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h∈R

R

; |h(y)|< ε, y ∈F , para algum subconjuntoF ⊂Rfinito e algumε >0. Sejah

Ug

∈U

g

tal que h

Ug

(x) = 0 se x ∈ F, ou h

Ug

(x) = 1 se x /∈ F. Logo, h

Ug

∈ U

g

∩A e portanto, g ∈ A.

Por outro lado, nenhuma sequˆencia de fun¸c˜oes f

n

∈ A pode convergir para g. Com efeito, do

fato de cada A

n

= {x ∈ R ; f

n

(x) = 0} ser finito, segue-se que Z = ∪A

n

= {x ∈ R ; f

n

(x) =

0 , para algum n ∈ N}´e enumer´avel. Logo, existe x

0

R tal que f

n

(x

0

) = 1. Por conseguinte,

lim

n→∞

f

n

(x

0

) = 1, enquantog(x

0

) = 0. Do exemplo 2.1 concluir´ıamos que se fossef

n

→g , ent˜ao

1 = lim

n→∞

f

n

(x

0

) =g(x

0

) = 0. Portanto, g pertence ao fecho de A, mas n˜ao existe sequˆencia de

pontos de A que convirga para g.

2.2 Redes

Ao analisarmos a convergˆencia sequencial conclu´ımos que, al´em de usarmos a fun¸c˜ao que associa

a cada natural um ponto do espa¸co, o uso da rela¸c˜ao de ordem presente nos n´umeros naturais ´e

fundamental para o conceito de convergˆencia sequencial. Com isso, o sucesso da generaliza¸c˜ao da

no¸c˜ao de sequˆencia em espa¸cos topol´ogicos ret´em a ideia de ordenar uma cole¸c˜ao de pontos do

espa¸co, atrav´es de uma fun¸c˜ao de um conjunto com uma certa ordem. A linearidade da ordem dos

naturais ´e substitu´ıda por uma condi¸c˜ao que d´a uma “orienta¸c˜ao” ao conjunto ordenado. Surge,

ent˜ao, a no¸c˜ao de redes que generaliza o conceito de sequˆencias utilizando a no¸c˜ao de conjunto

“orientado” ao inv´es dos naturais.

Defini¸c˜ao 2.3. Um conjunto Λ ´e dito dirigido quando existe uma rela¸c˜ao em Λ satisfazendo

as seguintes condi¸c˜oes:

i. Para todo λ∈Λ, λ λ, (reflexividade)

ii. Seλ

1

λ

2

2

≺λ

3

, ent˜aoλ

1

λ

3

, (transitividade)

iii. Para quaisquer λ

1

, λ

2

∈Λ, existe λ

3

∈Λ tal que λ

1

λ

3

e λ

2

λ

3

.

Dizemos que a rela¸c˜ao ´e uma dire¸c˜ao para o conjunto Λ, ou dirige o conjunto Λ. O par

(X,≺) ´e denominado conjunto dirigido.

Defini¸c˜ao 2.4. Umarede em um conjuntoX ´e uma fun¸c˜aoP : Λ−→X, onde Λ ´e um conjunto

dirigido. Usualmente denotaremos o pontoP(λ) porx

λ

, e diremos “a rede” (x

λ

)

λ∈Λ

. Umasubrede

de uma rede P : Λ −→ X ´e a composi¸c˜ao P ◦ϕ : M −→ X, onde ϕ : M −→ Λ ´e uma

aplica¸c˜ao entre os conjuntos dirigidosM e Λ, que satisfaz:

i. µ

1

µ

2

⇒ϕ(µ

1

)ϕ(µ

2

), (ϕ´ecrescente)

ii. Para cada λ∈Λ, existe µ∈M tal que λϕ(µ). (ϕ(M) ´ecofinalem Λ)

Para cadaµ∈M, denotaremos o pontoP(ϕ(µ)) porx

λµ

e escreveremos “a subrede” (x

λµ

)

µ∈M

.

