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   "http://www.w3.org/Math/DTD/mathml2/xhtml-math11-f.dtd">
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<meta http-equiv="content-type" content="text/html; charset=UTF-8" />
<title>Sheet4: 620-295 Real Analysis with applications</title>
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body {
    counter-reset: section 0;  
    text-align: justify
}

h2.title {
    text-align:center
}
p.author {
    text-align:center
}
li {
    text-indent: 0em;
}
p.indent {
    text-indent: 2em; 
}

h2.section {
    counter-reset: eqn 0 result 0 subsection 0;  
}
h2.section:before {
    content: counter(section) ". ";
    counter-increment: section 1;  /* Add 1 to section */
}
h3.subsection:before {
    content: counter(section) "." counter(subsection);
    counter-increment: subsection;  /* Add 1 to subsection */
}

div.theorem:before { 
    content: "Theorem " counter(section) "." counter(result) " "; 
    counter-increment: result 1;
    font-style: normal; 
    font-weight: bold; 
}
div.theorem{ font-style:italic }
div.proposition:before { 
    content: "Proposition " counter(section) "." counter(result) " "; 
	counter-increment: result 1;
    font-style: normal; 
    font-weight: bold; 
}
div.proposition{ font-style:italic }
div.lemma:before { 
    content: "Lemma " counter(section) "." counter(result) " "; 
    counter-increment: result;
    font-style: normal; 
    font-weight: bold; 
}
div.lemma{ font-style:italic }

table.dispeq {
   width:100%;
   }
td.eq {
   text-align:center;
     }
td.eqno {
    width: 10px;
    text-align:right;
    }
td.eqno:after { 
     content: "("counter(section)"."counter(eqn)")";
     counter-increment: eqn;
     font-style: normal; 
  }
</style>
</head>

<body>
<h2 class="title"> 620-295 Real Analysis with applications <br /><br />
Problem Sheet 4</h2>

<p class="author">
Arun Ram <br />
Department of Mathematics and Statistics <br />
University of Melbourne <br />
Parkville VIC 3010 Australia <br />
aram@unimelb.edu.au <br />
<br />
</p>


<p> Last updates: 9 September 2009 </p>




<h2 class="section"> Sequences and series </h2>

<ol>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
metric space, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
complete (for a metric space), </dt>
<dt> (c) &nbsp;
completion (of a metric space) 
, </dt>
</dl><br />
</li>

<li>  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
be a sequence in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math>.  Show that if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
is increasing and bounded then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
converges.
<br /><br />
</li>

<li>  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
be a sequence in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&ge;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>.  Show that if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mstyle displaystyle="true">
<munderover><mo>&sum;</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mo>&infin;</mo></munderover>
<msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
</mstyle>
</math> is bounded then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mstyle displaystyle="true">
<munderover><mo>&sum;</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mo>&infin;</mo></munderover>
<msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
</mstyle>
</math> converges.
<br /><br />
</li>

<li>  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math>
be a metric space and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
be a sequence in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math>.  Show that if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
converges then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
is Cauchy.
<br /><br />
</li>

<li>  Give an example of a Cauchy sequence that
does not converge.
<br /><br />
</li>

<li>  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
be a sequence in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&ge;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>.  Show that if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mstyle displaystyle="true">
<munderover><mo>&sum;</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mo>&infin;</mo></munderover>
<msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
</mstyle>
</math> converges then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>n</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mo>&vert;</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>&vert;</mo>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li>  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math>
be a sequence in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&ge;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>.  Show that if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mstyle displaystyle="true">
<munderover><mo>&sum;</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mo>&infin;</mo></munderover>
</mstyle>
<mo>&vert;</mo><msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub><mo>&vert;</mo>
</math> converges then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mstyle displaystyle="true">
<munderover><mo>&sum;</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mo>&infin;</mo></munderover>
</mstyle>
<msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
</math> converges.
<br /><br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>r</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> with
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mn>0</mn><mo>&lt;</mo><mi>r</mi><mo>&lt;</mo><mn>1</mn>
</math>.  
Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>n</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>log</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mi>r</mi><mi>n</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mi>r</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li>  Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>log</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mrow><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li>  Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>sin</mi><mi>x</mi></mrow>
<mrow><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li>  Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>cos</mi><mi>x</mi> <mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li>  Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>cos</mi><mi>x</mi> <mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac>
</math>.
<br /><br />
</li>


