G6-E6

[!infobox] \ell^\infty no es Compacto ni Separable Contexto: Análisis Funcional / Espacios de Sucesiones Enunciado: Sea \ell^\infty el espacio de sucesiones acotadas con la norma del supremo.

  1. La bola unitaria cerrada B(0,1)\overline{B}(0,1) no es compacta.
  2. \ell^\infty no es separable (no tiene subconjunto denso numerable). Advertencia/Clave: \ell^\infty es "mucho más grande" que p\ell^p (1p<1 \le p < \infty) o c0c_0, los cuales sí son separables. La clave para (b) es usar sucesiones binarias (características de subconjuntos) para generar una cantidad no numerable de puntos a distancia 1.

Demostración Rigurosa:

(a) No Compacidad de la Bola Unitaria

  1. Sucesión sin subsucesiones convergentes: Consideremos la base canónica (en)nN(e_n)_{n \in \mathbb{N}} \subset \ell^\infty, donde en=(δnk)ke_n = (\delta_{nk})_k. Observamos que en=1\|e_n\|_\infty = 1, luego (en)B(0,1)(e_n) \subset \overline{B}(0,1).

  2. Propiedad Métrica: Para cualquier nmn \neq m, tenemos:

enem=supk(en)k(em)k=1\|e_n - e_m\|_\infty = \sup_{k} |(e_n)_k - (e_m)_k| = 1
Esto implica que la sucesión no es de Cauchy, y ninguna de sus subsucesiones puede ser de Cauchy.

3. Conclusión: Como en un espacio métrico convergencia implica Cauchy, (en)(e_n) no admite ninguna subsucesión convergente. Por tanto, B(0,1)\overline{B}(0,1) no es secuencialmente compacta (y por ende no es compacta).


(b) No Separabilidad

Procedemos por reducción al absurdo. Supongamos que \ell^\infty es separable. Sea DD un subconjunto denso y numerable de \ell^\infty.

  1. Conjunto de Testeo Incontable: Sea S\mathcal{S} la familia de todas las sucesiones de ceros y unos:
S={(xn):xn{0,1}}\mathcal{S} = \{ (x_n) \in \ell^\infty : x_n \in \{0, 1\} \}
Sabemos que $|\mathcal{S}| = |\mathcal{P}(\mathbb{N})| = 2^{\aleph_0}$ (no numerable).

2. Separación Uniforme: Para cualesquiera x,ySx, y \in \mathcal{S} con xyx \neq y, existe kk tal que xkykx_k \neq y_k, lo que implica xkyk=1|x_k - y_k| = 1.

xy=1\|x - y\|_\infty = 1
  1. Construcción de Bolas Disjuntas: Para cada xSx \in \mathcal{S}, definimos la bola abierta Ux=B(x,1/3)U_x = B(x, 1/3). Si x,ySx, y \in \mathcal{S} y xyx \neq y, entonces UxUy=U_x \cap U_y = \emptyset. Justificación: Si zUxUyz \in U_x \cap U_y, por desigualdad triangular:
1=xyxz+zy<1/3+1/3=2/31 = \|x - y\| \leq \|x - z\| + \|z - y\| < 1/3 + 1/3 = 2/3
Lo cual es absurdo ($1 < 2/3$).

4. Contradicción con la Densidad: Como DD es denso en \ell^\infty, debe intersecar a todo abierto no vacío. Para cada xSx \in \mathcal{S}, elegimos un elemento dxDUxd_x \in D \cap U_x. Dado que las bolas UxU_x son disjuntas, si xy    dxdyx \neq y \implies d_x \neq d_y. Esto define una función inyectiva f:SDf: \mathcal{S} \to D.

    SD\implies |\mathcal{S}| \leq |D|
Esto implica que $D$ es no numerable, lo que contradice la hipótesis inicial.

\therefore \ell^\infty no es separable. \blacksquare


[!infobox] Formalización: Ausencia de Subsucesiones de Cauchy Contexto: Espacios Métricos / Sucesiones en \ell^\infty Enunciado: La sucesión canónica (en)(e_n) en \ell^\infty no admite ninguna subsucesión de Cauchy. Clave: Usar la negación lógica de la definición de Cauchy: ϵ>0,NN,n,mN:xnxmϵ\exists \epsilon > 0, \forall N \in \mathbb{N}, \exists n, m \geq N : \|x_n - x_m\| \geq \epsilon.

Demostración Rigurosa:

Sea (enk)kN(e_{n_k})_{k \in \mathbb{N}} una subsucesión arbitraria de (en)(e_n). Vamos a demostrar que (enk)(e_{n_k}) no es de Cauchy.

