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Category Archives: 20 Topologia

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Topologia – Distância entre conjuntos e diâmetro

— 1.1.6. Distância entre conjuntos e diâmetro —

Definição 8 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {x\in X}. Se {A\subset X} não vazio, o conjunto das distâncias {x} e os elementos de {A} é definido por

\displaystyle d(x,A):=\inf\{d(x,y):y\in A\}.

Ao número real {d(x,A)\geq 0} chama-se distância de {x} ao conjunto {A}.

Comentário 5 É óbvio que se {x\in A}, então {d(x,A)=0}, mas o recíproco, em geral, nem sempre é verdadeiro.
Exemplo 8 Se {X=\mathbb{R}} e {A=(a,b)}, então {d_{1}(a,A)=0} e {a\not\in A}. Temos também, {d_{1}(0,[1,2])=d_{1}(0,(1,2])=1}.

É evidente que {d(A,x)=d(x,A)}.

Proposição 17 Seja {A\subset X} e {x,y\in X}. Então:

\displaystyle \mid d(x,A)-d(y,A)\mid \leq d(x,y)

Demonstração: Sejam {x,y\in X}, então {\forall a\in A}:

\displaystyle d(x,a)\leq d(x,y)+d(y,a)

,i.e.,

\displaystyle d(x,A)\leq d(y,A)+d(x,y)

de modo análogo,

\displaystyle d(y,A)\leq d(x,A)+d(x,y).

Assim,

\displaystyle -d(x,y)\leq d(x,A)-d(y,A)\leq d(x,y).

\Box

Para cada conjunto {A} de {X} e {\epsilon\geq 0}, denotaremos o conjunto {A_{\epsilon}:=\{x:d(x,A)<\epsilon\}}, onde pode se dar o caso de {\epsilon=\infty}.

Proposição 18 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {x\in X}. Então, para cada {A,B} e {\{B_{j}\}_{j\in J}} subconjuntos de {X},as seguintes afirmações são verdadeiras:

  1. {d(x,\emptyset)=\infty} e {d(x,A)<\infty} se {A\neq\emptyset}.
  2. {d(x,\{x\})=0}.
  3. Se {A\subseteq B}, então {d(x,A)\leq d(x,B)}.
  4. {\forall \epsilon>0},{0\leq\epsilon\leq\infty}, {d(x,A)\leq d(x,A_{\epsilon})+\epsilon}.
  5. {d(x,\cup_{j\in J})B_{j})=\inf_{j\in J}d(x,B_{j})}
  6. {d(x,\cap_{j\in J}B_{j})\geq\sup_{j\in J}d(x,B_{j})}

Demonstração:

  1. {d(x,\emptyset)=\inf\emptyset=\infty} (pela definição do ínfimo de um conjunto).
  2. Basta tomar {A=\{x\}\longrightarrow d(x,A)=0}.
  3. Deixada ao leitor.
  4. Seja {a\in A_{\epsilon}},existe {a'\in A}, {d(a,a')<\epsilon}. Portanto,

    \displaystyle d(x,A)\leq d(x,a)+d(a,a')\leq d(x,A_{\epsilon})+\epsilon.

  5. {d(x,\cup_{j\in J})B_{j})=\inf_{b\in \cup_{j\in J}B_{j}}d(x,b)=\inf_{j\in J}(\inf_{b\in B_{j}}d(x,b))=\inf_{j\in J}d(x,B_{j}).}
  6. Sugestão: {d(x,A)\geq d(x,B)} se {A\subseteq B}.

\Box

Definição 9 Sejam {A,B} subconjuntos de {X}, onde {(X,d)} é um espaço métrico. A distância entre {A} e {B} é o número

\displaystyle d(A,B)=\inf\{d(x,y):x\in A,y\in B\}.

É evidente que se {A\cap B\neq\emptyset}, então {d(A,B)=0}, em geral o recíproco não é verdadeiro e, obviamente {d(A,B)=d(B,A)}.

