Tue-06-05-2025 20:25
profe: Dario Martin Aza
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Ejercicio 1
Definimos ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N del siguiente modo:
a n + 1 = 3 7 ⋅ a n + 4 7 ⋅ a n − 1 ∀ n ≥ 2 a_{n+1}= \frac{3}{7}\cdot a_{n}+ \frac{4}{7}\cdot a_{n-1}\quad \forall n\geq 2 a n + 1 = 7 3 ⋅ a n + 7 4 ⋅ a n − 1 ∀ n ≥ 2
a 1 = 1 , a 2 = 2 a_{1}=1,a_{2}=2 a 1 = 1 , a 2 = 2
Probar que ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N converge.
S o l : Sol: S o l :
No tenemos forma directa de ver un candidato a límite.
Probemos que ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N es de Cauchy
∣ a n − a m ∣ < ∣ a n − a n − 1 ∣ + ∣ a n − 1 − a n − 2 ∣ + ⋯ + ∣ a m + 1 − a m ∣ |a_{n}-a_{m}|<|a_{n}-a_{n-1}|+|a_{n-1}-a_{n-2}|+\dots+|a_{m+1}-a_{m}| ∣ a n − a m ∣ < ∣ a n − a n − 1 ∣ + ∣ a n − 1 − a n − 2 ∣ + ⋯ + ∣ a m + 1 − a m ∣
Por otro lado
a n + 1 − a n = 3 7 ⋅ a n + 4 7 ⋅ a n − 1 − a n = 4 7 ⋅ a n − 1 − 4 7 ⋅ a n = 4 7 ⋅ ( a n − 1 − a n ) \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} a n + 1 − a n = 7 3 ⋅ a n + 7 4 ⋅ a n − 1 − a n = 7 4 ⋅ a n − 1 − 7 4 ⋅ a n = 7 4 ⋅ ( a n − 1 − a n )
∣ a n + 1 − a n ∣ = 4 7 ∣ a n − a n − 1 ∣ = ⋯ = = ( 4 7 ) n − 1 ⋅ ∣ a 2 − a 1 ∣ = ( 4 7 ) n − 1 \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} ∣ a n + 1 − a n ∣ = 7 4 ∣ a n − a n − 1 ∣ = ⋯ = = ( 7 4 ) n − 1 ⋅ ∣ a 2 − a 1 ∣ = ( 7 4 ) n − 1
Si n ≥ m : n\geq m: n ≥ m :
∣ a n − a m ∣ ≤ ( 4 7 ) n − 2 + ( 4 7 ) n − 3 + ⋯ + ( 4 7 ) m − 1 |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} ∣ a n − a m ∣ ≤ ( 7 4 ) n − 2 + ( 7 4 ) n − 3 + ⋯ + ( 7 4 ) m − 1
≤ ( n − m ) ⋅ ( 4 7 ) m − 1 ≤ n ⋅ ( 4 7 ) m − 1 ⏟ → 0 \leq (n-m)\cdot \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1}\leq \underbrace{ n\cdot \left( \frac{4}{7} \right)^{m-1} }_{ \to 0 } ≤ ( n − m ) ⋅ ( 7 4 ) m − 1 ≤ → 0 n ⋅ ( 7 4 ) m − 1
∃ n 0 ∈ N ∣ s i n , m ≥ n 0 ⟹ n ⋅ ( 4 7 ) m − 1 < 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} ∃ n 0 ∈ N s i n , m ≥ n 0 ⟹ n ⋅ ( 7 4 ) m − 1 < E
Como ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N es de Cauchy y R \mathbb{R} R es completo ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N es convergente.
Otra forma:
∣ a n − a m ∣ ≤ ∑ i = m − 1 n − 2 ( 4 7 ) i = ( 4 7 ) n − 3 − 1 4 7 − 1 ⋅ ( 4 7 ) m − 1 ≤ 1 1 − 4 7 ⋅ ( 4 7 ) m − 1 |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} ∣ a n − a m ∣ ≤ i = m − 1 ∑ n − 2 ( 7 4 ) i = 7 4 − 1 ( 7 4 ) n − 3 − 1 ⋅ ( 7 4 ) m − 1 ≤ 1 − 7 4 1 ⋅ ( 7 4 ) m − 1
La vez pasada con Pablo vieron que ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) (C[0,1], d_{\infty}) ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) es completo pero que ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) (C[0,1],d_{1}) ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) no es completo.
