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Grado en Matemáticas

Conexión y conexión por caminos

Un dibujo puede parecer de una sola pieza y, aun así, necesitamos precisar qué significa eso. Primero veremos cómo separar un conjunto con abiertos relativos. Después exigiremos algo más concreto: un camino continuo entre cada par de puntos. En intervalos y abiertos habituales ambas ideas funcionan juntas; un ejemplo oscilante mostrará por qué no son siempre equivalentes.

Si necesitas repasar:

1. Una separación debe partir todo el espacio en dos abiertos relativos

Una separación de X consiste en U,V abiertos de X, disjuntos, no vacíos y con U∪V=X. X es conexo cuando no existe tal separación. Las cuatro condiciones importan: dos abiertos separados que no cubren X no demuestran desconexión.

En una separación cada parte también es cerrada relativa, porque su complemento es la otra parte abierta. Por eso X es conexo si y solo si sus únicos subconjuntos abiertos y cerrados a la vez son ∅ y X. Encontrar un cerrado propio no basta: debe ser también abierto relativo.

Un hueco que sí separa

X=[−3,−1]∪[1,4].

  1. Dos partes

    U=X∩(−∞,0), V=X∩(0,∞).
  2. Verificar

    Son abiertos relativos, no vacíos y disjuntos.

  3. Cubrir

    Ningún punto de X es cero, así cubren todo X.

Resultado

X es desconexo.

Lo comprobamos

Los extremos incluidos de cada intervalo no impiden que las partes sean abiertas dentro de X.

Un cerrado propio que no separa

En X=[0,1], toma A={0}.

  1. Cerrado

    Su complemento (0,1] es abierto relativo.

  2. No abierto

    Cualquier entorno relativo de cero contiene puntos positivos.

  3. Fallo

    A no es una de las dos partes abiertas de una separación.

Resultado

La existencia de ese cerrado no demuestra desconexión.

Lo comprobamos

El intervalo completo será conexo; cerrado propio y abierto-cerrado propio son condiciones distintas.

2. En la recta, ser conexo equivale a no dejar huecos intermedios

Si A⊂ℝ contiene a<c pero omite algún b entre ellos, A∩(−∞,b) y A∩(b,∞) forman una separación. Así todo conexo real debe contener todos los números entre cada pareja: debe ser un intervalo, incluyendo los casos de un solo punto o vacío según la convención usual.

Para la dirección contraria, supón un intervalo I separado en U,V. Elige a∈U,b∈V con a<b, intercambiando nombres si hace falta.

Sea s=sup(U∩[a,b]).

Por aproximación al supremo y porque U es cerrado relativo, s pertenece a U. No puede ser b, que está en V. Como U es abierto relativo y s<b, contiene puntos de [a,b] un poco mayores que s, contradicción.

La prueba usa la existencia del supremo en ℝ y el hecho de que [a,b] está dentro del intervalo. Es la razón formal detrás de la imagen de un recorrido sin cortes; no depende de que el intervalo tenga sus extremos incluidos.

Extremos incluidos o no, sigue sin haber un corte

Compara (−2,5), [−2,5] y [−2,5).

  1. Intermedios

    En los tres, dos puntos elegidos traen consigo todos los números entre ellos.

  2. Intervalos

    Cada conjunto cumple la propiedad de intervalo.

  3. Conexión

    La prueba del supremo se aplica a los tres.

Resultado

Los tres son conexos.

Lo comprobamos

Abierto o cerrado en el ambiente no decide por sí solo la conexión.

Un solo punto omitido ya rompe un intervalo real

A=[−2,5]∖{1}.

  1. Puntos a ambos lados

    Cero y dos están en A; uno no.

  2. Corte

    A∩(−∞,1) y A∩(1,∞) son abiertos relativos.

  3. Separación

    Son no vacíos, disjuntos y cubren A.

Resultado

A es desconexo.

Lo comprobamos

En una dimensión no hay una segunda dirección por la que rodear el punto ausente.

3. Una función continua lleva un conjunto conexo a una imagen conexa

Si f(X) tuviera una separación, sus preimágenes por una f continua serían abiertas en X, disjuntas y no vacías, porque cada parte contiene algún valor alcanzado. Además cubrirían X. Eso contradice la conexión de X.

