Valore assoluto (o modulo)
In questa pagina 10
In questa pagina 9
Lezione 6. Esercizi svolti della prof: Esercizio 14 · disequazione con un modulo () e Esercizio 15 · disequazione con due moduli e un parametro ().
Il valore assoluto di un numero reale , detto anche modulo, si scrive (due barre verticali attorno al numero).
Definizione
Definizione (valore assoluto).
Esempio. , e .
In parole: se il numero è positivo o zero, il valore assoluto è il numero stesso; se è negativo, si cambia il segno e si ottiene il numero positivo opposto.
Attenzione al "". Nel secondo caso è negativo, quindi è positivo. Per esempio se allora . Il segno meno nella formula non rende il risultato negativo: serve proprio a "rimuovere" il segno meno del numero. Per questo sempre.
Esempi di calcolo
| Numero | Quale caso | Calcolo | Risultato |
|---|---|---|---|
| prima calcolo: | |||
| , quindi |
L'ultimo esempio mostra un uso tipico: se dentro il modulo c'è un'espressione, bisogna prima capire se è positiva o negativa, e poi applicare il caso giusto.
Significato geometrico: la distanza
Sulla retta reale, è la distanza di dall'origine .
- : il punto sta a distanza da .
- : il punto sta anch'esso a distanza da , ma dall'altra parte.
Una distanza non può essere negativa, ed è per questo che .
Più in generale, la distanza tra due numeri e è
Per esempio la distanza tra e è ; tra e è . Notare che : la distanza non dipende dall'ordine.
In particolare, è la distanza di da : vale solo in e cresce allontanandosi da da entrambe le parti.
Il grafico di
Il grafico di ha forma di "V":
- per coincide con la retta (la diagonale che sale);
- per coincide con la retta (la diagonale che scende verso sinistra, cioè simmetrica rispetto all'asse ).
Il punto più basso è , e il grafico sta sempre sopra l'asse (o sopra, perché ).
Grafico interattivo: f(x) = |x|: una V con vertice nell'origine. Il valore è la distanza di x da 0
Spostare il grafico. Il grafico di è lo stesso a V, ma con il vertice spostato in (dove la distanza da vale ):
Grafico interattivo: f(x) = |x − 2|: la V con vertice in x = 2 (distanza di x da 2)
Proprietà fondamentali
Per ogni :
Proprietà (valore assoluto).
- , e se e solo se . (La distanza da è nulla solo nel punto .)
- . (Un numero e il suo opposto sono alla stessa distanza da .)
- .
- per .
- , e quindi (non !). Esempio: .
- . (Il numero sta tra il suo modulo cambiato di segno e il suo modulo.)
- Disuguaglianza triangolare: .
- Disuguaglianza di Cauchy–Schwarz: (spiegata più sotto, in una sezione dedicata).
Esempio. Con e : e .
Le proprietà come le elenca la prof (lezione 6)
Per ogni e ogni :
- , e .
- ; se , .
Proprietà (equazioni e disequazioni con il modulo). 3. Equazione : se nessuna soluzione (); se l'unica soluzione è ; se due soluzioni, . 4. Disequazione : se nessuna soluzione; se solo ; se , . 5. Disequazione : se ogni ; se ogni ; se , oppure .
Esempio. , cioè .
- Disuguaglianza triangolare: .
- (la prof la chiama disuguaglianza di Cauchy–Schwarz; vedi la nota sotto).
Perché bisogna distinguere il segno di . Un modulo è sempre . Quindi "" o "" sono impossibili, mentre "" è sempre vera. Se : "" vale solo quando , cioè ; "" vale sempre.
Dimostrazione della 4 (caso ), come la fa la prof. Si scrive la definizione di e si separano i due casi, ognuno con il suo sistema:
(nel secondo sistema diventa moltiplicando per , che inverte il verso). Le due parti, e , unite danno .
