#7Espacios métricos

2025 - Teórica 7 - Espacios métricos III

21 min de lectura

Tue-15-04-2025 18:08 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Espacios métricos


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

Sea (M,d) un espacio meˊtrico.FMF es cerrado     Fc es abierto.\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ un espacio métrico.} \\\text{$F\subseteq M$, $F$ es cerrado $\iff F^{c}$ es abierto.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }     )\implies) FF es cerrado. Sea xFc    x∉Fx \in F^{c}\implies x \not\in \overline{F}     r>0B(x,r)F=\implies \:\exists\:r> 0\bigm|B(x,r)\cap F=\emptyset     B(x,r)Fc\implies B(x,r)\subseteq F^{c}

    )\impliedby) FcF^{c} es abierto. Quiero ver que FF es cerrado. Sea xFx \in \overline{F} Supongo que xFcx \in F^{c}     r>0B(x,r)Fc\implies \:\exists\:r>0\bigm|B(x,r)\subseteq F^{c}     B(x,r)F=\implies B(x,r)\cap F=\emptyset Absurdo, pues xFx \in \overline{F}     xF\implies x \in F.

\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:No abierto      cerrado.\begin{array}{c} \text{Obs:} \\ \text{No abierto $\cancel{ \implies }$ cerrado.} \end{array}

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

,M son cerrados.\begin{array}{l} \text{$\emptyset, M$ son cerrados.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } c=M\emptyset ^{c}=M es abierto. Mc=M^{c}=\emptyset es cerrado.

\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

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

(M,d) espacio meˊtrico. 1. Si {Fi}iI cerrados     F=Fi es cerrado.2. Si {Fi}i=1n cerrados     i=1nFi es cerrado. \begin{array}{l} \text{$(M,d)$ espacio métrico. }\\ \text{1. Si $\{ F_{i} \}_{i \in I}$ cerrados $\implies F=\bigcap F_{i}$ es cerrado.}\\ \text{2. Si $\{ F_{i} \}^{n}_{i=1}$ cerrados $\implies \bigcup_{i=1}^{n}F_{i}$ es cerrado. } \end{array}

Demostracioˊn:{\color{violet}\text{Demostración:}}

1. Intersección arbitraria de cerrados

Sea F=iIFiF = \bigcap_{i\in I}F_i. Como cada FiF_i es cerrado, su complemento FicF_i^c es abierto. Entonces:

Fc  =  (iIFi)c  =  iIFic,F^c \;=\;\bigl(\bigcap_{i\in I}F_i\bigr)^c \;=\;\bigcup_{i\in I}F_i^c,

y una unión (incluso infinita) de abiertos es abierta (visto en la teo anterior). Por tanto FcF^c es abierto, lo que implica que FF es cerrado.

2. Unión finita de cerrados

Sea G=i=1nFiG = \bigcup_{i=1}^n F_i. Como cada FiF_i es cerrado, FicF_i^c es abierto. Luego:

Gc  =  (i=1nFi)c  =  i=1nFic,G^c \;=\;\bigl(\bigcup_{i=1}^n F_i\bigr)^c \;=\;\bigcap_{i=1}^n F_i^c,

y una intersección finita de abiertos es abierta (visto en la teo anterior). Por tanto GcG^c es abierto y GG es cerrado.


Ejemplo:Ejemplo:

(M,d)(M,d), con F={x}F=\{ x \} es cerrado. Sea yFy \in \overline{F}     r>0B(y,r)F\implies \forall r>0\bigm|B(y,r)\cap F\neq \emptyset     r>0xB(y,r)    r>0:d(x,y)<r\implies \forall r>0\bigm|x \in {B(y,r)}\implies \forall r>0:d(x,y)<r     x=y\implies x=y

  1. F={x1,,xn}(M,d)F=\{ x_{1},\dots,x_{n} \}\subseteq(M,d)     F\implies F es cerrado.
F={xi}F=\bigcup \{ x_{i} \}
Ejercicios:Ejercicios:
  1. Si E(R,)E\subseteq(\mathbb{R},\lvert \cdot \rvert) acotado y no vacío     sup(E),inf(E)E\implies sup(E),inf(E)\in \overline{E}

  2. B[x,r](M,d)B[x,r]\subseteq(M,d) es cerrado.


Ejercicio 1:{\color{violet}\text{Ejercicio 1:}}

Sea E(R,) acotado y no vacıˊo.Demostrar que sup(E),inf(E)E.\begin{array}{l} \text{Sea }E\subseteq(\mathbb{R},|\cdot|)\text{ acotado y no vacío.}\\ \text{Demostrar que }\sup(E),\,\inf(E)\in\overline{E}. \end{array}

Solucioˊn:{\color{violet}\text{Solución:}}

Sea M=sup(E)M = \sup(E). Como EE está acotado y no vacío, MM existe y es finito. Para ver que MEM\in\overline{E}, basta mostrar que para todo ε>0\varepsilon>0,

B(M,ε)    E    .B(M,\varepsilon)\;\cap\;E\;\neq\;\emptyset.

