En følge i en lukket delmengde av R^m kan altså ikke konvergere mot en vektor utenfor den lukkede delmengden.

Like dokumenter
Definisjon 10.14: La V være et reelt vektorrom og N \: V \to R en funksjon. Vi skriver x = N(x) og sier at N er en norm på V dersom følgende holder:

For å vise at et metrisk rom (X, d) er komplett må vi vise at enhver Cauchy-følge (x_n)_n i (X, d) konvergerer mot en grense x i X.

(ii) g = (f B)^{-1} \: V \to B \subset R^m er deriverbar med Dg(f(u)) = (Df(u))^{-1} \: R^m \to R^m for alle u i B.

Analysedrypp IV: Metriske rom

Teorem 12.8: Anta f \: R^2 \to R er kontinuerlig, t_0, y_0 \in R og \delta>0. Anta videre at det finnes en K>0 med K\delta<1 slik at

Løsning til prøveeksamen i MAT2400, V-11

TOPOLOGI. Dan Laksov

Litt topologi. Harald Hanche-Olsen

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1110, uka 28/4-2/5

Tillegg til kapittel 11: Mer om relasjoner

der hver f_i \: E \to R er deriverbar i x, for 1 \le i \le p. Vi kan skrive likningen \epsilon(x, h) = (\epsilon_1(x, h), \dots, \epsilon_p(x, h)).

Mer om mengder: Tillegg til Kapittel 1. 1 Regneregler for Booleske operasjoner

Oblig 1 - MAT Oppgave 1. Fredrik Meyer. Vi lar α > 1 og x 1 > α. Vi definerer en følge (x n ) ved. x n+1 = α + x n 1 + x n.

Julenøtter til gruppe 5&7! (IKKE eksamensrelevant, bare for gøy gjerne i romjulen)

Dette krever ikke noe nytt aksiom. Hvorfor? Og hvorfor må vi anta at A ikke er tom? Merk at vi har:

NOTAT OM UNIFORM KONTINUITET VEDLEGG TIL BRUK I KURSET MAT112 VED UNIVERSITETET I BERGEN

ANALYSEDRYPP. Et forkurs til MAT2400. av Tom Lindstrøm. Matematisk insitutt og CMA Universitetet i Oslo 2011

Analysedrypp I: Bevis, mengder og funksjoner

Løsningsforslag øving 6

Grunnleggende notasjon ℕ = 1, 2, 3, 4, 5, 6, ℤ =, 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3,

ANDREAS LEOPOLD KNUTSEN

Analysedrypp III: ɛ-δ og alt det der

Iterasjon og optimering

Analysedrypp I: Bevis, mengder og funksjoner

Velkommen til oversiktsforelesninger i Matematikk 1. med Jørgen Endal

MAT1140: Kort sammendrag av grafteorien

MAT1140: Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

MAT Grublegruppen Uke 37

Notat om kardinalitet for MAT1140 (litt uferdig)

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 5

Partielle ordninger, Zorns lemma og utvalgsaksiomet

Hint til oppgavene. Uke 34. Uke 35. Fullstendige løsningsforslag finnes på emnesidene for 2017.

MAT1140: Kort sammendrag av grafteorien

INVERST FUNKSJONSTEOREM MAT1100 KALKULUS

Bijective (= one-to-one and onto) Bijektiv (= en-til-en og på) Bisection principle (= lion hunting) Halveringsmetoden

Analysedrypp II: Kompletthet

Emne 12 Mengdelære. ( bokstaven g er ikke et element i mengden B ) Betyr: B er mengden av alle positive oddetall.

