SKUPOVI U R 2 Rexeni primeri i zadaci za veжbu Dragan ori 1 Norma i metrika u R Geometrijska interpretacija skupova u R Otvoreni i zatvore

Transkripcija

1 SKUPOVI U R 2 Rexeni primeri i zadaci za veжbu Dragan ori 1 Norma i metrika u R Geometrijska interpretacija skupova u R Otvoreni i zatvoreni skupovi u R Nizovi u R 2 15 Elementi skupa R 2 su uređene dvojke realnih brojeva. Algebarska struktura (R 2, R, +, ), gde je + operacija sabiranja uređenih dvojki, a operacija mnoжenja uređene dvojke realnim brojem (skalarom), je vektorski prostor (videti [2], str.61) nad poljem R. Ovaj vektorski prostor emo (radi jednostavnosti) takođe oznaqavati sa R 2 (kao i sam skup). Vektorski prostor R 2 je dvodimenzioni, a jednu bazu tog prostora qine vektori (1, 0) i (0, 1). 1 Norma i metrika u R 2 Uvođenjem norme za vektore iz R 2 (uređene parove), vektorski prostor R 2 postaje normirani prostor. Kako je svaki normirani prostor istovremeno i metriqki prostor (metrika određuje rastojanje između taqaka ili elemenata prostora), to znaqi da u prostoru R 2 mogu da se uvedu okoline taqaka (vektora) i da se definixu graniqni procesi. Ako se norma definixe pomo u standardnog (euklidskog) skalarnog proizvoda 1 (videti [2], str.68), dobija se da je norma 2 ili duжina vektora x = (x 1, x 2 ), u oznaci x (moжe i x, kao xto je u R) data sa x = x x2 2. U tom sluqaju metrika je data sa d(x, y) = x y = (x 1 y 1 ) 2 + (x 2 y 2 ) 2 za x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ). Za metriku moжe da se koristi i termin rastojanje. 1 Prostor R 2 sa skalarnim proizvodom je unitarni prostor. 2 Norma u vektorskom prostoru X ima slede a svojstva: 0 = 0, x > 0 za svako x X i x 0, λx = λ x za svako x X i x + y x + y za svako x, y X. Skup X sa definisanom normom je normiran prostor. 1

2 Skup R 2 sa ovakvom normom i metrikom je euklidski prostor 3, a metrika je euklidska i oznaqava se i sa d 2. Dve metrike m 1 i m 2 u R 2 su ekvivalentne ako postoje pozitivni brojevi α i β, takvi da za sve x, y R 2 i x y vaжi Rexeni primeri α m 1 (x, y) < m 2 (x, y) < β m 1 (x, y) Dokazati da funkcija d 2 : R 2 R zaista ipunjava uslove za metriku: 1. d 2 (x, y) = 0 ako i samo ako je x = y; 2. d 2 (x, y) = d 2 (y, x) za svako x, y R 2 (simetrija); 3. d 2 (x, y) d 2 (x, z) + d 2 (z, y) za svako x, y, z R 2 (nejednakost trougla). Rexenje. Iz iraza za funkciju d 2, d 2 (x, y) = (x 1 y 1 ) 2 + (x 2 y 2 ) 2 direktno sledi 1. i 2. Treba jox dokazati da vaжi nejednakost trougla, odnosno da je (x1 y 1 ) 2 + (x 2 y 2 ) 2 (x 1 z 1 ) 2 + (x 2 z 2 ) 2 + (z 1 y 1 ) 2 + (z 2 y 2 ) 2. Ako je x 1 z 1 = a 1, x 2 z 2 = a 2, z 1 y 1 = b 1, z 2 y 2 = b 2, prethodna nejednakost je (a1 + b 1 ) 2 + (a 2 + b 2 ) 2 a a2 2 + b b2 2. Poxto su obe strane ove nejednakosti nenegativne, kvadriranjem se dobija ekvivalentna nejednakost a 1 b 1 + a 2 b 2 a a2 2 b b2 2. Ova nejednakost je taqna jer sledi iz nejednakosti a 1 b 1 + a 2 b 2 a a2 2 b b2 2 koja je ekvivalentna poznatoj Koxijevoj nejednakosti 4 (a 1 b 1 + a 2 b 2 ) 2 (a a 2 2)(b b 2 2) Dokazati da je svaka metrika d koja ispunjava uslove iz prethodnog zadatka nenegativna funkcija. Rexenje. Iz uslova nejednakost trugla i simetrija imamo da je d(x, x) d(x, y) + d(y, x) = 2d(x, y) za svako x, y R 2. Kako je d(x, x) = 0, to znaqi da je d(x, y) 0 za svako x, y R 2. 3 Euklidski prostor R 2 je metriqki prostor i normiran prostor. 4 Koxijeva nejednakost se lako dokazuje jer je ekvivalentna taqnoj nejednakosti (a 1 b 2 a 2 b 1 ) 2 0. Analogna nejednakost vaжi i u R n (videti [2], str.69), a moжe da se dokaжe razmatranjem diskriminante pogodno izabranog kvadratnog trinoma. Na primer, u naxem sluqaju (za n = 2) za f(t) = (a 1 t + b 1 ) 2 + (a 2 t + b 2 ) 2 = (a a 2 2)t 2 + (2a 1 b 1 + 2a 2 b 2 )t + b b 2 2 imamo da je f(t) 0, pa iz nejednakosti D 0 (D je diskriminanta trinoma f(t)) sledi Koxijeva nejednakost. 2

