En este capítulo definiremos y analizaremos las propiedades de dos de las etiquetas topológicas más elementales e importantes dentro de la topología: conexidad y compacidad.
Decimos que un espacio X es conexo si los únicos subconjuntos que son abiertos y cerrados son el vacío ∅ y el total X. Si X no es conexo se suele llamar disconexo. El siguiente resultado muestra dos relaciones importantes relacionadas con la conexidad.
Lema: Sea X espacio topológico. Las siguiente afirmaciones son equivalentes:
Las descomposiciones del resultado anterior se conocen como separaciones de X. Así, decimos que X es conexo cuando no existe ninguna separación para él.
El siguiente resultado proporciona un criterio para determinar la conexidad de un espacio.
Lema: X es conexo sí, y sólo si, siempre que X=A\cup B, con A,B no vacíos, entonces A\cap \ol{B}\neq \emptyset ó B\cap \ol{A}\neq \emptyset.
Decimos que un subespacio Y\subseteq X es conexo si lo es en la topología relativa; es decir, es conexo si no tiene una separación compuesta de abiertos relativos.
El siguiente resultado muestra que la conexidad se hereda a ciertos subconjuntos.
Lema: Sea Y\subseteq X conexo. Entonces todo subconjunto W tal que Y\subseteq W\subseteq \overline{Y} es conexo.
En particular, este resultado muestra que la cerradura de cualquier conexo es también conexo.
Teorema: El intervalo [0,1] es conexo en la recta \br.
\dem Sean C,D cerrados no vacíos tales que [0,1]=C\cup D, sin pérdida de generalidad supongamos 0\in C. Afirmamos que C\cap D\neq \emptyset. Consideremos d=\inf D y probaremos que d\in C\cap D. Como D es cerrado, d\in D por el Lema en Cap. 1 - Sec 1.2. Si d=0 el resultado se sigue. Ahora, supongamos que d>0 y hagamos E=C\cap [0,d] Puesto que E es cerrado y además contiene al intervalo [0,d) se sigue d\in E; es decir, d\in C. \findem
Una de las propiedades más importantes de la conexidad es que se pueda preservar bajo funciones continuas:
Teorema: Sea f:X\ra Y función continua, con X conexo. Entonces f(X) es conexo.
En particular, si f:X\ra Y es continua, con X conexo y además la inversa g:Y\ra X es también continua, se sigue que Y es conexo. Como consecuencia, ser conexo es una propiedad topológica.
Bajo ciertas circunstancias el resultado anterior tiene un resultado inverso:
Lema: Sean Y conexo y f:X\ra Y función sobre, continua tal que f^{-1}(y) es conexo, \forall y\in Y. Entonces, si f es cerrada o abierta, entonces X es conexo.
Como consecuencia de los resultados anteriores, y por propiedades de las proyecciones p_X,p_Y, es posible probar que el producto cartesiano X\times Y es conexo sí y sólo si, X,Y también lo son. Este resultado se puede extender a una cantidad arbitraria de espacios conexos.
El concepto de espacio conexo se dio en términos conjuntistas al definir una separación para un espacio X. De manera equivalente puede definirse la conexidad en términos funcionales:
Lema: Un espacio X es conexo sí, y sólo si, toda función continua f:X\ra \bz es constante, donde \bz\subseteq \br es considerado como subespacio discreto.
En el resultado anterior se pudo haber considerado cualquier otro espacio discreto con al menos dos elementos, por ejemplo \{0,1\}.
En lo que sigue definiremos una propiedad muy cercana a la conexidad pero en términos un poco más concretos.
Decimos que X es conexo por caminos (También se usan los términos conexo por trayectorias o arco-conexo) si para cualesquiera x,y\in X existe función continua \alpha:[0,1]\ra X tal que \alpha(0)=x,\alpha(1)=y. La función \alpha es llamada el camino que une a x con y; de igual forma se dice que x,y son los puntos inicial y terminal de \alpha, respectivamente.
Directamente de la definición, y considerando la continuidad de una composición de funciones continuas, puede mostrarse que la imagen de un conjunto conexo por caminos bajo una función continua es también conexo por caminos.
El siguiente resultado presenta una manera de mostrar la conexidad de un espacio a través de la conexidad por caminos.
Teorema: Todo espacio conexo por caminos es conexo.
\dem Sea X conexo por caminos y tomemos A,B\subseteq X abiertos, no vacíos tales que X=A\cup B; probaremos que A\cap B\neq \emptyset.