</ol>



<h2 class="section"> Limits </h2>

<ol>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>p</mi>
</math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo>
<mi>a</mi></mrow></munder><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
continuous, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
uniformly continuous, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
Lipschiz continuous, </dt>
<dt> (e) &nbsp;
derivative at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>p</mi></math>, </dt>
</dl><br />
</li>

<li> For each of the following, guess the limit and then prove the guess by using the 
definition of limit:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>4</mn></mrow></munder>
<mrow>
<mo>(</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>3</mn><mo>)</mo>
</mrow></math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>4</mn></mrow></munder>
<mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>1</mn></mrow></munder>
<mfrac><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (e) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>9</mn></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (f) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>x</mi></mrow><mi>x</mi></mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (g) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>2</mn></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mn>2</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>8</mn></mrow>
<mrow><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup>
<mo>-</mo><mn>2</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>12</mn></mrow></mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (h) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mi>log</mi><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>x</mi></mrow>
<mrow><mn>3</mn><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>5</mn></mrow></mfrac>
</math>,</dt>
</dl><br />
</li>

<li> Evaluate the following limits:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mi>x</mi><mi>cos</mi><mfrac><mn>1</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mrow><mo>(</mo>
<msqrt><mrow><mn>5</mn><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt>
<mo>-</mo>
<msqrt><mrow><msup><mi>x</mi><mn>-2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt>
<mo>)</mo></mrow>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mfrac><mrow><msqrt><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>x</mi></msqrt><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>
<mi>x</mi></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac><mrow><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mi>x</mi></mrow>
<mrow><msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac>
</math>, </dt>
<dt> (e) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mn>7</mn><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (f) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><msup><mn>0</mn><mo>+</mo></msup></mrow></munder>
<mfrac><mrow><msqrt><mi>x</mi></msqrt></mrow>
<mrow><msqrt><mn>7</mn><mo>+</mo><msqrt><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>5</mn></msqrt></msqrt></mrow></mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (g) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>1</mn></mrow></munder>
<mfrac><mrow><mo>&vert;</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>&vert;</mo><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>+</mo><mo>&vert;</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>&vert;</mo></mrow>
</mfrac>
</math>,</dt>
<dt> (h) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mn>3</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
</mfrac>
</math>,</dt>
</dl><br />
</li>

<li> Evaluate the following limits:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi>x</mi></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
</math>,<br /> </dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mi>log</mi><mi>x</mi></mrow>
<mrow><mi>x</mi></mrow>
</mfrac></math>,<br /> </dt>
<dt> (c) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn><mo>+</mo></mrow></munder>
<msqrt><mi>x</mi></msqrt>
<mi>&thinsp;</mi><mi>log</mi><mi>x</mi>
</math>,<br /> </dt>
<dt> (d) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn><mo>+</mo></mrow></munder>
<mfrac>
<msqrt><mi>x</mi></msqrt>
<mrow><mi>log</mi><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
</math>,<br /> </dt>
<dt> (e) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mfrac>
<mrow><mi>sin</mi><mi>x</mi></mrow>
<mrow><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
</math>,<br /> </dt>
<dt> (f) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn></mrow></munder>
<mrow><mo>(</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow><mi>arcsin</mi><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow><mi>sin</mi><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo></mrow>
</math>. </dt>
</dl><br />
</li>

</ol>

<h2 class="section"> Continuous functions </h2>

<ol>



<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be such that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>
and
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
</math>.
Show that if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is continuous at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>.
 <br /><br />
</li>


<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be such that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn>
</math>
and
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mi>y</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>+</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
</math>.
Show that if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is continuous at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>.
 <br /><br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
be an interval in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math>.
Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be continous.  Show that the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>&vert;</mo><mi>f</mi><mo>&vert;</mo><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>&vert;</mo><mi>f</mi><mo>&vert;</mo><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mo>&vert;</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>&vert;</mo>
</math> is continuous.<br /><br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
be an interval in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math> and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be continous.  Show that the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>max</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>g</mi><mo>)</mo>
<mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>max</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>g</mi><mo>)</mo>
<mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>max</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>,</mo><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
</math> is continuous.<br /><br />
</li>

<li> (Thomae's function) Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>]</mo><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
be given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>

<mrow> <mo>{</mo>
<mtable>
<mtr> 
 <mtd> 
 <mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac>,
</mtd>