Dimostrazione della 7. Un quadrato non è mai negativo, quindi
(usando e la proprietà 2, ). Portando a sinistra: , e dividendo per si ottiene la tesi ∎. L'uguaglianza vale quando . Esempio: , : ✓.
Metodo grafico (lezione 7). Le proprietà 4 e 5 si "vedono" sul grafico di (la V): le soluzioni di sono le in cui la V sta sopra la retta orizzontale , cioè fuori dall'intervallo ; quelle di sono le in cui la V sta sotto. Il metodo grafico in generale è spiegato in Funzioni - definizione, dominio e graficoUna funzione associa a ogni elemento del dominio un solo valore: dominio naturale, grafico, immagine, antimmagine e metodo grafico.Funzioni - definizione, dominio e grafico →.
Perché valgono (dimostrazioni)
Proprietà 3 (). Si procede per casi sui segni:
- se e : , quindi ;
- se e : , quindi ; e ✓;
- se e : , quindi ; e ✓;
- il caso , è analogo.
Proprietà 6 ().
- Se : , quindi vale come uguaglianza, e ✓.
- Se : , quindi (la prima uguaglianza) e vale come uguaglianza; inoltre ✓.
Proprietà 7 (disuguaglianza triangolare). Dalla proprietà 6 applicata a e a :
Sommando membro a membro le disuguaglianze (si possono sommare disuguaglianze dello stesso verso):
Questo dice che sta tra e con . Per la regola "" (vedi la sezione successiva), si ottiene ∎.
Interpretazione: la distanza tra due punti passando per un punto intermedio non è mai minore della distanza diretta. Esempio: , : e , e ✓. L'uguaglianza vale quando e hanno lo stesso segno.
Corollario (utile): .
Disuguaglianza di Cauchy–Schwarz
È un'altra disuguaglianza fondamentale che coinvolge valori assoluti (si scrive "Cauchy–Schwarz"). Per scriverla serve il simbolo di sommatoria, quindi se non lo conosci leggi prima SommatorieIl simbolo di sommatoria, le sue proprietà (linearità, additività, cambio di indice) e le somme notevoli di Gauss e geometrica.Sommatorie →.
Attenzione al nome. A lezione la prof chiama "disuguaglianza di Cauchy–Schwarz" la proprietà 7, (dimostrata sopra). È quella da sapere per l'esame. La disuguaglianza di Cauchy–Schwarz "classica", spiegata qui sotto, è un risultato diverso e più generale (riguarda liste di numeri): è un approfondimento.
Enunciato
Siano e numeri reali. Allora
Teorema (disuguaglianza di Cauchy–Schwarz).
Esempio. Con e : .
Equivalentemente, elevando al quadrato (entrambi i membri sono ):
Come si legge. Si prendono due liste di numeri. Si moltiplicano "a coppie" (il primo con il primo, il secondo con il secondo, ...) e si sommano i prodotti: è . Il valore assoluto di questa somma non supera il prodotto di due quantità: la radice della somma dei quadrati della prima lista e la radice della somma dei quadrati della seconda.
Perché c'è il valore assoluto. La somma può essere negativa (se i segni sono discordi), mentre il membro di destra è sempre . Il modulo serve a confrontare "quanto è grande" la somma, senza guardare il segno. Nella forma con i quadrati non serve, perché il quadrato è sempre .
Caso con due termini ()
Dimostrazione. Sviluppiamo la differenza tra il membro di destra e quello di sinistra:
(l'ultimo passaggio è il quadrato di un binomio: ). Un quadrato è sempre , quindi la differenza è , cioè la disuguaglianza è vera ∎. In più, l'uguaglianza vale esattamente quando .
Esempio numerico. Con :
- sinistra: ;
- destra: ;
- ✓, e la differenza è proprio ✓.
Dimostrazione nel caso generale
Poniamo, per semplicità,
e dobbiamo dimostrare che .
