Análisis Matemático TRES

§ 5

Topologías débiles

Definición

Sea \(X\) un conjunto. Una topología en \(X\) es una familia de subcojuntos de \(X\), \(\tau\), que satisface

  1. \(\tau\) es cerrado bajo uniones arbitrarias, es decir si \(\{U_i\}_{i\in I}\subset \tau\) es una colección arbitraria (numerable, no numerable, etc) entonces \(\cup_{i\in I}U_i \in \tau\).
  2. \(\tau\) es cerrado bajo intersecciones finitas, es decir si \(n\) es un natural arbitrario y \(U_1,\dots, U_n \in \tau \) entonces \(\cap_{i=1}^n U_i \in \tau\).
  3. \(\emptyset, X \in \tau\).
A los subconjuntos de \(\tau\) se les llama subconjuntos abiertos. Un conjunto se llama cerrado si su complemento es abierto.

El interior de un subconjunto \(A \subseteq X\) es la unión de todos los subconjuntos abiertos contenidos de \(A\): \(\textrm{int}(A)=\cup \{ U\in \tau : U \subseteq A\}\).

La cerradura de un subconjunto \(A\subseteq X\) es la intersección de todos los subconjuntos cerrados que contienen a \(A\): \(\overline{A}=\cap\{ F: A\subseteq F, F^c \in \tau\}\).

Ejemplos

  1. Las familias \(\tau = \{\emptyset, X\}\) y \(\tau=P(X)\) (la potencia de \(X\)) son dos topologías en \(X\). Tomando el orden dadan por la contención, la primera es la más pequeña y la segunda la más grande.
  2. Sea \((X,d)\) un espacio métrico. Definimos una topología en \(X\) de la siguiente manera: un subconjunto \(U\subseteq X\) es abierto si para todo \(x_0\in U\) existe \(r>0\) tal que \(B_r(x_0)\subseteq U\).

Base

Una base para la topología \(\tau\) es una familia de abiertos, \(\beta \subseteq \tau \) que satisface: para todo \(U\in \tau\) existen una familia de elementos de la base \(\{ V_j\}_{j\in J} \subset \beta\) tal que \(U=\cup_{j\in I}V_j\). Por ejemplo para la topología generada por un espacio métrico \((X,d)\), una base es la familia de bolas abiertas, \(\beta=\{ B_r(x): r>0, x\in X\}\).

Son equivalentes:

  1. \(\beta\) es una base.
  2. para toda \(U\in \tau \) y para todo \(x\in U\) existe \(V \in \beta\) tal que \(x\in V \subseteq U\).

Topología generada

Observación: la intersección arbitraria de topologías en un conjunto \(X\) es de nuevo una topología en \(X\). Así pues dado una familia de subsonjuntos \( \mathcal{U} \subseteq P(X)\) se define la topología generada por \(\mathcal{U}\) como \[ \tau_{\mathcal{U}}=\cap\{ \tau \subseteq P(X): \textrm{\(\tau\) es topología y \(\mathcal{U}\subseteq \tau \)} \} \] Nota que si tomamos \(\tau\) como el conjunto potencia de \(X\) entonces en la definición anterior \(\mathcal{U}\subseteq \tau\). En particular la familia que estamos intersectando para la definición de \(\tau_{\mathcal{U}}\) es no vacía y por lo tanto \(\tau_{\mathcal{U}}\) está bien definida.

Continuidad

Sean \((X,\tau_X)\) y \((Y,\tau_Y)\) dos espacios topológicos. Decimos que una función \(f:X\to Y\) es continua (con respecto a las topologías \(\tau_X\), \(\tau_Y\)) sii para todo \(U\in \tau_Y\), \(f^{-1}(U)\in \tau_X\). Es decir, imagen inversa de abiertos es abierta.

Definición

Sea \((X,\tau)\) un espacio topológico y \(x_0\in X\). Una vecindad de \(x_0\) es un subconjunto \( A \subseteq X\) para el cual existe un \(U \in \tau \) con \(x\in U \subseteq A\). En otras palabras es un conjunto para el cual \(x\) está en su interior.

