G5-Ej.1

  1. Sea K=01n:nNRK={0} \cup {\frac{1}{n}: n \in \mathbb{N}} \subseteq \mathbb{R}. Probar, por definición, que KK es compacto.

Lo que tenia en Genially

Ir al pdf con imágenes Recordamos la def. de compacidad:
Def.: KEK \subseteq E es compacto si (an)K,(ank)\forall(a_n) \subseteq K, \exists(a_{n_k}) subsucesión con ankLKa_{n_k} \to L \in K.
Obs: Todo transcurre en KK, EE no importa.

(También la caracterización de compacidad mediante cubrimientos:
Teorema: KEK \subseteq E. Son equivalentes:

  1. KK es compacto.
  2. AK\forall A \subseteq K infinito, AKA' \cap K \ne \emptyset. Con AA' el conj. de ptos. de acumulación de AA.
  3. G\forall \mathcal{G} cubrimiento por abiertos de K,FGK, \exists \mathcal{F} \subseteq \mathcal{G} finito con F\mathcal{F} cubrimiento de KK.)

Notar que KK es cerrado.

(a) KK es acotado.

Si converge:
En la teo. vimos esto: si tomo la sucesión an=1na_n = \frac{1}{n}.
Sé que an0a_n \to 0.

Sea G=Gα\mathcal{G} = {G_\alpha} un cubrimiento por abiertos de KK.

Debe existir G0GG_0 \in \mathcal{G} con 0G00 \in G_0. Como G0G_0 es abierto r>0/B(0,r)G0\exists r > 0 / B(0, r) \subseteq G_0.

En el gráfico lo roto que tiene XX.

0K0 \in K

Aplicaciones:

  1. Sea (zn)E(z_n) \subseteq E, con znzz_n \to z. Entonces K=zzn:nNK = {z} \cup {z_n: n \in \mathbb{N}} es compacto.

Dem. 1:
En efecto, sea G\mathcal{G} cubrimiento por abiertos de KK.
Tomo GzGG_z \in \mathcal{G} con zGzz \in G_z. Como znzz_n \to z.

Para 1nn01 \le n \le n_0, tomo GnGG_n \in \mathcal{G} con znGnz_n \in G_n. Así, Kn=1n0GnK \subseteq \bigcup_{n=1}^{n_0} G_n.
Como 1n<ϵ\frac{1}{n} < \epsilon.

Tomo GnkG_{n_k} en G\mathcal{G} con znkGnkz_{n_k} \in G_{n_k}. nn0\forall n \ge n_0.

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Si elijo ϵ<r,n0N/1n<ϵ\epsilon < r, \exists n_0 \in \mathbb{N} / \frac{1}{n} < \epsilon.

Quedó detenido G0G_0:
Bueno en realidad estamos en R\mathbb{R}.

Defino Gni=G0G_{n_i} = G_0. Y dado GjG_j con j1,,n0j \in {1, \dots, n_0}.
Luego, F=j=1n0GjG\mathcal{F} = \bigcup_{j=1}^{n_0} {G_j} \subseteq \mathcal{G} resulta finito.

KK es compacto.

GG existe cubrimiento finito de KK. G=GαG = {G_\alpha} cub. ab. de KK, arbitrario.

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Otra demo, con la def. de compacidad.

Dada (an)nNK(a_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq K, anK,nNa_n \in K, \forall n \in \mathbb{N}.
y que además an[0,1]a_n \in [0, 1].
KK es acotado.

Por teorema de B-W:
Teorema de Bolzano-Weierstrass:
Toda sucesión (an)R(a_n) \subseteq \mathbb{R} acotada tiene una subsucesión convergente.

(an)nN\Rightarrow (a_n)_{n \in \mathbb{N}} tiene subsucesión convergente.
Basta ver que lKl \in K.
Sea ankla_{n_k} \to l.

Por absurdo:
Caso 1: l<0l < 0.
Tomamos ϵ=l\epsilon = |l|.
Como ankla_{n_k} \to l.
Dado ϵ,k0N/ankl<ϵ,kk0\epsilon, \exists k_0 \in \mathbb{N} / |a_{n_k} - l| < \epsilon, \forall k \ge k_0.

Es decir ankl=ank+l=ank+l|a_{n_k} - l| = |a_{n_k} + |l|| = a_{n_k} + |l|.
ank+l<ϵa_{n_k} + |l| < \epsilon.
Pero teníamos que ank0a_{n_k} \ge 0.
Absurdo. l0\Rightarrow l \ge 0.

