¿Por qué definir la derivada de una función definida en un intervalo?

En las conferencias en video sobre análisis real del profesor Su, utiliza la siguiente definición para la derivada:

Una función F : [ a , b ] R es diferenciable en X [ a , b ] si el limite límite t X F ( t ) F ( X ) t X existe En este caso decimos F ( X ) = límite t X F ( t ) F ( X ) t X es la derivada de F en X .

La definición de límite en R es como sigue:

Dejar F : mi R dónde mi R y deja pag ser un punto límite de mi , entonces decimos límite X pag F ( X ) = q si q R : ϵ > 0 d > 0 calle X mi , 0 < | X pag | < d | F ( X ) q | < ϵ .

Me preguntaba por qué nos restringimos a funciones con un intervalo como dominio. Por lo general, las definiciones en espacios métricos se basan en ejemplos en R y puede generalizarse a espacios métricos arbitrarios, por ejemplo, la definición de límite de una función o la continuidad de una función puede generalizarse reemplazando el valor absoluto por una función de distancia. Por supuesto, la derivada definida como límite de un cociente no se puede generalizar a espacios métricos arbitrarios ya que la división podría no estar definida, pero ¿por qué nos limitaríamos a funciones definidas en un intervalo?

A la luz de la definición del límite, podemos dar sentido a este límite para cualquier función definida en un subconjunto mi R . Por supuesto, en el caso de que el dominio sea R no necesitamos especificar la condición de que X debe ser un punto límite para la derivada en X existir desde cada punto de R es un punto límite. Sin embargo, si generalizamos esto a funciones F : mi R dónde mi R , entonces requerimos que X es un punto límite para que el límite tenga sentido.

Esta definición también cubriría los casos especiales de intervalos. Por ejemplo, podemos dejar mi = [ a , b ] , entonces cada punto en este intervalo es un punto límite siempre que a b y podemos considerar el límite en cualquier punto sin necesidad de introducir límites unilaterales por separado. Esto se debe a que podemos considerar [ a , b ] como un espacio métrico por derecho propio y para la d bola de cualquier radio sobre a o b en [ a , b ] simplemente se corta por un lado (porque solo consideramos puntos en el espacio métrico).

Para resumir, ¿por qué la mayoría de los libros de texto/conferencias sobre análisis real se limitan a intervalos abiertos o cerrados para derivadas?

Las derivadas en conjuntos discontinuos no son tan útiles. Por ejemplo, no permitirían discutir el crecimiento de las funciones, ni utilizar el teorema de Rolle.

Respuestas (1)

En realidad, hay varias opciones disponibles aquí. Tomemos, por ejemplo, la definición de derivada en Cálculo de Spivak :

La función F es diferenciable en a si

límite h 0 F ( a + h ) F ( a ) h  existe
En este caso el límite se denota por F ( a ) y se llama la derivada de F en a .

Como puede ver, no se hace ninguna referencia al dominio. D F de F ; simplemente está implícito que es tal que a es un punto de acumulación de D F ; de lo contrario, ese límite no tiene que ser único.

Sin embargo, tal enfoque asume que los estudiantes se sienten cómodos con el concepto de "punto de acumulación". Si eso es un problema, entonces es más simple y casi tan general asumir que D F es un intervalo (con más de un punto).

Además, muchos teoremas estándar de cálculo (como el teorema de Rolle, el teorema del valor extremo o el teorema del valor medio) son teoremas sobre funciones F para cual D F es un intervalo cerrado y acotado.

Gracias por tu comentario. Estoy de acuerdo en que los libros de texto de cálculo simplifican la mayoría de las cosas, pero creo que en el análisis real uno debería ser más riguroso con las definiciones. Sin embargo, es un buen punto sobre los teoremas. Otra cosa que tenía en mente era que exigir que X es un punto límite básicamente dice que hay una bola abierta en el dominio que contiene infinitos puntos y supongo que uno siempre podría restringir la función a esa bola abierta si solo está interesado en el punto X . Sin embargo, no estoy del todo seguro de que las definiciones sean equivalentes.
Lo que escribí fue una respuesta, no un comentario. Y no, afirmar que X es un punto límite no dice “que hay una bola abierta en el dominio que contiene infinitos puntos”. Si
D F = { 0 } { 1 norte | norte norte } ,
entonces 0 es un punto límite, pero D F no contiene bola abierta.
Ah, lo siento, por supuesto, el punto límite solo dice que cada bola abierta a su alrededor contiene algún otro punto del dominio y no que la bola abierta está completamente en R .