#5Espacios métricos

5 - Espacios métricos I

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Tue-03-09-2024 09:15 status: tags: Espacios métricos


Definición de espacio métrico

Un espacio métrico es un conjunto EE con una function d:E×E→R≥0d:E\times E\to \mathbb{R}_{\geq0} tal que:

  1. d(x,y)=0  ⟺  x=yd(x,y)=0\iff x=y
  2. d(x,y)=d(y,x)∀x,y∈Ed(x,y)=d(y,x) \forall x,y\in E
  3. d(x,y)≤d(x,z)+d(z,y)∀x,y,z∈Ed(x,y)\leq d(x,z)+d(z,y)\quad\forall x,y,z\in E. Por desigualdad triangular.

Ejemplos

  1. E=RnE=\mathbb{R}^n
- d2(x,y)=(∑i=1n(xi−yi)2)1/2\text{- }d_{2}(x,y)=\left( \sum_{i=1}^{n} (x_{i}-y_{i})^{2} \right)^{1/2} \\ - d1(x,y)=∑i=1n∣xi−yi∣\text{- }d_{1}(x,y)=\sum_{i=1}^{n}|x_{i}-y_{i}| \\ - d∞(x,y)=maxi<=i<=n{∣xi−yi∣}\text{- }d_{\infty}(x,y)=\underset{\text{i<=i<=n}}{max}\{ |x_{i}-y_{i}| \}

Obs:Obs: Coinciden si n=1n=1


Veamos que d2d_{2} es una distancia. Verifica i),ii),iii):

Cumple i)i)

d(×,y)=(∑i=1n(xi−yi)2)1/2=0  ⟹  pues tengo sumandos tods >= 0∣xi−yi∣=0∀i  ⟹  x=yd(\times,y)=\left( \sum_{i=1}^{n} (x_{i}-y_{i})^{2} \right)^{1/2}=0\underset{\text{pues tengo sumandos tods >= 0}}{\implies} |x_{i}-y_{i}|=0\quad\forall i\implies x=y

Cumple ii)ii)

pues ∣xi−yi∣=∣yi−xi∣|x_{i}-y_{i}|=|y_{i}-x_{i}|

Cumple iii)iii)

d2(x,y)2=∑∣xi−yi∣2=∑∣xi−zi+zi−yi∣≤Por desigualdad trig. del mod en R∣xi−zi∣+∣zi−yi∣d_{2}(x,y)^{2}=\sum |x_{i}-y_{i}|^{2}=\sum |x_{i}-z_{i}+z_{i}-y_{i}|\underset{\text{Por desigualdad trig. del mod en R}}{\leq}|x_{i}-z_{i}|+|z_{i}-y_{i}| ≤∑∣xi−yi∣2+∣zi−yi∣2+2∣xi−zi∣∣zi−yi∣\leq \sum |x_{i}-y_{i}|^{2}+|z_{i}-y_{i}|^{2}+2|x_{i}-z_{i}||z_{i}-y_{i}| =d2(x,z)2+d2(z,y)2+∑…=d_{2}(x,z)^{2}+d_{2}(z,y)^{2}+\sum\dots

Por otro lado

(d2(x,z)+d2(z,y))2=d2(x,z)2+2⋅d2(x,z)⋅d2(z,y)+d2(z,y)2(d_{2}(x,z)+d_{2}(z,y))^{2}=d_{2}(x,z)^{2}+2\cdot d_{2}(x,z)\cdot d_{2}(z,y)+d_{2}(z,y)^{2}

basta ver que

∑∣xi−zi∣.∣zi−yi∣≤(∑∣xi−zi∣2)1/2.(∑∣yi−zi∣2)1/2\sum |x_{i}-z_{i}|.|z_{i}-y_{i}|\leq \left( \sum |x_{i}-z_{i}|^{2} \right)^{1/2}.\left( \sum |y_{i}-z_{i}|^{2} \right)^{1/2}

Por cauchy-schwarz:

∑ai.bi≤(∑ai2)12⋅(∑bi2)12\sum a_{i}.b_{i}\leq \left( \sum a_{i}^{2} \right)^{\frac{1}{2}} \cdot\left( \sum b_{i}^{2} \right)^{\frac{1}{2}}

