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2.6: Juegos Abiertos, Conjuntos Cerrados, Conjuntos Compactos y Puntos Límite

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    107815
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    La bola abierta\(\mathbb{R}\) con centro\(a \in \mathbb{R}\) y radio\(\delta>0\) es el conjunto

    \[B(a ; \delta)=(a-\delta, a+\delta).\]

    Definición\(\PageIndex{1}\)

    Se dice que un subconjunto\(A\) de\(\mathbb{R}\) está abierto si para cada uno\(a \in A\), existe\(\delta>0\) tal que

    \[B(a ; \delta) \subset A.\]

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    1. Cualquier intervalo abierto\(A=(c, d)\) está abierto. Efectivamente, para cada uno\(a \in A\), uno tiene\(c<a<d\).
    2. Los sets\(A=(-\infty, c)\) y\(B=(c, \infty)\) están abiertos, pero el no\(C=[c, \infty)\) está abierto.

    Solución

    1. Let

    \[\delta=\min \{a-c, d-a\}.\]

    Entonces

    \[B(a ; \delta)=(a-\delta, a+\delta) \subset A.\]

    Por lo tanto,\(A\) está abierto.

    1. El lector puede verificar fácilmente que A y B están abiertos. Demostremos que no\(C\) está abierto. Asumir por contradicción que\(C\) es abierto. Entonces, para el elemento\(c \in C\), existe\(\delta>0\) tal que

    \[B(c ; \delta)=(c-\delta, c+\delta) \subset C.\]

    No obstante, esto es una contradicción porque\(c-\delta / 2 \in B(c ; \delta)\), pero\(c-\delta / 2 \notin C\).

    Teorema\(\PageIndex{1}\)

    Se mantienen los siguientes:

    1. Los subconjuntos\(\emptyset\) y\(\mathbb{R}\) están abiertos.
    2. La unión de nay colección de subconjuntos abiertos de\(\mathbb{R}\) es abierta.
    3. La intersección de un número finito de subconjuntos abiertos de\(\mathbb{R}\) es abierta.
    Prueba

    La prueba de (a) es sencilla.

    (b) Supongamos que\(\left\{G_{\alpha}: \alpha \in I\right\}\) es una colección arbitraria de subconjuntos abiertos de\(\mathbb{R}\). Eso significa que\(G_{\alpha}\) está abierto para todos\(\alpha \in I\). Demostremos que el conjunto

    \[G=\bigcup_{\alpha \in I} G_{\alpha}\]

    está abierto. Toma cualquiera\(a \in G\). Entonces existe\(\alpha_{0} \in I\) tal que

    \[a \in G_{\alpha_{0}}.\]

    Ya que\(G_{\alpha_{0}}\) está abierto, existe\(\delta>0\) tal que

    \[B(a ; \delta) \subset G_{\alpha_{0}}\]

    Esto implica

    \[B(a ; \delta) \subset G\]

    porque\(G_{\alpha_{0}} \subset G\). Por lo tanto,\(G\) está abierto.

    (c) Supongamos\(G_{i}, i=1, \ldots, n\), son subconjuntos abiertos de\(\mathbb{R}\). Demostremos que el conjunto

    \[G=\bigcap_{i=1}^{n} G_{i}\]

    también está abierto. Toma cualquiera\(a \in G\). Entonces\(a \in G_{i}\) para\(i=1, \ldots, n\). Ya que cada uno\(G_{i}\) está abierto, existe\(\delta_{i}>0\) tal que

    \[B\left(a ; \delta_{i}\right) \subset G_{i}.\]

    Vamos\(\delta=\min \left\{\delta_{i}: i=1, \ldots, n\right\}\). Entonces\(\delta>0\) y

    \[B(a ; \delta) \subset G.\]

    Por lo tanto,\(G\) está abierto. \(\square\)

    Definición\(\PageIndex{2}\)

    Un subconjunto\(S\) de\(\mathbb{R}\) se llama cerrado si su complemento,\(S^{c}=\mathbb{R} \backslash S\), está abierto.

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

    Los conjuntos\([a, b]\),\((-\infty, a]\), y\([a, \infty)\) están cerrados.

    Solución

    En efecto,\((-\infty, a]^{c}=(a, \infty)\) y\([a, \infty)^{c}=(-\infty, a)\) que están abiertos por el Ejemplo 2.6.1. Ya que\([a, b]^{c}=(-\infty, a) \cup(b, \infty)\),\([a, b]^{c}\) está abierto por el Teorema 2.6.1. Además, los conjuntos de elementos individuales están cerrados ya que, digamos,\(\{b\}^{c}=(-\infty, b) \cup(b, \infty)\).