3 Zadaci za samostalan rad 1.3. Dokazati da je skup R 2 ekvivalentan skupu R Ispitati da li je funkcijom x max{ x 1, x 2 }, gde je x = (x 1, x 2 ), definisana norma u vektorskom prostoru R Ispitati da li je funkcijom x min{ x 1, x 2 }, gde je x = (x 1, x 2 ), definisana norma u vektorskom prostoru R Dokazati da u sluqaju euklidske norme za svako x, y R 2 vaжi x + y 2 + x y 2 = 2 x y Neka je funkcijom x x definisana neka norma u R 2. Ispitati da li je funkcija d : R 2 R definisana sa d(x, y) = x y metrika u R Dokazati da za svako x, y, a R 2 i za bilo koju metriku d u R 2 vaжe jednakosti d( x, y) = d(x, y), d(x + a, y + a) = d(x, y) Dokazati da za svako x, y, z, u R 2 i za bilo koju metriku d u R 2 vaжi (nejednakost qetvorougla). d(x, u) d(x, y) + d(y, z) + d(z, u) Neka su x 1, x 2,... x n bilo koje taqke i neka je d bilo koja metrika u R 2. Dokazati da za n 2 vaжi (nejednakost mnogougla). d(x 1, x n ) d(x 1, x 2 ) + d(x 2, x 3 ) + + d(x n 1, x n ) Funkcija d : R 2 R definisana je sa d(x, y) = x 1 y 1, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ). Da li je d metrika u R 2? Dokazati da funkcija d 1 : R 2 R data sa d 1 (x, y) = x 1 y 1 + x 2 y 2, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ) definixe rastojanje u R 2 (poznato je kao Menhetn metrika) Funkcija d : R 2 R definisana je sa d(x, y) = x 1 y x 2 y 2, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ). Da li je d metrika u R 2? Dokazati da funkcija d : R 2 R data sa d (x, y) = max{ x 1 y 1, x 2 y 2 }, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ) definixe rastojanje u R 2 (poznato je kao Qebixevljeva metrika 5 ). 5 Ova metrika je jox poznata i kao uniformna metrika i oznaqava se i sa d u 3

4 1.15. Ispitati da li funkcija d : R 2 R data sa d(x, y) = max{a x 1 y 1, b x 2 y 2 }, a, b > 0 gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ) definixe rastojanje u R Da li je funkcija d = ad 2, gde je a > 0, metrika u R 2? Da li je funkcija d = d 2 2 metrika u R2? Neka su m 1 i m 2 dve metrike u R 2. Ispitati da li su m 1 + m 2, 2m 1 + 3m 2, max{m 1, m 2 }, min{m 1, m 2 }, m 1 m 2, m m2 2, m m2 2, 3 m m3 2 takođe metrike u skupu R Dokazati da funkcija d p : R 2 R data sa d p (x, y) = ( x 1 y 1 p + x 2 y 2 p ) 1/p, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ) i gde je 1 < p <, definixe rastojanje u R Dokazati da funkcija d : R 2 R data sa { 1, x y, d(x, y) = 0, x = y, za x, y R 2 definixe rastojanje u R 2 (poznato je kao diskretna metrika) Dokazati da funkcija d : R 2 R data sa { d 2 (x, y), x, y i (0, 0) su kolinearne taqke, d(x, y) = d 2 (x, 0) + d 2 (0, y), u protivnom, za x, y R 2 definixe rastojanje u R 2 (poznato je kao Grqka metrika ili metrika vazduxne linije) Dokazati da u R 2 vaжi d (x, y) d 2 (x, y) d 1 (x, y) 2d (x, y) Dokazati da su metrike d 1, d 2 i d u R 2 međusobno ekvivalentne Ispitati da li su sve metrike d p za 1 p < međusobno ekvivalentne Neka je d metrika u R 2 i neka je funkcija d l : R 2 R data sa d l (x, y) = ln(1 + d(x, y)) za x, y R 2. Dokazati da je d l takođe metrika u R Neka je d metrika u R 2 i neka je funkcija ρ : R 2 R data sa ρ(x, y) = d(x, y) 1 + d(x, y) za x, y R 2. Dokazati da je ρ takođe metrika u R Dokazati da za svaku metriku u R 2 i svako x, y, z R 2 vaжi d(x, z) d(y, z) d(x, y) Dokazati da za svaku metriku u R 2 i svako x, y, u, v R 2 vaжi d(x, u) d(y, u) d(x, y) + d(u, v). 4