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Caso 2: l>1l > 1.
Si tomo ϵ=l1\epsilon = l - 1.
Tengo que dado ϵ,k0N/ankl<ϵ,kk0\epsilon, \exists k_0 \in \mathbb{N} / |a_{n_k} - l| < \epsilon, \forall k \ge k_0.
ϵ<ankl<ϵ-\epsilon < a_{n_k} - l < \epsilon.
lϵ<ank<l+ϵl - \epsilon < a_{n_k} < l + \epsilon.
l(l1)<ankl - (l - 1) < a_{n_k}.
1<ank1 < a_{n_k}.
Absurdo. l1l \le 1.

Caso 3: l(0,1)l \in (0, 1).
Como l(0,1)n0N/1n0+1<l<1n0l \in (0, 1) \to \exists n_0 \in \mathbb{N} / \frac{1}{n_0+1} < l < \frac{1}{n_0}.
1n0l0\frac{1}{n_0} - l \ne 0 pues l1n0l \ne \frac{1}{n_0}.

Tomo ϵ=minl1n0+1,1n0l\epsilon = \min {l - \frac{1}{n_0+1}, \frac{1}{n_0} - l}.

Si ank1n0+1:ankl=lankl1n0+1ϵa_{n_k} \le \frac{1}{n_0+1}: |a_{n_k} - l| = l - a_{n_k} \ge l - \frac{1}{n_0+1} \ge \epsilon. Absurdo.

Si ank1n0:ankl=ankl1n0lϵa_{n_k} \ge \frac{1}{n_0}: |a_{n_k} - l| = a_{n_k} - l \ge \frac{1}{n_0} - l \ge \epsilon. Absurdo.

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Entonces debe suceder que lKl \in K.
Como anl,lKa_n \to l, l \in K. (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} es acotada. Se cumple que lKl \in K.
Es compacto.-----


[!example] Ejercicio: Compacidad de K={0}{1n:nN}K = \{0\} \cup \{ \frac{1}{n} : n \in \mathbb{N} \} Objetivo: Probar que KK es compacto usando la definición de Compacidad Secuencial. Definición: KK es compacto si toda sucesión (xm)mNK(x_m)_{m \in \mathbb{N}} \subseteq K admite una subsucesión convergente cuyo límite pertenece a KK.

Demostración

Sea (xm)mNK(x_m)_{m \in \mathbb{N}} \subseteq K una sucesión arbitraria de puntos en KK. Debemos analizar el comportamiento de los términos de la sucesión. Se presentan dos casos posibles:

Caso 1: La sucesión toma un valor infinitas veces

Supongamos que existe un valor cKc \in K tal que xm=cx_m = c para infinitos índices mm.

  • Podemos construir una subsucesión constante: (xmk)=(c,c,c,)(x_{m_k}) = (c, c, c, \dots).
  • El límite de esta subsucesión es trivialmente:
limkxmk=c\lim_{k \to \infty} x_{m_k} = c
  • Como cKc \in K (por hipótesis), hemos encontrado una subsucesión que converge a un punto de KK.

Caso 2: La sucesión toma infinitos valores distintos

Si ningún valor se repite infinitas veces, la sucesión debe "moverse" a través de los elementos de KK. Sabemos que los elementos de KK son de la forma 1/n1/n o 00. Como el conjunto tiene infinitos puntos distintos, la única forma de tener una sucesión de puntos distintos en KK es que los denominadores crezcan.

Formalmente: Sea ϵ>0\epsilon > 0 arbitrario.

  • Sabemos que existe un N0NN_0 \in \mathbb{N} tal que 1N0<ϵ\frac{1}{N_0} < \epsilon.
  • El conjunto de puntos de KK que están fuera del intervalo (ϵ,ϵ)(-\epsilon, \epsilon) es el conjunto finito {1,1/2,,1/(N01)}\{ 1, 1/2, \dots, 1/(N_0-1) \}.
  • Como nuestra sucesión (xm)(x_m) toma infinitos valores distintos, no puede quedarse atrapada en ese conjunto finito para siempre.
  • Por lo tanto, existe un índice M0M_0 a partir del cual todos los términos de la sucesión (o de una subsucesión de ella) satisfacen xm<ϵx_m < \epsilon.

Esto implica que:

limmxm=0\lim_{m \to \infty} x_m = 0

Como 0K0 \in K (por definición del conjunto), la sucesión converge a un punto de KK.

[!success] Conclusión En ambos casos, hemos hallado una subsucesión (o la sucesión misma) que converge a un elemento de KK. K\therefore K es secuencialmente compacto.