G3-Ej.11

Sea (E,d)(E, d) un espacio métrico. Dados AEA \subseteq E no vacío y xEx \in E, se define la distancia de xx a AA como

d(x,A)=inf{d(x,a):aA}.d(x, A) = \inf\{d(x, a) : a \in A\}.

Probar que para todos x,yEx, y \in E y r>0r > 0:


(a)

d(x,A)d(y,A)d(x,y).|d(x, A) - d(y, A)| \leq d(x, y).

Como d(x,A)d(x,A) es cota inferior del conjunto S={d(x,a):aA}    d(x,A)d(x,a)aAS=\{ d(x,a):a\in A \}\implies d(x,A)\leq d(x,a)\quad\forall a\in A Same para y:d(y,A)d(y,a)aAy:d(y,A)\leq d(y,a)\quad\forall a\in A Por la propiedad de equivalencia 1 de ínfimos:

E>0,aAd(x,a)<d(x,A)+E\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:a\in A\:|\: d(x,a)<d(x,A)+\mathcal{E}

Tengo entonces:

d(x,A)d(x,a)<d(x,A)+E (1)d(x,A)\leq d(x,a)< d(x,A)+\mathcal{E}\ \tag{1}

Quiero llegar a lo que quiero probar, a partir de d(y,A)d(y,A):

d(y,A)d(y,A)=inf(S)d(y,a)Desigualdad triang.d(y,x)+d(x,a)<(1)d(y,x)+d(x,A)+E    Por Ej.1 G1d(y,A)d(x,y)+d(x,A)d(y,A)d(x,A)d(x,y)()\begin{array}{c} d(y,A)\underset{d(y,A)=inf(S)}{\leq }d(y,a)\underset{\text{Desigualdad triang.}}{\leq }d(y,x)+d(x,a) \underset{(1)}{<}d(y,x)+d(x,A)+\mathcal{E} \\ \underset{\text{Por Ej.1 G1}}{\implies}d(y,A)\leq d(x,y)+d(x,A) \\ d(y,A)-d(x,A)\leq d(x,y)\quad (*) \end{array}

Análogamente (usando desigualdad triang. a partir de d(x,A)d(x,A)) obtengo:

d(x,A)d(x,a)d(x,y)+d(y,a)<d(x,y)+d(y,A)+E    d(x,A)d(x,y)+d(y,A)    d(x,A)d(y,A)d(x,y)()\begin{array}{c} d(x,A)\leq d(x,a)\leq d(x,y)+d(y,a)<d(x,y)+d(y,A)+\mathcal{E} \\ \implies d(x,A)\leq d(x,y)+d(y,A) \\ \implies d(x,A)-d(y,A)\leq d(x,y)\quad (**) \end{array}

Juntando ()(*) y ()(**) llegamos a lo que queríamos probar pues:

d(x,A)d(y,A)d(x,y)={d(x,A)d(y,A)d(x,y)Esto es (**)d(y,A)d(x,A)d(x,y)Esto es (*)|d(x, A) - d(y, A)| \leq d(x, y)=\begin{cases} d(x,A)-d(y,A)\leq d(x,y) & \text{Esto es (**)} \\ d(y,A)-d(x,A)\leq d(x,y) & \text{Esto es (*)} \end{cases} \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

(b)

xA    d(x,A)=0.x \in A \implies d(x, A) = 0.

(c)

d(x,A)=0    xA.d(x, A) = 0 \iff x \in \overline{A}.

Sea (X,d)(X,d) un espacio métrico, AXA \subseteq X y xXx \in X.

Definiciones:

  • Distancia de un punto a un conjunto:
d(x,A):=inf{d(x,a):aA}.d(x,A) := \inf\{ d(x,a) : a \in A \}.
  • Clausura de un conjunto: xAx \in \overline{A} si existe una sucesión (an)A(a_n) \subseteq A tal que anxa_n \to x.

(⇒) Si xAx \in \overline{A} entonces d(x,A)=0d(x,A)=0

  1. Como xAx \in \overline{A}, existe una sucesión (an)A(a_n) \subseteq A que converge a xx:
limnan=x.\lim_{n \to \infty} a_n = x.
  1. Por definición de convergencia:
ε>0,NN:nN    d(an,x)<ε.\forall \varepsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N} : n \ge N \implies d(a_n, x) < \varepsilon.
  1. Como d(x,A)d(an,x)d(x,A) \le d(a_n,x) para todo nn, y d(an,x)0d(a_n,x) \to 0, se tiene:
d(x,A)=0.d(x,A) = 0.

(⇐) Si d(x,A)=0d(x,A)=0 entonces xAx \in \overline{A}

  1. Supongamos d(x,A)=0d(x,A) = 0. Por definición de ínfimo:
ε>0,aA tal que d(x,a)<ε.\forall \varepsilon > 0, \exists a \in A \text{ tal que } d(x,a) < \varepsilon.
  1. Construimos una sucesión (an)A(a_n) \subseteq A:
  • Tomamos ε=1\varepsilon = 1: existe a1Aa_1 \in A con d(x,a1)<1d(x,a_1)<1
  • Tomamos ε=1/2\varepsilon = 1/2: existe a2Aa_2 \in A con d(x,a2)<1/2d(x,a_2)<1/2
  • Tomamos ε=1/3\varepsilon = 1/3: existe a3Aa_3 \in A con d(x,a3)<1/3d(x,a_3)<1/3
  • Y así sucesivamente, definiendo anAa_n \in A con d(x,an)<1/nd(x,a_n)<1/n
  1. Por construcción:
d(an,x)<1n    limnan=x.d(a_n, x) < \frac{1}{n} \implies \lim_{n \to \infty} a_n = x.
  1. Por la caracterización secuencial de la clausura:
xA.x \in \overline{A}.

Observación:
Si AA es cerrado, entonces A=A\overline{A} = A, y se obtiene:

d(x,A)=0    xA.d(x,A) = 0 \iff x \in A.

(d)

BA(r)={xE:d(x,A)<r}B_A(r) = \{x \in E : d(x, A) < r\}

es abierto.

(e)

BA(r)={xE:d(x,A)r}\overline{B_A(r)} = \{x \in E : d(x, A) \leq r\}

es cerrado.