#7Espacios métricos

7 - Espacios métricos III

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Tue-10-09-2024 09:09 profe: status: tags: Espacios métricos


Def.1Def.\:1

Dado AExE es un punto de adherencia de A si r>0:B(x,r)A\begin{array}{l} \text{Dado $A\subseteq E$. $x \in E$ es un punto de adherencia de $A$ si $\forall r>0:B(x,r)\cap A\neq \emptyset$} \end{array}

Def.2Def.\:2

Dado AE, la clausura de A es: A:{xE x es un punto de adherencia de A}\begin{array}{l} \text{Dado $A\subseteq E$, la clausura de $A$ es: }\\ \overline{A}:\{ x \in E\:|\: \text{ x es un punto de adherencia de A} \} \end{array}

Def.3Def.\:3

A cerrado si A=A\begin{array}{l} \text{$A$ cerrado si $\overline{A}=A$} \end{array}

Ejemplos:

  1. E=IE=\mathbb{I}
A=(a,b),xA    xApues xB(x,r)Ar>0A=(a,b), x \in A\implies x \in \overline{A}\quad \text{pues }x \in B(x,r)\cap A \:\forall r>0\\

Six=a:Si \quad x=a :

a∉AB(a,r)(a,b)r>0    a es de adherencia y pertenece a la clausura    aA\begin{array}{c} a \not\in A \quad B(a,r)\cap(a,b)\neq \emptyset \quad \forall r>0\\ \implies a\text{ es de adherencia y pertenece a la clausura} \\ \implies a \in \overline{A} \end{array}

Si x=bx=b, es el caso análogo al anterior     bA\implies b \in \overline{A} Si x<ax<a, xx no es de adherencia pues existe una distancia E=ax>0\mathcal{E}=a-x>0 tal que la bola abierta centrada en xx y radio E\mathcal{E} no interseca con AA.

    B(x,E2)A=    x no es de adherencia    x=a∉A\begin{array}{c} \implies B\left( x, \frac{\mathcal{E}}{2} \right)\cap A=\emptyset \\ \implies x \text{ no es de adherencia} \\ \implies x=a \not\in \overline{A} \end{array}

draw-metricosIII-1 Si x>bx>b, lo mismo     b∉A\implies b \not\in \overline{A}

    A=[a,b]\implies \overline{A}=[a,b]
A=[a,b]enE=R    A=A,A es cerrado\begin{array}{c} A=[a,b]\quad en\:E=\mathbb{R} \\ \implies A=\overline{A}, A\text{ es cerrado} \end{array}

Los intervalos cerrados son cerrados

  1. A=(a,b]A=(a,b]

    • b∉A°,puesB(b,r)⊈Arb \not\in A°,pues\quad B(b,r)\not\subseteq A\:\forall r Como bA    Ab \in A\implies A no es abierto.
    • a∉AaA    A no es cerradoa \not\in A\land a\in \overline{A}\implies A\text{ no es cerrado}
  2. E=(Rn,d2),r>0E=(\mathbb{R}^n,d_{2}),r>0

A={yEd(x,y)<r}=B(x,r)A es abierto\begin{array}{c} A=\{ y \in E\:|\: d(x,y)<r \}=B(x,r) \\ A\text{ es abierto} \end{array}
  1. E=(Rn,d2),r>0E=(\mathbb{R}^{n},d_{2}),r>0
A={yEd(x,y)r}=B(x,r)A es cerrado\begin{array}{c} A=\{ y \in E\:|\: d(x,y)\leq r\} = \overline{B}(x,r)\\ A\text{ es cerrado} \end{array}
  1. E=(C([0,1]),d)E=(C([0,1]),d_{\infty})
A={fEf(0)<2}A={fEf(0)2}\begin{array}{c} A=\{ f \in E\:|\: f(0)<2\} \\ \overline{A}=\{ f \in E\:|\: f(0)\leq 2\} \end{array}

Prop.1Prop.\:1 AEA\subseteq E

  1. AAˉA\subseteq \bar{A}
  2. BA    BAB\subseteq A\implies \overline{B}\subseteq \overline{A}
  3. FE,FF\subseteq E,F cerrado tal que AF    AˉFA\subseteq F\implies \bar{A}\subseteq F
  1. Cualquier conjunto está contenido en su clausura.
  2. La clausura de un subconjunto está contenida en la clausura del conjunto.
  3. La clausura de un conjunto AA está contenida en un conjunto que contenga a AA.

Dem:Dem: 1.

xA    B(x,r)A    xAˉ\begin{array}{c} x \in A\implies B(x,r)\cap A\neq \emptyset \\ \implies x\in \bar{A} \end{array}
  1. xx es un punto de adherencia de BB, entonces:
xB    B(x,r)Br\begin{array}{c} x \in \overline{B}\iff B(x,r)\cap B\neq \emptyset \quad \forall r \\ \end{array}

Como BAB\subseteq A, cualquier entorno que interseca con BB, también interseca con AA.

