Curioso ejercicio de límites superior e inferior

Sabemos que los números racionales de la recta real forman un conjunto numerable. Por ello existe una enumeración en la forma \mathbb{Q} = \{x_{1}, x_{2}, \ldots, x_{n}, \ldots \}. Es importante saber que tal enumeración no implica una ordenación x_{1} < x_{2}< \ldots <x_{n} < \ldots . Tan sólo es el resultado de una aplicación biyectiva f: \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{Q}. El siguiente ejercicio es una cuestión de límites superior e inferior de conjuntos pero en su resolución se ha tenido en cuenta este hecho. Se trata de considerar la sucesión de intervalos de la recta real dada por

A_{n} =(x_{n}-1, x_{n}+1), n=1,2, \ldots,

donde x_{n} es el enésimo racional de una enumeración de los racionales. Se nos pide el límite superior e inferior de dicha sucesión.

Supongamos que x pertenece al límite inferior de la sucesión (A_{n})_{n}, entonces x pertenece a todos los elementos de la sucesión, excepto quizás a un número finito de ellos. Es decir, hallaremos un n_{0} tal que x \in A_{n} si n \geq n_{0}. Teniendo en cuenta la definición de la sucesión, esto significa que

x_{n}-1 < x < x_{n}+1 si n \geq n_{0}.

De manera equivalente

|x-x_{n}| <1, para todo n \geq n_{0}.

Ahora es cuando hay que tener cuidado con lo que significa considerar la enumeración de los racionales de n_{0} en adelante. La primera consecuencia de la desigualdad anterior es que

|x_{n}-x_{n_{0}}| = |x_{n}-x+x-x_{n_{0}}| \leq |x_{n}-x|+|x-x_{n_{0}}| <2,

si n es mayor que n_{0}. Lo que nos lleva a que \{x_{n_{0}}, x_{n_{0}+1}, \ldots, x_{m}, \ldots \} \subset (x_{n_{0}}-2, x_{n_{0}}+2). Esto es, todos los racionales, menos un número finito de ellos se hallan en un entorno de radio 2 del racional x_{0}. Pero esto es absurdo pues sabemos que hay una infinidad de racionales en cualquier intervalo no vacío de la recta real. Así pues, \lim \inf A_{n} = \emptyset. Veamos ahora el caso del límite superior. Si x pertenece a \lim \sup A_{n} entonces se hallará en una infinidad de A_{n}. Por ejemplo,  podemos ver que cualquier x real que cumpla

\frac{1}{n}-1 < x < \frac{1}{n}+1, para todo n,

pertenece a \lim \sup A_{n} pues se halla en una infinidad de conjuntos de la forma (x_{n}-1, x_{n}+1), con x_{n} racional. El lector puede comprobar con la siguiente figura que (0,1) \subset \lim \sup A_{n}.

Imagen

Es fácil ver que “trasladando” esta argumentación podemos “cubrir” toda la recta real. Por ejemplo, si sumamos \frac{1}{2}, resulta

\frac{1}{2}+\frac{1}{n}-1 <x < \frac{1}{2} + \frac{1}{n}+1, para todo n,

Luego es (\frac{1}{2}, \frac{3}{2}) \subset \lim \sup A_{n}. Por tanto, \lim \sup A_{n} = \mathbb{R}.

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Un caso de convergencia de series de funciones indicadoras

En el caso de una sucesión de subconjuntos disjuntos (A_{n})_{n} de un conjunto X podemos garantizar la igualdad:

\chi_{\cup_{n=1}^{\infty} A_{n}} = \sum_{n=1}^{\infty} \chi_{A_{n}}.

Debemos demostrar que para cada x \in X, la serie
\sum_{n=1}^{\infty} \chi_{A_{n}}(x).
converge a \chi_{\cup_{n=1}^{\infty} A_{n}}(x). Sabemos que
\chi_{\cup_{n=1}^{\infty} A_{n}}(x) = \sup \{ \chi_{A_{n}}(x) : n \in \mathbb{N} \}.
Si x pertenece a \cup_{n=1}^{\infty} A_{n}, entonces x pertenece a uno y sólo uno de los conjuntos A_{n} (ya que la sucesión es disjunta). Sea x \in A_{r}. Entonces
\chi_{A_{k}}(x) = 0, \quad \text{si} \quad k \neq r,
pero
\chi_{A_{r}}(x) = 1
Por tanto,
\sup \{ \chi_{A_{n}}(x) : n \in \mathbb{N} \}= \sup \{0,1 \} = 1.
Por otro lado,
\sum_{k=1}^{r-1} \chi_{A_{k}} (x) = 0,
mientras que
\sum_{k=1}^{s} \chi_{A_{k}} (x) = 1, \quad \text{si} \quad s \geq r.
En consecuencia,
\sum_{n=1}^{\infty} \chi_{A_{n}} (x) = \lim_{n} \sum_{k=1}^{n}\chi_{A_{k}}(x) = 1.
Para acabar, si x \notin \cup_{n=1}^{\infty} A_{n}, entonces x \notin A_{n} para todo n y de aquí
\sup \{ \chi_{A_{n}}(x) : n \in \mathbb{N} \}= \sup \{0\} = 0,
y también
\sum_{k=1}^{n} \chi_{A_{k}} (x) = 0, \quad \text{para todo} \quad n.
Por ello
\sum_{n=1}^{\infty} \chi_{A_{n}} (x) = \lim_{n} \sum_{k=1}^{n}\chi_{A_{k}}(x) = 0.
Esto termina la demostración.