Sea ( f n ) n ∈ N ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( f n ) n ∈ N de Cauchy. Para esto definimos
lim n → ∞ f n = f \underset{ n\to \infty }{ \lim } f_{n}=f n → ∞ lim f n = f
Este limite existe porque ( f n ) n ∈ N ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( f n ) n ∈ N es una sucesión de Cauchy de números reales, con x x x fijo.
∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ ≤ s u p y ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f n ( y ) − f m ( y ) ∣ = d ∞ ( f n , f m ) < 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} ∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ ≤ y ∈ [ 0 , 1 ] s u p ∣ f n ( y ) − f m ( y ) ∣ = d ∞ ( f n , f m ) < E
Entonces así defino una f : [ 0 , 1 ] → R f:[0,1]\to \mathbb{R} f : [ 0 , 1 ] → R
f f f es continua, para ver que está en nuestro espacio ambiente.
f n → d ∞ f f_{n}\to ^{d_{\infty}}f f n → d ∞ f
Veamos esto ultimo.
Idea: Sea E > 0 \mathcal{E}>0 E > 0 , x 0 ∈ [ 0 , 1 ] x_{0}\in[0,1] x 0 ∈ [ 0 , 1 ]
∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣ |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})| ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣
Como vimos que f n → f f_{n}\to f f n → f ?
s u p x ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ < E \underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:|f_{n}(x)-f_{m}(x)|<\mathcal{E} x ∈ [ 0 , 1 ] s u p ∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ < E
Esto lo sabemos pues ( f n ) n ∈ N ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( f n ) n ∈ N es de Cauchy.
∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ ≤ ∣ f ( t ) − f m ( t ) ∣ + ∣ f m ( t ) − f n ( t ) ∣ |f(t)-f_{n}(t)|\leq |f(t)-f_{m}(t)|+|f_{m}(t)-f_{n}(t)| ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ ≤ ∣ f ( t ) − f m ( t ) ∣ + ∣ f m ( t ) − f n ( t ) ∣
Si m ≥ m 0 ( E , t ) m\geq m_{0}(\mathcal{E},t) m ≥ m 0 ( E , t ) entonces ∣ f ( t ) − f m ( t ) ∣ < E 2 |f(t)-f_{m}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{2} ∣ f ( t ) − f m ( t ) ∣ < 2 E porque f n ( t ) → f ( t ) f_{n}(t)\to f(t) f n ( t ) → f ( t )
si m , n ≥ n 0 ( E ) ⟹ m,n\geq n_{0}(\mathcal{E})\implies m , n ≥ n 0 ( E ) ⟹ ∣ f m ( t ) − f n ( t ) ∣ < E 2 |f_{m}(t)-f_{n}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{2} ∣ f m ( t ) − f n ( t ) ∣ < 2 E porque ( f n ) (f_{n}) ( f n ) es de Cauchy
⟹ \implies ⟹ si n ≥ n 0 ( E ) n\geq n_{0}(\mathcal{E}) n ≥ n 0 ( E )
∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ ≤ ∣ f ( t ) − f m ~ ( t ) ∣ + ∣ f m ~ ( t ) − f n ( t ) ∣ < E 2 + E 2 = 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} ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ ≤ ∣ f ( t ) − f m ~ ( t ) ∣ + ∣ f m ~ ( t ) − f n ( t ) ∣ < 2 E + 2 E = E
⟹ \implies ⟹
s u p t ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ < E \underset{ t \in[0,1] }{ sup }\:|f(t)-f_{n}(t)|<\mathcal{E} t ∈ [ 0 , 1 ] s u p ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ < E
Para probar que f f f es continua
∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣ |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})| ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣
si n ≥ n 0 n\geq n_{0} n ≥ n 0 : ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ < E 3 |f(t)-f_{n}(t)|< \frac{\mathcal{E}}{3} ∣ f ( t ) − f n ( t ) ∣ < 3 E ∀ t \forall t ∀ t
Si ∣ x − x 0 ∣ < δ |x-x_{0}|<\delta ∣ x − x 0 ∣ < δ , como f n f_{n} f n es continua
∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ < E 3 |f_{n}(x)-f_{n}(x_{0})|< \frac{\mathcal{E}}{3} ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ < 3 E
Por lo que si ∣ x − x 0 ∣ < δ |x-x_{0}|<\delta ∣ x − x 0 ∣ < δ tengo
∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ < E 3 + E 3 + E 3 = E |f(x)-f(x_{0})|< \frac{\mathcal{E}}{3} +\frac{\mathcal{E}}{3}+\frac{\mathcal{E}}{3}= \mathcal{E} ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ < 3 E + 3 E + 3 E = E
⟹ f \implies f ⟹ f es continua.
