Avanzado 2C2025 P10 -

Thu-09-10-2025 16:05 profe: Pablo Turco - Cecilia De Vita | Leonard Ehrhorn - Tomer Damián Cohen Mizrahi - Iván Moyano Tassara
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Ejercicio 1

Sean (X,d)(X,d) y (Y,d)(Y,d') espacios métricos. Consideramos el espacio X×Y={(x,y):xX,yY}X\times Y=\{ (x,y):x \in X,y \in Y \} con la métrica d~((x1,y1),(x2,y2))=max{d(x1,x2),d(y1,y2)}\tilde{d}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))=max \{ d(x_{1},x_{2}),d'(y_{1},y_{2}) \}

a) Probar que las proyecciones Π1:X×YX(x,y)x\Pi_{1}:X\times Y \to X\bigm|(x,y)\mapsto x y Π2:X×YY(x,y)y\Pi_{2}:X \times Y\to Y\bigm|(x,y)\mapsto y son continuas y abiertos. Mostrar con un ejemplo que pueden no ser cerrados.

b)Sea (z,d)(z,d'') un espacio métrico y sea f:ZX×Yf:Z\to X \times Y una función. Probar que ff es continua si y solo si Π1f\Pi_{1}\circ f y Π2f\Pi_{2}\circ f lo son

a) Veámoslo para Π1\Pi_{1}

  • Π1\Pi_{1} es continua: Sea E>0\mathcal{E}>0, tomo δ=E\delta=\mathcal{E}
d~((x1,y1),(x2,y2))<δ\tilde{d}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))<\delta

Quiero ver que las imágenes son menores que epsilon.

d(Π1(x1,y1),Π1(x2,y2))=d(x1,x2)max{d(x1,x2),d(y1,y2)}=d~((x1,y1),(x2,y2))<Ed(\Pi_{1}(x_{1},y_{1}),\:\Pi_{1}(x_{2},y_{2}))=d(x_{1},x_{2})\leq max \{ d(x_{1},x_{2}),d(y_{1},y_{2}) \}= \tilde{d}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))<\mathcal{E}
  • Π1\Pi_{1} es abierta Sea uX×Yu\subseteq X\times Y abierto. Quiero ver que Π1(u)X\Pi_{1}(u)\subseteq X es abierto.

Sea u0Π1(u)u_{0} \in \Pi_{1}(u) quiero ver que existe rr tal que B(u0,r)Π1(u)B(u_{0},r)\subseteq\Pi_{1}(u)
Sabemos que existe y0Yy_{0} \in Y tal que (x0,y0)u(x_{0},y_{0}) \in u y x0=Π1(x0,y0)x_{0}=\Pi_{1}(x_{0},y_{0}) Como uu es abierto por hipótesis:

r~>0Bd~((x0,y0),r~)u(1)\:\exists\:\tilde{r}>0\bigm| B_{\tilde{d}}((x_{0},y_{0}),\tilde{r})\subseteq u\tag{1}

Tomo r=r~r= \tilde{r} Veamos que Bd(x0,r~)Π1(u)B_{d}(x_{0},\tilde{r})\subseteq\Pi_{1}(u) Busco yYy \in Y talque (x,y)u(x,y) \in u y x=Π1(x,y)x=\Pi_{1}(x,y). Se cumple para cualquier yYy \in Y
Propongo y=y0.y=y_{0}. Veamos que (x,y0)u(x,y_{0})\in u por (1) alcanza con ver que (x,y0)Bd~((x0,y0),r~)(x,y_{0}) \in B_{\tilde{d}}((x_{0},y_{0}),\tilde{r})

d~((x,y0),(x0,y0))=max{d(x,x0),d(y0,y0)}=d(x,x0)<r~\tilde{d}((x,y_{0}),(x_{0},y_{0}))=max \{ d(x,x_{0}),d'(y_{0},y_{0}) \}=d(x,x_{0})< \tilde{r}

Π1(u)\Pi_{1}(u) resulta abierto.

b)     )\implies) Como ff es continua, y además por a) Π1\Pi_{1} y Π2\Pi_{2} son continuas, se tiene que Π1f\Pi_{1}\circ f y Π2f\Pi_{2} \circ f son continuas por ser composición de continuas.