<mtd columnalign="left">
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mfrac><mi>m</mi><mi>n</mi></mfrac><mo>&isin;</mo><mi>&Qopf;</mi>
<mspace width="0.5em"/> 
<mtext> is reduced, </mtext>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd> <mn>0</mn>, </mtd>

<mtd columnalign="left"> 
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&notin;</mo><mi>&Qopf;</mi><mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mrow>
</math>
<br />
 Show that 
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
If 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>&notin;</mo><mi>&Qopf;</mi>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>, and
</dt>
<dt> (b) &nbsp;
If 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Qopf;</mi>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is not continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>.
</dt></dl>
<br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
be an interval in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math> and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be continous.  Show that the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>min</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>g</mi><mo>)</mo>
<mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>min</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>,</mo><mi>g</mi><mo>)</mo>
<mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>min</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>,</mo><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
</math> is continuous.<br /><br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>

<mrow> <mo>{</mo>
<mtable>
<mtr> 
 <mtd> 
 <mi>a</mi><mi>x</mi>,
</mtd>

<mtd columnalign="left">
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&le;</mo><mn>0</mn>,
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd> <msqrt><mi>x</mi></msqrt>, </mtd>

<mtd columnalign="left"> 
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&gt;</mo><mn>0</mn><mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mrow>
</math>
<br />
Show that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> is continuous. <br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>x</mi>
</math> uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>x</mi></mfrac>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>(</mo><msup><mn>10</mn><mn>-4</mn></msup><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>x</mi></mfrac>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>[</mo><mn>-1</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>]</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><msqrt><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></msqrt>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mo>&infin;</mo><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>log</mi><mi>x</mi>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Is the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mo>&infin;</mo><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
given by 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>log</mi><mi>x</mi>
</math>
uniformly continuous?
<br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be the function given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mfrac><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mo>&vert;</mo><mi>x</mi><mo>&vert;</mo><mo>)</mo>
</mrow></mfrac>
</math>.  Show that
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> is continuous,
</dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> is uniformly continuous,
</dt>
<dt> (c) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>sup</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mn>1</mn>
</math>,
</dt>
<dt> (d) &nbsp;
There does not exist
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
such that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mn>1</mn>
</math>,
</dt>
<dt> (e) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>inf</mi><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mn>-1</mn>
</math>,
</dt>
<dt> (d) &nbsp;
There does not exist
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>y</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
such that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mn>-1</mn>
</math>.
</dt>
</dl>
 <br /><br />
</li>

<li> Show that
the function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup><mo>-</mo><mn>6</mn><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>3</mn>
</math>
has exactly 3 roots.
 <br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
be an interval in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math>
 and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be a continuous function.
Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>I</mi><mo>)</mo>
</math>
is an interval.
 <br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>I</mi>
</math>
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>J</mi>
</math>
be intervals in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math>
and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>I</mi><mo>&rarr;</mo><mi>J</mi>
</math> be a surjective strictly monotonic continuous function.
Prove that the inverse function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>&colon;</mo><mi>J</mi><mo>&rarr;</mo><mi>I</mi>
</math>
exists and is strictly monotonic and continuous.
<br /><br />
</li>




</ol>


<h2 class="section"> Differentiability </h2>

<ol>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>]</mo><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be a function.  
Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo><mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>]</mo>
</math> and carefully define
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math>.  Prove that if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>]</mo><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> and  
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>]</mo><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
are functions then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><mi>f</mi><mi>g</mi><mo>)</mo><mi>&prime;</mi>
<mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mi>g</mi><mi>&prime;</mi>
<mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mo>+</mo>
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mi>g</mi>
<mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math>,
whenever 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math> and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math> exist.
<br /><br />
</li>



<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be such that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is differentiable at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>1</mn>
</math>
and
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mi>y</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>+</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
</math>.
Show that 
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is differentiable at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>c</mi>
</math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
<mo>/</mo>
<mi>c</mi>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is infinitely differentiable. </dt>
</dl>
<br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mi>&Ropf;</mi>
<mo>&rarr;</mo>
<mi>&Ropf;</mi>
</math> be such that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is differentiable at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>
and
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo>
<mi>&Ropf;</mi>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
</math>.
Show that 
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo>
<mi>&Ropf;</mi>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is differentiable at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>c</mi>
</math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi><mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow></msub>
</math>
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is infinitely differentiable. </dt>
</dl>
<br />
</li>



<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>

<mrow> <mo>{</mo>
<mtable>
<mtr> 
 <mtd> 
 <mo>-</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>,
 </mtd>