Una base de vecindades de \(x_0\) es una familia de vecindades, \(\beta_{x_0}\), con la propiedad de que dada \(A\), cualquier vecindad de \(x_0\), existe \(B \in \beta_{x_0}\), con la propiedad de que \(B \subseteq A\).

Por ejemplo para la topología generada por un espacio métrico, \((X,d)\), la familia \(\{B_{1/n}(x) \}_{n=1}^\infty\), es una base de vecindades en \(x_0\).

Continuidad puntual

Sean \((X,\tau_X)\), \((Y,\tau_Y)\) espacios topológico y \(f:X\to Y\) una función. La función \(f\) es continua en \(x_0\in X\) sii para toda \(U\) vecindad de \(f(x_0)\) existe una vecindad \(V\), de \(x_0\), tal que \(V\subseteq f^{-1}(U)\).

La condición \(V\subseteq f^{-1}(U)\) es equivalente a \(f(V)\subseteq U\).

Lema

Sean \((X,\tau_X)\), \((Y,\tau_Y)\) espacios topológico y \(f:X\to Y\) una función.

Entonces \(f\) es continua en \(X\) (ver Definición 5.1) si y sólo si \(f\) es continua en \(x\) para todo \(x\in X\) (ver Definición 5.2).

Definición

Sea \((X,\tau)\) un espacio topológico y \((x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda}\) una red en \(X\). Decimos que la red converge al punto \(x\in X\) si para toda \(V\), vecindad de \(x\), existe \(\lambda_0 \in \Lambda\) que satisface, \(x_\lambda \in V\) para todo \(\lambda \geq \lambda_0\).

En tal caso escribimos \(\lim_{\lambda} x_\lambda = x\) o si queremos aclarar la topología que se usa podemos escribir \(\lim_{\lambda} x_\lambda \overset{\tau}{=} x \).

Teorema

Sea \((X,\tau)\) un espacio topológico y \(E\subseteq X\).

Enotnces \(x\in \overline{E}\) si y sólo si existe una red de elementos de \(E\), \((x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda} \subset E\), tal que \(\lim_{\lambda}x_\lambda =x\).

Teorema

Sean \((X,\tau_X)\), \((Y,\tau_y)\) espacios topológicos y \(f:X\to Y\).

Enotnces \(f\) es continua en \(x_0\) si y sólo si para toda red en \(X\), \((x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda}\) con \(\lim_{\lambda} x_\lambda =x_0 \) se cumple \(\lim_{\lambda }f(x_\lambda)=f(x_0)\).

Teorema

Sea \(X\) un conjunto y \(\tau_1, \tau_2\) dos topologías en \(X\).

Las topologías son iguales si y sólo si tienen las mismas redes convergentes.

Es decir \[ \lim_{\lambda} x_\lambda \overset{\tau_1}{=}x \Leftrightarrow \lim_{\lambda} x_\lambda \overset{\tau_2}{=}x \]

Definición

Sea \(X\) un conjunto cualquiera y \(\{(Y_i,\tau_i)\}_{i\in I}\) una familia de espacios topológicos (nota: los espacios \(Y_i\) pueden repetirse). Para cada \(i\in I\) supón que tenemos \(f_i: X\to Y_i\) una función cualquiera y denotemos \(\mathcal{F}=\{f_i\}_{i\in I}\).

La topología débil generada por la familia \(\mathcal{F}\) se define como la topología más débil (más chica) que hace a todas las funciones de \(\mathcal{F}\) continuas. Es decir es la topología generada por la familia de subconjuntos: \[ \{f_i^{-1}(U_i): f_i:X\to Y_i, U_i \in \tau_i, i\in I\} \]

Otra forma de escribirlo es: \[ \tau_{\mathcal{F}}:=\cap\left\{\tau \subset P(X): \textrm{\(\tau\) es topología y} \, f_i^{-1}(\tau_i)\subseteq \tau, \forall i \in I \right\} \]

Ejemplo

Sea \(\{(X_i,\tau_i)\}_{i\in I}\) una familia es espacios topológicos. Denotamos el espacio producto como \(X=\Pi_{i\in I}X_i\). Recordamos que los elementos de \(X\) son simplemente funciones de \(I\) en \(\cup_{i\in I}X_i\) tal que el valor en \(i\) pertenece en \(X_i\). Dado \(x\in X\) escribimos \(x=(x_i)_{i\in I}\) donde, para toda \(i\in I\), \(x_i\) es el valor de \(x\) en \(i\).

