#10Continuidad

2025 - Teórica 10 - Continuidad I

22 min de lectura

Tue-29-04-2025 18:12 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Continuidad


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean (M,d) y (N,d′) espacios meˊtricos. f:M→N,x∈M . f es continua en x si:∀ε>0 ∃ δ>0∣d(y,x)<δ  ⟹  d′(f(y),f(x))<ε\begin{array}{l} \text{Sean $(M,d)$ y $(N,d')$ espacios métricos. $f:M\to N,x \in M$ . $f$ es continua en $x$ si:}\\ \forall\varepsilon>0\:\exists\:\delta>0\bigm| d(y,x)<\delta\implies d'(f(y),f(x))<\varepsilon \end{array}

Equivalentemente ∀ε>0, ∃ δ>0∣\forall\varepsilon>0,\:\exists\:\delta>0\bigm|

f(B(x,δ))⊆B(f(x),ε)f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

EjemplosEjemplos
  1. f:Rn→R,(Rn,d2),(R,∣⋅∣)f:\mathbb{R}^{n}\to \mathbb{R},(\mathbb{R}^{n},d_{2}),(\mathbb{R},|\cdot|)

x=(x1,…,xn)∈Rnx=(x_{1},\dots,x_{n})\in \mathbb{R}^{n} ff es continua en xx si ∀ε>0\forall\varepsilon>0

 ∃ δ>0∣d2(x,y)⏟∣∣x−y∣∣<δ  ⟹  ∣f(x)−f(y)∣<ε\:\exists\:\delta>0\bigm| \underbrace{ d_{2}(x,y) }_{ \lvert \lvert x-y \rvert \rvert }<\delta\implies |f(x)-f(y)|<\varepsilon
  1. f:M→N,x∈Mf:M\to N,x \in M es punto aislado.

Si δ=r,B(x,δ)={x}\delta=r,B(x,\delta)=\{ x \}

f(B(x,δ))={f(x)}⊆B(f(x),ε)f(B(x,\delta))=\{ f(x) \}\subseteq B(f(x),\varepsilon)

  ⟹  f\implies f es continua en xx.

  1. Subejemplo (M,δ),(N,d′)(M,\delta),(N,d')
f:M→N es continua en x∀xf:M\to N\text{ es continua en }x \quad \forall x

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:M→N,x∈M. f es continua en x  ⟺  ∀(xn)n∈N⊆M∣xn→x  ⟹  f(xn)→f(x)\begin{array}{l} \text{$f:M\to N,x \in M$. $f$ es continua en $x\iff$}\\ \forall ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M\bigm| x_{n}\to x\implies f(x_{n})\to f(x) \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }   ⟹  )\implies)
ff es continua en xx. Sea (xn)n∈N⊆M( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M tal que xn→xx_{n}\to x Quiero ver que (f(xn))n∈N⊆N:f(xn)→f(x)( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq N:f(x_{n})\to f(x)

Sea ε>0,\varepsilon>0, quiero ver que  ∃ n0∣d′(f(xn),f(x))<ε\:\exists\:n_{0}\bigm|d'(f(x_{n}),f(x))<\varepsilon ∀n≥n0\forall n\geq n_{0} Como ff es continua,  ∃ δ>0∣d(x,y)<δ  ⟹  d′(f(x),f(y))<ε\:\exists\:\delta>0\bigm|d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))<\varepsilon Como xn→x, ∃ n0∣x_{n}\to x,\:\exists\:n_{0}\bigm| si n≥n0d(xn,x)<δn\geq n_{0}\quad d(x_{n},x)<\delta

  ⟹  d′(f(xn),f(x))<ε∀n≥n0\implies d'(f(x_{n}),f(x))<\varepsilon \quad \forall n\geq n_{0}

  ⟸  )\impliedby) Por el absurdo: Supongo que ff no es continua en x.x. Es decir,

 ∃ ε>0,∀δ>0 ∃ y∈M∣d(x,y)<δ  ⟹  d′(f(x),f(y))≥ε\:\exists\:\varepsilon>0,\forall\delta>0\:\exists\:y\in M\bigm| d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))\geq \varepsilon

Elijo δ=1n\delta= \frac{1}{n}, entonces  ∃ xn∈M∣d(xn,x)<1n\:\exists\: x_{n}\in M\bigm|d(x_{n},x)< \frac{1}{n} y d′(f(xn),f(x))≥εd'(f(x_{n}),f(x))\geq\varepsilon
Considero (f(xn))n∈N⊆N( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq N

d(xn,x)<1n→0  ⟹  xn→xd(x_{n},x)< \frac{1}{n}\to 0\implies x_{n}\to x

∀n∈N\forall n \in \mathbb{N} d′(f(xn),f(x))≥ε  ⟹  f(xn)→f(x)d'(f(x_{n}),f(x))\geq\varepsilon\implies f(x_{n})\cancel{ \to } f(x) Absurdo.