<mtd columnalign="left">
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&le;</mo><mn>0</mn>,
</mtd>
</mtr>
<mtr>
   <mtd> 
   <mi>x</mi>,
   </mtd>

<mtd columnalign="left"> 
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&gt;</mo><mn>0</mn><mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mrow>
</math>
<br />
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> continuous at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> differentiable at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
<br /><br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>

<mrow> <mo>{</mo>
<mtable>
<mtr> 
 <mtd> 
 <mo>-</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>,
 </mtd>

<mtd columnalign="left">
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&le;</mo><mn>0</mn>,
</mtd>
</mtr>
<mtr>
   <mtd> 
   <msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup>,
   </mtd>

<mtd columnalign="left"> 
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&gt;</mo><mn>0</mn><mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mrow>
</math>
<br />
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> continuous at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> differentiable at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
<br /><br />
</li>

<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>&Ropf;</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>

<mrow> <mo>{</mo>
<mtable>
<mtr> 
 <mtd> 
 <mfrac><mrow><mi>sin</mi><mi>x</mi></mrow><mi>x</mi></mfrac>,
</mtd>

<mtd columnalign="left">
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&lt;</mo><mn>0</mn>,
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd> <mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>, </mtd>

<mtd columnalign="left"> 
<mtext> if </mtext>
<mspace width="0.5em"/> 
<mi>x</mi><mo>&ge;</mo><mn>0</mn><mo>.</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mrow>
</math>
<br />
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> continuous at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
Is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> differentiable at
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mn>0</mn>
</math>?
<br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
and assume that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is differentiable on 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
</math> and continuous on 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
</math>.  Assume that the limit
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder> <mi>lim</mi>
<mrow><mi>x</mi><mo>&rarr;</mo><mi>a</mi><mo>+</mo></mrow>
</munder>
<mrow><mi>f</mi><mi>&prime;</mi></mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>L</mi>
</math> exists.  Prove that the right derivative
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>f</mi><mo>+</mo></msub><mi>&prime;</mi>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo>
</math> exists and that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msub><mi>f</mi><mo>+</mo></msub><mi>&prime;</mi>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>L</mi>
</math>. 
<br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>
and assume that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is differentiable at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi>
</math>.  Show that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<munder><mi>lim</mi><mrow><mi>h</mi><mo>&rarr;</mo><mn>0</mn><mo>+</mo></mrow></munder>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mrow><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>h</mi><mo>)</mo>
<mo>-</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>-</mo><mi>h</mi><mo>)</mo>
</mrow>
<mrow><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
</math> exists and equals
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mrow><mi>f</mi><mi>&prime;</mi></mrow><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
</math>.  Is the converse true?
<br /><br />
</li>

<li> Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mfrac><mi>d</mi>
<mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
<msqrt><mi>x</mi></msqrt>
<mo>=</mo>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow><mn>2</mn><msqrt><mi>x</mi></msqrt></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
</math>.
<br /><br />
</li>

<li> Prove that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mfrac><mi>d</mi>
<mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow>
</mfrac>
<mi>arcsin</mi><mi>x</mi>
<mo>=</mo>
<mstyle displaystyle="true">
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow><msqrt><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>
</mfrac>
</mstyle>
</math>.
<br /><br />
</li>



</ol>

<h2 class="section"> Mean value theorem </h2>

<ol>

<li> Use the mean value theorem to prove the following inequalities:
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>&vert;</mo> <mi>sin</mi><mi>x</mi><mo>-</mo>
<mi>sin</mi><mi>y</mi><mo>&vert;</mo>
<mo>&le;</mo>
<mo>&vert;</mo> <mi>x</mi><mo>-</mo><mi>y</mi><mo>&vert;</mo>
</math> for all
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>.
</dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>&vert;</mo> <mi>log</mi><mi>x</mi><mo>-</mo>
<mi>log</mi><mi>y</mi><mo>&vert;</mo>
<mo>&le;</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac>
<mo>&vert;</mo> <mi>x</mi><mo>-</mo><mi>y</mi><mo>&vert;</mo>
</math> for all
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo>
<mo>[</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mo>&infin;</mo><mo>)</mo>
</math>,
</dt>
<dt> (c) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>&vert;</mo> 
<msup>
<mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow>
<mn>1/5</mn>
</msup>
<mo>-</mo>
<msup><mi>x</mi><mn>1/5</mn></msup>
<mo>&vert;</mo>
<mo>&le;</mo>
<msup>
<mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><msup><mi>x</mi><mn>4/5</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mn>-1</mn></msup>
</math> for all
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo>
<msub><mi>&Ropf;</mi>
<mrow><mo>&gt;</mo><mn>0</mn></mrow>
</msub>
</math>.
</dt>
</dl>
<br /><br />
</li>

