R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
A NNAMARIA S CORZA T OSO
Sugli estremi parziali di una funzione di due variabili e la nozione di semicontinuità in una famiglia di insiemi
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 24 (1955), p. 93-102
<http://www.numdam.org/item?id=RSMUP_1955__24__93_0>
© Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, 1955, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova » (http://rendiconti.math.unipd.it/) implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.org/conditions).
Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit conte- nir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
SUGLI ESTREMI PARZIALI
DI UNA FUNZIONE DI DUE VARIABILI
E LA NOZIONE DI SEMICONTINUITÀ
IN UNA FAMIGLIA DI INSIEMI
Nota
(*)
di ANNAMARIA SCORZA TOSO( c~ Padova)
In
questa
Nota mi progongo dicollegare
con le nozioni di semicontinuità inferiore esuperiore
di unafamiglia
di in-siemi alcuni risultati di Bonnesen e Scorza
Dragoni sugli
estre-mi
parziali
di una funzione di due variabili.Aggiungerò poi
alla fine
qualche
osservazionecomplementare.
1. - Sia I un insieme del
piano ( ~, y), I y
la suaproiezione ortogonale sull’asse y, S(y)
la sezione di I con l’orizzontale diordinata y,
per y contenuto inIy .
1Sia
poi y)
una funzione definita inI,
ede’ ( y), e" ( y)
isuoi
estremi,
inferiore esuperiore,
suS ( y).
Diciamo, seguendo
ScorzaDragoni,
che l’insieme Igode
della
proprietà- c)
seogni
sottoinsieme r di I chiuso su I siproietta ortogonalmente sull’asse y
in unsottoinsieme, 1’y,
di111
chiuso su e che l’insieme Igode
dellaproprietà a)
se
ogni porzione
I’ di Iaperta
su I ha la sua, solitaproiezione, aperta
suI y ( 2).
’
(*) Pervenuta in Redazione il 31 gennaio 1955.
Indirizzo dell’A.: Seminario matematico, Università, Padova.
1) G. Sco~a,zs Ds~t~o~i, Un probtema sui e sui par- di una funzione, [Rendiconti dell’Accademia Nazionale dei Lincei, serie 61, voi. XI (1930), pagg. 865-872], n. 3.
2) G. SCORZA DBAGONI, Sui minimi e massimi parziali per le funzioni ds . più [Rendiconti dell’Accademia Nazionale dei Lincei, se- rie 6-, vol. VI (1927), pagg. 579-583 ] , n. 1.
Ci~3 premesso, è noto che :
Se
f(:1J,1/)
èinferiormente ( superiormente)
sem~continua ~ rzI, e’ ( y)
èinferiormenté ( e" ( y)
èsuper~orrrcente)
semicontinua, in1,,, purchè
le 8ezioniS ( y)
siano chiuse epurchè
Igoda
della
proprietà c) (3);
e che :
Se
f (3’, y)
èinferiormente (superiormente)
semicontinua inI,e"(y) 6 inferiormente (e’ ( y)
èsuperiormente)
semicontinua inpurchè
Igoda
dellaproprietà ac) (~).
A
proposito
diquesto
secondoteorema,
Bonnesen( 5)
avevacreduto di
poter
sostituire laproprietà a)
con una condizionesulla frontiera di
I, supponendo,
insostanza,
cheI -Il
fosse unsegmento
e che8 (y),
per y interno ad1",
non avesse alcunarco in comune con tale frontiera. :IZa
questa
condizione nonè sufficiente. Per
convincersene,
basta considerare1’insieane,
illustrato nella
figura (6),
per ilquale,
come ènoto, quel
teore-ma cade in difetto. ,
3) -Si veda : loc. n. 2; loc. Cit. 2 ), n. 2 ; e -si veda
anche
T. Bomzszrw, Les probtèmes des et des -th~er- V~llars, Parigi ~~~9) ~, pag. 12, primo teorema.
4) Si veda: l6e. e-it 1), n. 6; 2), n. 3.
3 ) 4oc. èlt. 3 ), pag. 12, secondo ; il fatto che ivi -si conf3ide~
#u6aoni ---continue non è -essenziale.
d ) cfr. n. 7
95
In tale
esempio,
la condizionea)
non è soddisfatta e sipuò sospettare
che ciò sia dovuto al fatto che ipunti
1 edy = 2
sono di discontinuità per8 (y). Invece 8 (y)
èsuperior-
mente semicontinua e
quell’insieme gode
dellaproprietà c).