□\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

Ejemplo:Ejemplo: ev12:(C[0,1],d∞)→(R,∣⋅∣)f↦f(12)\begin{array}{c} ev_{ \frac{1}{2}}:(C[0,1],d_{\infty})&\to (\mathbb{R},|\cdot|) \\ f&\mapsto f\left( \frac{1}{2} \right) \end{array}

ev12ev_{ \frac{1}{2}} es continua en ff ∀f∈C[0,1]\forall f \in C[0,1]

Sea f∈C[0,1]f \in C[0,1], sea (fn)n∈N⊆C[0,1]( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq C[0,1] tal que fn→ff_{n}\to f
Quiero ver que ev12(fn)→ev12(f)ev_{ \frac{1}{2}}(f_{n})\to ev_{ \frac{1}{2}}(f)

ev12(fn)=fn(12)ev12(f)=f(12)fn(12)→f(12)  ⟺  ∣fn(12)−f(12)∣→0\begin{array}{c} ev_{ \frac{1}{2}}(f_{n})=f_{n}\left( \frac{1}{2} \right) \\ ev_{ \frac{1}{2}}(f)=f\left( \frac{1}{2} \right) \\ f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)\to f\left( \frac{1}{2} \right)\iff \left|f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)-f\left( \frac{1}{2} \right)\right|\to 0 \end{array}

fn→ff_{n}\to f en (C[0,1],d∞)(C[0,1], d_{\infty})

d∞(fn,f)=max ∣fn(x)−f(x)∣→0d_{\infty}(f_{n},f)=max\:\left| f_{n}(x)-f(x) \right| \to 0

Entonces

∣fn(12)−f(12)∣≤sup ∣fn(x)−f(x)∣→0\left| f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)-f\left( \frac{1}{2} \right) \right| \leq sup\:\left| f_{n}(x)-f(x) \right| \to 0

y listo.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

f:M→N es continua si es continua en x ∀x∈M \begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua si es continua en $x$ $\forall x \in M$ } \end{array}

Notación: A⊆N,f−1(A)={x∈M∣f(x)∈A}A\subseteq N,f ^{-1}(A)=\{ x \in M\bigm|f(x)\in A \}


Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:M→N es continua   ⟺  f−1(A)⊆M es abierto ∀A⊆N abierto.\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f ^{-1}(A)\subseteq M$ es abierto $\forall A \subseteq N$ abierto.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }   ⟹  )\implies) Caso 1: Si f−1(A)=∅  ⟹  f ^{-1}(A)=\emptyset\implies es abierto. Caso 2: Si f−1(A)≠∅.f ^{-1}(A)\neq \emptyset. Sea x∈f−1(A)x \in f ^{-1}(A) Quiero ver que  ∃ r>0∣B(x,r)⊆f−1(A)\:\exists\: r> 0\bigm|B(x,r)\subseteq f^{-1}(A) Como AA es abierto  ∃ ε>0∣B(f(x),ε)⊆A\:\exists\:\varepsilon>0\bigm|B(f(x),\varepsilon)\subseteq A Como ff es continua en x, ∃ δ>0x, \:\exists\:\delta>0 tal que f(B(x,δ))⊆B(f(x),ε)⊆Af(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)\subseteq A
Entonces

B(x,δ)⊆f−1(A)B(x,\delta)\subseteq f ^{-1}(A)

Usamos que : Sea y∈B(x,δ)  ⟹  f(y)∈A  ⟹  y∈f−1(A)y \in B(x,\delta)\implies f(y) \in A\implies y \in f ^{-1}(A)

  ⟸  )\impliedby) Sea x∈Mx \in M y sea ε>0.\varepsilon>0. Quiero ver que

 ∃ δ>0∣f(B(x,δ))⊆B(f(x),ε)\:\exists\:\delta>0\bigm| f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

Como B(f(x),ε)B(f(x),\varepsilon) es un abierto   ⟹  f−1(B(f(x),ε))\implies f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon)) es un abierto Entonces

 ∃ δ>0∣B(x,δ)⊆f−1(B(f(x),ε))\:\exists\:\delta>0\bigm| B(x,\delta)\subseteq f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon))   ⟹  f(B(x,δ))⊆B(f(x),ε)\implies f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

Por lo tanto ff es continua.

Usamos que y∈B(x,δ)  ⟹  y∈f−1(B(f(x),ε))  ⟹  f(y)∈B(f(x),ε)y \in B(x,\delta)\implies y \in f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon))\implies f(y)\in B(f(x),\varepsilon)

□\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

Corolario :{\color{Red} \text{Corolario }:}

f:M→N es continua   ⟺  f−1(F) es cerrado ∀F cerrado.\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f ^{-1}(F)$ es cerrado $\forall F$ cerrado.} \end{array}

Dem:{\color{Red} \text{Dem}:} f−1(F)f ^{-1}(F) es cerrado   ⟺  f−1(F)c\iff f ^{-1}(F)^{c} es abierto f−1(F)c=f−1(Fc)f ^{-1}(F)^{c}=f ^{-1}(F^{c})

Tarea.