Tomemos x\in A, y\in B y \alpha arco que una a x con y. Como \alpha es continua los conjuntos \alpha^{-1}(A), \alpha^{-1}(B) son abiertos, no vacíos y además [0,1]=(\alpha^{-1}(A))\bigcup (\alpha^{-1}(B)) Dado que [0,1] que es conexo existe t\in [0,1] con t\in \alpha^{-1}(A)\cap \alpha^{-1}(B); de aquí que \alpha(t)\in A\cap B por lo que no existe separación para X.\findem
En general, el inverso del resultado anterior es falso; es decir, no todo espacio conexo es conexo por caminos, algo puede sonar extraño... pero es posible
Decimos que A\subseteq\br^n es convexo si \forall x,y\in A el segmento de recta \mcal{L}_{xy}=\{xt+(1-t)y\barra t\in [0,1]\} está completamente contenido en A.
Notemos que de la definición se sigue que todo convexo de \br^n es conexo por caminos; en particular, todo convexo es conexo.
Es posible agregar una condición (sencilla) en un espacio para obtener que la propiedad de conexidad y conexidad por caminos sean nociones equivalentes:
Teorema: Sea X\subseteq \br^n abierto. Si X es conexo entonces X es arco-conexo.
\dem Tomemos b\in X fijo y consideremos la siguiente relación:
b\approx x \;\sss\; \exists\: \varphi:[0,1]\ra X,\;\mbox{continua}, \;\varphi(0)=b,\:\varphi(0)=x
es decir, b\approx x si se pueden unir por un arco. Hagamos T=\{x\in X \barra x\approx b\} y probaremos que
T=X.
Notemos que b\approx b, por lo que b\in T\neq \emptyset. Sean x\in T, \epsilon>0 y consideremos
B_\epsilon(x)\subseteq X, que existe pues X es abierto. Como B_\epsilon(x) es convexo
(Ejemplo bola abierta convexa) para y\in
B_\epsilon(x) se tiene y\approx x. Finalmente, como x\in T se tiene que x\approx
b\Rightarrow y\approx b; así B_\epsilon \subseteq T y T es abierto.
Por otro lado, tomemos y\in \ol{T} y \epsilon>0. Así B_\epsilon (y)\cap T\neq \emptyset, por lo que
existe
x\in B_\epsilon (y)\cap T, de donde x\approx y y como x\approx b \Rightarrow y\approx b; es decir, y\in
T
y T=\ol{T}. Así, T es no vacío, abierto y cerrado, por conexidad de X se tiene T=X.\findem
Siempre resulta natural preguntarse si la conexidad por caminos se preserva bajo uniones, intersecciones y otras operaciones entre subconjuntos. El siguiente resultado responde para el caso de uniones.
Teorema: Sean A,B\subseteq X subespacios conexos por caminos. Si A\cap B\neq \emptyset entonces A\cup B es conexo por caminos.
\dem Consideremos x\in A,y\in B y probaremos que existe camino que los une.
Por hipótesis podemos tomar z\in A\cap B y caminos
\beta:[0,1]\lra A,\;\gamma:[0,1]\lra B,\;\;\begin{cases}\beta(0)=x&\beta(1)=z\\\gamma(0)=z&\gamma(1)=y
\end{cases}
Definimos \alpha como la concatenación de \beta y \gamma
\alpha(t)=\begin{cases} \beta(2t),&0\leq t\leq 1/2\\ \gamma(2t-1),&1/2\leq t\leq 1 \end{cases}
y observemos que \alpha es continua (Lema del
Pegado) y además une a x con y y por lo tanto
A\cup B es conexo por caminos.\findem
El resultado anterior es válido para una familia \mcal{C}=\{C_i\}_{i\in I} de subconjuntos conexos pro caminos de X: si \bigcap \mcal{C}\neq \emptyset entonces \bigcup \mcal{C} es conexo por caminos.
Cuando la conexidad y la conexidad por caminos se consideran en el contexto de la recta real se obtiene la siguiente equivalencia entre estos conceptos.
Teorema: Sea I\subseteq \br cualquiera, con |I|\geq 2. Las siguientes afirmaciones son equivalentes:
Con este resultado se obtiene una caracterización de los conexos de \br: son todos los intervalos (a,b),\;\;[a,b),\;\;(a,b],\;\;[a,b], para -\infty\leq a\leq b\leq +\infty.
Como extensión del ejemplo anterior se tiene el siguiente resultado propio del cálculo.
Teorema: Sea f:[a,b]\ra \br continua tal que f(a)\lt c \lt f(b) ó f(a)>c>f(b). Entonces existe x_0\in [a,b] tal que f(x_0)=c.
Como f es continua, f([a,b]) es subconjunto conexo de \br que contiene a f(a), f(b). Por el Lema anterior tal conexo es un intervalo que además contiene a c, asi existe x_0\in [a,b] tal que f(x_0)=c. \findem
El resultado anterior se puede generalizar a funciones continuas de la forma f:X\ra \br, con X espacio conexo.