BA,B(x,r)Ar    xAB\subseteq A,B(x,r)\cap A\neq \emptyset \quad \forall r\implies x\in \overline{A}

Luego, tengo que:

xB    xA    BA\forall x \in \overline{B}\implies x \in \overline{A}\implies \overline{B}\subseteq \overline{A}
AF    Por2AˉFˉ=F es cerradoFA\subseteq F\underset{Por \:2}{\implies}\bar{A}\subseteq \bar{F}\underset{F\text{ es cerrado}}{=}F

Prop.2Prop.\:2

AE:A\subseteq E:

  1. EA=(EA)°E\setminus \overline{A}=(E\setminus A)°

  2. EA°=EAE\setminus A°=\overline{E\setminus A}

  3. El complemento de la clausura es el interior del complemento.

(A)c=(Ac)°(\overline{A})^c=(A^c)°
  1. El complemento del interior es la clausura del complemento.
(A°)c=(Ac)(A°)^c=\overline{(A^c)}

Reformulado, queda:

(Aˉ)c=(Ac)°(A°)c=Ac\boxed{ \begin{array}{c} (\bar{A})^c=(A^c)° \\ (A°)^c= \overline{A^c} \end{array} }

Dem:Dem: 1.

xEA=(A)c    x∉A    rB(x,r)A=    x(EA)°\begin{array}{c} x \in E\setminus \overline{A}=(\overline{A})^c\iff x\not\in \overline{A}\iff \:\exists\:r\:|\: B(x,r)\cap A=\emptyset \\ \iff x \in(E\setminus A)° \end{array}

Si no interseca con AA, entonces interseca con su complemento. Más aún, está contenida en el complemento.

B(x,r)(EA)=AcB(x,r)\subseteq (E\setminus A)=A^c

Como existe bola contenida en AcA^c, entonces xx es punto interior de AcA^c.

x(A)c    x(Ac)°(A)c=(Ac)°\begin{array}{c} x \in(\overline{A})^c \iff x \in (A^c)° \\ \therefore\: (\overline{A})^c=(A^c)° \end{array}
  1. Dado un x∉A°x \not\in A°, significa que ninguna bola abierta centrada en xx está contenida en AA. Es decir, toda bola tiene intersección no nula con AcA^c.
xEA°=(A°)c    x∉A°    r:B(x,r)EA    r:B(x,r)AcxEA=(Ac)\begin{array}{c} x \in E\setminus A°=(A°)^c \iff x \not\in A°\iff \forall r:B(x,r)\cap E\setminus A\neq \emptyset \iff \forall r:B(x,r)\cap A^c\neq \emptyset\\ x \in \overline{E\setminus A}= \overline{(A^c)} \end{array}

Como x(A°)c    x(Ac)x \in (A°)^c \iff x \in\overline{(A^c)}

(A°)c=(Ac)(A°)^c = \overline{(A^c)} \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 \quad \quad \quad \quad \quad \square

Corolario1Corolario\:1

AE,A cerrado     EA es abierto\text{$A\subseteq E,A$ cerrado $\iff E\setminus A$ es abierto}

Dem:Dem: AA cerrado     A=Aˉ\iff A=\bar{A} EA=EAˉ=(EA)°    EAE\setminus A=E\setminus \bar{A}=(E\setminus A)°\iff E\setminus A es abierto


Prop.3Prop.\:3

{Ai}iI conjuntos , EiIAi=iI(EAi)\begin{array}{l} \text{$\{ A_{i} \}_{i \in I}$ conjuntos , $E \setminus \bigcup_{i \in I} A_{i}=\bigcap_{i \in I} (E\setminus A_{i})$} \end{array}

El complemento de la unión es la intersección del los conjuntos.

Dem:Dem:

)\subseteq) Dado un xx que no pertenece a la unión, entonces xx no pertenece a ningún AiA_{i}. Entonces pertenece al complemento de todo AiA_{i}. Entonces pertenece a la intersección de los complementos de cada AiA_{i}.

xEAix∉Ai para ningun ixEAiPara alguˊi\begin{array}{c} x \in E \setminus \bigcup A_{i} \\ x \not\in A_{i} \text{ para ningun i}\\ x \in E\setminus A_{i} &\text{Para algún } i \end{array}

)\supseteq)

x(EAi)xEAiPara alguˊix∉Aii    x∉Ai    xEAi\begin{array}{c} x \in \bigcap(E\setminus A_{i}) \\ x \in E\setminus A_{i}&\text{Para algún } i \\ x \not\in A_{i} \quad \forall i \\ \implies x\not\in \bigcup A_{i}\implies x \in E\setminus \bigcup A_{i} \end{array} \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 \quad \quad \quad \quad \quad \square
  1. {Gi}\{ G_{i} \} abiertos     Gi\implies \bigcup G_{i} es abierto.
  2. {Gi}iI\{ G_{i} \}_{i \in I} abiertos, II finito     Gi\implies\bigcap G_{i} es abierto

La unión de abiertos es abierto. La intersección finita de abiertos es abierto.


Prop.4Prop.\:4

  1. {Fi}iI\{ F_{i} \}_{i \in I} cerrados     Fi\implies\bigcap F_{i} es cerrado
  2. {Fi}iI\{ F_{i} \}_{i \in I} cerrados II finito     Fi\implies\bigcup F_{i} es cerrado

La intersección de cerrados es cerrado. La unión finita de cerrados es cerrado.

