Thu-24-04-2025 18:03
profe: Natalia Accomazzo Scotti
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tags: Espacios métricos
Def. : {\color{Cyan} \text{Def. :} } Def. :
Una sucesi o ˊ n ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy si ∀ ε > 0 ∃ n 0 ∈ N ∣ s i n , m ≥ n 0 ⟹ d ( x n , x m ) < 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} Una sucesi o ˊ n ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy si ∀ ε > 0 ∃ n 0 ∈ N s i n , m ≥ n 0 ⟹ d ( x n , x m ) < ε
E j e m p l o s : Ejemplos: E j e m pl os :
x n − 1 n x_{n}- \frac{1}{n} x n − n 1 en ( R , ∣ ⋅ ∣ ) (\mathbb{R},|\cdot|) ( R , ∣ ⋅ ∣ )
( M , δ ) . ( x n ) n ∈ N ⊆ M (M,\delta).( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M ( M , δ ) . ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy?
δ ( x n , x m ) < ε → S i ε < 1 → x n = x m ∀ n , m ≥ n 0 \delta(x_{n},x_{m})<\varepsilon\to Si\:\varepsilon<1\to x_{n}=x_{m}\quad \forall n,m\geq n_{0} δ ( x n , x m ) < ε → S i ε < 1 → x n = x m ∀ n , m ≥ n 0
Luego, las sucesiones de Cauchy son las eventualmente constantes.
En ( C [ 0 , 1 ] , d 1 ) (C[0,1],d_{1}) ( C [ 0 , 1 ] , d 1 )
d 1 ( f , g ) = ∫ 0 1 ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ d x d_{1}(f,g)=\int _{0}^1 |f(x)-g(x)| \, dx d 1 ( f , g ) = ∫ 0 1 ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ d x
f n ( x ) = { 0 x ∈ [ 0 , 1 2 − 1 n ] l i n e a l x ∈ [ 1 2 − 1 n , 1 2 ] 1 x ∈ [ 1 2 , 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} f n ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 l in e a l 1 x ∈ [ 0 , 2 1 − n 1 ] x ∈ [ 2 1 − n 1 , 2 1 ] x ∈ [ 2 1 , 1 ]
con n ≥ 3 n\geq 3 n ≥ 3
( f n ) n ∈ N ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( f n ) n ∈ N es de Cauchy
d 1 ( f n , f m ) = ? d_{1}(f_{n},f_{m})=? d 1 ( f n , f m ) = ?
Las áreas se van achicando.
Prop. : {\color{Orange} \text{Prop. :} } Prop. :
Sea ( x n ) n ∈ N ⊆ M y x n → x ⟹ ( x n ) 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} Sea ( x n ) n ∈ N ⊆ M y x n → x ⟹ ( x n ) es de Cauchy.
Dem: {\color{Orange} \text{Dem:} } Dem:
Sea ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0
d ( x n , x m ) ≤ d ( x n , x ) ⏟ < ε 2 + d ( x , x m ) ⏟ < ε 2 < ε d(x_{n},x_{m})\leq \underbrace{ d(x_{n},x) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }+\underbrace{ d(x,x_{m}) }_{ < \frac{\varepsilon}{2} }<\varepsilon d ( x n , x m ) ≤ < 2 ε d ( x n , x ) + < 2 ε d ( x , x m ) < ε
Sea n 0 ∈ N ∣ n ≥ n 0 ⟹ d ( x n , x ) < ε 2 n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies d(x_{n},x)< \frac{\varepsilon}{2} n 0 ∈ N n ≥ n 0 ⟹ d ( x n , x ) < 2 ε
Si n , m ≥ n 0 : n,m\geq n_{0}: n , m ≥ n 0 :
d ( x n , x m ) < ε d(x_{n},x_{m})<\varepsilon d ( x n , x m ) < ε
□ \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. :} } Prop. :
Si ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy entonces ( x n ) n ∈ N 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} Si ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy entonces ( x n ) n ∈ N es acotada.
