Avanzado 2025 - Práctica 8 - Espacios métricos III

Tema: Espacios métricos III

Thu-24-04-2025 20:45 profe: Dario Martin Aza status: tags: Espacios métricos


Ejercicio 1

Sea

d(x,y)=min{d2(x,y),1}d(x,y)=min\{ d_{2}(x,y),1 \}

Para x,yR2x,y \in \mathbb{R}^{2}. Probar que (R2,d)(R^{2},d) es un espacio métrico y que (R2,d)(R2,d2)(\mathbb{R}^{2},d)\sim(\mathbb{R}^{2},d_{2})

Dem:Dem:

  • d(x,y)=d(y,x)d(x,y)=d(y,x) porque d2d_{2} es simétrica.
  • d(x,y)0,d(x,y)\geq0, porque d2(x,y)0d_{2}(x,y)\geq0
d(x,y)=0    min{d2(x,y),1}=0    d2(x,y)=0    x=yd(x,y)=0\iff min\{ d_{2}(x,y),1 \}=0\iff d_{2}(x,y)=0\iff x=y
  • Supongamos que x,y,zR2x,y,z \in \mathbb{R}^{2} y que d(x,z)=1d(x,z)=1
1=d(x,z)d2(x,z)d2(x,y)+d2(y,z)1=d(x,z)\leq d_{2}(x,z)\leq d_{2}(x,y)+d_{2}(y,z)

en general:

d(x,y)+d(y,z){d2(x,y)+d2(y,z)(1)d2(x,y)+1(2)1+d2(y,z)(3)1+1(4)d(x,y)+d(y,z)\leq \begin{cases} d_{2}(x,y)+d_{2}(y,z) & (1) \\ d_{2}(x,y)+1 & (2) \\ 1+d_{2}(y,z) & (3) \\ 1+1 & (4) \end{cases}

Hay 4 posibilidades para d(x,y)+d(y,z)d(x,y)+d(y,z) que son 1,2,3 y 4 según que pase en cada uno de los mínimos. Es claro que 2,3 y 4 1\geq 1 pues son 1 + algo positivo y hemos probado que (1) d(x,z)\geq d(x,z) arriba.

    d(x,z)d(x,y)+d(y,z)\implies d(x,z)\leq d(x,y)+d(y,z) en cualquier caso. El otro caso es d(x,z)=d2(x,z)1d(x,z)=d_{2}(x,z)\leq 1 En este caso

d(x,z)=d2(x,z)d2(x,y)+d2(y,z)d(x,z)=d_{2}(x,z)\leq d_{2}(x,y)+d_{2}(y,z)

y procedemos igual que en el otro argumento. Entonces (R2,d)(\mathbb{R}^{2},d) es un espacio métrico.

Sea xR2x \in \mathbb{R}^{2} y sea r>0r>0. Buscamos r,r>0r',r''>0 tales que

Bd(x,r)Bd2(x,r)yBd2(x,r)Bd(x,r)B_{d}(x,r')\subseteq B_{d_{2}}(x,r)\:y\:B_{d_{2}}(x,r'')\subseteq B_{d}(x,r)

Si tomo r=rr=r'' tengo que Bd2(x,r)Bd(x,r)r>0B_{d_{2}}(x,r)\subseteq B_{d}(x,r)\quad\forall r>0 Sea r=min{r,12}r'=min\left\{ r, \frac{1}{2} \right\} Entonces como r<1r'<1 y rrr'\leq r tenemos que

Bd(x,r)=Bd2(x,r)Bd(x,r)B_{d}(x,r')=B_{d_{2}}(x,r')\subseteq B_{d}(x,r)

y listo.


Ejercicio 2

Sea SRn.S \subseteq \mathbb{R}^{n}. Probar que Sais={pS aislado}S_{ais}=\{ p \in S\text{ aislado} \} es a lo sumo numerable.

