#13Compacidad

2025 - Teórica 13 - Compacidad II

31 min de lectura

Sun-18-05-2025 19:18 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Compacidad


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea KMUn cubrimiento por abiertos de K es una familia de conjuntos {Ui}iIM abiertos tal queKiIUi\begin{array}{l} \text{Sea $K \subseteq M$. }\\ \text{Un cubrimiento por abiertos de $K$ es una familia de conjuntos $\{ U_{i} \}_{i \in I}\subseteq M$ abiertos tal que}\\ K\subseteq \bigcup_{i \in I}U_{i} \end{array}

Un subcubrimiento es {Ui}iJJI,KiJUi\{ U_{i} \}_{i \in J}\bigm|J\subseteq I,K\subseteq \bigcup_{i \in J} U_{i}


Ejemplos:Ejemplos:
  1. KM,KxKB(x,E),E>0K\subseteq M,K\subseteq \displaystyle\bigcup_{x \in K}B(x,\mathcal{E}),\mathcal{E}>0 es un cubrimiento por abiertos.

  2. R=nZ(n1,n+1)\mathbb{R}=\displaystyle\bigcup_{n \in \mathbb{Z}}(n-1,n+1) es un cubrimiento por abiertos pero no puedo sacar a ninguno

  3. (0,1)=nN(1n,1)(0,1)=\displaystyle\bigcup_{n \in \mathbb{N}}\left( \frac{1}{n} ,1\right) Dado n0Nn_{0}\in \mathbb{N}: (1n0,1)=n=1n0(1n,1)    \left( \frac{1}{n_{0}},1 \right)=\displaystyle\bigcup_{n=1}^{n_{0}}\left( \frac{1}{n} ,1\right)\implies (1n0,1)⊉(0,1)\left( \frac{1}{n_{0}},1 \right)\not\supseteq (0,1) Por lo tanto, no admite subcubrimiento finito.

  4. [0,1]nN(1n,n)(E,E)(1E,1+E)[0,1]\subseteq \displaystyle\bigcup_{n \in \mathbb{N}}\left( \frac{1}{n},n \right)\cup(-\mathcal{E},\mathcal{E})\cup(1-\mathcal{E},1+\mathcal{E})

    n=1n0(1n,n)(E,E)(1E,1+E)\implies \bigcup_{n=1}^{n_{0}} \left( \frac{1}{n},n \right)\cup(-\mathcal{E},\mathcal{E})\cup(1-\mathcal{E},1+\mathcal{E})

Acá no demuestro que [0,1][0,1] es compacto, solo estoy validando que, como es compacto, todo cubrimiento admite subcubrimiento finito.


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

Sea (M,d) un espacio meˊtrico. Sea KM, son equivalentes:1. K es compacto2. Todo subconjunto infinito de K tiene un punto de acumulacioˊn en K 3. Todo cubrimiento por abiertos de K admite un subcubrimiento finito.\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ un espacio métrico. Sea $K\subseteq M$, son equivalentes:}\\ \text{1. $K$ es compacto}\\ \text{2. Todo subconjunto infinito de $K$ tiene un punto de acumulación en $K$ }\\ \text{3. Todo cubrimiento por abiertos de $K$ admite un subcubrimiento finito.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }

(1)    (2):(1)\implies(2):

  • Sea LKL\subseteq K un conjunto infinito.
  • Como LL infinito, (xn)L\:\exists\:(x_{n})\subseteq L de puntos distintos xnxmnmx_{n}\neq x_{m}\quad\forall n\neq m
  • Como LKL\subseteq K y KK compacto, (xnk)xnkxK\:\exists\:(x_{n_{k}})\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x \in K
  • Entonces, por contrareciproco de punto de acumulación, xLx \in L'. Pues
(xnk)Lxnkxnj,xnkx(x_{n_{k}})\subseteq L\bigm| x_{n_{k}}\neq x_{n_{j}},x_{n_{k}}\longrightarrow x

Demostración revisada: (1)    (2)(1) \implies (2)

Hipótesis: KK es secuencialmente compacto. Tesis: Todo subconjunto infinito LKL \subseteq K tiene un punto de acumulación en KK.


