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. :} } Def. :
Sea f : ( M , d ) → ( N , d ′ ) . Decimos que f es uniformemente continua si: ∀ E > 0 ∃ δ > 0 ∣ d ( x , y ) < δ ⟹ d ′ ( f ( x ) , f ( y ) ) < E ∀ x , y ∈ M \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} Sea f : ( M , d ) → ( N , d ′ ) . Decimos que f es uniformemente continua si: ∀ E > 0 ∃ δ > 0 d ( x , y ) < δ ⟹ d ′ ( f ( x ) , f ( y )) < E ∀ x , y ∈ M
E j e m p l o s : Ejemplos: E j e m pl os :
f 1 : R → R no es u.c. x ↦ x 2 f 2 : R → R no es u.c. x ↦ e x f 3 : [ 0 , 100 ] → R es u.c. x ↦ x 3 \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} f 1 : R → R no es u.c. x ↦ x 2 f 2 : R → R no es u.c. x ↦ e x f 3 : [ 0 , 100 ] → R es u.c. x ↦ x 3
Ejercicio 1
Veamos que f 2 f_{2} f 2 no es uniformemente continua
Supongamos que si lo es.
Dado E > 0 , \mathcal{E}>0, E > 0 , quiero buscar un δ > 0 \delta>0 δ > 0 tal que d ( x , y ) < δ ⟹ d ( e x , e y ) < E d(x,y)<\delta\implies d(e^{x},e^{y})<\mathcal{E} d ( x , y ) < δ ⟹ d ( e x , e y ) < E
∣ x − y ∣ < δ ⟹ ∣ e x − e y ∣ < E e x ⋅ ∣ 1 − e y − x ∣ < E ∣ 1 − e y − x ∣ < E e x \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} ∣ x − y ∣ < δ ⟹ ∣ e x − e y ∣ < E e x ⋅ ∣1 − e y − x ∣ < E ∣1 − e y − x ∣ < e x E
⟹ − E e x < 1 − e y − x < E e x ln ( − E e x − 1 ) > y − x > ln ( E e x − 1 ) \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} ⟹ − e x E < 1 − e y − x < e x E ln ( − e x E − 1 ) > y − x > ln ( e x E − 1 )
Si (notar que δ \delta δ depende de x x x )
δ = m a x { ∣ ln ( − E e x − 1 ) ∣ , ∣ ln ( E e x + 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\} δ = ma x { ln ( − e x E − 1 ) , ln ( e x E + 1 ) }
entonces si ∣ x − y ∣ < δ |x-y|<\delta ∣ x − y ∣ < δ obtengo ∣ e x − e y ∣ < E |e^{x}-e^{y}|<\mathcal{E} ∣ e x − e y ∣ < E
Considero las sucesiones
x n = n y n = n + 1 n \begin{array}{c}
x_{n}= n \\
y_{n}=n+ \frac{1}{n}
\end{array} x n = n y n = n + n 1
Están a distancia 1 n \frac{1}{n} n 1 , a la larga d ( x n , y n ) → 0 ⟹ d ( x n , y n < δ ) d(x_{n},y_{n})\to0\implies d(x_{n},y_{n}<\delta) d ( x n , y n ) → 0 ⟹ d ( x n , y n < δ )
∣ e n + 1 n − e n ∣ = e n ⋅ ∣ e 1 n − 1 ∣ ≥ e n ⋅ ∣ e 1 2 − 1 ∣ s i n ≥ 2 ≥ e ⋅ ∣ e 1 2 − 1 ∣ s i n ≥ 2 \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} ∣ e n + n 1 − e n ∣ = e n ⋅ ∣ e n 1 − 1 ∣ ≥ e n ⋅ ∣ e 2 1 − 1 ∣ s i n ≥ 2 ≥ e ⋅ ∣ e 2 1 − 1∣ s i n ≥ 2
Sea E = e ∣ e 1 2 − 1 ∣ \mathcal{E}=e|e^{\frac{1}{2}}-1| E = e ∣ e 2 1 − 1∣ , si f ( x ) = e x f(x)=e^{x} f ( x ) = e x fuese uniformemente continua entonces existiría δ > 0 \delta>0 δ > 0 tal que si ∣ x − y ∣ < δ ⟹ ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ < E |x-y|<\delta\implies |f(x)-f(y)|<\mathcal{E} ∣ x − y ∣ < δ ⟹ ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ < E
Sea n 0 ∈ N n_{0}\in \mathbb{N} n 0 ∈ N tal que 1 n < δ \frac{1}{n}<\delta n 1 < δ ∀ n ≥ n 0 \forall n\geq n_{0} ∀ n ≥ n 0 , entonces los x n x_{n} x n e y n y_{n} y n de arriba cumplen
∣ x n − y n ∣ = 1 n < δ |x_{n}-y_{n}|= \frac{1}{n}<\delta ∣ x n − y n ∣ = n 1 < δ
pero
∣ f ( x n ) − f ( y n ) ∣ ≥ E |f(x_{n})-f(y_{n})|\geq \mathcal{E} ∣ f ( x n ) − f ( y n ) ∣ ≥ E
Lo cual es un absurdo que proviene de suponer que f f f era uniformemente continua.