Tomo ai=∣xi−zi∣a_{i}=|x_{i}-z_{i}| y bi=∣zi−yi∣b_{i}=|z_{i}-y_{i}| y finalmente me queda que:

d2(x,y)2≤(d2(x,z)+d2(z,y))2d_{2}(x,y)^{2}\leq (d_{2}(x,z)+d_{2}(z,y))^{2} d2(x,y)≤d2(x,z)+d2(z,y)d_{2}(x,y)\leq d_{2}(x,z)+d_{2}(z,y)
E=C([a,b])={f:[a,b]→R:f continua}E=C([a,b])=\{ f:[a,b]\to \mathbb{R}:f\: continua \} d1(f,g)=∫ab∣f−g∣d∞(f,g)=maxa<=t<=b∣f(t−g(t))∣\begin{array}{l} d_{1}(f,g)=\int_{a}^{b} |f-g| \\ d_{\infty}(f,g)=\underset{\text{a<=t<=b}}{max}|f(t-g(t))| \end{array}

Veamos que d1(f,g)=0  ⟹  f=gd_{1}(f,g)=0\implies f=g Por absurdo, suponemos que ∃ t0∈[a,b] ∣ f(t0)≠g(t0)\exists\:t_{0}\in[a,b]\:|\:f(t_{0})\neq g(t_{0}), es decir: (f−g)(t0)≠0(f-g)(t_{0})\neq0 Como f, g son continuas, podemos encontrar un entorno pequeño alrededor de t0t_0​ donde ∣f(t)−g(t)∣|f(t) - g(t)| sigue siendo diferente de 0. ∃ E>0,δ>0\exists\: \mathcal{E}>0,\delta>0 tal que para todo los tt cercanos a t0:t∈[t0−δ;t0+δ]t_{0}:t \in[t_{0}-\delta;t_{0}+\delta]

∣f(t)−g(t)∣≥E>0si ∣t−t0∣≤δ|f(t)-g(t)|\geq \mathcal{E>0}\quad si \: |t-t_{0}|\leq \delta

En ese pequeño intervalo la diferencia es al menos E\mathcal{E}

Así

d1(f,g)=∫ab∣f(t)−g(t)∣.dt≥∫t0−δt0+δ∣f(t)−g(t)∣.dt≥∫t0−δt0+δE dx≥E.2δ>0d_{1}(f,g)=\int_{a}^{b} |f(t)-g(t)|.dt\geq \int_{t_{0}-\delta}^{t_{0}+\delta}|f(t)-g(t)|.dt\geq \int_{t_{0}-\delta}^{t_{0}+\delta} \mathcal{E} \, dx \geq \mathcal{E}.2\delta>0   ⟹  d1(f,g)>0Absurdo puesd1(f,g)=0\implies d_{1}(f,g)>0\quad \text{Absurdo pues}\quad d_{1}(f,g)=0

El 2δ2\delta sale de que la longitud del intervalo de integración de la derecha.

En conclusión, como llegamos a un absurdo. Necesariamente pasa que f=gf=g en todo el intervalo [a,b][a,b]


Dado EE un conjunto cualquiera. Defino la métrica discreta en EE , δ:E×E→R≥0\delta:E\times E\to \mathbb{R}_{\geq 0}

δ(x,y)={0x=y1x≠y\delta (x,y)=\begin{cases} 0&x=y \\ 1&x\neq y \end{cases}

Esto nos sirve en ejercicios donde la intuición nos dice que tenemos que buscar algún contraejemplo


Def:Def: Sea (E,d)(E,d) un espacio métrico. Sean x∈E,r≥0x \in E,r\geq0

  • B(x,r)={y∈E:d(x,y)<r}B(x,r)=\{ y \in E:d(x,y)<r \}, la bola abierta de centro x y radio r.
  • B‾(x,r)={y∈E:d(x,y)≤r}\overline{B}(x,r)=\{ y \in E:d(x,y)\leq r \}, bola cerrada de centro xx y radio rr.
  • S(x,r)={y∈E:d(x,y)=r}S(x,r)=\{ y \in E:d(x,y)=r \} esfera de centro xx y radio rr.

