#9Espacios métricos

2025 - Teórica 9 - Espacios métricos VI

16 min de lectura

Thu-24-04-2025 18:03 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Espacios métricos


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Una sucesioˊ(xn)nNM es de Cauchy si ε>0n0Nsin,mn0    d(xn,xm)<ε\begin{array}{l} \text{Una sucesión $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ es de Cauchy si $\forall \varepsilon>0 \:\exists\:n_{0} \in \mathbb{N}\bigm|$}\\ si\:n,m\geq n_{0}\implies d(x_{n},x_{m})<\varepsilon \end{array}

Ejemplos:Ejemplos:
  1. xn1nx_{n}- \frac{1}{n} en (R,)(\mathbb{R},|\cdot|)
  2. (M,δ).(xn)nNM(M,\delta).( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M es de Cauchy?
δ(xn,xm)<εSiε<1xn=xmn,mn0\delta(x_{n},x_{m})<\varepsilon\to Si\:\varepsilon<1\to x_{n}=x_{m}\quad \forall n,m\geq n_{0}

Luego, las sucesiones de Cauchy son las eventualmente constantes.

  1. En (C[0,1],d1)(C[0,1],d_{1})
d1(f,g)=01f(x)g(x)dxd_{1}(f,g)=\int _{0}^1 |f(x)-g(x)| \, dx fn(x)={0x[0,121n]linealx[121n,12]1x[12,1]f_{n}(x)=\begin{cases} 0 & x \in\left[ 0, \frac{1}{2}- \frac{1}{n} \right] \\ lineal & x \in\left[ \frac{1}{2}- \frac{1}{n}, \frac{1}{2} \right] \\ 1 & x \in \left[ \frac{1}{2},1 \right] \end{cases}

con n3n\geq 3

draw-avanzad2025-metricosVI-1

(fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy

d1(fn,fm)=?d_{1}(f_{n},f_{m})=?

draw-avanzad2025-metricosVI-2

Las áreas se van achicando.


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

Sea (xn)nNM y xnx    (xn) es de Cauchy.\begin{array}{l} \text{Sea $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ y $x_{n}\to x\implies(x_{n})$ es de Cauchy.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea ε>0\varepsilon>0

d(xn,xm)d(xn,x)<ε2+d(x,xm)<ε2<εd(x_{n},x_{m})\leq \underbrace{ d(x_{n},x) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }+\underbrace{ d(x,x_{m}) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }<\varepsilon

Sea n0Nnn0    d(xn,x)<ε2n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies d(x_{n},x)< \frac{\varepsilon}{2} Si n,mn0:n,m\geq n_{0}:

d(xn,xm)<εd(x_{n},x_{m})<\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

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

Si (xn)nNM es de Cauchy entonces (xn)nN es acotada.\begin{array}{l} \text{Si $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M$ es de Cauchy entonces $( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}$ es acotada.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Elijo ε=1\varepsilon=1 y existe n0Nn_{0}\in \mathbb{N}\bigm| si n,mn0,d(xn,xm)<1n,m\geq n_{0},d(x_{n},x_{m})<1 entonces xnB(xn0,1)nn0x_{n}\in B(x_{n_{0}},1)\quad\forall n\geq n_{0} Considero

R=max{1,d(x1,xn0),d(x2,xn0),,d(xn01,xn0)}R=max\{ 1,d(x_{1},x_{n_{0}}),d(x_{2},x_{n_{0}}),\dots,d(x_{n_{0}-1},x_{n_{0}}) \}

Luego, si r>R    xnB(xn0,r)n    (xn)nN es acotadar>R\implies x_{n}\in B(x_{n_{0}},r)\quad\forall n\implies ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\text{ es acotada}


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

Sea (xn)nN una sucesioˊn de Cauchy en el espacio meˊtrico (M,d),y supongamos que existe una sub‑sucesioˊ(xnj)jN tal que xnjx.Entonces xnx.\begin{array}{l} \text{Sea $(x_n)_{n\in\mathbb{N}}$ una sucesión de Cauchy en el espacio métrico $(M,d)$,}\\ \text{y supongamos que existe una sub‑sucesión $(x_{n_j})_{j\in\mathbb{N}}$ tal que }x_{n_j}\to x.\\ \text{Entonces }x_n\to x. \end{array}

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

Dado ε>0\varepsilon>0, como (xn)(x_n) es de Cauchy existe N1NN_1\in\mathbb{N} tal que

n,mN1    d(xn,xm)<ε2.n,m\ge N_1\;\Longrightarrow\;d(x_n,x_m)<\tfrac{\varepsilon}{2}.

Por otra parte, al converger la sub‑sucesión, existe JNJ\in\mathbb{N} con

d(xnJ,x)<ε2y ademaˊsnJN1.d(x_{n_J},x)<\tfrac{\varepsilon}{2} \quad\text{y además}\quad n_J\ge N_1.