Si
può quindi
pensare che laproprietà c)
sialegata
alla semi-continuità
superiore
dellesezioni;
e allora è naturale chie- dersi se laproprietà a)
non sialegata
alla semicontinuità in- feriore delle sezioni(7).
In
questa
Nota mostreròappunto
come ci sia addiritturaequivalenza
fra laproprietà a)
e la semicontinuità inferiore diS ( y)
e come unarisposta
sostanzialmenteanaloga
si possa dare neiriguardi
dellaproprietà c), qualora
le sezioniS(y)
siano chiuse e limitate.
2. - Diremo che
g(y)
è inferiormente semicontinua nel-
punto
yo se, incorrispondenza
adogni
intorno(8)
di un
punto ( ~, ya), prefissato
apiacere,
di sipuò
deter-minare un intorno
11(yu)
di yo siffatto che perogni y
dil’intersezione
S ( y) - U ( ~, y9)
non sia vuota.Diremo invece che è
superiormente
semicontinua nelpunto
yo, se contiene tutti ipunti
per iquali
si~-erificano le
seguenti
circostanze: dati comunque un intorno di un intorno di yo, perqualche y~yo
di U( yo) .
l’intersezione S(y).
U( ~, yo)
non è vuota( 9).
È facile dimostrare che la
proprietà a) è equivalente
allasemicontinuità
inferiore.
7 ) Il senso di queste frasi è ovvio, e sarà del resto, salvo qualche
lieve variante, quello dato da C. KuRATowSKI, Le fonetions semicon- dacns l’espace des ensembles fermés. [Fundamenta mathematicae, vol. XVIII (1931), pagg. 148-159], n. 1.
8) Chiamo intorno di un punto un insieme aperto che contenga quel punto.
9) A chiarimento di quanto ho detto nella nota 7 ), avverto che Ku- ratowski dà queste definizioni di semicontinuità supponendo che le se-
zioni S(y) siano chiuse ed abbiano le loro proiezioni ortogonali sul- contenute in un certo intervallo fisso ; avverto inoltre rhe KuRATowSKI considera anche insiemi variabili in ispazi topologici qua-
lunque.
Cominciamo col far vedere
che,
se l’insieme Igodé
dellaproprietà a),
allora8(y)
è inferiormente semicontinua. Infat-ti.
seU (o, y,) è
un intorno delpunto (x, yo),
l’insíeme I!7(~
apertò
suI,
ha la suaproiezione ortogonale
sull’asse y aper- ta su taleproiezione
sipuò quindi
pensare come interse- zione di7y
con unopportuno
intorno di yo ;ogni
pun-to y
diproiezione
di almeno unpunto
divale a dire l’intersezione della sezione
8 (y)
con 1’insiemeLT (~, yo)
non è vuota.Inversamente, suppongasi
inferiormente semicontinua in7y
e sia I’ un sottoinsieme di Iaperto
suI, I’y la
suaproie-
zione
ortogonale
sull’asse yed yo
unpunto
di1’y, proiezione
quindi
di almeno unpunto Po(xo, yo)
di I’. Poichè I’ èaperto
su I è
possibile
determinare un intornoU(xo, yo)
di Po siffatto che risulti Fissato un taleintorno,
in virtùdella semicontinuità inferiore di
8 (y), possiamo
trovare unintorno di y, tale che per
ogni
y di l’intersezio-ne
S ( y) · U ( xo, yo) = S ( y) · U ( ~o, yo) · I ‘ s ( y) · I’
non sia vuota.In altri
termini,
perogni punto
yo di èpossibile
determinareun intorno siffatto che tutti i
punti
di7y appartenenti
a taleintorno provengano dalla
proiezione
di almeno unpunto
diI’,
vale a dire siano essi
stessi punti
diI’y ; quest’ultimo
insiemerisulta
pertanto aperto
suIy .
*3. - Dimostriamo. ora che ia
proprietà c)
e ta chiu~urac del-le sezioni,
A9(y) impt-i,cano ta
seniicontinuitàsuperiore di S ( y)
e che la
proprietc~ c)
e ta limitazione diogni singola
8ezioneS(y) implicano la
timitazzone di I nell’intorno di seNio-ne
(1°) (questa espressione signifieando :
dato comunque y9 inIy ,
èpossibile
trovare un numero b > 0 tale che laporzio-
ne di I contenuta nella striscia di asse la
retta y
yo ed al- tezza a sialimitata).
Inseguito
dimostreremo inversamente che la limitazione di I nett’vrttorno diogni
8ezion,eS(y)
e lasemicontinuità
superiore
diqueste implicacno ,
laproprietàc c).
