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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolaci´on de sucesiones Aplicaciones del Conjunto de Cantor Aythami Bethencourt (ULL) Elena Camacho (US) ´ Angela Capel (UGR) Pablo Jim´ enez (UCM) Juan Jos´ e Mar´ ın (UM) Supervisado por Dr. Jos´ e Pedro Moreno (UAM) 12 de abril de 2013 III Escuela-Taller de An´ alisis Funcional

Aplicaciones del Conjunto de Cantor - um.es · conjunto de Cantor, y se denota por ), mediante el homeomor smo de nido por ˚(fx ng1 ... Por tanto, x n = 0 y b 2=E x. Sea D := fx

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Aplicaciones del Conjunto de Cantor

Aythami Bethencourt (ULL)Elena Camacho (US)Angela Capel (UGR)

Pablo Jimenez (UCM)Juan Jose Marın (UM)

Supervisado por Dr. Jose Pedro Moreno (UAM)

12 de abril de 2013III Escuela-Taller de Analisis Funcional

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

El sorprendente espacio de Cantor

Definicion

Denotaremos por 2 al conjunto {0, 1}, dotado de la topologıadiscreta. El espacio de Cantor consiste en el conjunto 2N, dotadode la topologıa producto.

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El sorprendente espacio de Cantor

Los elementos de 2N no son mas que sucesiones {xn}∞n=1, donde

xn ∈ {0, 1}, n ∈ N.

2N es no numerable.

2N es compacto (T. Tychonoff).

{y ∈ 2N : y(i) = x(i), 1 ≤ i ≤ n, }n∈N es una base deentornos de x ∈ 2N.

Ademas, el espacio de Cantor se puede identificar con unsubconjunto del intervalo [0, 1] (que es al que se suele llamarconjunto de Cantor, y se denota por ∆), mediante elhomeomorfismo definido por

φ({xn}∞n=1) =∑∞

n=12xn3n , {xn}

∞n=1 ∈ 2N.

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El sorprendente espacio de Cantor

Los elementos de 2N no son mas que sucesiones {xn}∞n=1, donde

xn ∈ {0, 1}, n ∈ N.

2N es no numerable.

2N es compacto (T. Tychonoff).

{y ∈ 2N : y(i) = x(i), 1 ≤ i ≤ n, }n∈N es una base deentornos de x ∈ 2N.

Ademas, el espacio de Cantor se puede identificar con unsubconjunto del intervalo [0, 1] (que es al que se suele llamarconjunto de Cantor, y se denota por ∆), mediante elhomeomorfismo definido por

φ({xn}∞n=1) =∑∞

n=12xn3n , {xn}

∞n=1 ∈ 2N.

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El sorprendente espacio de Cantor

Los elementos de 2N no son mas que sucesiones {xn}∞n=1, donde

xn ∈ {0, 1}, n ∈ N.

2N es no numerable.

2N es compacto (T. Tychonoff).

{y ∈ 2N : y(i) = x(i), 1 ≤ i ≤ n, }n∈N es una base deentornos de x ∈ 2N.

Ademas, el espacio de Cantor se puede identificar con unsubconjunto del intervalo [0, 1] (que es al que se suele llamarconjunto de Cantor, y se denota por ∆), mediante elhomeomorfismo definido por

φ({xn}∞n=1) =∑∞

n=12xn3n , {xn}

∞n=1 ∈ 2N.

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El sorprendente espacio de Cantor

Enunciamos algunas propiedades que nos seran de utilidad.

Nota

Un espacio metrico es II axioma, si y solo si, es separable.

Un espacio metrico compacto es separable.

Todo subconjunto cerrado (no vacıo) del espacio de Cantor esun retracto de este.

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El sorprendente espacio de Cantor

Enunciamos algunas propiedades que nos seran de utilidad.

Nota

Un espacio metrico es II axioma, si y solo si, es separable.

Un espacio metrico compacto es separable.

Todo subconjunto cerrado (no vacıo) del espacio de Cantor esun retracto de este.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Teorema

Todo espacio metrico compacto es imagen continua del espacio deCantor.

Demostracion

Sea T un espacio metrico compacto.

Pasos de la demostracion:

1 T es imagen continua de un subconjunto cerrado del espaciode Cantor.

2 Todo subespacio cerrado no vacıo del espacio de Cantor es unretracto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Teorema

Todo espacio metrico compacto es imagen continua del espacio deCantor.

Demostracion

Sea T un espacio metrico compacto.

Pasos de la demostracion:

1 T es imagen continua de un subconjunto cerrado del espaciode Cantor.

2 Todo subespacio cerrado no vacıo del espacio de Cantor es unretracto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Teorema

Todo espacio metrico compacto es imagen continua del espacio deCantor.

Demostracion

Sea T un espacio metrico compacto.

Pasos de la demostracion:

1 T es imagen continua de un subconjunto cerrado del espaciode Cantor.

2 Todo subespacio cerrado no vacıo del espacio de Cantor es unretracto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Teorema

Todo espacio metrico compacto es imagen continua del espacio deCantor.