    Teorema\(\PageIndex{2}\)

    Se mantienen los siguientes:

    1. Los conjuntos\(\emptyset\) y\(\mathbb{R}\) están cerrados.
    2. La intersección de cualquier colección de subconjuntos cerrados de\(\mathbb{R}\) es cerrada.
    3. La unión de un número finito de subconjuntos cerrados de\(\mathbb{R}\) es cerrada.
    Prueba

    Las pruebas para estos son simples usando la ley de De Morgan. Demostremos, por ejemplo, (b). Dejar\(\left\{S_{\alpha}: \alpha \in I\right\}\) ser una colección de conjuntos cerrados. Demostraremos que el conjunto

    \[S=\bigcap_{\alpha \in I} S_{\alpha}\]

    también está cerrado. Tenemos

    \[S^{c}=\left(\bigcap_{\alpha \in I} S_{\alpha}\right)^{c}=\bigcup_{\alpha \in I} S_{\alpha}^{c}.\]

    Así,\(S^{c}\) está abierto porque es una unión de conjuntos abiertos en\(\mathbb{R}\) (Teorema 2.6.1 (b)). Por lo tanto,\(S\) está cerrado. \(\square\)

    Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

    De la parte (c) y del Ejemplo 2.6.2 se deduce que cualquier conjunto finito está cerrado.

    Solución

    Agrega texto aquí.

    Teorema\(\PageIndex{3}\)

    Un subconjunto\(A\) de\(\mathbb{R}\) se cierra si y sólo si para cualquier secuencia\(\left\{a_{n}\right\}\) en\(A\) que converge a un punto\(a \in \mathbb{R}\), se deduce que\(a \in A\).

    Prueba

    Supongamos que\(A\) es un subconjunto cerrado de\(\mathbb{R}\) y\(\left\{a_{n}\right\}\) es una secuencia en la\(A\) que converge a\(a\). Supongamos por contradicción eso\(a \notin A\). Ya que\(A\) está cerrado, existe\(\varepsilon>0\) tal que\(B(a ; \varepsilon)=(a-\varepsilon, a+\varepsilon) \subset A^{c}\). Ya que\(\left\{a_{n}\right\}\) converge a\(a\), existe\(N \in \mathbb{N}\) tal que

    \[a-\varepsilon<a_{N}<a+\varepsilon.\]

    Esto implica\(a_{N} \in A^{c}\), una contradicción.

    Ahora probemos lo contrario. Supongamos por contradicción que no\(A\) está cerrado. Entonces no\(A^{c}\) está abierto. Ya que no\(A^{c}\) está abierto, existe\(a \in A^{c}\) tal que para cualquiera\(\varepsilon>0\), uno tiene\(B(a ; \varepsilon) \cap A \neq \emptyset\). En particular, para tal\(a\) y para cada uno\(n \in \mathbb{N}\), existe\(a_{n} \in B\left(a ; \frac{1}{n}\right) \cap A\). Es claro que la secuencia\(\left\{a_{n}\right\}\) está en\(A\) y es convergente a\(a\) (porque\(\left|a_{n}-a\right|<\frac{1}{n}\), para todos\(n \in \mathbb{N}\)). Esto es una contradicción desde entonces\(a \notin A\). Por lo tanto,\(A\) está cerrado. \(\square\)

    Teorema\(\PageIndex{4}\)

    Si\(A\) es un subconjunto no vacío de\(\mathbb{R}\) eso está cerrado y delimitado arriba, entonces\(\max A\) existe. Del mismo modo, si\(A\) es un subconjunto no vacío de\(\mathbb{R}\) eso está cerrado y delimitado por debajo, entonces\(\min A\) existe

    Prueba

    Dejar\(A\) ser un conjunto cerrado no vacío que está delimitado arriba. Entonces\(\sup A\) existe. Vamos\(m = \sup A\). Para completar la prueba, lo demostraremos\(m \in A\). Asumir por contradicción eso\(m \notin A\). entonces\(m \in A^{c}\), que es un conjunto abierto. Entonces existe\(\delta>0\) tal que

    \[(m-\delta, m+\delta) \subset A^{c}.\]

    Esto significa que no existe\(a \in A\) con

    \[m-\delta<a \leq m.\]