Diferencia simétrica generalizada

La diferencia simétrica entre dos conjuntos A y B es el conjunto A \Delta B de los elementos que se hallan sólo en uno de los conjuntos. Más precisamente,

A \Delta B = (A \cup B) - (A \cap B) = (A-B) \cup (B-A).

Diferencia simétrica de dos conjuntos.

Diferencia simétrica de dos conjuntos.

La diferencia simétrica es una operación conmutativa y asociativa. Esto permite generalizarla para un número n de conjuntos. Es decir, tiene sentido la escritura

\Delta_{i=1}^{n} E_{i},

donde E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{n} es una colección de n subconjuntos de un conjunto dado X. Probaremos que \Delta_{i=1}^{n} E_{i} es el conjunto de los elementos de X que se hallan justo en un número impar de conjuntos E_{i}.

Diferencia simétrica de tres conjuntos.

Diferencia simétrica de tres conjuntos.

Hacemos la prueba por inducción sobre n. Para n=1 y n=2 es inmediata por definición de diferencia simétrica. Sea cierto para k \geq 2 y sea x \in \Delta_{i=1}^{k+1} E_{i}. Como

\Delta_{i=1}^{k+1} E_{i} = (\Delta_{i=1}^{k} E_{i}) \Delta E_{k+1},

entonces x \in \Delta_{i=1}^{k} E_{i} y x \notin E_{k+1} o x \notin \Delta_{i=1}^{k} E_{i} y x \in E_{k+1}. En el primer caso, aplicando la inducción, x pertenece a una cantidad impar de conjuntos E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k} y, evidentemente, también a una cantidad impar de conjuntos de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}, E_{k+1} (pues no pertenece a E_{k+1}) y, en el segundo caso x pertenece a E_{k+1} pero puede pertenecer a una cantidad par de conjuntos E_{i} de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}. Si x pertenece sólo a E_{k+1}, entonces es evidente que pertenece a una cantidad impar de conjuntos de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}, E_{k+1} y si pertenece además a una cantidad par de conjuntos E_{i} de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}, es inmediato que pertenecerá a una cantidad impar de conjuntos E_{i} de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}, E_{k+1} (pues añadimos uno más y par más uno es impar). Por tanto,  la diferencia simétrica \Delta_{i=1}^{k+1} E_{i} es el conjunto de los elementos de X que se hallan en un número impar de conjuntos de E_{1}, E_{2}, \ldots, E_{k}, E_{k+1} y esto termina la demostración.

Referencias:

Wikipedia

Mathematics

Sucesiones disjuntas de conjuntos y convergencia.

Una sucesión (A_{n})_{n} de subconjuntos de un conjunto X, se dice que es convergente si coinciden sus límites inferior y superior. Recordemos que tales límites se pueden definir mediante operaciones conjuntistas:

\lim \inf A_{n} = \cup_{n=1}^{\infty}(\cap_{k=n}^{\infty} A_{k}),

\lim \sup A_{n} = \cap_{n=1}^{\infty}(\cap_{k=n}^{\infty}A_{k}).

 Vamos a probar que cuando la sucesión está formada por conjuntos disjuntos converge y lo hace al conjunto vacío.

Sea (A_{n})_{n} una sucesión disjunta de partes de X. Definimos la sucesión
D_{n} =\cup_{k=n}^{\infty} A_{k}.
Sabemos que esta sucesión D_{n} es decreciente por su misma construcción y que \lim \sup A_{n} = \lim D_{n}= \cap_{n=1}^{\infty} D_{n}. Probaremos que esta intersección es vacía. Supongamos que x \in \cap_{n=1}^{\infty} D_{n}, entonces x \in D_{1} y hallaremos i \geq 1, tal que x \in A_{i}, pero también x \in D_{i+1}, lo que implica que existe A_{j} con j > i para el que x \in A_{j}. Esto contradice el carácter disjunto de la sucesión (A_{n})_{n} y por tanto, la intersección es vacía. Es decir,
\lim \sup A_{n} = \cap_{n=1}^{\infty} D_{n} = \emptyset
Como \lim \inf A_{n} \subset \lim \sup A_{n}, también es \lim \inf A_{n} = \emptyset. Al coincidir límite superior e inferior, la sucesión disjunta es convergente al vacío.

