Universidad de Sonora. Semicontinuidad y Medibilidad de Correspondencias y la Existencia de Selectores Continuos y Medibles

Transcripción

1 Universidad de Sonora División de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Matemáticas Semicontinuidad y Medibilidad de Correspondencias y la Existencia de Selectores Continuos y Medibles Tesis que para obtener el Título de Licenciado en Matemáticas presenta: Alejandra Fonseca Morales Director de Tesis: Dr. Fernando Luque Vásquez 20 de Enero de 2010.

2 SINODALES 2 Dr. Fernando Luque Vásquez, Dr. Oscar Vega Amaya, Dr. Agustín Brau Rojas, Dr. Jesús Adolfo Minjárez Sosa.

3 A mis amores: Luz María, Silvestre, Theodulfa, Omar, José y Daniel.

4 AGRADECIMIENTOS A Dios. A mis maestros. A la familia Álvarez Fonseca y a la familia Zúñiga Vázquez. A todos e gracias!

5 Introducción El objetivo de esta tesis es presentar de una manera accesible a lectores con una formación equivalente a estudios de licenciatura en matemáticas, algunos resultados importantes sobre la existencia de selectores continuos o medibles para multifunciones, también llamadas correspondencias. La motivación para la realización de este trabajo surge del estudio de algunos problemas en la teoría de control estocástico, en los que la existencia de políticas o estrategias óptimas es consecuencia de la existencia de una función medible f X A que satisface u (x) = sup {u(x, a)} = u(x, f(x)), (1) a A(x) en donde X, A son espacios métricos, x A(x) es una correspondencia de X a A y u es una finción de valores reales definida en la gráfica de la correspondencia, K = {(x, a) a A(x), x X}. Si para cada x X se define A (x) = a A(x) u(x, a ) = sup a A(x) {u(x, a)}, entonces la existencia de una función que satisface (1), es equivalente a la existencia de un selector para la correspondecia x A (x).

6 Esta tesis está organizada en 4 capítulos: en el primero se hace una revisión de los conceptos básicos de correspondencias, tales como; la imagen inversa inferior, la imagen inversa superior, la semicontinuidad superior e inferior y algunas operaciones con correspondencias. En el segundo capítulo se analizan los conceptos necesarios para asegurar la existencia de selectores continuos; partición de la unidad subordinada a una cubierta, cubiertas localmente finitas, espacios paracompactos, Teorema de Michael, correspondencia convexa, funciones inf-compactas. El tercer capítulo tiene como objetivo proporcionar los fundamentos teóricos de la medibilidad de correspondencias, los cuales son necesarios para asegurar la existencia de selectores medibles; correspondencias medibles y débilmente medibles, funciones conjuntamente medibles (funciones de Caratheodory), Teorema de selección de Kuratowski-Ryll-Nardzewski, Teorema del Máximo medible. En el capítulo 4 (Apéndice), se agregan algunos resultados que son útiles en los capítulos 2 y 3 para la demostración de varios resultados.

7 Índice general 1. Teoría de Correspondencias Características de una Correspondencia Correspondencias Semicontinuas Operaciones con correspondencias Selectores Continuos Preliminares Primer Teorema de Existencia Teorema de Michael Selectores Medibles Medibilidad de correspondencias Teorema de selección de Kuratowski-Ryll-Nardzewski Teorema del máximo medible Apéndice 65

8 Capítulo 1 Teoría de Correspondencias En este capítulo iniciaremos con la definición del concepto correspondencia, estudiaremos algunas propiedades de correspondencias que nos ayudarán técnicamente para la demostración de algunos resultados posteriores, también veremos el concepto de semicontinuidad de correspondencias y finalmente analizaremos algunas operaciones que se pueden definir con ellas Características de una Correspondencia Definición Sean X, Y conjuntos no vacíos. Una correspondencia ϕ de X a Y es una función que asigna a cada x en X un elemento ϕ(x) del conjunto potencia 2 Y de Y, es decir, ϕ es una función con dominio X y contradominio 2 X. Para representar una correspondencia de X a Y usaremos la notación ϕ X Y. Definición Sea ϕ X Y una correspondencia. La imagen bajo ϕ de A X se define por; ϕ(a) = ϕ(x). x A De este modo el rango de ϕ es ϕ(x). 2

9 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 3 Definimos también a la gráfica de ϕ como el conjunto Grϕ = {(x, y) X Y y ϕ(x)}. Ejemplo Sean X = {1, 2, 3, 4, 5}, Y = {6, 7, 8, 9, 10} y ϕ definida por ϕ(x) = {x + 5} {10}, x X. Claramente, ϕ es una correspondencia y la gráfica de ϕ es: Grϕ = {(x, x + 5), (x, 10) x X}. Ejemplo Sean X = [0, 1] y Y = B 2 (0) = {y R n y < 2}, con la norma euclidiana en R n. Definimos ϕ(t) = {y Y y t} t [0, 1]. Observemos que ϕ es una correspondencia ya que para cada t X el conjunto ϕ(t) Y. Además, la gráfica de ϕ es: Grϕ = {(t, y) [0, 1] R n y t}. Ejemplo Sea ϕ R + {0} R definida por ϕ(k) = { k, k}. La gráfica de la correspondencia ϕ es:

10 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 4 Grϕ = {(k, k), (k, k) k R + {0}}. Observación Una función f X Y puede identificarse con la correspondencia ϕ X Y dada por, ϕ(x) = {f(x)} x X. Sea ϕ X Y una correspondencia y Y un espacio topológico; si para cada x X, el conjunto ϕ(x) tiene una determinada propiedad, diremos que ϕ toma valores con esa propiedad. Así, diremos que ϕ toma valores cerrados, (abiertos, compactos, conexos, resp.), si para cada x X el conjunto ϕ(x) es cerrado, (abierto, compacto, conexo, resp.) en Y. Si Y es un espacio vectorial, entonces diremos que ϕ toma valores convexos, si para cada x X, el conjunto ϕ(x) es convexo en Y. Recordemos que para una función f X Y, la imagen inversa de un subconjunto A de Y se define como f 1 (A) = {x X f(x) A}. Para una correspondencia se tienen dos imágenes inversas, las cuales se definen a continuación. Definición Sea ϕ X Y una correspondencia. a) La imagen inversa superior de un subconjunto A de Y, denotada por s (A), se define como