10) Questa proprietà sostituisce la condizione posta da Kuratowski, ricordata nella nota 9), che le proiezioni delle S(y) sull’asse s fossero contenute in un medesimo intervallo.
97
Supponiamo dunque
che Igoda
dellaproprietà c)
e che lesue sezioni
8 (y)
siano chiuse eproviamo
chesuperior-
mente semicontinua.
Sia yo
unpunto
di1.,
eyo)
unpunto
della retta tale
che,
dati comunque un intornoyo)
di1’ ed un intorno
U ( yo)
di yo, perqualche
y di l’inter- sezione non sia vuota; e sia un inter- valloaperto
di centro( x, yo),
il suo involucro chiusoe
W(Yo)
un intorno di yo. L’insieme ~’= è un sot- toinsieme di I chiuso suI ;
indichiamone al solito con1’v
laproiezione.
Poichè perqualche y
di l’intersezioneyo)
non èvuota,
nell’intornoW (y,)
di y, cadonopunti
dell’insieme1’y
chiuso suly ; dunque
per l’arbitrarietà diW ( yo)
ancheyo é
unpunto
di cioè esistono nella sezio-ne
punti
diW (x, yo).
Dall’ arbitrarietà dell’ intornoW ( ~, yo)
si deduce infine che Pappartiene
ad8(yo).
.Dimostriamo ora che l’insieme I è limitato nell’intorno di
-ogni
sua sezione . semprenell’ipotesi
che essogoda
dellaproprietà c).
Sia y, unpunto
diIy ; poichè 8 (yo) è limitata,
é
possibile
trovare un numero pmaggiore
dei moduli delle ascisse di tutti ipunti
di Se I non fosse limitato nel-l’intorno di
S ( yo),
nella striscia di asse la retta y yo ed altezza 1 esisterebbe certamente unpunto yi)
di I conl’ascissa in modulo
maggiore
di p~-1;
nella striscia di assela retta y = yo ed altezza
1/2
esisterebbe certamente unpunto (ae2, y2)
di I con l’ascissa in modulomaggiore
di p+
2. Cosproseguendo,
veniamo a costruire una successione dipunti
le cui ascisse
divergono
e le cui ordinate sono diverse da yo e tendono ad ya. Tale successione dipunti
costituisce un sotto- insieme I’ di I chiuso epertanto
la suaproiezione I’y
è chiu-:sa su
I y . Quindi
yo, essendo à’ accuxaulazione perI’y ,
appar-tiene ad
I’y
e nella sezione ci sarebbe allora almeno unpunto
di ascissa in modulomaggiore
di p, contro1’ipotesi.
Inversamente, supponiamo
che l’insieme I sia limitato nel- 1’i.ntorno diogni
sua e siasuperiormente
semicontinua
(in 7y) ;
se I’ è un sottoinsieme di I chiuso suI,
dico che allora la sua
proiezione I’y
è chiusa suI..
Sia 110 unpunto
di1 y
d’accumulazione perI’y
e sia AB unsegmento
della retta contenente le
proiezioni ortogonali
su taleretta di tutte le contenute nella striscia di asq-e
la retta y = yo ed
altezza 8,
con 8 convenientementepiccolo.
Facciamo vedere anzitutto che almeno un
punto
di 4B è d’ac-cumulazione per 1’. Infatti
(11),
se ciò nonfosse,
sarebbe pos- sibile associare adogni punto
di AB un intornoquadrato
noncontenente
(punti
di I’ diversi daquello
eperciò
non conte-nente) punti
di .r esterni alla retta y = yo . Per il teorema di Borel sipotrebbero trovare,
inAB, n punti P2, ... , Pn
tali che i loro
corrispondenti
intorniquadrati U(P2),
... ; 9ricoprano
AB. Se e è la misura del lato delpiù piccolo
fra
gli
intorni indichiamo con!7,(yo)
l’intervallo d centro yo edampiezza
e. Perogni y ~yo
di la sezio-ne
S(y)
non contienepunti
dily,
control’ipotesi
fatta su yo.Dunque
c’è almeno unpunto (xo, yo)
di AB d’accumulazione per 1’. La semicontinuitàsuperiore
diS(y)
cipermette
di af-fermare che tale
punto
è unpunto
di I epoiché
l’ è chiusosu
I,
ilpunto (a’0, yo) appartiene
pure ad l’ ed yo, inquant proiezione
di unpunto
dir,
è unpunto di Y. : quest’ultimo
insieme è
pertanto
chiuso su7y.
4. -
I teoremi di ScorzaDragoni
e Bonnesen sono ora su-scettibili di essere diversamente formulati.
