Sea K⊆M. Un cubrimiento por abiertos de K es una familia de conjuntos {Ui}i∈I⊆M abiertos tal queK⊆⋃i∈IUi
Un subcubrimiento es {Ui}i∈JJ⊆I,K⊆⋃i∈JUi
Ejemplos:
K⊆M,K⊆x∈K⋃B(x,E),E>0 es un cubrimiento por abiertos.
R=n∈Z⋃(n−1,n+1) es un cubrimiento por abiertos pero no puedo sacar a ninguno
(0,1)=n∈N⋃(n1,1)
Dado n0∈N: (n01,1)=n=1⋃n0(n1,1)⟹(n01,1)⊇(0,1)
Por lo tanto, no admite subcubrimiento finito.
[0,1]⊆n∈N⋃(n1,n)∪(−E,E)∪(1−E,1+E)
⟹n=1⋃n0(n1,n)∪(−E,E)∪(1−E,1+E)
Acá no demuestro que [0,1] es compacto, solo estoy validando que, como es compacto, todo cubrimiento admite subcubrimiento finito.
Teorema :
Sea (M,d) un espacio meˊtrico. Sea K⊆M, son equivalentes:1. K es compacto2. Todo subconjunto infinito de K tiene un punto de acumulacioˊn en K3. Todo cubrimiento por abiertos de K admite un subcubrimiento finito.
Dem:
(1)⟹(2):
Sea L⊆K un conjunto infinito.
Como L infinito, ∃(xn)⊆L de puntos distintos xn=xm∀n=m
Como L⊆K y K compacto, ∃(xnk)xnk⟶x∈K
Entonces, por contrareciproco de punto de acumulación, x∈L′. Pues
(xnk)⊆Lxnk=xnj,xnk⟶x
Demostración revisada: (1)⟹(2)
Hipótesis:K es secuencialmente compacto.
Tesis: Todo subconjunto infinito L⊆K tiene un punto de acumulación en K.
Paso 1: Construcción de la sucesión
Sea L⊆K un subconjunto infinito.
Como L es infinito, podemos elegir una sucesión (xn)n∈N⊆L tal que todos sus términos sean distintos entre sí.
xn=xm∀n=m
Paso 2: Aplicación de la hipótesis (1)
Como la sucesión (xn) está contenida en K (pues L⊆K) y K es compacto:
Existe una subsucesión (xnk) que converge a un punto x∈K.
xnk⟶xcon x∈K
Paso 3: Verificación de punto de acumulación
Queremos probar que x∈L′ (es decir, x es punto de acumulación de L).
Definición: Para todo radio r>0, la bola B(x,r) debe contener al menos un punto de L distinto de x.
Sea r>0 arbitrario.
Por definición de límite de la subsucesión, existe un índice K0 tal que para todo k≥K0, xnk∈B(x,r).
Como la sucesión original tenía términos todos distintos, la subsucesión (xnk) también tiene términos todos distintos.
Por lo tanto, es imposible que la subsucesión sea "constante igual a x" a partir de un punto. A lo sumo, existe un único índice donde xnk=x.
En consecuencia, existen infinitos índices k tales que xnk∈B(x,r) y además xnk=x.
Como xnk∈L, concluimos:
(B(x,r)∩L)∖{x}=∅
∴x es un punto de acumulación de L y x∈K.
[!done] Q.E.D.
(2)⟹(1):
Sea (xn)⊆K
Quiero ver que ∃xnk⟶x∈K
Si #{xn:n∈N}<∞⟹Hay algún valor que se repite infinitas veces.
∃(xnk) subsucesión constante, que en particular es convergente.
Si #L{xn:n∈N}=∞
Por (2)∃x∈L′∩K:
Para r=1,{B(x,1)∖{x}}∩L=∅
Para r=21,{B(x,21)∖{x}}=∅
Además tiene infinitos puntos.
⟹∃n2>n1xn2∈B(x,21),xn2=x
Así siguiendo, consigo (xnk)k∈Nxnk⟶x∈K
(3)⟹(2):
Sea L⊆K un conjunto infinito.
Si L no tiene puntos de acumulación en K.⟹∀x∈K, x no es punto de acumulación de L⟹∀x∈K,x∈L′
⟹∀x∈K,∃rx>0#B(x,rx)∩L<∞
K⊆⋃x∈KB(x,rx) es un cubrimiento por abiertos de K. Por hipótesis, ∃ subcubrimiento finito:
∃x1,…,xnK⊆i=1⋃nB(xi,rxi)
K∩L=L
⟹#=∞L⊆i=1⋃n#<∞(B(xi,rxi)∩L)
Absurdo.
Queda (1)⟹(3)∨(3)⟹(2)
□
Obs:
Si K compacto ⟹ completo
Dem:
Sea (xn)n∈N⊆K de Cauchy.
Como K compacto ⟹∃(xnk)k∈Nxnk⟶x∈K
Como (xn) de Cauchy ⟹xn⟶x
Acá que sea de Cauchy no implica que converge. Es que es de Cauchy y ADEMÁS tiene subsucesión convergente.
□
Demostración revisada
Hipótesis: Sea K un conjunto compacto.
Objetivo: Probar que toda sucesión de Cauchy en K converge a un punto de K.
Paso 1: Existencia del candidato a límite
Sea (xn)n∈N⊆K una sucesión de Cauchy cualquiera.
Por la definición de Compacidad Secuencial, toda sucesión en K admite una subsucesión convergente.
∃(xnk)k∈N⊆(xn)tal quexnk⟶L
Donde L∈K (el límite pertenece al conjunto por ser compacto).