La conclusión es sobre f(X). Para afirmar que todo el codominio Y es conexo necesitamos que f sea sobreyectiva. Como los conexos de ℝ son intervalos, obtenemos el valor intermedio: una función real continua en un intervalo alcanza todos los valores entre dos de sus salidas.

La imagen contiene todos los valores de un intervalo

f(x)=x² en [−2,3].

  1. Extremos de la imagen

    El valor mínimo cero aparece en x=0 y el máximo nueve en x=3.

  2. Conexión

    El dominio es intervalo y f es continua, así su imagen es intervalo.

  3. Completar

    Contiene cero y nueve y no sale de [0,9], por tanto es exactamente [0,9].

Resultado

No hay valores intermedios ausentes.

Lo comprobamos

Aunque f se declare con codominio ℝ, la conclusión inmediata es sobre su imagen, no sobre toda ℝ por sobreyectividad.

El recíproco falla al aplastar información

X={−1,1} y f(x)=0.

  1. Dominio

    Los dos singletons son abiertos relativos y separan X.

  2. Función

    La constante es continua.

  3. Imagen

    {0} es conexa porque no puede partirse en dos partes no vacías.

Resultado

Una imagen conexa no obliga a que el dominio lo sea.

Lo comprobamos

La función juntó los dos puntos y perdió la separación del dominio.

4. Un punto común y la clausura conservan conexión

Si una familia de conexos comparte un punto p, su unión es conexa. En una supuesta separación, p queda en una parte y cada conexo debe permanecer entero en esa misma parte, porque la toca. La otra parte quedaría vacía.

La clausura de un conexo A también es conexa. Si cl A se separase, A quedaría entero en una parte por conexión; la otra parte sería un abierto relativo no vacío de cl A que no toca A, contradiciendo que A es denso en su clausura.

Sin punto común, una unión de conexos puede ser desconexa.

Dos direcciones que comparten el vértice

Los segmentos de (0,0) a (2,0) y de (0,0) a (0,3).

  1. Cada pieza

    Es imagen continua de un intervalo, luego conexa.

  2. Punto común

    Ambas contienen (0,0).

  3. Unión

    No puede existir una separación de la figura en forma de L.

Resultado

La L es conexa.

Lo comprobamos

No necesita ser convexa: el segmento entre (2,0) y (0,3) sale de la L.

Añadir puntos límite no crea una separación

A=(−2,5) dentro de ℝ.

  1. Conexo

    A es un intervalo.

  2. Clausura

    cl A=[−2,5].
  3. Aplicar

    El nuevo conjunto sigue siendo conexo por el teorema de clausura.

Resultado

Añadir los dos extremos mantiene la conexión.

Lo comprobamos

Unir en cambio dos intervalos separados sin punto común puede dar la separación de la primera sección.

5. Un camino es una función continua con extremos fijados

Un camino de a a b es γ:[0,1]→X continua con γ(0)=a y γ(1)=b.

Puede repetir puntos, pararse o cruzarse. No se le exige derivada ni longitud mínima. Su imagen es conexa por continuidad desde un intervalo.

La relación de poder unir dos puntos por un camino es reflexiva con el camino constante, simétrica con γ(1−t) y transitiva por concatenación. Para pegar dos caminos usamos el primero en la mitad inicial y el segundo en la final. Las dos fórmulas coinciden en t=1/2 porque el final y el inicio son el mismo punto.

Un semicírculo une puntos opuestos

γ(t)=(cos(πt),sen(πt)).

  1. Extremos

    γ(0)=(1,0), γ(1)=(−1,0).
  2. Pertenencia

    cos²(πt)+sen²(πt)=1, así queda en la circunferencia.
  3. Continuidad

    Sus coordenadas son continuas en todo [0,1].

Resultado

Es un camino entre los dos puntos dentro de la circunferencia.

Lo comprobamos

El segmento recto no estaría contenido, pero no se exige que el camino sea un segmento.

Pegar dos tramos sin salto

a=(−2,0), c=(0,2), b=(2,0).

  1. Primera mitad

    γ(t)=(1−2t)a+2tc, para 0≤t≤1/2.
  2. Segunda

    γ(t)=(2−2t)c+(2t−1)b, para 1/2≤t≤1.
  3. Unión

    Ambas dan c en t=1/2; empiezan en a y terminan en b.
Resultado

Es un camino continuo de dos segmentos.