11 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 5 s (A) = {x X ϕ(x) A}. b) La imagen inversa inferior de un subconjunto A de Y, denotada por i (A), se define como i (A) = {x X ϕ(x) A }. Una relación entre las dos imagenes inversas está dada con la siguiente propiedad, la cual nos será muy útil en la demostración de varios resultados posteriores. Propiedad Sea ϕ X Y una correspondencia y A un subconjunto de Y. Se tiene lo siguiente: a) ( s (A)) c = i (A c ), b) ( i (A)) c = s (A c ). Demostración. La demostración de la parte a) se sigue de que x s (A) ϕ(x) A ϕ(x) A c = x s (A c ) x ( s (A c )) c. La demostración de b) se sigue de la propiedad a), tomando A c en lugar de A. En el siguiente resultado se prueba que la imagen inversa superior de una intersección arbitraria de conjuntos, es la intersección de las imágenes inversas superiores de los conjuntos. Proposición Si ϕ X Y es una correspondencia y {A k } k I es una colección de subconjuntos de Y, entonces s ( k I A k ) = s (A k ). k I

12 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 6 Demostración. Definimos A = s ( k I A k ) y B = k I s (A k ). La igualdad de A y B se sigue de las siguientes equivalencias; x A ϕ(x) A k k I ϕ(x) A k, k I x s (A k ), k I, x B. En el siguente ejemplo se muestra que la imagen inversa inferior de la intersección de conjuntos, no necesariamente es la intersección de las imágenes inversas inferiores de los conjuntos. Ejemplo Considere la correspondencia ϕ R + {0} R definida en el Ejemplo 1.1.3, ϕ(k) = { k, k}. Tomemos A = { 2, 1} y B = ( 2, 2], observemos que; i (A) = {x R + {0} { x, x} { 2, 1} } = {1, 4}, y que i (B) = {x R + {0} { x, x} ( 2, 2] } = [0, 4]. La intersección es i (A) i (B) = {1, 4} [0, 4] = {1, 4}.

13 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 7 Por otro lado A B = { 2, 1} ( 2, 2] = {1} y i (A B) = {x R + {0} { x, x} {1} } = {1}, lo cual prueba que la imagen inversa inferior de la intersección de conjuntos, no necesariamente es la intersección de las imágenes inversas inferiores de los conjuntos. En el siguiente resultado se prueba que la imagen inversa inferior de la unión entre conjuntos, es la unión de las imágenes inversas inferiores de los conjuntos. Proposición Si ϕ X Y es una correspondencia y {A k } k I es una colección de subconjuntos de Y, entonces i ( k I A k ) = i (A k ). k I Demostración. Por la Propiedad 1.1.1, b), i ( k I A k ) = ( s (( k I A k ) c )) c = ( s ( k I A c k ))c, y por la Proposición 1.1.1; ( s ( k I A c k ))c = ( s (A c k ))c k I = ( s (A c k ))c. k I Aplicando nuevamente la Propiedad 1.1.1, b), obtenemos y por lo tanto, ( s (A c k ))c = i (A k ) k I k I i ( k I A k ) = i (A k ). k I

14 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 8 La imagen inversa superior, de una unión de conjuntos, no necesariamente es la unión de las imagines inversas superiores. El siguiente ejemplo demuestra esta afirmación. Ejemplo Sea ϕ R + R la correspondencia definida por ϕ(x) = [ x, x]. Tomemos A = {1, 3}, B = ( 8, 3) y observemos que s (A) = {x R + [ x, x] {1, 3}} =, y que s (B) = {x R + [ x, x] ( 8, 3)} = (0, 3). En consecuencia s (A) s (B) = (0, 3) = (0, 3), mientras que s (A B) = {x R + [ x, x] ( 8, 3]} = (0, 3].

15 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS Correspondencias Semicontinuas Para definir el concepto de correspondencias semicontinuas, requerimos de la noción de vecindad de un punto y vecindad de un conjunto, las cuales se presentan a continuación. Definición Sea X un espacio topológico, x X y F X. Diremos que V es una vecindad de x, si existe un abierto A tal que x A V. Análogamente, S es una vecindad de F si existe un abierto O tal que F O S. A los conjuntos A y O se les llama vecindad abierta de x y F respectivamente. Definición Sean X, Y espacios topológicos y ϕ X Y una correspondencia. a) Se dice que ϕ es semicontinua superiormente en x X, si para cada vecindad U de ϕ(x) existe una vecindad V de x tal que ϕ(z) U z V. b) Se dice que ϕ es semicontinua inferiormente en x X si para cada conjunto abierto U tal que ϕ(x) U, existe una vecindad V de x, tal que ϕ(z) U z V. c) Se dice que ϕ es continua en x X, si es semicontinua superiormente e inferiormente en x. La correspondencia ϕ es semicontinua superiormente (inferiormente) en X, si lo es en cada punto x de X, análogamente ϕ es continua en X si lo es en todo punto x de X. Ejemplo La correspondencia ϕ [0, 1] [0, 1] definida por

16 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 10 ϕ(x) = {0} si x < 1 [0, 1] si x = 1 es semicontinua superiormente en [0, 1], semicontinua inferiormente en [0, 1), pero no es semicontinua inferiormente en [0, 1]. Demostraremos esta afirmación. Primero que ϕ no es semicontinua inferiormente en x = 1. Supongamos lo contrario y tomemos a U = ( 1 4, 1 2 ), entonces U ϕ(1) = ( 1 4, 1 ) 2 [0, 1], por lo tanto, existe V vecindad de x tal que ϕ(z) U z V, pero no puede ser dado que si z V y z 1, entonces ϕ(z) U = {0} ( 1 4, 1 2 ) =, así, ϕ no puede ser semicontinua inferiormente en x = 1. Para probar la semicontinuidad superior de ϕ en x = 1, consideremos una vecindad U de ϕ(1) = [0, 1] y V = ( 1 2, 1] que es vecindad abierta de x = 1. Obsérvese que para cada z V, z 1, ϕ(z) = {0} ϕ(1) = [0, 1] lo que implica que ϕ es semicontinua superiormente en x = 1. Probemos ahora que ϕ es continua en [0, 1). Para esto tomemos x [0, 1) y U una vecindad abierta de ϕ(x) = {0}, en este caso: U {0} si, y sólo si, {0} U, para la vecindad abierta de V = [0, 1), obtenemos que