5 2 Geometrijska interpretacija skupova u R 2 Ako elementu (x, y) iz R 2 pridruжimo taqku sa koordinatama x i y u ravni xoy, onda e skupu iz R 2 odgovarati skup taqaka u ravni. Vaжi i obratno, izabrani skup taqaka u ravni određuje skup u R 2. U tom smislu, moжemo za dati skup iz R 2 koristiti i njegovu geometrijsku interpretaciju (odgovaraju i skup taqaka u ravni). Jednostavni primeri skupova taqaka u ravni su linije i figure. Na primer, neprekidne funkcije x = ϕ(t) i y = ψ(t) za t [t 1, t 2 ] definixu neprekidnu krivu. Ako su ϕ i ψ linearne funkcije, x = αt+β i y = γt+δ, za t R dobijamo pravu liniju ili pravu. Za date taqke M 1 (x 1, y 1 ) i M 2 (x 2, y 2 ) prava koja sadrжi te taqke definisana je sa x = x 1 + t(x 2 z 1 ), y = y 1 + t(y 2 y 1 ), t R. Taqku M 1 dobijamo za t = 0, a taqku M 2 za t = 1. Za T [0, 1] imamo duж M 1 M 2. Kriva koja je sastavljena od konaqnog broja duжi je izlomljena linija. Skup taqaka definisanih sa x = cos t i y = sin t za t [t 1, t 2 ] je kruжna linija. Za t [0, 2π] to je kruжnica, za t [0, π] to je gornja polukruжnica, a za t [π, 2π] to je donja polukruжnica. Sa x = x 0 + r cos t i y = y 0 + r sin t za t [0, 2π] data je kruжnica s centrom u taqki M 0 (x 0, y 0 ) i polupreqnikom duжine r. Ista kruжnica je definisana i jednaqinom (x x 0 ) 2 + (y y 0 ) 2 = r 2 i predstavlja skup svih taqaka M(x, y) koje su na rastojanju r od taqke M 0 (x 0, y 0 ). Skup svih taqaka M(x, y) za koje vaжi (x x 0 ) 2 + (y y 0 ) 2 r 2 je zatvoren krug ili samo krug) koji emo oznaqavati sa K[M 0, r]. Ako je stroga nejednakost, to e biti otvoren krug koji emo oznaqavati sa K(M 0, r). U sluqaju euklidske metrike taqke (x, y) iz R 2 moжemo da poistovetimo sa taqkama M(x, y) iz xoy ravni. U tom smislu za skupove iz R 2, qije geometrijske interpretacije u xoy ravni predstavljaju poznate linije i figure, moжemo da preuzmemo nazive tih linija i figura. Međutim, iste te pojmove moжemo da koristimo i u sluqaju neke druge metrike. Ako je d bilo koja metrika u R 2, otvoren krug ili otvorena kugla s centrom u taqki a R 2 i polupreqnikom r > 0 je skup B(a, r) = {x R 2 : d(x, a) < r} (oznaka B je od engleske reqi ball). Zatvoren krug ili zatvorena kugla je skup B[a, r] = {x R 2 : d(x, a) r}. Ako je d euklidska metrika, skupovima B(a, r) i B[a, r] u ravni xoy odgovaraju krugovi K(A, r) i K[A, r], s centrom u taqki A(a). Za neke druge metrike geometrijske interpretacije kugli iz R 2 ne moraju biti krugovi. Na sliqan naqin uvodimo nazive i za razne druge skupove iz R 2. Tako je skup [a 1, b 1 ] [a 2, b 2 ] zatvoreni pravougaonik, a skup (a 1, b 2 ) (a 2, b 2 ) je otvoreni pravougaonik ili otvoreni interval u R 2. Pravougaonik moжe da bude i beskonaqan. Na primer, [0, + ) [0, 1] je beskonaqan pravougaonik. Rastojanje između taqke x R 2 i nepraznog skupa A R 2 dato je sa d(x, A) = inf{d(x, a) : a A}, a rastojanje između nepraznih skupova A, B R 2 je d(a, B) = inf{d(a, b) : a A, b B}. 5

6 Rexeni primeri 2.1. Odrediti geometrijsku figuru u ravni definisanu sa x 0, y 0 i x + y a, gde je a > 0. Rexenje. Dati skup taqaka je presek skupova A, B i C, gde je A = {(x, y) : x 0}, B = {(x, y) : y 0}, C = {(x, y) : y x + a}. Skup A je prikazan na sl.1, levo. Na istoj slici su i skup B (u sredini) i skup C (desno). Njihov presek je prikazan na sl.2, levo. Sl. 1: Skupovi A, B i C 2.2. Neka je A R2 krug s centrom u taqki C(2, 3) i polupreqnikom du ine 5. Taqke skupa A opisati nejednakostima tipa a x b i ϕ(x) y ψ(x). Sl. 2: Figura iz zad.2.1 (levo) i grafici funkcija ϕ i ψ iz zad.2.2 (desno) Rexenje. Jednaqina kru nice (granice skupa A) (x 2)2 + (y 3)2 = 25 mo e da se napixe i u obliku y =3± p x x2, pri qemu je gornja polukru nica odre ena znakom plus, a donja znakom minus. Taqke preqnika koji je paralelan x-osi su ( 3, 3) i (7, 3). Prema tome, za 3 x 7 imamo da je ϕ(x) y ψ(x), gde je p p ϕ(x) = x x2, ψ(x) = x x2. 6

7 Zadaci za samostalan rad U slede im zadacima dati skup predstaviti geometrijski {(x, y) : x < 1, y < 1} 2.4. {(x, y) : x + y < 1} {(x, y) : x + 2 y 3} {(x, y) : (x 2 + y 2 1)(9 x 2 y 2 ) > 0} {(x, y) : sin 2 πx + sin 2 πy = 0} {(x, y) : sin πx sin πy = 0} {(x, y) : x 2 6x + y 2 8y 0, x 2 2x + y 2 + 4y 35 0} {(x, y) : 0 y 1, y x y} {(x, y) : 0 y 2, y x 2 + y y 2 } Skup taqaka koje ograniqava qetvorougao određen pravama x = 3, x = 5, 3x 2y+4 = 0 i 6x 4y+2 = 0 opisati nejednakostima tipa a x b i ϕ(x) y ψ(x) Skup taqaka koje ograniqava qetvorougao određen pravama y = x, y = x + 3, y = 2x + 1 i y = 2x + 5 opisati nejednakostima tipa a x b i ϕ(x) y ψ(x) Navesti primer metrike u R 2 za koju postoje dve jednake kugle sa istim centrom i razliqitim polupreqnicima Da li postoji podskup od R 2 koji sa euklidskom metrikom qini metriqki prostor i u kojem postoje dve jednake kugle sa istim centrom i razliqitim polupreqnicima? Dokazati da je u sluqaju diskretne metrike B(a, r) = {a} za svako r (0, 1] i B(a, r) = R 2 za svako r > 1. Sl. 3: Jediniqne kugle u d 1 i d 3/2 metrici Dokazati da je u sluqaju metrike d 1 jediniqni otvoren disk dat sa B(0, 1) = {(x, y) R 2 : x + y < 1} (videti sl.3, levo) Dokazati da je sluqaju metrike d 3/2 jediniqni otvoren disk dat sa B(0, 1) = {(x, y) R 2 : x 3/2 + y 3/2 < 1} 7