El siguiente ejemplo muestra que la propiedad de conexidad puede usarse para determinar si dos espacios son o no homeomorfos.
Teorema: Sean n\geq 1 y f:S^n\ra \br función continua. Entonces existe x_0\in S^n tal que f(x_0)=f(-x_0).
\dem Consideremos la función contiua g:S^n\lra \br, \;\;x\longmapsto f(x)-f(-x) Por el Ejemplo de la esfera sabemos que S^n es conexo por lo que g(S^n) es un conexo de \br y por tanto un intervalo. Así, dado y\in S^n el intervalo g(S^n) contiene a los puntos g(y),g(-y) y por lo tanto a cualquier combinación de ellos, en particular: \frac{1}{2}g(y)+\frac{1}{2}g(-y)=\frac{1}{2}(f(y)-f(-y))+\frac{1}{2}(f(-y)-f(y))=0 Es decir, existe x_0\in S^n tal que g(x_0)=0\sss f(x_0)=f(-x_0).\findem
Este resultado es un caso particular del Teorema de Borsuk-Ulam que establece que para toda función f:S^n\ra \br^n existe un punto x_0\in S tal que f(x_0)=f(-x_0).
Decimos que dos funciones continuas f,g:X\ra Y son homotópicas si existe una función continua H:X\times I\lra Y tal que H(x,0)=f(x),\;H(x,1)=g(x),\forall x\in X. La función H es llamada una homotopía entre f y g y se usa la notación f\simeq_{H} g. Notemos que para cada t\in I, la homotopía H determina una función continua H_t:X\ra Y, donde H_t(x)=H(x,t). De aquí se obtiene que la relación de homotopía \simeq corresponde a la idea de una deformación continua de la función f en la función g a través de la familia de funciones \{H_t(x)\}_{t\in I}.
El ejemplo anterior puede ser generalizado mostrando la relación que existe entre una homotopía y conexidad por caminos: dos funciones constantes f,g:X\ra Y,\;f(x)=y_1,g(x)=y_2 son homotópicas \sss y_1,y_2 pertenecen al mismo subconjunto de Y que sea conexo por caminos.
Por otro lado, si las imágenes de f,g estan contenidas en subconjuntos conexos por caminos disjuntos entonces no pueden ser homotópicas. Estos resultados muestran que la propiedad de ser conexo por caminos puede ponerse en términos homotópicos. Así, dos funciones f,g:\br \ra \br\baca \{0\} constantes f(x)=1,\;g(x)=-1 no pueden ser homotópicas porque sus imágenes están en distintos lados de la recta real.
Cuando un espacio no es conexo entonces está compuesto por pedazos que sí son conexos. Para formalizar esta situación introduciremos el siguiente concepto.
Un subespacio C\subseteq X es llamado una componente conexa de X si es el elemento maximal en la familia de subespacios conexos, ordenados por inclusión; es decir, si cumple:
Lema: Sean x\in X y \{Z_i\}_{i\in I } familia de subespacios conexos de X que contienen a x. Entonces \bigcup_i Z_i es conexo.
En particular, si tomamos A, B\subset X conexos con x\in A\cap B entonces A\cup B es conexo.
Lema: Cada componente conexa de un espacio es un subconjunto conexo y cerrado. Además las componentes conexas son disjuntas a pares.
\dem Para C componente conexa se sabe que \ol{C} es conexo y contiene a C, de aquí que C=\ol{C}. Sean C,D componentes conexas tales que C\cap D\neq \emptyset. Por la observación anterior C\cup D es conexo. Por las inclusiones C\subseteq C\cup D \supseteq D y la condición maximal de C,D se tiene que C=C\cup D=D. \findem
Lema: Para x\in X consideremos C(x)=\bigcup \{Y\barra x\in Y,\; Y\;\; \mbox{conexo} \} Entonces C(x) es la componente conexa de X que contiene a x.
\dem Observemos que \{x\} es conexo por lo que x\in C(x). Por el Lema de unión de subespacios conexos, se sigue que C(x) es conexo. Para concluir que es componente conexa debemos mostrar su propiedad maximal: sea A\subseteq X subespacio conexo con C(x)\subseteq A; de aquí, x\in A y por definición de C(x) se tiene que A\subseteq C(x). Así, A=C(x). \findem
El espacio C(x) del resultado anterior es llamado la componente conexa de x. Como consecuencia del resultado anterior se tiene que todo espacio topológico es la unión de sus componentes conexas.