Precisamente,
ilsecondo teorema del n. 1 diventa:
inferiormente
semicontinua in1", e" ( y) è
in-lemicOA~ÏtMuJ
Iy, 86.
y) è ~n f eriormente
I.Quanto
alprimo,
essopuò
esserePosto
nellaseguente
for.ma
più generale:
Se t’znsieme I è t~mitato nett’intor~ao di
ogni
sezi,oneS ( y)
esuperiormente e’ ( y) è
in-f er~or~raente s~cpersormente)
semicont~n.ucc n sevn f ertorrnen~e ( superi,ora~nente)
sem~cont~n~iac i0l I.ragionamento che segae è di tipo notissimo ed il risultato pure
non è nuovo.
99
Se le sezioni
8 (y)
fosserochiuse, questo
teorema sarebbeequivalente
alprimo
teorema del n.1,
in virtù delle consider zioni del numeroprecedente; poiché
cos nonè, bisogna
darneuna dimostrazione diretta.
Ma
prima voglio
osservare chequesto
teorema fornisce laspiegazione
di alcune circostanze rilevate da ScorzaDragoni
in casi
particolari (1=). Egli
aveva osservatoappunto
chee’ ( y)
era inferiormente semicontinua in
Iy
se era tale nel-l’insieme I ottenuto
aggregando
ilsegmento
1 x2,
y = 1 alquadrato 0 C y C 1,
mentre invece lo stesso nonsi
poteva
dire sey)
era inferiormente semicontinua nel- l’insieme 0 ~ 1,o y 1. Ebbene,
nelprimo
casoS(y) è appunto superiormente semicontinua,
nel secondo no.Ecco ora la dimostrazione del teorema.
Sia y, un
punto
diI,, poniamo e’ ( yo) = a,
esupponiamo,
se
possibile, che,
dati comunque unnumero
> 0 e un intornoU ( y")
di yo, perqualche
y diU ( yo) · I y
siae’ ( y) ~~ a ~.
Intal caso
ogni
striscia di asse la retta y = yo contienepunti (o, y)
in cui è1 (o, y) ~ oc20132013
cioè contienepunti
appar-2
tenenti
all’insieme,
chiuso su~, 1 a - ~ , B 2
in cui èy)
~2
.Supposta
1’altezza di una tal striscia abbastanzapiccola,
sia AB unsegmento
della retta y contenente tut- te leproiezioni ortogonali
su tale retta delle sezioni comprese nella strisciaconsiderata;
dico che l’insiemeI a ~ , Ì 2
il qua-le non ha ovviamente
punti
suAB,
ha almeno unpunto
diaccumulazione su AB.
Infatti,
se cos nonforse,
adogni
pnn- to di AB sipotrebbe
associare un intornoquadrato
non con- tenentepunti di I ac B i)
2 equindi
per il teorema di Bo-rel si
potrebbe ricoprire
AB con un numero finito di ta-li intorni e di
qui seguirebbe
Resistenza di un intorno di yo per tuttigli y
delquale, appartenenti ad Iy,
Pinterse-zione
S ( y) - ~ a - ~
sarebbe vuota.___
1
2
11) loc. cit. i), n. 4.
Dunque, dall’ipotesi
che inogni
intorno di yo ci siano pun- ti(di 7y)
in cuie’(y)~x2013e~
si deduce che c’è certamenteun
punto (~o ,
di .4B d’accumulazioneper
Ma, B 2
questo
insieme non hapunti
sullaretta y
= yo;pertanto
la se-micontinuità
superiore
diS ( y)
ci assicura che( ~o, y.),
appar- tiene adquindi
anche ad attesa la chiu-B
2
sura di
quest’ultimo
insieme su I. Ma tutto ciò è manifesta- menteassurdo; perciò
si devepoter
trovare un intornodi yo tale che per tutti
gli y
di risultie’ ( y)
> a e,e
questo significa appunto
che inferiormente semicon- . tinua in yo.Il confronto di
questa
dimostrazione conquella seguita
per provareche,
se l’insieme I è limitato nell’intorno diogni
suasezione ed
S ( y)
èsuperiormente
semicontinua inI y,
l’insieme1
gode
dellaproprietà c),
mostra come ilragionamento
riman-ga in sostanza immutato. E lo stesso si
può
dire neiriguardi
della
dimostrazione,
diciamocosi,
diretta delprimo
teoremaenunciato in
questo
numero e diquella
usata per provareche,
se
S (y)
è inferiormentesemicontinua,
l’insieme Igode
dellaproprietà a).