Ejemplos:Ejemplos:
(R,d1)(\mathbb{R},d_{1}) B(x,r)={y∈E:∣y−x∣<r})=(x−r,x+r)Bˉ(x,r)={y∈E:∣x−y∣≤r}=[x−r,x+r]S(x,r)={x−r,x+r}\begin{array}{l} B(x,r)=\{ y \in E:|y-x|<r \})=(x-r,x+r) \\ \bar{B}(x,r)=\{ y \in E:|x-y|\leq r \}=[x-r,x+r] \\ S(x,r)=\{ x-r,x+r \} \end{array}
(R2,d)(\mathbb{R}^{2},d)

Veamos los 33 espacios métricos dados por las 3 distancias dadas.

draw-metricosI-1

B((0,0),r;d1)={y∈R2:∣y1∣+∣y2∣<r}B(x,r;d2)B(x,r;d∞)\begin{array}{l} B((0,0),r;d_{1})=\{ y \in \mathbb{R}^{2}:|y_{1}|+|y_{2}|<r \} \\ B(x,r;d_{2}) \\ B(x,r;d_{\infty}) \end{array}
(C[a,b],d∞)(C[a,b],d_{\infty})

draw-metricosI-2

g∈B(f,r)h∉B(f,r)\begin{array}{l} g \in B(f,r) \\ h \not\in B(f,r) \end{array}

(E,δ)(E,\delta) con medida discreta

B(x,r)={Er>1{x}r≤1B(x,r)=\begin{cases} E&r>1 \\ \{ x \}&r\leq 1 \end{cases} Bˉ(x,r)={Er≥1{x}r<1\bar{B}(x,r)=\begin{cases} E&r\geq 1 \\ \{ x \}&r< 1 \end{cases} S(x,r)={∅r∉{0,1}{x}r=0E∖{x}r=1S(x,r)=\begin{cases} \emptyset&r \not\in \{ 0,1 \} \\ \{ x \}&r= 0 \\ E \setminus \{ x \}&r=1 \end{cases}

Def:Def:

Un conjunto A⊆E es acotado siD={d(x,y):x,y∈A}⊆[0,+∞] es acotado (sup)\begin{array}{c} \text{Un conjunto $A\subseteq E$ es acotado si}\\ D=\{ d(x,y):x,y \in A \}\subseteq [0,+\infty]\:es \: acotado\: (sup) \end{array}

En tal caso, su diámetro es diam(A)=sup(D)diam(A)=sup(D)

Ejemplos:

  1. A=B(x,r)A=B(x,r) Si y,z∈A,d(y,z)≤d(y,x)<r+d(x,z)<r<2ry,z \in A,d(y,z)\leq \underset{<r}{d(y,x)}+\underset{\text{<r}}{d(x,z)}<2r Así D⊆[0,2r]D\subseteq[0,2r]. Por lo tanto, AA está acotado, diam(A)≤2rdiam(A)\leq 2r

En el caso discreto:

  • Si r≤1,B(x,r)={x}r\leq 1,B(x,r)=\{ x \}, así diam(A)=0diam(A)=0
  • Si r>1,B(x,r)=Er> 1, B(x,r)=E, así diam(A)=1diam(A)=1
  1. E=Rn,d=d2,d1 oˊ ∞,diam(A)=2rE=\mathbb{R}^{n},d=d_{2},d_{1}\: ó \:\infty, diam(A)=2r pues: sea λ≥0\lambda\geq 0
d(x−λ⋅(1,0,0,…,0),x+λ⋅(1,0,0,…,0)∈A,si λ<r)=2.∣λ∣d(x-\lambda \cdot (1,0,0,\dots,0),\underset{\in A, si \:\lambda<r}{x+\lambda \cdot(1,0,0,\dots,0)})=2.|\lambda|

draw-metricosI-3

Prop:Prop:

A⊆E es acotado   ⟺  ∃ B⊆E bola abierta con A⊆B \text{$A\subseteq E$ es acotado $\iff \exists\:B\subseteq E$ bola abierta con $A \subseteq B$ }

Dem:Dem: ⇒)\Rightarrow) EE no pincha ni corta. Es un espacio ambiente. draw-metricosI-4 Tengo que AA es acotado, entonces:

∃ M≥0 con d(x,y)∈[0,M]∀x,y∈A.\text{$\exists\:M\geq 0$ con $d(x,y) \in[0,M]\quad\forall x,y \in A$.}

Tomo un a∈Aa \in A, fijo. Cualquiera. Así, si x∈A,d(x,a)≤Mx \in A,d(x,a)\leq M Luego, tomo r>Mr>M tengo que ∀x∈A:d(x,a)≤M<r  ⟹  d(x,a)<r\forall x \in A:d(x,a)\leq M<r\implies d(x,a)<r

  ⟹   ∃ bola abierta B=(B(a,r)):A⊆B(a,r)\implies \:\exists\: \text{bola abierta }B=(B(a,r)):A\subseteq B(a,r)