Como mencionamos antes la conexidad puede servir como un parámetro para determinar si dos espacios pueden o no ser homeomorfos. Para el caso de espacios no conexos tenemos el siguiente resultado
Lema: La cardinalidad del conjunto de componentes conexas de X es un invariante topológico.
\dem Consideremos C(x)\subseteq X componente conexa de x
y h:X\ra Y homeomorfismo. Mostraremos que h(C(x))
es componente conexa en Y.
Dado que h(C(x)) es conexo
y contiene a h(x), se sigue que h(C(x))\subseteq
C(h(x)). Por otro lado, h^{-1}(C(h(x)))\subseteq C(x)
de donde C(h(x))\subseteq h(C(x)). Por lo tanto
h(C(x))=C(h(x)) y se tiene una relación 1 a 1 entre
las componentes conexas de los espacios.\findem
De manera similar a lo que hemos dicho antes definimos la componente conexa por caminos de x\in X como el subconjunto conexo por caminos de X más grande que contiene a x.
A diferencia de la conexidad la propiedad de compacidad no es un concepto muy intuitivo. Una manera útil de pensar a la compacidad es como una forma de generalizar conjuntos finitos; en particular, los espacios compactos generalizan de las siguientes situaciones:
Esta última situación resulta ser la que motiva el concepto moderno de compacidad; por esta razón, iniciamos hablando de colecciones que cubren a un espacio topológico.
Una cubierta para X es una familia \mcal{A} de subconjuntos de X tal que la unión de sus elementos contiene a X; es decir, X=\bigcup \{A\barra A\in \mcal{A}\}. En tales condiciones se dice que X es cubierto por \mcal{A} o que \mcal{A} cubre a X.
De acuerdo a la cardinalidad de una cubierta, esta puede ser finita, infinita numerable} o infinita o numerable. Por otra parte, si todos los elementos de una cubierta con subconjuntos abiertos, entonces la cubierta es llamada abierta, y si los elementos son cerrados entonces la cubierta es llamada cerrada.
En general puede haber distintos tipos de cubiertas para un espacio de acuerdo al tipo de elementos, el número de elementos y ciertos comportamientos de ellos; por ejemplo, una cubierta \mcal{A} es llamada localmente finita> si para x\in X existe V abierto tal que x\in V,\;\;V\cap A\neq \emptyset, a lo más para una cantidad finita de A\in \mcal{A}. Cuando se tienen dos cubiertas para un mismo espacios resulta natural preguntarse cómo se relacionan entre si. Por ejemplo, si \mcal{A},\mcal{B} son cubiertas y \mcal{A}\subset \mcal{B} entonces se dice que \mcal{A} es subcubierta> de \mcal{B}.
Como se muestra en los ejemplos anteriores no siempre es posible encontrar una subcubierta finita para una cubierta dada; cuando esto ocurre se usa un término específico: un espacio X es compacto> si toda cubierta abierta para él admite una subcubierta finita. En general, decimos que Y\subset X es subespacio compacto de X si es compacto en la topología de subespacio. Es decir, Y\subset X es compacto \sss para cualquier colección \mcal{A} de abiertos de X tal que Y\subseteq\cup \mcal{A} existen A_1,A_2,\ldots A_n\in \mcal{A} tales que Y\subseteq\cup_{i=1}^n A_i.
Por el Ejemplo de subcubierta finita se obtiene que todo conjunto finito es siempre compacto, independientemente de la topología que tenga.
Notemos que un espacio X no es compacto \sss tiene una cubierta abierta que no contiene una subcubierta finita que lo cubra.
Observemos que el espacio euclidiano \br^n puede ser cubierto por bolas abiertas centradas en el origen: \br^n=\bigcup_{n\in N} B_n(0) Es decir, la colección de bolas abiertas es una cubierta abierta para \br^n. Si existiera una subcubierta finita, entonces existen radios n_1,\ldots,n_k tales que \br^n=\bigcup_{i=1}^k B_{n_i}(0)=B_{m}(0) donde m=\max\{n_1,\ldots, n_k\}. Notemos que esto no es posible pues si un vector x tiene norma mayor que m, entonces x\notin \br^n, lo cual no es posible. Con esto se prueba el siguiente resultado.
Lema: Para n>0, el espacio euclidiano \br^n no es compacto.
El siguiente resultado muestra la relación entre compacidad y la unión de subconjuntos.
Lema: La unión finita de subespacios compactos es compacta.
El siguiente resultado muestra que ser compacto es una propiedad topológica.
Lema: Sea f:X\ra Y función continua. Si X es compacto, entonces f(X) es compacto.
