#9Espacios métricos

2025 - Teórica 9 - Espacios métricos VI

16 min de lectura

Thu-24-04-2025 18:03 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Espacios métricos


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Una sucesioˊn (xn)n∈N⊆M es de Cauchy si ∀ε>0 ∃ n0∈N∣si n,m≥n0  ⟹  d(xn,xm)<ε\begin{array}{l} \text{Una sucesión $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ es de Cauchy si $\forall \varepsilon>0 \:\exists\:n_{0} \in \mathbb{N}\bigm|$}\\ si\:n,m\geq n_{0}\implies d(x_{n},x_{m})<\varepsilon \end{array}

Ejemplos:Ejemplos:
  1. xn−1nx_{n}- \frac{1}{n} en (R,∣⋅∣)(\mathbb{R},|\cdot|)
  2. (M,δ).(xn)n∈N⊆M(M,\delta).( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M es de Cauchy?
δ(xn,xm)<ε→Si ε<1→xn=xm∀n,m≥n0\delta(x_{n},x_{m})<\varepsilon\to Si\:\varepsilon<1\to x_{n}=x_{m}\quad \forall n,m\geq n_{0}

Luego, las sucesiones de Cauchy son las eventualmente constantes.

  1. En (C[0,1],d1)(C[0,1],d_{1})
d1(f,g)=∫01∣f(x)−g(x)∣ dxd_{1}(f,g)=\int _{0}^1 |f(x)-g(x)| \, dx fn(x)={0x∈[0,12−1n]linealx∈[12−1n,12]1x∈[12,1]f_{n}(x)=\begin{cases} 0 & x \in\left[ 0, \frac{1}{2}- \frac{1}{n} \right] \\ lineal & x \in\left[ \frac{1}{2}- \frac{1}{n}, \frac{1}{2} \right] \\ 1 & x \in \left[ \frac{1}{2},1 \right] \end{cases}

con n≥3n\geq 3

draw-avanzad2025-metricosVI-1

(fn)n∈N( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy

d1(fn,fm)=?d_{1}(f_{n},f_{m})=?

draw-avanzad2025-metricosVI-2

Las áreas se van achicando.


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sea (xn)n∈N⊆M y xn→x  ⟹  (xn) es de Cauchy.\begin{array}{l} \text{Sea $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ y $x_{n}\to x\implies(x_{n})$ es de Cauchy.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea ε>0\varepsilon>0

d(xn,xm)≤d(xn,x)⏟<ε2+d(x,xm)⏟<ε2<εd(x_{n},x_{m})\leq \underbrace{ d(x_{n},x) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }+\underbrace{ d(x,x_{m}) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }<\varepsilon

Sea n0∈N∣n≥n0  ⟹  d(xn,x)<ε2n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies d(x_{n},x)< \frac{\varepsilon}{2} Si n,m≥n0:n,m\geq n_{0}:

d(xn,xm)<εd(x_{n},x_{m})<\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

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Si (xn)n∈N⊆M es de Cauchy entonces (xn)n∈N es acotada.\begin{array}{l} \text{Si $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ es de Cauchy entonces $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}$ es acotada.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Elijo ε=1\varepsilon=1 y existe n0∈N∣n_{0}\in \mathbb{N}\bigm| si n,m≥n0,d(xn,xm)<1n,m\geq n_{0},d(x_{n},x_{m})<1 entonces xn∈B(xn0,1)∀n≥n0x_{n}\in B(x_{n_{0}},1)\quad\forall n\geq n_{0} Considero

R=max{1,d(x1,xn0),d(x2,xn0),…,d(xn0−1,xn0)}R=max\{ 1,d(x_{1},x_{n_{0}}),d(x_{2},x_{n_{0}}),\dots,d(x_{n_{0}-1},x_{n_{0}}) \}

Luego, si r>R  ⟹  xn∈B(xn0,r)∀n  ⟹  (xn)n∈N es acotadar>R\implies x_{n}\in B(x_{n_{0}},r)\quad\forall n\implies ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\text{ es acotada}


Prop.:{\color{Orange}\text{Prop.:}}

Sea (xn)n∈N una sucesioˊn de Cauchy en el espacio meˊtrico (M,d),y supongamos que existe una sub‑sucesioˊn (xnj)j∈N tal que xnj→x.Entonces xn→x.\begin{array}{l} \text{Sea $(x_n)_{n\in\mathbb{N}}$ una sucesión de Cauchy en el espacio métrico $(M,d)$,}\\ \text{y supongamos que existe una sub‑sucesión $(x_{n_j})_{j\in\mathbb{N}}$ tal que }x_{n_j}\to x.\\ \text{Entonces }x_n\to x. \end{array}

Dem.:{\color{Orange}\text{Dem.:}}

Dado ε>0\varepsilon>0, como (xn)(x_n) es de Cauchy existe N1∈NN_1\in\mathbb{N} tal que

n,m≥N1  ⟹  d(xn,xm)<ε2.n,m\ge N_1\;\Longrightarrow\;d(x_n,x_m)<\tfrac{\varepsilon}{2}.

Por otra parte, al converger la sub‑sucesión, existe J∈NJ\in\mathbb{N} con

d(xnJ,x)<ε2y ademaˊsnJ≥N1.d(x_{n_J},x)<\tfrac{\varepsilon}{2} \quad\text{y además}\quad n_J\ge N_1.