⇐)\Leftarrow) Quiero mostrar que AA está acotado. Sé que  ∃ B⊆E\:\exists\:B\subseteq E bola abierta con A⊆BA\subseteq B Supongamos que es B(a,r)B(a,r) para algún a∈Ea \in E Esto significa que ∀x∈A:d(a,x)<r\forall x \in A:d(a,x)<r Entonces tomamos dos puntos x,y∈Ax,y \in A y por desigualdad triangular:

d(x,y)≤d(a,x)+d(a,y)<r+r=2rd(x,y)<2r∀x,y∈A\begin{array}{c} d(x,y)\leq d(a,x)+d(a,y)<r+r=2r \\ d(x,y)<2r\quad \quad \forall x,y \in A \end{array}

Finalmente, tengo que M=2rM=2r es una cota superior para cualquier d(x,y)x,y∈Ad(x,y)\quad x,y \in A. Concluimos que AA es acotado.

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Def:Def:

x∈E es punto interior de A si ∃ r>0:B(x,r)⊆A\text{$x \in E$ es punto interior de $A$ si $\exists\:r>0:B(x,r)\subseteq A$}

También podría poner que x∈Ax \in A


Def:Def:

El interior de A es A0={x∈E:x punto interior de A}⊆A\text{El interior de $A$ es $A^{0}=\{ x \in E:x\text{ punto interior de }A \}$}\subseteq A

Ejemplos: En (R,d2)(\mathbb{R},d_{2})

[a,b]0=(a,b)[a,b]^{0}=(a,b)

Dem:Dem: draw-metricosI-5 ⊇)\supseteq)

Si x∈(a,b)x \in(a,b) tomo r=min{b−x>0,x−a>0}>0r=min\{ \underset{\text{>0}}{b-x},\underset{\text{>0}}{x-a} \}>0

Así, como a<x<ba<x<b se cumple que b−x>0b-x>0 y x−a>0  ⟹  r>0x-a>0\implies r>0 La bola centrada en xx y radio rr es el intervalo (x−r,x+r)(x-r,x+r) y como rr fue elegido de forma que

a≤x−r∧x+r≤ba\leq x-r\land x+r\leq b

Entonces

(x−r,x+r)=B(x,r)⊆[a,b](x-r,x+r)=B(x,r)\subseteq[a,b]\quad

⊆)\subseteq) Basta ver que a,b∉[a,b]0a,b\not\in [a,b]^{0}. Es decir, no existe bola abierta con centro en aa o bb tal que está contenida en [a,b][a,b]:

∀r>0:(a−r,a+r)=B(a,r)⊈A\forall r>0:(a-r,a+r)=B(a,r)\not\subseteq A

En efecto, a−r2<a  ⟹  a−r2∉[a,b]  ⟹  B(a,r)⊈[a,b]a- \frac{r}{2} <a\implies a-\frac{r}{2} \not\in[a,b]\implies B(a,r)\not\subseteq[a,b] Es decir encontré un elemento e=a−r2e=a-\frac{r}{2} de B(x,r)B(x,r) tal que no está en el intervalo (a,b)(a,b). Por lo tanto, la bola no está totalmente contenida en AA. Más aún, esto se cumple para cualquier r>0r>0.
Por lo tanto, aa no es punto interior de [a,b][a,b]. Análogamente el caso para bb.

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

En (R,d2)(\mathbb{R},d_{2}):

  1. Z0=∅\mathbb{Z}^{0}=\emptyset
∀r>0:B(x,r)⊈Z\forall r>0:B(x,r) \not\subseteq \mathbb{Z}

Pues cualquier intervalo que formemos tiene al menos un racional(Guía 1.Ej.2,b), y estos no pertenecen a Z\mathbb{Z} 2. Q0=∅\mathbb{Q}^{0}=\emptyset, por ejercicio de la guía 1 (Ej.2,d) todo intervalo no vacío tiene un irracional y la bola es un intervalo. Entonces existen irracionales en cualquier bola que no pertenecen a Q\mathbb{Q}

∀r>0:B(x,r)⊈Q\forall r>0:B(x,r) \not\subseteq \mathbb{Q}

En (E,δ)(E,\delta): A0=AA^{0}=A

∀x∈A:B(x,1)={x}⊆A\forall x \in A:B(x,1)=\{ x \}\subseteq A

En (E,d),E0=E(E,d),E^{0}=E (una tautología)


Citas y Comentarios

Leer 3.1 del Lages Lima.

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