Avanzado 2025 - Práctica 10 - Espacios métricos V

Tema: Espacios métricos V

Tue-06-05-2025 20:25 profe: Dario Martin Aza status: tags:


Ejercicio 1

Definimos (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} del siguiente modo:

an+1=37an+47an1n2a_{n+1}= \frac{3}{7}\cdot a_{n}+ \frac{4}{7}\cdot a_{n-1}\quad \forall n\geq 2

a1=1,a2=2a_{1}=1,a_{2}=2 Probar que (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} converge.

Sol:Sol: No tenemos forma directa de ver un candidato a límite. Probemos que (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy

anam<anan1+an1an2++am+1am|a_{n}-a_{m}|<|a_{n}-a_{n-1}|+|a_{n-1}-a_{n-2}|+\dots+|a_{m+1}-a_{m}|

Por otro lado

an+1an=37an+47an1an=47an147an=47(an1an)\begin{array}{c} a_{n+1}-a_{n}= \frac{3}{7}\cdot a_{n}+ \frac{4}{7}\cdot a_{n-1}-a_{n} \\ = \frac{4}{7}\cdot a_{n-1}- \frac{4}{7}\cdot a_{n} \\ = \frac{4}{7}\cdot(a_{n-1}-a_{n}) \end{array} an+1an=47anan1===(47)n1a2a1=(47)n1\begin{array}{c} |a_{n+1}-a_{n}|= \frac{4}{7}|a_{n}-a_{n-1}|=\dots= \\ =\left( \frac{4}{7} \right)^{n-1}\cdot |a_{2}-a_{1}|= (\frac{4}{7})^{n-1} \end{array}

Si nm:n\geq m:

anam(47)n2+(47)n3++(47)m1|a_{n}-a_{m}|\leq \left( \frac{4}{7} \right)^{n-2}+ \left( \frac{4}{7} \right)^{n-3}+\dots+ \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1} (nm)(47)m1n(47)m10\leq (n-m)\cdot \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1}\leq \underbrace{ n\cdot \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1} }_{ \to 0 } n0Nsin,mn0    n(47)m1<E\:\exists\:n_{0} \in \mathbb{N}\bigm| si\:n,m\geq n_{0}\implies n\cdot\left( \frac{4}{7} \right)^{m-1}<\mathcal{E}

Como (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy y R\mathbb{R} es completo (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es convergente.

Otra forma:

anami=m1n2(47)i=(47)n31471(47)m11147(47)m1|a_{n}-a_{m}|\leq \sum_{i=m-1}^{n-2} \left( \frac{4}{7} \right)^{i} = \frac{ \left( \frac{4}{7} \right)^{n-3}-1 }{\frac{4}{7}-1}\cdot\left( \frac{4}{7} \right)^{m-1}\leq \frac{1}{1-\frac{4}{7}}\cdot \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1}

La vez pasada con Pablo vieron que (C[0,1],d)(C[0,1], d_{\infty}) es completo pero que (C[0,1],d1)(C[0,1],d_{1}) no es completo.

Sea (fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} de Cauchy. Para esto definimos

limnfn=f\underset{ n\to \infty }{ \lim } f_{n}=f

Este limite existe porque (fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es una sucesión de Cauchy de números reales, con xx fijo.

fn(x)fm(x)supy[0,1]fn(y)fm(y)=d(fn,fm)<E|f_{n}(x)-f_{m}(x)|\leq \underset{ y \in[0,1] }{ sup }\:|f_{n}(y)-f_{m}(y)|=d_{\infty}(f_{n},f_{m})<\mathcal{E}

Entonces así defino una f:[0,1]Rf:[0,1]\to \mathbb{R}

  • ff es continua, para ver que está en nuestro espacio ambiente.
  • fndff_{n}\to ^{d_{\infty}}f Veamos esto ultimo. Idea: Sea E>0\mathcal{E}>0, x0[0,1]x_{0}\in[0,1]
f(x)f(x0)f(x)fn(x)+fn(x)fn(x0)+fn(x0)f(x0)|f(x)-f(x_{0})|\leq |f(x)-f_{n}(x)|+|f_{n}(x)-f_{n}(x_{0})|+|f_{n}(x_{0})-f(x_{0})|

Como vimos que fnff_{n}\to f ?

supx[0,1]fn(x)fm(x)<E\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:|f_{n}(x)-f_{m}(x)|<\mathcal{E}

Esto lo sabemos pues (fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy.

f(t)fn(t)f(t)fm(t)+fm(t)fn(t)|f(t)-f_{n}(t)|\leq |f(t)-f_{m}(t)|+|f_{m}(t)-f_{n}(t)|