Demostracion

Sea T un espacio metrico compacto.

Pasos de la demostracion:

1 T es imagen continua de un subconjunto cerrado del espaciode Cantor.

2 Todo subespacio cerrado no vacıo del espacio de Cantor es unretracto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Teorema

Todo espacio metrico compacto es imagen continua del espacio deCantor.

Demostracion

Sea T un espacio metrico compacto.

Pasos de la demostracion:

1 T es imagen continua de un subconjunto cerrado del espaciode Cantor.

2 Todo subespacio cerrado no vacıo del espacio de Cantor es unretracto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sea {Gn} una base numerable de abiertos en T .

∀n ∈ N, definimos

Φn(0) = Gn , Φn(1) = T \ Gn

Entonces, ∀x ∈ 2N, consideramos

Ex =∞⋂n=1

Φn(xn)

Veamos que Ex contiene, a lo sumo, un punto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sea {Gn} una base numerable de abiertos en T .

∀n ∈ N, definimos

Φn(0) = Gn , Φn(1) = T \ Gn

Entonces, ∀x ∈ 2N, consideramos

Ex =∞⋂n=1

Φn(xn)

Veamos que Ex contiene, a lo sumo, un punto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sea {Gn} una base numerable de abiertos en T .

∀n ∈ N, definimos

Φn(0) = Gn , Φn(1) = T \ Gn

Entonces, ∀x ∈ 2N, consideramos

Ex =∞⋂n=1

Φn(xn)

Veamos que Ex contiene, a lo sumo, un punto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sea {Gn} una base numerable de abiertos en T .

∀n ∈ N, definimos

Φn(0) = Gn , Φn(1) = T \ Gn

Entonces, ∀x ∈ 2N, consideramos

Ex =∞⋂n=1

Φn(xn)

Veamos que Ex contiene, a lo sumo, un punto.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Sean x = (xn) ∈ 2N y a ∈ Ex . Consideramos b 6= a.

Por ser T Hausdorff, existe un entorno abierto de a cuya clausurano contiene a b.

Consecuentemente, ∃n ∈ N tal que a ∈ Gn y b /∈ Gn.

Por tanto, xn = 0 y b /∈ Ex .

Sea D := {x ∈ 2N : Ex 6= ∅}.

Para cada x ∈ D, como Ex consta de un solo punto, denotamos almismo por f (x).

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que f es una aplicacion continua y sobreyectiva de D enT .

f sobreyectiva

Sea a ∈ T . ∀n ∈ N

a ∈ Φn(0)∨

a ∈ Φn(1)

Sea xn tal que a ∈ Φn(xn). Esto define un x ∈ 2N tal quea ∈ Ex ⇒ a = f (x).

f continua

Sea U entorno abierto de f (x) tal que∞⋂n=1

Φn(xn) ⊆ U.

T compacto y Φn(xn) cerrado ⇒ ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) ⊆ U.

Si y ∈ D con y(i) = x(i) para i ≤ N ⇒ f (y) ∈ U.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que D es cerrado.

Tomamos x /∈ D ⇒ Ex = ∅.

Por compacidad, ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) = ∅.

Si y(i) = x(i) para i ≤ N y /∈ D.

Finalmente, como D es un retracto de 2N, ∃r : 2N → D continuacon r |D = IdD .

Entonces, f ◦ r : 2N → T es continua y sobreyectiva.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que D es cerrado.

Tomamos x /∈ D ⇒ Ex = ∅.

Por compacidad, ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) = ∅.

Si y(i) = x(i) para i ≤ N y /∈ D.

Finalmente, como D es un retracto de 2N, ∃r : 2N → D continuacon r |D = IdD .

Entonces, f ◦ r : 2N → T es continua y sobreyectiva.

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que D es cerrado.

Tomamos x /∈ D ⇒ Ex = ∅.

Por compacidad, ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) = ∅.

Si y(i) = x(i) para i ≤ N y /∈ D.

Finalmente, como D es un retracto de 2N, ∃r : 2N → D continuacon r |D = IdD .

Entonces, f ◦ r : 2N → T es continua y sobreyectiva.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que D es cerrado.

Tomamos x /∈ D ⇒ Ex = ∅.

Por compacidad, ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) = ∅.

Si y(i) = x(i) para i ≤ N y /∈ D.

Finalmente, como D es un retracto de 2N, ∃r : 2N → D continuacon r |D = IdD .

Entonces, f ◦ r : 2N → T es continua y sobreyectiva.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Veamos que D es cerrado.

Tomamos x /∈ D ⇒ Ex = ∅.

Por compacidad, ∃N ∈ N tal queN⋂i=1

Φi (xi ) = ∅.

Si y(i) = x(i) para i ≤ N y /∈ D.

Finalmente, como D es un retracto de 2N, ∃r : 2N → D continuacon r |D = IdD .

Entonces, f ◦ r : 2N → T es continua y sobreyectiva.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Nota

Cambio de “espacio metrico” por “compacto, Hausdorff yAN-II”.Teorema de Urysohn.