    Esto contradice el hecho de que\(m\) es el límite inferior superior de\(A\) (ver Proposición 1.5.1). Por lo tanto,\(max A\) existe. \(square\)

    Definición\(\PageIndex{3}\)

    Un subconjunto\(A\) de\(\mathbb{R}\) se llama compacto si por cada secuencia\(\left\{a_{n}\right\}\) en\(A\), existe una subsecuencia\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\) que converge a un punto\(a \in A\). 1

    Ejemplo\(\PageIndex{4}\)

    Vamos\(a, b \in \mathbb{R}\),\(a \leq b\). Mostramos que el conjunto\(A=[a, b]\) es compacto. Dejar\(\left\{a_{n}\right\}\) ser una secuencia en\(A\). Ya que\(a \leq a_{n} \leq b\) para todos\(n\), entonces la secuencia está acotada. Por el teorema de Bolzano-Weierstrass (Teorema 2.4.1), podemos obtener una subsecuencia convergente\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\). Diga,\(\lim _{k \rightarrow \infty} a_{n_{k}}=s\). Ahora debemos demostrarlo\(s \in A\). Ya que\(a \leq a_{n_{k}} \leq b\) para todos\(k\), se desprende del Teorema 2.1.5, eso\(a \leq s \leq b\) y, por lo tanto,\(s \in A\) como se desee. Concluimos que\(A\) es compacto.

    Solución

    Dejar\(\left\{a_{n}\right\}\) ser una secuencia en\(A\). Ya que\(a \leq a_{n} \leq b\) para todos\(n\), entonces la secuencia está acotada. Por el teorema de Bolzano-Weierstrass (Teorema 2.4.1), podemos obtener una subsecuencia convergente\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\). Diga,\(\lim _{k \rightarrow \infty} a_{n_{k}}=s\). Ahora debemos demostrarlo\(s \in A\). Ya que\(a \leq a_{n_{k}} \leq b\) para todos\(k\), se desprende del Teorema 2.1.5, eso\(a \leq s \leq b\) y, por lo tanto,\(s \in A\) como se desee. Concluimos que\(A\) es compacto.

    Teorema\(\PageIndex{5}\)

    Un subconjunto\(A\) de\(\mathbb{R}\) es compacto si y solo si está cerrado y acotado.

    Prueba

    Supongamos que\(A\) es un subconjunto compacto de\(\mathbb{R}\). Primero demostremos que\(A\) está acotado. Supongamos, por contradicción, eso no\(A\) está acotado. Entonces para cada\(n \in \mathbb{N}\), existe\(a_{n} \in A\) tal que

    \[\left|a_{n}\right| \geq n.\]

    Dado que\(A\) es compacto, existe una subsecuencia\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\) que converge a algunos\(a \in A\) que converge con algunos\(a \in A\). Entonces

    \[\left|a_{n_{k}}\right| \geq n_{k} \geq k \quad \text { for all } k.\]

    Por lo tanto,\(\lim _{k \rightarrow \infty}\left|a_{n_{k}}\right|=\infty\). Esto es una contradicción porque\(\left\{\left|a_{n_{k}}\right|\right\}\) converge a\(|a|\). Así\(A\) queda acotado.

    Demostremos ahora que\(A\) está cerrado. Dejar\(\left\{a_{n}\right\}\) ser una secuencia en\(A\) que converja a un punto\(a \in \mathbb{R}\). Por la definición de compacidad,\(\left\{a_{n}\right\}\) tiene una subsecuencia\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\) que converge a\(b \in A\). Entonces\(a=b \in A\) y, de ahí,\(A\) se cierra por el Teorema 2.6.3.

    Para lo contrario, supongamos que\(A\) está cerrado y acotado y deja\(\left\{a_{n}\right\}\) ser una secuencia en\(A\). Ya que\(A\) está acotada, la secuencia está acotada y, por el teorema de Bolzano-Weierstrass (Teorema 2.4.1), tiene una subsecuencia convergente,\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\). Diga,\(\lim _{k \rightarrow \infty} a_{n_{k}}=a\). Ahora se deduce del Teorema 2.6.3 que\(a \in A\). Thhis demuestra que\(A\) es compacto como se desee. \(\square\)

    Definición\(\PageIndex{4}\)

    (cluster/límite/punto de acumulación). Dejar\(A\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Un punto\(a \in \mathbb{R}\) (no necesariamente en\(A\)) se llama punto límite de\(A\) si para alguno\(\delta>0\), la bola abierta\(B(a ; \delta)\) contiene un número infinito de puntos de\(A\).

