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Grado en Matemáticas

Espacios métricos y espacios topológicos

Una distancia dice cuánto separa a dos puntos. Una topología conserva una información más cualitativa: qué conjuntos permiten moverse un poco alrededor de cada punto sin salir de ellos. Empezaremos con distancias y bolas dibujadas. Después aprenderemos a distinguir abierto, cerrado, interior, clausura y frontera, indicando siempre en qué espacio trabajamos.

Si necesitas repasar:

1. Una distancia necesita cumplir cuatro condiciones

Una métrica d asigna a cada par x,y un número real no negativo. Debe cumplir: d(x,y)=0 exactamente cuando x=y; simetría d(x,y)=d(y,x); y triangular d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z). La ruta por un tercer punto no puede tener suma menor que la distancia directa asignada.

La bola depende de qué distancia estemos midiendo
Bolas de radio uno, misma escalad₁d₂d∞Forma distinta ; mismos abiertosEl borde no pertenece a la bola.En ℝ²: d∞ ≤ d₂ ≤ d₁ ≤ 2d∞
Tres bolas abiertas de radio uno en el plano con la misma escala: rombo para suma de valores absolutos, círculo para distancia euclídea y cuadrado para el máximo de componentes. Las fronteras discontinuas están excluidas. Las distancias son comparables y generan los mismos abiertos, aunque las bolas no sean la misma figura.

En ℝⁿ podemos medir con d₁, suma de valores absolutos de las diferencias; con d₂, distancia euclídea; o con d∞, máximo de esas diferencias absolutas. La triangular de d₁ se obtiene sumando la de valores absolutos, y la de d∞ tomando máximos. Para d₂ se obtiene de Cauchy–Schwarz.

Sus bolas cambian de forma; las desigualdades d∞≤d₂≤d₁≤n d∞ muestran que generan los mismos abiertos en dimensión finita.

Tres distancias para los mismos puntos

P=(0,0), Q=(3,4).

  1. Suma

    d₁(P,Q)=3+4=7.
  2. Euclídea

    d₂(P,Q)=√(3²+4²)=5.
  3. Máximo

    d∞(P,Q)=max(3,4)=4.
Resultado

Los tres números son válidos y miden con reglas distintas.

Lo comprobamos

Se cumple 4≤5≤7≤8, la comparación del dibujo para dimensión dos.

Cuadrar una métrica puede romperla

Prueba d(x,y)=|x−y|² en ℝ.

  1. Tres puntos

    Elige x=0,y=1,z=2.
  2. Directa

    d(0,2)=4.
  3. Por el intermedio

    d(0,1)+d(1,2)=1+1=2, menor que cuatro.
Resultado

No es una métrica: falla la triangular.

Lo comprobamos

Ser no negativa y simétrica, y anularse solo en la diagonal, no basta.

2. Un abierto deja una bola alrededor de cada uno de sus puntos

B(x,r) contiene las y con d(x,y)<r.
El borde donde d(x,y)=r está excluido.

U es abierto si cada x de U tiene algún radio r>0 con B(x,r) contenido en U. El radio puede depender del punto: no se exige un tamaño común para todo el conjunto.

Toda bola es abierta.

Si y∈B(x,r), queda margen ε=r−d(x,y)>0.
Para z∈B(y,ε), la triangular da d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z)<r.

Así encontramos una bola alrededor de y que no sale de la original.

Un punto cerca del borde necesita un radio pequeño

U=(−2,3) en ℝ usual, punto x=2,9.

  1. Margen

    Su distancia al extremo tres es 0,1.

  2. Elegir

    Con r=0,05, la bola va de 2,85 a 2,95 sin incluir extremos, y queda contenida en U.

  3. Otro punto

    En x=0 podríamos usar r=1; no hay obligación de mantener el radio anterior.

Resultado

U es abierto porque funciona punto a punto.

Lo comprobamos

Para cualquier x de U basta tomar un radio menor que min(x+2,3−x).