  1. Hipótesis Auxiliar (Distancia constante): Sabemos que para cualesquiera índices iji \neq j, eiej=1\|e_i - e_j\|_\infty = 1. Dado que una subsucesión conserva el orden estricto de los índices (kj    nknjk \neq j \implies n_k \neq n_j), tenemos que para la subsucesión:
enkenj=1kj\|e_{n_k} - e_{n_j}\|_\infty = 1 \quad \forall k \neq j
  1. Negación de la Condición de Cauchy: Recordemos que una sucesión (xk)(x_k) es de Cauchy si:
ϵ>0,K0N tal que k,jK0    xkxj<ϵ\forall \epsilon > 0, \exists K_0 \in \mathbb{N} \text{ tal que } \forall k, j \geq K_0 \implies \|x_k - x_j\| < \epsilon
Para probar que **no** es de Cauchy, mostramos que existe un $\epsilon_0 > 0$ para el cual la condición falla para todo $K_0$.

* **Elección de $\epsilon$:** Sea $\epsilon_0 = \frac{1}{2}$.
* **Prueba del fallo:** Sea $K_0 \in \mathbb{N}$ cualquier número natural (arbitrario).
* Elegimos dos índices $k = K_0$ y $j = K_0 + 1$.
* Claramente $k, j \geq K_0$ y $k \neq j$.
* Calculamos la distancia:
    
enkenj=1\|e_{n_k} - e_{n_j}\|_\infty = 1
* Observamos que $1 \not< \frac{1}{2}$, es decir:
    
enkenjϵ0\|e_{n_k} - e_{n_j}\|_\infty \geq \epsilon_0
  1. Conclusión: Hemos demostrado que existe un ϵ0=1/2\epsilon_0 = 1/2 tal que para todo umbral K0K_0, existen términos posteriores cuya distancia es mayor a ϵ0\epsilon_0. \therefore La subsucesión (enk)(e_{n_k}) no es de Cauchy.

    Como (enk)(e_{n_k}) era una subsucesión arbitraria, concluimos que ninguna subsucesión de (en)(e_n) es de Cauchy. Dado que \ell^\infty es un espacio métrico (donde convergente     \implies Cauchy), ninguna subsucesión puede ser convergente. \blacksquare


[!infobox] Caracterización de Conjuntos Densos Contexto: Topología / Espacios Métricos Enunciado: Sea (E,)(E, \|\cdot\|) un espacio normado (o métrico) y DED \subseteq E. Las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. DD es denso en EE (es decir, D=E\overline{D} = E).
  2. DD tiene intersección no vacía con todo conjunto abierto no vacío de EE. Advertencia/Clave: Esta equivalencia es fundamental. A veces es más fácil probar densidad acercándose a puntos (def. 1) y a veces es más útil usar densidad para "cazar" elementos dentro de abiertos (def. 2), como en el teorema de Baire o en problemas de separabilidad.

Demostración (1    21 \implies 2):

Supongamos que D=E\overline{D} = E. Sea UEU \subseteq E un conjunto abierto tal que UU \neq \emptyset. Queremos probar que DUD \cap U \neq \emptyset.

  1. Existencia de punto interior: Como UU \neq \emptyset, existe al menos un xUx \in U.

  2. Propiedad de conjunto abierto: Por definición de abierto, existe un radio r>0r > 0 tal que la bola abierta centrada en xx está contenida en UU:

B(x,r)UB(x, r) \subseteq U
  1. Uso de la hipótesis de densidad: Como xEx \in E y E=DE = \overline{D}, entonces xDx \in \overline{D}. Por caracterización de clausura en espacios métricos, esto implica que toda bola centrada en xx contiene puntos de DD. En particular:
B(x,r)DB(x, r) \cap D \neq \emptyset
  1. Conclusión: Sea yB(x,r)Dy \in B(x, r) \cap D. Como B(x,r)UB(x, r) \subseteq U, entonces yUy \in U. Como yDy \in D y yUy \in U, tenemos yDUy \in D \cap U.
DU\therefore D \cap U \neq \emptyset \quad \blacksquare

[!infobox] Lema: Inyectividad por Bolas Disjuntas Contexto: Teoría de Conjuntos / Topología Objetivo: Justificar formalmente que la elección de puntos en bolas disjuntas define una función inyectiva. Enunciado: Sea {Ux}xS\{U_x\}_{x \in S} una familia de conjuntos disjuntos (UxUy=U_x \cap U_y = \emptyset si xyx \neq y). Si definimos una función f:SUxf: S \to \bigcup U_x tal que f(x)Uxf(x) \in U_x para todo xx, entonces ff es inyectiva.

Demostración:

Sean x,ySx, y \in S tales que xyx \neq y. Queremos demostrar que f(x)f(y)f(x) \neq f(y).

  1. Pertenencia: Por definición de la función ff, tenemos:
f(x)Uxyf(y)Uyf(x) \in U_x \quad \text{y} \quad f(y) \in U_y
  1. Disjunción: Por hipótesis, como xyx \neq y, los conjuntos son disjuntos:
UxUy=U_x \cap U_y = \emptyset
  1. Conclusión: Si suponemos por absurdo que f(x)=f(y)=zf(x) = f(y) = z, entonces:
zUxyzUy    zUxUyz \in U_x \quad \text{y} \quad z \in U_y \implies z \in U_x \cap U_y
Esto contradice que la intersección sea vacía.

$\therefore f(x) \neq f(y)$, lo que implica que $f$ es inyectiva. $\blacksquare$