Prueben que ( B [ 0 , 1 ) , R ) (B[0,1),\mathbb{R}) ( B [ 0 , 1 ) , R ) es completo con d ∞ d_{\infty} d ∞
Ejercicio 2
Pruebe que ( l ∞ , d ∞ ) (\mathscr{l}^{\infty},d_{\infty}) ( l ∞ , d ∞ ) es completo.
l ∞ ( R ) = { sucesiones ( a n ) n ∈ N acotadas } \mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R})=\{ \text{sucesiones } ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} \text{ acotadas}\} l ∞ ( R ) = { sucesiones ( a n ) n ∈ N acotadas }
d ∞ ( a n , b n ) = s u p n ∈ N ∣ a n − b n ∣ d_{\infty}(a_{n},b_{n})=\underset{ n \in \mathbb{N} }{ sup \:}|a_{n}-b_{n}| d ∞ ( a n , b n ) = n ∈ N s u p ∣ a n − b n ∣
Ejercicio 3
Probar que ( X , d ) (X,d) ( X , d ) es un espacio métrico completo ⟺ \iff ⟺ ∀ x ∈ X , ∀ r > 0 \forall x \in X,\forall r>0 ∀ x ∈ X , ∀ r > 0 B [ x , r ] B[x,r] B [ x , r ] es completo.
⟹ ) \implies) ⟹ ) Sea ( x n ) n ∈ N ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( x n ) n ∈ N una sucesión de Cauchy en B [ x , r ] B[x,r] B [ x , r ] para algún x ∈ X , r > 0. x \in X,r>0. x ∈ X , r > 0.
Quiero ver que ( x n ) n (x_{n})_{n} ( x n ) n converge
Como B [ x , r ] ⊆ X B[x,r]\subseteq X B [ x , r ] ⊆ X la sucesión ( x n ) n ∈ N ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( x n ) n ∈ N es una sucesión en X X X y como la distancia es la misma ( x n ) n ∈ N ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( x n ) n ∈ N es de Cauchy en X . X. X . Como ( X , d ) (X,d) ( X , d ) es completo ∃ y ∈ X \:\exists\:y \in X ∃ y ∈ X con x n → y x_{n}\to y x n → y
Como B [ x , r ] B[x,r] B [ x , r ] es un cerrado de X X X entonces y = lim n → ∞ x n ∈ B [ x , r ] y=\underset{ n\to \infty }{ \lim }x_{n} \in B[x,r] y = n → ∞ lim x n ∈ B [ x , r ]
⟹ \implies ⟹ ( x n ) n ∈ N ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( x n ) n ∈ N converge en B [ x , r ] B[x,r] B [ x , r ] a y y y .
⟹ B [ x , r ] \implies B[x,r] ⟹ B [ x , r ] es completo.
⟸ ) \impliedby) ⟸ )
Sean ( x n ) n ∈ N ⊆ X ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq X ( x n ) n ∈ N ⊆ X de Cauchy,
Quiero ver que converge.
Como ( x n ) n ∈ N ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( x n ) n ∈ N es de Cauchy y dado E > 0 ∃ n 0 ∈ N \mathcal{E}>0\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N} E > 0 ∃ n 0 ∈ N tal que si n , m ≥ n 0 n,m\geq n_{0} n , m ≥ n 0
⟹ d ( x n , x m ) < E ⟹ d ( x n , x n 0 ) < E ⟹ ( x n ) n ≥ n 0 ⊆ B ( x n 0 , E ) ⊆ B [ x n 0 , 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} ⟹ d ( x n , x m ) < E ⟹ d ( x n , x n 0 ) < E ⟹ ( x n ) n ≥ n 0 ⊆ B ( x n 0 , E ) ⊆ B [ x n 0 , E ]
( x n ) n ≥ n 0 (x_{n})_{n\geq n_{0}} ( x n ) n ≥ n 0 es subsucesión y es de Cauchy.
⟹ ∃ y ∈ B [ x n 0 , E ] ⊆ X tal que d ( x n , y ) → 0 ⟹ x n → y ⟹ 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} ⟹ ∃ y ∈ B [ x n 0 , E ] ⊆ X tal que d ( x n , y ) → 0 ⟹ x n → y ⟹ X es completo.
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