Un abierto sin radio uniforme para todos los puntos

U=(0,∞).

  1. Para cada x

    Elige r=x/2; la bola (x/2,3x/2) sigue en U.
  2. Supón radio común

    Si un mismo r>0 sirviera para todos, toma x=r/2.
  3. Fallo

    B(x,r) contiene negativos, fuera de U.

Resultado

El conjunto es abierto sin necesitar un radio común.

Lo comprobamos

La definición permite adaptar el tamaño de la bola a la cercanía del borde.

3. Una topología es una familia de abiertos con reglas precisas

Una topología τ sobre X contiene ∅ y X, todas las uniones arbitrarias de sus miembros y todas las intersecciones finitas. Los abiertos métricos cumplen esas reglas: una unión conserva alguna bola que ya existía; para una intersección finita tomamos el menor de sus radios.

No se exige conservar intersecciones infinitas.

En ℝ, la intersección de (−1/n,1/n) para todos los enteros n≥1 es {0}.
Un real no nulo queda fuera en cuanto 1/n≤|x|.

El singleton {0} no es abierto usual: ningún radio positivo cabe dentro.

Una topología sobre tres puntos

X={a,b,c}, τ={∅,{a},{a,b},X}.

  1. Extremos

    Están ∅ y X.

  2. Uniones

    Las piezas están encadenadas; una unión es la mayor pieza usada, o ∅ si no se usa ninguna.

  3. Intersecciones

    Una intersección finita es la menor pieza usada, o X si la familia es vacía.

Resultado

La familia sí es una topología.

Lo comprobamos

Que X sea finito no obliga a que cada singleton sea abierto.

Una lista que parece razonable pero falla

X={a,b,c}, familia {∅,{a},{b},X}.

  1. Piezas

    {a} y {b} están en la lista.

  2. Unir

    Su unión es {a,b}.

  3. Revisar

    {a,b} no está en la lista, así falla un axioma.

Resultado

No es una topología.

Lo comprobamos

No basta incluir los conjuntos vacío y total; las operaciones deben permanecer dentro de la familia.

4. Cerrado significa complemento abierto; no significa simplemente no abierto

A es cerrado cuando X∖A es abierto. De Morgan transforma los axiomas: intersecciones arbitrarias de cerrados y uniones finitas de cerrados siguen siendo cerradas. La cantidad de conjuntos permitida en cada operación no es la misma que para abiertos.

Puede haber conjuntos abiertos y cerrados a la vez, y otros que no sean ninguno. ∅ y X siempre tienen ambas propiedades. Todo depende del espacio y su topología; no de cómo dibujemos corchetes de manera aislada.

Un conjunto que no es ni abierto ni cerrado

A=[−2,3) en ℝ usual.

  1. No abierto

    Todo intervalo alrededor de −2 contiene puntos menores que −2.

  2. Complemento

    ℝ∖A=(−∞,−2)∪[3,∞).
  3. No cerrado

    Ese complemento no es abierto en tres, porque contiene el extremo pero no puntos ligeramente menores.

Resultado

A no tiene ninguna de las dos propiedades.

Lo comprobamos

La clausura e interior del dibujo mostrarán exactamente qué ocurre en ambos extremos.

Abierto y cerrado depende de la topología

En un espacio con métrica discreta, toma cualquier A.

  1. Bola pequeña

    B(x,1/2)={x}.
  2. A abierto

    Cada x∈A tiene esa bola dentro.
  3. Complemento

    La misma razón hace abierto a X∖A, así A también es cerrado.

Resultado

Todo subconjunto es abierto y cerrado en el espacio discreto.

Lo comprobamos

En ℝ usual, un singleton no es abierto; en ℝ discreta sí lo es, aunque el punto sea el mismo número.

5. Interior, clausura y frontera responden tres preguntas diferentes

El interior int A es la unión de todos los abiertos contenidos en A: recoge puntos con un entorno que cabe dentro. La clausura cl A es la intersección de todos los cerrados que contienen A.

