#8Espacios métricos

2025 - Teórica 8 - Espacios métricos IV

17 min de lectura

Tue-22-04-2025 18:03 profe: Natalia Accomazzo Scotti
status: tags: Espacios métricos


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea M un conjunto. Si d1 y d2 son dos meˊtricas sobre M, decimos que son equivalentes(definen la misma topologia)si r>0,r1,r2>0: \begin{array}{l} \text{Sea $M$ un conjunto. Si $d_{1}$ y $d_{2}$ son dos métricas sobre $M,$ }\\ \text{decimos que son equivalentes(definen la misma topologia)}\\ \text{si $\forall r>0,\:\exists\:r_{1},r_{2}>0:$ } \end{array} Bd1(x,r1)Bd2(x,r)B_{d_{1}}(x,r_{1})\subseteq B_{d_{2}}(x,r) Bd2(x,r2)Bd1(x,r)xB_{d_{2}}(x,r_{2})\subseteq B_{d_{1}}(x,r)\quad \forall x

draw-metricosIV2025-1


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

M,d1 y d2 meˊtricas. Si existen c1,c2>0:\begin{array}{l} \text{$M,d_{1}$ y $d_{2}$ métricas. Si existen $c_{1},c_{2}>0:$} \end{array} c1d1(x,y)d2(x,y)c2d1(x,y)x,yMc_{1}\cdot d_{1}(x,y)\leq d_{2}(x,y)\leq c_{2}\cdot d_{1}(x,y)\quad \forall x,y \in M

Entonces d1d2.d_{1}\sim d_{2}. Es decir, son equivalentes.

Nota:Nota: no vale la vuelta, N,d1(n,m)=nm,d2(n,m)=δ(n,m)\mathbb{N},d_{1}(n,m)=|n-m|,d_{2}(n,m)=\delta(n,m) d1d2d_{1}\sim d_{2} :Sea r>0r>0

{n}=Bd1(n,12)Bd2(n,r)\{ n \}=B_{d_{1}}\left( n, \frac{1}{2} \right)\subseteq B_{d_{2}}(n,r) {n}=Bd2(n,12)Bd1(n,r)    d1d2\{ n \}=B_{d_{2}}\left( n, \frac{1}{2} \right)\subseteq B_{d_{1}}(n,r)\implies d_{1}\sim d_{2}

Pero a su vez

∄C>0Cnmδ(n,m)n,mN\not\exists\: C>0\quad C\cdot |n-m|\leq \delta(n,m)\quad \forall n,m \in \mathbb{N}

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

Bd1(x,r)={yM:d1(x,y)<r},Bd2(x,r)={yM:d2(x,y)<r}.\begin{aligned} B_{d_{1}}(x,r)&=\{\,y\in M : d_{1}(x,y)<r\},\\ B_{d_{2}}(x,r)&=\{\,y\in M : d_{2}(x,y)<r\}. \end{aligned}

Por hipótesis existen constantes c1,c2>0c_{1},c_{2}>0 tales que

c1d1(x,y)    d2(x,y)    c2d1(x,y)x,yM.c_{1}\,d_{1}(x,y)\;\le\;d_{2}(x,y)\;\le\;c_{2}\,d_{1}(x,y) \quad\forall\,x,y\in M.
  1. De d1d_{1} a d2d_{2}
    Sea yBd1(x,r)y\in B_{d_{1}}(x,r), es decir, d1(x,y)<rd_{1}(x,y)<r. Entonces
d2(x,y)    c2d1(x,y)  <  c2r        yBd2(x,c2r).d_{2}(x,y)\;\le\;c_{2}\,d_{1}(x,y)\;<\;c_{2}\,r \;\implies\; y\in B_{d_{2}}\bigl(x,c_{2}r\bigr).

Por tanto,

Bd1(x,r)    Bd2(x,c2r).B_{d_{1}}(x,r)\;\subseteq\;B_{d_{2}}\bigl(x,c_{2}r\bigr).
  1. De d2d_{2} a d1d_{1}
    Sea yBd2(x,r)y\in B_{d_{2}}(x,r), es decir, d2(x,y)<rd_{2}(x,y)<r. Usando la desigualdad inversa,
d1(x,y)    1c1d2(x,y)  <  rc1        yBd1(x,rc1).d_{1}(x,y)\;\le\;\tfrac{1}{c_{1}}\,d_{2}(x,y)\;<\;\tfrac{r}{c_{1}} \;\implies\; y\in B_{d_{1}}\bigl(x,\tfrac{r}{c_{1}}\bigr).

Por tanto,

Bd2(x,r)    Bd1(x,rc1).B_{d_{2}}(x,r)\;\subseteq\;B_{d_{1}}\bigl(x,\tfrac{r}{c_{1}}\bigr).

Con ambas inclusiones, concluimos que d1d2d_{1}\sim d_{2}, pues generan la misma topología.