    Un punto\(a \in A\) whihc no es un punto de acumulación de\(A\) se llama punto aislado de\(A\).

    Ejemplo\(\PageIndex{5}\)

    1. Vamos\(A=[0,1)\).
    2. Vamos\(A = \mathbb{Z}\).
    3. Vamos\(A=\{1 / n: n \in \mathbb{N}\}\). Entonces\(a=0\) es el único punto límite de\(A\). Todos los elementos de\(A\) son puntos aislados.

    Solución

    1. Entonces\(a=0\) es un punto límite de\(A\) y también\(b=1\) es un límite de pooint de\(A\). De hecho, cualquier punto del intervalo\([0,1]\) es un punto límite de\(A\). El conjunto no\([0,1)\) tiene puntos aislados.
    2. Entonces\(A\) no tiene ningún punto límite. Cada elemento de\(\mathbb{Z}\) es un punto aislado de\(\matbb{Z}\).
    3. Entonces\(a=0\) es el único punto límite de\(A\). Todos los elementos de\(A\) son puntos aislados.

    Ejemplo\(\PageIndex{6}\)

    Si\(G\) es un subconjunto abierto de\(\mathbb{R}\) entonces cada punto de\(G\) es un punto límite de\(G\).

    Solución

    De hecho, más es cierto. Si\(G\) está abierto y\(a \in G\), entonces\(a\) es un punto límite de\(G \backslash\{a\}\). Efectivamente,\(\delta>0\) seamos tales que\(B(a ; \delta) \subset G\). Entonces\((G \backslash\{a\}) \cap B(a ; \delta)=(a-\delta, a) \cup(a, a+\delta)\) y, así\(B(a ; \delta)\) contiene un número infinito de puntos de\(G \backslash\{a\}\).

    El siguiente teorema es una variación del teorema de Bolzano-Weierstrass.

    Teorema\(\PageIndex{6}\)

    Cualquier subconjunto limitado infinito de\(\mathbb{R}\) tiene al menos un punto límite.

    Prueba

    Dejar\(A\) ser un subconjunto infinito de\(\mathbb{R}\) y dejar\(\left\{a_{n}\right\}\) ser una secuencia de\(A\) tales que

    \[a_{m} \neq a_{n} \text { for } m \neq n\]

    (ver Teorema 1.2.7). Ya que\(\left\{a_{n}\right\}\) está limitado, por el teorema de Bolzano-Weierstrass (Teorema 2.4.1), tiene una subsecuencia convergente\(\left\{a_{n_{k}}\right\}\). Set\(b=\lim _{k \rightarrow \infty} a_{n_{k}}\). Dado\(\delta>0\), existe\(K \in \mathbb{N}\) tal que\(a_{n_{k}} \in B(b ; \delta)\) para\(k \geq K\). Dado que el conjunto\(\left\{a_{n_{k}}: k \geq K\right\}\) es infinito, se deduce que\(b\) es un punto límite de\(A\). \(\square\)

    Las siguientes definiciones y resultados proporcionan el marco para discutir la convergencia dentro de los subconjuntos de\(\mathbb{R}\).

    Definición\(\PageIndex{5}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Decimos que un subconjunto\(V\) de\(D\) está abierto en\(D\) si por cada\(a \in V\), existe\(\delta >0\) tal que

    \[B(a ; \delta) \cap D \subset V.\]

    Teorema\(\PageIndex{7}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Un subconjunto\(V\) de\(D\) está abierto\(D\) si y solo si existe un subconjunto abierto\(G\) de\(\mathbb{R}\) tal que

    \[V=D \cap G.\]

    Prueba

    Supongamos que\(V\) está abierto en\(D\). Por definición, para cada\(a \in V\), existe\(\delta_{a}>0\) tal que

    \[B\left(a ; \delta_{a}\right) \cap D \subset V.\]

    Definir

    \[G=\cup_{a \in V} B\left(a ; \delta_{a}\right)\]

    Entonces\(G\) es una unión de subconjuntos abiertos de\(\mathbb{R}\), así\(G\) es abierta. Por otra parte,

    \[V \subset G \cap D=\cup_{a \in V}\left[B\left(a ; \delta_{a}\right) \cap D\right] \subset V.\]

    Por lo tanto,\(V=G \cap D\).