Equivalentemente, x∈cl A si cada entorno abierto de x toca A.
Pertenecer al conjunto, ser interior y estar en la clausura son preguntas distintas
A=[−2;3) en ℝ usualConjunto A−23Interior (−2;3)−23Clausura [−2;3]−23Frontera: {−2;3}
Tres rectas muestran el conjunto menos dos incluido hasta tres excluido, su interior con ambos extremos excluidos y su clausura con ambos incluidos. La frontera contiene los dos extremos. Un punto puede estar en el conjunto sin ser interior, o estar en la clausura sin pertenecer al conjunto.

La equivalencia se prueba usando complementos: un entorno disjunto de A deja fuera a x de algún cerrado que contiene A, y recíprocamente. La frontera es cl A∖int A; cada entorno de un punto fronterizo toca A y también su complemento. Estar en la frontera no decide si el punto pertenece a A.

Leer las tres filas del dibujo

A=[−2,3) en ℝ usual.

  1. Interior

    Solo los puntos estrictamente entre −2 y tres admiten una bola dentro: (−2,3).

  2. Clausura

    Ambos extremos tienen todos sus entornos tocando A; los exteriores pueden separarse. Queda [−2,3].

  3. Frontera

    Al quitar el interior de la clausura quedan {−2,3}.

Resultado

Un extremo estaba incluido y el otro no; ambos son fronterizos.

Lo comprobamos

Clausurar añade tres; tomar interior elimina −2. Ninguna operación añade todo el exterior.

La frontera puede ocupar toda la recta

A=ℚ en ℝ usual.

  1. Clausura

    Cada intervalo abierto contiene racionales: cl A=ℝ.
  2. Interior

    Cada intervalo también contiene irracionales; ninguno cabe dentro de ℚ.

  3. Frontera

    ℝ∖∅=ℝ.
Resultado

int ℚ=∅, cl ℚ=ℝ y su frontera es ℝ.

Lo comprobamos

La frontera topológica no tiene por qué parecer una línea fina alrededor de una figura.

6. Converger significa quedarse finalmente en cada entorno

Un entorno de x es un conjunto que contiene algún abierto que contiene x; no necesita ser abierto. xₙ→x significa: para cada entorno V de x, existe un índice N tal que todos los términos n≥N están en V. No basta entrar infinitas veces si también se sale infinitas veces.

En métricos esto equivale a d(xₙ,x)→0.

Además x∈cl A si y solo si es límite de alguna sucesión de A: para construirla, elegimos aₙ en A∩B(x,1/n). El criterio por sucesiones necesita condiciones del espacio; no caracteriza automáticamente toda clausura topológica.

Quedarse en el entorno frente a visitarlo

Compara xₙ=1/n e yₙ, que alterna cero y uno.

  1. Primera

    Dado ε>0, tomar N>1/ε deja todos los xₙ dentro de (−ε,ε).

  2. Segunda

    Visita cero infinitas veces, pero también uno.

  3. Probar fallo

    El entorno (−1/2,1/2) sigue perdiendo todos los términos iguales a uno.

Resultado

La primera converge a cero; la segunda no.

Lo comprobamos

Converger exige controlar todos los términos a partir de un índice, no una subsecuencia favorable.

Por qué en topología general una sucesión puede no bastar

En ℝ usa abiertos vacíos o de complemento numerable; A=ℝ∖{0}.

  1. Clausura

    Todo entorno abierto de cero es cocontable y toca A, así cero pertenece a cl A.

  2. Cualquier sucesión

    Los valores de una sucesión de A forman un conjunto numerable C que no contiene cero.

  3. Entorno que la evita

    ℝ∖C es un abierto que contiene cero y no contiene ningún término de esa sucesión.

Resultado

Cero está en la clausura y no es límite de ninguna sucesión de A.

Lo comprobamos

Los abiertos cocontables forman una topología: intersecciones finitas conservan complemento numerable, y una unión no vacía tiene complemento contenido en el de cualquiera de sus miembros.

