¿Qué es infimum y supremum?

Es fácil entender esto con un ejemplo.

Considere el conjunto de números reales positivos [matemática] R ^ {+ *} [/ matemática] (es decir, números reales mayores que cero). ¿Cuál es el mínimo de este conjunto? Imposible de determinar, porque cualquier elemento dado en [matemáticas] R ^ {+ *} [/ matemáticas], podría dividirse en un número menor, que todavía se encuentra en [matemáticas] R ^ {+ *} [/ matemáticas] (Para ejemplo, dado 1, podemos encontrar 0.5).

Sin embargo, podemos determinar el límite inferior más grande para este conjunto, es decir, un límite por debajo del cual no existe un número real positivo: el número cero. Este número no pertenece al conjunto de números reales positivos, sino un superconjunto : el conjunto de números reales. Este número cero se llama infimum del conjunto de números reales positivos.

Es importante entender el pensamiento aquí. No podemos encontrar un límite mínimo / inferior dentro del conjunto de números reales positivos. Por lo tanto, elegimos / creamos un superconjunto (el conjunto de números reales) y luego encontramos un límite inferior dentro de él. Este límite inferior no es único (ya que cualquier número por debajo de cero también formará un límite inferior). Por lo tanto, elegimos el límite inferior más grande.

Ahora considere el conjunto de números reales negativos [matemática] R ^ {- *} [/ matemática] (es decir, números reales menores que cero). No podemos determinar el máximo de este conjunto, porque para cualquier elemento dado en [math] R ^ {- *} [/ math], podemos encontrar un número mayor que pertenece a este conjunto. (Por ejemplo, dado -1, podemos encontrar -0.5.).

Así que elegimos un superconjunto de este conjunto: el conjunto de números reales. Dentro de este conjunto, podemos encontrar un límite superior, más allá del cual, no existe un número real negativo: el número cero. Este límite superior no es único, ya que cualquier número mayor que cero también formará un límite superior. Por lo tanto, elegimos el límite superior más bajo . Este límite superior más bajo se llama supremum del conjunto de números reales negativos.

Para que funcione la idea de un infimum o supremum, es necesario que el superconjunto tenga alguna propiedad de un orden , sin el cual sería difícil comparar sus elementos.

En una palabra: son:

  • Supremum: menos límite superior de un conjunto
  • Infimum: el límite inferior más grande de un conjunto

Tenga en cuenta que

  • estos pueden no estar presentes en el conjunto considerado.
  • Estos términos no significan “máximo” y “mínimo” en general

Tome un conjunto definido por:

S = {[matemáticas] x | x \ in \ mathbb {R} [/ matemáticas] y [matemáticas] 1

Todos los números reales entre 1 y 2, excluyendo los límites, están contenidos en él.

Puede ver fácilmente que este conjunto no tiene ningún número menor o mayor, pero aún así está limitado.

Pero aún así: su infimum es 1 y supremum es 2.

EDITAR: En realidad, debería hacer que este conjunto sea un subconjunto de números reales, de lo contrario mi ejemplo no tendrá sentido. Entonces [math] S \ subset \ mathbb {R} [/ math] Ver comentarios de Anirban Ghoshal.

Supremum

  • Un límite superior para un conjunto [matemático] S [/ matemático] es un número [matemático] UB [/ matemático] tal que [matemático] x \ leq [/ matemático] [matemático] UB [/ matemático] para todo [matemático] x [/ math] [math] \ in [/ math] S. Si [math] UB [/ math] es el límite superior más pequeño o menos para el conjunto [math] S [/ math], entonces [math] UB [ / math] se llama supremum. Por ejemplo:

[matemáticas] S = \ {\ frac {1} {2}, \ frac {2} {3}, \ frac {3} {4} … .. \ frac {n} {n + 1} … .. \ } \ tag * {} [/ math]

Para el conjunto anterior [matemática] S, [/ matemática] cada elemento en el conjunto es menor que 1. Entonces, 1 es el límite superior mínimo o Supremum.

  • Cada conjunto no vacío de número real que está limitado desde arriba tiene supremum.
  • No es necesario que el supremum o el límite superior mínimo sea un elemento del conjunto S. En el ejemplo anterior, 1 no es miembro del conjunto S.

Infimum

  • Un límite inferior para un conjunto [matemático] S [/ matemático] es un número tal que [matemático] LB [/ matemático] [matemático] \ leq [/ matemático] [matemático] x [/ matemático] para todos [matemático] x [/ math] [math] \ en S [/ math]. Si [math] LB [/ math] es el límite inferior más grande para el conjunto [math] S [/ math], entonces LB se llama infimum. Por ejemplo:

[matemáticas] S = (1,5] \ etiqueta * {} [/ matemáticas]

  • Cada conjunto no vacío de número real que está limitado desde abajo tiene un infimum.
  • El infimum del conjunto S anterior es 1 y 1 no es miembro del conjunto S.

Infimum y supremum son muy similares al mínimo y al máximo respectivamente, con una sutil diferencia. Siempre se debe alcanzar el mínimo y el máximo de un conjunto, mientras que no existe tal restricción en infimum y supremum.

Tomemos un ejemplo rápido. Considere el conjunto [math] \ {1, 1/2, 1/3, 1/4, … \} \ equiv \ {1 / n: n \ in \ mathbb {N} \} [/ math].

Ahora, es fácil ver que los números se acercan arbitrariamente a 0, pero ninguno de los números en el conjunto es exactamente cero. Por lo tanto, el mínimo de este conjunto no está definido. Sin embargo, el infimum de este conjunto es 0.

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