G3-Ej.13

Sea (E,d)(E, d) un espacio métrico y sean (xn)n∈N(x_n)_{n\in\mathbb{N}}, (yn)n∈N(y_n)_{n\in\mathbb{N}} sucesiones en EE.

(a) Si lim⁡n→∞xn=xylim⁡n→∞yn=y,\lim_{n\to\infty} x_n = x \quad \text{y} \quad \lim_{n\to\infty} y_n = y, pruebe que

lim⁡n→∞d(xn,yn)=d(x,y).\lim_{n\to\infty} d(x_n, y_n) = d(x, y).

(b) Si (xn)n∈N(x_n)_{n\in\mathbb{N}}, (yn)n∈N(y_n)_{n\in\mathbb{N}} son dos sucesiones de Cauchy en EE, pruebe que la sucesión de números reales

(d(xn,yn))n∈N(d(x_n, y_n))_{n\in\mathbb{N}}

es convergente.


Sea (E,d)(E,d) un espacio métrico y sean (xn),(yn)⊂E(x_n),(y_n)\subset E con

lim⁡n→∞xn=xylim⁡n→∞yn=y.\lim_{n\to\infty} x_n = x \quad\text{y}\quad \lim_{n\to\infty} y_n = y.

Paso 1: Desigualdad triangular
En todo espacio métrico se cumple:

∣d(a,b)−d(c,d)∣≤d(a,c)+d(b,d),∀a,b,c,d∈E.|d(a,b) - d(c,d)| \le d(a,c) + d(b,d), \quad \forall a,b,c,d\in E.

Paso 2: Aplicar a las sucesiones
Tomando a=xn,b=yn,c=x,d=ya=x_n, b=y_n, c=x, d=y:

∣d(xn,yn)−d(x,y)∣≤d(xn,x)+d(yn,y).|d(x_n, y_n) - d(x, y)| \le d(x_n, x) + d(y_n, y).

Paso 3: Tomar límites
Como lim⁡n→∞xn=x\lim_{n\to\infty} x_n = x y lim⁡n→∞yn=y\lim_{n\to\infty} y_n = y:

lim⁡n→∞d(xn,x)=0,lim⁡n→∞d(yn,y)=0.\lim_{n\to\infty} d(x_n, x) = 0, \quad \lim_{n\to\infty} d(y_n, y) = 0.

Por tanto:

0≤lim⁡n→∞∣d(xn,yn)−d(x,y)∣≤0  ⟹  lim⁡n→∞∣d(xn,yn)−d(x,y)∣=0.0 \le \lim_{n\to\infty} |d(x_n, y_n) - d(x, y)| \le 0 \implies \lim_{n\to\infty} |d(x_n, y_n) - d(x, y)| = 0.

Paso 4: Concluir

lim⁡n→∞d(xn,yn)=d(x,y).\lim_{n\to\infty} d(x_n, y_n) = d(x, y).

Resolución de MathExchange

link La clave es usar la desigualdad triangular inversa. Como dd es una distancia, se cumple:

d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y),∀x,y,z∈X.d(x,y) \le d(x,z) + d(z,y), \quad \forall x,y,z \in X.

Esto se puede reescribir como:

d(x,y)−d(z,y)≤d(x,z).d(x,y) - d(z,y) \le d(x,z).

Como los roles de xx y zz pueden invertirse, se obtiene la desigualdad triangular inversa:

∣d(x,y)−d(z,y)∣≤d(x,z).|d(x,y) - d(z,y)| \le d(x,z).

Luego, aplicando esto a sucesiones:

∣d(pn,q)−d(p,q)∣≤d(pn,p),∣d(pn,qn)−d(pn,q)∣≤d(qn,q).|d(p_n,q) - d(p,q)| \le d(p_n,p), \quad |d(p_n,q_n) - d(p_n,q)| \le d(q_n,q).

Usando lo anterior y la desigualdad triangular normal:

∣d(pn,qn)−d(p,q)∣≤∣d(pn,qn)−d(pn,q)∣+∣d(pn,q)−d(p,q)∣≤d(qn,q)+d(pn,p).|d(p_n,q_n) - d(p,q)| \le |d(p_n,q_n) - d(p_n,q)| + |d(p_n,q) - d(p,q)| \le d(q_n,q) + d(p_n,p).

Dado ε>0\varepsilon>0, como lim⁡n→∞pn=p\lim_{n\to\infty} p_n = p y lim⁡n→∞qn=q\lim_{n\to\infty} q_n = q, existe N∈NN \in \mathbb{N} tal que para todo n≥Nn\ge N:

d(pn,p)<ε2yd(qn,q)<ε2.d(p_n,p) < \frac{\varepsilon}{2} \quad \text{y} \quad d(q_n,q) < \frac{\varepsilon}{2}.