\dem Consideremos \mcal{A} familia de abiertos de Y que forman una cubierta para f(X). Notemos que la colección \{f^{-1}(A)\barra A\in \mcal{A} \} forma una cubierta abierta para X; asi, existen A_1,\ldots, A_n\in \mcal{A} tales que X=\cup_{i=1}^n f^{-1}(A_i). Esto implica que f(X)\subset \cup_{i=1}^n A_i. \findem
En particular, todo espacio homeomorfo a un compacto es también compacto.
Teorema (Heine-Borel): El intervalo [0,1] es subespacio compacto de \br.
\dem Sea \mcal{A} una cubierta abierta para [0,1] y tomemos X=\left\{t\barra [0,t]\subset \bigcup_{i\in I}A_i, A_i\in \mcal{A},\; I\;\mbox{finito} \right\}\subseteq [0, \infty) Dado que \mcal{A} cubre a [0,1] 0\in X pues 0\in \cup \mcal{A}; asi, X no vacio y podemos tomar b=\sup X.
El ejemplo anterior muestra que la propiedad de ser compacto es una propiedad topológica que permite distinguir entre intervalos abiertos y cerrados.
Dado que (0,1)\subset [0,1] se tiene que subespacios arbitrarios de un espacio compacto no necesariamente son compactos. Sin embargo, la compacidad es una propiedad heredada a susbespacios cerrados:
Teorema: Cualquier subespacio cerrado de un espacio compacto es compacto.
\dem Sean Y\subset X cerrado con X compacto y \mcal{A} cubierta abierta de Y. Notemos que \mcal{A}\cup\{X\baca Y\} es una cubierta abierta de X, por lo que existen A_1,\ldots,A_n\in \mcal{A} tales que X=(X\baca Y)\cup A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n De aquí se tiene que Y\subset A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n.\findem
El resultado anterior tiene un converso parcial:
Teorema: Si X es espacio Hausdorff y K\subseteq X es compacto entonces K es cerrado.
En general, sin la hipótesis de Hausdorff, un subespacio compacto no tiene por qué ser cerrado:
En algunos contextos resulta conveniente probar que un espacio no es compacto:
Lema: Si un espacio X contiene un subespacio infinito, cerrado y discreto, entonces X no es compacto.
El siguiente resultado es de gran importancia dentro del Análisis.
Teorema: Un subespacio de \br es compacto \sss es cerrado y acotado.
\dem \vuelta Para A\subseteq \br cerrado y acotado existe a>0 tal que A\subset [-a,a]. Dado que [-a,a]\cong [0,1] se sigue que [-a,a] es compacto y por el resultado anterior se sigue que A es compacto.
\ida Sea A\subseteq \br compacto. Como la colección \{(-n,n) \barra n\in N \} cubre a A existen n_1,n_2,\ldots, n_s tales que A\subseteq (-n_1,n_1)\cup (-n_2,n_2)\cup \cdots \cup (-n_s,n_s) Entonces, A\subseteq (-N,N), con N=\max \{n_1,\ldots,n_s\}; es decir, A es acotada. Ahora para p\notin A la función f:\br\baca\{p\}\lra \br,\;\;f(x)=1/x-p es continua, así que f(A) es compacto y también acotado; de aquí que p\notin \ol{A}, pues f no toma valores en \infty=1/0, lo que prueba que A es cerrado. Aquí se está usando el hecho que X\baca A\subseteq X\baca \ol{A}\sss \ol{A}\subseteq A\sss A=\ol{A}. \findem
En el siguiente ejemplo se muestra como la estructura de \br juega un papel importante en el resultado anterior.
Al igual que el caso de conexidad, existen fuertes vínculos entre la compacidad y ciertos resultados dentro del Cálculo (Diferencial).
Teorema (del Valor Extremo): Si X es espacio topológico compacto, entonces cualquier función continua X\ra \br tiene (al menos) un máximo y un mínimo.
Teorema: Sea f:X\ra Y función cerrada con Y compacto. Si f^{-1}(y) es compacto, \forall y\in Y, entonces X es compacto.
\dem Sin perdidad de generalidad podemos suponer que f es
funci\'on sobre, pues si no lo es podemos hacer Y=f(X). Para A\subseteq X consideremos
A'=\{y\in Y | f^{-1}(y)\subset A\}
Dado que f es cerrada y además Y\backslash A'=f(X\backslash A)
se sigue que A' es abierto si A también lo es.
Sea \mathcal{A} cubierta abierta de X
y consideremos \mathcal{B} una familia de uniones
finitas de elementos de \mathcal{A}:
\mathcal{B}=\left\{\bigcup_{i\in I} A_i | I\;\mbox{finito} \right\}
Afirmamos que \mathcal{B}'=\{B'| B\in \mathcal{B}\} es
una cubierta abierta de Y.