- Una quantità sempre non negativa. Per ogni numero reale , la somma di quadrati è :
- Sviluppiamo. Ogni quadrato vale . Sommando su (e portando fuori e , che non dipendono da ):
- Primo caso: . Allora tutti gli sono nulli (una somma di quadrati è zero solo se ogni quadrato è zero), quindi e la tesi diventa ✓.
- Secondo caso: . Scegliamo il valore speciale (scelto proprio per far semplificare i conti). Sostituendo: Per il punto 2 questo numero è , quindi . Moltiplicando per (verso invariato): ✓.
- Radici. Da , prendendo la radice quadrata di entrambi i membri (non negativi) si ottiene , cioè , che è la forma con il valore assoluto (qui si usa , proprietà 5) ∎.
Quando vale l'uguaglianza
Vale l'uguaglianza quando le due liste sono proporzionali: esiste un numero con per ogni (le due liste "puntano nella stessa direzione", o in direzione opposta).
Esempio numerico con
Siano e .
- ;
- ;
- .
Quindi e , e ✓.
Un uso tipico: dimostrare altre disuguaglianze
Scegliendo per ogni , la disuguaglianza al quadrato diventa
perché . Per esempio con : . Controllo con : ✓.
Collegamento con la disuguaglianza triangolare
La disuguaglianza triangolare riguarda due numeri. Cauchy–Schwarz riguarda invece liste di numeri (vettori) e dice che il "prodotto scalare" di due vettori, in valore assoluto, non supera il prodotto delle loro lunghezze. Per si riduce a , che è la proprietà con il segno di uguale.
Disuguaglianze e equazioni con il valore assoluto
Il significato di distanza dà subito le regole. Sia .
| Condizione | Si traduce in |
|---|---|
| oppure | |
| oppure | |
| oppure | |
| (intervallo di centro e raggio ) |
Perché (dalla definizione, per casi):
- se : , quindi diventa , cioè ;
- se : , quindi , cioè (moltiplicando per si inverte il verso) , cioè ;
- unendo i due casi: ✓.
Esempi.
- , cioè .
- , cioè (i punti a distanza al più da ).
- oppure , cioè .
- ; sommando : ; dividendo per (positivo, verso invariato): .
- oppure oppure .
Vediamo gli esempi 1 e 2 sulla retta, e l'esempio 1 sul grafico: i punti con sono quelli in cui la V sta sotto la retta orizzontale .
Grafico interattivo: |x| < 3: i punti a distanza minore di 3 da 0 sono l'intervallo (−3, 3), estremi esclusi
Grafico interattivo: |x − 2| ≤ 1: i punti a distanza al più 1 da 2 sono l'intervallo [1, 3], estremi inclusi
Grafico interattivo: |x| < 3: dove il grafico della V sta sotto la retta y = 3 (cioè per −3 < x < 3)
Proprietà utili per le disequazioni (e come usarle)
Quando nella disequazione c'è un'espressione dentro il modulo, per esempio , valgono le stesse regole di prima con al posto di . Sia un'altra espressione.
| Forma | Si traduce in | Come si usa |
|---|---|---|
| due disequazioni da risolvere insieme (sistema, cioè intersezione) | ||
| come sopra | ||
| oppure | due disequazioni, soluzioni unite | |
| oppure | come sopra | |
| oppure (con ) | due equazioni | |
| si elevano al quadrato entrambi i membri | ||
| come sopra | ||
| oppure | due equazioni |
Perché si può elevare al quadrato (). Sappiamo che (proprietà 5). I numeri e sono entrambi , e per numeri non negativi elevare al quadrato mantiene l'ordine: se . Quindi . Attenzione: elevare al quadrato senza i moduli (cioè quando i due membri possono essere negativi) non è lecito in generale: per esempio ma .
Perché non richiede di controllare . Se , la catena è impossibile (richiederebbe , cioè ), quindi non dà soluzioni, ed è giusto: un modulo, che è , non può essere minore di un numero . Il caso invece, se , è sempre vero (un modulo è ): le due disequazioni oppure lo riflettono automaticamente.
Esempi svolti
Esempio 1: .