17 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 11 ϕ(z) = ϕ(x) = {0} U z V por lo tanto ϕ es continua en [0, 1). Ejemplo La correspondencia ψ [0, 1] [0, 1] definida por ψ(x) = [0, 1] si x < 1 {0} si x = 1 es semicontinua inferiormente en [0, 1], semicontinua superiormente en [0, 1), pero no es semicontinua superiormente en [0, 1]. Primero demostremos que ψ no es semicontinua superiormente en x = 1. Tomemos la vecindad U = [0, 3 ) 4 de ψ(1) = {0} y sea V una vecindad arbitraria de x = 1. Entonces, si z V y z 1, el conjunto ψ(z) = [0, 1] no está contenido en U = [0, 3 4 ) y por lo tanto ψ no es semicontinua superiormente en x = 1. Probemos ahora que ψ es semicontinua inferiormente en x = 1. Sea U un conjunto abierto que intersecta a ψ(1) = {0} y tomemos V = ( 1 2, 1] la vecindad abierta de x = 1. Entonces ψ(z) = [0, 1] U z V, por lo tanto, ψ es semicontinua inferiormente en x = 1. Para probar la semicontinuidad superior de ψ en [0, 1), tomemos x [0, 1) y U una vecindad de ψ(x) = [0, 1]. Observe que para V = [0, 1) ψ(z) = [0, 1] U z V, por lo que ψ es semicontinua superiormente en [0, 1). Ahora para la semicontinuidad inferior en [0, 1), supongamos que x [0, 1) y que U es un abierto que intersecta a ψ(x) = [0, 1]. Entonces para la vecindad abierta V = [0, 1) de x, se sigue que

18 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 12 ψ(z) U = [0, 1] U z V, por lo tanto ψ es semicontinua inferiormente en [0, 1). El siguiente teorema proporciona una caracterización de la semicontinuidad superior de una correspondencia entre espacios topológicos, en términos de conjuntos abiertos y cerrados. Teorema Si ϕ X Y es una correspondencia entre espacios topológicos. Entonces los siguientes enunciados son equivalentes: i) ϕ es semicontinua superiormente en X. ii) iii) s (A) es abierto en X para todo conjunto abierto A en Y. i (F ) es cerrado en X para todo conjunto cerrado F en Y. Demostración. i) ii) Supongamos que ϕ es una correspondencia semicontinua superiormente y que A es un abierto en Y. Si s (A) =, el resultado se sigue trivialmente. Supongamos que s (A) es no vacío; probaremos que cada punto x s (A) es un punto interior y así obtendremos que s (A) es un conjunto abierto en X. Sea x s (A). Por la semicontinuidad superior, existe una vecindad V x de x tal que ϕ(z) A z V x de donde se sigue que V x s (A), y por lo tanto, x es un punto interior de s (A). ii) i) Supongamos que para todo subconjunto A abierto en Y, s (A) es un conjunto abierto en X. Por la definición de vecindad, para x X y U una vecindad de ϕ(x) existe un abierto V U en Y tal que ϕ(x) V U U,

19 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 13 entonces V = s (V U ) es una vecindad abierta de x tal que ϕ(z) V U U z V, por lo tanto, ϕ es semicontinua superiormente en X. ii) iii) Por la Propiedad 1.1.1, a), tenemos que ( s (A)) c = i (A c ) A Y. Si A es un subconjunto abierto en Y, entonces: s (A) es abierto en X si, y sólo si, i (A c ) es cerrado en X. El siguiente teorema proporciona una caracterización de la semicontinuidad inferior de una correspondencia entre espacios topológicos, en términos de conjuntos abiertos y cerrados. Teorema Si ϕ X Y es una correspondencia entre espacios topológicos. Entonces los siguientes enunciados son equivalentes: i) ϕ es semicontinua inferiormente en X. ii) iii) i (A) es abierto en X si A es abierto en Y. s (F ) es cerrado en X si F es cerrado en Y. Demostración. i) ii) Supongamos que ϕ es una correspondencia semicontinua inferiormente y que A es un abierto en Y. Si el conjunto i (A) es vacío, entonces es abierto en X. Supongamos que i (A) es diferente del vacío. Por la semicontinuidad inferior, para cada x en i (A) existe una vecindad abierta V x de x, tal que ϕ(z) A z V x,

20 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 14 la definición de V x y la definición de i (A) implican que V x i (A). lo cual muestra que x es un punto interior de i (A). Por lo tanto, tenemos que i (A) es un conjunto abierto en X. ii) i) Supongamos que i (A) es un conjunto abierto en X, donde A es un abierto en Y. Sea x en X y U una vecindad abierta en Y cuya intersección con ϕ(x) sea diferente del vacío. Por hipótesis, V x = i (U) es vecindad abierta de x tal que ϕ(z) U z V x, por lo tanto, ϕ es una correspondencia semicontinua inferiormente en X. Y, iii) ii) Por la Propiedad 1.1.1, b) tenemos que para todo subconjunto U en ( i (U)) c = s (U c ). Así, para A un abierto en Y, i (A) es abierto en X si, y sólo si, s (A c ) es cerrado en X. Considerando una correspondencia definida entre espacios métricos, obtenemos caracterizaciones, por medio de sucesiones, para la semicontinuidad superior y la semicontinuidad inferior, como se muestra en los siguentes dos reultados. Teorema Sean X, Y espacios métricos y ϕ X Y una correspondencia. Los siguientes enunciados son equivalentes:

21 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 15 1) ϕ es semicontinua inferiormente en x. 2) Para cada sucesión (x n ) n N convergente a x y para cada y en ϕ(x) existe una sucesión (y n ) n N que converge a y y tal que y n ϕ(x n ) n N. 3) Para cada sucesión (x n ) n N convergente a x y para cada y ϕ(x) existe una sucesión (y k ) k N convergente a y y una subsucesión (x nk ) k N tal que y k ϕ(x nk ) k N. Demostración. 1) 2) Suponga que ϕ es semicontinua inferiormente en x. Sea (x n ) n N una sucesión convergente a x y sea y un punto en ϕ(x). Como y está en B 1 (y) ϕ(x), por la semicontinuidad inferior de ϕ existe una vecindad V 1 de x tal que ϕ(z) B 1 (y) z V 1, y por la convergencia de la sucesión (x n ) n N a x existe n 1 en N tal que x n V 1 para todo n n 1. Luego, como y B 1 (y) ϕ(x), por la semicontinuidad inferior de ϕ existe una 2 vecindad V 2 de x tal que ϕ(z) B 1 (y) z V 2, 2 y existe n 2 > n 1 en N tal que x n V 2 para todo n n 2. Procediendo inductivamente tenemos que para cada k N, el punto y pertenece a B 1 (y) ϕ(x) y por la semicontinuidad inferior de ϕ existe una vecindad V k de x k tal que ϕ(z) B 1 (y) z V k. k

22 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 16 Además, por la convergencia de la sucesión (x n ) n N a x existe n k > n k 1 en N tal que x n V k para todo n n k. Definamos la sucesión (y n ) n N de la siguiente forma: Para n < n 1, sea y n un punto arbitrario en ϕ(x n ). Para n 1 n < n 2, tome y n ϕ(x n ) B 1 (y). Para n k n < n k+1, tome y n en ϕ(x n ) B 1 (y). k Entonces para cada natural n, el punto y n está en ϕ(x n ) B 1 (y). Por lo tanto k la sucesión (y n ) n N converge al punto y, además y n está en ϕ(x n ) para toda n N. 2) 3) La demostración de esta implicación es trivial. 3) 1) Supongamos que ϕ no es semicontinua inferiormente en x, es decir, existe un conjunto abierto U con ϕ(x) U, y tal que para toda vecindad V de x existe z v V tal que ϕ(z v ) U =, por lo tanto, para cada número natural n la vencindad B 1/n (x) contiene un punto x n que satisface que ϕ(x n ) U =. Observemos que la sucesión (x n ) n N converge a x y que ϕ(x n ) U = n N. Sea y un elemento de ϕ(x) U. Como (x n ) n N converge a x, se sigue por hipótesis que existe una sucesión (y k ) k N convergente a y y una subsucesión (x nk ) k N de (x n ) k N tal que

23 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 17 y k ϕ(x nk ) U c k N, lo cual implica que y U c puesto que U c es cerrado. Lo anterior contradice el hecho que y ϕ(x) U, por lo tanto, ϕ es semicontinua inferiormente en x. Teorema Sean X, Y espacios métricos y una correspondencia ϕ X Y. Los siguientes enunciados son equivalentes: 1) ϕ es semicontinua superiormente en x y ϕ(x) es compacto. 2) Para cada sucesión ((x n, y n )) n N Grϕ, tal que (x n ) n N es convergente a x, se tiene que la sucesión (y n ) n N tiene un punto de acumulación en ϕ(x). Demostración. 1) 2) Suponga que ϕ es una correspondencia semicontinua superiormente en x y que ϕ(x) es compacto en Y. Sea ((x n, y n )) n N Grϕ, tal que la sucesión (x n ) n N converge al punto x y supongamos que (y n ) n N no tiene un punto de acumulación en ϕ(x), entonces para cada punto y ϕ(x) existe r y > 0, tal que y n no está en B ry (y) para n suficientemente grande. Puesto que ϕ(x) B ry (y). y ϕ(x) y ϕ(x) es compacto, entonces existen puntos y 1, y 2,..., y k en ϕ(x) tales que ϕ(x) U = k B ry (y i=1 i i). El conjunto U es vecindad abierta de ϕ(x) y por la semicontinuidad superior existe una vecindad abierta V de x tal que ϕ(z) U z V.

24 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 18 Además, por la convergencia de la sucesión (x n ) n N al punto x existe M N tal que para todo n M, x n V y y n ϕ(x n ) U, n M. Lo cual es una contradicción, pues para n suficientemente grande y n U. 2) 1) Supongamos que ϕ no es semicontinua superiormente en x, entonces existe una vecindad abierta U de ϕ(x), tal que para toda vecindad V de x existe x v en V tal que ϕ(x v ) U c. Así, para cada n en N existe x n un punto en B 1 (x) tal que n ϕ(x n ) U c, claramente, la sucesión (x n ) n N converge a x. Si y n está en ϕ(x n ) U c, entonces la sucesión (y n ) n N está totalmente contenida en el conjunto cerrado U c y como ϕ(x) U c =, implica que (y n ) n N no tiene un punto de acumulación en ϕ(x), lo cual contradice la hipótesis, por lo tanto, la correspondencia ϕ es semicontinua superiormente en x. Para probar la compacidad del conjunto ϕ(x) basta con suponer nuevamente que se cumple 2). Sea (y n ) n N una sucesión contenida en ϕ(x) y definimos para toda n, x n x es claro que (x, y n ) Grϕ, la sucesión (y n ) n N tiene un punto de acumulación en ϕ(x), lo cual implica que la sucesión (y n ) n N posee una subsucesión convergente, por lo tanto, ϕ(x) es compacto.