<li> Use the mean value theorem to show that if a function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is differentiable with
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>&gt;</mo><mn>0</mn>
</math> for all 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> 
is strictly increasing.
<br /><br />
</li>

<li> Use the mean value theorem to show that if a function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is twice differentiable with
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mi>&prime;</mi><mi>&prime;</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>&gt;</mo><mn>0</mn>
</math> then
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> 
is strictly convex.
(
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> 
is strictly convex if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>t</mi><mi>x</mi><mo>+</mo>
<mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>t</mi><mo>)</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
<mo>&lt;</mo>
<mi>t</mi><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo><mo>+</mo>
<mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>t</mi><mo>)</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>y</mi><mo>)</mo>
</math> for all
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi>
<mo>&isin;</mo><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
</math> and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>t</mi><mo>,</mo><mi>y</mi>
<mo>&isin;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
</math>.
<br /><br />
</li>


</ol>

<h2 class="section"> Picard and Newton iteration </h2>

<ol>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>&pi;</mi>
<mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac>
<mi>tan</mi><mi>x</mi>
</math>.  
Estimate numerically the solution to 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math> with
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>&pi;</mi><mo>)</mo>
</math> using Picard iteration.
<br /><br />
</li>

<li> Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>&pi;</mi>
<mo>)</mo>
<mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> is given by
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac>
<mi>tan</mi><mi>x</mi>
</math>.  
Estimate numerically the solution to 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math> with
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo>
<mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>&pi;</mi><mo>)</mo>
</math> using Newton iteration
(let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>F</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math>).
<br /><br />
</li>

<li> Show that the equation
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn>
<mo>=</mo><mn>0</mn>
</math> has a solution between 0 and 1.  Transform the equation
to the form 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math> for a suitable function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>]</mo>
<mo>&rarr;</mo>
<mo>[</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mo>]</mo>
</math>.  Use Picard iteration to find the solution to 3 decimal places.  (Try 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn><mo>/</mo><mo>(</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo>
</math>).
<br /><br />
</li>

<li> Show that the equation
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>g</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<msup><mi>x</mi><mn>4</mn></msup><mo>-</mo><mn>4</mn><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup>
<mo>-</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>4</mn>
<mo>=</mo><mn>0</mn>
</math> has a solution between 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msqrt><mn>3</mn></msqrt>
</math> and 2.  Transform the equation
to the form 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
</math> for a suitable function
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>]</mo>
<mo>&rarr;</mo>
<mo>[</mo><msqrt><mn>3</mn></msqrt><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>]</mo>
</math>.  Use Picard iteration to find the solution to 3 decimal places.  (Try 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<msqrt><mn>2</mn><mo>+</mo><msqrt><mi>x</mi></msqrt></msqrt>
</math>).
<br /><br />
</li>



</ol>

<h2 class="section"> Topology </h2>

<ol>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
metric space, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
limit of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> as 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi>
</math> approaches
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
limit of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math> as 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>n</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo>
</math>, </dt>
<dt> (j) &nbsp;
continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
continuous, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
uniformly continuous, </dt>
<dt> (e) &nbsp;
Lipschitz, </dt>
<dt> (f) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&epsiv;</mi>
</math>-ball, </dt>
</dl><br />
</li>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
topology, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
topological space, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
open set, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
closed set, </dt>
<dt> (e) &nbsp;
interior, </dt>
<dt> (f) &nbsp;
closure, </dt>
<dt> (g) &nbsp;
interior point, </dt>
<dt> (h) &nbsp;
close point, </dt>
<dt> (i) &nbsp;
neighborhood, </dt>
<dt> (j) &nbsp;
fundamental system of neighborhoods, </dt>
<dt> (k) &nbsp;
continuous at 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>=</mo><mi>a</mi>
</math>, </dt>
<dt> (l) &nbsp;
continuous, </dt>
</dl><br />
</li>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (a) &nbsp;
topological space, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
Hausdorff, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
fundamental system of neighborhoods, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
basis, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
connected set, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
compact set, </dt>
</dl><br />
</li>