Proposição 19 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {A,B,C} e {D} subconjuntos de {X}, e famílias {\{A_{i}\}_{i\in I}}, {\{B_{j}\}_{j\in J}} de subconjuntos de {X}. Então:

  1. {d(A,B)<\infty} se e só se {A} e {B} são não vazios.
  2. {d(A,B)=0} se {A\cap B\neq\emptyset}.
  3. Se {A\subseteq B} e {C\subseteq D}, então {d(A,C)\leq d(B,D)}.
  4. Para todo {\epsilon,\epsilon'}, {0\leq\epsilon,\epsilon'\leq\infty}, {d(A,B)\leq d(A_{\epsilon},B_{\epsilon})+\epsilon+\epsilon'}.
  5. {d(\cup_{i\in I}A_{i},\cup_{j\in J}B_{j})=\inf_{i\in I,j\in J}d(A_{i},B_{j})}.
  6. {d(A,\cap_{j\in J}B_{j})\geq\sup_{j\in J}d(A,B_{j})}.

Demonstração: Deixadas ao leitor. \Box

Definição 10 Seja {A\subseteq X}, onde {(X,d)} é um espaço métrico. O diâmetro de {A} é definido como

\displaystyle \delta(A)=\sup\{d(x,y):x,y\in A\}.

Exemplo 9 {\delta(\emptyset)=\sup \emptyset=-\infty}.
Proposição 20 Sejam {A,B\subseteq X}. Então:

  1. Se {A\subseteq B}, então {\delta(A)\leq\delta(B)}.
  2. {\delta(A_{\epsilon})\leq 2\epsilon+\delta(A)}, {\forall\epsilon>0}.
  3. {\delta(A\cup B)\leq \delta(A)+\delta(B)+d(A,B)}.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

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Topologia dos Espaços Métricos

— 1.1.5. Topologia dos Espaços Métricos —

Definição 4 Seja {(X,d)} um espaço métrico e {A\subseteq X}. Diz-se que {A} é um conjunto aberto se para todo {x\in A} existe {r>0}: {B(x,r)\subseteq A}. Um subconjunto {F} de {X} é fechado se seu complementar {X\setminus F} é aberto.
Comentário 4 É importante notarmos que o facto de um conjunto não ser aberto, não implica que ele seja fechado.
Exemplo 6 Observamos que {X} e {\emptyset} são ambos conjuntos aberto e fechado. É claro que a condição acima é satisfeita para ambos, i.e., {X} e {\emptyset} são abertos, logo, novamente pela definição acima, seus complementares são fechados.
Proposição 9 Toda bola aberta é um conjunto aberto.

Demonstração: Esta proposição é uma consequência imediata da proposição 1.3. \Box

Proposição 10 A união arbitrária de conjuntos abertos num espaço métrico, também é um conjunto aberto.

Demonstração: Seja {\{A_{i}\}_{i\in I}} uma família de abertos, e {A=\cup_{i\in I}A_{i}}. Temos de mostrar que {A} é aberto.

Seja {x\in \cup_{i\in I}A_{i}}, então existe {i_{0}\in I} tal que {x\in A_{i_{0}}}, pela definição 1.4 existe uma bola aberta {B(x,r)\subseteq A_{i_{0}}}, como {A_{i_{0}}\subseteq \cup_{i\in I}A_{i}}, concluímos que {B(x,r)\subseteq \cup_{i\in I}A_{i}}. \Box

Proposição 11 A intersecção finita de conjuntos abertos num espaço métrico, também é um conjunto aberto.

Demonstração: Seja {\{A_{i}\}_{i}^{n}} uma família de abertos e {A=\cap_{i=1}^{n}A_{i}}. Temos de mostrar que {A} é fechado.

Seja {x \in \cap_{k=1}^{n}A_{k} \Longrightarrow x\in A_{i}} para todo {i}. Então existem {r_{k}>0} tais que {B(x,r_{k})\subseteq A_{i}}. Se {r=\min\{r_{1},\cdots,r_{n}\}} então {r>0} e {B(x,r)\subseteq\cap_{i=1}^{n}A_{i}} é

\Box

Proposição 12

  1. Toda bola fechada num espaço métrico é um conjunto fechado.
  2. A intersecção enumerável de conjuntos fechados num espaço métrico é um conjunto fechado.
  3. A união finita de conjuntos fechados num espaço métrico é um conjunto fechado.
  4. Todo conjunto finito é fechado.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

Definição 5 O interior de {A} é o maior conjunto aberto contido em {A}, i.e.,

\displaystyle int A=\cup\{U:U\subseteq A\text{ onde }U \text{ é aberto }\}.

O fecho de {A}, {\overline{A}}, é o menor conjunto fechado em {X} contendo {A}, i.e.,

\displaystyle \overline{A}=\cap\{K: A\subseteq K, K\text{ fechado }\}.