Exemplo 2.3. O conjunto N dos n´umeros naturais munido da ordem natural ´e um conjunto

dirigido. Portanto, toda sequˆencia (x

n

)

n∈N

, de pontosx

n

em um conjunto arbitr´arioX, ´e um rede

e toda subsequˆencia ´e uma subrede. Entretanto, n˜ao h´a garantias de que uma subrede de (x

n

)

seja uma subsequˆencia, pois a subrede pode ter mais ´ındices que a pr´opria rede!

Como veremos na defini¸c˜ao a seguir, a convergˆencia em redes ´e uma generaliza¸c˜ao natural da

convergˆencia em sequˆencias.

Defini¸c˜ao 2.5. A rede (x

λ

)

λ∈Λ

no espa¸co topol´ogico X converge para x ∈ X (escreveremos

x

λ

→x), se para cada vizinhan¸ca U dex, existir algum λ

0

∈Λ tal que λ λ

0

impliquex

λ

∈U.

Dizemos que a rede est´a em um conjunto A quando cada um de seus ponto for elemento de A.

Se existir λ

0

∈ Λ tal que x

λ

∈A, para todo λ λ

0

, diremos que (x

λ

) est´a residualmente em A.

Quando para cada λ

0

, existe λ λ

0

tal quex

λ

∈ A, diremos que a rede est´a frequentemente em

A. Quando (x

λ

) estiver frequentemente em cada vizinhan¸ca do ponto x, dizemos que x ´e ponto

de acumula¸c˜ao da rede.

A defini¸c˜ao de ponto de acumula¸c˜ao de uma rede generaliza o conceito de valor de aderˆencia

de uma sequˆencia. Uma rede n˜ao pode estar residualmente em dois conjuntos disjuntos. Se uma

rede (x

λ

) converge parax, ent˜aox ´e um ponto de acumula¸c˜ao da rede.

Proposi¸c˜ao 2.3. Se a rede (x

λ

) converge paraa, ent˜ao cada subrede tamb´em converge para x.

Demonstra¸c˜ao. Suponhamos quex

λ

→a. Dada uma subrede (x

λµ

) e uma vizinhan¸caU dea, segue

da convergˆencia da rede e da propriedade cofinal que existem λ

0

∈Λ, tal que λ λ

0

⇒x

λ

∈U,

e µ

0

∈M tal que ϕ(µ

0

0

. Portanto, µµ

0

⇒ϕ(µ)ϕ(µ

0

0

⇒x

λµ

∈U.

Proposi¸c˜ao 2.4. Sex

λ

=a, para todo λ∈Λ, ent˜aox

λ

→a.

Exemplo 2.4. Seja X um espa¸co topol´ogico e B

x

uma base de vizinhan¸cas de x∈X. A rela¸c˜ao

U V ⇔ V ⊂ U dirige o conjunto Λ = B

x

. Portanto, ao tomarmos x

U

∈ U em cada U ∈ Λ,

obtemos uma rede (x

U

) em X que converge para x. De fato, dada uma vizinhan¸caV dex, existe

uma vizinhan¸ca b´asica U

0

∈Λ de x. Ent˜ao λλ

0

implicaU ⊂U

0

, e portanto x

U

∈U ⊂V.

Exemplo 2.5. A cole¸c˜ao P de todas as parti¸c˜oes finitas do intervalo fechado I = [a, b], munida

da rela¸c˜aoP Q⇔QrefinaP, ´e um conjunto dirigido. Sejaf : I −→R. Podemos definir uma

rede S

i

: P −→R, com S

i

(P) a soma inferior de Riemann de f relativa `a parti¸c˜ao P. De modo

an´alogo, definimos a redeS

s

: P −→R, comS

s

(P) a soma superior de Riemann de f relativa `a

parti¸c˜ao P. Se ambas as redes (S

i

(P))

P∈P

e (S

s

(P))

P∈P

convergem para o n´umero real c, ent˜ao

f ´e integr´avel `a Riemann eR

b

a

f =c. Esse examplo possui uma importˆancia hist´orica (ver notas

hist´oricas no final do cap´ıtulo).