Recordar pSp \in S se dice aislado si r>0\:\exists\:r>0 tal que B(p,r)S={p}B(p,r)\cap S=\{ p \}

Nuestra idea es construir bolas alrededor de cada punto aislado disjuntas.

draw-avanzado-metricos3-1

Si B(s,rs)B(s,r_{s}) es una familia de bolas de este tipo, podemos elegir (q1,,qn)B(s,rs)(q_{1},\dots,q_{n})\in B(s,r_{s}) para cada sSaiss \in S_{ais} y definir:

f:SaisQns(q1,,qn)B(s,rs)\begin{array}{c} f:S_{ais}\to \mathbb{Q}^{n} \\ s\mapsto (q_{1},\dots,q_{n})\in B(s,r_{s}) \end{array}

Esta función es inyectiva porque B(s,rs)B(s,rs)=B(s,r_{s})\cap B(s',r_{s'})=\emptyset y entonces

#Sais#(Qn)=#N\#S_{ais}\leq \#(\mathbb{Q}^{n} )=\#\mathbb{N}

Como cada punto sSaiss \in S_{ais} es aislado existe un r~s\tilde{r}_{s} tal que B(s,r~s)S={s}B(s,\tilde{r}_{s})\cap S=\{ s \}
Tomamos

rs=r~s12(1)r_{s}=\tilde{r}_{s}\cdot \frac{1}{2}\tag{1}

Afirmo que

B(s,rs)B(s,rs)=B(s,r_{s})\cap B(s',r_{s'})=\emptyset

Supongamos que no, xB(s,rs)B(s,rs)\:\exists\:x \in B(s,r_{s})\cap B(s',r_{s'})

    d(x,s)<rsyd(x,s)<rs    d(s,s)d(s,x)+d(x,s)<rs+rs<(1)2rs=r~s(sirs<rs)    sB(s,r~s)S={s}( pues s punto aislado)\begin{array}{c} \implies d(x,s)<r_{s}\quad y\quad d(x,s')<r_{s'} \\ \implies d(s,s')\leq d(s,x)+d(x,s')<r_{s}+r_{s'}\underset{ (1) }{ < }2\cdot r_{s'}=\tilde{r}_{s}\quad (si\:r_{s}<r_{s'}) \\ \implies s \in B(s',\tilde{r}_{s})\cap S=\{ s' \}\quad \quad \text{( pues $s'$ punto aislado)} \end{array}

absurdo. Luego las bolas son disjuntas.

\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 3

Sea SRnS\subseteq \mathbb{R}^{n} un subconjunto. Decimos que xRnx \in \mathbb{R}^{n} es un punto de condensación de SS si toda bola Br(x)B_{r}(x) cumple que Br(x)SB_{r}(x)\cap S es no numerable. Probar que si SS es no numerable existe xRnx \in \mathbb{R}^{n} un punto de condensación para S.S.


Demostración

  1. Cubrición inicial.
    Sea Q0RnQ_0\subseteq\mathbb{R}^n un cubo (o rectángulo) que contenga a SS. Como SS es no numerable, necesariamente SQ0S\cap Q_0 es no numerable.

  2. Construcción de una sucesión de subcubos.
    Dividimos Q0Q_0 en 2n2^n subcubos congruentes de lado la mitad del original. Como la unión de estos subcubos es Q0Q_0 y SQ0S\cap Q_0 es no numerable, por el principio del palomar hay al menos uno de esos subcubos, digamos Q1Q_1, tal que

SQ1es no numerable.S\cap Q_1 \quad\text{es no numerable}.

Repetimos este proceso inductivamente: habiendo elegido QkQ_k con SQkS\cap Q_k no numerable, lo dividimos en 2n2^n subcubos de lado la mitad, y seleccionamos uno, Qk+1Q_{k+1}, donde SQk+1S\cap Q_{k+1} sigue siendo no numerable.

