G5-Ej.6

[!infobox] Ejercicio: Compacidad en la Métrica Discreta Contexto: Sea (E,d)(E, d) un espacio métrico discreto, donde:

d(x,y)={0si x=y1si x≠yd(x,y) = \begin{cases} 0 & \text{si } x=y \\ 1 & \text{si } x \neq y \end{cases}

Teorema: Un subconjunto K⊆EK \subseteq E es compacto   ⟺  K\iff K es finito.

Demostración 1: Vía Cubrimientos (Heine-Borel)

Esta es la demostración más directa y elegante.

(⟸)(\Longleftarrow) Finito implica Compacto

Esta es una propiedad general de cualquier espacio topológico. Si K={x1,…,xn}K = \{x_1, \dots, x_n\} es finito, cualquier cubrimiento por abiertos contiene una cantidad finita de conjuntos que cubren cada punto xix_i. La unión de esos conjuntos es un subcubrimiento finito. (Trivial).

(  ⟹  )(\implies) Compacto implica Finito

Supongamos que KK es un subconjunto compacto de EE.

Paso 1: Construcción del Cubrimiento En la métrica discreta, el conjunto unitario {x}\{x\} es un conjunto abierto. Justificación: La bola abierta B(x,1/2)B(x, 1/2) contiene solo a los puntos a distancia menor que 0.50.5. Como la única distancia posible distinta de 0 es 1, entonces B(x,1/2)={x}B(x, 1/2) = \{x\}.

Construimos el siguiente cubrimiento por abiertos de KK:

U={{x}:x∈K}\mathcal{U} = \{ \{x\} : x \in K \}

Es decir, cubrimos el conjunto usando sus propios puntos como conjuntos abiertos individuales. Claramente K⊆⋃x∈K{x}K \subseteq \bigcup_{x \in K} \{x\}.

Paso 2: Extracción del Subcubrimiento Como KK es compacto, por definición, el cubrimiento U\mathcal{U} admite un subcubrimiento finito. Esto significa que existe una colección finita de conjuntos de U\mathcal{U} que aún cubre a KK.

∃{x1},{x2},…,{xm}∈Utales queK⊆⋃i=1m{xi}\exists \{x_1\}, \{x_2\}, \dots, \{x_m\} \in \mathcal{U} \quad \text{tales que} \quad K \subseteq \bigcup_{i=1}^m \{x_i\}

Paso 3: Conclusión La unión de conjuntos unitarios es simplemente el conjunto de esos puntos:

K⊆{x1,x2,…,xm}K \subseteq \{ x_1, x_2, \dots, x_m \}

Esto implica que KK tiene, a lo sumo, mm elementos. ∴K\therefore K es un conjunto finito.


Demostración 2: Vía Secuencial (Bolzano-Weierstrass)

Usamos la caracterización: "Todo conjunto infinito en un espacio discreto no tiene puntos de acumulación".

Hipótesis: KK es compacto secuencialmente. Por reducción al absurdo: Supongamos que KK es infinito.

Paso 1: Sucesión de puntos distintos Como KK es infinito, podemos elegir una sucesión (xn)n∈N⊆K(x_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq K tal que todos sus términos sean distintos (xn≠xmx_n \neq x_m si n≠mn \neq m).

Paso 2: Análisis de convergencia En un espacio métrico discreto, una sucesión (yn)(y_n) converge a LL si y solo si es eventualmente constante (existe NN tal que ∀n≥N,yn=L\forall n \ge N, y_n = L). Razón: Para ϵ=1/2\epsilon = 1/2, la distancia d(yn,L)d(y_n, L) debe ser menor que 1/21/2. La única distancia menor a 1/21/2 es 0, por tanto yn=Ly_n = L.

Paso 3: Contradicción Consideremos cualquier subsucesión (xnk)(x_{n_k}) de nuestra sucesión original.

  • Como todos los términos de la original eran distintos, los términos de la subsucesión también son todos distintos.
  • Una sucesión de términos distintos nunca se vuelve constante.
  • Por lo tanto, ninguna subsucesión converge.

Esto contradice que KK sea compacto (pues debería tener una subsucesión convergente). ∴\therefore La suposición de que KK es infinito es falsa. KK debe ser finito.

[!done] Q.E.D.