Cardinalidad de espacio metricos compactos.

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Teorema de Alexandroff-Hausdorff

Nota

Cambio de “espacio metrico” por “compacto, Hausdorff yAN-II”.Teorema de Urysohn.

Cardinalidad de espacio metricos compactos.

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Curvas que llenan el espacio

Veremos ahora la existencia de una funcion φ : [0, 1]→ [0, 1]d

continua y sobreyectiva.

Demostracion

Usando el Teorema de Alexandroff-Hausdorff, existe una funcioncontinua φ : ∆→ [0, 1]d .Ahora nos basta con extender φ al intervalo [0, 1] de maneracontinua.A este fin, basta con observar que [0, 1] \∆ es una unionnumerable de intervalos disjuntos. Esto es,

[0, 1] \∆ =∞⋃k=1

Ik ,

donde Ik = (ak , bk), k ∈ N.

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Curvas que llenan el espacio

Veremos ahora la existencia de una funcion φ : [0, 1]→ [0, 1]d

continua y sobreyectiva.

Demostracion

Usando el Teorema de Alexandroff-Hausdorff, existe una funcioncontinua φ : ∆→ [0, 1]d .Ahora nos basta con extender φ al intervalo [0, 1] de maneracontinua.

A este fin, basta con observar que [0, 1] \∆ es una unionnumerable de intervalos disjuntos. Esto es,

[0, 1] \∆ =∞⋃k=1

Ik ,

donde Ik = (ak , bk), k ∈ N.

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Curvas que llenan el espacio

Veremos ahora la existencia de una funcion φ : [0, 1]→ [0, 1]d

continua y sobreyectiva.

Demostracion

Usando el Teorema de Alexandroff-Hausdorff, existe una funcioncontinua φ : ∆→ [0, 1]d .Ahora nos basta con extender φ al intervalo [0, 1] de maneracontinua.A este fin, basta con observar que [0, 1] \∆ es una unionnumerable de intervalos disjuntos. Esto es,

[0, 1] \∆ =∞⋃k=1

Ik ,

donde Ik = (ak , bk), k ∈ N.

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Curvas que llenan el espacio

Extendemos φ por interpolacion lineal en cada intervalo Ik .

φ(x) =

{φ(x), x ∈ ∆tφ(ak) + (1− t)φ(bk), x = tak + (1− t)bk ∈ (ak , bk).

Se observa que φ([0, 1]) ⊂ [0, 1]d , pues [0, 1]d es un convexo, yaquı termina la prueba.

Corolario

Sea K un conjunto convexo, compacto, metrizable, de un espaciovectorial topologico V . Entonces, existe una aplicacion continua ysobreyectiva del [0, 1] en K .

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Curvas que llenan el espacio

Extendemos φ por interpolacion lineal en cada intervalo Ik .

φ(x) =

{φ(x), x ∈ ∆tφ(ak) + (1− t)φ(bk), x = tak + (1− t)bk ∈ (ak , bk).

Se observa que φ([0, 1]) ⊂ [0, 1]d , pues [0, 1]d es un convexo, yaquı termina la prueba.

Corolario

Sea K un conjunto convexo, compacto, metrizable, de un espaciovectorial topologico V . Entonces, existe una aplicacion continua ysobreyectiva del [0, 1] en K .

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Curvas que llenan el espacio

Extendemos φ por interpolacion lineal en cada intervalo Ik .

φ(x) =

{φ(x), x ∈ ∆tφ(ak) + (1− t)φ(bk), x = tak + (1− t)bk ∈ (ak , bk).

Se observa que φ([0, 1]) ⊂ [0, 1]d , pues [0, 1]d es un convexo, yaquı termina la prueba.

Corolario

Sea K un conjunto convexo, compacto, metrizable, de un espaciovectorial topologico V . Entonces, existe una aplicacion continua ysobreyectiva del [0, 1] en K .

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Teorema de Banach-Mazur

Definicion

Decimos que un espacio de Banach, X , es universal para una clasede espacios de Banach, G, si todo elemento de G tiene una copiaisometrica en X .

Ejemplo

`∞ es universal para la clase de los espacios separables.

Demostracion

Y separable, {xn} denso en SY , x∗n ∈ Y ∗ con 1 = ‖x∗n‖ = x∗n (xn).

x → (x∗n (x))∞n=1 es una isometrıa.

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Teorema de Banach-Mazur

Definicion

Decimos que un espacio de Banach, X , es universal para una clasede espacios de Banach, G, si todo elemento de G tiene una copiaisometrica en X .

Ejemplo

`∞ es universal para la clase de los espacios separables.

Demostracion

Y separable, {xn} denso en SY , x∗n ∈ Y ∗ con 1 = ‖x∗n‖ = x∗n (xn).

x → (x∗n (x))∞n=1 es una isometrıa.

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Teorema de Banach-Mazur

Definicion

Decimos que un espacio de Banach, X , es universal para una clasede espacios de Banach, G, si todo elemento de G tiene una copiaisometrica en X .