Ahora, para cualquier n≥N1n\ge N_1 se cumple:

d(xn,x)≤d(xn,xnJ)+d(xnJ,x)<ε2+ε2=ε.\begin{aligned} d(x_n,x) &\le d(x_n,x_{n_J})+d(x_{n_J},x) < \tfrac{\varepsilon}{2} + \tfrac{\varepsilon}{2} = \varepsilon. \end{aligned}

Por lo tanto xn→xx_n\to x.

Q.E.D.□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea (M,d) un espacio meˊtrico. M es completo si toda sucesioˊn de Cauchy es convergente\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ un espacio métrico. $M$ es completo si toda sucesión de Cauchy es convergente} \end{array}

(si tiene límite en MM )


Ejemplos:Ejemplos:
  1. (Q,∣⋅∣)(\mathbb{Q},|\cdot|) no es completo
(qn)n∈N⊆Q∣qn→2( q_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{Q}\bigm| q_{n}\to \sqrt{ 2 }

  ⟹  (qn)\implies(q_{n}) es de Cauchy y no converge en Q\mathbb{Q}.

  1. (M,δ)(M,\delta) es completo
  2. M={1n:n∈N}M=\left\{ \frac{1}{n}:n \in \mathbb{N} \right\} d1(x,y)=∣x−y∣d_{1}(x,y)=|x-y| xn=1n,(xn)n∈N⊆Mx_{n}= \frac{1}{n},\quad( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M es de Cauchy y no converge (en MM).
      ⟹  (M,d1)\implies(M,d_{1}) no es completo.
(M,δ) si es completo(M,\delta)\text{ si es completo}

tarea: δ∼d1\delta \sim d_{1}


Obs:Obs:

MM con métricas equivalentes d1d_{1} y d2d_{2}. Si (M,d1)(M,d_{1}) es completo   ⟹  (M,d2)\cancel{ \implies }(M,d_{2}) es completo.


Ejercicio: MM con métricas d1d_{1} y d2d_{2} tal que  ∃ C1,C2>0∣\:\exists\:C_{1},C_{2}>0\bigm|

C1⋅d1(x,y)≤d2(x,y)≤C2⋅d1(x,y)∀x,y∈MC_{1}\cdot d_{1}(x,y)\leq d_{2}(x,y)\leq C_{2}\cdot d_{1}(x,y)\quad \forall x,y \in M

Si (M,d1)(M,d_{1}) es completo   ⟹  (M,d2)\implies(M,d_{2}) es completo.


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

(R,∣⋅∣) es completo.\begin{array}{l} \text{$(\mathbb{R},|\cdot|)$ es completo.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea (xn)n∈N⊆R( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} de Cauchy. Consideramos

X1={xn:n∈N}⊆RX2={xn:n>2}⊆RXk={xn:n>k}\begin{array}{c} X_{1}=\{ x_{n}:n \in \mathbb{N} \}\subseteq \mathbb{R} \\ X_{2}=\{ x_{n}:n> 2 \}\subseteq \mathbb{R} \\ X_{k}=\{ x_{n}:n>k \} \end{array}

X1X_{1} es acotado(Cauchy implica acotado en R\mathbb{R} ) y el resto también porque:

X1⊇X2⊇X3⊇⋯⊇Xk⊇…X_{1}\supseteq X_{2}\supseteq X_{3}\supseteq\dots \supseteq X_{k}\supseteq\dots

  ⟹  \implies todos los XkX_{k} tienen ínfimo y supremo. Sea

a1=inf(X1)a2=inf(X2)⋮ak=inf(Xk)\begin{array}{c} a_{1}=inf(X_{1}) \\ a_{2}=inf(X_{2}) \\ \vdots \\ a_{k}=inf(X_{k}) \end{array}

Como

a1≤a2≤a3≤⋯≤ak≤⋯≤b=sup(X1)a_{1}\leq a_{2}\leq a_{3}\leq \dots\leq a_{k}\leq \dots \leq b=sup(X_{1})

Luego (an)n∈N( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} monótona creciente y acotada. Por ej. 11 de la guía 1:

  ⟹   ∃ a=lim⁡n→∞an\implies \:\exists\:a=\underset{ n\to \infty }{ \lim } a_{n}

Acá (an)(a_{n}) es la sucesión definida por todos los ínfimos de mis XiX_{i} .

Falta ver que a=lim⁡n→∞xna=\underset{ n\to \infty }{ \lim }x_{n} . Es decir, que mi sucesión original xnx_{n} converge. Esto lo haré tomando una subsucesión y ver que xnj⟶ax_{n_{j}}\longrightarrow a.

Vamos a ver que  ∃ (xnj)j∈N∣xnj→a\:\exists\:( x_{n_{j}} )_{j \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{j}}\to a Construimos la subsucesión de esta manera: Sea n1∣a1≤xn1≤a1+1n_{1}\bigm|a_{1}\leq x_{n_{1}}\leq a_{1}+1 Sea n2∣an1≤xn2≤an1n_{2}\bigm|a_{n_{1}}\leq x_{n_{2}}\leq a_{n_{1}} + 12\frac{1}2{}
Elijo nj∣anj−1⏟→a≤xnj≤anj−1+1j⏟→an_{j}\bigm|\underbrace{ a_{n_{j-1}} }_{ \to a }\leq x_{n_{j}}\leq \underbrace{ a_{n_{j}-1}+ \frac{1}{j} }_{ \to a }

Tomo límite en j→∞j\to \infty

xnj→ax_{n_{j}}\to a □\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

Usé propiedades de ínfimo y teorema del chanwich.


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

Rn con d1,d2 y d∞ es completo.\begin{array}{l} \text{$\mathbb{R}^{n}$ con $d_{1},d_{2}$ y $d_{\infty}$ es completo.} \end{array}

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