∴ f no es unif. cont. \therefore\: f\text{ no es unif. cont.} ∴ f 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. :} } Prop. :
f ( E 1 , d 1 ) → ( E 2 , d 2 ) es unif. cont. ⟺ ∀ ( x n ) n , ( y n ) n ⊆ E 1 : d 1 ( x n , y n ) → 0 vale que: d 2 ( f ( x n ) , f ( y n ) ) → 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} f ( E 1 , d 1 ) → ( E 2 , d 2 ) es unif. cont. ⟺ ∀ ( x n ) n , ( y n ) n ⊆ E 1 : d 1 ( x n , y n ) → 0 vale que: d 2 ( f ( x n ) , f ( y n )) → 0
Dem: {\color{Orange} \text{Dem:} } Dem:
Demostrado en la teórica.
Ejercicio 2
f ( x ) = s e n ( x ) f(x)=sen(x) f ( x ) = se n ( x )
∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ = ∣ s e n ( x ) − s e n ( y ) ∣ = ∣ f ′ ( c ) ∣ teorema del valor medio ⋅ ∣ x − y ∣ = ∣ cos ( c ) ∣ ⋅ ∣ x − y ∣ ≤ ∣ x − y ∣ |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| ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ = ∣ se n ( x ) − teorema del valor medio se n ( y ) ∣ = ∣ f ′ ( c ) ∣ ⋅ ∣ x − y ∣ = ∣ cos ( c ) ∣ ⋅ ∣ x − y ∣ ≤ ∣ x − y ∣
Entonces es de tipo Lipschitz ⟹ \implies ⟹ es uniformemente continua.
9
Def. : {\color{Cyan} \text{Def. :} } Def. :
Recordar g : E → E ′ es Lipschitz si ∃ c > 0 tal que: d ′ ( g ( x ) , g ( y ) ) < c ⋅ d ( x , y ) ∀ x , y ∈ E \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} Recordar g : E → E ′ es Lipschitz si ∃ c > 0 tal que: d ′ ( g ( x ) , g ( y )) < c ⋅ d ( x , y ) ∀ x , y ∈ E
Ejercicio 3
f : ( l ∞ ( R ) , d ∞ ) → ( R , ∣ ⋅ ∣ ) ( x n ) n ∈ N ↦ x 1 \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} f : ( l ∞ ( R ) , d ∞ ) → ( R , ∣ ⋅ ∣ ) ( x n ) n ∈ N ↦ x 1
f f f es continua? Es uniformemente continua?
Recordar:
l ∞ ( R ) = { sucesiones acotadas de nros reales } d ∞ ( ( a n ) n , ( b n ) n ) = s u p n ∈ N ∣ a n − b n ∣ \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} l ∞ ( R ) = { sucesiones acotadas de nros reales } d ∞ (( a n ) n , ( b n ) n ) = n ∈ N s u p ∣ a n − b n ∣
Sea ( x n ) n ∈ N ∈ l ∞ ( R ) ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in \mathscr{l}^{\infty}(\mathbb{R}) ( x n ) n ∈ N ∈ l ∞ ( R )
Veamos que f f f es continua en ( x n ) n (x_{n})_{n} ( x n ) n
Dados E > 0 , ( y n ) n ∈ l ∞ ( R ) . \mathcal{E}>0,(y_{n})_{n}\in \mathscr{l}^{\infty}(\mathbb{R}). E > 0 , ( y n ) n ∈ l ∞ ( R ) . Queremos acotar:
∣ f ( ( x n ) ) − f ( ( y n ) ) ∣ = ∣ x 1 − y 1 ∣ < E |f((x_{n}))-f((y_{n}))|=|x_{1}-y_{1}|< \mathcal{E} ∣ f (( x n )) − f (( y n )) ∣ = ∣ x 1 − y 1 ∣ < E
Sabiendo que d ∞ ( ( x n ) , ( y n ) ) < δ d_{\infty}((x_{n}),(y_{n}))<\delta d ∞ (( x n ) , ( y n )) < δ .