25 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 19 Ejemplo La correspondencia ϕ [0, 10] [0, 10] definida por ϕ(x) = [0, x], es una correspondencia continua en [0, 10]. Primero probemos que ϕ es semicontinua inferiormente en [0, 10]. Sea x [0, 10], y ϕ(x) y (x n ) n N una sucesión convergente a x. Si x = y la sucesión (x n ) n N es tal que x n ϕ(x n ) y además es convergente a x. Si x y, tenemos que para ɛ = x y > 0, existe N N tal que x n (x ɛ, x] n N, esto implica que para toda n N, el punto y ϕ(x n ). Para n < N tomemos y n un punto arbitrario en ϕ(x n ) y para n N tomemos y n y, entonces la sucesión (y n ) n N es tal que y n ϕ(x n ) y es convergente a y. Probemos ahora la semicontinuidad superior en [0, 10]. Sea x [0, 10], (x n ) n N una sucesión convergente a x y (y n ) n N una sucesión tal que y n ϕ(x n ). Caso 1, si existe una subsucesión (y nk ) k N de (y n ) n N tal que y nk ϕ(x) k N, entonces por la compacidad de ϕ(x), se sigue que (y nk ) k N contiene una subsucesión convergente en ϕ(x), por lo que la sucesión (y n ) n N posee un punto de acumulación en ϕ(x). Caso 2, supongamos que no pasa el caso uno, eso quiere decir que para toda n N excepto posiblemente por una cantidad finita de índices n, y n [x, x n ], como (x n ) n N converge a x, entonces (y n ) n N converge a x, por lo tanto, (y n ) n N tiene un punto de acumulación en ϕ(x) y así finalmente ϕ es continua en [0, 10].

26 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS Operaciones con correspondencias En esta sección se definen algunas operaciones con correspondencias, tales como la correspondencia cerradura y la correspondencia intersección, además veremos un caso en particular para el cual, la correspondencia intersección de dos correspondencias semicontinuas inferiormente, es semicontinua inferiormente, dado que en general este resultado es falso. Definición Sea ϕ una correspondencia entre espacios topológicos. La correspondencia cerradura de ϕ, denotada por ϕ se define por ϕ(x) = ϕ(x). Proposición Si ϕ X Y es una correspondencia entre espacios topológicos, U un subconjunto abierto en Y y x 0 X, entonces ϕ(x 0 ) U si, y sólo si, ϕ(x 0 ) U. Demostración. Se sigue de la Proposición El siguiente resultado muestra la relación de semicontinuidad entre una correspondencia y la correspondencia cerradura. Lema Si ϕ X Y es una correspondencia entre espacios topológicos y x 0 X. Entonces 1.- ϕ es semicontinua inferiormente en x 0 si, y sólo si, ϕ es semicontinua inferiormente en x Si Y es normal y ϕ es semicontinua superiormente en x 0, entonces ϕ es semicontinua superiormente en x 0. Demostración. 1) Sea U un conjunto abierto cuya intersección con ϕ(x 0 ) es no vacío. Por la Proposición tenemos que

27 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 21 ϕ(x) U si, y sólo si, ϕ(x) U. El resultado se sigue de la definición de semicontinuidad inferior. 2) Supongamos que ϕ es semicontinua superiormente en x 0 y que U es un conjunto abierto en Y tal que ϕ(x 0 ) U. Como Y es normal, por el Lema 4.0.3, existe un abierto G, tal que ϕ(x 0 ) G G U. Además, por la semicontinuidad superior de ϕ el conjunto W = s (G) es una vecindad abierta de x 0, más aun, para cada z W, ϕ(z) G, se tiene que ϕ(z) G U z W, por lo tanto, la correspondencia cerradura ϕ es semicontinua superiormente en x 0. A continuación se introducen las definiciones de correspondencia intersección, correspondencia unión y correspondencia producto, las cuales nos serán utiles en los capítulos 2 y 3. Definición Sea {ϕ k k K} una familia de correspondencias entre los conjuntos X y Y, definimos para cada x de X 1) La correspondencia unión por ( k K ϕ k )(x) = k K (ϕ k (x)). 2) La correspondencia intersección por ( k K ϕ k )(x) = k K (ϕ k (x)).

28 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 22 3)La correspondencia producto ψ X Y N por ψ(x) = n=1 ϕ n (x). El siguiente ejemplo muestra que, en general, la intersección de correspondencias semicontinuas inferiormente no necesariamente es semicontinua inferiormente. Ejemplo Las correspondencias ϕ, ϑ [0, 1] [0, 1] definidas por ϕ(x) = {x} y ϑ(x) = {1 x} son continuas (en particular semicontinuas inferiormente). La correspondencia intersección es γ(x) = (ϕ ϑ)(x) = { 1 2 } si x = 1 2 si x 1 2. Probemos que γ no es semicontinua inferiormente. Sea U un conjunto abierto en Y tal que U (ϕ ϑ)( 1 2 ) = U { 1 2 }, entonces (ϕ ϑ) 1 i (U) = { 1 2 } y como { 1 } 2 es un conjunto cerrado, implica que ϕ ϑ no es semicontinua inferiormente. En el siguente teorema se presenta un caso particular donde se tiene que la intersección entre correspondencias semicontinuas inferiormente es semicontinua inferiormente.

29 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 23 Teorema Sea f una función continua de un espacio topológico X a un espacio métrico Y y β > 0 fijo. Si ϕ X Y es una correspondencia semicontinua inferiormente tal que ϕ(x) ξ(x) x X donde ξ X Y es la correspondencia definida por ξ(x) = B β (f(x)). Entonces la correspondencia intersección ϕ ξ es semicontinua inferiormente. Demostración. Sean G un subconjunto abierto en Y y A = (ϕ ξ) 1 i (G). Si A es no vacío y z A, tenemos que B = ϕ(z) ξ(z) G. Además, como ξ(z) G es un conjunto abierto, entonces para cada y B existe η > 0 tal que B 2η (y) ξ(z) G = B β (f(z)) G, (1.1) lo cual implica que d(y, f(z)) < β 2η. Por otra parte, por la continuidad de la función f implica que existe V una vecindad abierta de z tal que d(f(v), f(z)) < η v V,

30 CAPÍTULO 1. TEORÍA DE CORRESPONDENCIAS 24 además, para cada v V, se tiene que B η (y) B β (f(z)) G = ξ(v) G, puesto que si s B η (y) entonces d(s, f(v)) d(s, y) + d(y, f(z)) + d(f(z), f(v)) < η + β 2η + η = β. Obsérvese que ϕ(z) B η (y) es no vacío porque al menos está el punto y. Como ϕ es semicontinua inferiormente existe U una vecindad abierta de z tal que ϕ(u) B η (y) u U. (1.2) Por (1.1) y (1.2) la vecindad abierta V U de z es tal que B η (y) ξ(x) G y ϕ(x) B η (y) x V U. Por lo tanto, ϕ(x) ξ(x) G, lo cual implica que la vecindad abierta V U de z es un subconjunto de A y por lo tanto, (ϕ ξ) 1 i (G) es un abierto en X y así la correspondencia ϕ ξ es semicontinua inferiormente en X.