    )\impliedby) Sea E>0.\mathcal{E}>0. Tomo δ=min{d1,d2}\delta=min \{ d_{1},d_{2} \}

Supongamos que d(z1,z2)<δ.d''(z_{1},z_{2})<\delta. Quiero ver que d~(f(z1))\tilde{d}(f(z_{1}))


Pasado con Gemini

Ejercicio: Sean (X,d)(X, d), (Y,d)(Y, d') espacios métricos. Consideremos el espacio X×Y={(x,y):xX,yY}X \times Y = \{(x,y): x \in X, y \in Y\} con la métrica definida como:

d2((x1,y1),(x2,y2))=max{d(x1,x2),d(y1,y2)}d_{2}((x_1, y_1), (x_2, y_2)) = \max \{d(x_1, x_2), d'(y_1, y_2)\}

a) Probar que las proyecciones Π1:X×YX\Pi_1: X \times Y \to X y Π2:X×YY\Pi_2: X \times Y \to Y son continuas. 3. Abiertos. Cerrados. No es necesario.

b) Sea (Z,d)(Z, d'') un espacio métrico. Probar que si f:ZX×Yf: Z \to X \times Y es continua, si y solo si Π1f\Pi_1 \circ f y Π2f\Pi_2 \circ f lo son.

Tarea: a) Demostrarlo para Π1\Pi_1. Π1\Pi_1 continua: Sea ϵ>0\epsilon > 0. Tomamos δ=ϵ\delta = \epsilon. Supongamos que d2((x1,y1),(x2,y2))<δd_2((x_1, y_1), (x_2, y_2)) < \delta. d(Π1(x1,y1),Π1(x2,y2))<ϵd(\Pi_1(x_1, y_1), \Pi_1(x_2, y_2)) < \epsilon. (Es Lipschitz de 2 con d1d_1). d(x1,x2)=max{d(x1,x2),d(y1,y2)}d(x_1, x_2) = \max \{d(x_1, x_2), d'(y_1, y_2)\} d2((x1,y1),(x2,y2))<δ\le d_2((x_1, y_1), (x_2, y_2)) < \delta. Así Π1\Pi_1 es continua (y de hecho, es Lipschitz de 1).

  • Π1\Pi_1 abierta: Sea UX×YU \subseteq X \times Y un conjunto abierto. Queremos probar que Π1(U)X\Pi_1(U) \subseteq X es abierto. Sea x0Π1(U)x_0 \in \Pi_1(U). Entonces existe y0Yy_0 \in Y tal que (x0,y0)U(x_0, y_0) \in U. Como (x0,y0)U(x_0, y_0) \in U y UU es abierto, existe r>0r > 0 tal que Bd2((x0,y0),r)UB_{d_2}((x_0, y_0), r) \subseteq U. Veamos que Bd(x0,r)Π1(U)B_d(x_0, r) \subseteq \Pi_1(U). Sea xBd(x0,r)x \in B_d(x_0, r). Queremos que xΠ1(U)x \in \Pi_1(U). Esto significa que existe algún yYy \in Y tal que (x,y)U(x, y) \in U. Propongamos y=y0y = y_0. Veamos que (x,y0)U(x, y_0) \in U. Para esto, es suficiente ver que (x,y0)Bd2((x0,y0),r)(x, y_0) \in B_{d_2}((x_0, y_0), r). d2((x,y0),(x0,y0))=max{d(x,x0),d(y0,y0)}=d(x,x0)<rd_2((x, y_0), (x_0, y_0)) = \max \{d(x, x_0), d'(y_0, y_0)\} = d(x, x_0) < r. Luego Bd(x0,r)Π1(U)B_d(x_0, r) \subseteq \Pi_1(U) y por lo tanto Π1(U)\Pi_1(U) es abierto.

Veamos que Π1\Pi_1 puede no ser cerrada. Consideremos (X,d)=(R2,d2)(X, d) = (\mathbb{R}^2, d_2) y C={(x,y)R2:xy=1}C = \{(x, y) \in \mathbb{R}^2: xy = 1\}. CC es cerrado. Π1(C)=R{0}\Pi_1(C) = \mathbb{R} \setminus \{0\}, que no es cerrado.

b) Π1f\Pi_1 \circ f y Π2f\Pi_2 \circ f son continuas por ser composición de funciones continuas. Sea ϵ>0\epsilon > 0. Tomamos δ=min{δ1,δ2}\delta = \min \{\delta_1, \delta_2\}. Supongamos que d(z1,z2)<δd''(z_1, z_2) < \delta. Queremos d(f(z1),f(z2))<ϵd(f(z_1), f(z_2)) < \epsilon. d(f(z1),f(z2))=max{d(x1,x2),d(y1,y2)}d(f(z_1), f(z_2)) = \max \{d(x_1, x_2), d'(y_1, y_2)\} (si f(z1)=(x1,y1)f(z_1) = (x_1, y_1) y f(z2)=(x2,y2)f(z_2) = (x_2, y_2)). Como Π1f:ZX\Pi_1 \circ f: Z \to X es continua, existe δ1>0\delta_1 > 0 tal que si d(z1,z2)<δ1    d(Π1(f(z1)),Π1(f(z2)))<ϵd''(z_1, z_2) < \delta_1 \implies d(\Pi_1(f(z_1)), \Pi_1(f(z_2))) < \epsilon. Es decir d(x1,x2)<ϵd(x_1, x_2) < \epsilon. Como Π2f:ZY\Pi_2 \circ f: Z \to Y es continua, existe δ2>0\delta_2 > 0 tal que si d(z1,z2)<δ2    d(Π2(f(z1)),Π2(f(z2)))<ϵd''(z_1, z_2) < \delta_2 \implies d'(\Pi_2(f(z_1)), \Pi_2(f(z_2))) < \epsilon. Es decir d(y1,y2)<ϵd'(y_1, y_2) < \epsilon.