Ejemplo:Ejemplo: Gl2(R)={A∈M2(R):A inversible} es abiertoG\mathscr{l}_{2}(\mathbb{R})=\{ A \in M_{2}(\mathbb{R}):A\:inversible \}\text{ es abierto}

Dem:Dem: Considero la función det⁡:M2(R)→(R,∣⋅∣)\det:M_{2}(\mathbb{R})\to(\mathbb{R},|\cdot|) Afirmo que det⁡\det es una función continua.

Sea la sucesión (An)n∈N⊆M2(R)∣An→A  ⟹  max{∣ai,jn−ai,j∣}→0( A_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M_{2}(\mathbb{R})\bigm|A^{n}\to A \implies max\{ |a_{i,j}^{n}-a_{i,j}| \}\to 0

  ⟹  ai,jn→ai,j\implies a_{i,j}^{n} \to a_{i,j} det⁡(An)=a1,1n⋅a2,2n−a2,1n⋅a1,2n→a1,1⋅a2,2−a2,1⋅a1,2=det⁡(A)\det(A^{n} )=a_{1,1}^{n} \cdot a_{2,2}^{n} -a_{2,1}^{n} \cdot a_{1,2}^{n} \to a_{1,1}\cdot a_{2,2}-a_{2,1}\cdot a_{1,2}=\det(A)

Por lo tanto

Gl2(R)=det−1(R∖{0}) es abierto.G\mathscr{l}_{2}(\mathbb{R})=det ^{-1}(\mathbb{R}\setminus \{ 0 \})\text{ es abierto.}

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:M→N es continua   ⟺  f(E‾)⊆f(E)‾∀E⊆M\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\quad\forall E\subseteq M$} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }   ⟹  )\implies) ff es continua. Sea E⊆M.E\subseteq M. Sea x∈E‾x \in \overline{E}. Quiero ver que f(x)∈f(E)‾f(x) \in \overline{f(E)}

 ∃ (xn)n∈N⊆E∣xn→x\:\exists\:( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq E\bigm| x_{n}\to x

Como ff es continua en x  ⟹  f(xn)→f(x)x\implies f(x_{n})\to f(x)

(f(xn))n∈N⊆f(E)  ⟹  f(x)∈f(E)‾( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq f(E)\implies f(x)\in \overline{f(E)}

  ⟸  )\impliedby)

f(E‾)⊆f(E)‾∀E⊆Mf(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\quad \forall E\subseteq M

Sea F⊆NF\subseteq N un cerrado. Quiero ver que f−1(F)f ^{-1}(F) es cerrado. Basta ver que f−1(F)‾⊆f−1(F)\overline{f ^{-1}(F)}\subseteq f ^{-1}(F)

Vamos a usar esto: para toda función ff y conjunto F⊆NF\subseteq N: f(f−1(F))⊆Ff(f ^{-1}(F))\subseteq F . Sale por la definición del conjunto f−1(F)f ^{-1}(F). (*)

Sea E=f−1(F)E= f ^{-1}(F).

Esto es engorroso pero vamos por partes:

  1. Por un lado tengo por hipótesis:
f(E‾)⊆f(E)‾(1)f(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\tag{1}

pues E⊆ME\subseteq M. 2. Ahora tengo esta inclusión: Como E=f−1(F)  ⟹  f(E)=f(f−1(F))⊆FE=f ^{-1}(F)\implies f(E)=f(f ^{-1}(F))\subseteq F por (*)

Y además FF cerrado, recordar que si A⊆B,A\subseteq B, y BB cerrado   ⟹  A‾⊆B\implies \overline{A}\subseteq B

f(E)‾⊆F‾=F(2)\overline{f(E)}\subseteq \overline{F}=F\tag{2}
  1. Juntando (1) y (2) y por transitividad de la inclusión me queda
f(E‾)⊆Ff(f−1(F)‾)⊆F(3)\begin{array}{c} f(\overline{E})\subseteq F \\ f(\overline{f ^{-1}(F)})\subseteq F\tag{3} \end{array}
  1. Usamos la siguiente propiedad a (3)
Si f(A)⊆B  ⟹  A⊆f−1(B)\text{Si $f(A)\subseteq B\implies A\subseteq f ^{-1}(B)$}

quedando que:

f−1(F)‾⊆f−1(F)\overline{f ^{-1}(F)}\subseteq f ^{-1}(F)

Que es lo que quería demostrar.

□\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

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