Lo comprobamos

El cambio de dirección en c no estropea continuidad; no estamos exigiendo diferenciabilidad.

6. Poder unir cada pareja por caminos implica conexión

Si X fuera conexo por caminos y tuviera separación U,V, elige a∈U,b∈V. La imagen de un camino entre ellos es conexa y toca ambas partes; sus intersecciones con U,V la separarían. Contradicción.

También puede fijarse a y unirlo con cada otro punto. Las imágenes de los caminos son conexas y comparten a; su unión es X. El recíproco no es general: una ausencia de separación abierta no construye automáticamente una trayectoria.

La circunferencia es conexa por caminos

Dados dos puntos del círculo unidad.

  1. Ángulos

    Elige ángulos θ₀,θ₁ que representen a los puntos.

  2. Interpolar

    γ(t)=(cos((1−t)θ₀+tθ₁),sen((1−t)θ₀+tθ₁)).
  3. Verificar

    Es continua, queda en el círculo y tiene los extremos pedidos.

Resultado

El círculo es conexo por caminos y por tanto conexo.

Lo comprobamos

Elegir otros ángulos puede dar un recorrido con más vueltas, pero la existencia del camino ya está probada.

Una separación también prohíbe caminos que la crucen

X=[−3,−1]∪[1,4], de −2 a dos.

  1. Si existiera γ

    Su imagen sería conexa.

  2. Dos partes

    Tocaría la parte negativa y la positiva.

  3. Contradicción

    La separación relativa de X separaría esa imagen.

Resultado

No hay camino dentro de X entre esos puntos.

Lo comprobamos

No es solo que no conozcamos una fórmula: la conexión de una imagen continua lo impide.

7. La convexidad da segmentos; otros conjuntos necesitan rodeos

En un convexo C, el segmento γ(t)=(1−t)a+tb queda dentro por definición. Es continuo y tiene los extremos pedidos. Así un convexo no vacío es conexo por caminos. Es una condición suficiente, no necesaria.

Conexión por caminos no exige que el segmento directo permanezca dentro
ℝ² sin el origen: podemos rodearloacb0El segmento directo falla.El camino de dos tramos sí sirve.
Plano sin el origen. Entre a menos dos cero y b dos cero, el segmento horizontal atraviesa el punto ausente. El camino que pasa por c cero dos tiene dos segmentos y evita el origen. Los dos tramos se pegan en el mismo punto y son continuos.

En ℝ² sin el origen, el segmento puede fallar, pero podemos usar dos tramos pasando por un punto c cuya dirección no sea opuesta a la de a ni a la de b. Solo hay dos direcciones prohibidas: podemos elegir otra. Ninguno de los dos segmentos atravesará el origen.

En ℝ sin el origen, en cambio, positivos y negativos forman una separación.

Comprobar la pertenencia en un cubo

C=[−1,1]³, a,b∈C.

  1. Coordenada cualquiera

    Cada aᵢ y bᵢ está entre −1 y uno.

  2. Promedio ponderado

    Con 0≤t≤1, también (1−t)aᵢ+tbᵢ queda entre esos límites.

  3. Tres coordenadas

    El argumento vale para las tres, así todo el segmento está en C.

Resultado

El cubo es conexo por caminos.

Lo comprobamos

La prueba controla cada punto del camino, no solo los extremos.

El rodeo dibujado evita el origen

a=(−2,0), b=(2,0), c=(0,2).

  1. Tramo a c

    Los puntos son (−2+2s,2s); para ser origen necesitaríamos s=1 y s=0 a la vez.

  2. Tramo c b

    Los puntos son (2s,2−2s), con la misma imposibilidad.

  3. Pegar

    La concatenación anterior une a y b dentro del plano perforado.

Resultado

El conjunto no es convexo, pero admite ese camino.

Lo comprobamos

El segmento directo atraviesa el punto ausente: el dibujo compara ambas opciones.

8. La curva seno del topólogo es conexa y no permite cruzar con un camino

Sea G={(x,sen(1/x)):0<x≤1} y L={0}×[−1,1].

G es imagen continua de un intervalo y es conexa por caminos.

Su clausura es S=G∪L.