Si mm0(E,t)m\geq m_{0}(\mathcal{E},t) entonces f(t)fm(t)<E2|f(t)-f_{m}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{2} porque fn(t)f(t)f_{n}(t)\to f(t) si m,nn0(E)    m,n\geq n_{0}(\mathcal{E})\implies fm(t)fn(t)<E2|f_{m}(t)-f_{n}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{2} porque (fn)(f_{n}) es de Cauchy

    \implies si nn0(E)n\geq n_{0}(\mathcal{E})

f(t)fn(t)f(t)fm~(t)+fm~(t)fn(t)<E2+E2=E|f(t)-f_{n}(t)|\leq |f(t)-f_{\tilde{m}}(t)|+|f_{\tilde{m}}(t)-f_{n}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{2}+ \frac{\mathcal{E}}{2}=\mathcal{E}

    \implies

supt[0,1]f(t)fn(t)<E\underset{ t \in[0,1] }{ sup }\:|f(t)-f_{n}(t)|<\mathcal{E}

Para probar que ff es continua

f(x)f(x0)f(x)fn(x)+fn(x)fn(x0)+fn(x0)f(x0)|f(x)-f(x_{0})|\leq |f(x)-f_{n}(x)|+|f_{n}(x)-f_{n}(x_{0})|+|f_{n}(x_{0})-f(x_{0})|

si nn0n\geq n_{0} : f(t)fn(t)<E3|f(t)-f_{n}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{3} t\forall t

Si xx0<δ|x-x_{0}|<\delta, como fnf_{n} es continua

fn(x)fn(x0)<E3|f_{n}(x)-f_{n}(x_{0})|< \frac{\mathcal{E}}{3}

Por lo que si xx0<δ|x-x_{0}|<\delta tengo

f(x)f(x0)<E3+E3+E3=E|f(x)-f(x_{0})|< \frac{\mathcal{E}}{3} +\frac{\mathcal{E}}{3}+\frac{\mathcal{E}}{3}= \mathcal{E}

    f\implies f es continua.

Prueben que (B[0,1),R)(B[0,1),\mathbb{R}) es completo con dd_{\infty}


Ejercicio 2

Pruebe que (l,d)(\mathscr{l}^{\infty},d_{\infty}) es completo.

l(R)={sucesiones (an)nN acotadas}\mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R})=\{ \text{sucesiones } ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} \text{ acotadas}\} d(an,bn)=supnNanbnd_{\infty}(a_{n},b_{n})=\underset{ n \in \mathbb{N} }{ sup \:}|a_{n}-b_{n}|

Ejercicio 3

Probar que (X,d)(X,d) es un espacio métrico completo     \iff xX,r>0\forall x \in X,\forall r>0 B[x,r]B[x,r] es completo.

    )\implies) Sea (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} una sucesión de Cauchy en B[x,r]B[x,r] para algún xX,r>0.x \in X,r>0. Quiero ver que (xn)n(x_{n})_{n} converge

Como B[x,r]XB[x,r]\subseteq X la sucesión (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es una sucesión en XX y como la distancia es la misma (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy en X.X. Como (X,d)(X,d) es completo yX\:\exists\:y \in X con xnyx_{n}\to y

Como B[x,r]B[x,r] es un cerrado de XX entonces y=limnxnB[x,r]y=\underset{ n\to \infty }{ \lim }x_{n} \in B[x,r]
    \implies (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} converge en B[x,r]B[x,r] a yy.     B[x,r]\implies B[x,r] es completo.

    )\impliedby) Sean (xn)nNX( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq X de Cauchy, Quiero ver que converge. Como (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy y dado E>0n0N\mathcal{E}>0\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N} tal que si n,mn0n,m\geq n_{0}

    d(xn,xm)<E    d(xn,xn0)<E    (xn)nn0B(xn0,E)B[xn0,E]\begin{array}{c} \implies d(x_{n},x_{m})<\mathcal{E} \\ \implies d(x_{n},x_{n_{0}})<\mathcal{E}\implies(x_{n})_{n\geq n_{0}}\subseteq B(x_{n_{0}},\mathcal{E})\subseteq B[x_{n_{0}},\mathcal{E}] \end{array}

(xn)nn0(x_{n})_{n\geq n_{0}} es subsucesión y es de Cauchy.

    yB[xn0,E]X tal que d(xn,y)0    xny    X es completo.\begin{array}{l} \implies \:\exists\:y \in B[x_{n_{0}},\mathcal{E}]\subseteq X\text{ tal que }d(x_{n},y)\to 0 \\ \implies x_{n}\to y \\ \implies X\text{ es completo.} \end{array}

Citas y Comentarios

Mail Dario: daruaza@hotmail.com