#10Continuidad

2025 - Teórica 10 - Continuidad I

22 min de lectura

Tue-29-04-2025 18:12 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Continuidad


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean (M,d) y (N,d) espacios meˊtricos. f:MN,xM . f es continua en x si:ε>0δ>0d(y,x)<δ    d(f(y),f(x))<ε\begin{array}{l} \text{Sean $(M,d)$ y $(N,d')$ espacios métricos. $f:M\to N,x \in M$ . $f$ es continua en $x$ si:}\\ \forall\varepsilon>0\:\exists\:\delta>0\bigm| d(y,x)<\delta\implies d'(f(y),f(x))<\varepsilon \end{array}

Equivalentemente ε>0,δ>0\forall\varepsilon>0,\:\exists\:\delta>0\bigm|

f(B(x,δ))B(f(x),ε)f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

EjemplosEjemplos
  1. f:RnR,(Rn,d2),(R,)f:\mathbb{R}^{n}\to \mathbb{R},(\mathbb{R}^{n},d_{2}),(\mathbb{R},|\cdot|)

x=(x1,,xn)Rnx=(x_{1},\dots,x_{n})\in \mathbb{R}^{n} ff es continua en xx si ε>0\forall\varepsilon>0

δ>0d2(x,y)xy<δ    f(x)f(y)<ε\:\exists\:\delta>0\bigm| \underbrace{ d_{2}(x,y) }_{ \lvert \lvert x-y \rvert \rvert }<\delta\implies |f(x)-f(y)|<\varepsilon
  1. f:MN,xMf:M\to N,x \in M es punto aislado.

Si δ=r,B(x,δ)={x}\delta=r,B(x,\delta)=\{ x \}

f(B(x,δ))={f(x)}B(f(x),ε)f(B(x,\delta))=\{ f(x) \}\subseteq B(f(x),\varepsilon)

    f\implies f es continua en xx.

  1. Subejemplo (M,δ),(N,d)(M,\delta),(N,d')
f:MN es continua en xxf:M\to N\text{ es continua en }x \quad \forall x

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:MN,xMf es continua en x    (xn)nNMxnx    f(xn)f(x)\begin{array}{l} \text{$f:M\to N,x \in M$. $f$ es continua en $x\iff$}\\ \forall ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M\bigm| x_{n}\to x\implies f(x_{n})\to f(x) \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }     )\implies)
ff es continua en xx. Sea (xn)nNM( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M tal que xnxx_{n}\to x Quiero ver que (f(xn))nNN:f(xn)f(x)( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq N:f(x_{n})\to f(x)

Sea ε>0,\varepsilon>0, quiero ver que n0d(f(xn),f(x))<ε\:\exists\:n_{0}\bigm|d'(f(x_{n}),f(x))<\varepsilon nn0\forall n\geq n_{0} Como ff es continua, δ>0d(x,y)<δ    d(f(x),f(y))<ε\:\exists\:\delta>0\bigm|d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))<\varepsilon Como xnx,n0x_{n}\to x,\:\exists\:n_{0}\bigm| si nn0d(xn,x)<δn\geq n_{0}\quad d(x_{n},x)<\delta

    d(f(xn),f(x))<εnn0\implies d'(f(x_{n}),f(x))<\varepsilon \quad \forall n\geq n_{0}

    )\impliedby) Por el absurdo: Supongo que ff no es continua en x.x. Es decir,

ε>0,δ>0yMd(x,y)<δ    d(f(x),f(y))ε\:\exists\:\varepsilon>0,\forall\delta>0\:\exists\:y\in M\bigm| d(x,y)<\delta\implies d'(f(x),f(y))\geq \varepsilon

Elijo δ=1n\delta= \frac{1}{n}, entonces xnMd(xn,x)<1n\:\exists\: x_{n}\in M\bigm|d(x_{n},x)< \frac{1}{n} y d(f(xn),f(x))εd'(f(x_{n}),f(x))\geq\varepsilon
Considero (f(xn))nNN( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq N

d(xn,x)<1n0    xnxd(x_{n},x)< \frac{1}{n}\to 0\implies x_{n}\to x

nN\forall n \in \mathbb{N} d(f(xn),f(x))ε    f(xn)f(x)d'(f(x_{n}),f(x))\geq\varepsilon\implies f(x_{n})\cancel{ \to } f(x) Absurdo.