Para cada y∈[−1,1], elige una fase θ con senθ=y; las entradas xₙ=1/(θ+2πn), para n grande, tienden a cero y sus salidas valen y. Así aparece todo el segmento L.

La clausura conecta una oscilación con su segmento límite
Oscilar sin poder cruzar con un caminox=0x=1G: y=sen(1/x), 0<x≤1cl G añade el segmento vertical.
Curva seno de uno sobre x para x entre cero y uno, y segmento vertical de menos uno a uno en x cero. La figura dibuja un tramo finito de oscilaciones; estas continúan sin fin al acercarse a cero. El conjunto unido es conexo, pero no existe camino continuo desde el segmento vertical a la gráfica.

No aparecen otros puntos límite: las salidas están entre −1 y uno, y donde x>0 la función sigue siendo continua. Como S es clausura de un conexo, S es conexo.

Supón un camino desde L a G. Su coordenada horizontal x(t) es continua y no negativa. El conjunto de instantes donde vale cero es cerrado y tiene un último instante t₀<1.

Después x(t)>0 y x(t)→0 al acercarse a t₀.

En cualquier intervalo temporal pequeño a la derecha de t₀, la coordenada x alcanza un valor positivo. Por el valor intermedio toma todos los valores suficientemente pequeños entre cero y ese valor, incluidos algunos que fuerzan sen(1/x)=1 y otros que fuerzan −1. Por tanto la coordenada vertical toma ambos valores arbitrariamente cerca de t₀.

No puede ser continua allí. Ese camino no existe.

Dos familias que se acercan al mismo eje

xₙ=1/(π/2+2πn), zₙ=1/(3π/2+2πn).

  1. Entradas

    Ambas son positivas y tienden a cero.

  2. Salidas

    sen(1/xₙ)=1 y sen(1/zₙ)=−1.
  3. Límites

    En la clausura aparecen (0,1) y (0,−1), además de todos los intermedios por otras fases.

Resultado

La oscilación no se estabiliza al acercarse a cero.

Lo comprobamos

La figura solo puede dibujar finitas oscilaciones, pero las fórmulas prueban que continúan sin fin.

Dentro de cada parte sí existen caminos

Compara dos puntos de G y dos de L.

  1. En G

    Interpola sus entradas positivas x; componer con x↦(x,sen(1/x)) da un camino.

  2. En L

    El segmento vertical entre las alturas permanece dentro de L.

  3. Entre partes

    La contradicción anterior prohíbe pasar de una a la otra.

Resultado

S tiene dos componentes por caminos y una sola componente conexa.

Lo comprobamos

La existencia de caminos dentro de ambas partes no proporciona uno entre ellas.

9. Las componentes son las piezas conexas máximas

La componente de x es la unión de todos los subconjuntos conexos que contienen x. Es conexa porque todos comparten x y es maximal por construcción. Si dos componentes se tocan, su unión es conexa y deben coincidir: las componentes particionan X.

Una componente es cerrada: su clausura sigue siendo conexa y la maximalidad impide que sea mayor. Las componentes por caminos también particionan, pero solo garantizamos que estén contenidas en componentes conexas. Pueden ser más pequeñas y no ser cerradas.

Tres componentes en una recta con dos puntos ausentes

X=ℝ∖{−1,2}.

  1. Piezas

    (−∞,−1), (−1,2), (2,∞), todas intervalos conexos.

  2. No mezclar

    Un conexo real que tocara dos piezas tendría que contener el punto intermedio ausente.

  3. Maximalidad

    Ninguna pieza se amplía con otra sin perder conexión.

Resultado

Las tres son exactamente las componentes conexas y por caminos.

Lo comprobamos

Cubren X y cada una es cerrada relativa, aunque no sea cerrada en ℝ.

Una componente por caminos que no es cerrada

En la curva seno, toma G.

  1. Por caminos

    G es una de las dos componentes por caminos.

  2. Clausura

    cl G=S, porque se acumula sobre todo el segmento vertical.

  3. Conexión

    La componente conexa completa es S, que sí es cerrada en sí misma.

Resultado

Las componentes por caminos no heredan siempre el cierre de las conexas.

Lo comprobamos

No se intercambian las dos nociones al aplicar el teorema de clausura.