Ejemplo

`∞ es universal para la clase de los espacios separables.

Demostracion

Y separable, {xn} denso en SY , x∗n ∈ Y ∗ con 1 = ‖x∗n‖ = x∗n (xn).

x → (x∗n (x))∞n=1 es una isometrıa.

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Teorema de Banach-Mazur

Definicion

Decimos que un espacio de Banach, X , es universal para una clasede espacios de Banach, G, si todo elemento de G tiene una copiaisometrica en X .

Ejemplo

`∞ es universal para la clase de los espacios separables.

Demostracion

Y separable, {xn} denso en SY , x∗n ∈ Y ∗ con 1 = ‖x∗n‖ = x∗n (xn).

x → (x∗n (x))∞n=1 es una isometrıa.

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Teorema de Banach-Mazur

¡Pero `∞ no es separable!

¿Podemos encontrar algun espacio separable universal para losseparables?

Necesitaremos:

1 (BX∗ , ω∗) es compacto (Teorema de Alaoglu).

2 (BX∗ , ω∗) es metrizable (ya que X es separable).

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Teorema de Banach-Mazur

¡Pero `∞ no es separable!

¿Podemos encontrar algun espacio separable universal para losseparables?

Necesitaremos:

1 (BX∗ , ω∗) es compacto (Teorema de Alaoglu).

2 (BX∗ , ω∗) es metrizable (ya que X es separable).

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Teorema de Banach-Mazur

¡Pero `∞ no es separable!

¿Podemos encontrar algun espacio separable universal para losseparables?

Necesitaremos:

1 (BX∗ , ω∗) es compacto (Teorema de Alaoglu).

2 (BX∗ , ω∗) es metrizable (ya que X es separable).

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Teorema de Banach-Mazur

¡Pero `∞ no es separable!

¿Podemos encontrar algun espacio separable universal para losseparables?

Necesitaremos:

1 (BX∗ , ω∗) es compacto (Teorema de Alaoglu).

2 (BX∗ , ω∗) es metrizable (ya que X es separable).

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Teorema de Banach-Mazur

¡Pero `∞ no es separable!

¿Podemos encontrar algun espacio separable universal para losseparables?

Necesitaremos:

1 (BX∗ , ω∗) es compacto (Teorema de Alaoglu).

2 (BX∗ , ω∗) es metrizable (ya que X es separable).

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Teorema de Banach-Mazur

Teorema (Teorema de Banach-Mazur)

Todo espacio de Banach separable es linealmente isometrico a unsubespacio de C [0, 1].

Demostracion (Paso 1)

Todo espacio de Banach separable X es linealmente isometrico aun subespacio de C (K ), para algun espacio K metrizable, convexoy compacto.

Demostremos que existe una isometrıa entre X y un subespacio deC (K ) con K = BX∗ .

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Teorema de Banach-Mazur

Teorema (Teorema de Banach-Mazur)

Todo espacio de Banach separable es linealmente isometrico a unsubespacio de C [0, 1].

Demostracion (Paso 1)

Todo espacio de Banach separable X es linealmente isometrico aun subespacio de C (K ), para algun espacio K metrizable, convexoy compacto.

Demostremos que existe una isometrıa entre X y un subespacio deC (K ) con K = BX∗ .

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Teorema de Banach-Mazur

Teorema (Teorema de Banach-Mazur)

Todo espacio de Banach separable es linealmente isometrico a unsubespacio de C [0, 1].

Demostracion (Paso 1)

Todo espacio de Banach separable X es linealmente isometrico aun subespacio de C (K ), para algun espacio K metrizable, convexoy compacto.

Demostremos que existe una isometrıa entre X y un subespacio deC (K ) con K = BX∗ .

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Teorema de Banach-Mazur

Definimos la isometrıa J de la siguiente forma:

J : X −→ C (BX∗)x → J(x) : BX∗ −→ R

f → J(x)(f ) = f (x).

J esta bien definida porque estamos usando en X ∗ la topologıa ω∗,que es la menos fina que hace continuos los elementos de Xconsiderados como funciones de X ∗. J es isometrıa:

|J(x)(f )| ≤ ‖f ‖X∗‖x‖X ≤ ‖x‖X .

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Teorema de Banach-Mazur

Definimos la isometrıa J de la siguiente forma:

J : X −→ C (BX∗)x → J(x) : BX∗ −→ R

f → J(x)(f ) = f (x).

J esta bien definida porque estamos usando en X ∗ la topologıa ω∗,que es la menos fina que hace continuos los elementos de Xconsiderados como funciones de X ∗. J es isometrıa:

|J(x)(f )| ≤ ‖f ‖X∗‖x‖X ≤ ‖x‖X .

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Teorema de Banach-Mazur

Definimos la isometrıa J de la siguiente forma:

J : X −→ C (BX∗)x → J(x) : BX∗ −→ R

f → J(x)(f ) = f (x).

J esta bien definida porque estamos usando en X ∗ la topologıa ω∗,que es la menos fina que hace continuos los elementos de Xconsiderados como funciones de X ∗. J es isometrıa:

|J(x)(f )| ≤ ‖f ‖X∗‖x‖X ≤ ‖x‖X .