Paso 1: Construcción de la sucesión Sea LKL \subseteq K un subconjunto infinito. Como LL es infinito, podemos elegir una sucesión (xn)nNL(x_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq L tal que todos sus términos sean distintos entre sí.

xnxmnmx_n \neq x_m \quad \forall n \neq m

Paso 2: Aplicación de la hipótesis (1) Como la sucesión (xn)(x_n) está contenida en KK (pues LKL \subseteq K) y KK es compacto: Existe una subsucesión (xnk)(x_{n_k}) que converge a un punto xKx \in K.

xnkxcon xKx_{n_k} \longrightarrow x \quad \text{con } x \in K

Paso 3: Verificación de punto de acumulación Queremos probar que xLx \in L' (es decir, xx es punto de acumulación de LL). Definición: Para todo radio r>0r > 0, la bola B(x,r)B(x,r) debe contener al menos un punto de LL distinto de xx.

Sea r>0r > 0 arbitrario.

  1. Por definición de límite de la subsucesión, existe un índice K0K_0 tal que para todo kK0k \ge K_0, xnkB(x,r)x_{n_k} \in B(x,r).
  2. Como la sucesión original tenía términos todos distintos, la subsucesión (xnk)(x_{n_k}) también tiene términos todos distintos.
  3. Por lo tanto, es imposible que la subsucesión sea "constante igual a xx" a partir de un punto. A lo sumo, existe un único índice donde xnk=xx_{n_k} = x.
  4. En consecuencia, existen infinitos índices kk tales que xnkB(x,r)x_{n_k} \in B(x,r) y además xnkxx_{n_k} \neq x.

Como xnkLx_{n_k} \in L, concluimos:

(B(x,r)L){x}(B(x,r) \cap L) \setminus \{x\} \neq \emptyset

x\therefore \quad x es un punto de acumulación de LL y xKx \in K.

[!done] Q.E.D.

(2)    (1):(2)\implies(1):

  • Sea (xn)K(x_{n})\subseteq K
  • Quiero ver que xnkxK\:\exists\:x_{n_{k}}\longrightarrow x \in K
  • Si #{xn:nN}<    \#\{ x_{n}:n \in \mathbb{N} \}<\infty\impliesHay algún valor que se repite infinitas veces.
  • (xnk)\:\exists\:(x_{n_{k}}) subsucesión constante, que en particular es convergente.
  • Si #{xn:nN}L=\#\underbrace{ \{ x_{n}:n \in \mathbb{N} \} }_{ L }=\infty
  • Por (2)(2) xLK:\:\exists\:x \in L'\cap K:
  • Para r=1,{B(x,1){x}}Lr=1,\{ B(x,1)\setminus \{ x \} \}\cap L\neq \emptyset
  • Para r=12,{B(x,12){x}}r= \frac{1}{2}, \left\{ B\left( x, \frac{1}{2} \right)\setminus \{ x \} \right\}\neq \emptyset Además tiene infinitos puntos.
    n2>n1xn2B(x,12),xn2x\implies \:\exists\:n_{2}>n_{1}\bigm|x_{n_{2}}\in B\left( x, \frac{1}{2} \right),x_{n_{2}}\neq x

Así siguiendo, consigo (xnk)kNxnkxK(x_{n_{k}})_{k \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x \in K

(3)    (2):(3)\implies(2):

  • Sea LKL\subseteq K un conjunto infinito.
  • Si LL no tiene puntos de acumulación en K.K.     xK\implies \forall x \in K, xx no es punto de acumulación de LL     xK,x∉L\implies \forall x \in K,x \not\in L'
    xK,rx>0#B(x,rx)L<\implies \forall x \in K,\:\exists\:r_{x}>0\bigm| \#B(x,r_{x})\cap L<\infty
  • KxKB(x,rx)K \subseteq \bigcup_{x \in K}B(x,r_{x}) es un cubrimiento por abiertos de K.K. Por hipótesis, \:\exists\: subcubrimiento finito:
x1,,xnKi=1nB(xi,rxi)\:\exists\:x_{1},\dots,x_{n}\bigm| K\subseteq \bigcup_{i=1}^{n} B(x_{i},r_{x_{i}})

KL=LK\cap L=L

    L#=i=1n(B(xi,rxi)L)#<\implies \underbrace{ L }_{ \#=\infty }\subseteq \bigcup_{i=1}^{n} \underbrace{ (B(x_{i},r_{x_{i}})\cap L) }_{ \#<\infty }

