Avanzado 2025 - Práctica 15 - Compacidad II

Tema: Compacidad II

Thu-22-05-2025 20:30 profe: Dario Martin Aza status: tags: Compacidad


Ejercicio 1

(xn)nN(E,d)( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq(E,d) tal que xnx.x_{n}\longrightarrow x. Entonces {xn}nN{x}=KE\{ x_{n} \}_{n \in \mathbb{N}}\cup \{ x \}=K\subseteq E es un compacto

Dem:Dem: Sea {Ui}iI\{ U_{i} \}_{i \in I} un cubrimiento por abiertos de K.K. Quiero extraer un subcubrimiento finito. Sea i~I:xUi~\tilde{i}\in I:x \in U_{\tilde{i}} . Entonces, como Ui~U_{\tilde{i}} es un abierto r>0B(x,r)Ui~\:\exists\:r>0\bigm|B(x,r)\subseteq U_{\tilde{i}} y n0N\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N} tal que si nn0n\geq n_{0}

d(xn,x)<r    xnB(x,r)Ui~nn0d(x_{n},x)<r\implies x_{n}\in B(x,r)\subseteq U_{\tilde{i}}\quad \forall n\geq n_{0}

Sean i1,i2,i3,,in01i_{1},i_{2},i_{3},\dots,i_{n_{0}-1} tales que xjUijx_{j}\in U_{i_{j}} para cada j{1,2,,n01}j \in \{ 1,2,\dots,n_{0}-1 \}

    Ui1,Ui2,,Uin01,Ui~ es un subcubrimiento de K\implies U_{i_{1}},U_{i_{2}},\dots,U_{i_{n_{0}-1}},U_{\tilde{i}}\text{ es un subcubrimiento de }K

Por lo tanto, KK es compacto.

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Ejercicio 2

Sea f:(E,d)(E,d)f:(E,d)\to(E',d') continua tal que f1(K)f ^{-1}(K) es compacto para todo KEK\subseteq E' compacto. Entonces ff es una función cerrada. i.e. : f(F)f(F) es cerrado FE\forall F\subseteq E cerrado.

Dem:Dem: Sea FEF\subseteq E cerrado, quiero ver que f(F)f(F) es cerrado. Sea (xn)nNf(F)( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq f(F) una sucesión tal que xnx,x_{n}\longrightarrow x, quiero ver que xf(F)x \in f(F) Como (xn)nNf(F)    ynFf(yn)=xn.( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq f(F)\implies \:\exists\:y_{n}\in F\bigm|f(y_{n})=x_{n}.

La sucesión (yn)nN(y_{n})_{n \in \mathbb{N}} no necesariamente es convergente. Aprovecho la compacidad para tomar una subsucesión.

Sea KEK\subseteq E' dado por K={xn}nN{x}K=\{ x_{n} \}_{n \in \mathbb{N}}\cup \{ x \} , que ya vimos que es compacto. Entonces f1(K)f ^{-1}(K) es compacto. Observar que {yn}nNf1(K)\{ y_{n} \}_{n \in \mathbb{N}}\subseteq f ^{-1}(K) compacto porque f(yn)=xnK.f(y_{n})=x_{n} \in K.

Como {yn}\{ y_{n} \} es una sucesión en mi compacto ynk\:\exists\:y_{n_{k}} converge ynky\bigm|y_{n_{k}}\longrightarrow y Como ynkFkNy_{n_{k}}\in F\quad\forall k \in \mathbb{N} entonces yFy \in F porque FF es cerrado. Como ff es continua, f(ynk)=xnkf(y)f(y_{n_{k}})=x_{n_{k}}\longrightarrow f(y)
Como (xnk)(x_{n_{k}}) es una subsucesión de (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} que converge a x,x, por unicidad del límite, f(y)=xf(F)f(y)=x \in f(F)


Ejercicio 3

f:XXf:X\to X continua y (X,d)(X,d) es un espacio métrico compacto tal que ff cumple:

d(f(x),f(y))d(x,y)x,yXEntonces f es un homeomorfismo\begin{array}{c} d(f(x),f(y))\geq d(x,y)\quad \forall x,y \in X \\ \text{Entonces $f$ es un homeomorfismo} \end{array}

Dem:Dem: Hay que ver que es es biyectiva, y que su inversa es continua. Sean x,yX,x,y \in X, si f(x)=f(y)    d(f(x),f(y))=0    d(x,y)=0    x=yf(x)=f(y)\implies d(f(x),f(y))=0\implies d(x,y)=0\implies x=y Entonces ff es inyectiva.

Veamos que es sobreyectiva. Supongamos que no. Sea x∉f(X)=Im(f)x \not\in f(X)=\mathrm{Im}(f)

Consideramos la sucesión (f(n)(x))nN(f^{(n)}(x))_{n \in \mathbb{N}} Donde

f(n)(x)=fffnvecesf^{(n)} (x)=\underbrace{ f \circ f\circ \dots \circ f }_{ n\:veces }

Afirmo que (f(n)(x))nN(f^{(n)}(x))_{n \in \mathbb{N}} no admite subsucesiones convergentes, lo cual sería un absurdo porque es compacto. Sea n>mn>m

d(f(n)(x)f(m)(x))d(f(n1)(x),f(m1))d(fnm(x),x)d(f^{(n)} (x)-f^{(m)} (x))\geq d(f^{(n-1)} (x),f^{(m-1)} )\geq \dots\geq d(f^{n-m} (x),x)

Sea E=d(x,f(x))>0\mathcal{E}=d(x,f(x))>0

d(x,f(x))=infyf(X)d(x,y)d(x,f(x))=\underset{ y \in f(X) }{ inf }\:d(x,y)

Como f(x)f(x) es compacto la función

d(x,):f(x)Ryd(x,y)\begin{array}{c} d(x,-):f(x)\longrightarrow \mathbb{R} \\ \quad y \mapsto d(x,y) \end{array}

Alcanza un mínimo y luego d(x,f(x))>0d(x,f(x))>0 Entonces (f(x))(f(x)) no tiene subsucesiones convergentes. Absurdo    f\implies f sobreyectiva.

Por último, la función inversa

f1:XXf ^{-1}:X\to X

también resulta continua.

Sea FXF\subseteq X un cerrado, quiero ver que

(f1)1(F) es un cerrado(f ^{-1}) ^{-1}(F)\text{ es un cerrado} (f1)1(F)=f(F)(f ^{-1})^{-1}(F)=f(F)

Como XX es compacto entonces FF es compacto.     f(F)\implies f(F) es compacto     f(F)\implies f(F) es cerrado.


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