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Teorema de Banach-Mazur

‖J(x)‖C(BX∗ ) = sup{|J(x)(f )| : f ∈ BX∗}≤‖x‖X .

Dado x ∈ X , existe fx ∈ BX∗ con fx(x) = ‖x‖X (Teorema deHahn-Banach).

‖J(x)‖C(BX∗ )≥J(x)(fx) = ‖x‖X .

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Teorema de Banach-Mazur

‖J(x)‖C(BX∗ ) = sup{|J(x)(f )| : f ∈ BX∗}≤‖x‖X .

Dado x ∈ X , existe fx ∈ BX∗ con fx(x) = ‖x‖X (Teorema deHahn-Banach).

‖J(x)‖C(BX∗ )≥J(x)(fx) = ‖x‖X .

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Teorema de Banach-Mazur

‖J(x)‖C(BX∗ ) = sup{|J(x)(f )| : f ∈ BX∗}≤‖x‖X .

Dado x ∈ X , existe fx ∈ BX∗ con fx(x) = ‖x‖X (Teorema deHahn-Banach).

‖J(x)‖C(BX∗ )≥J(x)(fx) = ‖x‖X .

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Teorema de Banach-Mazur

(Paso 2)

C (K ) es linealmente isometrico a un subespacio de C [0, 1].

Por el Teorema de Alexandroff-Hausdorff y sus consecuencias,existe Φ : [0, 1]→ K continua y sobreyectiva.Definimos

S : C (K ) −→ C [0, 1]f → S(f ) : [0, 1] −→ R

t → S(f )(t) = f (Φ(t)).

‖S(f )‖C [0,1] = sup{|f (Φ(t)) : t ∈ [0, 1]}= sup{|f (k)| : k ∈ K}= ‖f ‖C(K)

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Teorema de Banach-Mazur

(Paso 2)

C (K ) es linealmente isometrico a un subespacio de C [0, 1].Por el Teorema de Alexandroff-Hausdorff y sus consecuencias,existe Φ : [0, 1]→ K continua y sobreyectiva.

Definimos

S : C (K ) −→ C [0, 1]f → S(f ) : [0, 1] −→ R

t → S(f )(t) = f (Φ(t)).

‖S(f )‖C [0,1] = sup{|f (Φ(t)) : t ∈ [0, 1]}= sup{|f (k)| : k ∈ K}= ‖f ‖C(K)

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Teorema de Banach-Mazur

(Paso 2)

C (K ) es linealmente isometrico a un subespacio de C [0, 1].Por el Teorema de Alexandroff-Hausdorff y sus consecuencias,existe Φ : [0, 1]→ K continua y sobreyectiva.Definimos

S : C (K ) −→ C [0, 1]f → S(f ) : [0, 1] −→ R

t → S(f )(t) = f (Φ(t)).

‖S(f )‖C [0,1] = sup{|f (Φ(t)) : t ∈ [0, 1]}= sup{|f (k)| : k ∈ K}= ‖f ‖C(K)

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Teorema de Banach-Mazur

Corolario

C (K ) separable si y solo si K es metrizable.

Nota

βN no es metrizable, puesto que C (βN) es isometrico a `∞.

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Teorema de Banach-Mazur

Corolario

C (K ) separable si y solo si K es metrizable.

Nota

βN no es metrizable, puesto que C (βN) es isometrico a `∞.

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

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Un conjunto convexo universal

Definicion

Dos conjuntos A,B ⊂ Rd se dicen congruentes si uno de ellos es laimagen mediante una isometrıa afın de Rd del otro.

Definicion

Diremos que un hiperplano H de Rd soporta un conjunto convexocompacto B si B esta contenido en uno de los dos espacioscerrados que determina H y ademas B ∩ H 6= ∅. En ese caso,decimos que B ∩ H es una cara de B.

Nota

Equivalentemente a la definicion anterior, si H se representa de laforma H = {x ∈ Rd : f (x) = α} con f un funcional lineal de Rd yα ∈ R entonces H soporta a B si max{f (x) : x ∈ B} = α omin{f (x) : x ∈ B} = α.

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Un conjunto convexo universal

Definicion

Dos conjuntos A,B ⊂ Rd se dicen congruentes si uno de ellos es laimagen mediante una isometrıa afın de Rd del otro.

Definicion

Diremos que un hiperplano H de Rd soporta un conjunto convexocompacto B si B esta contenido en uno de los dos espacioscerrados que determina H y ademas B ∩ H 6= ∅. En ese caso,decimos que B ∩ H es una cara de B.

Nota

Equivalentemente a la definicion anterior, si H se representa de laforma H = {x ∈ Rd : f (x) = α} con f un funcional lineal de Rd yα ∈ R entonces H soporta a B si max{f (x) : x ∈ B} = α omin{f (x) : x ∈ B} = α.

