EL MÉTODO DE LA BISECCIÓN

Teorema de BolzanoSea f : [a, b] ⊂ IR → IR una función continua en [a, b] tal que f(a) · f(b) < 0, esdecir, que tiene distinto signo en a y en b. Entonces, existe c ∈ (a, b) tal que f(c) = 0

El Teorema de Bolzano afirma que si una función es continua en un intervalo cerradoy acotado y en los extremos del mismo ésta toma valores con signos opuestos, entoncesexiste al menos una raíz de la función en el interior del intervalo.

Demostración:

Supongamos que f(a) < 0 y f(b) > 0. Sea T el conjunto formado por todos los valoresx / x ∈ [a, b] para los que f(x) < 0. El conjunto T está acotado superiormente por b y,además, no es vacío ya que a pertenece a T . Por ello el conjunto T tiene un extremosuperior c. Se cumple que f(c) = 0. Veamoslo:

Si f(c) > 0, entonces por la propiedad de la conservación del signo de las funcionescontinuas existiría un intervalo (c− δ, c + δ) en el que la función sería también positiva.En este caso existirían valores menores que c que servirían de cota superior de T y porello c no sería el extremo superior de T como hemos supuesto.

Si f(c) < 0, entonces existiría un intervalo (c − δ, c + δ) en el que la función seríanegativa y por tanto existirían valores de x a la derecha de c para los que la función seríanegativa y por tanto c no sería el extremo superior de T . Por tanto f(c) tiene que tomarel valor cero: f(c) = 0.

Si f(a) > 0 y f(b) < 0 el razonamiento es similar.

De forma más general obtenemos El Teorema del Valor Intermedio:

El Teorema del Valor IntermedioSea f : [a, b] ⊂ IR → IR continua en [a, b], y tal que f(a) < f(b) entonces, paracualquier k tal que f(a) < k < f(b) existe x0 ∈ (a, b) tal que f(x0) = k

Básicamente el Teorema del Valor Intermedio nos dice que toda función contínua enun intervalo cerrado, una vez que alcanzó ciertos valores en los extremos del intervalo,entonces debe alcanzar todos los valores intermedios.

Demostración:

Para la demostración aplicamos el teorema de Bolzano en la función g(x) = f(x)− k,la cual es continua, por serlo f(x), g(a) < 0 y g(b) > 0. El teorema nos permite afirmarque existirá c ∈ (a, b) tal que g(c) = 0 y en consecuencia f(c) = k.

El método de la bisección se basa en estos teoremas y se emplea para aproximarceros de funciones.

Supóngase que queremos encontrar los ceros de una función f(x) continua. Dadosdos puntos a y b tal que f(a) y f(b) tengan signos distintos, sabemos por el Teoremade Bolzano que f(x) debe tener, al menos, una raíz en el intervalo [a, b]. El método de

bisección divide el intervalo en dos, usando un tercer punto c =(a + b)

2. En este momento,

existen dos posibilidades: f(a) y f(c), ó f(c) y f(b) tienen distinto signo. El método debisección se aplica al subintervalo donde el cambio de signo ocurre. Este proceso puedeaplicarse tantas veces como sea necesario para alcanzar la precisión que se requiera.

Páginas web relacionadas con el tema:

(1) http://www-ma3.upc.edu/users/carmona/teaching.html

Podréis encontrar un gráfico ilustrativo del método de la bisección.

(2) http://www.vitutor.com/fun/3/c 3.html

Podréis encontrar el enunciado del Teorema de Bolzano y ejercicios resueltos.

(3) http://www.matematicasbachiller.com/temario/sel/enuncia/seten07.htm

Los videos 7.09, 7.10 y 7.11 están relacionados con el Teorema de Bolzano. Aparecealgo llamado la propiedad de Darboux que no es más que el Teorema de los valoresintermedios.

Ejemplo 1.- Se considera la función f : IR → IR continua y acotada. Demostrar quela ecuación f(x)− x = 0 tiene al menos una raíz real.

Consideramos la función h(x) = f(x)−x. Dicha función es continua por ser diferencia defunciones continuas. Por ser f acotada en IR existe un M ∈ (0, +∞) tal que

−M < f(x) < M para todo x ∈ IR.

Por tanto, para todo x ∈ IR tenemos que f(x)−M < 0 y f(x)+M > 0 y en consecuencia

h(M) = f(M)−M < 0

h(−M) = f(−M) + M > 0.