Para cada \(i\in I\) definimos \(p_i:X\to X_i\) por \(p_i(x)=x_i\). La topología dada por la familia \(\mathcal{F}=\{p_i\}_{i \in I}\) se llama la topología producto. Los elementos de la base del lema anterior son de la forma \[ p_{i_1}^{-1}(U_{i_1}) \cap \cdots \cap p_{i_n}^{-1}(U_{i_n})=U_{i_1}\times \cdots \times U_{i_n} \times \Pi_{i\ne i_1,\dots, i_n }X_i \]

Lema

Sea \(X\ne \emptyset\), \(\{(Y_i,\tau_i)\}_{i\in I}\) una familia de espacios topológicos y \(\mathcal{F}=\{f_i:X\to Y_i\}\) una familia de funciones. Para cada \(i\) supongamos que \(\beta_i\) es una base para \(\tau_i\). La familia \[ \beta:=\left\{\cap_{s=1}^n f_{i_s}^{-1}(U_{i_s}): n\in \mathbb{N}, i_1,\dots, i_n \in I, U_{i_s}\in \beta_{i_s} \right\} \] es una base para \(\tau_{\mathcal{F}}\), es decir, para todo \(V \in \tau_{\mathcal{F}}\) existe una familia de conjuntos \( \{V_j\}_{j\in J}\subseteq \beta\) tal que \(V=\cup_{i\in I}V_i\).

Teorema

Teorema de Tychonoff

Un espacio topológico se llama compacto si toda cubierta abierta del espacios admite una subcubierta finita.

Para cada \(i\in I\) sea \((X_i,\tau_i)\) un espacio compacto no vacío. Entonces el espacio producto \(X=\Pi_{i\in I}X_i\), con la topología producto (la del ejemplo anterior), es compacto.

Referencias:

  1. Willard, "General Topology", Teorema 17.8
  2. Notas de John Terilla.

Proposición

Sea \(X\) un conjunto y \(\{(Y_i,\tau_i)\}_{i\in I}\) una familia de espacios topológicos. Sea \(\mathcal{F}=\{f_i:X\to Y_i\}_{i\in I}\) una familia de funciones y dotemos a \(X\) con la topología débil generada por \(\mathcal{F}\).

Una red \((x_\alpha)_{\alpha\in A}\) en \(X\) converge a un punto \(x\) en la topología débil \(\tau_{\mathcal{F}}\) si y sólo si, para toda \(f_i\in \mathcal{F}\), \(\lim_{\alpha \in A}f_i(x_\alpha)\overset{\tau_i}{=}f_i(x)\) en \(Y_i\).

Proposición

Sea \(X\) un conjunto y \(\{(Y_i,\tau_i)\}_{i\in I}\) una familia de espacios topológicos. Sea \(\mathcal{F}=\{f_i:X\to Y_i\}_{i\in I}\) una familia de funciones y dotemos a \(X\) con la topología débil generada por \(\mathcal{F}\).

Decimos que \(\mathcal{F}\) separa los puntos de \(X\) si dados \(x_1,x_2\in X\) distintos existe \(f\in \mathcal{F}\) tal que \(f(x_1)\ne f(x_2)\).

Si \((Y_i,\tau_i)\) es Hausdorff para todo \(i\) y \(\mathcal{F}\) separa los puntos de \(X\) entonces \((X,\tau_{\mathcal{F}})\) es Hausdorff.

Definición

Sea \((X,\|\cdot\|)\) un espacio vectorial normado y \(X^*\) su dual. Dado \(x\in X\) definimos \(\hat{x}:X^*\to \mathbb{F}\) por \(\hat{x}(\varphi)=\varphi(x)\). También se suele denotar \(\iota_x=\hat{x}\).

La topología débil generada por familia \(\{\hat{x}\}_{x\in X}\) se llama la topología débil estrella en \(X^*\) o simplemente débil-* y se denota por \(\omega^*\).