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Un conjunto convexo universal

Definicion

Dos conjuntos A,B ⊂ Rd se dicen congruentes si uno de ellos es laimagen mediante una isometrıa afın de Rd del otro.

Definicion

Diremos que un hiperplano H de Rd soporta un conjunto convexocompacto B si B esta contenido en uno de los dos espacioscerrados que determina H y ademas B ∩ H 6= ∅. En ese caso,decimos que B ∩ H es una cara de B.

Nota

Equivalentemente a la definicion anterior, si H se representa de laforma H = {x ∈ Rd : f (x) = α} con f un funcional lineal de Rd yα ∈ R entonces H soporta a B si max{f (x) : x ∈ B} = α omin{f (x) : x ∈ B} = α.

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Espacio de Cantor T. Alexandroff-Hausdorff T. Banach-Mazur Conjunto convexo universal Interpolacion de sucesiones

Un conjunto convexo universal

¿Existe un conjunto convexo y compacto B ⊂ R3 con la propiedadde que cada subconjunto convexo bidimensional del cuadrado

unidad sea congruente con una de sus caras?

La respuesta a nuestra pregunta es no:

El interior de cada cara bidimensional de B es abierto en lafrontera bidimensional de B, por tanto, B puede tener a losumo una cantidad numerable de caras.

Hay una cantidad no numerable de subconjuntos compactosconvexos del cuadrado unidad no congruentes entre sı.

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Un conjunto convexo universal

¿Existe un conjunto convexo y compacto B ⊂ R3 con la propiedadde que cada subconjunto convexo bidimensional del cuadrado

unidad sea congruente con una de sus caras?

La respuesta a nuestra pregunta es no:

El interior de cada cara bidimensional de B es abierto en lafrontera bidimensional de B, por tanto, B puede tener a losumo una cantidad numerable de caras.

Hay una cantidad no numerable de subconjuntos compactosconvexos del cuadrado unidad no congruentes entre sı.

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Un conjunto convexo universal

¿Existe un conjunto convexo y compacto B ⊂ R3 con la propiedadde que cada subconjunto convexo bidimensional del cuadrado

unidad sea congruente con una de sus caras?

La respuesta a nuestra pregunta es no:

El interior de cada cara bidimensional de B es abierto en lafrontera bidimensional de B, por tanto, B puede tener a losumo una cantidad numerable de caras.

Hay una cantidad no numerable de subconjuntos compactosconvexos del cuadrado unidad no congruentes entre sı.

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Un conjunto convexo universal

¿Existe un conjunto convexo y compacto B ⊂ R3 con la propiedadde que cada subconjunto convexo bidimensional del cuadrado

unidad sea congruente con una de sus caras?

La respuesta a nuestra pregunta es no:

El interior de cada cara bidimensional de B es abierto en lafrontera bidimensional de B, por tanto, B puede tener a losumo una cantidad numerable de caras.

Hay una cantidad no numerable de subconjuntos compactosconvexos del cuadrado unidad no congruentes entre sı.

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Un conjunto convexo universal

Sin embargo, si buscamos un conjunto universal de dimension 4para conjuntos bidimensionales el argumento topologico anteriorno es valido. De hecho, R. Grzaslewicz probo el siguiente teorema.

Teorema

Para cada d ≥ 1 existe un conjunto compacto convexo B ⊂ Rd+2

con la propiedad de que cada subconjunto compacto convexod-dimensional del cubo unidad es congruente a una cara de B.

Demostracion (Caso d=1)

Representaremos los puntos de R3 como pares (t, x) cont ∈ R2 y x ∈ R.

Denotamos por S1 la circunferencia unidad en R2. Sabemosque existe una funcion f : S1 → [0, 1] continua y sobreyectiva.

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Un conjunto convexo universal

Sin embargo, si buscamos un conjunto universal de dimension 4para conjuntos bidimensionales el argumento topologico anteriorno es valido. De hecho, R. Grzaslewicz probo el siguiente teorema.

Teorema

Para cada d ≥ 1 existe un conjunto compacto convexo B ⊂ Rd+2

con la propiedad de que cada subconjunto compacto convexod-dimensional del cubo unidad es congruente a una cara de B.

Demostracion (Caso d=1)

Representaremos los puntos de R3 como pares (t, x) cont ∈ R2 y x ∈ R.

Denotamos por S1 la circunferencia unidad en R2. Sabemosque existe una funcion f : S1 → [0, 1] continua y sobreyectiva.

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Un conjunto convexo universal

Sin embargo, si buscamos un conjunto universal de dimension 4para conjuntos bidimensionales el argumento topologico anteriorno es valido. De hecho, R. Grzaslewicz probo el siguiente teorema.

Teorema

Para cada d ≥ 1 existe un conjunto compacto convexo B ⊂ Rd+2

con la propiedad de que cada subconjunto compacto convexod-dimensional del cubo unidad es congruente a una cara de B.

Demostracion (Caso d=1)

Representaremos los puntos de R3 como pares (t, x) cont ∈ R2 y x ∈ R.

Denotamos por S1 la circunferencia unidad en R2. Sabemosque existe una funcion f : S1 → [0, 1] continua y sobreyectiva.