  1. Diámetro de los cubos.
    Por construcción, el lado de QkQ_k es 12k\tfrac{1}{2^k} veces el lado de Q0Q_0. Luego
diam(Qk)=diam(Q0)2k  k  0.\operatorname{diam}(Q_k) = \frac{\operatorname{diam}(Q_0)}{2^k} \;\xrightarrow[k\to\infty]{}\; 0.
  1. Punto límite común.
    Los cubos están anidados:
Q0Q1Q2Q_0 \supset Q_1 \supset Q_2 \supset \cdots

y sus diámetros tienden a cero. Por el Lema de la Intersección Cantoriana (o por la propiedad de completitud de Rn\mathbb{R}^n), existe un único punto

x=k=0Qk.x = \bigcap_{k=0}^\infty Q_k.
  1. xx es punto de condensación.
    Sea r>0r>0. Como diam(Qk)0\operatorname{diam}(Q_k)\to0, existe KK tal que diam(QK)<r\operatorname{diam}(Q_K)<r. Entonces
QKBr(x),Q_K \subset B_r(x),

y por construcción SQKS\cap Q_K es no numerable. De ello se sigue que

SBr(x)    SQKS\cap B_r(x)\;\supseteq\;S\cap Q_K

es no numerable. Puesto que r>0r>0 fue arbitrario, cualquier bola centrada en xx interseca a SS en un conjunto no numerable. Así, xx es un punto de condensación de SS.

(\boxed{})


Ejercicio 4

Sea

C0(R)={(an)nNRan0}l(R)C_{0}(\mathbb{R})=\{ ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} \bigm| a_{n}\longrightarrow 0\}\subseteq \mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R})

Consideramos (C0(R),d)(C_{0}(\mathbb{R}),d_{\infty}) con

d((an)nN,(bn)nN)=sup{anbn}d_{\infty}(( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}},( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}) =\underset{ }{ \sup }\:\{ |a_{n}-b_{n}| \}
  1. Probar que (C0(R),d)(C_{0}(\mathbb{R}),d_{\infty}) es un espacio métrico.
  2. Sea AC0(R)A\subseteq C_{0}(\mathbb{R}) con
A={(an)nNC0(R)iN:ai=1}A=\{ ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in C_{0}(\mathbb{R})\bigm| \:\exists\:i\in \mathbb{N}:a_{i}=1 \}

Calcular A° y A\overline{A} en C0(R)C_{0}(\mathbb{R})

Sea (an)nNA( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in A (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} estará en A°?A°?

Sea E>0\mathcal{E}>0 y sea (a~n)nN( \tilde{a}_{n} )_{n \in \mathbb{N}} dada por

a~n={anan11E2an=1\tilde{a}_{n}=\begin{cases} a_{n} & a_{n}\neq 1 \\ 1- \frac{\mathcal{E}}{2} & a_{n}=1 \end{cases}

Entonces

d((an)nN,(a~n)nN)=sup{ana~n:nN}=sup{0,E2}=E2d_{\infty}(( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}},( \tilde{a}_{n} )_{n \in \mathbb{N}}) =\sup\{ |a_{n}-\tilde{a}_{n}|:n\in \mathbb{N} \}=\sup\left\{ 0,\frac{\mathcal{E}}{2} \right\}=\frac{\mathcal{E}}{2}

Por lo que

(a~n)nNB((an)nN,E)( \tilde{a}_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in B(( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}},\mathcal{E})

y al mismo tiempo (a~n)nN∉A( \tilde{a}_{n} )_{n \in \mathbb{N}} \not\in A Es decir, hemos tomado un elemento cualquiera (an)nNA( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in A y vimos que no es un punto interior.

    A°=\implies A°=\emptyset

Por otro lado sea (bn)nN∉A( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\not\in A estará (bn)nNA( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in \overline{A} ?