Absurdo. Queda (1)    (3)(3)    (2)(1)\implies(3)\lor(3)\implies(2)

\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

Obs:Obs:

Si K compacto      completo\text{Si $K$ compacto $\implies$ completo}

Dem:Dem: Sea (xn)nNK( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq K de Cauchy. Como KK compacto     (xnk)kNxnkxK\implies \:\exists\:( x_{n_{k}} )_{k \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x \in K Como (xn)(x_{n}) de Cauchy     xnx\implies x_{n}\longrightarrow x

Acá que sea de Cauchy no implica que converge. Es que es de Cauchy y ADEMÁS tiene subsucesión convergente.

\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

Demostración revisada

Hipótesis: Sea KK un conjunto compacto. Objetivo: Probar que toda sucesión de Cauchy en KK converge a un punto de KK.

Paso 1: Existencia del candidato a límite Sea (xn)nNK(x_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq K una sucesión de Cauchy cualquiera. Por la definición de Compacidad Secuencial, toda sucesión en KK admite una subsucesión convergente.

(xnk)kN(xn)tal quexnkL\exists \: (x_{n_k})_{k \in \mathbb{N}} \subseteq (x_n) \quad \text{tal que} \quad x_{n_k} \longrightarrow L

Donde LKL \in K (el límite pertenece al conjunto por ser compacto).

Paso 2: Convergencia de toda la sucesión Queremos demostrar que la sucesión original (xn)(x_n) converge a LL. Usamos la Desigualdad Triangular:

d(xn,L)d(xn,xnk)+d(xnk,L)d(x_n, L) \leq d(x_n, x_{n_k}) + d(x_{n_k}, L)

Sea ϵ>0\epsilon > 0:

  1. Por ser de Cauchy: Existe N1N_1 tal que si n,mN1    d(xn,xm)<ϵ/2n, m \geq N_1 \implies d(x_n, x_m) < \epsilon/2.
  2. Por la subsucesión: Existe K1K_1 tal que si kK1    d(xnk,L)<ϵ/2k \geq K_1 \implies d(x_{n_k}, L) < \epsilon/2.

Tomamos un índice suficientemente grande. Sea nN1n \geq N_1 y elegimos un índice de la subsucesión nkn_k tal que nkN1n_k \geq N_1 y kK1k \geq K_1. Entonces:

d(xn,L)d(xn,xnk)<ϵ/2 (Cauchy)+d(xnk,L)<ϵ/2 (Lıˊmite)d(xn,L)<ϵ2+ϵ2=ϵ\begin{aligned} d(x_n, L) &\leq \underbrace{d(x_n, x_{n_k})}_{< \epsilon/2 \text{ (Cauchy)}} + \underbrace{d(x_{n_k}, L)}_{< \epsilon/2 \text{ (Límite)}} \\ d(x_n, L) &< \frac{\epsilon}{2} + \frac{\epsilon}{2} = \epsilon \end{aligned}

Conclusión:

xnLKx_n \longrightarrow L \in K

Como toda sucesión de Cauchy converge en KK, el espacio KK es completo.

[!done] Q.E.D.


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sea F:(M,d)(N,d) continua.Sea KM compacto     F(K) compacto.\begin{array}{l} \text{Sea $F:(M,d)\to(N,d')$ continua.}\\ \text{Sea $K\subseteq M$ compacto $\implies F(K)$ compacto.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea (yn)F(K)(y_{n})\subseteq F(K)

(xn)K,yn=F(xn)\:\exists\:(x_{n})\subseteq K,y_{n}=F(x_{n})

    (xnk)xnkxK\implies \:\exists\:(x_{n_{k}})\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x \in K Como FF es continua     F(xnk)F(x)F(x)\implies F(x_{n_{k}})\longrightarrow F(x) \in F(x)

\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

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 ff 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)nNF(K)(y_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq F(K) una sucesión arbitraria en la imagen. Por definición de imagen, para cada yny_n existe un punto en el dominio:

(xn)Ktal queF(xn)=yn\exists (x_n) \subseteq K \quad \text{tal que} \quad F(x_n) = y_n

Paso 2: Compacidad del Dominio Como KK es compacto (secuencialmente), la sucesión (xn)(x_n) admite una subsucesión convergente:

(xnk)(xn)tal quexnkx\exists (x_{n_k}) \subseteq (x_n) \quad \text{tal que} \quad x_{n_k} \longrightarrow x

Donde xKx \in K (el límite se queda en KK).

