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Topologia – Introdução

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Topologia

— 1. Espaços Métricos —

A topologia, literalmente, a ciência da forma, é uma área da Matemática, muito ligada à Geometria e Análise, que têm como objectivo fundamental a análise do conceito de continuidade entre espaços.

Existem duas maneiras de se introduzir uma estrutura topológica em um espaço, a primeira através da noção de distância entre elementos de um conjunto, que passará a ser um espaço métrico, a outra, numa abordagem mais conjuntista e abstracta, utilizando a noção primitiva de conjunto aberto. Nas primeiras aulas abordaremos principalmente a primeira maneira, por ser talvez a mais intuitiva e também por cumprir com os objectivos que preconizamos.

Definição 1 Seja {X} um conjunto não vazio. A aplicação {d:X\times X\longrightarrow\mathbb{R}} define uma distância ou métrica em {X} se as condições abaixo são cumpridas {\forall x,y,z\in X}:

  1. {d(x,y)\geq 0}, com igualdade se e só se {x=y}
  2. {d(x,y)=d(y,x)}
  3. {d(,y)\leq d(x,z)+d(z,y)}.
Comentário 1 Ao par {(X,d)} chamamos de espaço métrico mas, muitas vezes omitiremos a notação anterior à favor de uma mais simples, i.e., denotaremos um espaço métrico apenas pela letra {X}.

Do axioma 3 obtemos por indução a desigualdade triangular generalizada:

\displaystyle  d(x_{1},x_{n})\leq d(x_{1},x_{2})+d(x_{2},x_{3})+\cdots+d(x_{n-1},x_{n}) \ \ \ \ \ (1)

Um subespaço {(Y,\rho)} de um espaço métrico {(X,d)} é obtido se tomarmos o subconjunto {Y\subset X} e restringirmos {d} a {Y\times Y}, assim a métrica em {Y} é a restrição

\displaystyle \rho=d\mid _{Y\times Y}

A definição acima nos mostra claramente que em um mesmo conjunto podemos definir várias métricas, ou seja, várias maneiras de se medir distâncias. Um dos conjuntos mais famosos que possui várias distâncias nele definidas é o conjunto dos números reais {\mathbb{R}}.

Exemplo 1 1. O conjunto dos Números Reais {\mathbb{R}}. Munido com a distância:

\displaystyle d(x,y)=\mid x-y\mid

Esta é com certeza a distância mais famosa em matemática, pois quase toda a análise elementar é feita usando esta métrica e é também bastante intuitiva, vamos provar que os números reais com essa distância é de facto um espaço métrico. Demonstração: (i) Vamos verificar o primeiro axioma, {d(x,y)\geq 0} e {x=y \Longleftrightarrow d(x,y)=0}. Então temos,

\displaystyle d(x,y)\geq 0 \Longleftrightarrow d(x,y)=\mid x-y\mid \geq 0

o que é evidente pela definição de módulo. Resta demonstrar a segunda parte do axioma 1, temos então

\displaystyle d(x,y)= 0 \Longleftrightarrow \mid x-y \mid =0

\displaystyle \Longleftrightarrow x-y=0

\displaystyle \Longleftrightarrow x=y

a reciproca é evidentemente verdadeira, se tomarmos {x=y} então {d(x,x)=0}. (ii)O segundo axioma também é simples de demonstrar,

\displaystyle d(x,y)=\mid x-y\mid =\mid (-1).(y-x)\mid = \mid (-1)\mid \mid y-x\mid 		=\mid y-x\mid = d(y,x)

(iii)Para demonstrarmos a desigualdade triangular vamos precisar da desigualdade triangular nos reais, i.e.,

\displaystyle \mid x-y\mid \leq \mid x\mid + \mid y\mid

Fazendo uso de um pequeno artifício temos,

\displaystyle (x-y)=(x-z)+(z-y)

Então,

\displaystyle \mid x-y\mid \leq \mid (x-z)+(z-y)\mid \leq \mid x-z\mid +\mid z-y\mid

assim demonstramos que o par {(\mathbb{R},d)} é um espaço métrico. \Box

Exemplo 2 Ao tomarmos qualquer conjunto {X\neq \emptyset} podemos definir nele a seguinte métrica,

\displaystyle  \rho(x,y) = \left \{ \begin{array}{cl} 1 & \mbox{, } x\neq y\\ 0 & \mbox{, } x= y \end{array}\right.

O exemplo a seguir foi tirado do livro an epsilon of room, escrito por Terence Tao, e é muito interessante porque mostra como a partir de duas métricas podemos formar outras métricas, chamadas de métricas produto.

Exemplo 3 Dado dois espaços métricos {X=(X,d_{X})} e {Y=(Y,d_{Y})}, podemos definir o produto {X\times Y=(X\times Y,d_{X}\times d_{Y})} como sendo o produto cartesiano {X \times Y} com a métrica produto

\displaystyle  d_{X}\times d_{Y}((x,y),(x',y')):=\max \{d_{X}(x,x'),d_{Y}(y,y')\}

ou ainda

\displaystyle  d_{X}\times d_{Y}((x,y),(x',y')):= d_{X}(x,x')+d_{Y}(y,y')

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