8 (videti sl.3, desno) Dokazati da je sluqaju metrike d 3 jediniqni otvoren disk dat sa B(0, 1) = {(x, y) R 2 : x 3 + y 3 < 1} (videti sl.4, levo) Dokazati da je sluqaju metrike d jediniqni otvoren disk dat sa B(0, 1) = {(x, y) R 2 : max{ x, y } < 1} (videti sl.4, desno). Sl. 4: Jediniqne kugle u d 3 i d metrici Dokazati da funkcija d : R 2 R data sa d(x, y) = max{ x 1 x 2, y 1 y 2, x 1 + y 2 x 2 y 1 }, gde je x = (x 1, x 2 ) i y = (y 1, y 2 ), definixe metriku u R 2 i odrediti skup taqaka u ravni koji predstavlja geometrijsku interpretaciju otvorenog diska B(0, 1) Dokazati da je sa x = x 1 + x 2 /2, za x = (x 1, x 2 ), definisana norma u R 2 i odrediti skup taqaka u ravni koji predstavlja geometrijsku interpretaciju diska B[0, 1] u odnosu na metriku određenu ovom normom Navesti primer nepraznih skupova A, B R 2 i metrike d za koje vaжi d(a, B) 0, d 2 (A, B) = Dokazati da za neprazne podskupove A, B R 2 vaжi d(a, B) = inf{d(x, B) : x A} = inf{d(y, A) : y B} Dokazati da za svaki neprazan skup A R 2 i svako x, y R 2 vaжi d(x, A) d(y, A) d(x, y). 3 Otvoreni i zatvoreni skupovi u R 2 Euklidski (metriqki) prostor R 2, kao i bilo koji metriqki prostor (R 2, d), moжe se dalje uopxtiti do topoloxkog prostora uvođenjem pojma otvorenog skupa. Neka je ε > 0. Za a R 2 kugla B(a, ε) je ε-okolina taqke a i oznaqava se i sa U ε (a). Taqka a skupa A R 2 je unutraxnja taqka skupa A ako postoji ε-okolina taqke a koja 8

9 cela pripada skupu A. Unutraxnjost ili interior skupa A je skup svih unutraxnjih taqaka skupa A i oznaqava se sa A ili sa int(a). Spoljaxnjost ili eksterior skupa A R 2 je unutraxnjost skupa A c i oznaqava se sa ext(a). Neprazan skup A R 2 je otvoren ako je svaka njegova taqka unutraxnja, a prazan skup je takođe otvoren. Familija svih otvorenih skupova u R 2 je topoloxka struktura ili topologija 6 na R 2. Skup A R 2 je zatvoren ako je njegov komplement otvoren skup. Okolina taqke a R 2 je svaki otvoren skup koji sadrжi taqku a. Na primer, otvoren skup je okolina svake svoje taqke. Taqka a R 2 je graniqna taqka skupa A ako svaka ɛ-okolina taqke a sadrжi i taqke skupa A i taqke koje ne pripadaju skupu A. Skup svih graniqnih taqaka skupa A je granica ili rub skupa A i oznaqava se sa (A) ili sa bd(a) ili sa fr(a). Granica kugli B(a, ε) (ili ε-okoline U ε (a)) i B[a, r] je kruжnica s centrom u taqki a i polupreqnikom ε. Granica i otvorenog pravougaonika (a 1, b 1 ) (a 2, b 2 ) i zatvorenog pravougaonika [a 1, b 1 ] [a 2, b 2 ] je skup {a 1 } [a 2, b 2 ] {b 1 } [a 2, b 2 ] {a 2 } [a 1, b 1 ] {b 2 } [a 1, b 1 ]. Unutraxnjost, spoljaxnjost i granica skupa A R 2 qine jednu particiju skupa R 2. Unutraxnjost i spoljaxnjost skupa A su otvoreni skupovi, a granica je zatvoren skup. Taqka a je taqka nagomilavanja skupa A R 2 ako se u svakoj okolini taqke a nalazi jox jedna taqka skupa A, razliqita od a. Skup svih taqaka nagomilavanja skupa A je izvodni skup skupa A i oznaqava se sa A ili sa A (1). Skup A takođe ima svoje taqke nagomilavanja, a skup svih tih taqaka oznaqavamo sa A ili sa A (2). Analogno se definixe skup A (n) kao skup svih taqaka nagomilavanja skupa A (n 1). Taqka a je adherentna taqka skupa A R 2 ako u svakoj okolini taqke a postoji bar jedna taqka skupa A. Skup svih adherentnih taqaka skupa A je adherencija skupa A ili zatvorenje 7 skupa A i oznaqava se sa A ili sa cl(a) ili sa [A]. Skup A R 2 je savrxen ili perfektan ako je A = A. Svaki savrxen skup je zatvoren. Taqka koja pripada skupu A R 2, a nije taqka nagomilavanja tog skupa je izolovana taqka skupa A. Okolina skupa A R 2 je svaki otvoren skup koji sadrжi skup A. Skup R 2 je okolina svakog skupa iz R 2. Skup A je svuda gust u R 2 ako je cl(a) = R 2. Za A, B R 2, skup A je svuda gust u skupu B ako je B cl(a). Skup A R 2 je nigde gust ako je int(cl(a)) =. Ako za svake dve taqke skupa A R 2 duж koja ih spaja cela pripada tom skupu, kaжemo da je skup konveksan. Jednoqlan skup i prazan skup su takođe konveksni skupovi. Presek svih konveksnih skupova B za koje vaжi A B je konveksni omotaq skupa A. Ako svake dve taqke skupa A R 2 mogu da se spoje izlomljenom linijom koja cela pripada tom skupu, kaжemo da je to linearno povezan skup ili putno povezan skup. Skup koji se sastoji od jedne taqke je takođe linearno povezan. Skup A R 2 je oblast u R 2 ako je otvoren i linearno povezan skup. Na primer, svaki otvoren konveksan skup je oblast. Specijalno, otvoren krug i otvoren interval (pravougaonik) su oblasti u R 2. Zatvorenje oblasti je zatvorena oblast. U primerima i zadacima koji slede podrazumeva se da je metrika u R 2 euklidska, osim ako nije posebno naglaxeno da je req o nekoj drugoj metrici. Naravno, za svako tvrđenje koje se odnosi na euklidsku metriku moжe se postaviti pitanje da li vaжi 6 Skup R 2 sa ovom topologijom qini topoloxki prostor. 7 Koriste se jox i pojmovi zatvaranje skupa A i zatvaraq skupa A 9