31 Capítulo 2 Selectores Continuos 2.1. Preliminares Antes de comenzar con el estudio de selectores continuos de una correspondencia, estudiaremos primero algunos conceptos y resultados básicos que nos ayudarán a demostrar la existencia de tales selectores, entre estos conceptos se encuentra la llamada partición de la unidad, la cual se define a continuación. Definición Sea X un espacio topológico y {G i i I} una cubierta abierta para X. Una partición de la unidad subordinada a la cubierta {G i i I}, es una familia de funciones continuas de X en [0, 1] que satisface: a) Sólo un número finito de funciones de la familia toman valor diferente de cero para todo x X, b) f i (x) = 0 para todo x X G i y c) i I f i (x) = 1 para todo x en X. Ejemplo Sea {G 1 = (, 1), G 2 = ( 1, )} una cubierta para R. Una partición de la unidad subordinada a la cubierta {G 1, G 2 } es la familia de funciones {f 1, f 2 } definidas por, 25

32 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 26 f 1 (x) = 1 si x 1 1/2x si 1 < x 1 0 si x > 1 y f 2 (x) = 0 si x 1 1/2x si 1 < x 1 1 si x > 1 Estas funciones satisfacen que si x G c 1 = [1, ), entonces f 1(x) = 0 y si x G c 2 = (, 1] entonces f 2(x) = 0. Por último, para cada x en R, f 1 (x) + f 2 (x) = 1. Como se dice coloquialmente, conforme avanzamos en este trabajo esta teoría va tomando sabor, así pues, el siguiente lema asegura la existencia de una partición de la unidad subordinada a una cubierta abierta, cuando esta cubierta es finita. Lema Sea X un espacio normal. Si {G 1, G 2,..., G n } es una cubierta abierta finita de X, entonces existe una partición de la unidad subordinada a la cubierta {G 1, G 2,..., G n }. Demostración. Construiremos una nueva cubierta {V 1, V 2,..., V n } de conjuntos abiertos para X, tal que satisfaga las siguientes condiciones: i) V i V i G i para cada i = 1, 2,..., n. ii) {V i i j} {G i i > j} para cada j = 1, 2,..., n, es una cubierta de X. Primero definimos el conjunto F 1 = X n G i, i=2

33 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 27 que es un conjunto cerrado y es un subconjunto del abierto G 1. Por normalidad del espacio X (ver Lema 4.0.3), existe un conjunto abierto V 1 tal que F 1 V 1 V 1 G 1, es decir, el conjunto abierto V 1 satisface la condición i) y además, la familia {V 1, G 2,..., G n } cubre a X, por lo tanto se satisface la condición ii). Supongamos que existen conjuntos abiertos V 1, V 2,..., V k 1, con 1 < k 1 < n que satisfacen la condición i) y ii). Para definir el conjunto V k, sea F k = X ( k 1 i=1 V i n i=k+1 G i ), el cual es un conjunto cerrado y un subconjunto del abierto G k. Si s F k, entonces s X y s ( k 1 V i ) ( n G i ), i=1 i=k+1 es decir, para i = 1,..., k 1, el punto s V i y para i = k + 1,..., n, el punto s G i. Como X = G 1 G n, se obtiene que s G k. Por la normalidad del espacio X, existe un conjunto abierto V k, tal que F k V k V k G k. Falta probar que {V i i k} {G i i > k} es una cubierta para X. Si x es un elemento de X = G 1 G n, entonces x es un elemento de G i para algún i = 1,..., n. Obsérvese que si para algún i 0 {k + 1,..., n}, x G i0, entonces x {V i i k} {G i i > k}. Si x X n i=k+1 G i y usando que F k V k, obtenemos que x ( k 1 V i ) (X ( n i=1 i=k+1 G i k 1 i=1 en consecuencia x {V i i k} {G i i > k}. V i )) k 1 V i V k, i=1

34 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 28 Inductivamente, hemos construido una cubierta {V 1, V 2,..., V n }, que satisface las condiciones i) y ii). Como los conjuntos X G i y V i son cerrados y ajenos en X, por la normalidad del espacio X y el Lema de Urysohn, (ver Lema 4.0.5), para cada i {1,..., n}, podemos encontrar una función continua g i de X al intervalo [0, 1] tal que a) g i (x) = 0 si x X G i b) g i (x) = 1 si x V i. Finalmente, definamos f i X R por, f i (x) = g i (x) ( n k=1 g k(x)) Observemos que para cada x X la suma n k=1 g k(x) es diferente de cero dado que la familia {V 1, V 2,..., V n } cubre a X y por lo tanto, existe V j tal que x V j y g j (x) = 1. Además, se satisface lo siguiente: n i=1 f i (x) = f i (x) = n i=1 g i (x) ( n k=1 g k(x)) = 0 si x X G i. g i (x) ( n k=1 g = 1 para cada x X, k(x)) es decir, {f i } n i=1 es una partición de la unidad subordinada a {G 1,..., G n }. Definición Un selector o selección de una correspondencia ϕ X Y, es una función f X Y que satisface para cada x en X, f(x) ϕ(x). Ejemplo Sea ϕ N N definida por: ϕ(n) = {n, n + 1, n 2 }.

