ε/2,1/2).

    Está dentro de (0,1).

  4. Cercanía

    1−a=min(ε/2,1/2)<ε, así que a>1−ε.

    Ninguna cota menor que uno sirve.

  5. Supremo

    Cota y aproximación prueban supA=1.
  6. Sin máximo

    Uno queda excluido, y para cualquier a∈A, (a+1)/2 es otro elemento mayor.

Resultado

sup A=1; no hay máximo.

Lo comprobamos

Dos es cota pero no supremo. La construcción de un elemento mayor que cualquier a del intervalo descarta directamente la existencia de máximo.

EJEMPLO RESUELTO 2

Límite monótono

Estudia aₙ=1−1/n, n≥1.

  1. Índices

    n≥1 y a₁=0.
  2. Monotonía

    aₙ₊₁−aₙ=1/[n(n+1)]>0.
  3. Cota

    Cada aₙ=1−1/n es menor que uno.
  4. Aproximar

    Para ε>0, elige N>1/ε por la propiedad arquimediana.
  5. Toda la cola

    n≥N implica |aₙ−1|=1/n≤1/N<ε.
  6. Conclusión

    El límite es uno, también supremo de sus términos, aunque ningún término lo alcance.

Resultado

aₙ→1.

Lo comprobamos

Ningún término alcanza uno, aunque se aproxima cuanto se quiera. El límite no necesita ser un término de la sucesión.

Los símbolos que hemos usado

A⊆R
Conjunto de números reales que se estudia.
M
Cota superior: a≤M para todo a∈A.
sup A
Menor de las cotas superiores de A.
inf A
Mayor de las cotas inferiores de A.
ε>0
Margen positivo arbitrario usado para aproximar una frontera.
Máximo/mínimo
Elemento del propio conjunto que es cota superior/inferior.
aₙ
Término de una sucesión real de índice natural.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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