Exemplo 7 Da definição anterior podemos imediatamente verificar que {\mathbb{Q}\subset\mathbb{R}}, é tal que {int(\mathbb{Q})=\emptyset} (muito importante !!!) e {\overline{\mathbb{Q}}=\mathbb{R}}. Para provarmos isto, suponha que {U\subset\mathbb{R}} é aberto. Então, como as bolas abertas em {\mathbb{R}} são intervalos, existe um intervalo {(a,b)\subset U\subset\mathbb{R}}, onde {a<b}. Como entre dois números reais sempre existe um número irracional, segue-se que {(a,b)\cap \mathbb{R}\setminus \mathbb{Q}\neq \emptyset}, {U\nsubseteqq\mathbb{Q}} e por isso {int(\mathbb{Q})=\emptyset}. Se {\mathbb{Q}\subset K} é um subespaço fechado de {\mathbb{R}}, então {\mathbb{R}\setminus K} é aberto e não contém racionais. Segue-se que não contêm nenhum intervalo por que qualquer intervalo não vazio de números reais contém um número racional. Assim, {\mathbb{R}\setminus K=\emptyset} e {\overline{\mathbb{Q}}=\mathbb{R}}.
Proposição 13 Seja {A\subseteq X}. Então:

  1. {x\in int A} se e só se existe {r>0} tal que {B(x,r)\subseteq A}.
  2. {x\in \overline{A}} se e só se para todo {r>0}, {B(x,r)\cap A\neq\emptyset}.

Demonstração: 1. Seja {x\in intA}, pela Definição 1.5 significa que existe um aberto {U} tal que {x\in U\subseteq A}. Como {U} é aberto, então existe {r>0} e uma bola {B(x;r)\subseteq U\subseteq A}. A implicação inversa é simples, basta notarmos que se {B(x,r)\subseteq A} e {B(x,r)} é um conjunto aberto, então {B(x,r)\subseteq intA}.

2.Deixada ao leitor.

\Box

Proposição 14 Seja {A} um subconjunto de {X}.

  1. {A} é fechado se e só se {A=\overline{A}}.
  2. {A} é aberto se e só se {A=int A}.
  3. Seja {\{A_{i}\}_{i=1}^{n}} uma família de subconjuntos de {X}, então {\overline{\cup_{i=1}^{n}A_{i}}= \cup_{i=1}^{n}\overline{A_{i}}}.
  4. Seja {\{A_{i}\}_{i=1}^{n}} uma família de subconjuntos de {X}, então {int(\cap_{i=1}^{n}A_{i})=\cap_{i=1}^{n}int(A_{i})}.

Demonstração: deixada ao leitor. \Box

Definição 6 Um subconjunto {A} de um espaço métrico {X} é denso se {\overline{A}=X}. Um espaço métrico {X} é separável se contém um subconjunto denso enumerável.
Proposição 15 Um conjunto {A} é denso em {(X,d)} se e só se para todo {x\in X} e todo {r>0}, {B(x,r)\cap A\neq\emptyset}.

Demonstração: É uma aplicação trivial da proposição 1.13. \Box

Definição 7 Seja {A\subseteq X}, então um ponto {x\in X} é chamado de ponto limite de {A} se para todo {\epsilon >0} existe um ponto {y} em {B(x,\epsilon)\cap A} com {y\neq x}.
Proposição 16 Seja {A\subset X}, onde {X} é um espaço métrico, então {\overline{A}=A\cup A'}, onde {A'} representa o conjunto dos pontos limites de {A} ou derivado de {A}.

Demonstração: Por definição, o fecho de {A}, {\overline{A}}, é fechado e por isso {A\subset\overline{A}}. Segue que se {x\in \overline{A}}, então existe um conjunto aberto {U} contendo {x} com {U\cap A=\emptyset} e daí {x\not\in A} e {x\not\in A'}. Isto mostra que {A\cup A' \subset \overline{A}}.