35 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 29 Sean f 1, f 2, f 3 funciones de N en N dadas por: f 1 (n) = n f 2 (n) = n + 1 f 3 (n) = n 2. Claramente, para cada n en N, f 1 (n), f 2 (n), f 3 (n) son elementos de ϕ(n) y por lo tanto f 1, f 2, f 3 son selectores de la correspondencia ϕ. Como se ha mencionado antes, uno de nuestros objetivos para este trabajo y de este capítulo es establecer condiciones garantizar la existencia de selectores continuos de una correspondencia, de modo que, como su nombre lo dice, un selector continuo es una función que además de ser un selector es una función continua. Ejemplo Sea ϕ R R la correspondencia dada por: ϕ(x) = [ 1, 1]. La función f(x) = sen(x), x R es un selector de ϕ, f(x) = sen(x) [ 1, 1] = ϕ(x). Considerando que f es continua, se tiene que f es un selector continuo de ϕ Primer Teorema de Existencia A continuación el primer Teorema de existencia de selectores continuos para una familia de correspondencias muy particular. Teorema Sea X un espacio Hausdorff compacto y ϕ una correspondencia de X a un espacio normado Y con valores convexos. Si para cada y Y, el conjunto i ({y}) = {x X y ϕ(x)},

36 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 30 es un abierto en X, entonces ϕ tiene un selector continuo. Demostración. Notemos que la colección de conjuntos { i ({y}) y Y } es una cubierta abierta para X. Entonces por la compacidad de X existen y 1, y 2,..., y n puntos en Y tales que Sea A = { i X n i ({y j }). j=1 i i ({y 1 }), ({y 2 }),..., ({y n })}. Como X es un espacio Hausdorff compacto, por el Lema 4.0.4, X es normal y por el Lema 2.1.1, existe una partición de la unidad {f j j {1, 2,..., n}} subordinada a la cubierta A. Definimos σ X Y por σ(x) = n j=1 f j (x)y j. Dado que σ es suma finita de funciones continuas de X a Y obtenemos que σ es una función continua en X. Para los índices j {1,..., n} tal que x i ({y j }), se tiene que y j ϕ(x). Obtenemos que σ(x) es una combinación convexa de los puntos y j los cuales son elementos del conjunto convexo ϕ(x), por lo tanto, σ(x) ϕ(x), en consecuencia σ es un selector continuo de ϕ. Ejemplo Consideremos la correspondencia ϕ [0, 1] [0, 1] dada por ϕ(x) = ( 1 4, 3 4 ) si x [0, 1 4 ] [ 3 4, 1] [0, 1] si x ( 1 4, 3 4 ). El Teorema asegura que la correspondencia ϕ posee un selector continuo, puesto que para cada y [0, 1],

37 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 31 i ({y}) = ( 1 4, 3 4 ) si y [0, 1 4 ] [ 3 4, 1] [0, 1] si y ( 1 4, 3 4 ), es abierto en [0, 1]. Es importante hacer la observación de que las condiciones del Teorema son muy fuertes, lo que lo hace un resultado muy débil, por esta razón, es necesario introducir nuevos conceptos que nos permitan tener resultados mucho más generales. Definición Una cubierta de un espacio X es localmente finita, si para cada punto x en X existe una vecindad de x que se intersecta sólo con una cantidad finita de los miembros de la cubierta. Definición Si C 1, C 2 son cubiertas para un espacio topológico, C 1 es llamada un refinamiento de C 2, si cada elemento de C 1 es un subconjunto de algún elemento de C 2. Ejemplo Las cubiertas V = {V 1, V 2,..., V n } y G = {G 1, G 2,..., G n } definidas en la demostración del Lema 2.1.1, satisfacen que V es un refinamiento de G. Definición Un espacio topológico se llama paracompacto, si es Hausdorff y toda cubierta abierta tiene un refinamiento abierto localmente finito. Proposición Si X es un espacio Hausdorff compacto, entonces X es un espacio paracompacto. Demostración. Sea A = {G i i I} una cubierta abierta para el espacio X. Por compacidad existe una subcubierta abierta finita de A, digamos B = {G 1, G 2,..., G n }.

38 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 32 que cubre al espacio X. Como los elementos de la cubierta B son elementos de A, se sigue que B es un refinamiento abierto localmente finito de A, por lo tanto el espacio X es un espacio paracompacto. Proposición Si X es un espacio métrico, entonces X es un espacio paracompacto. Demostración. La demostración se puede encontrar en el Teorema 3.22 en [1]. Teorema Si {A α α I} es una cubierta localmente finita de un espacio topológico X. Entonces a) {A α α I} es también una cubierta localmente finita. b) Para cada J I, el conjunto {A α α J} es cerrado en X. Demostración. a) Si x es un elemento de X, entonces existe una vecindad abierta U x de x tal que para toda α I, excepto en una cantidad finita de índices α, U x A α =, lo cual implica que para toda α I, excepto en una cantidad finita de índices α, A α U c x. Como U c x es un conjunto cerrado, obtenemos que para toda α en I, excepto en una cantidad finita de índices α, A α U c x, y por lo tanto {A α α I} es también una cubierta localmente finita de X. b) Sea D = β J A β con J I, entonces D c = A c β. β J

39 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 33 Si D = X terminamos la demostración. Si D c es diferente del vacío, para x en D c se tiene, por el inciso a), que existe U x una vecindad abierta de x tal que U x A βi, lo cual es válido sólo para un número finito de índices β i I. Si definimos L = {β i J U x A βi }, entonces U x A β, β L es una vecindad abierta de x totalmente contenida en D c, lo que implica que el conjunto D c es abierto y en consecuencia el conjunto D es cerrado. Lema Sea X un espacio paracompacto. Si {U α } α J es una cubierta abierta de X, entonces existe una familia localmente finita {V α } α J de conjuntos abiertos que recubre a X y tal que V α U α para cada α J. Demostración. Sea A una familia de conjuntos definida por; A = {A X A es abierto y A U α para algún α}. Veamos que A es una cubierta para X. Sea x un elemento de X, entonces existe α J tal que x U α. Como X es un espacio Hausdorff compacto entonces por la Proposición el espacio X es regular, por lo tanto para el conjunto cerrado Uα c que no contiene a x, existen conjuntos abiertos ajenos A y B tales que x A y U c α B. De modo que