Paso 3: Continuidad de la Función Como FF es continua en xx, preserva límites de sucesiones ("manda límites a límites"):

xnkx    F(xnk)F(x)x_{n_k} \to x \implies F(x_{n_k}) \longrightarrow F(x)

Paso 4: Conclusión Recordando que ynk=F(xnk)y_{n_k} = F(x_{n_k}), tenemos:

ynkF(x)y_{n_k} \longrightarrow F(x)

Como xKx \in K, entonces el límite F(x)F(K)F(x) \in F(K). \therefore Toda sucesión en F(K)F(K) tiene una subsucesión convergente en F(K)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 (f1(Abierto)=Abiertof^{-1}(Abierto) = Abierto).

Paso 1: Cubrimiento de la Imagen Sea {Vα}αA\{ V_\alpha \}_{\alpha \in A} un cubrimiento por abiertos arbitrario de F(K)F(K).

F(K)αAVαF(K) \subseteq \bigcup_{\alpha \in A} V_\alpha

Paso 2: Preimagen del Cubrimiento Tomamos la preimagen de los abiertos. Por continuidad de FF, cada conjunto F1(Vα)F^{-1}(V_\alpha) es un abierto en MM. Consideramos la familia {F1(Vα)}αA\{ F^{-1}(V_\alpha) \}_{\alpha \in A}.

Veamos que esto cubre a KK: Si xK    F(x)F(K)Vαx \in K \implies F(x) \in F(K) \subseteq \bigcup V_\alpha.     α0\implies \exists \alpha_0 tal que F(x)Vα0F(x) \in V_{\alpha_0}.     xF1(Vα0)\implies x \in F^{-1}(V_{\alpha_0}).

Por lo tanto, {F1(Vα)}\{ F^{-1}(V_\alpha) \} es un cubrimiento por abiertos de KK.

Paso 3: Compacidad del Dominio Como KK es compacto, este cubrimiento admite un subcubrimiento finito. Existen índices α1,,αm\alpha_1, \dots, \alpha_m tales que:

Ki=1mF1(Vαi)K \subseteq \bigcup_{i=1}^m F^{-1}(V_{\alpha_i})

Paso 4: Volver a la Imagen Aplicamos FF a la inclusión anterior:

F(K)F(i=1mF1(Vαi))F(K) \subseteq F\left( \bigcup_{i=1}^m F^{-1}(V_{\alpha_i}) \right)

Usando propiedades de conjuntos (F(F1(B))BF(F^{-1}(B)) \subseteq B):

F(K)i=1mVαiF(K) \subseteq \bigcup_{i=1}^m V_{\alpha_i}

Conclusión Hemos encontrado un subcubrimiento finito {Vα1,,Vαm}\{ V_{\alpha_1}, \dots, V_{\alpha_m} \} para el cubrimiento original de F(K)F(K). \therefore F(K)F(K) es compacto.

[!done] Q.E.D. (Vía Cubrimientos)


Ejemplos:Ejemplos:

MM con d1d2d_{1}\sim d_{2} id:(M,d1)(M,d2)id:(M,d_{1})\to (M,d_{2}) es continua.

Recordamos:

d1d2 si xM,r>0,r1,r2>0:Bd1(x,r1)Bd2(x,r)Bd2(x,r2)Bd1(x,r)\begin{array}{c} d_{1}\sim d_{2}\text{ si } \forall x \in M,\forall r>0,\:\exists\:r_{1},r_{2}>0: \\ B_{d_{1}}(x,r_{1})\subseteq B_{d_{2}}(x,r) \\ B_{d_{2}}(x,r_{2})\subseteq B_{d_{1}}(x,r) \end{array}