7. En un subespacio solo cuentan los puntos que siguen disponibles

Si Y⊂X, sus abiertos son Y∩U con U abierto de X.

En un espacio métrico, las bolas relativas son Bₓ(x,r)∩Y: es la misma distancia restringida a los puntos permitidos. Cambiar el ambiente puede convertir un extremo en punto con un entorno relativo contenido.

Los cerrados relativos son Y∩C con C cerrado de X. Un abierto o cerrado de Y no tiene por qué tener esa propiedad en X. Por eso indicamos el ambiente al escribir interior, clausura o continuidad de una aplicación definida en un subespacio.

Un extremo que tiene una bola relativa

Y=[−2,3], A=[−2,0).

  1. Intersección

    A=Y∩(−3,0), con el segundo conjunto abierto real.
  2. En el extremo

    Bᵧ(−2,1/2)=[−2,−3/2), dentro de A.
  3. Comparar

    En ℝ usual, cualquier bola de −2 tiene puntos fuera de A.

Resultado

A es abierto en Y y no en ℝ.

Lo comprobamos

La bola relativa no tiene que parecer un intervalo abierto real: ya descartó los puntos fuera de Y.

Un cerrado relativo que no es cerrado real

Y=(0,1), C=(0,1/2].

  1. Representar

    C=Y∩(−∞,1/2], así es cerrado relativo.
  2. En ℝ

    La sucesión 1/n, para n≥2, está en C y converge a cero, que no pertenece a C.

  3. Clausuras

    La clausura real es [0,1/2]; la relativa dentro de Y es C.

Resultado

La ausencia de cero en el ambiente relativo cambia la respuesta.

Lo comprobamos

El complemento de C dentro de Y es (1/2,1), abierto relativo.

8. Los mismos abiertos pueden venir de distancias con otras propiedades

Si d′(x,y)=min(1,|x−y|), las bolas de radio menor que uno coinciden con las usuales. Ambas métricas generan los mismos abiertos, aunque d′ no distinga tamaños mayores que uno. La topología no recupera una distancia única.

Ser una sucesión de Cauchy significa que sus términos avanzados están mutuamente cerca según la métrica concreta. Ser completo exige que toda sucesión de Cauchy converja dentro del espacio. Son propiedades que no se deciden solo con la topología: dos métricas compatibles pueden tener distinta completitud.

Una distancia acotada con abiertos usuales

d′=min(1,|x−y|).

  1. Triangular

    min(1,a+b)≤min(1,a)+min(1,b) para a,b≥0; combinada con la triangular usual prueba la nueva.

  2. Cerca

    Para 0<r<1, B_d′(x,r)=(x−r,x+r).
  3. Lejos

    d′(0,100)=1, mientras la usual da cien.
Resultado

La topología usual no cambia aunque se acoten las distancias.

Lo comprobamos

Toda condición local de abierto puede usar radios pequeños; las grandes distancias no intervienen en esa comprobación.

Una métrica compatible pero incompleta en ℝ

ρ(x,y)=|arctan x−arctan y|.

  1. Métrica y topología

    Es la distancia usual trasladada por la biyección continua arctan:ℝ→(−π/2,π/2), con inversa continua tan.

  2. Sucesión

    arctan n→π/2, así n es Cauchy para ρ.
  3. Falta de límite

    Si n convergiera a un real x para ρ, tendríamos arctan x=π/2, imposible.

Resultado

ρ induce los abiertos usuales y no es completa.

Lo comprobamos

La métrica usual de ℝ sí es completa; la sucesión n ni siquiera es Cauchy en ella.

9. Algunas topologías no pueden proceder de ninguna métrica

En un métrico, dos puntos distintos x,y tienen distancia δ>0. Las bolas de radio δ/3 son disjuntas: un punto en ambas contradiría δ≤d(x,z)+d(z,y)<2δ/3. Esta propiedad topológica se llama Hausdorff.