Dai teoremi
precedenti,
limitandosi persemplicità
al casodegli
insiemilimitati,
si deduce che:Sie I è limitato ed è in
l", e’ ( y)
ede" ( y)
sonol., 8e y) è
tale in I.Per chiarire la
portata
delleipotesi
diquesto teorema,
èopportuno
osservareesplicitamente
che:~Se nel
punto
yo, di conseguenza chiusa(18).
Sia
Po(lDo, yo)
unpunto
della retta y 1/0 di accumulazione per Poichè inogni
intorno diPo
cadonopunti
un tale intorno
può
sempre esserepensato
anchequale intorno ,
di unpunto
diquindi,
per la semicontinuità inferiore diS(y)
in yo, incorrispondenza
adogni
intornoyo)
diPo
èpossibile
determinare un intorno di tale che per ) Ci troviamo cosi condotti naturalmente a considerare sezionichiuse; cfr. la nota 9).
101
ogni y
di!7(2/o)’7y
l’intersezioneyo)
non sia vuota.Pertanto,
dati comunque un intornoyo)
diPo
ed un in-torno di yo, per tutti
gli y
di l’inter-sezione
yo)
non èvuota;
maallora,
per la semicon- tinuitàsuperiore
di~S ( y)
in yo, ilpunto Po appartiene
adche risulta cos
chiusa,
comeappunto
volevasi.Si osservi che la dimostrazione è
indipendente
daogni ipo-
tesi di limitazione per l’insieme I.
5. - Dedichiamo
questo
numero aqualche
osservazione com-plementare.
Se l’insieme I è il
rettangolo
definito dalle limitazioni allora basta sapere chey) è,
inI,
inferiormente semicontinua
rispetto ad y
perpoter
affermareche il suo estremo
superiore, e" ( y),
è inferiormente semicon- tinuo in c H d.Infatti,
se yo è unpunto
di c per cui si hae"( yo) > a,
esiste certamente almeno un
punto (xo, yo)
di I in cui èf (x,,, yo)
> à. Per la semicontinuità inferiore della funzioney),
sipuò
trovare un intornoU ( yo)
delpunto
ya sif- fatto che per tuttigli y
diU ( yo)
contenuti in risultiy) > a,
epertanto e" (y)
> a, equesto
basta per affer-mare che
e" ( y)
è inferiormente semicontinua.Naturalmente,
sey) è,
nelrettangolo I, superiormente
semicontinua
rispetto
ad y, il suo estremoinferiore, e’ (y),
èsuperiormente
semicontinuo in c H d..
Invece,
dalla sola semicontinuità inferiore(superiore)
diy) rispetto
ad y inI,
non sipuò
dedurre la semiconti- nuitàsuperiore
die" ( y) (inferiore
die’ ( y))
in c 1-1 d.Sia,
adesempio,
I ilquadrato
di vertici( o, 0), (1, 0), (1, 1), (0, 1)
e definiamo in I la funzioney)
come segue: nell’ori-gine
sianel
triangolo
di vertici( 0, 0), ( 1, 1), ( 0, 1) privato
dell’ori-gine poniamo
in tutti i rimanenti
punti
di I siapoi
La funzione
y)
cos definita è addirittura continua siarispetto
alla sola o cherispetto
alla sola y(anzi
continuasenz’altro in
ogni punto
diversodall’origine) ;
mae"(y)
nonè
superiormente
semicontinua nelpunto y = 0:
infatti èe" ( o) = 0
ede" ( y)
=1 per 0y W 1.
Analogamente
si vedeche,
per la funzione2013~(~ y), e’ ( y)
non è inferiormente semicontinua nel
punto
y = 0.Un’ultima osservazione: Bonnesen e Scorza
Dragoni
ave-vano preso in esame anche il caso in cui la funzione
f (x, y)
era data in un insieme I
decomposto
in una infinità di hor- zioniprive
a due a due dipunti
comuni eposte
incorrispon-
denza biunivoca con un
parametro
N. In tal caso,h
è l’in-sieme dell’asse z costituito dai valori di z cui
corrispondono punti
diI, S ( z)
laporzione
di Icorrispondente
al valore z delparametro, e’ (z)
ede"(z) gli estremi,
inferiore esuperiore,
di
f(ae, y)
suS(z).
Ci sipuò
chiedere se non si possa esten- dere anche al caso di similidecomposizioni più generali
lanuova formulazione data in
questa
Nota ai teoremi di Bonnesene Scorza
Dragoni,
allorchè I èdecomposto
nelle sue sezionicon le orizzontali.