\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

Ejemplo:Ejemplo: ev12:(C[0,1],d)(R,)ff(12)\begin{array}{c} ev_{ \frac{1}{2}}:(C[0,1],d_{\infty})&\to (\mathbb{R},|\cdot|) \\ f&\mapsto f\left( \frac{1}{2} \right) \end{array}

ev12ev_{ \frac{1}{2}} es continua en ff fC[0,1]\forall f \in C[0,1]

Sea fC[0,1]f \in C[0,1], sea (fn)nNC[0,1]( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq C[0,1] tal que fnff_{n}\to f
Quiero ver que ev12(fn)ev12(f)ev_{ \frac{1}{2}}(f_{n})\to ev_{ \frac{1}{2}}(f)

ev12(fn)=fn(12)ev12(f)=f(12)fn(12)f(12)    fn(12)f(12)0\begin{array}{c} ev_{ \frac{1}{2}}(f_{n})=f_{n}\left( \frac{1}{2} \right) \\ ev_{ \frac{1}{2}}(f)=f\left( \frac{1}{2} \right) \\ f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)\to f\left( \frac{1}{2} \right)\iff \left|f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)-f\left( \frac{1}{2} \right)\right|\to 0 \end{array}

fnff_{n}\to f en (C[0,1],d)(C[0,1], d_{\infty})

d(fn,f)=maxfn(x)f(x)0d_{\infty}(f_{n},f)=max\:\left| f_{n}(x)-f(x) \right| \to 0

Entonces

fn(12)f(12)supfn(x)f(x)0\left| f_{n}\left( \frac{1}{2} \right)-f\left( \frac{1}{2} \right) \right| \leq sup\:\left| f_{n}(x)-f(x) \right| \to 0

y listo.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

f:MN es continua si es continua en x xM \begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua si es continua en $x$ $\forall x \in M$ } \end{array}

Notación: AN,f1(A)={xMf(x)A}A\subseteq N,f ^{-1}(A)=\{ x \in M\bigm|f(x)\in A \}


Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:MN es continua     f1(A)M es abierto AN abierto.\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f ^{-1}(A)\subseteq M$ es abierto $\forall A \subseteq N$ abierto.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }     )\implies) Caso 1: Si f1(A)=    f ^{-1}(A)=\emptyset\implies es abierto. Caso 2: Si f1(A).f ^{-1}(A)\neq \emptyset. Sea xf1(A)x \in f ^{-1}(A) Quiero ver que r>0B(x,r)f1(A)\:\exists\: r> 0\bigm|B(x,r)\subseteq f^{-1}(A) Como AA es abierto ε>0B(f(x),ε)A\:\exists\:\varepsilon>0\bigm|B(f(x),\varepsilon)\subseteq A Como ff es continua en x,δ>0x, \:\exists\:\delta>0 tal que f(B(x,δ))B(f(x),ε)Af(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)\subseteq A
Entonces

B(x,δ)f1(A)B(x,\delta)\subseteq f ^{-1}(A)

Usamos que : Sea yB(x,δ)    f(y)A    yf1(A)y \in B(x,\delta)\implies f(y) \in A\implies y \in f ^{-1}(A)

    )\impliedby) Sea xMx \in M y sea ε>0.\varepsilon>0. Quiero ver que

δ>0f(B(x,δ))B(f(x),ε)\:\exists\:\delta>0\bigm| f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

Como B(f(x),ε)B(f(x),\varepsilon) es un abierto     f1(B(f(x),ε))\implies f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon)) es un abierto Entonces

δ>0B(x,δ)f1(B(f(x),ε))\:\exists\:\delta>0\bigm| B(x,\delta)\subseteq f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon))     f(B(x,δ))B(f(x),ε)\implies f(B(x,\delta))\subseteq B(f(x),\varepsilon)

Por lo tanto ff es continua.

Usamos que yB(x,δ)    yf1(B(f(x),ε))    f(y)B(f(x),ε)y \in B(x,\delta)\implies y \in f ^{-1}(B(f(x),\varepsilon))\implies f(y)\in B(f(x),\varepsilon)

\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

Corolario :{\color{Red} \text{Corolario }:}

f:MN es continua     f1(F) es cerrado F cerrado.\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f ^{-1}(F)$ es cerrado $\forall F$ cerrado.} \end{array}

Dem:{\color{Red} \text{Dem}:} f1(F)f ^{-1}(F) es cerrado     f1(F)c\iff f ^{-1}(F)^{c} es abierto f1(F)c=f1(Fc)f ^{-1}(F)^{c}=f ^{-1}(F^{c})

Tarea.


