Tue-13-05-2025 21:03
profe: Pablo Herrera
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tags: Continuidad
Recordamos que el concepto de continuidad:
f : ( E , d ) → ( E ′ , d ′ ) f:(E,d)\to(E',d') f : ( E , d ) → ( E ′ , d ′ ) es continua en x ∈ E x \in E x ∈ E si
∀ E ∃ δ > 0 ∣ d ( x , y ) < δ ⟹ d ′ ( f ( x ) , f ( y ) ) < E \forall\mathcal{E}\:\exists\:\delta>0\bigm| d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))<\mathcal{E} ∀ E ∃ δ > 0 d ( x , y ) < δ ⟹ d ′ ( f ( x ) , f ( y )) < E
Ejercicio 1
Sean E = C ( [ 0 , 1 ] ) E=C([0,1]) E = C ([ 0 , 1 ]) con d = d ∞ ( f , g ) = s u p x ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ d=d_{\infty}(f,g)=\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:\left| f(x)-g(x) \right| d = d ∞ ( f , g ) = x ∈ [ 0 , 1 ] s u p ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣
Y la función
S : C ( [ 0 , 1 ] ) → C ( [ 0 , 1 ] ) ∣ S ( f ) = f 2 S:C([0,1])\to C([0,1])\bigm| S(f)=f^{2} S : C ([ 0 , 1 ]) → C ([ 0 , 1 ]) S ( f ) = f 2
Veamos que es continua
Sea E > 0 \mathcal{E}>0 E > 0 y sea f 0 ∈ C ( [ 0 , 1 ] ) f_{0}\in C([0,1]) f 0 ∈ C ([ 0 , 1 ])
Quiero ver que ∃ δ > 0 ∣ d ∞ ( f , f 0 ) < δ ⟹ d ∞ ( ( f 2 , f 0 2 ) ) < E \:\exists\:\delta>0\bigm|d_{\infty}(f,f_{0})<\delta\implies d_{\infty}((f^{2},f_{0}^{2}))<\mathcal{E} ∃ δ > 0 d ∞ ( f , f 0 ) < δ ⟹ d ∞ (( f 2 , f 0 2 )) < E
d ∞ ( f 2 , f 0 2 ) = s u p x ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f 2 ( x ) − f 0 2 ( x ) ∣ d_{\infty}(f^{2},f_{0}^{2}) =\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:\left| f^{2}(x)-f_{0}^{2}(x) \right| d ∞ ( f 2 , f 0 2 ) = x ∈ [ 0 , 1 ] s u p f 2 ( x ) − f 0 2 ( x )
Por un lado tenemos que
∣ f 2 ( x ) − f 0 2 ( x ) ∣ = ∣ ( f ( x ) + f 0 ( x ) ) ⋅ ( f ( x ) − f 0 ( x ) ) ⏟ ≤ d ∞ ( ( f , f 0 ) ) < δ ∣ \left| f^{2}(x)-f_{0}^{2}(x) \right| =\left| (f(x)+f_{0}(x))\cdot\underbrace{ (f(x)-f_{0}(x)) }_{ \leq d_{\infty}((f,f_{0}))<\delta } \right| f 2 ( x ) − f 0 2 ( x ) = ( f ( x ) + f 0 ( x )) ⋅ ≤ d ∞ (( f , f 0 )) < δ ( f ( x ) − f 0 ( x ))
Acotemos
∣ f ( x ) + f 0 ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) − f 0 ( x ) + f 0 ( x ) + f 0 ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f 0 ( x ) ∣ + 2 ∣ f 0 ( x ) ∣ |f(x)+f_{0}(x)|=|f(x)-f_{0}(x)+f_{0}(x)+f_{0}(x)|\leq |f(x)-f_{0}(x)|+ 2|f_{0}(x)| ∣ f ( x ) + f 0 ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) − f 0 ( x ) + f 0 ( x ) + f 0 ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f 0 ( x ) ∣ + 2∣ f 0 ( x ) ∣
≤ d ∞ ( f , f 0 ) + 2 ∣ f 0 ( x ) ∣ \leq d_{\infty}(f,f_{0}) +2|f_{0}(x)| ≤ d ∞ ( f , f 0 ) + 2∣ f 0 ( x ) ∣
Pero f 0 f_{0} f 0 es continua en [ 0 , 1 ] [0,1] [ 0 , 1 ] . Por lo tanto tiene máximo y depende de f 0 f_{0} f 0
∣ f 0 ( x ) ∣ ≤ C Para algun C en R |f_{0}(x)|\leq C\text{ Para algun $C$ en } \mathbb{R} ∣ f 0 ( x ) ∣ ≤ C Para algun C en R
Por lo tanto
∣ f ( x ) + f 0 ( x ) ∣ ≤ δ 2 + 2 ⋅ C ⋅ δ |f(x)+f_{0}(x)|\leq \delta^{2}+2\cdot C\cdot\delta ∣ f ( x ) + f 0 ( x ) ∣ ≤ δ 2 + 2 ⋅ C ⋅ δ
De esta manera entonces elijo δ \delta δ de la siguiente manera:
δ = m i n { E 2 , E 4 C } \delta=min\left\{ \sqrt{ \frac{\mathcal{E}}{2} },\frac{\mathcal{E}}{4C} \right\} δ = min { 2 E , 4 C E }
Luego,
d ∞ ( f 2 , f 0 2 ) ≤ δ 2 + 2 C δ < E 2 + 2 C E 4 C = E d_{\infty}(f^{2},f_{0}^{2}) \leq \delta^{2}+2C\delta<\frac{\mathcal{E}}{2}+2C\frac{\mathcal{E}}{4C}=\mathcal{E} d ∞ ( f 2 , f 0 2 ) ≤ δ 2 + 2 C δ < 2 E + 2 C 4 C E = E
f f f resulta ser continua.