Por lo tanto, para todo n≥Nn \ge N:

∣d(pn,qn)−d(p,q)∣≤d(pn,p)+d(qn,q)<ε2+ε2=ε.|d(p_n, q_n) - d(p,q)| \le d(p_n,p) + d(q_n,q) < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.

Esto muestra, por definición de límite:

lim⁡n→∞d(pn,qn)=d(p,q).\lim_{n \to \infty} d(p_n, q_n) = d(p,q).

Ejercicio b)

Demostración: La sucesión de distancias de Cauchy es convergente

Sea (E,d)(E,d) un espacio métrico y sean (xn),(yn)⊂E(x_n),(y_n)\subset E dos sucesiones de Cauchy. Queremos probar que la sucesión de números reales

(d(xn,yn))n∈N(d(x_n, y_n))_{n\in\mathbb{N}}

es convergente.

Paso 1: Desigualdad triangular inversa

Para cualquier n,m∈Nn,m\in\mathbb{N}, se cumple:

∣d(xn,yn)−d(xm,ym)∣≤∣d(xn,yn)−d(xn,ym)∣+∣d(xn,ym)−d(xm,ym)∣.|d(x_n, y_n) - d(x_m, y_m)| \le |d(x_n, y_n) - d(x_n, y_m)| + |d(x_n, y_m) - d(x_m, y_m)|.

Aplicando la desigualdad triangular inversa a cada término:

∣d(xn,yn)−d(xn,ym)∣≤d(yn,ym),∣d(xn,ym)−d(xm,ym)∣≤d(xn,xm),|d(x_n, y_n) - d(x_n, y_m)| \le d(y_n, y_m), \quad |d(x_n, y_m) - d(x_m, y_m)| \le d(x_n, x_m),

por lo que obtenemos

∣d(xn,yn)−d(xm,ym)∣≤d(xn,xm)+d(yn,ym).|d(x_n, y_n) - d(x_m, y_m)| \le d(x_n, x_m) + d(y_n, y_m).

Paso 2: Acotar usando que son Cauchy

Sea ε>0\varepsilon>0. Como (xn)(x_n) y (yn)(y_n) son Cauchy, existe N∈NN\in\mathbb{N} tal que para todo n,m≥Nn,m\ge N:

d(xn,xm)<ε2,d(yn,ym)<ε2.d(x_n,x_m) < \frac{\varepsilon}{2}, \quad d(y_n,y_m) < \frac{\varepsilon}{2}.

Entonces, para n,m≥Nn,m\ge N:

∣d(xn,yn)−d(xm,ym)∣≤d(xn,xm)+d(yn,ym)<ε2+ε2=ε.|d(x_n, y_n) - d(x_m, y_m)| \le d(x_n,x_m) + d(y_n,y_m) < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.

Paso 3: Concluir

Por definición, (d(xn,yn))(d(x_n,y_n)) es Cauchy en R\mathbb{R}. Como R\mathbb{R} es completo, toda sucesión de Cauchy converge, por lo que

(d(xn,yn))n∈N es convergente.(d(x_n, y_n))_{n\in\mathbb{N}} \text{ es convergente.}

Reso de foro: link

Sea (pn),(qn)⊂E(p_n),(q_n) \subset E dos sucesiones de Cauchy en un espacio métrico (E,d)(E,d). Queremos probar que la sucesión de números reales

(d(pn,qn))n∈N(d(p_n,q_n))_{n\in\mathbb{N}}

es convergente.

Paso 1: Dado ε>0\varepsilon>0

Como (pn)(p_n) y (qn)(q_n) son Cauchy, existe N∈NN\in\mathbb{N} tal que para todos m,n≥Nm,n \ge N:

d(pm,pn)<ε2,d(qm,qn)<ε2.d(p_m, p_n) < \frac{\varepsilon}{2}, \quad d(q_m, q_n) < \frac{\varepsilon}{2}.

Paso 2: Aplicar desigualdad triangular

Por la desigualdad triangular inversa en métricas:

∣d(pm,qm)−d(pn,qn)∣≤∣d(pm,pn)∣+∣d(qm,qn)∣<ε2+ε2=ε.|d(p_m,q_m) - d(p_n,q_n)| \le |d(p_m,p_n)| + |d(q_m,q_n)| < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.

Paso 3: Concluir que la sucesión es Cauchy

Esto muestra que para todo ε>0\varepsilon>0 existe NN tal que m,n≥Nm,n \ge N implica:

∣d(pm,qm)−d(pn,qn)∣<ε,|d(p_m,q_m) - d(p_n,q_n)| < \varepsilon,

es decir, (d(pn,qn))(d(p_n,q_n)) es Cauchy en R\mathbb{R}.

Paso 4: Convergencia

Como R\mathbb{R} es completo, toda sucesión de Cauchy converge. Por lo tanto:

(d(pn,qn))n∈N es convergente.(d(p_n,q_n))_{n\in\mathbb{N}} \text{ es convergente.}