Supongamos que (ank)nN( a ^{k}_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es una sucesión en AA con

(ank)k(bn)(a_{n}^{k} )\underset{ k\to \infty }{ \longrightarrow }(b_{n})

Esto es, para cada kNk \in \mathbb{N} (ank)nN(a_{n}^{k})_{n \in \mathbb{N}} es una sucesión que tiende a 0 y (ank)nN(a_{n}^{k})_{n\in \mathbb{N}} tiene algún 1. Además,

d((ank)nN,(bn)nN)k0d_{\infty}((a_{n}^{k} )_{n\in \mathbb{N}},( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}) \underset{ k \to \infty }{ \longrightarrow } 0

por lo que

sup{ankbn:nN}k0\sup\{ \left| a_{n}^{k} -b_{n} :n\in \mathbb{N}\right| \}\underset{ k \to \infty }{ \longrightarrow } 0

y luego

ankbn0nN\left| a_{n}^{k} -b_{n} \right| \longrightarrow 0\quad \forall n\in \mathbb{N}

Así

ankkbnnNa_{n}^{k} \underset{ k\to \infty }{ \longrightarrow } b_{n}\quad\forall n\in \mathbb{N}

Como (bn)nN( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es una sucesión de nuestro espacio ambiente C0(R)C_{0}(\mathbb{R}) sabemos que bn0b_{n}\longrightarrow 0. En particular n0N\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N} tal que

bn<12nn0|b_{n}|< \frac{1}{2}\quad\forall n\geq n_{0}

Como (bn)nN∉A,( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\not\in A, no tiene ningún 1. Sea

E~=min{b11;b21;;bn011}\tilde{\mathcal{E}}=min\{ |b_{1}-1|;|b_{2}-1|;\dots;|b_{n_{0}-1}-1| \}

Sea E=min{E~,12}\mathcal{E}=min\left\{ \tilde{\mathcal{E}},\frac{1}{2} \right\} Tenemos que k0N\:\exists\:k_{0}\in \mathbb{N} tal que

d((ank)nN,(bn)nN)<Ekk0d_{\infty}((a_{n}^{k} )_{n\in \mathbb{N}},( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}) <\mathcal{E}\quad\forall k\geq k_{0}

y luego

sup{ankbn:nN}<Ekk0\sup\{ \left| a_{n}^{k} -b_{n} \right| :n\in \mathbb{N} \}<\mathcal{E}\quad\forall k\geq k_{0}

Pero entonces ankbn<EnN|a_{n}^{k}-b_{n}|<\mathcal{E}\quad\forall n\in \mathbb{N} si kk0k\geq k_{0}

Si nn0:n\geq n_{0}: entonces

ankbn<E12    ank1|a_{n}^{k}-b_{n}|<\mathcal{E}\leq \frac{1}{2}\implies a_{n}^{k} \neq 1

pues bi<12b_{i}<\frac{1}{2}

Si n<n0:n<n_{0}:

ankbn<EE~    ank1|a_{n}^{k}-b_{n}|<\mathcal{E}\leq \tilde{\mathcal{E}}\implies a_{n}^{k} \neq 1

pues bn1E~|b_{n}-1| \geq\tilde{\mathcal{E}}

Luego si kk0k\geq k_{0} tenemos que ank1a_{n}^{k}\neq1 para todo nNn\in \mathbb{N} y (ank)nN∉A,( a^{k}_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\not\in A, lo cual es absurdo.

Entonces (bn)nN∉A( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\not\in \overline{A} y A=A\overline{A}=A. Así, AA es cerrado.


Ejercicio 4

Ejercicio 4 – Parte 2: Cálculo de AA^\circ y A\overline{A} en C0(R)C_0(\mathbb{R})

Espacio ambiente:

(C0(R),d),d((an),(bn))=supnNanbn.(C_0(\mathbb{R}), d_\infty), \quad d_\infty((a_n),(b_n)) = \sup_{n\in\mathbb{N}} |a_n - b_n|.