Por definición de supremo, para cada ε>0\varepsilon>0 existe xEx\in E tal que

Mε<xM.M - \varepsilon < x \le M.

Entonces xB(M,ε)x\in B(M,\varepsilon) y xEx\in E, lo que prueba que B(M,ε)EB(M,\varepsilon)\cap E\neq\emptyset. Por lo tanto MM es punto de adherencia de EE, es decir, MEM\in\overline{E}.

De forma análoga, sea m=inf(E)m = \inf(E). Para cada ε>0\varepsilon>0 existe yEy\in E con

my<m+ε,m \le y < m + \varepsilon,

luego yB(m,ε)Ey\in B(m,\varepsilon)\cap E\neq\emptyset. Con esto mEm\in\overline{E}.

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Ejercicio 2:{\color{violet}\text{Ejercicio 2:}}

Sea (M,d) un espacio meˊtrico, xM y r>0.Demostrar que la bola cerrada B[x,r]={yM:d(x,y)r} es cerrada.\begin{array}{l} \text{Sea }(M,d)\text{ un espacio métrico, }x\in M\text{ y }r>0.\\ \text{Demostrar que la bola cerrada }B[x,r]=\{\,y\in M:d(x,y)\le r\}\text{ es cerrada.} \end{array}

Demostracioˊn:{\color{violet}\text{Demostración:}}

Para probar que B[x,r]B[x,r] es cerrado, veremos que su complemento es abierto.

Sea

U  =  (B[x,r])c  =  {yM:d(x,y)>r}.U \;=\; \bigl(B[x,r]\bigr)^{c} \;=\;\{\,y\in M: d(x,y)>r\}.

Tomemos yUy\in U, de modo que d(x,y)>rd(x,y)>r. Definamos

ε  =  d(x,y)r  >  0.\varepsilon \;=\; d(x,y) - r \;>\; 0.

Consideremos la bola abierta B(y,ε)B(y,\varepsilon). Si zB(y,ε)z\in B(y,\varepsilon), entonces por la desigualdad triangular:

d(x,z)    d(x,y)d(y,z)  >  d(x,y)ε  =  r.d(x,z)\;\ge\;d(x,y)-d(y,z)\;>\;d(x,y)-\varepsilon\;=\;r.

Así, d(x,z)>rd(x,z)>r, es decir, zB[x,r]z\notin B[x,r]. Por lo tanto

B(y,ε)    U.B(y,\varepsilon)\;\subseteq\;U.

Esto muestra que todo punto de UU tiene un entorno abierto contenido en UU, luego UU es abierto.
Por consiguiente, (B[x,r])c\bigl(B[x,r]\bigr)^{c} es abierto y B[x,r]B[x,r] es cerrado.

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea (M,d) espacio meˊtrico, EM xM es un punto de acumulacioˊn de E si r>0:B(x,r)E B(x,r)E{x}:\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ espacio métrico, $E\subseteq M$ }\\ \text{$x \in M$ es un punto de acumulación de $E$ si $\forall r>0:B(x,r)\cap E\neq \emptyset$ }\\ \text{y $B(x,r)\cap E\neq \{ x \}:$} \end{array}

Equivalentemente:

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

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

E=EE\begin{array}{l} \text{$\overline{E}=E\cup E'$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } EEE\subseteq \overline{E} EEE'\subseteq \overline{E} por definición. Sea xEx \in \overline{E} si x∉E,r>0:x\not\in E,\forall r>0:

B(x,r)EB(x,r)\cap E\neq \emptyset

porque xEx \in \overline{E}

B(x,r)E{x}B(x,r)\cap E\neq \{ x \}

porque x∉Ex \not\in E


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea (M,d) espacio meˊtrico, EM xM es un punto frontera sir>0:B(x,r)E y B(x,r)Ec \begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ espacio métrico, $E\subseteq M$ }\\ \text{$x \in M$ es un punto frontera si}\\ \text{$\forall r>0:B(x,r)\cap E\neq \emptyset$ y $B(x,r)\cap E^{c}\neq \emptyset$ } \end{array}

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

E=EE \begin{array}{l} \text{$\overline{E}=E\cup \partial E$ } \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

Por definición:

EEEE\cup\partial E\subseteq \overline{E}

Sea xE.x \in \overline{E}. Si x∉E,r>0x \not\in E,\forall r>0

B(x,r)E(xE)B(x,r)\cap E\neq \emptyset \quad (x \in \overline{E}) B(x,r)Ec(x∉E    xEc)B(x,r)\cap E^{c} \neq \emptyset \quad (x \not\in E\implies x \in E^{c} )     xE\implies x \in \partial E \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

Pregunta: E=EE=EE.\overline{E}=E\cup E'=E\cup \partial E. Hay relación entre EE' y E\partial E ? E=EE'=\partial E ? NO


Ejemplos:Ejemplos:

Considero (R,)(\mathbb{R},|\cdot|).