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Un conjunto convexo universal

(Caso d=1)

Definiremos G = {(t, x) : t ∈ S1 y 0 ≤ x ≤ f (t)}, que escompacto.

Llamaremos B a la envolvente convexa de G, que es compactapor ser la envolvente convexa de un compacto en un espaciode dimension finita.

El conjunto B verifica la condicion del teorema. Los conjuntosconvexos compactos de [0, 1] son los intervalos de longitud0 ≤ l ≤ 1. Pero fijada una longitud l, existe t0 ∈ S1 tal quef (t0) = l . Entonces F = {(t0, y) : 0 ≤ y ≤ f (t0)} es una carade B y un intervalo de longitud l.

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Un conjunto convexo universal

(Caso d=1)

Definiremos G = {(t, x) : t ∈ S1 y 0 ≤ x ≤ f (t)}, que escompacto.

Llamaremos B a la envolvente convexa de G, que es compactapor ser la envolvente convexa de un compacto en un espaciode dimension finita.

El conjunto B verifica la condicion del teorema. Los conjuntosconvexos compactos de [0, 1] son los intervalos de longitud0 ≤ l ≤ 1. Pero fijada una longitud l, existe t0 ∈ S1 tal quef (t0) = l . Entonces F = {(t0, y) : 0 ≤ y ≤ f (t0)} es una carade B y un intervalo de longitud l.

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Un conjunto convexo universal

(Caso d=1)

Definiremos G = {(t, x) : t ∈ S1 y 0 ≤ x ≤ f (t)}, que escompacto.

Llamaremos B a la envolvente convexa de G, que es compactapor ser la envolvente convexa de un compacto en un espaciode dimension finita.

El conjunto B verifica la condicion del teorema. Los conjuntosconvexos compactos de [0, 1] son los intervalos de longitud0 ≤ l ≤ 1. Pero fijada una longitud l, existe t0 ∈ S1 tal quef (t0) = l . Entonces F = {(t0, y) : 0 ≤ y ≤ f (t0)} es una carade B y un intervalo de longitud l.

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Un conjunto convexo universal

(Caso general)

La prueba para el caso general es analoga pero ademas hace usode:

La metrica de Hausdorff. Si A y B son dos conjuntoscompactos de Rd y definimos Aε = {x ∈ Rd : dist(x ,A) < ε},

dH(A,B) = inf{ε > 0 : B ⊆ Aε y A ⊆ Bε}.

El teorema de Seleccion de Blaschke. El conjunto de lossubconjuntos compactos y convexos de un compacto de Rd escompacto con la metrica de Hausdorff.

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Un conjunto convexo universal

(Caso general)

La prueba para el caso general es analoga pero ademas hace usode:

La metrica de Hausdorff. Si A y B son dos conjuntoscompactos de Rd y definimos Aε = {x ∈ Rd : dist(x ,A) < ε},

dH(A,B) = inf{ε > 0 : B ⊆ Aε y A ⊆ Bε}.

El teorema de Seleccion de Blaschke. El conjunto de lossubconjuntos compactos y convexos de un compacto de Rd escompacto con la metrica de Hausdorff.

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Un conjunto convexo universal

(Caso general)

La prueba para el caso general es analoga pero ademas hace usode:

La metrica de Hausdorff. Si A y B son dos conjuntoscompactos de Rd y definimos Aε = {x ∈ Rd : dist(x ,A) < ε},

dH(A,B) = inf{ε > 0 : B ⊆ Aε y A ⊆ Bε}.

El teorema de Seleccion de Blaschke. El conjunto de lossubconjuntos compactos y convexos de un compacto de Rd escompacto con la metrica de Hausdorff.

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Un conjunto convexo universal

(Caso general)

Aplicando el Teorema de Alexandroff-Hausdorff, existe unaaplicacion continua y sobreyectiva Φ : ∆→ K , donde K es elconjunto de los subconjuntos compactos y convexos del cubounidad d-dimensional.

Consideraremos en este caso que ∆ es un subconjunto cerrado deT. Tomando el conjunto

G = {(t, x) : t ∈ ∆ y x ∈ Φ(t)}

y B como su envolvente convexa, obtenemos el conjunto deseadoal igual que en el caso particular.

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Un conjunto convexo universal

(Caso general)

Aplicando el Teorema de Alexandroff-Hausdorff, existe unaaplicacion continua y sobreyectiva Φ : ∆→ K , donde K es elconjunto de los subconjuntos compactos y convexos del cubounidad d-dimensional.

Consideraremos en este caso que ∆ es un subconjunto cerrado deT. Tomando el conjunto

G = {(t, x) : t ∈ ∆ y x ∈ Φ(t)}

y B como su envolvente convexa, obtenemos el conjunto deseadoal igual que en el caso particular.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Teorema

Existe una funcion f acotada, continua y de variable real, en larecta real R con la propiedad de que para cada sucesiondoblemente infinita y = (yn)n∈Z de numeros reales con |yn| ≤ 1para todo n, existe t ∈ R tal que

yn = f (t + n) para todo n ∈ Z.