Exemplo 2.6. Seja M um espa¸co m´etrico e a ∈ M fixado. Ent˜ao Λ = M \ {a}, munido da

N espa¸co m´etrico, restrita a Λ ´e uma rede (x

λ

). Afirmamos que essa rede converge para b ∈ N

se, e somente se, lim

x→a

f(x) = b no sentido de espa¸cos m´etricos. De fato, se x

λ

→ b, dada uma

vizinhan¸ca U de b, existe x

0

∈ M \ {a} tal que x x

0

⇒ f(x) ∈ U, ou seja, x ∈ M \ {a} e

d(x, a)< δ =d(x

0

, a)⇒f(x)∈U. Reciprocamente, se lim

x→a

f(x) =b, dada uma vizinhan¸ca U de

b, existe uma vizinhan¸ca aberta V de a tal que f(V) ⊂ U. Tome x

0

∈ B = B(a, r) ⊂ V. Por

conseguinte, x x

0

⇒ d(x, a) ≤ d(x

0

, a) < r ⇒ x

0

∈ B ⇒ f(x) ∈ U. Portanto, a rede f|

M\{a}

converge para b.

Teorema 2.5. Um espa¸co topol´ogico ´e um espa¸co de Hausdorff se, e somente se, toda rede nesse

espa¸co converge para, no m´aximo, um ponto.

Demonstra¸c˜ao. Se X ´e um espa¸co e Hausdorff, ent˜ao pontos distintos x e y possuem abertos

disjuntos que os cont´em. Como uma rede convergente n˜ao pode estar residualmente em abertos

disjuntos, segue que uma rede n˜ao pode convergir para dois pontos distintos. Reciprocamente,

suponha que X n˜ao ´e Hausdorff. Ent˜ao existem dois pontos distintos x e y tais que V ∩W 6=∅,

quaisquer que sejam as vizinhan¸cas V, W de x, y respectivamente. Consideremos os sistemas de

vizinhan¸cas U

x

de x e V

y

de y, e a dire¸c˜ao, em U

x

× V

y

, dada por (U

1

, V

1

)(U

2

, V

2

) ⇔U

2

⊂U

1

e V

2

⊂ V

1

. Definamos a rede P : U

x

× V

y

−→ X por P(U, V) = x

U,V

, com x

U,V

escolhido em

U∩V. Provaremos que essa rede converge para xe y, concomitantemente. Dadas as vizinhan¸cas

arbitr´arias U

0

de x e V

0

de y, para (U, V) (U

0

, V

0

), teremos x

U,V

∈ U ∩V ⊂ U

0

∩V

0

, ou seja,

x

U,V

→x ex

U,V

→y.

Corol´ario 2.6. Em um espa¸co de Hausdorff, toda sequˆencia converge para, no m´aximo, um ponto.

A rec´ıproca do corol´ario anterior n˜ao ´e verdadeira. Para tanto, considere X = R com a

topologia do complemento enumer´avel, definida no exemplo 1.1. Quaisquer dois abertos n˜ao

vazios se intersectam, portanto, X n˜ao ´e Hausdorff. Al´em disso, qualquer sequˆencia convergente

(x

n

)

nN

, com x

n

→ a ´e constante a partir de um certo ´ındice. Provado isso, toda sequˆencia

converge para um s´o ponto. De fato, caso aquilo n˜ao ocorresse, obter´ıamos ´ındices distintos

n

1

< n

2

< · · · < n

k

< · · · tais que x

nk

6= a, para todo k, e ent˜ao U = X\ {x

nk

}

kN

seria uma

vizinhan¸ca de a, mas n˜ao existiria naturaln

0

com n≥n

0

⇒x

n

∈U.

Teorema 2.7. Uma rede em X possui um ponto de acumula¸c˜ao a se, e somente se, possui uma

subrede convergindo para a.