LO118D Forelesning 3 (DM)

UNIVERSITETET I OSLO

QED Matematikk for grunnskolelærerutdanningen. Bind 2. Fasit kapittel 1 Kalkulus

MA3002 Generell topologi

KOHOMOLOGI AV KNUTEROM, ETTER VASSILIEV. John Rognes

Ekstremverdier Mellomverdisatsen Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Ikke-lineære ligningssystemer

Obligatorisk oppgave 1 i MAT1140, Høst Løsninger med kommentarer

Grublegruppe 19. sept. 2011: Algebra I

Zorns lemma og utvalgsaksiomet

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

(a) R n defineres som mengden av kolonnevektorer. a 1 a 2. a n. (b) R n defineres som mengden av radvektorer

INF2820 V2017 Oppgavesett 6 Gruppe 7.3

Finne løsninger på ligninger numerisk: Newton-Raphson metoden og Fikspunktiterasjon MAT111, høsten 2017

LØSNINGSFORSLAG UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Oppgave 1 Mengdelære (10 poeng)

Løsningsforslag til noen oppgaver om Zorns lemma

Repetisjonsforelesning - INF1080

Notat om Peanos aksiomer for MAT1140

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

INF3170 Forelesning 1

jx + j < 7. Hvis vi i tillegg srger for at faktoren jx j < ", far vi 7 ialt jf(x) f()j = jx + jjx j < 7 " 7 = " Dette blir flgelig ofylt for alle x sl

Hjelpemidler/hjelpemiddel: D - "Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Enkel kalkulator tillatt."

Høgskolen i Agder Avdeling for realfag Institutt for matematiske fag. Emne: MA 2410: Reell analyse Dato: Våren 2000 Tema: Grenser og kontinuitet i R n

1.1.1 Rekke med konstante ledd. En rekke med konstante ledd er gitt som. a n (1) n=m

Aksiom 3.1 (Likhet av mengder). La A og B være mengder. Da er A og B like hvis og bare hvis de har akkurat de samme elementene.

Terningkast. Utfallsrommet S for et terningskast med en vanlig spillterning med 6 sider er veldefinert 1, 2, 3, 4, 5, 6

Matematikk 15 V-2008

Et forsøk på et oppslagsverk for TMA4145 Lineære metoder

Løsningsforslag Eksamen M100 Høsten 1998

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Notater fra forelesning i MAT1100 torsdag

Ikke lineære likninger

En (reell) funksjon f fra en (reell) mengde D er en regel som til hvert element x D tilordner en unik verdi y = f (x).

TMA 4140 Diskret Matematikk, 4. forelesning

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MNF130 VÅREN 2010 OPPGAVE 1

EKSEMPLER TIL ETTERTANKE MAT1100 KALKULUS

MAT 1110: Bruk av redusert trappeform

MA2501, Vårsemestre 2019, Numeriske metoder for lineære systemer

UNIVERSITETET I OSLO

MA0002 Brukerkurs i matematikk B. Eksamen 28. mai 2016 Løsningsforslag. Oppgave 1

INF1800 Forelesning 2

TMA 4140 Diskret Matematikk, 3. forelesning

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

R1 - Eksamen V

Flere anvendelser av derivasjon

MA2401 Geometri Vår 2018

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Seksjonene 9.6-7: Potensrekker og Taylor/Maclaurinrekker

Forelesning 10 MA0003, Tirsdag 18/ Asymptoter og skissering av grafer Bittinger:

n=0 n=1 n + 1 Vi får derfor at summen er lik 1/2. c)

Sannsynlighetsregning og Statistikk

MA2401 Geometri Vår 2018

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

MA3002 Generell topologi

Vi definerer en mengde ved å fortelle hva den inneholder. Vi kan definere den på listeform eller ved hjelp av en utsagnsfunksjon.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I BERGEN

Mengdelære INF1800 LOGIKK OG BEREGNBARHET FORELESNING 2: MENGDELÆRE. Læreboken. Mengder. Definisjon (Mengde) Roger Antonsen

5.8 Iterative estimater på egenverdier

Følger og rekker. Department of Mathematical Sciences, NTNU, Norway. November 10, 2014

Transkript:

MAT1300 Analyse I 2. februar 2009 For analyse i R spiller delmengder E \subset R på formen E = (a,b) og E= [a,b] ofte en spesiell rolle. Dette er de åpne og de lukkede intervallene. For analyse i R^m er det naturlig å se på delmengder E \subset R^m med tilsvarende egenskaper, nemlig de åpne og de lukkede delmengdene. Det er ikke like lett å beskrive den generelle formen til en åpen, eller en lukket delmengde i R^m, men de er karakterisert ved noen relativt enkle egenskaper. En delmengde F \subset R^m er lukket hvis hver følge i F som konvergerer i R^m har grense i F. Med andre ord, hvis (x_n)_n er en følge i F, x \in R^m er en vektor, og x_n \to x når n \to \infty, så er x \in F. En følge i en lukket delmengde av R^m kan altså ikke konvergere mot en vektor utenfor den lukkede delmengden. Lukkede og begrensede delmengder av R^m er karakterisert ved Bolzano- Weierstrass egenskapen. Husk at en delmengde E \subset R^m er begrenset hvis det finnes et tall M \in R slik at x \le M for alle x \in E. Teorem: La K \subset R^m. (i) Hvis K er lukket og begrenset, så har hver følge i K en delfølge som konvergerer mot et punkt (= en vektor) i K. (ii) Omvendt, hvis hver følge i K har en delfølge som konvergerer mot et punkt i K, så er K lukket og begrenset. (i) Anta at K er lukket og begrenset, og la (x_n)_n være en følge i K. Da er (x_n)_n en begrenset følge, siden K er begrenset. Ved Bolzano-Weierstrass egenskapen i R^m finnes det en delfølge (x_{n(j)})_j av (x_n)_n, som konvergerer mot en grense x \in R^m når j \to \infty. Siden (x_{n(j)})_j er en følge i K, og K er lukket, så må denne grensen x ligge i K. (ii) Omvendt, anta at K ikke er lukket. Da finnes en følge (x_n)_n i K, og en vektor x \in R^m \setminus K, slik at x_n \to x når n \to \infty. Enhver delfølge av (x_n)_n vil da også konvergere mot x \notin K, så det finnes ingen delfølge av (x_n)_n som konvergerer mot et punkt i K. Anta i stedet at K ikke er begrenset. For hver n \in N finnes da en x_n \in K med x > n. La x \in R^m være vilkårlig. Da er x_n x \ge x_n - x > n - x for alle n, ved trekantulikheten. For enhver delfølge (x_{n(j)})_j av (x_n)_n vil da

x_{n(j)} x > n(j) - x for alle j, og dette uttrykket vokser mot uendelig med j, så det er umulig at x_{n(j)} \to x når j \to \infty. QED. En delmengde U \subset R^m er åpen hvis for hvert punkt x \in U finnes en \epsilon>0 slik at alle y \in R^m med y-x < \epsilon oppfyller y \in U. For x \in R^m og r>0, la B(x, r) = \{y \in R^m \mid y-x < r\} være den åpne ballen om x med radius r, og la \bar B(x, r) = \{y \in R^m \mid y-x \le r\} være den lukkede ballen om x med radius r. (i) Den åpne ballen B(x, r) er åpen i R^m. (ii) Den lukkede ballen \bar B(x, r) er lukket i R^m. (i) La z \in B(x, r). Da er z-x < r. La \epsilon = r - z-x ; da er \epsilon>0. For alle y \in R^m med y-z < \epsilon er y-x \le y-z + z-x < \epsilon + z-x = r så y \in B(x, r). Altså inneholder B(x,r) en \epsilon-ball omkring hvert punkt z \in B(x, r), så B(x, r) er åpen. (ii) La (y_n)_n være en følge i \bar B(x, r), så y_n-x \le r for hver n. Anta at y_n \to y når n \to \infty. Da er y-x \le y-y_n + y_n-x \le y-y_n + r \to 0 + r = r når n \to \infty. Det følger at y-x \le r, så y \in \bar B(x, r). Altså er \bar B(x, r) lukket. QED. Korollar: Et lukket intervall [a,b] er en lukket delmengde av R. Et åpent intervall (a,b) er en åpen delmengde av R. La x = (a+b)/2, r = b-x. QED. En delmengde U \subset R^m er åpen hvis og bare hvis for hvert punkt x \in U