Sea y\in Y y como f^{-1}(y) es compacto, existen
A_1,\ldots,A_m\in \mathcal{A} tales que f^{-1}(y)\subset A_1\cup A_1\cup \cdots \cup A_m.
Entonces, y\in B', para B=A_1\cup A_1\cup \cdots \cup A_m.
Como Y es compacto, existen B_1,\ldots, B_n\in \mathcal{B}
tales que Y=\bigcup_{i=1}^nB_i' y por lo tanto X=B_1\cup B_2\cup \cdots \cup B_n
y, como cada B_i es unión finita de elementos
de \mathcal{A}, hemos hallado una subcubierta finita de \mathcal{A} de X.\findem
El siguiente resultado es un criterio de compacidad restringiendo la definición a elementos de una base
Teorema: Sea \mcal{B} base para X. Si toda cubierta de X compuesta de elementos de \mcal{B} tiene una subcubierta finita, entonces X es compacto.
Decimos que una colección \mcal{C} de subconjuntos de X tiene la propiedad de intersección finita si para toda subcolección finita \{C_1,\ldots, C_n\}\subseteq \mcal{C} se cumple que \bigcap_{i=1}^n C_i no vacia. Usaremos ésta propiedad para dar un criterio de compacidad en términos de subconjuntos cerrados.
Teorema: Un espacio X es compacto \sss si toda colección \mcal{C} de cerrados de X que tiene la propiedad de intersección finita, la intersección \bigcap_{C\in \mcal{C}} C de todos los elementos de \mcal{C} es no vacia.
Primero un par de observaciones: para una colección \mcal{A} de subconjuntos de X y la colección de los complementos \mcal{A}'=\{A'=X\baca A\barra A\in \mcal{A} \} se tiene que \mcal{A} es abierta \sss \mcal{A}' es colección cerrada. Por otro lado, recordemos las Leyes de DeMorgan X\baca \left(\bigcup U_i\right)=\bigcap \left(X\baca U_i\right) para obtener que la colección \mcal{A} es una cubierta para X \sss la intersección \cap A' de todos los elementos de \mcal{A}' es vacia. En particular, la subcolección finita \{A_1,\ldots,A_n\}\subset \mcal{A} es una cubierta para X \sss la intersección \bigcap_{i=1}^n A_i' es vacía.
Demostración del TeoremaEl método de demostración será usando un argumento contrapositivo: (P\Rightarrow Q) \cong (-Q\Rightarrow -P). Notemos que el resultado es cierto al notar que X es compacto \sss dada una colección \mcal{A} de abiertos de X, si \mcal{A} cubre a X entonces existe subcubierta finita \sss dada una colección \mcal{A} de abiertos, si ninguna subcubierta finita de \mcal{A} cubre a X entonces \mcal{A} no cubre a X. Por lo expuesto arriba esto es cierto \sss dada una colección \mcal{A}' de cerrados si toda intersección finita de elementos de \mcal{A}' es no vacia, entonces la intersección de toda \mcal{A}' es no vacia.\findem
Un caso de interés del teorema anterior ocurre cuando consideramos una sucesión numerable anidada (o descendiente) de subconjuntos no vacíos K_1\supseteq K_2\supseteq \cdots\supseteq K_n\supset K_{n+1}\supseteq \cdots Si los K_i son cerrados en un compacto X, entonces por el Teorema que dice que todo subespacio cerrado es compacto, los K_i son compactos.
Teorema: Bajo las condiciones anteriores, si los K_i son no vacios, entonces la intersección \bigcap_{i\in \bn} K_i es no vacia.
\dem Por los comentarios de arriba basta notar que para cada i el complemento K_1\baca K_i es abierto en K_1 y que si la colección de abiertos \{K_1\baca K_i\} cubre a K_1 entonces \bigcap K_i=\emptyset, pero observemos que dicha colección no puede cubrir a K_1.\findem
El ejemplo anterior muestra que en cualquier conjunto con un elemento distinguido puede definirse una topología que le otorga una estructura de espacio Hausdorff y compacto.
En esta sección daremos una caracterización de los espacios compactos en términos de productos cartesianos. Iniciamos por un caso sencillo:
Lema: Sean A\subset X compacto y y\in Y. Entonces para todo abierto W\subset X\times Y que contiene a A\times \{y\} existen U\subset X, V\subset Y abiertos tales que A\times \{y\}\subset U\times V\subset W.