Demonstra¸c˜ao. Seja a um ponto de acumula¸c˜ao de (x

λ

)

λ∈Λ

, tamb´em denotada por P : Λ −→

X. Consideremos o conjunto M = {(λ, U)∈Λ×τ ; U ´e vizinhan¸ca de a e x

λ

∈U} e a dire¸c˜ao

1

, U

1

)(λ

2

, U

2

)⇔λ

1

λ

2

eU

2

⊂U

1

. Definamosϕ : M −→Λ por ϕ(λ, U) =λ. Claramente

ϕ ´e crescente e cofinal, logo define uma subrede de (x

λ

). Dada uma vizinhan¸ca U

0

de a, existe

λ

0

tal que x

λ0

∈ U

0

. Ent˜ao (λ

0

, U

0

) ∈ M e (λ, U) (λ

0

, U

0

) ⇒ x

λ

∈ U ⊂ U

0

. Portanto, a

subredeP◦ϕ : M −→X converge para a. Recriprocamente, suponhamos que exista a aplica¸c˜ao

ϕ : M −→ Λ crescente e cofinal, originando uma subrede P ◦ϕ : M −→X que converge para

a. Com isso, dada uma vizinhan¸ca U de a, existe µ

U

∈ M tal que µ µ

U

implica P(ϕ(µ))∈U.

Fixado λ

0

∈ Λ, por ϕ(M) ser cofinal em Λ, existe µ

0

tal que ϕ(µ

0

) λ

0

. Tomemos µ ∈ M de

modo que µ

0

µ e µ

U

µ. Assim, λ =ϕ(µ) ϕ(µ

0

) λ

0

e x

λ

∈U. Portanto, para qualquer

vizinhan¸ca U dea e qualquerλ

0

∈Λ, existeλ λ

0

tal quex

λ

∈U. Mais precisamente,a ´e ponto

de acumula¸c˜ao de (x

λ

).

Corol´ario 2.8. Um ponto de acumula¸c˜ao de uma subrede ´e ponto de acumula¸c˜ao da rede.

Demonstra¸c˜ao. Basta verificar que uma subrede de uma subrede de (x

λ

) ´e subrede de (x

λ

), e usar

o teorema anterior.

O resultado a seguir nos revela que o conceito de redes ´e, comparado ao de sequˆencias, uma

melhor abordagem sobre quest˜oes de convergˆencia em espa¸cos topol´ogicos.

Teorema 2.9. SejaA⊂X. Ent˜aoa∈Ase, e somente se, existe uma rede(x

λ

)emAconvergindo

para a.

Demonstra¸c˜ao. Seja a ∈ A. Para cada vizinhan¸ca U de a, tomemos x

U

∈ U ∩A. A rede (x

U

),

com a dire¸c˜ao descrita no exemplo 2.4, converge para a. Reciprocamente, se a rede (x

λ

) est´a em

A e converge para a, ent˜ao cada vizinhan¸ca de a intercepta A e portanto a∈A.

Corol´ario 2.10. Um subconjunto F ⊂ X ´e fechado se, e somente se, sempre que uma rede (x

λ

)

de pontos de F converge para um ponto x, ent˜aox∈F.

Demonstra¸c˜ao. Suponha que F ´e fechado e seja (x

λ

) uma rede em F com x

λ

→ x. Do teorema

anterior, segue-se x ∈ F = F. Reciprocamente, suponhamos que vale a condi¸c˜ao: (x

λ

) em F e

x

λ

→ x ⇒ x ∈ F. Dado x ∈ F, existe (x

λ

) em F convergindo para x. Logo, a condi¸c˜ao nos

garante que x´e ponto de F e portanto F ⊂F.

Proposi¸c˜ao 2.11. A aplica¸c˜aof : X −→Y ´e cont´ınua ema∈X se, e somente se, para qualquer

rede (x

λ

) que converge para a, a rede (f(x

λ

)) convergir para f(a).

Demonstra¸c˜ao. Sef ´e cont´ınua ema, ent˜ao dada um vizinhan¸caV def(a), existe uma vizinhan¸ca

U deAcomf(U)⊂V. Logo, para algumλ

0

,λλ

0

⇒x

λ

∈U ⇒f(x

λ

)∈V. Reciprocamente, se

f n˜ao for cont´ınua ema, ent˜ao existir´a uma vizinhan¸caV def(a) tal que x

U

∈U masf(x

U

)∈/ V,

para cada vizinhan¸ca U dea. Portanto, a rede (x

U

) converge para a, enquanto que (f(x

U

)) n˜ao

converge para f(a).

