G6-E6
[!infobox] no es Compacto ni Separable Contexto: Análisis Funcional / Espacios de Sucesiones Enunciado: Sea el espacio de sucesiones acotadas con la norma del supremo.
- La bola unitaria cerrada no es compacta.
- no es separable (no tiene subconjunto denso numerable). Advertencia/Clave: es "mucho más grande" que () o , 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
-
Sucesión sin subsucesiones convergentes: Consideremos la base canónica , donde . Observamos que , luego .
-
Propiedad Métrica: Para cualquier , tenemos:
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, no admite ninguna subsucesión convergente. Por tanto, no es secuencialmente compacta (y por ende no es compacta).
(b) No Separabilidad
Procedemos por reducción al absurdo. Supongamos que es separable. Sea un subconjunto denso y numerable de .
- Conjunto de Testeo Incontable: Sea la familia de todas las sucesiones de ceros y unos:
Sabemos que $|\mathcal{S}| = |\mathcal{P}(\mathbb{N})| = 2^{\aleph_0}$ (no numerable).
2. Separación Uniforme: Para cualesquiera con , existe tal que , lo que implica .
- Construcción de Bolas Disjuntas: Para cada , definimos la bola abierta . Si y , entonces . Justificación: Si , por desigualdad triangular:
Lo cual es absurdo ($1 < 2/3$).
4. Contradicción con la Densidad: Como es denso en , debe intersecar a todo abierto no vacío. Para cada , elegimos un elemento . Dado que las bolas son disjuntas, si . Esto define una función inyectiva .
Esto implica que $D$ es no numerable, lo que contradice la hipótesis inicial.
no es separable.
[!infobox] Formalización: Ausencia de Subsucesiones de Cauchy Contexto: Espacios Métricos / Sucesiones en Enunciado: La sucesión canónica en no admite ninguna subsucesión de Cauchy. Clave: Usar la negación lógica de la definición de Cauchy: .
Demostración Rigurosa:
Sea una subsucesión arbitraria de . Vamos a demostrar que no es de Cauchy.
- Hipótesis Auxiliar (Distancia constante): Sabemos que para cualesquiera índices , . Dado que una subsucesión conserva el orden estricto de los índices (), tenemos que para la subsucesión:
- Negación de la Condición de Cauchy: Recordemos que una sucesión es de Cauchy si:
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:
* Observamos que $1 \not< \frac{1}{2}$, es decir:
-
Conclusión: Hemos demostrado que existe un tal que para todo umbral , existen términos posteriores cuya distancia es mayor a . La subsucesión no es de Cauchy.
Como era una subsucesión arbitraria, concluimos que ninguna subsucesión de es de Cauchy. Dado que es un espacio métrico (donde convergente Cauchy), ninguna subsucesión puede ser convergente.
[!infobox] Caracterización de Conjuntos Densos Contexto: Topología / Espacios Métricos Enunciado: Sea un espacio normado (o métrico) y . Las siguientes afirmaciones son equivalentes:
- es denso en (es decir, ).
- tiene intersección no vacía con todo conjunto abierto no vacío de . 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 ():
Supongamos que . Sea un conjunto abierto tal que . Queremos probar que .
-
Existencia de punto interior: Como , existe al menos un .
-
Propiedad de conjunto abierto: Por definición de abierto, existe un radio tal que la bola abierta centrada en está contenida en :
- Uso de la hipótesis de densidad: Como y , entonces . Por caracterización de clausura en espacios métricos, esto implica que toda bola centrada en contiene puntos de . En particular:
- Conclusión: Sea . Como , entonces . Como y , tenemos .
[!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 una familia de conjuntos disjuntos ( si ). Si definimos una función tal que para todo , entonces es inyectiva.
Demostración:
Sean tales que . Queremos demostrar que .
- Pertenencia: Por definición de la función , tenemos:
- Disjunción: Por hipótesis, como , los conjuntos son disjuntos:
- Conclusión: Si suponemos por absurdo que , entonces:
Esto contradice que la intersección sea vacía.
$\therefore f(x) \neq f(y)$, lo que implica que $f$ es inyectiva. $\blacksquare$