10.1 Definizioni[2CC]

Uno spazio metrico è una coppia \((X,d)\) dove \(X\) è un insieme (non vuoto) con associata una distanza \(d\).

Definizione 275

[0MS] Una distanza è una funzione \(d:X× X→ [0,∞)\) che gode delle seguenti proprietà:

  • \(d(x,x)=0\);

  • (proprietà di separazione) se \(d(x,y)=0\) allora \(x=y\);

  • (simmetria) \(d(x,y)=d(y,x)\) per ogni \(x,y∈ X\);

  • (diseguaglianza triangolare) \(d(x,z)≤ d(x,y)+d(y,z)\) per ogni \(x,y,z∈ X\).

Un esempio è dato da \(ℝ^ n\) con la distanza Euclidea \(d(x,y)=|x-y|\).

Definizione 276

[0MT] Dati una successione \((x_ n)_ n⊆ X\) e \(x∈ X\),

  • diremo che “\((x_ n)_ n\) converge a \(x\)” se \(\lim _ n d(x_ n,x)=0\); scriveremo anche \(x_ n→_ n x\) per indicare che la successione converge a \(x\).

  • Diremo che “\((x_ n)_ n\) è una successione di Cauchy” se

    \[ ∀ \varepsilon {\gt}0~ ~ ∃ N∈ℕ~ ,~ ∀ n,m≥ N~ ~ d(x_ n,x_ m){\lt}\varepsilon ~ ~ . \]
Esempio 277

[2C1]Dato un insieme \(X\), possiamo sempre associargli la distanza discreta

\[ d(x,y) = \begin{cases} 0 & x=y\\ 1 & x\neq y \end{cases} \]

La topologia generata è la topologia discreta in cui tutti i sottoinsiemi di \(X\) sono aperti.

[Nota. Se non siete familiari con il concetto di spazio metrico, potete assumere che \(X=ℝ^ n\) e \(d(x,y)=|x-y|\) in tutti gli esercizi.]

E279

[0MV]Data una successione \((x_ n)_ n⊆ X\) mostrate che se converge a un punto allora è di Cauchy.

E279

[0MW]Data una successione \((x_ n)_ n⊆ X\) mostrate che: se converge a \(x\) e converge a \(y\), allora \(x=y\).

Questo risultato è noto come Teorema dell’unicità del limite.

E279

[0MX]Generalizziamo la definizione di spazio metrico assumendo che \(d:X→[0,∞]\) (gli altri assiomi sono uguali). Mostrate che la relazione \(x∼ y\) definita da

\[ x∼ y\iff d(x,y){\lt}∞ \]

è una relazione di equivalenza, e che le classi di equivalenza sono aperte, e dunque sono sconnesse una dall’altra.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0MY’]

E279

[0MZ] Date \(f,g\) continue su \(ℝ\), si ponga

\[ d(f,g)=\sup _{x∈ℝ}|f(x)-g(x)|\ . \]

Si dimostri che \(d\) è una distanza su \(X=C(ℝ)\), nel senso esteso dell’esercizio 3.

Sia \(f∼ g\iff d(f,g){\lt}∞\) come prima, si mostri che la famiglia delle classi di equivalenza \(\frac X∼\) ha la cardinalità del continuo.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0N0’]

E279

[0N1] Prerequisiti:15.Note:Vedere anche eserc. 2. Supponiamo che \(𝜑:[0,∞)→[0,∞)\) sia monotona debolmente crescente e subadditiva, cioè \(𝜑(t)+𝜑(s)≥ 𝜑(t+s)\) per ogni \(t,s≥ 0\); e supponiamo che \(𝜑(x)=0\) se e solo se \(x=0\).

Allora \(𝜑◦ d\) è ancora una distanza. Esempi: \(𝜑(t)=\sqrt t\), \(𝜑(t)=t/(1+t)\), \(𝜑(t)=\arctan (t)\), \(𝜑(t)=\min \{ t,1\} \).