Teorema 2.12. Uma rede (x

λ

)

λ∈Λ

no espa¸co produto X = Y

α∈A

X

α

converge para o ponto a =

(a

α

)

αA

∈X se, e somente se, cada rede coordenada π

α

(x

λ

) converge para π

α

(a)≡a

α

em X

α

.

Demonstra¸c˜ao. Se x

λ

→a em X =Q

α∈A

X

α

, ent˜ao, como cada α-´esima proje¸c˜aoπ

α

´e cont´ınua,

π

α

(x

λ

) → a

α

≡ π

α

(a). Reciprocamente, suponhamos que π

α

(x

λ

) → π

α

(a) ≡ a

α

, para cada

α ∈ A. Seja

n

\

i=1

π

α−1

i

(U

αi

) uma vizinhan¸ca b´asica de a no espa¸co produto (note que cada U

αi

´

e um aberto de X

αi

que cont´em a

αi

≡ π

αi

(a)). Como π

αi

(x

λ

) → π

αi

(a) ≡ a

αi

, existe λ

i

tal

que λ λ

i

⇒ π

αi

(x

λ

) ∈ U

αi

, para i = 1, . . . , n. Escolhendo λ

0

λ

i

, i = 1, . . . , n, obtemos

π

αi

(x

λ

) ∈ U

αi

, para i = 1, . . . , n, sempre que λ λ

0

. Portanto, λ λ

0

⇒ x

λ

n

\

i=1

π

α−1i

(U

αi

).

Consequentemente, x

λ

→a no espa¸co produto X = Y

α∈A

X

α

.

No caso em que todos os fatores X

α

=X, j´a vimos que o espa¸co produto Q

X

α

nada mais ´e

que o conjunto X

A

≡ F(A;X) de todas as fun¸c˜oes f : A −→ X, que podem ser vistas como

A-uplas (f

α

)

α∈A

de pontosf(α)∈X. O teorema anterior nos diz que esse espa¸co, com a topologia

produto (ou de Tychonoff) possui a seguinte propriedade: uma rede (f

λ

)

λ∈Λ

converge para f se,

e somente se, π

α

(f

λ

) =f

λ

(α)→f(α) = π

α

(f), para cada α∈A.

Defini¸c˜ao 2.6. Uma rede (x

λ

)

λ∈Λ

em um espa¸co X denomina-se ultrarede (ou rede universal),

quando para todo subconjunto A⊂X, (x

λ

) est´a residualmente emA ou em X\A.

Evidentemente, qualquer rede constante ´e uma ultrarede, chamada rede universal trivial.

Proposi¸c˜ao 2.13. Se a´e um ponto de acumula¸c˜ao da ultrarede (x

λ

), ent˜aox

λ

→a.

Demonstra¸c˜ao. Dada uma vizinhan¸ca U dea, existe λ

1

∈Λ, tal que λ λ

0

implica apenas uma

das situa¸c˜oes: x

λ

∈U oux

λ

∈X\U. Segue-se de a ser ponto de acumula¸c˜ao da rede que existe

λ

1

λ

0

tal que x

λ1

∈U. Portanto, vale a primeira situa¸c˜ao que significax

λ

→a.

Proposi¸c˜ao 2.14. Seja f : X −→Y uma aplica¸c˜ao qualquer entre espa¸cos topol´ogicos. Se (x

λ

)

´

e um ultrarede em X, ent˜ao (f(x

λ

)) ´e uma ultrarede em Y. Em outras palavras, a imagem de

uma ultrarede ´e um ultrarede.

Demonstra¸c˜ao. DadoA⊂Y, (x

λ

) est´a residualmente emf

−1

(A) ou emX\f

−1

(A) = f

−1

(Y \A).

Portanto, (f(x

λ

)) est´a residualmente emAou emY \Ae consequentemente, ´e uma ultrarede.

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