Más sobre anillos de conjuntos

Me surgió un problema relativo al carácter del producto cartesiano de anillos de conjuntos. Como no daba con la clave consulté en el estupendo foro del rincón matemático y Tanius fue muy amable al darme un contraejemplo.  Esta es la argumentación que he podido pergeñar:

Sean \mathcal{R}_{1} y \mathcal{R}_{2} anillos sobre X e Y, respectivamente. La clase \mathcal{R}_{1} \times \mathcal{R}_{2}, ¿es un anillo sobre X \times Y?
Todo anillo es semianillo por lo que es claro que \mathcal{R}_{1} \times \mathcal{R}_{2} es un semianillo y contendrá al vacío y será cerrado para la intersección finita. Sin embargo, no siempre es un anillo como podemos ver mediante un contraejemplo. Sean
\mathcal{R}_{1} = \{ \emptyset,\{1\}, \mathbb{N}-\{1 \}, \mathbb{N} \},
\mathcal{R}_{2} = \{ \emptyset,\{2\}, \mathbb{N}-\{2 \}, \mathbb{N} \}.
Ambas clases son anillos sobre los naturales. La clase \mathcal{R}_{1} \times \mathcal{R}_{2} contiene a los conjuntos (\mathbb{N}- \{1\}) \times (\mathbb{N} -\{2 \}) y \{(1,2) \}. Pero su unión es
A= (\{2,3, \ldots, n, \ldots \} \times \{1,3,4, \ldots, m, \ldots, \}) \cup \{(1,2) \}
Veamos que tal unión no pertenece al producto cartesiano de las clases. Los elementos de \mathcal{R}_{1} \times \mathcal{R}_{2} son

\emptyset, \{(1,2)\}, \{1\} \times (\mathbb{N}- \{2\}), \{1\} \times \mathbb{N}, (\mathbb{N}-\{1\}) \times \{2\},
(\mathbb{N}-\{1\}) \times (\mathbb{N}-\{2\}), (\mathbb{N}-\{1\})\times \mathbb{N}, \mathbb{N} \times \{2\}, \mathbb{N} \times (\mathbb{N}- \{2\}),\mathbb{N} \times \mathbb{N}.

Pero el conjunto A no es ninguno de ellos como el lector puede comprobar. Así pues, el producto cartesiano de anillos (o de álgebras) no es siempre un anillo (o álgebra).

Demostración sobre producto cartesiano de semianillos de conjuntos

Sea X un conjunto no vacío. Una colección de subconjuntos de X es un semianillo sobre X si contiene al vacío, es cerrada para la intersección finita y además la diferencia de dos cualesquiera de los elementos de la colección resulta expresable mediante unión finita y disjunta de elementos de la misma colección.

Si queremos probar que dados \mathcal{S}_{1}, semianillo sobre X y \mathcal{S}_{2} semianillo sobre Y, su producto cartesiano

\mathcal{S}_{1} \times \mathcal{S}_{2} = \{ A \times B: A \in \mathcal{S}_{1}, B \in \mathcal{S}_{2} \} ,

es un semianillo sobre X \times Y, necesitamos hacer uso de una interesante propiedad de la diferencia de productos cartesianos. En concreto, necesitaremos probar que para A, C \in X y B,D \in Y, se tiene que

(A \times B)-(C \times D) = (A \times (B-D)) \cup ((A-C) \times B) .

He encontrado una interesante demostración en Proof Wiki.

Sobre cardinales de conjuntos

Estoy resolviendo algunas cuestiones del texto “Selected Problems in Real Analysis” (Makarov, Goluzina, Lodkin, Podkorytov, Ed. AMS) y me he obligado a repasar conceptos y demostraciones que daba por hechas. Sobre todo demostraciones de cardinalidad y teoría de conjuntos. Por ejemplo, la demostración de que \mathbb{N}^{2} es equipotente a \mathbb{N}. Para ello existe una forma elegante utilizando el método diagonal de Cantor y una forma “menos elegante” utilizando el teorema de Cantor-Schröeder-Bernstein. Voy a pergeñar la segunda.

Consideremos la aplicación f: \mathbb{N} \times \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N} dada por f(n,m) = 2^{n}3^{m}. Es claro que se trata de una aplicación inyectiva pues si

2^{n} 3^{m} = 2^{n'} 3^{m'},

entonces

2^{n-n'}= 3^{m'-m}

lo que sólo es posible si n-n'=m'-m=0. Por tanto, el cardinal de \mathbb{N} \times \mathbb{N} es menor o igual que el de \mathbb{N}. Por otro lado, la aplicación

g: \mathbb{N} \rightarrow \mathbb{N} \times \mathbb{N}

dada por

g(n)=(n,0)

es trivialmente inyectiva. En consecuencia, el cardinal de \mathbb{N} es menor igual que el de \mathbb{N} \times \mathbb{N}.  Aplicando, teorema de Cantor-Schröder-Bernstein ambos cardinales son iguales.