10 i u ekvivalentnoj metrici ili u bilo kojoj metrici, odnosno da li postoji metrika u kojoj dato tvrđenje ne vaжi. Rexeni primeri 3.1. Neka je A = skup. {( 1 n, 1 ) n 2 } n N. Dokazati da A nije ni otvoren, ni zatvoren Rexenje. Poxto je int(a) = i cl(a) = fr(a) = A {(0, 0)}, to je int(a) A cl(a), xto znaqi da skup A nije ni otvoren, ni zatvoren Dokazati da je otvoreni pravougaonik otvoren skup u odnosu na metriku d 1. Rexenje. Dokaza emo da je svaka taqka otvorenog pravougaonika unutraxnja. Ako je (x, y) taqka otvorenog pravougaonika Π = (a 1, b 1 ) (a 2, b 2 ), to znaqi da je a 1 < x < b 1 i a 2 < y < b 2. Poxto postoji δ > 0 takvo da je a 1 < x δ < x < x + δ < b 1, a 2 < y δ < y + δ < b 2, imamo δ-okolinu (u smislu metrike d 1 ) taqke (x, y) koja cela pripada otvorenom pravougaoniku Π (sl.5, levo). Prema tome, taqka (x, y) je unutraxnja taqka pravougaonika Π. Sl. 5: Otvoreni skupovi 3.3. Dokazati da je otvoren krug otvoren skup. Rexenje. Dokaжimo da je svaka taqka M 1 otvorenog kruga K(M 0, r) unutraxnja. Ako je 0 < ρ < r d(m 0, M 1 ) i ako je M bilo koja taqka kruga K(M 1, ρ) (sl.5, desno), tada je d(m 0, M) d(m 0, M 1 ) + d(m 1, M) = d(m 0, M 1 ) + ρ < d(m 0, M 1 ) + r d(m 0, M 1 ) = r. To znaqi da ρ-okolina (u smislu metrike d 2 ) taqke M 1 cela pripada otvorenom krugu K(M 0, r). Prema tome, taqka M 1 je unutraxnja taqka otvorenog kruga K(M 0, r) Dokazati da je skup A R 2 zatvoren ako i samo ako sadrжi sve svoje taqke nagomilavanja. 10

11 Rexenje. Pretpostavimo da je A zatvoren skup i da je (x, y) A c. Kako je A c otvoren skup, postoji okolina taqke (x, y) koja cela pripada skupu A c, xto znaqi da (x, y) nije taqka nagomilavanja skupa A. Prema tome, sve taqke nagomilavanja skupa A su u skupu A. Pretpostavimo sada obratno, da skup A sadrжi sve svoje taqke nagomilavanja i da je (x, y) A c. Poxto (x, y) nije taqka nagomilavanja skupa A, postoji njena okolina koja nema zajedniqkih taqaka sa skupom A, odnosno koja cela pripada skupu A c. Prema tome, skup A c je otvoren, a skup A je zatvoren Za skup A = { (x, y) : x 2 + y 2 < 1 } odrediti unutraxnjost, zatvorenje i skup svih taqaka nagomilavanja. Rexenje. Skup A je otvoren krug, xto znaqi da je to otvoren skup (videti zadatak 3.3). Prema tome, int(a) = A. Skup svih taqaka nagomilavanja je zatvoren krug K[(0, 0), 1], a to je takođe i zatvorenje skupa A (jer skup A nema izolovanih taqaka). Zadaci za samostalan rad 3.6. Dokazati da je skup A R 2 otvoren ako i samo ako je int(a) = A Dokazati da je skup taqaka (x, y) R 2 za koje vaжi x > 0, y > 0 i x + y < 1 otvoren skup u R Dokazati da je skup {(x, y) R 2 : xy < 1} otvoren skup u R Neka su U i V otvoreni skupovi u R. Dokazati da je U V otvoren skup u R Dokazati da je U R otvoren skup u R 2 ako je U otvoren skup u R Dokazati da su metrike m 1 i m 2 u R 2 ekvivalentne ako i samo ako svaka okolina proizvoljne taqke x R 2 u metrici m 1 sadrжi neku okolinu taqke x u metrici m 2 i obratno Dokazati da u R 2 euklidska i diskretna metrika nisu ekvivalentne Dokazati da su u R 2 euklidska i Menhetn metrika ekvivalentne Dokazati da su u R 2 euklidska i Qebixevljeva metrika ekvivalentne Neka su m 1 i m 2 ekvivalentne metrike u R 2 i neka je skup A R 2 otvoren skup u odnosu na metriku m 1. Dokazati da je skup A otvoren skup i u odnosu na metriku m Dokazati da je otvoreni pravougaonik otvoren skup Dokazati da je presek konaqno mnogo otvorenih skupova u R 2 takođe otvoren skup Navesti primer otvorenih skupova u R 2 qiji presek nije otvoren skup Dokazati da je svako otvoren krug u R 2 unija otvorenih pravougaonika Dokazati da je svaki otvoren pravougaonik u R 2 unija otvorenih krugova Dokazati da je unutraxnjost skupa unija svih otvorenih podskupova tog skupa. 11