- Si traduce in oppure .
- Prima: , quindi . Seconda: , quindi .
- Soluzione (unione): oppure , cioè .
Esempio 2: (due moduli, si eleva al quadrato).
- .
- Sviluppo: .
- Semplifico (compare da entrambe le parti) e porto i termini a destra: , cioè , quindi .
- Soluzione: .
- Controllo geometrico: dice " è più vicino a che a ". Il punto a metà tra e è , e i punti più vicini a stanno a destra di esso ✓.
Esempio 3: (a destra c'è un'espressione, non un numero).
- Si traduce in , cioè il sistema .
- Prima: equivale a , sempre vera.
- Seconda: equivale a , quindi .
- Soluzione (intersezione): .
- Controllo: : ✓. : ? no, ed è fuori dalla soluzione ✓.
Esempio 4: (due moduli sommati: si studiano i casi).
Quando non si può elevare al quadrato, si cercano i punti critici, cioè i valori in cui un'espressione dentro il modulo cambia segno: per , per . Questi due punti dividono la retta in tre zone, e in ciascuna si toglie il modulo con il segno giusto.
| Zona | Somma | Condizione | Soluzioni nella zona | ||
|---|---|---|---|---|---|
| sempre vera | tutta la zona: | ||||
Soluzione (unione delle tre zone): .
Controllo: : , non minore di , quindi è escluso ✓. : ✓.
Strategia riassuntiva
- Un solo modulo isolato, confrontato con un numero o un'espressione: usare la tabella (, oppure " oppure ").
- Due moduli confrontati tra loro (): elevare al quadrato.
- Più moduli sommati o mescolati con altri termini: punti critici e casi.
- In ogni caso: verificare con un valore di prova dentro e uno fuori dall'insieme trovato.
Errori comuni
- Pensare che sia sempre negativo. Vale solo per , e in quel caso è positivo.
- Scrivere . Il risultato corretto è (per : ).
- Dire . Vale solo (uguale solo quando e hanno lo stesso segno).
- Dimenticare di invertire il verso quando si moltiplica per un numero negativo, per esempio passando da a .
- Risolvere come (impossibile): le soluzioni sono due semirette, oppure .
- Confondere "modulo" di un numero e "modulo" di un insieme. Il modulo di un numero è il valore assoluto ; scrivere con insieme indica invece la cardinalità (il numero di elementi), come nell'Esercizio 6 · numero di sottoinsiemi (insieme delle parti). Stesso simbolo, significati diversi: si distingue da cosa c'è dentro le barre.
Riassunto
| Idea | Formula |
|---|---|
| Definizione | se , se |
| Significato | distanza di da ; = distanza tra e |
| Grafico | una V con vertice nell'origine |
| Proprietà chiave | , |
| Cauchy–Schwarz | |
| Disequazioni |
Versione ripasso
Definizione e significato
Se , è positivo, quindi sempre. Geometricamente è la distanza di da , e è la distanza tra e : è la distanza di da . Il grafico di è una V con vertice nell'origine; quello di ha il vertice in .
Proprietà
Per ogni :
- , con ; .
- e per (dimostrazione per casi sui segni).
- , quindi e non : .
- .
- Disuguaglianza triangolare: . Si ottiene sommando la 4 per e per . Vale l'uguaglianza se e hanno lo stesso segno. Corollario: .
- , perché .
Equazioni e disequazioni con il modulo
Per :
- ;
- ; oppure ;
- .
Per : e non hanno soluzioni, vale per ogni . Per : solo per .
Con espressioni , al posto di :
- : un sistema, cioè intersezione di soluzioni;
- oppure : unione di soluzioni;
- : lecito perché entrambi i membri sono .
Esempi:
- oppure .
- , il punto medio tra e .
- : i punti critici e dividono la retta in tre zone. Nella zona la somma è , da cui . Nella zona la somma vale , sempre minore di . Nella zona la somma è , da cui . L'unione è .