\dem Para cada x\in A, la pareja (x,y) tiene una vecindad de la forma U_x\times V_x contenida en W. Notemos que A\times \{y\}\subset \bigcup_{x\in A} (U_x\times V_x) y como A es compacto, existen x_1,x_2,\ldots,x_n\in A tales que A\times \{y\}\subset \cup_{i=1}^n (U_{x_i}\times V_{x_i}). Con esto definimos U=\cup_{i=1}^n U_{x_i},\:V=\cap_{i=1}^n V_{x_i}, con lo que se obtiene lo que se deseaba: A\times \{y\}\subset U\times V\subset W.\;\;\; \blacksquare
Teorema (Teorema de Wallace): Sean X,Y espacios topológicos, A\subset X,B\subset Y subespacios compactos y W\subset X\times Y abierto tal que A\times B\subset W. Entonces existen abiertos U\subset X,\: V\subset Y tales que A\subset U,\;B\subset V,\;\;U\times V\subset W
\dem Por el Lema anterior, para cada y\in B existen abiertos U_y\subset X, V_y\subset Y tales que A\times \{y\}\subset U_y\times V_y\subset W. Observemos que B\subset \cup_{y\in B} V_y y como B es compacto existen y_1,y_2,\ldots, y_k \in B tales que B\subset \bigcup_{i=1}^k V_{y_i} El resultado se obtiene al definir los abiertos U=\bigcap_{i=1}^k U_{y_i},\;\; V=\bigcup_{i=1}^k V_{y_i}.\;\;\blacksquare
El Teorema de Wallace puede ser establecido para el producto de una cantidad arbitraria de espacios con subespacios compactos. Véase Engelking (1989).
El siguiente resultado es el inverso parcial del Teorema acerca de subespacios cerrados es compacto, pero para espacios Hausdorff
Corolario: Todo subespacio compacto de un espacio Hausdorff es cerrado.
\dem Sean K\subset X, con X Hausdorff y K compacto. Probaremos que X\baca K es abierto.
Para x\in X\baca K el producto \{x\}\times K no intersecta a la diagonal \triangle\subset X\times X.
Como X es Hausdorff, \triangle es cerrado y \{x\}\times K está contenido en el abierto W=(X\times
X)\baca \triangle. Por el teorema anterior, existen abiertos U,V\subset X tales que
\{x\}\times K\subset U\times V\subset W
En particular, x\in U, U\cap K=\emptyset\Rightarrow U\subset X\baca K.\findem
Este resultado es demostrado en Munkres (2000 p. 165) usando el siguiente lema, que a su vez muestra la relación entre compacidad y la propiedad del espacio de separar ciertos subespacios.
Lema: Sean X Hausdorff y Y\subseteq X compacto. Para cada x_0\notin Y existen abiertos U,V tales que U\cap V=\emptyset,\;x_0\in U,\;Y\subset V.
Decimos que un espacio T_1 es regular (o T_3) si para cualesquiera x\notin B\subseteq X, con B cerrado, existen abiertos disjuntos U,V tales que x\in U, B\subseteq V. Todo subespacio de un espacio regular es regular; además cualquier producto de espacios regulares es regular. Así, el resultado anterior prueba que compacto + Hausdorff \Ra regular.
A continuación otra consecuencia del Teorema de Wallace que será de gran utilidad en las secciones posteriores
Corolario (Teorema de Kuratowski): Sea X espacio compacto. Para cualquier espacio Y la proyección p_Y:X\times Y\ra Y es una función cerrada.
\dem Tomemos C\subset X\times Y cerrado; probaremos que p_Y(C) es cerrado. Notemos que si p_Y(C)=Y el resultado se sigue inmediatamente. Asi, supongamos que existe y\notin p_Y(C) y notemos que X\times \{y\}\subset (X\times Y)\baca C asi que por el Teorema de Wallace existe vecindad abierta V de y tal que X\times \{y\}\subset (X\times V)\baca C\Rightarrow (X\times V)\cap C=\emptyset; de aquí que V\cap p_Y(C)=\emptyset.\findem
A continuación probaremos el resultado principal de esta sección
Teorema: El producto de una cantidad finita de espacios compactos es compacto.
\dem Consideremos primero el caso del producto cartesiano de dos espacios compactos X,Y. Por el corolario anterior, la proyección p_Y:X\times Y\ra Y es función cerrada y como para cada y\in Y p_Y^{-1}(y)= X\times \{y\}\cong X es compacto, obtenemos que X\times Y es compacto (ver Teorema en sección 2.2.1). El teorema se obtiene entonces al aplicar un argumento de inducción. \findem
El caso del producto de una cantidad infinita de compactos es conocido como el Teorema de Tychonoff (Munkres 2000). Lo establecemos a continuación pero dejaremos su demostración para un Capítulo futuro.
Teorema: El producto de una cantidad arbitraria de compactos es compacto.