Demostracion

Sea K = [−1, 1]Z (compacto con la topologıa producto ymetrizable).Sea Φ una funcion continua sobreyectiva del conjunto de Cantor ∆sobre K. (Φ(·))n es una funcion de variable real continua yacotada en valor absoluto por 1.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Teorema

Existe una funcion f acotada, continua y de variable real, en larecta real R con la propiedad de que para cada sucesiondoblemente infinita y = (yn)n∈Z de numeros reales con |yn| ≤ 1para todo n, existe t ∈ R tal que

yn = f (t + n) para todo n ∈ Z.

Demostracion

Sea K = [−1, 1]Z (compacto con la topologıa producto ymetrizable).

Sea Φ una funcion continua sobreyectiva del conjunto de Cantor ∆sobre K. (Φ(·))n es una funcion de variable real continua yacotada en valor absoluto por 1.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Teorema

Existe una funcion f acotada, continua y de variable real, en larecta real R con la propiedad de que para cada sucesiondoblemente infinita y = (yn)n∈Z de numeros reales con |yn| ≤ 1para todo n, existe t ∈ R tal que

yn = f (t + n) para todo n ∈ Z.

Demostracion

Sea K = [−1, 1]Z (compacto con la topologıa producto ymetrizable).Sea Φ una funcion continua sobreyectiva del conjunto de Cantor ∆sobre K. (Φ(·))n es una funcion de variable real continua yacotada en valor absoluto por 1.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Identificamos ∆ como subconjunto cerrado de [0, 1/2]. Entonces,definimos g sobre el conjunto cerrado A = ∪{∆ + n : n ∈ Z} de Rcomo

g(t + n) = (Φ(t))n, para t ∈ ∆ y n ∈ Z.

Como g esta bien definida y es continua, la extendemos por elTeorema de extension de Tietze a una funcion continua y acotadaen R f .

¡f es la funcion buscada!

En efecto, dado y = (yn) ∈ K existe un t0 ∈ ∆ tal que Φ(t0) = y,es decir, (Φ(t0))n = yn ∀n. La definicion de f asegura quef (t0 + n) = yn ∀n.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Identificamos ∆ como subconjunto cerrado de [0, 1/2]. Entonces,definimos g sobre el conjunto cerrado A = ∪{∆ + n : n ∈ Z} de Rcomo

g(t + n) = (Φ(t))n, para t ∈ ∆ y n ∈ Z.

Como g esta bien definida y es continua, la extendemos por elTeorema de extension de Tietze a una funcion continua y acotadaen R f .

¡f es la funcion buscada!

En efecto, dado y = (yn) ∈ K existe un t0 ∈ ∆ tal que Φ(t0) = y,es decir, (Φ(t0))n = yn ∀n. La definicion de f asegura quef (t0 + n) = yn ∀n.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Identificamos ∆ como subconjunto cerrado de [0, 1/2]. Entonces,definimos g sobre el conjunto cerrado A = ∪{∆ + n : n ∈ Z} de Rcomo

g(t + n) = (Φ(t))n, para t ∈ ∆ y n ∈ Z.

Como g esta bien definida y es continua, la extendemos por elTeorema de extension de Tietze a una funcion continua y acotadaen R f .

¡f es la funcion buscada!

En efecto, dado y = (yn) ∈ K existe un t0 ∈ ∆ tal que Φ(t0) = y,es decir, (Φ(t0))n = yn ∀n. La definicion de f asegura quef (t0 + n) = yn ∀n.

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Funcion que interpola sucesiones acotadas

Identificamos ∆ como subconjunto cerrado de [0, 1/2]. Entonces,definimos g sobre el conjunto cerrado A = ∪{∆ + n : n ∈ Z} de Rcomo

g(t + n) = (Φ(t))n, para t ∈ ∆ y n ∈ Z.

Como g esta bien definida y es continua, la extendemos por elTeorema de extension de Tietze a una funcion continua y acotadaen R f .

¡f es la funcion buscada!

En efecto, dado y = (yn) ∈ K existe un t0 ∈ ∆ tal que Φ(t0) = y,es decir, (Φ(t0))n = yn ∀n. La definicion de f asegura quef (t0 + n) = yn ∀n.

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Yoav Benyamini, Applications of the Universal Surjectivity ofthe Cantor Set, Amer. Math. Monthly, , vol. 05, n. 9, 832-839.

N. L. Carothers, A Short Course on Banach Space Theory,Cambridge University Press, 2005.

Grahm James Oscar Jameson, Topology and Normed Spaces,Chapman and Hall, 1974.

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Todos los personajes que aparecen en este trabajo sonficticios. Cualquier parecido con la realidad es puracoincidencia.

Ningun teorema ha sido maltratado durante la realizacion deesta presentacion.

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Todos los personajes que aparecen en este trabajo sonficticios. Cualquier parecido con la realidad es puracoincidencia.Ningun teorema ha sido maltratado durante la realizacion deesta presentacion.

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