Disuguaglianza di Cauchy–Schwarz
Per liste di numeri reali : Dimostrazione: con , , , vale per ogni . Se allora ; altrimenti si sceglie e si ottiene , cioè . Esempio: , dà .
A lezione la prof chiama "Cauchy–Schwarz" la proprietà 6 del punto precedente; quella qui sopra è l'approfondimento.
Errori tipici
- Scrivere .
- Scrivere : vale solo .
- Non invertire il verso moltiplicando per un negativo.
- Risolvere come : sono due semirette.
- Confondere il modulo di un numero con la cardinalità di un insieme (Esercizio 6 · numero di sottoinsiemi (insieme delle parti)).
Esercizi della prof: Esercizio 14 · disequazione con un modulo, Esercizio 15 · disequazione con due moduli e un parametro.
Esempi di calcolo
- , , .
- ; , perché . Quando dentro c'è un'espressione, prima si decide il segno.
- Distanza tra e : . Tra e : . La distanza non dipende dall'ordine: .
Equazioni e disequazioni con un numero
- : se nessuna soluzione; se solo ; se due soluzioni, .
- : se nessuna soluzione; se solo ; se vale .
- : se vale per ogni ; se vale oppure .
Esempio: . Un modulo è sempre : "" è impossibile, mentre "" è sempre vera.
Dimostrazioni
- per casi: se entrambi i membri valgono ; se il prodotto è positivo e ; se si ha . Il caso è analogo.
- Disuguaglianza triangolare: da e si somma, ottenendo , cioè .
Metodo grafico. Le che soddisfano sono quelle in cui la V sta sopra la retta , cioè fuori dall'intervallo . Quelle che soddisfano sono quelle in cui la V sta sotto.
Esempi di disequazioni
- : si traduce in . La seconda parte, , è sempre vera; la prima dà . Controllo: dà , mentre dà , falso.
- : si elevano al quadrato entrambi i membri, , cioè , quindi . È il punto medio tra e .
- : nessun quadrato utile, quindi si usano i punti critici e . Nelle tre zone la somma vale , , , e le soluzioni unite sono .
- : si traduce in oppure , cioè oppure .
- : oppure , cioè oppure . Per con non c'è nessuna soluzione, perché un modulo non può essere minore di un numero non positivo.
Esercizi su questo argomento
- Esercizio 2 · sin x, cos x ed ex sono linearmente indipendenti
- Esercizio 101 · distanza punto-piano e retta parallela a un piano (appello 2/9/2021)
- Esercizio 14 · disequazione con un modulo
- Esercizio 15 · disequazione con due moduli e un parametro
- Esercizio 17 · verificare se una funzione è l'inversa di un'altra
- Esercizio 21 · dominio e segno di un logaritmo con parametro
- Esercizio 23 · equazione esponenziale con modulo
- Esercizio 24 · disequazione con il coseno iperbolico
- Esercizio 26 · dominio con esponenziali di base minore di 1
- Esercizio 27 · dominio e segno con l'arcocoseno
- Esercizio 32 · traslazioni e valori assoluti nei grafici
- Esercizio 101 · approssimare ex tra 0 e 1/2 e stimare la radice di e
- Esercizio 108 · per quali x converge una serie geometrica
- Esercizio 3 · somma 7 con due dadi
- Esercizio 16 · due esponenziali indipendenti, quadrato e somma
- Esercizio 10 · albero binario bilanciato
Teoria collegata
- Funzioni lineari e isomorfismi
- Prodotto scalare, norma e angoli
- Calcolo dei limiti di successioni
- Funzioni - definizione, dominio e grafico
- Limiti di funzioni - definizione
- Limiti di successioni
- Serie a termini di segno variabile
- Successioni limitate e monotone
- Topologia di Rn
- Funzioni di una variabile aleatoria
- Variabili aleatorie discrete e densità discreta
- Visite di alberi
- Norma, distanza e prodotto scalare in Rn
- Classificazione e k-nearest neighbors