12 3.22. Dokazati da metrike d 1, d 2 i d u R 2 generixu iste familije otvorenih skupova Neka je A R 2 neprazan otvoren skup razliqit od R 2 i neka je a A. Dokazati da među otvorenim krugovima s centrom u taqki a, koji pripadaju skupu A, postoji najve i krug (sa najve im polupreqnikom) Dokazati da je skup taqaka (x, y) R 2 za koje vaжi y x 2 zatvoren skup u R Dokazati da je cl(a) zatvoren skup za svaki skup A R Dokazati da je fr(a) zatvoren skup za svaki skup A R Dokazati da je A zatvoren skup za svaki skup A R Dokazati da je skup A R 2 savrxen ako i samo ako je zatvoren i nema izolovanih taqaka Da li je skup Q 2 zatvoren skup u R 2? Navesti primer zatvorenih skupova u R 2 qija unija nije zatvoren skup Neka su m 1 i m 2 ekvivalentne metrike u R 2 i neka je skup A R 2 zatvoren skup u odnosu na metriku m 1. Dokazati da je skup A zatvoren skup i u odnosu na metriku m Dokazati da u svakoj okolini taqke nagomilavanja skupa A R 2 ima beskonaqno mnogo taqaka iz A Dokazati da je skup A R 2 zatvoren ako i samo ako sadrжi sve svoje graniqne taqke Dokazati da za svaki skup A R 2 vaжi cl(a) = A A. } Odrediti A ako je A = {(x 1, x 2 ) R 2 : x 2 = sin 1x Da li svaka graniqna taqka nekog skupa iz R 2 mora da bude i njegova taqka nagomilavanja? Da li svaka okolina graniqne taqke nekog skupa iz R 2 mora da sadrжi i neku taqku unutraxnjosti i neku taqku spoljaxnjosti tog skupa? Odrediti granicu skupa {(x, y) [0, 1] 2 : x, y Q} Odrediti fr(a) i int(a) ako je A = {(x, y) : x 2 + y 2 4, x Q} Odrediti sve taqke nagomilavanja skupa {(1/m, 1/n) : m, n N} Odrediti skup A ako je A = {(x, y) : x Q, y Q} Odrediti skup A ako je A = {(m, n) : m, n N} Odrediti skup A \ A ako je A = {(x, y) : x 2 + y 2 < 49, y x 2 + 1} Dokazati da je skup koji nema taqaka nagomilavanja zatvoren. 8 To znaqi da ove metrike određuju jednu istu topologiju prostora R 2. 12

13 3.45. Dokazati da za svaki skup A R 2 vaжi fr(a) = (int(a) ext(a)) c Dokazati da za svaki skup A R 2 vaжi fr(a) = cl(a) cl(a c ) Dokazati da je fr(a) zatvoren skup za svaki skup A iz R Dokazati da za svaki zatvoren skup A R 2 vaжi fr(fr(a)) = fr(a) Dokazati da za svaki skup A R 2 vaжi fr(fr(fr(a))) = fr(fr(a)) fr(a) Da li za svaki skup A R 2 vaжi int(cl(a)) = A? Da li za svaki skup A R 2 vaжi cl(int(a)) = A? Da li postoji skup A R 2 qije su sve taqke izolovane i za koji vaжi A? Da li postoji neprebrojiv skup A R 2 qije su sve taqke izolovane? Neka je A otvoren, a B zatvoren skup u R 2. Dokazati da je A \ B otvoren, a B \ A zatvoren skup Neka je a R 2 i neka je d neka metrika u R 2. Dokazati da x cl(a) ako i samo ako je d(x, A) = Dokazati da je skup A R 2 zatvoren ako i samo ako za svako x A vaжi d(x, A) > Neka za neko ε > 0 vaжi d(x, y) ε za svako x, y A R 2. Dokazati da skup A nema taqaka nagomilavanja. U slede im zadacima za dati skup A odrediti unutraxnjost (int(a)), skup svih taqaka nagomilavanja (A ) i zatvorenje (cl(a)) skupa A A = { (x, x 2 ) : x Q }. {( m A = n m), n } : m, n N Dokazati da je zatvorenje skupa presek svih zatvorenih skupova koji sadrжe taj skup Navesti primer nepraznog skupa u R 2 qija je unutraxnjost prazan skup Odrediti unutraxnjost skupa Q Q Da li postoji neprebrojiv skup u R 2 qija je unutraxnjost prazan skup? Neka je A = { (x, y) x 2 < y < x }. Dokazati da je skup A otvoren i odrediti njegovu granicu Utvrditi da li je R 2 \ {(x, 0) : x R} otvoren ili zatvoren skup Neka je A = {( m + 1 p, n + 1 ) q } m, n Z, p, q N \ {1}. Dokazati da A nije ni otvoren, ni zatvoren skup. 13