Conjunto en cuestión:

A={(an)C0(R):iN tal que ai=1}.A = \{\, (a_n)\in C_0(\mathbb{R}) : \exists i\in\mathbb{N} \text{ tal que } a_i = 1 \}.
  1. Interior AA^\circ: mostrar que ningún punto de AA tiene bola abierta entera en AA.
  2. Clausura A\overline{A}: demostrar que todo punto fuera de AA no puede aproximarse arbitrariamente por elementos de AA.

1. Cálculo de AA^\circ

  • Paso clave: Dado un elemento arbitrario (an)A(a_n) \in A y un radio ε>0\varepsilon > 0, construiremos (a~n)C0(R)(\tilde a_n) \in C_0(\mathbb{R}) tal que
d((an),(a~n))=ε2,d_\infty((a_n),(\tilde a_n)) = \frac{\varepsilon}{2},

pero (a~n)A(\tilde a_n) \notin A.

  • Como (an)A(a_n) \in A, existe un índice fijo ii con ai=1a_i = 1. Definimos:
a~n={1ε2,n=i,an,ni.\tilde a_n = \begin{cases} 1 - \frac{\varepsilon}{2}, & n = i,\\ a_n, & n \neq i. \end{cases}
  • Entonces:
d((an),(a~n))=supnana~n=ε2<ε,d_\infty((a_n),(\tilde a_n)) = \sup_n |a_n - \tilde a_n| = \frac{\varepsilon}{2} < \varepsilon,

y claramente a~i=1ε21\tilde a_i = 1 - \frac{\varepsilon}{2} \neq 1, por lo que (a~n)A(\tilde a_n) \notin A.

  • Conclusión: Toda bola B((an),ε)B((a_n), \varepsilon) contiene puntos fuera de AA. Luego A=A^\circ = \emptyset.

2. Cálculo de A\overline{A}

  • Paso clave: Sea (bn)A(b_n) \notin A. Tenemos bn0b_n \to 0 y ningún bn=1b_n = 1. Debemos mostrar que existe δ>0\delta > 0 tal que
B((bn),δ)A=,B((b_n), \delta) \cap A = \emptyset,

es decir, (bn)(b_n) no puede ser límite de sucesiones en AA.

  • Como bn0b_n \to 0, existe NN tal que
bn<12nN.|b_n| < \tfrac{1}{2} \quad \forall n \ge N.
  • Además, para los índices 1,2,,N11,2,\dots,N-1 definimos
δ~=min1k<Nbk1>0,\tilde\delta = \min_{1 \le k < N} |b_k - 1| > 0,

y tomamos

δ=min(δ~,12)>0.\delta = \min(\tilde\delta, \tfrac{1}{2}) > 0.
  • Si (an)B((bn),δ)(a_n) \in B((b_n), \delta), entonces
anbn<δn.|a_n - b_n| < \delta \quad \forall n.
  • Para nNn \ge N: como bn<12|b_n| < \tfrac{1}{2} y anbn<δ12|a_n - b_n| < \delta \le \tfrac{1}{2}, se cumple
anbn+anbn<1an1.|a_n| \le |b_n| + |a_n - b_n| < 1 \quad \Rightarrow \quad a_n \neq 1.
  • Para 1n<N1 \le n < N: anbn<δδ~|a_n - b_n| < \delta \le \tilde\delta implica
an1bn1anbnδ~δ~=0,|a_n - 1| \ge |b_n - 1| - |a_n - b_n| \ge \tilde\delta - \tilde\delta = 0,
por lo tanto $a_n \neq 1$.
  • Conclusión: Ningún (an)B((bn),δ)(a_n) \in B((b_n), \delta) pertenece a AA, luego
B((bn),δ)A=,B((b_n), \delta) \cap A = \emptyset,

y por definición (bn)A(b_n) \notin \overline{A}.

  • Como (bn)(b_n) era un punto arbitrario fuera de AA, concluimos
A=A.\overline{A} = A. \boxed{}

Citas y Comentarios

Había mas ejercicios por ver, pero no alcanzamos con el tiempo, están muy buenos: link

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