Dem: {\color{Orange} \text{Dem:} } Dem:
Elijo ε = 1 \varepsilon=1 ε = 1 y existe n 0 ∈ N ∣ n_{0}\in \mathbb{N}\bigm| n 0 ∈ N si n , m ≥ n 0 , d ( x n , x m ) < 1 n,m\geq n_{0},d(x_{n},x_{m})<1 n , m ≥ n 0 , d ( x n , x m ) < 1
entonces x n ∈ B ( x n 0 , 1 ) ∀ n ≥ n 0 x_{n}\in B(x_{n_{0}},1)\quad\forall n\geq n_{0} x n ∈ B ( x n 0 , 1 ) ∀ n ≥ n 0
Considero
R = m a x { 1 , d ( x 1 , x n 0 ) , d ( x 2 , x n 0 ) , … , d ( x n 0 − 1 , x n 0 ) } R=max\{ 1,d(x_{1},x_{n_{0}}),d(x_{2},x_{n_{0}}),\dots,d(x_{n_{0}-1},x_{n_{0}}) \} R = ma x { 1 , d ( x 1 , x n 0 ) , d ( x 2 , x n 0 ) , … , d ( x n 0 − 1 , x n 0 )}
Luego, si r > R ⟹ x n ∈ B ( x n 0 , r ) ∀ n ⟹ ( x n ) n ∈ N es acotada r>R\implies x_{n}\in B(x_{n_{0}},r)\quad\forall n\implies ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\text{ es acotada} r > R ⟹ x n ∈ B ( x n 0 , r ) ∀ n ⟹ ( x n ) n ∈ N es acotada
Prop.: {\color{Orange}\text{Prop.:}} Prop.:
Sea ( x n ) n ∈ N una sucesi o ˊ n de Cauchy en el espacio m e ˊ trico ( M , d ) , y supongamos que existe una sub‑sucesi o ˊ n ( x n j ) j ∈ N tal que x n j → x . Entonces x n → x . \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} Sea ( x n ) n ∈ N una sucesi o ˊ n de Cauchy en el espacio m e ˊ trico ( M , d ) , y supongamos que existe una sub‑sucesi o ˊ n ( x n j ) j ∈ N tal que x n j → x . Entonces x n → x .
Dem.: {\color{Orange}\text{Dem.:}} Dem.:
Dado ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 , como ( x n ) (x_n) ( x n ) es de Cauchy existe N 1 ∈ N N_1\in\mathbb{N} N 1 ∈ N tal que
n , m ≥ N 1 ⟹ d ( x n , x m ) < ε 2 . n,m\ge N_1\;\Longrightarrow\;d(x_n,x_m)<\tfrac{\varepsilon}{2}. n , m ≥ N 1 ⟹ d ( x n , x m ) < 2 ε .
Por otra parte, al converger la sub‑sucesión, existe J ∈ N J\in\mathbb{N} J ∈ N con
d ( x n J , x ) < ε 2 y adem a ˊ s n J ≥ N 1 . d(x_{n_J},x)<\tfrac{\varepsilon}{2}
\quad\text{y además}\quad
n_J\ge N_1. d ( x n J , x ) < 2 ε y adem a ˊ s n J ≥ N 1 .
Ahora, para cualquier n ≥ N 1 n\ge N_1 n ≥ N 1 se cumple:
d ( x n , x ) ≤ d ( x n , x n J ) + d ( x n J , x ) < ε 2 + ε 2 = 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} d ( x n , x ) ≤ d ( x n , x n J ) + d ( x n J , x ) < 2 ε + 2 ε = ε .
Por lo tanto x n → x x_n\to x x n → x .