finnes en \epsilon>0 slik at B(x, \epsilon) \subset U. QED. La x \in R^m og N \subset R^m. Vi sier at N er en omegn om x i R^m dersom det finnes en \epsilon>0 slik at B(x, \epsilon) \subset N. En delmengde U \subset R^m er åpen hvis og bare hvis den er en omegn om hvert av sine punkter. QED. Merk at lukket ikke betyr det samme som ikke åpen, og åpen betyr ikke det samme som ikke lukket. Så åpen er ikke den logiske negasjonen til lukket. For eksempel er det halvåpne intervallet [a, b) hverken åpent eller lukket, for a < b. For [a, b) inneholder ingen åpen ball omkring a, og det finnes følger i [a,b) som konvergerer mot b. Delmengdene \emptyset og R er begge både åpne og lukkede som delmengder av R. I stedet er åpne og lukkede mengder komplementære som delmengder av R^m: Proposisjon: En delmengde E \subset R^m er åpen hvis og bare hvis komplementet R^m \setminus E er lukket i R^m. Tilsvarende er E lukket hvis og bare hvis R^m \setminus E er åpen i R^m. Anta at E er åpen. La (x_n)_n være en følge i R^m \setminus E, og anta at x_n \to x når n \to \infty. Vil vise at x \in R^m \setminus E. Anta istedet at x \in E. Siden E er åpen finnes \epsilon>0 slik at B(x, \epsilon) \subset E. Siden x_n \to x finnes n_0 = n_0(\epsilon) slik at for alle n \ge n_0 er x_n-x < \epsilon. Men da er x_n \in B(x, \epsilon) \subset E for alle n \ge n_0, som strider mot at x_n \in R^m \setminus E for alle n. Omvendt, anta at R^m \setminus E er lukket, men at E ikke er åpen. Da finnes et punkt x \in E slik at B(x, \epsilon) \not\subset E for alle \epsilon>0. Spesielt finnes, for hver n\in N, et punkt x_n \in B(x, 1/n) med x_n \notin E. Da er (x_n)_n en følge i R^m \setminus E, og x-x_n < 1/n, så x_n \to x når n \to \infty. Siden R^m \setminus E er lukket må grensen x \in R^m \setminus E, som strider med antagelsen x \in E. Det tilsvarende resultatet følger ved å erstatte E med R^m \setminus E, og å bruke at R^m \setminus (R^m \setminus E)) = E. QED. La \T være samlingen av åpne delmengder i R^m. (i) \emptyset, R^m \in \T. (ii) Hvis U_j \in \T for alle j \in J, så er \bigcup_{j\in J} U_j \in \T.

(iii) Hvis U_j \in \T for j=1, \dots, n, så er U_1 \cap \dots \cap U_n \in \T. (i) For å vise at \emptyset er åpen må vi vise at for hver x \in \emptyset er en betingelse oppfylt. Siden det ikke er noen slike x, er dette fort gjort. For å vise at R^m er åpen, må vi vise at hver x \in R^m har en \epsilon-omegn B(x, \epsilon) som er helt inneholdt i R^m. Her kan vi la \epsilon=1. (ii) La x \in \bigcup_{j\in J} U_j. Da finnes en i \in J slik at x \in U_i. Siden U_i er åpen finnes en \epsilon>0 slik at B(x, \epsilon) \subset U_i. Da er også B(x, \epsilon) \subset \bigcup_{j\in J} U_j. Dette gjelder for alle x i \bigcup_{j\in J} U_j, så \bigcup_{j\in J} U_j er åpen. (iii) La x \in U_1 \cap \dots \cap U_n. For hver j=1, \dots, n er x \in U_j, og U_j er åpen, så det finnes en \epsilon_j > 0 med B(x, \epsilon_j) \subset U_j. La \epsilon = \min\{\epsilon_1, \dots, \epsilon_n\}. Da er \epsilon>0, siden n en endelig. Videre er B(x, \epsilon) \subset B(x, \epsilon_j) \subset U_j for hver j, så B(x, \epsilon) \subset U_1 \cap \dots \cap U_n. Her var x vilkårlig i U_1 \cap \dots \cap U_n, så U_1 \cap \dots \cap U_n er åpen. QED. En mengde X med en samling \T av delmengder som oppfyller disse tre betingelsene kalles et topologisk rom. Samlingen \T kalles en topologi på X, og elementene i \T, som er delmengder av X, kalles de åpne delmengdene i X (med hensyn på topologien \T). La \F være samlingen av alle lukkede delmengder i R^m. (i) \emptyset, R^m \in \F. (ii) Hvis F_j \in \F for alle j \in J, så er \bigcap_{j\in J} F_j \in \F. (iii) Hvis F_j \in \F for j=1, \dots, n, så er F_1 \cup \dots \cup F_n \in \F. (i) \emptyset er lukket i R^m fordi R^m \setminus \emptyset = R^m er åpen i R^m. R^m er lukket i R^m fordi R^m \setminus R^m = \emptyset er åpen i R^m. (ii) Hver F_j er lukket, så hver R^m \setminus F_j er åpen. Det følger at \bigcap_{j \in J} F_j er lukket, fordi R^m \setminus \bigcap_{j \in J} F_j = \bigcup_{j \in J} (R^m \setminus F_j) er en union av åpne, som er åpen. (iii) Hver F_j er lukket, så hver R^m \setminus F_j er åpen. Der følger at F_1 \cup \dots \cup F_n er lukket, fordi R^m \setminus (F_1 \cup \dots \cup F_n) = (R^m \setminus F_1) \cap \dots \cap (R^m \setminus F_n) er et endelig snitt av åpne, som er åpent. QED.