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

Obs:Obs: Sea (d(xn,x))nNR :xnx    d(x,xn)0\text{Sea $(d(x_{n},x))_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R}$ }:\quad \quad x_{n}\to x \iff d(x,x_{n})\to 0

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

M,d1,d2 dos meˊtricas equivalentes. Entonces xnx en (M,d1)    xnx en (M,d2)\begin{array}{l} \text{$M,d_{1},d_{2}$ dos métricas equivalentes. }\\ \text{Entonces $x_{n}\to x$ en $(M,d_{1})\iff x_{n}\to x$ en $(M,d_{2})$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Si xnxx_{n}\to x en (M,d1)(M,d_{1}) entonces:

ε>0n0xnBd1(x,ε)nn0\forall\varepsilon>0\:\exists\:n_{0}\bigm| x_{n}\in B_{d_{1}}(x,\varepsilon)\quad \forall n\geq n_{0}

Sea ε>0\varepsilon>0, quiero ver que:

n0xnBd2(x,ε)nn0\:\exists\:n_{0}\bigm| x_{n}\in B_{d_{2}}(x,\varepsilon)\quad \forall n\geq n_{0}

Como d1d2    ε>0d_{1}\sim d_{2}\implies \:\exists\:\varepsilon'>0\bigm|

Bd1(x,ε)Bd2(x,ε)B_{d_{1}}(x,\varepsilon')\subseteq B_{d_{2}}(x,\varepsilon)

xnxx_{n}\to x en (M,d1)(M,d_{1})

    n0xnBd1(x,ε)nn0\implies \:\exists\:n_{0}\bigm| x_{n}\in B_{d_{1}}(x,\varepsilon')\quad \forall n\geq n_{0}     xnBd2(x,ε)nn0\implies x_{n} \in B_{d_{2}}(x,\varepsilon)\quad \forall n\geq n_{0} \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

Nota: Este resultado me sirve también para demostrar que dos métricas no son equivalentes, si encuentro una sucesión que converge en una pero no en la otra.


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

Sea (M,d) un espacio meˊtrico, EM y xM. Entonces:1.xE        (xn)E    xnx.2.xE        (xn)E{x}    xnx.\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ un espacio métrico, $E\subseteq M$ y $x\in M$. Entonces:}\\[4pt] 1.\quad x \in \overline{E}\;\iff\;\exists\,(x_n)\subseteq E\;\bigl|\;x_n\to x.\\[4pt] 2.\quad x \in E'\;\iff\;\exists\,(x_n)\subseteq E\setminus\{x\}\;\bigl|\;x_n\to x. \end{array}

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

1. Punto de adherencia y sucesión en EE.

()(\Rightarrow) Supongamos xEx\in\overline{E}.
Entonces

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

Para cada nNn\in\mathbb{N}, tome

xnB(x,1n)E.x_n\in B\bigl(x,\tfrac1n\bigr)\cap E.

Entonces (xn)E(x_n)\subseteq E y

d(xn,x)<1n    0,d(x_n,x)<\tfrac1n\;\longrightarrow\;0,

por lo que xnxx_n\to x.

()(\Leftarrow) Sea (xn)E(x_n)\subseteq E con xnxx_n\to x.
Dado r>0r>0, existe NN tal que

nN        d(xn,x)<r    xnB(x,r)E.n\ge N\;\implies\;d(x_n,x)<r \;\Longrightarrow\; x_n\in B(x,r)\cap E\neq\emptyset.

Por definición, xEx\in\overline{E}.


2. Punto de acumulación y sucesión distinta de xx.

()(\Rightarrow) Si xEx\in E', entonces

r>0:  (B(x,r){x})E.\forall r>0:\;(B(x,r)\setminus\{x\})\cap E\neq\emptyset.

Análogamente al caso anterior, para cada nn elija

xn(B(x,1n){x})E.x_n\in\bigl(B(x,\tfrac1n)\setminus\{x\}\bigr)\cap E.

Por construcción xnxx_n\neq x, (xn)E{x}(x_n)\subseteq E\setminus\{x\} y

d(xn,x)<1n    0,d(x_n,x)<\tfrac1n\;\longrightarrow\;0,

es decir, xnxx_n\to x.

()(\Leftarrow) Sea (xn)E{x}(x_n)\subseteq E\setminus\{x\} con xnxx_n\to x.
Entonces para todo r>0r>0 existe NN tal que para nNn\ge N,

d(xn,x)<r    xnB(x,r){x},d(x_n,x)<r \;\Longrightarrow\; x_n\in B(x,r)\setminus\{x\},

y como xnEx_n\in E,

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

Por definición, xEx\in E'.

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, XM. Se dice denso si X=M\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ espacio métrico, $X\subseteq M.$ Se dice denso si $\overline{X}=M$} \end{array}

Obs:Obs: xM(xn)nNX\forall x \in M\:\exists\:( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq X tal que xnx    Xx_{n}\to x \iff X es denso.


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

EM es cerrado si y solo si (xn)E con xnx    xE \begin{array}{l} \text{$E\subseteq M$ es cerrado si y solo si $\forall(x_{n})\subseteq E$ con $x_{n}\to x\implies x \in E$ } \end{array}

Ejemplos:Ejemplos:

En (R,)(\mathbb{R},|\cdot|), QR\mathbb{Q}\subseteq \mathbb{R} es denso. I=RQR\mathbb{I}=\mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\subseteq \mathbb{R} es denso. En Rn,Qn\mathbb{R}^{n},\mathbb{Q}^{n} es denso con d1,d2d_{1},d_{2} y dd_{\infty}


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Una sucesioˊ(xn)nNM se dice acotada si {xn:nN}M es acotado.\begin{array}{l} \text{Una sucesión $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ se dice acotada si $\{ x_{n}:n \in \mathbb{N} \}\subseteq M$ es acotado.} \end{array}

Es decir, x,rxnB(x,r)nN\:\exists\:x,r\bigm|x_{n}\in B(x,r)\quad\forall n \in \mathbb{N}


Ejemplo:Ejemplo:

Si (xn)nNM( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M es convergente entonces es acotada.


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