    Ahora probemos los convers. Supongamos\(V=G \cap D\), dónde\(G\) está un conjunto abierto. Para cualquiera\(a \in V\), tenemos\(a \in G\), por lo que existe\(\delta>0\) tal que

    \[B(a ; \delta) \subset G.\]

    De ello se deduce que

    \[B(a ; \delta) \cap D \subset G \cap D=V.\]

    La prueba ya está completa. \(\square\)

    Ejemplo\(\PageIndex{7}\)

    Dejar\(D=[0,1)\) y\(V=\left[0, \frac{1}{2}\right)\).

    Solución

    Podemos escribir\(V=D \cap\left(-1, \frac{1}{2}\right)\). Ya que\(\left(-1, \frac{1}{2}\right)\) está abierto en\(\mathbb{R}\), concluimos del Teorema 2.6.7 que\(V\) está abierto en\(D\). Observe que\(V\) en sí mismo no es un subconjunto abierto de\(\mathbb{R}\).

    El siguiente teorema es ahora una consecuencia directa de los Teoremas 2.6.7 y 2.6.1.

    Teorema\(\PageIndex{8}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Se mantienen los siguientes:

    1. Los subconjuntos\(\emptyset\) y\(D\) están abiertos en\(D\).
    2. La unión de cualquier colección de sets abiertos en\(D\) es abierta en\(D\).
    3. La intersección de un número finito de conjuntos abiertos en\(D\) está abierta en\(D\).
    Prueba

    Agrega prueba aquí y automáticamente se ocultará

    Definición\(\PageIndex{6}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Decimos que un subconjunto\(A\) de\(D\) está cerrado en\(D\) si\(D \backslash A\) está abierto en\(D\).

    Teorema\(\PageIndex{9}\)

    Un subconjunto\(K\) de\(D\) se cierra en\(D\) si y solo si existe un subconjunto cerrado\(F\) de\(mathbb{R}\) tal que

    \[K=D \cap F.\]

    Prueba

    Supongamos que\(K\) es un conjunto cerrado en\(D\). Entonces\(D \backslash K\) está abierto en\(D\). Por Teorema 2.6.7, existe un conjunto abierto\(G\) tal que

    \[D \backslash K=D \cap G.\]

    De ello se deduce que

    \[K=D \backslash(D \backslash K)=D \backslash(D \cap G)=D \backslash G=D \cap G^{c}.\]

    Vamos\(F=G^{c}\). Entonces\(F\) es un subconjunto cerrado de\(\mathbb{R}\) y\(K=D \cap F\).

    Por el contrario, supongamos que existe un subconjunto cerrado\(F\) de\(\mathbb{R}\) tal que\(K=D \cap F\). Entonces

    \[D \backslash K=D \backslash(D \cap F)=D \backslash F=D \cap F^{c}.\]

    Dado que\(F^{c}\) es un subconjunto abierto de\(\mathbb{R}\), aplicando nuevamente el Teorema 2.6.7, uno tiene el\(D \backslash K\) está abierto en\(D\).

    Por lo tanto,\(K\) está cerrado\(D\) por definición. \(\square\)

    Ejemplo\(\PageIndex{8}\)

    Dejar\(D=[0,1)\) y\(K=\left[\frac{1}{2}, 1\right)\).

    Solución

    Podemos escribir\(K=D \cap\left[\frac{1}{2}, 2\right]\). Ya que\(\left[\frac{1}{2}, 2\right]\) está cerrado en\(\mathbb{R}\), concluimos del Teorema 2.6.9 que\(K\) está cerrado en\(D\). Observe que\(K\) en sí mismo no es un subconjunto cerrado de\(\mathbb{R}\).

    Corolario\(\PageIndex{10}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Un subconjunto\(K\) de\(D\) se cierra en\(D\) si y solo si por cada secuencia\(\left\{x_{k}\right\}\) en\(K\) que converge a un punto sigue\(\bar{x} \in D\) eso\(\bar{x} \in K\).

    Prueba

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\) Supongamos que\(K\) está cerrado en\(D\). Por Teorema 2.6.9, existe un subconjunto cerrado\(F\) de\(\mathbb{R}\) tales que

    \[K=D \cap F.\]

    Dejar\(\left\{x_{k}\right\}\) ser una secuencia en\(K\) que converja a un punto\(\bar{x} \in D\). Dado que también\(\left\{x_{k}\right\}\) es una secuencia en\(F\) y\(F\) es un subconjunto cerrado de\(\mathbb{R}\),\(\bar{x} \in F\). Por lo tanto,\(\bar{x} \in D \cap F=K\).