  1. E=ZE=\mathbb{Z}

E=Z\overline{E}=\mathbb{Z} Si x∉Z,n<x<n+1    r>0(xr,x+r)Z=x \not\in \mathbb{Z},n<x<n+1\implies \:\exists\:r>0\bigm|(x-r,x+r)\cap \mathbb{Z}=\emptyset E=E'=\emptyset Si nZ,0<r<1n\in \mathbb{Z},0<r<1

B(n,r)=(nr,n+r)Z={n}B(n,r)=(n-r,n+r)\cap \mathbb{Z}=\{ n \}

E=Z\partial E=\mathbb{Z}

r>0,B(x,r)Z\forall r>0,B(x,r)\cap \mathbb{Z}\neq \emptyset

y

b(x,r)Zcb(x,r)\cap \mathbb{Z}^{c}\neq \emptyset
  1. E=(0,1)E=(0,1) E=[0,1]\overline{E}=[0,1] E=[0,1]E'=[0,1] E={0,1}\partial E=\{ 0,1 \}

  2. E=QE=\mathbb{Q} E=R,E=R\overline{E}=\mathbb{R},E'=\mathbb{R} xRx \in \mathbb{R}, (xr,x+r)(x-r,x+r) hay infinitos racionales.1


Veamos que x∉Z    x∉Zx\not\in \mathbb{Z}\implies x \not\in \overline{\mathbb{Z}}

    nZn<x<n+1\implies \:\exists\:n \in \mathbb{Z}\bigm| n<x<n+1

Elijo r=min{xn,n+1x}>0r=min\{ x-n,n+1-x \}>0

n∉(xr,x+r)n<xr    r<xnn+1∉(xr,x+r)n+1>x+r    r<n+1x    (xr,x+r)Z=\begin{array}{c} n \not\in(x-r,x+r) \\ n<x-r\iff r<x-n \\ n +1\not\in(x-r,x+r) \\ n+1>x+r\iff r<n+1-x \\ \implies(x-r,x+r)\cap \mathbb{Z}=\emptyset \end{array}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea (M,d) espacio meˊtrico, EM.xE se dice punto aislado de E si:r>0B(x,r)E={x}\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ espacio métrico, $E\subseteq M.x \in E$ se dice punto aislado de $E$ si:}\\ \text{$\:\exists\:r>0\bigm|B(x,r)\cap E=\{ x \}$} \end{array}

Ejercicio:Ejercicio: Sea (M,d)(M,d) espacio métrico, EM.E\subseteq M. Si xE    xEx \in \overline{E}\implies x \in E' o xx es aislado.

Ejercicio:{\color{violet}\text{Ejercicio:}}

Sea (M,d) un espacio meˊtrico y EM.Demostrar que si xE entonces xE o x es aislado.\begin{array}{l} \text{Sea }(M,d)\text{ un espacio métrico y }E\subseteq M.\\ \text{Demostrar que si }x\in\overline{E}\text{ entonces }x\in E'\text{ o }x\text{ es aislado.} \end{array}

Demostracioˊn:{\color{violet}\text{Demostración:}}

Sea xEx\in\overline{E}. Entonces

r>0,B(x,r)E.\forall r>0,\quad B(x,r)\cap E\neq\emptyset.

Consideramos dos casos:

  1. xx es punto de acumulación:
    Si para todo r>0r>0 existe yEy\in E con yxy\neq x y d(x,y)<rd(x,y)<r, entonces
xEx\in E'
por definición de conjunto derivado.

2. xx es punto aislado:
Si no sucede lo anterior, existe r0>0r_{0}>0 tal que

B(x,r0)(E{x})=.B(x,r_{0})\cap\bigl(E\setminus\{x\}\bigr)=\emptyset.
Pero como $x\in\overline{E}$, también
B(x,r0)E,B(x,r_{0})\cap E\neq\emptyset,
de donde
B(x,r0)E={x}.B(x,r_{0})\cap E=\{x\}.
Esto significa que $x\in E$ y ningún otro punto de $E$ está en esa bola, es decir, $x$ es un punto aislado de $E$.

En ambos casos, queda demostrado que

xEo bienx es aislado.x\in E'\quad\text{o bien}\quad x\text{ es aislado.}

Citas y Comentarios

Temas relacionados