Ejemplo:Ejemplo: Gl2(R)={AM2(R):Ainversible} es abiertoG\mathscr{l}_{2}(\mathbb{R})=\{ A \in M_{2}(\mathbb{R}):A\:inversible \}\text{ es abierto}

Dem:Dem: Considero la función det:M2(R)(R,)\det:M_{2}(\mathbb{R})\to(\mathbb{R},|\cdot|) Afirmo que det\det es una función continua.

Sea la sucesión (An)nNM2(R)AnA    max{ai,jnai,j}0( A_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M_{2}(\mathbb{R})\bigm|A^{n}\to A \implies max\{ |a_{i,j}^{n}-a_{i,j}| \}\to 0

    ai,jnai,j\implies a_{i,j}^{n} \to a_{i,j} det(An)=a1,1na2,2na2,1na1,2na1,1a2,2a2,1a1,2=det(A)\det(A^{n} )=a_{1,1}^{n} \cdot a_{2,2}^{n} -a_{2,1}^{n} \cdot a_{1,2}^{n} \to a_{1,1}\cdot a_{2,2}-a_{2,1}\cdot a_{1,2}=\det(A)

Por lo tanto

Gl2(R)=det1(R{0}) es abierto.G\mathscr{l}_{2}(\mathbb{R})=det ^{-1}(\mathbb{R}\setminus \{ 0 \})\text{ es abierto.}

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

f:MN es continua     f(E)f(E)EM\begin{array}{l} \text{$f:M\to N$ es continua $\iff f(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\quad\forall E\subseteq M$} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }     )\implies) ff es continua. Sea EM.E\subseteq M. Sea xEx \in \overline{E}. Quiero ver que f(x)f(E)f(x) \in \overline{f(E)}

(xn)nNExnx\:\exists\:( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq E\bigm| x_{n}\to x

Como ff es continua en x    f(xn)f(x)x\implies f(x_{n})\to f(x)

(f(xn))nNf(E)    f(x)f(E)( f(x_{n}) )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq f(E)\implies f(x)\in \overline{f(E)}

    )\impliedby)

f(E)f(E)EMf(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\quad \forall E\subseteq M

Sea FNF\subseteq N un cerrado. Quiero ver que f1(F)f ^{-1}(F) es cerrado. Basta ver que f1(F)f1(F)\overline{f ^{-1}(F)}\subseteq f ^{-1}(F)

Vamos a usar esto: para toda función ff y conjunto FNF\subseteq N: f(f1(F))Ff(f ^{-1}(F))\subseteq F . Sale por la definición del conjunto f1(F)f ^{-1}(F). (*)

Sea E=f1(F)E= f ^{-1}(F).

Esto es engorroso pero vamos por partes:

  1. Por un lado tengo por hipótesis:
f(E)f(E)(1)f(\overline{E})\subseteq \overline{f(E)}\tag{1}

pues EME\subseteq M. 2. Ahora tengo esta inclusión: Como E=f1(F)    f(E)=f(f1(F))FE=f ^{-1}(F)\implies f(E)=f(f ^{-1}(F))\subseteq F por (*)

Y además FF cerrado, recordar que si AB,A\subseteq B, y BB cerrado     AB\implies \overline{A}\subseteq B

f(E)F=F(2)\overline{f(E)}\subseteq \overline{F}=F\tag{2}
  1. Juntando (1) y (2) y por transitividad de la inclusión me queda
f(E)Ff(f1(F))F(3)\begin{array}{c} f(\overline{E})\subseteq F \\ f(\overline{f ^{-1}(F)})\subseteq F\tag{3} \end{array}
  1. Usamos la siguiente propiedad a (3)
Si f(A)B    Af1(B)\text{Si $f(A)\subseteq B\implies A\subseteq f ^{-1}(B)$}

quedando que:

f1(F)f1(F)\overline{f ^{-1}(F)}\subseteq f ^{-1}(F)

Que es lo que quería demostrar.

\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

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