Por tanto, si una topología no puede separar así dos puntos, no es metrizable. Es una obstrucción necesaria; no estamos afirmando que cualquier Hausdorff sea metrizable. Para criterios suficientes necesitaremos más propiedades de separación y bases.

La topología más pequeña no separa dos puntos

X={a,b}, τ={∅,X}.

  1. Entornos

    El único abierto que contiene a es X; ocurre lo mismo con b.

  2. Separación

    Los dos abiertos siempre se intersectan.

  3. Conclusión

    No hay métrica que produzca exactamente esos abiertos.

Resultado

La topología indiscreta de dos puntos no es metrizable.

Lo comprobamos

Una métrica exigiría bolas pequeñas alrededor de a y b que separasen los puntos.

La topología más grande sí tiene una métrica sencilla

Sobre cualquier conjunto X, usa d(x,y)=0 si x=y y uno si no.

  1. Triangular

    Si x≠z, al menos uno de x≠y o y≠z ocurre, así la suma derecha es al menos uno.

  2. Bolas

    B(x,1/2)={x}.
  3. Abiertos

    Cada subconjunto es unión de estos singletons.

Resultado

La métrica discreta genera todos los subconjuntos abiertos.

Lo comprobamos

La misma construcción sirve para conjuntos finitos o infinitos; su tamaño no impide esta metrización.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un intervalo

Interior y clausura de [0,1) en R usual.

  1. Fijar ambiente

    A=[0,1) en ℝ con topología usual.

    Las bolas son intervalos alrededor de cada real.

  2. Puntos entre los extremos

    Si 0<x<1, un radio menor que min(x,1−x) cabe dentro de A.

  3. Cero no es interior

    Todo intervalo alrededor de cero contiene negativos, así int A=(0,1).

  4. Clausura en los extremos

    Cero ya está en A y todos los entornos de uno contienen puntos de A menores que uno.

  5. Excluir el exterior

    Si x<0 o x>1, un radio menor que su distancia a [0,1] da una bola disjunta de A.

  6. Reunir

    La clausura es [0,1]. Al quitar el interior queda frontera {0,1}.

Resultado

Interior (0,1), clausura [0,1].

Lo comprobamos

La frontera es {0,1}. Uno se añade a la clausura aunque no esté en A, mientras cero está en A pero no en su interior.

EJEMPLO RESUELTO 2

Métrica discreta

d(x,y)=1 si x≠y y cero en otro caso. Describe abiertos.

  1. Verificar condiciones básicas

    La función es no negativa, simétrica y vale cero exactamente entre puntos iguales.

  2. Verificar triangular

    Si x=z es inmediata.

    Si x≠z, al menos una de las distancias d(x,y),d(y,z) vale uno, así su suma es al menos d(x,z).

  3. Bola pequeña

    B(x,1/2)={x}, porque cualquier otro punto queda a distancia uno.

  4. Singleton abierto

    La bola alrededor de x queda dentro de su singleton.

  5. Cualquier subconjunto

    A es unión de los singletons de sus elementos; por tanto es abierto.

  6. Caso vacío y complemento

    La unión vacía también es abierta. Como el complemento de A es otro subconjunto, todos son además cerrados.

Resultado

Todos los subconjuntos son abiertos.

Lo comprobamos

El complemento de cualquier subconjunto también es abierto; por ello todos son además cerrados. La construcción induce la topología discreta.

Los símbolos que hemos usado

d:X×X→[0,∞)
Métrica: distancia definida para cada pareja de puntos de X.
B_d(x,r)
Bola abierta {y∈X:d(x,y)<r}, con radio r>0.
τ
Familia de subconjuntos de X que se declaran abiertos y satisfacen los axiomas de topología.
int A
Interior de A: unión de todos los abiertos contenidos en A.
cl A
Clausura de A: intersección de todos los cerrados que lo contienen.
∂A
Frontera de A, igual a cl A∖int A.

Ahora te toca a ti.

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

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