Q.E.D. □ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square Q.E.D. □
Def. : {\color{Cyan} \text{Def. :} } Def. :
Sea ( M , d ) un espacio m e ˊ trico. M es completo si toda sucesi o ˊ n 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} Sea ( M , d ) un espacio m e ˊ trico. M es completo si toda sucesi o ˊ n de Cauchy es convergente
(si tiene límite en M M M )
E j e m p l o s : Ejemplos: E j e m pl os :
( Q , ∣ ⋅ ∣ ) (\mathbb{Q},|\cdot|) ( Q , ∣ ⋅ ∣ ) no es completo
( q n ) n ∈ N ⊆ Q ∣ q n → 2 ( q_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{Q}\bigm| q_{n}\to \sqrt{ 2 } ( q n ) n ∈ N ⊆ Q q n → 2
⟹ ( q n ) \implies(q_{n}) ⟹ ( q n ) es de Cauchy y no converge en Q \mathbb{Q} Q .
( M , δ ) (M,\delta) ( M , δ ) es completo
M = { 1 n : n ∈ N } M=\left\{ \frac{1}{n}:n \in \mathbb{N} \right\} M = { n 1 : n ∈ N }
d 1 ( x , y ) = ∣ x − y ∣ d_{1}(x,y)=|x-y| d 1 ( x , y ) = ∣ x − y ∣
x n = 1 n , ( x n ) n ∈ N ⊆ M x_{n}= \frac{1}{n},\quad( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq M x n = n 1 , ( x n ) n ∈ N ⊆ M es de Cauchy y no converge (en M M M ).
⟹ ( M , d 1 ) \implies(M,d_{1}) ⟹ ( M , d 1 ) no es completo.
( M , δ ) si es completo (M,\delta)\text{ si es completo} ( M , δ ) si es completo
tarea: δ ∼ d 1 \delta \sim d_{1} δ ∼ d 1
O b s : Obs: O b s :
M M M con métricas equivalentes d 1 d_{1} d 1 y d 2 d_{2} d 2 . Si ( M , d 1 ) (M,d_{1}) ( M , d 1 ) es completo ⟹ ( M , d 2 ) \cancel{ \implies }(M,d_{2}) ⟹ ( M , d 2 ) es completo.
Ejercicio:
M M M con métricas d 1 d_{1} d 1 y d 2 d_{2} d 2 tal que ∃ C 1 , C 2 > 0 ∣ \:\exists\:C_{1},C_{2}>0\bigm| ∃ C 1 , C 2 > 0
C 1 ⋅ d 1 ( x , y ) ≤ d 2 ( x , y ) ≤ C 2 ⋅ d 1 ( x , y ) ∀ x , y ∈ M C_{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 C 1 ⋅ d 1 ( x , y ) ≤ d 2 ( x , y ) ≤ C 2 ⋅ d 1 ( x , y ) ∀ x , y ∈ M
Si ( M , d 1 ) (M,d_{1}) ( M , d 1 ) es completo ⟹ ( M , d 2 ) \implies(M,d_{2}) ⟹ ( M , d 2 ) es completo.
Teorema : {\color{violet} \text{Teorema :} } Teorema :
( R , ∣ ⋅ ∣ ) es completo. \begin{array}{l}
\text{$(\mathbb{R},|\cdot|)$ es completo.}
\end{array} ( R , ∣ ⋅ ∣ ) es completo.
Dem: {\color{violet} \text{Dem:} } Dem:
Sea ( x n ) n ∈ N ⊆ R ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} ( x n ) n ∈ N ⊆ R de Cauchy. Consideramos
X 1 = { x n : n ∈ N } ⊆ R X 2 = { x n : n > 2 } ⊆ R X k = { x n : 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} X 1 = { x n : n ∈ N } ⊆ R X 2 = { x n : n > 2 } ⊆ R X k = { x n : n > k }
X 1 X_{1} X 1 es acotado(Cauchy implica acotado en R \mathbb{R} R ) y el resto también porque:
X 1 ⊇ X 2 ⊇ X 3 ⊇ ⋯ ⊇ X k ⊇ … X_{1}\supseteq X_{2}\supseteq X_{3}\supseteq\dots \supseteq X_{k}\supseteq\dots X 1 ⊇ X 2 ⊇ X 3 ⊇ ⋯ ⊇ X k ⊇ …
⟹ \implies ⟹ todos los X k X_{k} X k tienen ínfimo y supremo.