Como d ∞ ( ( x n ) , ( y n ) ) d_{\infty}((x_{n}),(y_{n})) d ∞ (( x n ) , ( y n )) es el supremo de un conjunto al que pertenece ∣ x 1 − y 1 ∣ |x_{1}-y_{1}| ∣ x 1 − y 1 ∣ , entonces vale
∣ x 1 − y 1 ∣ ≤ d ∞ ( ( x n ) n , ( y n ) n ) < δ |x_{1}-y_{1}|\leq d_{\infty}((x_{n})_{n},(y_{n})_{n}) <\delta ∣ x 1 − y 1 ∣ ≤ d ∞ (( x n ) n , ( y n ) n ) < δ
Por lo tanto f f f es uniformemente continua, particularmente también es continua.
Ejercicio 4
F : ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) → ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) g ↦ g \begin{array}{c}
F:(C[0,1],d_{\infty})\to (C[0,1],d_{1}) \\
g\mapsto g
\end{array} F : ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) → ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) g ↦ g
Notar que F = i d C [ 0 , 1 ] F=id_{C[0,1]} F = i d C [ 0 , 1 ]
Recordar:
d ∞ ( f , g ) = s u p x ∈ [ 0 , 1 ] ∣ f ( x ) − g ( X ) ∣ d_{\infty}(f,g) =\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:\left| f(x)-g(X) \right| d ∞ ( f , g ) = x ∈ [ 0 , 1 ] s u p ∣ f ( x ) − g ( X ) ∣
d 1 ( f , g ) = ∫ 0 1 ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ d x d_{1}(f,g)=\int _{0}^{1} |f(x)-g(x)| \, dx d 1 ( f , g ) = ∫ 0 1 ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ d x
d 1 ( F ( g 1 ) , F ( g 2 ) ) = d 1 ( g 1 , g 2 ) = ∫ 0 1 ∣ g 1 ( x ) − g 2 ( x ) ∣ d ≤ ∫ 0 1 d ∞ ( g 1 , g 2 ) d x = 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 1 ( F ( g 1 ) , F ( g 2 )) = d 1 ( g 1 , g 2 ) = ∫ 0 1 ∣ g 1 ( x ) − g 2 ( x ) ∣ d ≤ ∫ 0 1 d ∞ ( g 1 , g 2 ) d x =
= d ∞ ( g 1 , g 2 ) ⋅ ∫ 0 1 1 d x = d ∞ ( g 1 , g 2 ) =d_{\infty}(g_{1},g_{2}) \cdot \int _{0}^{1} 1 \, dx =d_{\infty}(g_{1},g_{2}) = d ∞ ( g 1 , g 2 ) ⋅ ∫ 0 1 1 d x = d ∞ ( g 1 , g 2 )
Entonces F F F es Lipschitz con C = 1 C=1 C = 1 ⟹ F \implies F ⟹ 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 ] , d 1 ) → ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) f ↦ f \begin{array}{c}
G:(C[0,1],d_{1})\to (C[0,1],d_{\infty}) \\
\quad f\mapsto f
\end{array} G : ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) → ( C [ 0 , 1 ] , d ∞ ) f ↦ f
Vamos a dar una sucesión de funciones ( f n ) n ∈ N ∈ C [ 0 , 1 ] ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in C[0,1] ( f n ) n ∈ N ∈ C [ 0 , 1 ] tal que f n ⟶ d 1 0 f_{n}\underset{ d_{1} }{ \longrightarrow } 0 f n d 1 ⟶ 0 pero G ( f n ) = f n ⟶̸ d ∞ G ( 0 ) = 0 G(f_{n})=f_{n}\underset{ d_{\infty} }{ \not\longrightarrow }G(0)=0 G ( f n ) = f n d ∞ ⟶ G ( 0 ) = 0
Si hacemos eso sale que G G G no es continua.
Sea f n : [ 0 , 1 ] → R f_{n}:[0,1]\to \mathbb{R} f n : [ 0 , 1 ] → R la función continua que está graficada en el dibujo:
Es decir, f n ( x ) = 0 f_{n}(x)=0 f n ( x ) = 0 si x ≤ 1 − 1 n x\leq1- \frac{1}{n} x ≤ 1 − n 1 .
f n ( x ) f_{n}(x) f n ( x ) es un tramo lineal que une ( 1 − 1 n , 0 ) \left( 1 - \frac{1}{n},0 \right) ( 1 − n 1 , 0 ) con ( 1 , 1 ) (1,1) ( 1 , 1 ) para x = 1 − 1 n x= 1 - \frac{1}{n} x = 1 − n 1
Ejercicio 6
Probar si la función h h h es continua o uniformemente continua.
h : l ∞ ( R ) → l ∞ ( R ) ( x n ) n ∈ N ↦ ( x n n ) n ∈ N \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} h : l ∞ ( R ) → l ∞ ( R ) ( x n ) n ∈ N ↦ ( n x n ) n ∈ N
Citas y Comentarios
Esta clase falté, pedí los apuntes para copiar.