Avanzado 2025 - Práctica 13 - Continuidad II

Tema: Continuidad II

Thu-15-05-2025 20:01 profe: Mariano Negri status: tags:


Recordamos la continuidad es una propiedad local. Y la continuidad uniforme es global.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea f:(M,d)(N,d). Decimos que f es uniformemente continua si:E>0δ>0d(x,y)<δ    d(f(x),f(y))<Ex,yM\begin{array}{l} \text{Sea $f:(M,d)\to(N,d').$ Decimos que $f$ es uniformemente continua si:}\\ \forall\mathcal{E}>0\:\exists\:\delta>0\bigm| d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))<\mathcal{E}\quad \forall x,y \in M \end{array}

Ejemplos:Ejemplos: f1:RR no es u.c.xx2f2:RR no es u.c.xexf3:[0,100]R es u.c.xx3\begin{array}{l} f_{1}:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\text{ no es u.c.} \\ \quad \quad x \mapsto x^{2} \\ f_{2}:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\text{ no es u.c.} \\ \quad \quad x \mapsto e^{x} \\ f_{3}:[0,100]\to \mathbb{R}\text{ es u.c.} \\ \quad \quad x \mapsto x^{3} \end{array}

Ejercicio 1

Veamos que f2f_{2} no es uniformemente continua Supongamos que si lo es. Dado E>0,\mathcal{E}>0, quiero buscar un δ>0\delta>0 tal que d(x,y)<δ    d(ex,ey)<Ed(x,y)<\delta\implies d(e^{x},e^{y})<\mathcal{E}

xy<δ    exey<Eex1eyx<E1eyx<Eex\begin{array}{c} |x-y|<\delta\implies |e^{x} -e^{y} |<\mathcal{E} \\ e^{x} \cdot |1-e^{y-x} |<\mathcal{E} \\ |1-e^{y-x} |< \frac{\mathcal{E}}{e^{x} } \\ \end{array}     Eex<1eyx<Eexln(Eex1)>yx>ln(Eex1)\begin{array}{c} \implies - \frac{\mathcal{E}}{e^{x} }< 1-e^{y-x} <\frac{\mathcal{E}}{e^{x} } \\ \ln(-\frac{\mathcal{E}}{e^{x} }-1)>y-x>\ln(\frac{\mathcal{E}}{e^{x} }-1) \end{array}

Si (notar que δ\delta depende de xx)

δ=max{ln(Eex1),ln(Eex+1)}\delta=max\left\{ \left| \ln\left( - \frac{\mathcal{E}}{e^{x}}- 1\right) \right|,\left| \ln\left( \frac{\mathcal{E}}{e^{x}}+1\right) \right| \right\}

entonces si xy<δ|x-y|<\delta obtengo exey<E|e^{x}-e^{y}|<\mathcal{E}

Considero las sucesiones

xn=nyn=n+1n\begin{array}{c} x_{n}= n \\ y_{n}=n+ \frac{1}{n} \end{array}

Están a distancia 1n\frac{1}{n}, a la larga d(xn,yn)0    d(xn,yn<δ)d(x_{n},y_{n})\to0\implies d(x_{n},y_{n}<\delta)

en+1nen=ene1n1ene121sin2ee121sin2\begin{array}{l} |e^{ n + \frac{1}{n}}-e^{n} |=e^{n} \cdot |e^{ \frac{1}{n}-1} | \\ \geq e^{n} \cdot |e^{ \frac{1}{2}-1} | \quad \quad si \: n\geq 2 \\ \geq e \cdot |e^{ \frac{1}{2}} -1|\quad \quad si \: n\geq 2 \end{array}

Sea E=ee121\mathcal{E}=e|e^{\frac{1}{2}}-1|, si f(x)=exf(x)=e^{x} fuese uniformemente continua entonces existiría δ>0\delta>0 tal que si xy<δ    f(x)f(y)<E|x-y|<\delta\implies |f(x)-f(y)|<\mathcal{E} Sea n0Nn_{0}\in \mathbb{N} tal que 1n<δ\frac{1}{n}<\delta nn0\forall n\geq n_{0} , entonces los xnx_{n} e yny_{n} de arriba cumplen

xnyn=1n<δ|x_{n}-y_{n}|= \frac{1}{n}<\delta

pero

f(xn)f(yn)E|f(x_{n})-f(y_{n})|\geq \mathcal{E}

Lo cual es un absurdo que proviene de suponer que ff era uniformemente continua.

f no es unif. cont.\therefore\: f\text{ no es unif. cont.} \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

 f(E1,d1)(E2,d2) es unif. cont.     (xn)n,(yn)nE1d1(xn,yn)0 vale que:d2(f(xn),f(yn))0\begin{array}{l} \text{ $f(E_{1},d_{1})\to(E_{2},d_{2})$ es unif. cont. $\iff \forall ( x_{n} )_{n },( y_{n} )_{n}\subseteq E_{1}$: $d_{1}(x_{n},y_{n})\to 0$ vale que:}\\ d_{2}(f(x_{n}),f(y_{n}))\to 0 \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

Demostrado en la teórica.