Sea
a 1 = i n f ( X 1 ) a 2 = i n f ( X 2 ) ⋮ a k = i n f ( X k ) \begin{array}{c}
a_{1}=inf(X_{1}) \\
a_{2}=inf(X_{2}) \\
\vdots \\
a_{k}=inf(X_{k})
\end{array} a 1 = in f ( X 1 ) a 2 = in f ( X 2 ) ⋮ a k = in f ( X k )
Como
a 1 ≤ a 2 ≤ a 3 ≤ ⋯ ≤ a k ≤ ⋯ ≤ b = s u p ( X 1 ) a_{1}\leq a_{2}\leq a_{3}\leq \dots\leq a_{k}\leq \dots \leq b=sup(X_{1}) a 1 ≤ a 2 ≤ a 3 ≤ ⋯ ≤ a k ≤ ⋯ ≤ b = s u p ( X 1 )
Luego ( a n ) n ∈ N ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} ( a n ) n ∈ N monótona creciente y acotada. Por ej. 11 de la guía 1:
⟹ ∃ a = lim n → ∞ a n \implies \:\exists\:a=\underset{ n\to \infty }{ \lim } a_{n} ⟹ ∃ a = n → ∞ lim a n
Acá ( a n ) (a_{n}) ( a n ) es la sucesión definida por todos los ínfimos de mis X i X_{i} X i .
Falta ver que a = lim n → ∞ x n a=\underset{ n\to \infty }{ \lim }x_{n} a = n → ∞ lim x n . Es decir, que mi sucesión original x n x_{n} x n converge. Esto lo haré tomando una subsucesión y ver que x n j ⟶ a x_{n_{j}}\longrightarrow a x n j ⟶ a .
Vamos a ver que ∃ ( x n j ) j ∈ N ∣ x n j → a \:\exists\:( x_{n_{j}} )_{j \in \mathbb{N}}\bigm|x_{n_{j}}\to a ∃ ( x n j ) j ∈ N x n j → a
Construimos la subsucesión de esta manera:
Sea n 1 ∣ a 1 ≤ x n 1 ≤ a 1 + 1 n_{1}\bigm|a_{1}\leq x_{n_{1}}\leq a_{1}+1 n 1 a 1 ≤ x n 1 ≤ a 1 + 1
Sea n 2 ∣ a n 1 ≤ x n 2 ≤ a n 1 n_{2}\bigm|a_{n_{1}}\leq x_{n_{2}}\leq a_{n_{1}} n 2 a n 1 ≤ x n 2 ≤ a n 1 + 1 2 \frac{1}2{} 2 1
Elijo n j ∣ a n j − 1 ⏟ → a ≤ x n j ≤ a n j − 1 + 1 j ⏟ → a n_{j}\bigm|\underbrace{ a_{n_{j-1}} }_{ \to a }\leq x_{n_{j}}\leq \underbrace{ a_{n_{j}-1}+ \frac{1}{j} }_{ \to a } n j → a a n j − 1 ≤ x n j ≤ → a a n j − 1 + j 1
Tomo límite en j → ∞ j\to \infty j → ∞
x n j → a x_{n_{j}}\to a x n j → 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 }:} Corolario :
R n con d 1 , d 2 y d ∞ es completo. \begin{array}{l}
\text{$\mathbb{R}^{n}$ con $d_{1},d_{2}$ y $d_{\infty}$ es completo.}
\end{array} R n con d 1 , d 2 y d ∞ es completo.
Citas y Comentarios