    Demostremos lo contrario. Supongamos por contradicción que no\(K\) está cerrado\(D\) o no\(D \backslash K\) está abierto en\(D\). Entonces existe\(\bar{x} \in D \backslash K\) tal que para cada\(\delta>0\), uno tiene

    \[B(\bar{x} ; \delta) \cap D \nsubseteq D \backslash K.\]

    En particular, para cada\(k \in \mathbb{N}\),

    \[B\left(\bar{x} ; \frac{1}{k}\right) \cap D \nsubseteq D \backslash K.\]

    Para cada uno\(k \in \mathbb{N}\), elige\(x_{k} \in B\left(\bar{x} ; \frac{1}{k}\right) \cap D\) tal que\(x_{k} \notin D \backslash K\). Entonces\(\left\{x_{k}\right\}\) es una secuencia en\(K\) y, además,\(\left\{x_{k}\right\}\) converge a\(\bar{x} \in D\). Entonces\(\bar{x} \in K\). Esto es una contradicción. Concluimos que\(K\) está cerrado en\(D\). \(square\)

    El siguiente teorema es una consecuencia directa de los teoremas 2.6.9 y 2.6.2.

    Teorema\(\PageIndex{11}\)

    Dejar\(D\) ser un subconjunto de\(\mathbb{R}\). Se mantienen los siguientes:

    1. Los subconjuntos\(\emptyset\) y\(D\) están cerrados en\(D\).
    2. La intersección de cualquier colección de conjuntos cerrados\(D\) está cerrada en\(D\).
    3. La unión de un número finito de conjuntos cerrados en\(D\) está cerrada en\(D\).
    Prueba

    Agrega prueba aquí y automáticamente se ocultará

    Ejemplo\(\PageIndex{9}\)

    Considera el conjunto\(D=[0,1)\) y el subconjunto\(A=\left[\frac{1}{2}, 1\right)\).

    Solución

    Claramente,\(A\) está acotado. Mostramos en el Eample 2.6.8 que\(A\) está cerrado en\(D\). Sin embargo, no\(A\) es compacto. Esto lo mostramos al encontrar una secuencia\(\left\{a_{n}\right\}\) en\(A\) la que ninguna subsecuencia converge a un punto en\(A\).

    En efecto, considere la secuencia\(a_{n}=1-\frac{1}{2 n}\) para\(n \in \mathbb{N}\). Entonces a_ {n}\ en A\) para todos\(n\). Además,\(\left\{a_{n}\right\}\) converge\(1\) y, por lo tanto, cada subsecuencia también converge a\(1\). Ya que\(1 \notin A\), se deduce que no\(A\) es compacto.

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Demostrar que un subconjunto\(A\) de\(\mathbb{R}\) está abierto si y sólo si para alguno\(x \in A\), existe\(n \in \mathbb{N}\) tal que\((x-1 / n, x+1 / n) \subset A\).

    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Demostrar que el intervalo no\([0,1)\) es ni abierto ni cerrado.

    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

    Demostrar que si\(A\) y\(B\) son subconjuntos compactos de\(\mathbb{R}\), entonces\(A \cup B\) es un conjunto compacto.

    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

    Demostrar que la intersección de cualquier colección de subconjuntos compactos de\(\mathbb{R}\) es compacta.

    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

    Encuentra todos los puntos límite y todos los puntos aislados de cada uno de los siguientes conjuntos:

    1. \(A=(0,1)\).
    2. \(B=[0,1)\).
    3. \(C=\mathbb{Q}\).
    4. \(D=\{m+1 / n: m, n \in \mathbb{N}\}\).
    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    Ejercicio\(\PageIndex{6}\)

    Vamos\(D=[0, \infty)\). Clasifique cada subconjunto de\(D\) abajo como abierto en\(D\), cerrado en\(D\), ninguno o ambos. Justifica tus respuestas.

    1. \(A=(0,1)\).
    2. \(B=\mathbb{N}\).
    3. \(C=\mathbb{Q} \cap D\).
    4. \(D=(-1,1]\).
    5. \(E=(-2, \infty)\).
    Contestar

    Agrega textos aquí. No borre primero este texto.

    1 Esta definición de compacidad es referida más comúnmente como compacidad secuencial.