G5-Ej.3

[!infobox] Ejercicio: Compacidad de Sumas y Productos Hipótesis: KRK \subseteq \mathbb{R} es compacto. Conjuntos:

  • Suma: S={x+y:x,yK}S = \{ x+y : x,y \in K \}
  • Producto: P={xy:x,yK}P = \{ x \cdot y : x,y \in K \} Tesis: SS y PP son compactos.

Demostración (Vía Secuencial)

1. Para la Suma (SS)

Sea (sn)nNS(s_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq S una sucesión arbitraria en el conjunto suma. Por definición del conjunto SS, para cada término sns_n existen xn,ynKx_n, y_n \in K tales que:

sn=xn+yns_n = x_n + y_n

Paso 1: Primera subsucesión (Controlando xx) Consideramos la sucesión (xn)K(x_n) \subseteq K. Como KK es compacto, existe una subsucesión (xnk)(x_{n_k}) tal que:

xnkxKx_{n_k} \longrightarrow x \in K

Paso 2: Segunda subsucesión (Controlando yy) Ahora miramos los términos ynky_{n_k} correspondientes a esos índices seleccionados. Esta es una sucesión en KK. Como KK es compacto, existe una subsucesión de la subsucesión (ynkj)(y_{n_{k_j}}) tal que:

ynkjyKy_{n_{k_j}} \longrightarrow y \in K

Paso 3: Convergencia conjunta Ahora volvemos a mirar los términos xx. La subsucesión (xnkj)(x_{n_{k_j}}) es una parte de la convergente (xnk)(x_{n_k}), por lo tanto, converge al mismo límite:

xnkjxx_{n_{k_j}} \longrightarrow x

Por álgebra de límites (suma), la subsucesión de la suma original converge:

snkj=xnkj+ynkjx+ys_{n_{k_j}} = x_{n_{k_j}} + y_{n_{k_j}} \longrightarrow x + y

Paso 4: Pertenencia Como xKx \in K y yKy \in K, por definición del conjunto SS, el elemento x+ySx+y \in S. Hemos encontrado una subsucesión de (sn)(s_n) que converge a un elemento de SS. S\therefore S es compacto.


2. Para el Producto (PP)

La demostración es idéntica a la anterior.

  1. Sea (pn)P(p_n) \subseteq P, entonces pn=xnynp_n = x_n \cdot y_n.
  2. Extraemos subsucesión (xnk)xK(x_{n_k}) \to x \in K.
  3. Extraemos subsucesión de la subsucesión (ynkj)yK(y_{n_{k_j}}) \to y \in K.
  4. Por álgebra de límites (producto):
pnkj=xnkjynkjxyp_{n_{k_j}} = x_{n_{k_j}} \cdot y_{n_{k_j}} \longrightarrow x \cdot y
  1. Como x,yKx,y \in K, entonces xyPx \cdot y \in P.

P\therefore P es compacto.

[!done] Q.E.D.


[!abstract] Teorema: Compacidad de Operaciones Algebraicas (Enfoque Topológico) Contexto: Topología de Rn\mathbb{R}^n / Funciones Continuas. Herramienta Clave: "La imagen continua de un conjunto compacto es compacta". Prerrequisito: Si KRK \subseteq \mathbb{R} es compacto, entonces K×KR2K \times K \subseteq \mathbb{R}^2 es compacto.

Demostración

Sean los conjuntos:

S={x+y:x,yK}yP={xy:x,yK}S = \{ x+y : x,y \in K \} \quad \text{y} \quad P = \{ x \cdot y : x,y \in K \}

Podemos reescribir estos conjuntos como imágenes de funciones definidas sobre el producto cartesiano K×KK \times K.

Paso 1: Compacidad del Dominio

Como KRK \subseteq \mathbb{R} es un conjunto compacto: El conjunto producto K×K={(x,y):xK,yK}K \times K = \{ (x,y) : x \in K, y \in K \} es un subconjunto compacto de R2\mathbb{R}^2 (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 R2\mathbb{R}^2 hacia R\mathbb{R}:

  1. f:R2Rf: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R} tal que f(x,y)=x+yf(x,y) = x+y
  2. g:R2Rg: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R} tal que g(x,y)=xyg(x,y) = x \cdot y

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 SS y PP son exactamente las imágenes de K×KK \times K bajo estas funciones:

S=f(K×K)S = f(K \times K) P=g(K×K)P = g(K \times K)

Aplicamos el teorema fundamental:

"Si CC es compacto y ϕ\phi es continua, entonces ϕ(C)\phi(C) es compacto."

Conclusión: Dado que K×KK \times K es compacto y f,gf, g son continuas     \implies SS y PP son conjuntos compactos en R\mathbb{R}.

[!done] Q.E.D.