Ejercicio 2
f : ( E , d ) → ( R , ∣ ⋅ ∣ ) f:(E,d)\to (\mathbb{R},|\cdot|) f : ( E , d ) → ( R , ∣ ⋅ ∣ )
Probar que
f es continua ⟺ { U α = { x ∈ E ∣ f ( x ) ∈ ( α , + ∞ ) } V α = { x ∈ E ∣ f ( x ) ∈ ( − ∞ , α ) } son abiertos f\text{ es continua }\iff \begin{cases}
U_{\alpha}=\{ x \in E\bigm| f(x)\in(\alpha,+\infty) \} \\
V_{\alpha}=\{ x \in E\bigm| f(x)\in(-\infty,\alpha) \}
\end{cases}
\text{ son abiertos} f es continua ⟺ { U α = { x ∈ E f ( x ) ∈ ( α , + ∞ )} V α = { x ∈ E f ( x ) ∈ ( − ∞ , α )} son abiertos
⟹ ) \implies) ⟹ )
U α = f − 1 ( ( α , + ∞ ) ⏟ ∈ R ) U_{\alpha}=f^{-1}(\underbrace{ (\alpha,+\infty) }_{ \in \mathbb{R} }) U α = f − 1 ( ∈ R ( α , + ∞ ) )
Como ( α , + ∞ ) (\alpha,+\infty) ( α , + ∞ ) es abierto en R \mathbb{R} R y f f f es continua, entonces f − 1 ( ( α , + ∞ ) ) = U α f^{-1}((\alpha,+\infty))=U_{\alpha} f − 1 (( α , + ∞ )) = U α es abierto. Pues es preimagen de un abierto.
⟸ ) \impliedby) ⟸ )
Por hipótesis U α , V α U_{\alpha},V_{\alpha} U α , V α son abiertos ∀ α ∈ R . \forall\alpha \in \mathbb{R}. ∀ α ∈ R . Quiero ver que f f f es continua
Vamos a utilizar esto:
f es continua ⟺ ∀ G ⊆ E ′ abierto, f − 1 ( G ) es abierto. (1) \text{$f$ es continua $\iff \forall G\subseteq E'$ abierto, $f^{-1}(G)$ es abierto.}\tag{1} f es continua ⟺ ∀ G ⊆ E ′ abierto, f − 1 ( G ) es abierto. ( 1 )
Entonces, sea G ⊆ R G\subseteq \mathbb{R} G ⊆ R arbitrario y abierto.
Como es abierto puedo escribirlo de esta manera:
G = ⋃ x ∈ G B ( x , r x ) = ⋃ x ∈ G ( x − r x , x + r x ) G=\bigcup_{x \in G}B(x,r_{x})=\bigcup_{x \in G}(x-r_{x},x+r_{x}) G = x ∈ G ⋃ B ( x , r x ) = x ∈ G ⋃ ( x − r x , x + r x )
Veamos su preimagen:
f − 1 ( G ) = f − 1 ( ⋃ x ∈ G ( x − r x , x + r x ) ) = ⋃ x ∈ G f − 1 ( ( − ∞ , x + r x ) ∩ ( x − r x , + ∞ ) ) f ^{-1}(G)=f ^{-1}\left( \bigcup_{x \in G}(x-r_{x},x+r_{x}) \right)=\bigcup_{x \in G} f ^{-1}\left( (-\infty ,x+r_{x})\cap(x-r_{x},+\infty) \right) f − 1 ( G ) = f − 1 ( x ∈ G ⋃ ( x − r x , x + r x ) ) = x ∈ G ⋃ f − 1 ( ( − ∞ , x + r x ) ∩ ( x − r x , + ∞ ) )
= ⋃ x ∈ G f − 1 ( ( − ∞ , x + r x ) ) ⏟ V x + r x ∩ f − 1 ( ( x − r x , + ∞ ) ⏟ U x − r x ) =\bigcup_{x \in G}\underbrace{f ^{-1} ((-\infty,x+r_{x})) }_{ V_{x+r_{x}} }\cap \underbrace{ f ^{-1}((x-r_{x},+\infty) }_{ U_{x-r_{x}} }) = x ∈ G ⋃ V x + r x f − 1 (( − ∞ , x + r x )) ∩ U x − r x f − 1 (( x − r x , + ∞ ) )
La intersección finita de abiertos es abierto.
La union arbitraria de abiertos es abierta, entonces f − 1 ( G ) f ^{-1}(G) f − 1 ( G ) es abierto. Y G G G era abierto y arbitrario. Por ( 1 ) (1) ( 1 ) entonces f f f es continua.
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