Por el Teorema de Bolzano existe c ∈ [−M, M ] tal que h(c) = 0.

Ejemplo 2.- Encontrar un intervalo en el que se pueda asegurar que existe algunasolución de la siguiente ecuación (Puedes ayudarte gràficamente).

et−1 =1

1 + t

Haciendo un dibujo aproximado podemos determinar un intervalo dónde encontrar lasolución de la ecuación.

−1 −0.5 0 0.5 1 1.5 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Podemos observar que la solución de la ecuación se encuentra entre t=0 y t=1. Apli-

camos ahora el Teorema de Bolzano para demostrarlo. Consideramos f(t) = et−1− 1

1 + t.

Se trata de una función continua en el intervalo (−1, +∞) ya que es suma y cociente de

continuas y no se anula el denominador. Por otro lado, f(0) = e−1−1 < 0 y f(1) =1

2> 0.

Por tanto, el Teorema de Bolzano asefura que existe c ∈ (0, 1) tal que f(c) = 0.

Ejemplo 3.- Encontrar la raíz de f(x) = e−x− ln (x) con un error más pequeño quemedia décima.

f(x) es continua en (0, +∞). Buscamos x1 y x2 tal que f(x1) · f(x2) < 0.

x1 = 1 x2 = 2

f(x1) = 0,3679 f(x2) = −0,5578

x3 =x1 + x2

2= 1,5 =⇒ ε < 0,5, ya que |1− 1,5| = 0,5 y |2− 1,5| = 0,5

f(x3) = −0,1823

x1 = 1 x3 = 1,5

f(x1) = 0,3679 f(x3) = −0,1823

x4 =x1 + x3

2= 1,25 =⇒ ε < 0,25, ya que |1,5− 1,25| = 0,25 y |1− 1,25| = 0,25

f(x4) = 0,0634

x4 = 1,25 x3 = 1,5

f(x4) = 0,0634 f(x3) = −0,1823

x5 =x3 + x4

2= 1,375 =⇒ ε < 0,125

f(x5) = −0,0656

x4 = 1,25 x5 = 1,375

f(x4) = 0,0634 f(x5) = −0,0656

x6 =x4 + x5

2= 1,3125 =⇒ ε < 0,0625

f(x6) = −0,0028

x4 = 1,25 x6 = 1,3125

f(x4) = 0,0634 f(x6) = −0,0028

x7 =x4 + x6

2= 1,28125 =⇒ ε < 0,03125

f(x7) = 0,0299

De esta manera obtenemos que 1,28125± 0,03125 es una raíz de f(x).

Ejemplo 4.- Encontrar x con un error más pequeño que 0.05 el punto de corte delas funciones h(x) = sen(x) y g(x) = −x + 1.

Dado que queremos encontrar la solucion de la ecuación senx = −x + 1 lo que vamosa hacer es definir la función f(x) = sen(x) + x− 1 y encontraremos sus ceros mediante elmétodo de la bisección. Observamos que f(x) es continua en (−∞, +∞) por ser suma defunciones elementales. Buscamos x1 y x2 tal que f(x1) · f(x2) < 0.

x1 = 0 x2 = 1

f(x1) = −1 f(x2) = 0,8415

x3 =x1 + x2

2= 0,5 =⇒ ε < 0,5

f(x3) = −0,0206

x3 = 0,5 x2 = 1

f(x3) = −0,0206 f(x2) = 0,8415

x4 =x3 + x2

2= 0,75 =⇒ ε < 0,25

f(x4) = 0,4316

x3 = 0,5 x4 = 0,75

f(x3) = −0,0206 f(x4) = 0,4316

x5 =x3 + x4

2= 0,625 =⇒ ε < 0,125

f(x5) = 0,2101

x3 = 0,5 x5 = 0,625

f(x3) = −0,0206 f(x5) = 0,2101

x6 =x3 + x5

2= 0,5625 =⇒ ε < 0,0625

f(x6) = 0,0958

x3 = 0,5 x6 = 0,5625

f(x3) = −0,0206 f(x6) = 0,0958

x7 =x3 + x6

2= 0,53125 =⇒ ε < 0,03125

f(x7) = 0,0379

Hemos encontrado que 0,53125± 0,03125 es solución de la ecuación y por tanto será elpunto de corte de las dos funciones dadas.