Dem:Dem: Sea xM,E>0    δ>0Bd1(x,δ)Bd2(x,E)x \in M,\mathcal{E}>0\implies \:\exists\:\delta>0\bigm|B_{d_{1}}(x,\delta)\subseteq B_{d_{2}}(x,\mathcal{E})

id(Bd1(x.δ))Bd2(id(x),E)id(B_{d_{1}}(x.\delta))\subseteq B_{d_{2}}(id(x),\mathcal{E})     id continua xM\implies id\text{ continua } \forall x \in M

Por la propiedad, KMK\subseteq M es compacto con d1    d_{1}\iff es compacto a d2d_{2}


Obs:Obs:

No vale ni con abiertos ni con cerrados\text{No vale ni con abiertos ni con cerrados}
Ejemplos:Ejemplos: f(x)=x2,A=(1,1)f(x)=x^{2},A=(-1,1)

f(A)=[0,1)f(A)=[0,1) no es abierto.

f(x)=ex,F=Rf(x)=e^{x} ,F=\mathbb{R}

f(R)=(0,+)f(\mathbb{R})=(0,+\infty) no es cerrado.


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

F:KR continua y K es compacto     F(K) tiene maˊximo y mıˊnimo.\begin{array}{l} \text{$F:K\longrightarrow \mathbb{R}$ continua y $K$ es compacto $\implies F(K)$ tiene máximo y mínimo.} \end{array}

Dem:Dem: FF continua y KK compacto     F(K)\implies F(K) compacto     F(K)\implies F(K) cerrado y acotado. Ahora F(K)RF(K)\subseteq \mathbb{R} cerrado y acotado.     F(K)\implies F(K) tiene máximo y mínimo.

\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

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

F:MN,M compacto y F continua     F uniformemente continua.\begin{array}{l} \text{$F:M\to N,M$ compacto y $F$ continua $\implies F$ uniformemente continua.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Supongamos que no es uniformemente continua.     E>0,δ>0x,y:\implies \:\exists\:\mathcal{E}>0,\forall\delta>0\bigm|\:\exists\:x,y:

d(x,y)<δ y d(F(x),F(y))Ed(x,y)<\delta\text{ y }d'(F(x),F(y))\geq \mathcal{E}

Elijo δ=1n\delta= \frac{1}{n} y d(F(xn),F(yn))Ed'(F(x_{n}),F(y_{n}))\geq\mathcal{E} Como MM es compacto     (xnk)kNxnkx\implies \:\exists\:( x_{n_{k}} )_{k \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{k}}\longrightarrow x Considero (ynk)kNM    (ynkj)jNynkjy( y_{n_{k}} )_{k \in \mathbb{N}}\subseteq M\implies \:\exists\:(y_{n_{k_{j}}})_{j \in \mathbb{N}}\bigm|y_{n_{k_{j}}}\longrightarrow y Por otro lado, los xnkjxx_{n_{k_{j}}}\longrightarrow x

    d(x,y)d(xnkj,x)0+d(x,ynkj)1nkj0+d(ynkj,y)0    d(x,y)=0\implies d(x,y)\leq \underbrace{ d(x_{n_{k_{j}}},x) }_{ \longrightarrow 0 }+\underbrace{ d(x,y_{n_{k_{j}}}) }_{ \leq \frac{1}{n_{k_{j}}}\longrightarrow 0 }+\underbrace{ d(y_{n_{k_{j}}},y) }_{ \longrightarrow 0 }\implies d(x,y)=0

Ahora, entonces ynkjxy_{n_{k_{j}}}\longrightarrow x y xnkjxx_{n_{k_{j}}}\longrightarrow x Como FF es continua, entonces:

F(ynkj)F(x)F(y_{n_{k_{j}}})\longrightarrow F(x) F(xnkj)F(x)F(x_{n_{k_{j}}})\longrightarrow F(x) Ed(F(xnkj),F(ynkj))d(F(xnkj),F(x))0+d(F(x),F(ynkj))0\mathcal{E}\leq d'(F(x_{n_{k_{j}}}),F(y_{n_{k_{j}}}))\leq \underbrace{ d'(F(x_{n_{k_{j}}}),F(x)) }_{ \longrightarrow 0 }+\underbrace{ d'(F(x),F(y_{n_{k_{j}}})) }_{ \longrightarrow 0 }

Absurdo


Citas y Comentarios

Revisar todas las demos, no pude ir a esta clase. Los pasaron al grupo.

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