10. En los abiertos de ℝⁿ, las componentes vuelven a coincidir con las de caminos

Sea Ω abierto de ℝⁿ. Cada punto tiene una bola pequeña dentro y esa bola es convexa, luego conexa por caminos. Si x está en una componente por caminos P, todos los puntos de esa bola también están en P: se concatena el camino hasta x con el segmento dentro de la bola.

Por tanto P es abierta.

Las otras componentes por caminos también son abiertas, así el complemento de P es abierto y P es cerrada relativa. Una componente conexa no puede tocar P y su complemento. Como P es conexa, queda probado que coincide con la componente conexa. Fuera de este contexto local, las componentes no tienen por qué ser abiertas.

Un anillo abierto no es convexo y sí es conexo por caminos

Ω={x∈ℝ²:1<‖x‖<3}.

  1. Hacia un círculo intermedio

    Cada punto se une radialmente al de su dirección con radio dos, sin salir del intervalo de radios.

  2. Rodear

    Los puntos de radio dos se unen por un arco de circunferencia.

  3. Unir tramos

    Dos tramos radiales y uno circular dan un camino entre cualquier pareja.

Resultado

El anillo tiene una sola componente.

Lo comprobamos

La ausencia del disco central impide algunos segmentos directos, pero no todos los caminos.

Las componentes no siempre son abiertas

ℚ con la topología heredada de ℝ.

  1. Conexos

    Un subconjunto conexo de ℚ también lo es en ℝ por inclusión continua; si tuviera dos puntos, contendría un intervalo y algún irracional.

  2. Componentes

    Solo pueden ser singletons.

  3. No abiertas

    Cada entorno racional de un punto contiene otros racionales.

Resultado

Las componentes de ℚ son puntos y no son abiertas relativas.

Lo comprobamos

La hipótesis de abierto de ℝⁿ era esencial para el argumento de las bolas contenidas.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un segmento dentro del conjunto

Prueba que una bola euclídea es conexa por caminos.

  1. Datos

    Sea B(c,r), con r>0, y x,y en ella: ‖x−c‖<r y ‖y−c‖<r.
  2. Camino

    γ(t)=(1−t)x+ty, para 0≤t≤1.
  3. Extremos y continuidad

    Es afín por coordenadas, γ(0)=x y γ(1)=y.
  4. Restar centro

    γ(t)−c=(1−t)(x−c)+t(y−c).
  5. Controlar norma

    Por triangular y homogeneidad, ‖γ(t)−c‖≤(1−t)‖x−c‖+t‖y−c‖<r.

    Los pesos no negativos suman uno.

  6. Conclusión

    El camino queda dentro de la bola para todo t y sirve para cualquier pareja: es conexa por caminos, y por tanto conexa.

Resultado

Es conexa por caminos.

Lo comprobamos

Cada imagen de camino es conexa y todos los puntos se pueden unir, así también se deduce conexión. La prueba utiliza la convexidad de la bola.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dos intervalos

Componentes de (−2,−1)∪(1,3).

  1. Nombrar

    U=(−2,−1), V=(1,3), X=U∪V.
  2. Cada pieza

    Ambas son intervalos y por tanto conexas; también son convexas y conexas por caminos.

  3. Separación

    U,V son abiertos relativos, disjuntos, no vacíos y cubren X.

  4. Excluir mezcla

    Si C tocara ambas, C∩U y C∩V serían una separación de C.

  5. Maximalidad

    Ningún conexo amplía uno de los intervalos con puntos del otro.

  6. Concluir

    Hay exactamente dos componentes, U y V. Los caminos tampoco pueden cruzar la separación.

Resultado

Hay dos componentes.

Lo comprobamos

Los caminos también quedan confinados a uno de los dos intervalos por conexión de su imagen. Las componentes por caminos coinciden aquí con las conexas.

Los símbolos que hemos usado

Separación X=U∪V
Descomposición en dos abiertos relativos no vacíos y disjuntos.
Conexo
Espacio que no admite ninguna separación.
γ:[0,1]→X
Camino continuo con puntos inicial γ(0) y final γ(1).
Componente conexa
Subconjunto conexo maximal por inclusión.
Componente por caminos
Clase de puntos que se pueden unir entre sí mediante caminos.
Convexo
Subconjunto de Rⁿ que contiene (1−t)a+tb para todos sus puntos a,b y todo 0≤t≤1.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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