Paso 2: Convergencia de toda la sucesión
Queremos demostrar que la sucesión original (xn) converge a L.
Usamos la Desigualdad Triangular:
d(xn,L)≤d(xn,xnk)+d(xnk,L)
Sea ϵ>0:
Por ser de Cauchy: Existe N1 tal que si n,m≥N1⟹d(xn,xm)<ϵ/2.
Por la subsucesión: Existe K1 tal que si k≥K1⟹d(xnk,L)<ϵ/2.
Tomamos un índice suficientemente grande. Sea n≥N1 y elegimos un índice de la subsucesión nk tal que nk≥N1 y k≥K1.
Entonces:
⟹∃(xnk)xnk⟶x∈K
Como F es continua ⟹F(xnk)⟶F(x)∈F(x)
□
Tarea: Hacer la demo usando cubrimientos.
[!infobox] Teorema: Preservación de la Compacidad
Contexto: Espacios Métricos / Topológicos.
Teorema: La imagen continua de un conjunto compacto es compacta.
Consecuencia: Teorema de Weierstrass (Si f es continua en un compacto, alcanza Máximo y Mínimo).
Demostración 1: Vía Secuencial
Estrategia: Tomar una sucesión en la imagen, "tirarla hacia atrás" al dominio, usar la compacidad allí, y "volverla a traer" con continuidad.
Paso 1: Sucesión en la imagen
Sea (yn)n∈N⊆F(K) una sucesión arbitraria en la imagen.
Por definición de imagen, para cada yn existe un punto en el dominio:
∃(xn)⊆Ktal queF(xn)=yn
Paso 2: Compacidad del Dominio
Como K es compacto (secuencialmente), la sucesión (xn) admite una subsucesión convergente:
∃(xnk)⊆(xn)tal quexnk⟶x
Donde x∈K (el límite se queda en K).
Paso 3: Continuidad de la Función
Como F es continua en x, preserva límites de sucesiones ("manda límites a límites"):
xnk→x⟹F(xnk)⟶F(x)
Paso 4: Conclusión
Recordando que ynk=F(xnk), tenemos:
ynk⟶F(x)
Como x∈K, entonces el límite F(x)∈F(K).
∴ Toda sucesión en F(K) tiene una subsucesión convergente en F(K).
[!done] Q.E.D. (Vía Secuencial)
Demostración 2: Vía Cubrimientos (Topológica)
Estrategia: Usar la propiedad de que las funciones continuas traen abiertos hacia atrás (f−1(Abierto)=Abierto).
Paso 1: Cubrimiento de la Imagen
Sea {Vα}α∈A un cubrimiento por abiertos arbitrario de F(K).
F(K)⊆α∈A⋃Vα
Paso 2: Preimagen del Cubrimiento
Tomamos la preimagen de los abiertos. Por continuidad de F, cada conjunto F−1(Vα) es un abierto en M.
Consideramos la familia {F−1(Vα)}α∈A.
Veamos que esto cubre a K:
Si x∈K⟹F(x)∈F(K)⊆⋃Vα.
⟹∃α0 tal que F(x)∈Vα0.
⟹x∈F−1(Vα0).
Por lo tanto, {F−1(Vα)} es un cubrimiento por abiertos de K.
Paso 3: Compacidad del Dominio
Como K es compacto, este cubrimiento admite un subcubrimiento finito.
Existen índices α1,…,αm tales que:
K⊆i=1⋃mF−1(Vαi)
Paso 4: Volver a la Imagen
Aplicamos F a la inclusión anterior:
F(K)⊆F(i=1⋃mF−1(Vαi))
Usando propiedades de conjuntos (F(F−1(B))⊆B):
F(K)⊆i=1⋃mVαi
Conclusión
Hemos encontrado un subcubrimiento finito {Vα1,…,Vαm} para el cubrimiento original de F(K).
∴F(K) es compacto.
[!done] Q.E.D. (Vía Cubrimientos)
Ejemplos:
M con d1∼d2id:(M,d1)→(M,d2) es continua.
Recordamos:
d1∼d2 si ∀x∈M,∀r>0,∃r1,r2>0:Bd1(x,r1)⊆Bd2(x,r)Bd2(x,r2)⊆Bd1(x,r)
Dem:
Sea x∈M,E>0⟹∃δ>0Bd1(x,δ)⊆Bd2(x,E)
id(Bd1(x.δ))⊆Bd2(id(x),E)⟹id continua ∀x∈M
Por la propiedad, K⊆M es compacto con d1⟺ es compacto a d2
Obs:
No vale ni con abiertos ni con cerradosEjemplos:f(x)=x2,A=(−1,1)
f(A)=[0,1) no es abierto.
f(x)=ex,F=R
f(R)=(0,+∞) no es cerrado.
Corolario :
F:K⟶R continua y K es compacto ⟹F(K) tiene maˊximo y mıˊnimo.
Dem:F continua y K compacto ⟹F(K) compacto ⟹F(K) cerrado y acotado.
Ahora F(K)⊆R cerrado y acotado.
⟹F(K) tiene máximo y mínimo.
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Prop. :
F:M→N,M compacto y F continua ⟹F uniformemente continua.
Dem:
Supongamos que no es uniformemente continua.
⟹∃E>0,∀δ>0∃x,y:
d(x,y)<δ y d′(F(x),F(y))≥E
Elijo δ=n1 y d′(F(xn),F(yn))≥E
Como M es compacto ⟹∃(xnk)k∈Nxnk⟶x
Considero (ynk)k∈N⊆M⟹∃(ynkj)j∈Nynkj⟶y
Por otro lado, los xnkj⟶x