Ejercicio 2

Sea φ:(C[0,1],d)(C[0,1],d)\varphi: (C[0,1], d_\infty) \to (C[0,1], d_\infty) la función definida por

φ(f)=f2.\varphi(f) = f^2.

Probar que φ\varphi es continua pero no uniformemente continua.


1. φ\varphi es continua

Sea (fn)nNC[0,1](f_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq C[0,1] tal que fnff_n \to f en (C[0,1],d)(C[0,1], d_\infty).

Queremos probar que φ(fn)φ(f)\varphi(f_n) \to \varphi(f), es decir,

d(φ(fn),φ(f))0.d_\infty(\varphi(f_n), \varphi(f)) \to 0.

Por definición de φ\varphi,

d(φ(fn),φ(f))=d(fn2,f2)=maxx[0,1]fn2(x)f2(x).d_\infty(\varphi(f_n), \varphi(f)) = d_\infty(f_n^2, f^2) = \max_{x \in [0,1]} |f_n^2(x) - f^2(x)|.

Observamos que

fn2(x)f2(x)=fn(x)f(x)fn(x)+f(x).|f_n^2(x) - f^2(x)| = |f_n(x) - f(x)|\,|f_n(x) + f(x)|.

Como (fn)(f_n) converge uniformemente a ff, es una familia acotada.
Existe M>0M > 0 tal que fn(x)M|f_n(x)| \le M y f(x)M|f(x)| \le M para todo nn y todo x[0,1]x \in [0,1].

Entonces,

fn(x)+f(x)fn(x)+f(x)2M,|f_n(x) + f(x)| \le |f_n(x)| + |f(x)| \le 2M,

y por tanto

fn2(x)f2(x)2Mfn(x)f(x).|f_n^2(x) - f^2(x)| \le 2M\,|f_n(x) - f(x)|.

Tomando máximo en xx obtenemos:

d(fn2,f2)2Md(fn,f).d_\infty(f_n^2, f^2) \le 2M\, d_\infty(f_n, f).

Como d(fn,f)0d_\infty(f_n, f) \to 0, se sigue que d(fn2,f2)0d_\infty(f_n^2, f^2) \to 0.
Por lo tanto, φ\varphi es continua.


2. φ\varphi no es uniformemente continua

Probaremos que no existe δ>0\delta > 0 que sirva uniformemente para todo par de funciones.

Sea ε=1\varepsilon = 1. Consideremos las funciones constantes:

fn(x)=n,gn(x)=n+1n,x[0,1].f_n(x) = n, \qquad g_n(x) = n + \frac{1}{n}, \quad \forall x \in [0,1].

Ambas pertenecen a C[0,1]C[0,1]. Calculamos:

d(fn,gn)=maxx[0,1]fn(x)gn(x)=1nn0.d_\infty(f_n, g_n) = \max_{x \in [0,1]} |f_n(x) - g_n(x)| = \frac{1}{n} \xrightarrow[n\to\infty]{} 0.

Sin embargo,

d(φ(fn),φ(gn))=maxx[0,1]fn2(x)gn2(x)=n2(n+1n)2=n2(n2+2+1n2)=2+1n2.d_\infty(\varphi(f_n), \varphi(g_n)) = \max_{x \in [0,1]} |f_n^2(x) - g_n^2(x)| = |n^2 - (n + \tfrac{1}{n})^2| = |n^2 - (n^2 + 2 + \tfrac{1}{n^2})| = 2 + \tfrac{1}{n^2}.

Como 2+1n222 + \tfrac{1}{n^2} \ge 2 para todo nn, tenemos que

d(φ(fn),φ(gn))↛0.d_\infty(\varphi(f_n), \varphi(g_n)) \not\to 0.

Por lo tanto, φ\varphi no es uniformemente continua en (C[0,1],d)(C[0,1], d_\infty).


Conclusión:
La aplicación φ(f)=f2\varphi(f) = f^2 es continua en (C[0,1],d)(C[0,1], d_\infty), pero no es uniformemente continua.