Por outro lado, suponhamos {x\in\overline{A}} e {V} um aberto contendo {x}. Se {V\cap A=\emptyset}, então {A\subset(X\setminus V)} é um conjunto fechado e {\overline{A}\subset(X\setminus V)}. Mas, {x\not\in \overline{A}}, contradição. Se {x\in \overline{A}} e {x\not\in A}, então, para qualquer aberto {V} com {x\in V}, temos {V\cap A\neq\emptyset}. Logo, {x} é um ponto limite de {A}. Assim, {\overline{A}\subset A\cup A'}. \Box

Topologia – Introdução aos Espaços Métricos

— 1.1.4. Alguns Exemplos de Espaços Métricos —

Na aula de hoje, daremos alguns exemplos de espaços métricos, e só depois continuaremos com a topologia dos espaços métricos. Infelizmente, pela grande variedade de espaços métricos que existem, que são infinitos, não poderemos demonstrar que cada métrica definida em um conjunto dado realmente fora um espaço métrico, por isso as respectivas demonstrações são deixadas ao leitor.

Comentário 3 É importante notarmos que em um mesmo conjunto podemos definir várias métricas.
Exemplo 5

  1. Seja {X=\mathbb{R}}, este é sem dúvida o espaço métrico mais importante, podemos definir nele as seguintes métricas:
    • {d_{1}(x,y)=\mid x-y\mid }, {\forall x,y\in \mathbb{R},}. Esta é a métrica usual ou euclidiana.
    • {d(x,y)=\sqrt{\mid x-y\mid}}, {\forall x,y\in \mathbb{R}}. (Sugestão: para provarmos que esta métrica satisfaz a desigualdade triangular podemos aplicar a desigualdade: {\sqrt{a+b}\leq\sqrt{a}+\sqrt{b}}, {\forall a,b\in \mathbb{R}}).
    • {\rho(x,y)=\frac{d_{1}(x,y)}{1+d_{1}(x,y)}}, onde {d_{1}} é a métrica usual euclidiana.(sugestão: a função {f(a)=\frac{a}{1+a}} é crescente, logo, {\mid a+b\mid\leq\mid a\mid+\mid b\mid\Longrightarrow f(\mid a+b\mid)\leq f(\mid a\mid + \mid b\mid)}).
  2. Se {X=\mathbb{R}^{2}} podemos definir as seguintes métricas:
    • {d_{t}(x,y)=\mid x_{1}-y_{1}\mid + \mid x_{2}-y_{2}\mid}, onde {x=(x_{1},x_{2})} e {y=(y_{1},y_{2})}. Esta métrica é conhecida como métrica do táxi.
    • {d_{2}(x,y)=\sqrt{( x_{1}-y_{1})^{2}+(x_{2}-y_{2})^{2}}}, {x,y\in\mathbb{R}^{2}}. Esta é a métrica euclidiana no plano.
    • {d_{max}(x,y)=\max{\mid x_{1}-y_{1}\mid,\mid x_{2}-y_{2}\mid}}, é a métrica do máximo.
  3. Se {X=\mathbb{R}^{n}}, temos:
    • {d_{n}(x,y)=\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_{i}-y_{i})^{2}}}, onde {x=(x_{1},...,x_{n})} e {y=(y_{1},...,y_{n})}.(sugestão: use a desigualde de Cauchy-Schwarz: {(\sum_{i=1}^{n}\mid x_{i}y_{i}\mid)^{2}\leq (\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2})^{2}(\sum_{i=1}^{n}y_{i}^{2})^{2}}, {\forall x,y\in\mathbb{R}^{n}}).
    • {d_{\infty}(x,y)=\max\{\mid x_{i}-y_{i}\mid:1\leq i\leq n\}}, {x,y\in \mathbb{R}^{n}}.
    • Para {p\geq 1}, definimos a métrica:

      \displaystyle d_{p}(x,y):=\sqrt[p]{\sum_{i=1}^{n}\mid x_{i}-y_{i}\mid^{p}}

      também é uma métrica em {\mathbb{R}^{n}}.(sugestão: use a desigualdade de Minkovsky: {\sqrt[p]{\sum_{i=1}^{n}\mid x_{i}+y_{1}\mid}\leq\sqrt[p]{\sum_{i=1}^{n}\mid x_{i}\mid^{p}}+\sqrt[p]{\sum_{i=1}^{n}\mid y_{i}\mid^{p}}}, {\forall p\geq 1}).

  4. Seja {B(A)} o conjunto de todas as funções limitadas no conjunto {A}, então a métrica {d_{\infty}:B(A)\times B(A)\longrightarrow \mathbb{R}^{+}} definida por

    \displaystyle d_{\infty}(f,g):=\sup\{\mid f(x)-g(x)\mid:x\in A\}

    torna-o num espaço métrico {\forall f,g\in B(A)} .