Por la Proposición 5.6 tenemos que una red de funcionales lineales, \((\varphi_{\alpha})_{\alpha \in A}\), converge a la funcional \(\varphi\) en la topología \(\omega^*\) sii para toda \(x\in X\) \[ \lim_{\alpha \in A}\varphi_\alpha(x)=\varphi(x). \] Nota que éste último límite es en \(\mathbb{F}\).

Proposición

Sea \((X,\|\cdot\|)\) un espacio vectorial normado y \(X^*\) su dual dotado con la topología \(\omega^*\). Entonces las operaciones de suma y producto escalar son continuas en la topología \(\omega^*\).

Nota

Por la proposición anterior, las vecindades en la topología \(\omega^*\) de un punto \(\varphi_0\in X^*\) son de la forma \(\varphi_0+V\), donde \(V\) es una vecindad del cero.

Por el Lema 5.3 las vecindades de la funcional cero son e la forma \[ \cap_{i=1}^n \iota_{x_i}^{-1}(B_{r_i}(0))=\{\varphi\in X^*: |\varphi(x_i)|< r_i, i=1,\dots, n\}. \] donde \(B_r(0)=\{a \in \mathbb{F} : |a|< r\}\).

Además nota que los conjuntos \(\cap_{i=1}^n \iota_{x_i}^{-1}(B_{r_i}(0))\) son convexos y balanceados.

Denotamos \[ V_r(\varphi_0;x_1,\dots, x_n)=\{\varphi\in X^*: |\varphi(x_i)-\varphi_0(x_i)|< r, i=1,\dots, n\}. \] Estos conjuntos pueden pensarse como las "bolas abiertas de radio \(r\) centradas en cero" en la topología \(\omega^*\).

Teorema

Teorema de Alaoglu

Por \((X^*)_1\) denotamos la bola unitaria cerrada en dual de un espacio vectorial normado, es decir \[ (X^*)_1=\{\varphi \in X^*: \|\varphi\|\leq 1\}. \] En la topología \(\omega^*\) la bola cerrada \((X^*)_1\) es compacta.

Ejercicio

Sabemos que \((\ell_1(\mathbb{N}),\|\cdot\|_1 )^*\) es linealmente isométricamente isomorfo a \((\ell_\infty, \|\cdot\|)\), donde la identificación está dada por \(y\in \ell_1(\mathbb{N}) \mapsto \varphi_y \in \ell_\infty(\mathbb{N})\) donde \[ \varphi(y)=\sum_{k=1}^\infty x(k)y(k) \]

Por lo tanto, con este isomorfismo, podemos pasar la topología \(\omega^*\) en \(\ell_1(\mathbb{N})\) a \(\ell_\infty(\mathbb{N})\), a la cual vamos a seguir llamando la topología \(\omega^*\). Es decir, dada una red \((x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda} \subset \ell_\infty(\mathbb{N})\) y \(x\in \ell_\infty(\mathbb{N})\) entonces: \begin{eqnarray*} \lim_\lambda x_\lambda & = & x \quad \textrm{en \((\ell_\infty(\mathbb{N}), \omega^*)\)} \\ & \Leftrightarrow & \\ \lim_{\lambda }\varphi_{x_\lambda} &=& \varphi_x \quad \textrm{ en \((\ell_1(\mathbb{N}), \omega^*) \) } \\ & \Leftrightarrow & \\ \lim_{\lambda} \sum_{n=1}^\infty x_\lambda(k)y(k) &= &\sum_{n=1}^\infty x(k)y(k), \quad \textrm{para todo \(y\in \ell_1(\mathbb{Z})\)} \end{eqnarray*} Nota: lo importante para entender la convergencia en \((\ell_\infty(N), \omega^*)\) son la primera y última equivalencias.

Sea \((x_\lambda)_{\lambda \in \Lambda } \subset \ell_\infty(\mathbb{N})\) una red tal que existe \(M>0 \) con, \(\|x_\lambda \|_\infty \leq M\), para toda \(\lambda\). Prueba que \(\lim_{\lambda}x_\lambda=x\) en \((\ell_\infty(\mathbb{N}), \omega^*)\) si y sólo si, para toda \(k\in \mathbb{N}\), \(\lim_{\lambda}x_\lambda(k)=x(k)\) en el campo. Es decir, en conjuntos acotados convergencia en la topología \(\omega^*\) coincide con la convergencia puntual.