Ejercicio 3

Sea (E,d)(E, d) un e.m. y AEA\subseteq E. Para zAcz \in A^{c} definimos fz:ARf_z: A \to \mathbb{R} como fz(x)=1d(x,z)f_z(x) = \frac{1}{d(x, z)}. Probar que AA es cerrado     fz\iff f_{z} es uniformemente continua zAc\forall z \in A^{c}

Dem:Dem:     )\implies) Sea zAcz \in A^{c} y sea E>0\mathcal{E}>0. Tomo δ=Er2\delta=\mathcal{E}\cdot r^{2}. Supongamos que d(x,y)<δd(x,y)<\delta. Quiero ver que fz(x)fy(z)<E|f_{z}(x)-f_{y}(z)|<\mathcal{E}

fz(x)fy(z)=1d(x,z)1d(y,z)=d(y,z)d(x,z)d(x,z)d(y,z)|f_{z}(x)-f_{y}(z)|=\left| \frac{1}{d(x,z)}-\frac{1}{d(y,z)} \right| =\left| \frac{d(y,z)-d(x,z)}{d(x,z)\cdot d(y,z)} \right| \leq

Por ej 10-a) práctica 3:

d(x,y)d(x,z)d(y,z)\leq \frac{d(x,y)}{d(x,z)\cdot d(y,z)}

Como AA es cerrado     Ac\implies A^{c} es abierto. Luego r>0B(z,r)Ac\:\exists\:r>0\bigm|B(z,r)\subseteq A^{c} Como x,yA    d(x,z)rx,y \in A\implies d(x,z)\geq r y d(y,z)rd(y,z)\geq r. (Pues si estuvieran en la bola, esta interseca con AA)

d(x,y)d(x,z)rd(y,z)rd(x,y)r2<δr2=Er2r2=E\leq \frac{d(x,y)}{\underbrace{ d(x,z) }_{ \geq r }\cdot { \underbrace{ d(y,z) }_{ \geq r }} }\leq \frac{d(x,y)}{r^{2}}<\frac{\delta}{r^{2}}=\frac{\mathcal{E}\cdot r^{2}}{r^{2}}=\mathcal{E}

rr no depende de x,yx,y. Solo de zz.

    fz es uniformemente continua\implies f_{z}\text{ es uniformemente continua}

De hecho, es Lipschitz con constante 1r2\frac{1}{r^{2}}.

    )\impliedby) Alcanza con ver que AA\overline{A} \subseteq A. Sea aAa \in \overline{A}. Entonces existe una sucesión (an)A(a_n) \subseteq A tal que anaa_n \to a. Quiero ver que aA.a \in A. Supongo que no, entonces aAc.a \in A^{c}.
Sé que fzf_{z} es uniformemente continua.

Como (an)(a_n) converge, es de Cauchy. Para todo δ~>0\tilde{\delta} > 0. Existe n0Nn_{0} \in \mathbb{N} tal que para m,nn0    d(an,am)<δ~m, n \ge n_{0} \implies d(a_n, a_m) < \tilde{\delta}.

Sea E>0.\mathcal{E}>0. Como faf_{a} es uniformemente continua entonces

δ>0d(x,y)<δ    fa(x)fa(y)<E\:\exists\:\delta>0\bigm| d(x,y)<\delta\implies |f_{a}(x)-f_{a}(y)|<\mathcal{E}

Tomo δ~=δ\tilde{\delta}=\delta. Luego, para cualquier nn0n\geq n_{0} vale fa(an)fa(an0)<E|f_{a}(a_{n})-f_{a}(a_{n_{0}})|<\mathcal{E} Pero

E>fa(an)fa(an0)=1d(an,a)1d(an0,a)1d(an,a)1d(an0,a)cte\mathcal{E}>|f_{a}(a_{n})-f_{a}(a_{n_{0}})|=\left| \frac{1}{d(a_{n},a)}-\frac{1}{d(a_{n_{0}},a)} \right| \geq \frac{1}{d(a_{n},a)}-\underbrace{ \frac{1}{d(a_{n_{0}},a)} }_{ cte }

Como n+n\longrightarrow+\infty y

Elimn1d(an,a)01d(an0,a=cte)+\mathcal{E}\geq \underset{ n\to \infty }{ \lim } \underbrace{ \underbrace{ \frac{1}{d(a_{n},a)} }_{ \to 0 }-\frac{1}{\underbrace{ d(a_{n_{0}},a }_{ = cte })} }_{ \longrightarrow +\infty }

Queda que E>+.\mathcal{E}>+\infty. Absurdo. Entonces debe ser que aAa \in A Por lo tanto AA es cerrado.


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