Ejercicio 2

f(x)=sen(x)f(x)=sen(x) f(x)f(y)=sen(x)sen(y)=f(c)teorema del valor medioxy=cos(c)xyxy|f(x)-f(y)|=|sen(x)-\underset{ \text{teorema del valor medio} }{ sen(y)|= |f'(c)|}\cdot |x-y|=|\cos(c)|\cdot |x-y|\leq |x-y|

Entonces es de tipo Lipschitz     \implies es uniformemente continua. 9


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Recordar g:EE es Lipschitz si c>0 tal que: d(g(x),g(y))<cd(x,y) x,yE\begin{array}{l} \text{Recordar $g:E\to E'$ es Lipschitz si $\:\exists\:c>0$ tal que: }\\ \text{$d'(g(x),g(y))<c\cdot d(x,y)$ $\forall x,y \in E$} \end{array}

Ejercicio 3

f:(l(R),d)(R,)(xn)nNx1\begin{array}{c} f:(\mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R}),d\infty)\to (\mathbb{R},|\cdot|) \\ \quad ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\mapsto x_{1} \end{array}

ff es continua? Es uniformemente continua?

Recordar:

l(R)={sucesiones acotadas de nros reales}d((an)n,(bn)n)=supnNanbn\begin{array}{c} \mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R})=\{ \text{sucesiones acotadas de nros reales} \} \\ d_{\infty}((a_{n})_{n},(b_{n})_{n}) =\underset{ n \in \mathbb{N} }{ sup }\:\left| a_{n}-b_{n} \right| \end{array}

Sea (xn)nNl(R)( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in \mathscr{l}^{\infty}(\mathbb{R}) Veamos que ff es continua en (xn)n(x_{n})_{n}

Dados E>0,(yn)nl(R).\mathcal{E}>0,(y_{n})_{n}\in \mathscr{l}^{\infty}(\mathbb{R}). Queremos acotar:

f((xn))f((yn))=x1y1<E|f((x_{n}))-f((y_{n}))|=|x_{1}-y_{1}|< \mathcal{E}

Sabiendo que d((xn),(yn))<δd_{\infty}((x_{n}),(y_{n}))<\delta .

Como d((xn),(yn))d_{\infty}((x_{n}),(y_{n})) es el supremo de un conjunto al que pertenece x1y1|x_{1}-y_{1}|, entonces vale

x1y1d((xn)n,(yn)n)<δ|x_{1}-y_{1}|\leq d_{\infty}((x_{n})_{n},(y_{n})_{n}) <\delta

Por lo tanto ff es uniformemente continua, particularmente también es continua.


Ejercicio 4

F:(C[0,1],d)(C[0,1],d1)gg\begin{array}{c} F:(C[0,1],d_{\infty})\to (C[0,1],d_{1}) \\ g\mapsto g \end{array}

Notar que F=idC[0,1]F=id_{C[0,1]}

Recordar:

d(f,g)=supx[0,1]f(x)g(X)d_{\infty}(f,g) =\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:\left| f(x)-g(X) \right| d1(f,g)=01f(x)g(x)dxd_{1}(f,g)=\int _{0}^{1} |f(x)-g(x)| \, dx d1(F(g1),F(g2))=d1(g1,g2)=01g1(x)g2(x)d01d(g1,g2)dx=d_{1}(F(g_{1}),F(g_{2}))=d_{1}(g_{1},g_{2})=\int _{0}^{1} |g_{1}(x)-g_{2}(x)| \, d\leq \int _{0}^{1} d_{\infty}(g_{1},g_{2}) \, dx= =d(g1,g2)011dx=d(g1,g2)=d_{\infty}(g_{1},g_{2}) \cdot \int _{0}^{1} 1 \, dx =d_{\infty}(g_{1},g_{2})

Entonces FF es Lipschitz con C=1C=1     F\implies F es uniformemente continua.

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Ejercicio 5

G:(C[0,1],d1)(C[0,1],d)ff\begin{array}{c} G:(C[0,1],d_{1})\to (C[0,1],d_{\infty}) \\ \quad f\mapsto f \end{array}

Vamos a dar una sucesión de funciones (fn)nNC[0,1]( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in C[0,1] tal que fnd10f_{n}\underset{ d_{1} }{ \longrightarrow } 0 pero G(fn)=fn⟶̸dG(0)=0G(f_{n})=f_{n}\underset{ d_{\infty} }{ \not\longrightarrow }G(0)=0
Si hacemos eso sale que GG no es continua. Sea fn:[0,1]Rf_{n}:[0,1]\to \mathbb{R} la función continua que está graficada en el dibujo:

draw-avanzado2025-P13-1

Es decir, fn(x)=0f_{n}(x)=0 si x11nx\leq1- \frac{1}{n}. fn(x)f_{n}(x) es un tramo lineal que une (11n,0)\left( 1 - \frac{1}{n},0 \right) con (1,1)(1,1) para x=11nx= 1 - \frac{1}{n}


Ejercicio 6

Probar si la función hh es continua o uniformemente continua.

h:l(R)l(R)(xn)nN(xnn)nN\begin{array}{c} h:\mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R})\to \mathscr{l}^{\infty}(\mathbb{R}) \\ \quad \quad ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\mapsto \left( \frac{x_{n}}{n} \right)_{n \in \mathbb{N}} \end{array}

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