14 3.67. Kugla B(a, r) je racionalna kugla ako je r Q i ako je a Q 2. Dokazati da je svaki otvoren skup A R 2 unija prebrojivo mnogo racionalnih kugli Dokazati da je svaka familija otvorenih i disjunktnih skupova u R 2 prebrojiva Dokazati da za svake dve razliqite taqke a i b iz R 2 postoje disjunktni otvoreni skupovi A i B, takvi da je a A i b B Neka je P familija svih nepraznih podskupova iz R 2 i neka je d(a, B) = inf{d 2 (x, y) a A, b B}. Ispitati da li je (P, d) metriqki prostor Da li za svaku taqku x R 2 i svaki skup A R 2 vaжi d(x, A) = d(x, cl(a))? Da li za svaku taqku x R 2 i svaki skup A R 2 vaжi d(x, A) = d(x, int(a))? Da li za svaka dva skupa A, B R 2 vaжi d(a, B) = d(a, cl(a)) = d(cl(a), B) = d(cl(a), cl(b))? Izraqunati rastojanje između skupa {(x, 0) : x R} i skupa {(x, e x ) : x R} Izraqunati d(a, B) ako je A = {(x 1, x 2 ) : x 2 = x 2 1}, B = {(x 1, x 2 ) : x 2 = x 1 2} Izraqunati d(x, Y ) ako je X = {(x 1, x 2 ) : x x 2 2 = 4}, Y = {(x 1, x 2 ) ; x x 2 =} Da li za svaka dva skupa A, B R 2 vaжi d(a, B) = d(int(a), int(b))? Neka je A skup iz R 2 i neka je ε R +. Dokazati da je skup a A O ε (a) jedna okolina skupa A Dokazati da je skup Q Q svuda gust u R 2, kao i u skupu I I (I je skup iracionalnih brojeva) Dokazati da je skup I I svuda gust u skupu R 2, kao i u skupu Q Q Dokazati da je skup A B nigde gust ako su skupovi A, B R 2 nigde gusti Dokazati da je Z Z nigde gust skup u R Navesti primer nigde gustih skupova qija unija je svuda gust skup u R Dokazati da je unija linearno povezanih skupova, koji imaju zajedniqku taqku, takođe linearno povezan skup Dokazati da je skup {(x 1, x 2 ) R 2 : 1 < x x2 2 < 4} oblast u R Da li je skup {(x 1, x 2 ) R 2 : x x2 2 1} oblast u R2? Da li je skup {(x 1, x 2 ) R 2 : 4 < x x2 2 < 9, 2 < y < 2} oblast u R2? 14

15 3.88. Dokazati da je unija dve oblasti u R 2 sa nepraznim presekom takođe oblast Neka su A 1, A 2,..., A n oblasti u R 2 i neka je A i A j za i j. Dokazati da je n k=1 A k oblast u R Da li postoji oblast qije zatvorenje nije linearno povezan skup? Dokazati da je presek konveksnih skupova takođe konveksan skup Odrediti konveksan omotaq skupa od tri nekolinearne taqke u ravni Odrediti konveksan omotaq skupa {(x 1, x 2 ) R 2 : x 2 1 = x2 2 } Dokazati da je konveksni omotaq otvorenog skupa u R 2 takođe otvoren skup Da li postoji zatvoren skup u R 2 qija konveksni omotaq nije zatvoren skup? 4 Nizovi u R 2 Niz (a n ) taqaka u R 2 konvergira ka taqki a R 2 ako se u svakoj okolini taqke a nalaze skoro svi qlanovi niza (svi osim konaqno mnogo prvih qlanova). Drugim reqima, niz (a n ) konvergira ka a ako za svaku okolinu U(a) taqke a postoji indeks n 0 N takav da je a n U(a) za svako n > n 0. Za konvergentan niz (a n ) pixe se lim a n = a ili samo lim a n = a (podrazumeva se n da n ). Moжe, takođe, da se pixe i a n a kada n ili a n a (n ). Niz (a n ) u R 2 je Koxijev niz ako za svako ε > 0 postoji indeks n 0, takav da za svako m, n > n 0 vaжi d(a m, a n ) < ε. U euklidskom prostoru R 2, kao i u sluqaju nizova u R, vaжi da je niz konvergentan ako i samo ako je Koxijev. Međutim, u opxtem sluqaju to ne mora da vaжi. U svakom metriqkom prostoru (M, d), gde je M R 2 konvergentan niz jeste Koxijev, ali obratno ne mora da vaжi. Ako je u metriqkom prostoru (M, d) svaki Koxijev niz konvergentan, kaжe sa da je (M, d) kompletan metriqki prostor. Dakle, euklidski prostor R 2 je kompletan 9 metriqki prostor. U primerima i zadacima koji slede podrazumeva se da je metrika u R 2 euklidska, mada neka tvrđenja vaжe i u sluqaju bilo koje metrike u R 2. Ukoliko se tvrđenje odnosi na neku drugu metriku, to e biti posebno naglaxeno. Rexeni primeri 4.1. Dokazati da niz (a n ) iz R 2 konvergira ka taqki a R 2 ako i samo ako d(a n, a) 0 kada n. Rexenje. Neka je c n = d(a n, a). Tvrđenje sledi iz definicije graniqne vrednosti niza (a n ) (u R 2 ), graniqne vrednosti niza (c n ) (u R) i qinjenice da a n U ε (a) ako i samo ako c n U ε (0) Dokazati da je graniqna vrednost niza u R 2 jedinstvena. Rexenje. Neka je (a n ) niz u R 2. Ako a n a i a n b kada n, tada iz nejednakosti d(a, b) d(a, a n ) + d(a n, b) sledi da je d(a, b) = 0. Prema svojstvu metrike, to znaqi da je a = b. 9 Kompletan normiran vektorski prostor je Banahov prostor. 15