<li>  Prove that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Bscr;</mi>
</math> and
is a basis of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Tscr;</mi>
</math> if and only if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Bscr;</mi>
</math> satisfies:
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo><mi>X</mi>
</math> 
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Bscr;</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo>
<mo>{</mo> <mi>B</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Bscr;</mi>
<mi>&thinsp;</mi><mo>&vert;</mo><mi>&thinsp;</mi>
<mi>x</mi><mo>&isin;</mo><mi>B</mi>
<mo>}</mo>
</math>
is a fundamental system
of neighborhoods of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi>
</math>.
<br /> <br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>Y</mi>
</math> be metric spaces.  Define the topology on 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>Y</mi>
</math>.
Prove that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>X</mi><mo>&rarr;</mo><mi>Y</mi>
</math>
is continuous as a function between metric spaces
if and only if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>X</mi><mo>&rarr;</mo><mi>Y</mi>
</math>
is continuous as a function between topological spaces.
<br /> <br />
</li>


<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (b) &nbsp;
filter, </dt>
<dt> (c) &nbsp;
finer, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
filter base, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
neighborhood filter, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
limit of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math> as 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi>
</math> approaches
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>a</mi>
</math>, </dt>
<dt> (b) &nbsp;
Fr&eacute;chet filter, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
limit of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mi>n</mi></msub><mo>)</mo>
</math> as 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>n</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo>
</math>. </dt>
</dl><br />
</li>

<li> Define the following and give an example for each:
<dl> 
<dt> (c) &nbsp;
ultrafilter, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
quasicompact, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
Hausdorff, </dt>
<dt> (d) &nbsp;
compact, </dt>
</dl><br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> be a Hausdorff topological space and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> be a compact subset of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math>.  Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> is closed.
<br /><br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> be a metric space.  Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> is Hausdorff and has a countable basis.
<br /><br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> be a metric space and let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> be a compact subset of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math>.  Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> is closed and bounded.
<br /><br />
</li>

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> be a metric space and let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math> be a subset of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math>.  Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math> is compact if and only if every infinite subset of
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math> has a limit point in 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math>.  (What is the definition of limit point???)
<br /><br />
</li>


<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> be a subset of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<msup><mi>&Ropf;</mi><mi>n</mi></msup>
</math>.  Show that 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> is compact if and only if
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>K</mi>
</math> is closed and bounded.
<br /><br />
</li>

<li>Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>Y</mi>
</math> be topological spaces and let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>X</mi><mo>&rarr;</mo><mi>Y</mi>
</math> be a continuous function.  Show that
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> is connected then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo>
</math> is connected. 
<br /><br />
</li>
 
<li> Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi><mo>&sube;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math>.  Show that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math> is connected if and only if the
set <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>E</mi>
</math> satisfies
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>&isin;</mo><mi>E</mi>
</math> and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>z</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
and
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>x</mi><mo>&lt;</mo><mi>z</mi><mo>&lt;</mo><mi>y</mi>
</math> 
then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>z</mi><mo>&isin;</mo><mi>E</mi>
</math>.
<br /><br />
</li>
 

<li> (Intermediate Value Theorem)  Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mo>[</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>]</mo><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be a continuous function.  Show that
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>z</mi><mo>&isin;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> 
and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo>
<mo>&lt;</mo><mi>z</mi><mo>&lt;</mo>
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
</math> 
then there exists 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>c</mi><mo>&isin;</mo>
<mo>(</mo><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi><mo>)</mo>
</math> 
such that
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>c</mi><mo>)</mo>
<mo>=</mo><mi>z</mi>
</math>. 
<br /><br />
</li>


<li>Let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> and 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>Y</mi>
</math> be topological spaces and let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo><mi>X</mi><mo>&rarr;</mo><mi>Y</mi>
</math> be a continuous function.  Show that
if 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>X</mi>
</math> is compact then 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo>
</math> is compact. 
<br /><br />
</li>
 

<li>  Let
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>D</mi>
</math> be a closed bounded subset of 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>&Ropf;</mi>
</math> and let 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi><mo>&colon;</mo>
<mi>D</mi><mo>&rarr;</mo><mi>&Ropf;</mi>
</math> be a continuous function.  
<dl>
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is a bounded function,
</dt>
<dt> (b) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
attains its maximum and minimum on 
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>D</mi>
</math>,
</dt>
<dt> (a) &nbsp;
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">
<mi>f</mi>
</math>
is uniformly continuous.
</dt>
</dl>
</li>

</ol>










</body>
</html>