  5. Seja {C_{[a,b]}}, o conjunto de todas as funções contínuas no intervalo {[a,b]\subset \mathbb{R}} é um espaço métrico com as métricas:
    • {d(f,g):=\max\{\mid f(x)-g(x)\mid:x\in [a,b]\}}, {\forall f,g\in C_{[a,b]} }.
    • {d_{p}(f,g):=\sqrt[p]{\int_{a}^{b}\mid f(x)-g(x)\mid^{p}dx}}. (sugestão: para a desigualdade triangular use o equivalente integral da desigualdade de Minkovsky)
  6. Terminamos com a métrica {d_{0}:X\times X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}}, definida por

    \displaystyle d_{0}(x,y):=\sum_{i=1}^{\infty}\frac{d(x_{i},y_{i})}{2^{i}}

    onde {d} é uma métrica em {X}. Demonstração: É evidente que {d_{0}(x,y)\geq 0} e que {d_{0}(x,y)=0} se e só se {x=y}. Também é fácil verificar que {d_{0}(x,y)=d_{0}(y,x)}, vamos portanto mostrar apenas a desigualdade triangular,

    {d_{0}(x,y)=\sum_{i=1}^{\infty}\frac{d(x_{i},y_{i})}{2^{i}}}

    {\leq\sum_{i=1}^{\infty}\frac{d(x_{i},z_{i})+d(z_{i},y_{i})}{2^{i}}=}

    {\sum_{i=1}^{\infty}\frac{d(x_{i},z_{i})}{2^{i}}+\sum_{i=1}^{\infty}\frac{d(z_{i},y_{i})}{2^{i}}}

    {=d_{0}(x,z)+d(z,y)}

    \Box

Definição 3 Seja {d:X\times X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}} uma aplicação, o par {(X,d)} é chamado de pseudométrica ou pseudodistância em {X} se,

  1. {d(x,y)=0} se {x=y},
  2. {d(x,y)=d(y,x)} para todo {x,y\in X},
  3. {d(x,y)\leq d(x,z)+d(z,y)} para todo {x,y,z \in X}.
Exercício 1 Seja dada a aplicação {f:X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}}, a aplicação

\displaystyle d:X\times X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}

definida por

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

é uma pseudométrica se e só se {f^{-1}(0)} tem no máximo um elemento.

Exercício 2 Prove que se

\displaystyle d_{i}:X\times X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}\,\,\,(i\in \mathbb{N})

é uma família enumerável de pseudométricas e

\displaystyle \alpha:\mathbb{R}_{\geq0}^{\mathbb{N}}\longrightarrow \mathbb{R}^{+}

é uma função que satisfaz:

  • {\alpha(x)=0} se e só se {x=0},
  • Se {x\leq y}, então {\alpha(x)\leq\alpha(y)}
  • {\alpha(x+y)\leq\alpha(x)+\alpha(y)}

então a função

\displaystyle d:X\times X\longrightarrow \mathbb{R}^{+}

definida por

\displaystyle d(x,y):=\alpha(d_{1}(x,y),...,d_{n}(x,y),...),

é uma pseudométrica, e que é uma métrica se e só se para todo {x,y\in X}, com {x\neq y}, existe {i\in \mathbb{N}} tal que {d_{i}(x,y)>0}.

Topologia – Introdução II

— 1.1. Bolas Abertas e Fechadas —

Definição 2 Dado {x\in X} e {r>0}. Definimos os seguintes conceitos:

  • (Bola aberta) {B(x,r)=\{y\in X:d(x,y)<r\}}.
  • (Bola fechada) {\overline{B}(x,r)=\{y\in X:d(x,y)\leq r\}}
  • (Esfera){S(x,r)=\{y\in X:d(x,y)=r\}}

Exemplo 4 Se, na definição tomarmos {X=\mathbb{R}}, então as bolas abertas (resp. fechadas) serão basicamente intervalos abertos (resp. fechados), i.e., {B(x,r)=(x-r,x+r)} e {\overline{B}(x,r)=[x-r,x+r]}. Se {x=0} e {r=1}, então {B(0,1)=(-1,1)}, {\overline{B}(0,1)=[-1,1]}.