16 4.3. Dokazati da je skup A R 2 zatvoren ako i samo ako za svaki konvergentan niz taqaka (a n ) skupa A vaжi lim n a n A. Rexenje. Neka je A zatvoren skup i neka je niz taqaka (a n ) skupa A konvergentan. Ako je a = lim a n, tada za svako ε > 0 u okolini O ε (a) ima beskonaqno mnogo taqaka n skupa A. To znaqi da je a cl(a). Kako je A = cl(a) (jer je A zatvoren skup, to je a A. Dokaжimo da vaжi i obratno tvrđenje. Pretpostavimo da za svaki konvergentan niz taqaka (a n ) skupa A vaжi lim a n A. Ako je a cl(a), tada u okolini O ε (a) n postoji taqka a 1 skupa A, razliqita od a. Izaberimo sada ε 1 tako da je ε 1 = d(a, a 1 )/2. Tada u okolini O ε1 (a) postoji taqka a 2 skupa A, razliqita od a (naravno, ona je razliqita i od a 1 ). Sada za ε 2 = d(a, a 2 )/2 postoji taqka a 3 razliqita od a (i od a 1 i od a 2 ). Nastavljaju i ovaj postupak dobijamo niz razliqitih taqaka skupa A koji konvergira ka a. Kako graniqna vrednost po pretpostavci pripada skupu A, to znaqi da skup A sadrжi sve taqke iz cl(a). Prema tome, skup A je zatvoren. Drugi dokaz za prvi deo tvrđenja (neophodan uslov). Neka je A zatvoren skup, neka je a n A i neka je a = lim a n. Treba dokazati da a A. Ako pretpostavimo suprotno n (da a A c ), tada postoji okolina U(a) takva da je U A c (jer je A c otvoren skup) i u toj okolini su skoro svi qlanovi niza (a n ) (jer je a graniqna vrednost tog niza). Međutim, to nije mogu e jer skoro svi qlanovi niza (a n ) pripadaju skupu A. Prema tome, polazna pretpostaka nije dobro, xto znaqi da a A Neka su (x n ) i (y n ) dva konvergentna niza i neka je d bilo koja metrika u R 2. Dokazati da je lim d(x n, y n ) = d( lim x n, lim y n). n n n Rexenje. Ako je x = lim n x n i y = lim n y n, tada je To znaqi da za svako ε > 0 vaжi d(x n, y n ) d(x n, x) + d(x, y) + d(y, y n ). d(x n, y n ) < d(x, y) + 2ε za dovoljno veliko n. Sliqno se pokazuje da vaжi i Iz ove dve nejednakosti sledi da je d(x, y) < d(x n, y n ) + 2ε. d(x n, y n ) d(x, y) < 2ε za dovoljno veliko n. Prema tome, d(x n, y n ) d(x, y) kada n. Napomena. Ako koristimo nejednakosti iz zad.1.28, imamo da je za n. d(x n, y n ) d(x, y) d(x n, x) + d(y n, y) 0 16

17 Zadaci za samostalan rad 4.5. Ako je (a n ) konvergentan niz i d bilo koja metrika u R 2, dokazati da je za svako b R 2. lim d(a n, b) = d( lim a, b) n n 4.6. Neka je a = (x, y) i a n = (x n, y n ) za N. Dokazati da niz (a n ) konergira ka a ako i samo ako 10 niz (x n ) konvergira ka x i niz (y n ) konvergira ka y Neka je (a n ) niz u R 2 koji konvergira ka taqki a. Dokazati da svaki njegov podniz takođe konvergira ka taqki a Dokazati da je svaki konvergentan niz u R 2 Koxijev Dokazati da je svaki Koxijev niz u R 2 ograniqen Dokazati da je R 2 sa diskretnom metrikom kompletan metriqki prostor Dokazati da je R 2 sa metrikom d p za svako p (1, + ) kompletan metriqki prostor Neka je (x n ) Koxijev niz u R 2 koji ima konvergentan podniz (y n ). Dokazati da je i niz (x n ) konergentan i da konvergira istoj taqki kojoj konvergira podniz (y n ) Dokazati da je svaki Koxijev niz u R 2 konvergentan Neka je (x n ) konvergentan niz razliqitih taqaka iz R 2 i neka je X skup vrednosti tog niza. Dokazati da je gde je f : X X injekcija. lim f(x n) = lim x n, n n Neka su (a n ) i (b n ) dva Koxijeva niza u R 2 (sa metrikom d) i neka je x n = d(a n, b n ). Dokazati da je niz (x n ) konvergentan Neka je A zatvoren skup u metriqkom prostoru R 2 u odnosu na neku metriku d i neka je x R 2. Dokazati da je x A ako i samo ako je d(x, A) = Dokazati da je a taqka nagomilavanja skupa A R 2 ako i samo ako postoji niz razliqitih taqaka a n A koji konvergira ka a Dokazati da je a adherentna taqka A R 2 ako i samo ako postoji niz taqaka a n A koji konvergira ka a Neka je a graniqna taqka skupa A R 2 koja nije izolovana taqka tog skupa. Dokazati da postoji niz međusobno razliqitih taqaka skupa A koji konvergira ka taqki a. 10 Ovo znaqi da je konvergencija niza u R 2 ekvivalentna konvergeniciji nizova njegovih koordinata, xto ne mora da vaжi u nekom drugom metriqkom prostoru. 11 Ovo ne vaжi u svakom metriqkom prostoru. Na primer, u metriqkom prostoru Q niz koji konvergira ka 2 je Koxijev, ali nije konvergentan u Q. Prostori u kojima ovo tvrđenje vaжi su kompletni prostori. Iz tvrđenja sledi da je R 2 kompletan metriqki prostor. 17

18 4.20. Neka su m 1 i m 2 ekvivalentne metrike u R 2 i neka je taqka a R 2 graniqna vrednost niza (a n ) u metrici m 1. Dokazati da je a graniqna vrednost tog niza i u metrici m Data je funkcija f : R 2 R 2, takva da za neku metriku d i za svako x, y R 2 vaжi 12 d(f(x), f(y)) q d(x, y), gde je 0 < q < 1. Dokazati da jednaqina x = f(x) ima jedinstveno rexenje 13 u R 2. Literatura [1] Stojanovi, M., Mihi, O., Matematika 2, FON, Beograd, [2] ori, D., Lazovi, R. Matematika 1, FON, Beograd, Funkcija f sa ovim svojstvom je kontrakcija na metriqkom prostoru (R 2, d). 13 Rexenje x ove jednaqine je nepokretna taqka funkcije f, a analogno tvrđenje vaжi i u bilo kom kompletnom metriqkom prostoru. 18