G5-Ej.3
[!infobox] Ejercicio: Compacidad de Sumas y Productos Hipótesis: es compacto. Conjuntos:
- Suma:
- Producto: Tesis: y son compactos.
Demostración (Vía Secuencial)
1. Para la Suma ()
Sea una sucesión arbitraria en el conjunto suma. Por definición del conjunto , para cada término existen tales que:
Paso 1: Primera subsucesión (Controlando ) Consideramos la sucesión . Como es compacto, existe una subsucesión tal que:
Paso 2: Segunda subsucesión (Controlando ) Ahora miramos los términos correspondientes a esos índices seleccionados. Esta es una sucesión en . Como es compacto, existe una subsucesión de la subsucesión tal que:
Paso 3: Convergencia conjunta Ahora volvemos a mirar los términos . La subsucesión es una parte de la convergente , por lo tanto, converge al mismo límite:
Por álgebra de límites (suma), la subsucesión de la suma original converge:
Paso 4: Pertenencia Como y , por definición del conjunto , el elemento . Hemos encontrado una subsucesión de que converge a un elemento de . es compacto.
2. Para el Producto ()
La demostración es idéntica a la anterior.
- Sea , entonces .
- Extraemos subsucesión .
- Extraemos subsucesión de la subsucesión .
- Por álgebra de límites (producto):
- Como , entonces .
es compacto.
[!done] Q.E.D.
[!abstract] Teorema: Compacidad de Operaciones Algebraicas (Enfoque Topológico) Contexto: Topología de / Funciones Continuas. Herramienta Clave: "La imagen continua de un conjunto compacto es compacta". Prerrequisito: Si es compacto, entonces es compacto.
Demostración
Sean los conjuntos:
Podemos reescribir estos conjuntos como imágenes de funciones definidas sobre el producto cartesiano .
Paso 1: Compacidad del Dominio
Como es un conjunto compacto: El conjunto producto es un subconjunto compacto de (Teorema de Tychonoff finito o simplemente porque es cerrado y acotado en la métrica euclídea).
Paso 2: Continuidad de las Operaciones
Definimos las funciones suma y producto desde hacia :
- tal que
- tal que
Sabemos por cálculo multivariable que tanto la suma como el producto son funciones continuas en todo su dominio.
Paso 3: Imagen Continua de un Compacto
Observamos que los conjuntos y son exactamente las imágenes de bajo estas funciones:
Aplicamos el teorema fundamental:
"Si es compacto y es continua, entonces es compacto."
Conclusión: Dado que es compacto y son continuas y son conjuntos compactos en .
[!done] Q.E.D.