Comentário 2 É enganoso pensarmos, conforme aconselha o Kreyszig, que as bolas(abertas ou fechadas) em espaços métricos arbitrários não euclidianos possuem as mesmas propriedades que as bolas ou esferas em {\mathbb{R}^{3}}. Por exemplo, nos espaços métricos que surgem a partir da métrica discreta, espaços discretos, uma esfera pode ser vazia, i.e., {S(x,r)=\{y\in X:d(x,y)=r\}=\emptyset }, para isso, basta tomarmos {r\neq1}.

— 1.1.1. Propriedades das Bolas Abertas —

Seja {(X,d)} um espaço métrico, então:

Proposição 1 Dadas duas bolas abertas {B(x,r_{1})} e {B(x,r_{2})}, então :

\displaystyle r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow B(x,r_{1})\subset B(x,r_{2})

Demonstração: A demonstração desse facto é bastante simples. Seja {y\in B(x,r_{1})} então

\displaystyle d(x,y)<r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow d(x,y)<r_{2}

logo, {y\in B(x,r_{2})}. \Box

Proposição 2 Seja {y} um ponto em {(X,d)} tal que {y\in B(x,r)}, então existe uma bola {B(y,r_{1})} ({r_{1}>0}), tal que

\displaystyle B(y,r_{1})\subset B(x,r)

Demonstração: Seja {y\in B(x,r)}, se tomarmos {r_{1}=r-d(x,y)} teremos:

\displaystyle z\in B(y,r_{1})\Longrightarrow d(z,x)\leq d(z,y)+d(y,x)<r_{1}+d(y,x)=r.

\Box

— 1.1.2. Propriedades das Bolas Abertas —

Seja {(X,d)} um espaço métrico, então:

Proposição 3 Dadas duas bolas abertas {B(x,r_{1})} e {B(x,r_{2})}, então :

\displaystyle r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow B(x,r_{1})\subset B(x,r_{2})

Demonstração: A demonstração desse facto é bastante simples. Seja {y\in B(x,r_{1})} então

\displaystyle d(x,y)<r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow d(x,y)<r_{2}

logo, {y\in B(x,r_{2})}. \Box

Proposição 4 Seja {y} um ponto em {(X,d)} tal que {y\in B(x,r)}, então existe uma bola {B(y,r_{1})} ({r_{1}>0}), tal que

\displaystyle B(y,r_{1})\subset B(x,r)

Demonstração: Seja {y\in B(x,r)}, se tomarmos {r_{1}=r-d(x,y)} teremos:

\displaystyle z\in B(y,r_{1})\Longrightarrow d(z,x)\leq d(z,y)+d(y,x)<r_{1}+d(y,x)=r.

\Box

— 1.1.3. Propriedades das Bolas Abertas —

Seja {(X,d)} um espaço métrico, então:

Proposição 5 Dadas duas bolas abertas {B(x,r_{1})} e {B(x,r_{2})}, então :

\displaystyle r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow B(x,r_{1})\subset B(x,r_{2})

Demonstração: A demonstração desse facto é bastante simples. Seja {y\in B(x,r_{1})} então

\displaystyle d(x,y)<r_{1}\leq r_{2}\Longrightarrow d(x,y)<r_{2}

logo, {y\in B(x,r_{2})}. \Box

Proposição 6 Seja {y} um ponto em {(X,d)} tal que {y\in B(x,r)}, então existe uma bola {B(y,r_{1})} ({r_{1}>0}), tal que

\displaystyle B(y,r_{1})\subset B(x,r)

Demonstração: Seja {y\in B(x,r)}, se tomarmos {r_{1}=r-d(x,y)} teremos:

\displaystyle z\in B(y,r_{1})\Longrightarrow d(z,x)\leq d(z,y)+d(y,x)<r_{1}+d(y,x)=r.

\Box

Proposição 7 Sejam {B(x,r_{1})} e {B(y,r_{2})}, tais que {B(x,r_{1})\cap B(y,r_{2})\neq \emptyset}. Se {a\in B(x,r_{1})\cap B(y,r_{2})}, então existe uma bola aberta de centro {a} contida na intersecção {B(x,r_{1})\cap B(y,r_{2})}.

Demonstração: Deixada ao leitor. \Box

Proposição 8 Sejam {B(x_{1},r_{1})} e {B(x_{2},r_{2})} duas bolas abertas. Se {r_{1}+r_{2}\leq d(x_{1},x_{2})}, então

\displaystyle B(x_{1},r_{1})\cap B(x_{2},r_{2})=\emptyset.

Demonstração: deixada ao leitor. \Box

Topologia – Introdução

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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