Mostrate inoltre che se \(𝜑\) è continua in zero allora la topologia associata è la stessa.  1 Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0N2’]

E279

[0N3] Se \((x_ n)_ n⊂ X\) è una successione e \(x∈ X\), si mostri che \(\lim _{n→∞} x_ n=x\) se e solo se, per ogni sotto–successione \(n_ k\) esiste una sotto–sotto–successione \(n_{k_ h}\) tale che \(\lim _{h→∞} x_{n_{k_ h}}=x\). Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0N4’]

E279

[0N5]Una successione \((x_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy se e solo se

\[ \lim _{N→∞}\sup \{ d(x_ n,x_ m) : n≥ N, m≥ N\} =0~ ~ . \]

E279

[0N6] Una successione \((x_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy se e solo se esiste una successione \(\varepsilon _ n\) con \(\varepsilon _ n≥ 0\) e \(\varepsilon _ n→_ n 0\) per cui per ogni \(n\) e ogni \(m≥ n\) si ha \(d(x_ n,x_ m)≤ \varepsilon _ n\).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0N7’]

E279

[0N8] Se \((x_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy e esistono \(x\) e una sottosuccessione \(n_ m\) tale che \(\lim _{m→∞} x_{n_ m}=x\) allora \(\lim _{n→∞} x_{n}=x\).

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0N9’]

Questo “lemma” è usato in alcune dimostrazioni importanti, ad esempio per mostrare che uno spazio metrico compatto è anche completo.

E279

[0NC] Sia \(\varepsilon _ n{\gt}0\) una successione decrescente infinitesima. Se \((x_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy esiste una sottosuccessione \(n_ k\) tale che

\[ ∀ k ∈ℕ,~ ∀ h ∈ℕ,~ h{\gt}k ⇒ d(x_{n_ k},x_{n_ h})≤ \varepsilon _ k~ ~ . \]

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0ND’] Questa proprietà viene spesso usata ponendo \(\varepsilon _ n=2^{-n}\), o altra successione la cui serie converge.

E279

[0NF] Sia \((x_ n)_ n\) una successione tale che \(∑_{n=1}^∞ d(x_ n,x_{n+1}) {\lt} ∞\): si provi che è una successione di Cauchy.

Confrontate questo esercizio, il precedente 10 nel caso in cui \(∑_ n \varepsilon _ n{\lt}∞\), e l’esercizio 9.

E279

[0NG]Se \((x_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy, \((y_ n)⊂ X\) è un’altra successione, e \(d(x_ n,y_ n)→_ n 0\), allora \((y_ n)⊂ X\) è una successione di Cauchy.

E279

[0NH] Preso \((X,d)\) uno spazio metrico, si mostri che \(d\) è continua (come funzione \(d:X× X→ℝ\)). Si può anzi mostrare che è lipschitziana, associando a \(X× X\)

\[ \hat d (x,y) = d(x_ 1,y_ 1) + d(x_ 2,y_ 2), \text{ per } x=(x_ 1,x_ 2),y=(y_ 1,y_ 2) \in X× X~ . \]

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0NK’] [UNACCESSIBLE UUID ’0NJ’]

[0NM]Prerequisiti:3, 2,8.Difficoltà:*.Note:Esercizio 2, compito 9 Luglio 2011.

Sia \(𝛼(x)\) una funzione continua su \(ℝ\), limitata e strettamente positiva. Date \(f,g\) continue su \(ℝ\), si ponga

\[ d(f,g)=\sup _{x∈ℝ}\big(\min \{ 𝛼(x),|f(x)-g(x)|\} \big)\ . \]

Si dimostri che \(d\) è una distanza su \(C(ℝ)\) e che \(\big(C(ℝ),d\big)\) è completo. Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0NP’] [0NQ] Note:Esercizio 2, compito 25 Marzo 2017.

Si dimostri che le seguenti proprietà sono equivalenti per uno spazio metrico \(X\):

  • ogni successione di elementi di \(X\) ammette una sottosuccessione di Cauchy;

  • il completamento \(X^*\) di \(X\) è compatto.

Soluzione nascosta: [UNACCESSIBLE UUID ’0NR’]

[UNACCESSIBLE UUID ’0NS’] [UNACCESSIBLE UUID ’0NT’] [UNACCESSIBLE UUID ’0NV’]

  1. Si veda la successiva Sez. 10.2 per un riepilogo delle definizioni riguardo alla topologia in spazi metrici: in particolare sarà utile il 15.