Ahora, para cualquier nN1n\ge N_1 se cumple:

d(xn,x)d(xn,xnJ)+d(xnJ,x)<ε2+ε2=ε.\begin{aligned} d(x_n,x) &\le d(x_n,x_{n_J})+d(x_{n_J},x) < \tfrac{\varepsilon}{2} + \tfrac{\varepsilon}{2} = \varepsilon. \end{aligned}

Por lo tanto xnxx_n\to x.

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) un espacio meˊtrico. M es completo si toda sucesioˊn de Cauchy es convergente\begin{array}{l} \text{Sea $(M,d)$ un espacio métrico. $M$ es completo si toda sucesión de Cauchy es convergente} \end{array}

(si tiene límite en MM )


Ejemplos:Ejemplos:
  1. (Q,)(\mathbb{Q},|\cdot|) no es completo
(qn)nNQqn2( q_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{Q}\bigm| q_{n}\to \sqrt{ 2 }

    (qn)\implies(q_{n}) es de Cauchy y no converge en Q\mathbb{Q}.

  1. (M,δ)(M,\delta) es completo
  2. M={1n:nN}M=\left\{ \frac{1}{n}:n \in \mathbb{N} \right\} d1(x,y)=xyd_{1}(x,y)=|x-y| xn=1n,(xn)nNMx_{n}= \frac{1}{n},\quad( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M es de Cauchy y no converge (en MM).
        (M,d1)\implies(M,d_{1}) no es completo.
(M,δ) si es completo(M,\delta)\text{ si es completo}

tarea: δd1\delta \sim d_{1}


Obs:Obs:

MM con métricas equivalentes d1d_{1} y d2d_{2}. Si (M,d1)(M,d_{1}) es completo     (M,d2)\cancel{ \implies }(M,d_{2}) es completo.


Ejercicio: MM con métricas d1d_{1} y d2d_{2} tal que C1,C2>0\:\exists\:C_{1},C_{2}>0\bigm|

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

Si (M,d1)(M,d_{1}) es completo     (M,d2)\implies(M,d_{2}) es completo.


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

(R,) es completo.\begin{array}{l} \text{$(\mathbb{R},|\cdot|)$ es completo.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea (xn)nNR( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} de Cauchy. Consideramos

X1={xn:nN}RX2={xn:n>2}RXk={xn:n>k}\begin{array}{c} X_{1}=\{ x_{n}:n \in \mathbb{N} \}\subseteq \mathbb{R} \\ X_{2}=\{ x_{n}:n> 2 \}\subseteq \mathbb{R} \\ X_{k}=\{ x_{n}:n>k \} \end{array}

X1X_{1} es acotado(Cauchy implica acotado en R\mathbb{R} ) y el resto también porque:

X1X2X3XkX_{1}\supseteq X_{2}\supseteq X_{3}\supseteq\dots \supseteq X_{k}\supseteq\dots

    \implies todos los XkX_{k} tienen ínfimo y supremo. Sea

a1=inf(X1)a2=inf(X2)ak=inf(Xk)\begin{array}{c} a_{1}=inf(X_{1}) \\ a_{2}=inf(X_{2}) \\ \vdots \\ a_{k}=inf(X_{k}) \end{array}

Como

a1a2a3akb=sup(X1)a_{1}\leq a_{2}\leq a_{3}\leq \dots\leq a_{k}\leq \dots \leq b=sup(X_{1})

Luego (an)nN( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} monótona creciente y acotada. Por ej. 11 de la guía 1:

    a=limnan\implies \:\exists\:a=\underset{ n\to \infty }{ \lim } a_{n}

Acá (an)(a_{n}) es la sucesión definida por todos los ínfimos de mis XiX_{i} .

Falta ver que a=limnxna=\underset{ n\to \infty }{ \lim }x_{n} . Es decir, que mi sucesión original xnx_{n} converge. Esto lo haré tomando una subsucesión y ver que xnjax_{n_{j}}\longrightarrow a.

Vamos a ver que (xnj)jNxnja\:\exists\:( x_{n_{j}} )_{j \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{j}}\to a Construimos la subsucesión de esta manera: Sea n1a1xn1a1+1n_{1}\bigm|a_{1}\leq x_{n_{1}}\leq a_{1}+1 Sea n2an1xn2an1n_{2}\bigm|a_{n_{1}}\leq x_{n_{2}}\leq a_{n_{1}} + 12\frac{1}2{}
Elijo njanj1axnjanj1+1jan_{j}\bigm|\underbrace{ a_{n_{j-1}} }_{ \to a }\leq x_{n_{j}}\leq \underbrace{ a_{n_{j}-1}+ \frac{1}{j} }_{ \to a }

Tomo límite en jj\to \infty

xnjax_{n_{j}}\to a \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

Usé propiedades de ínfimo y teorema del chanwich.


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

Rn con d1,d2 y d es completo.\begin{array}{l} \text{$\mathbb{R}^{n}$ con $d_{1},d_{2}$ y $d_{\infty}$ es completo.} \end{array}

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