Sea K\subset \br^n compacto. Recordemos que \{B_n(0) \barra n\in N\} es cubierta abierta para \br^n y por lo tanto también para K. Dado que B_{n_1}(0)\subset B_{n_2}(0), para n_1\leq n_2, se tiene que una subcubierta finita está contenida en una sola bola B_m(0) (ver Lema acerca de espacios euclidianos no compactos) y por lo tanto el compacto K es acotado. Por el Ejemplo de un conjunto cerrado y acotado pero no compacto, la implicación contraria (acotado \Rightarrow compacto) debe ser especial e importante y lo obtendremos a partir del resultado anterior.
Teorema: Un subconjunto A\subseteq \br^n es compacto \sss es acotado y cerrado.
\dem \ida Sea A\subset \br^n compacto y consideremos A\ra \br, x\mapsto |x|. Dado que la función es continua y A es compacto la función alcanza un máximo, lo que implica que A es acotado. Por otro lado, como \br^n es Hausdorff, por el Corolario acerca de subespacios compactos de Hausdorff, se sigue que A es cerrado.
\vuelta Sea A cerrado y acotado, entonces existe a>0 tal que A\subset [-a,a]^n. Como la compacidad es una propiedad topológica y [-a,a]\cong [0,1] se sigue que [-a,a] es compacto; más aún, por el Lema de arriba se tiene que [-a,a]^n es compacto. Finalmente, usando el Teorema que dice que todo subespacio cerrado es compacto, se tiene que A es compacto. \findem
Compacidad es una propiedad que puede ser usada para determinar si una función es un homeomorfismo.
Corolario: Si f:X\ra Y es función continua, X compacto y Y Hausdorff entonces f es cerrada. Si además f es biyectiva, entonces f es homeomorfismo.
\dem Para A\subset X cerrado se tiene que es compacto. Como f es continua, f(A) es compacto y por el Corolario acerca de subespacios compactos de Hausdorff, f(A) es cerrado. Finalmente recordemos que si f es continua, biyectiva y cerrada, entonces f es homeomorfismo (Lema acerca de homeomorfismos). \findem
Dada una cubierta abierta \mathcal{A}, un número \delta>0 es llamado el número de Lebesgue de \mathcal{A} si todo conjunto de ''tamaño''' menor que \delta está contenido en algún elemento de \mathcal{A}. El siguiente resultado garantiza la existencia del número de Lebesgue para un espacio compacto métrico.
Teorema (de Lebesgue): Sean Y espacio métrico compacto, f:Y\to X función continua y \mathcal{A} cubierta abierta de X. Entonces existe un número real positivo \delta tal que f(B_\delta(y))\subseteq U, \;\; p.a. \;U\in \mathcal{A} para cualquier y\in Y.
\dem Para cada entero positivo n definamos
Y_n=\{y\in Y | B_{2^{-n}}(y)\subseteq f^{-1}(U),\;\mbox{para algún}\; U\in \mathcal{A} \}
Notemos que por definición Y_n\subseteq Y_{n+1}; además,
como \mathcal{A} es cubierta para X, la colección \{f^{-1}(U)| U\in \mathcal{A}\}
es cubierta de Y y se tiene que \cup_n Y_n=Y.
Afirmación: Y_n\subseteq Y_{n+1}^\circ.
Sea y\in Y_n y elijamos U\in \mathcal{A} tal que B_{2^{-n}}(y)\subset f^{-1}(U) y
tomemos z\in B_{2^{-(n+1)}}(y). Notemos que para w\in B_{2^{-(n+1)}}(z) se tiene
\begin{eqnarray*}
d(w,y)&\leq & d(w,z)+d(z,y)\\
&\leq &2^{-(n+1)}+ 2^{-(n+1)}=2^{-n}
\end{eqnarray*}
Es decir, B_{2^{-(n+1)}}(z)\subseteq B_{2^{-n}}(y) por lo
que z\in Y_{n+1} y y\in Y_{n+1}^\circ. En particular
\cup_n Y_n^\circ =Y. Como Y es compacto Y=Y_m^\circ , para algún m;
finalmente Y=Y_m, por construcción.\findem
La existencia del número de Lebesgue para un espacio X puede garantizarse con el comportamiento de funciones continuas definidas en X. El siguiente corolario será de gran utilidad cuando se estudie la función exponencial \mathbb{R}\to S^1 para el cálculo del grupo fundamental de S^1.
Corolario: Sea \alpha:I\to X camino y \mathcal{A} cubierta abierta de X. Entonces existe un entero positivo n tal que para cada i=0,1,2,\ldots, n-1 \alpha\left(\left[\frac{i}{n},\frac{i+1}{n}\right]\right) está contenido en algún elemento de \mathcal{A}.