Dem:Dem:

Primero demostremos

EiIAi=iI(EAi)E\setminus \bigcup_{i \in I} A_{i}=\bigcap_{i\in I}(E\setminus A_{i})

Del mismo modo

EiIAi=iI(EAi)E\setminus \bigcap_{i \in I} A_{i}=\bigcup_{i\in I}(E\setminus A_{i})

Llamo

Bi=EAi    EBi=AiB_{i}=E\setminus A_{i}\iff E\setminus B_{i}=A_{i} (EAi)=BiEBi=E(EAi)=Ai=(EBi)\begin{array}{c} \bigcap(E\setminus A_{i})=\bigcap B_{i} \\ E\setminus\bigcap B_{i}=E\setminus\left( E\setminus \bigcup A_{i} \right) \\ =\bigcup A_{i}=\bigcup(E\setminus B_{i}) \end{array}

Conclusión:

EBi=(EBi)E\setminus \bigcap B_{i}=\bigcup(E\setminus B_{i})

Ahora lo uso para demostrar la propiedad: 1.

EFi=(EFi) es abiertoE\setminus\bigcap F_{i}=\bigcup(E\setminus F_{i}) \text{ es abierto}

pues FiF_{i} es cerrado, EFiE\setminus F_{i} es abierto.

    Fi es cerrado\implies \bigcap F_{i} \text{ es cerrado}

Desde aca R2{\color{Yellow} \text{Desde aca R2} } 2.

E(Fi)=(EFi)    Fi es cerradoE\setminus \left( \bigcup F_{i} \right)=\bigcap(E\setminus F_{i})\implies \bigcup F_{i} \text{ es cerrado}

Pues Fi\bigcup F_{i} es cerrado, EFiE\setminus F_{i} es abierto, (EFi)\bigcap(E\setminus F_{i}) es abierto.

Obs1Obs\:1 Consideremos Fn=[1n,1]F_{n}=\left[ \frac{1}{n},1 \right] en R\mathbb{R}.

i=1Fn=(0,1] esto no es cerrado.\bigcup_{i=1}^\infty F_{n}=(0,1]\text{ esto no es cerrado.}

pues {Fn}\{ F_{n} \} no es familia finita.


Prop.5Prop.\:5

A=Fcerrado:AFF\begin{array}{l} \overline{A}=\bigcap_{F\:cerrado:A\subseteq F} F \end{array}

La intersección de cerrados que contienen a AA es la clausura de AA

Dem:Dem:

Sabemos que:

  • AAˉAˉA\subseteq \bar{A}\land \bar{A} es cerrado.
  • Esto implica que Aˉ\bar{A} es alguno de los FF FF cerrado, AF    AˉFA\subseteq F\implies \bar{A}\subseteq F En principio tendría
FAˉ\bigcap F\supseteq \bar{A}

Pero como Aˉ\bar{A} es alguno de esos FF:

    F=A\implies \bigcap F=A

Corolario2Corolario\:2

Aˉ es el menor de los cerrados que contienen a A\text{$\bar{A}$ es el menor de los cerrados que contienen a $A$}

Def.4Def.\:4

AE se dice denso en E si Aˉ=E\begin{array}{l} \text{$A\subseteq E$ se dice denso en $E$ si $\bar{A}=E$} \end{array}

Ejemplos:

  1. Q\mathbb{Q} es denso en R\mathbb{R}
xR:B(x,r)Qr\forall x \in \mathbb{R}:B(x,r)\cap \mathbb{Q}\neq \emptyset \quad \forall r

Esto me sirve pues puedo aproximar irracionales mediante racionales. Pues toda bola centrada en algún irracional, seguro contiene a algún racional

  1. RQ\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q} en denso en R\mathbb{R}
  2. Qn\mathbb{Q}^{n} es denso en Rn\mathbb{R}^n
  3. R[x]\mathbb{R}[x] son densos en (C([0,1]),d)(C([0,1]),d_{\infty}). Teorema de Stone-Weierstrass

Cualquier función continua puede ser aproximada por algún polinomio.


Prop.6Prop.\:6 Son equivalentes:

  1. AA es denso en EE
  2. (EA)°=(E\setminus A)°=\emptyset
  3. (BEbola abierta):AB(\forall B\subseteq E\text{bola abierta} ):A\cap B\neq \emptyset
  4. GE abierto:AG\forall G\subseteq E\text{ abierto:}A\cap G\neq\emptyset

Dem:Dem:

12)1\to2)

(EA)°=EAˉ=pues A es densoEE=(E\setminus A)°=E\setminus \bar{A}\underset{ \text{pues A es denso}}{=}E\setminus E=\emptyset

41)4\to1)

xE,r>0cualquieraG=B(x,r)AxAˉAˉ=E\begin{array}{c} x \in E,r>0\:cualquiera \\ G=B(x,r)\cap A\neq \emptyset \\ x \in \bar{A} \\ \bar{A}=E \end{array}

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