Eksempel: En endelig union av lukkede intervaller [a_1, b_1] \cup \dots \cup [a_n, b_n] er en lukket delmengde av R. En vilkårlig union \bigcup_j(a_j, b_j) av åpne intervaller er en åpen delmengde av R. Alle åpne delmengder av R opptrer på denne måten, men det finnes flere lukkede delmengder i R enn de som er endelige unioner av lukkede intervaller. La E \subset R^m, la f \: E \to R^p være en funksjon definert på E, og la x \in E. Vi sier at f er kontinuerlig i x dersom gitt \epsilon>0 finnes det en \delta = \delta(\epsilon)>0 slik at for alle y \in E med y-x <\delta er f(y)-f(x) <\epsilon. Hvis f er kontinuerlig i hvert punkt x \in E sier vi at f er kontinuerlig (på E). La E \subset R^m og f \: E \to R^p. La x \in E og anta at f er kontinuerlig i x. La (x_n)_n være en følge i E, med x_n \to x når n \to \infty. Da vil f(x_n) \to f(x) når n \to \infty. ((ETC)) f \: R^m \to R^p er kontinuerlig hvis og bare hvis f^{-1}(u) er åpen i R^m for hver åpen U \subset R^p. Her er f^{-1}(u) = \{x \in R^m \mid f(x) \in U\}. Anta f er kontinuerlig og U er åpen. Skal vise at f^{-1}(u) er åpen. La x \in f^{-1} (U). Da er f(x) \in U, som er åpen, så det finnes \epsilon>0 slik at B(f(x), \epsilon) \subset U. Siden f er kontinuerlig finnes \delta>0 slik at for alle y \in B(x, \delta) er f(y) \in B(f(x), \epsilon). Altså er f(b(x, \delta)) \subset B(f(x), \epsilon) \subset U, så B(x, \delta) \subset f^{-1}(u). Her var x vilkårlig i f^{-1}(u), så f^{-1}(u) er åpen. Anta omvendt at f^{-1}(u) er åpen for hver åpen U \subset R^p. La x \in R^m, og la \epsilon>0. Skal finne \delta>0 slik at for alle y \in B(x, \delta) er f(y) \in B(f(x), \epsilon). Vet at B(f(x), \epsilon) er åpen i R^p, så f^{-1}(b(f(x), \epsilon)) er åpen i R^m. Videre er x \in f^{-1}(b(f(x), \epsilon)), så det finnes en \delta>0 slik at B(x, \delta) \subset f^{-1}(b(f(x), \epsilon)). Da må f(b(x, \delta)) \subset B(f(x), \epsilon), som er det vi skulle vise. QED.