40 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 34 A B c y A B c U α, por lo tanto A es un elemento de A y como x es arbitrario, se sigue que A es una cubierta para X. Ahora, como X es un espacio paracompacto entonces A posee un refinamiento abierto localmente finito B = {B β } β K y como B refina a A, podemos definir una función f K J eligiendo para cada β en K un elemento α en J tal que B β U α, es decir, f(β) = α. Para cada α en J definimos V α V α = {B β f(β) = α}, (si no existe β en K tal que f(β) = α, entonces V α es vacío). Observemos que por el Teorema 2.1.2, b), V α = {B β f(β) = α} {B β f(β) = α} U α. Finalmente, comprobemos que la colección de conjuntos {V α } α J es localmente finita. Sea x en X y W una vecindad de x tal que se intersecta sólo con una cantidad finita de elementos en B, digamos B β1, B β2,..., B βn. Entonces V α puede intersectar a W sólo si, α {f(β 1 ), f(β 2 ),..., f(β n )}, por lo tanto, {V α } α J es una familia localmente finita de conjuntos abiertos que recubre a X y es tal que para cada α en J, V α U α. Lema Si {G α α J} es una cubierta abierta localmente finita para un espacio paracompacto X, entonces existe una partición de la unidad subordinada a la cubierta G α.

41 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 35 Demostración. Aplicando dos veces el Lema se pueden encontrar familias localmente finitas {W α } α J y {V α } α J de conjuntos abiertos que cubren a X y tales que para cada α J, W α V α y V α G α. Dado que X es paracompacto, obtenemos que es normal y por el Lema de Urysohn, (ver Lema 4.0.5), podemos encontrar para cada α en J, una función continua g α X [0, 1] tal que g α (W α ) = {1} y g α (X V α ) = {0}. Definimos para cada α en J y para cada x en X, f α (x) = g α (x) j J g j (x). Para ver que las funciones f α están bien definidas, sea x X. Dado que los conjuntos {W α } α J cubren a X, existe un V α0 que contiene a x y tal que se intersecta sólo con un número finito de conjuntos W α, significa que para un número finito de índices α, g α (x) 0, lo cual implica que α J g α (x) es diferente de cero y es finito. Observese además, que por lo anterior f α es continua en V α0 y por lo tanto continua sobre X. Además, se satisface lo siguiente: y f α (x) = g α (x) j J g j (x) = 0 si x X G α X V α g α (x) f α (x) = = 1 x X, α J α J j J g j (x) por lo tanto, {f α } α J es una partición de la unidad subordinada a la cubierta {G α } α J.

42 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 36 Teorema Sea X un espacio paracompacto y Y un espacio normado. Si ϕ X Y es una correspondencia semicontinua inferiormente con valores convexos, entonces para cada β > 0, existe un selector continuo f β X Y de la correspondencia ψ X Y definida por ψ(x) = N(ϕ(x), β) = {y Y s ϕ(x) tal que d(y, s) < β}. Demostración. Para β en R + fijo, definamos para cada y en Y el conjunto U y = i (B β (y)). Como la correspondencia ϕ es semicontinua inferiormente, por el Teorema 1.2.2, se sigue que U y es abierto en X. Por lo anterior, la familia {U y y Y } es una cubierta abierta para el espacio paracompacto X, entonces existe un refinamiento abierto localmente finito {G i i I}. Por el Lema existe {π i i I} una partición de la unidad subordinada a la cubierta {G i i I} y como la familia {G i i I} es un refinamiento de la familia {U y y Y }, para cada i en I existe y (i) en Y tal que G i U y(i). Definamos la función f β X Y como: f β (x) = i I π i (x)y (i). Notemos que para cada x X existe una vecindad V x de x, el cual se intersecta sólo con un número finito de elementos de la cubierta {G i i I}, lo cual implica que a lo más, para un número finito de índices π i (x) 0, por lo tanto, f β está bien definida. Además, dado que las funciones π i son continuas, se sigue que f β es una función continua en V x y por lo tanto continua sobre X. Probemos ahora que para cada x X, f β (x) ψ(x). Como f β (x) es una combinación convexa de puntos y (i), entonces para cada j I tal que x G j U y(j) sigue que x i (B β (y (j) )) y que se

43 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 37 ϕ(x) B β (y (j) ), por lo anterior y (j) es un elemento de la nube N(ϕ(x), β), el cual es un conjunto convexo y dado que ϕ(x) es convexo, f β (x) ψ(x) Teorema de Michael Después de una larga trayectoria de trabajo tenemos las herramientas necesarias para demostrar la existencia de selectores continuos para una corespondencia, lo cual se afirma en el Teorema de Michael (la demostración original de este teorema se encuentra en [6]). Teorema Si X es un espacio paracompacto, Y un espacio Banach y ϕ X Y es una correspondencia con valores cerrados, convexos y además semicontinua inferiormente, entonces ϕ tiene un selector continuo. Demostración. Iniciaremos construyendo una sucesión de funciones continuas (f i ) i N que satisfagan las siguientes condiciones: a) f i (x) es un elemento de la bola B 2 i+2(f i 1 (x)), para cada i = 2, 3,... b) f i (x) es un elemento de la nube N(ϕ(x), 2 i ), para cada i en N. Por el Teorema 2.1.3, para β = 2 1 existe una función continua de X a Y a la que llamaremos f 1, tal que f 1 (x) N(ϕ(x), 2 1 ), es decir, f 1 satisface la condición b). Supongamos que tenemos f 1, f 2,..., f n son funciones continuas de X a Y que satisfacen la condición b). Para determinar la función f n+1, definamos para cada x en X la correspondencia;

44 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 38 ψ(x) = ϕ(x) (B 2 n(f n (x))). Por la condición b), tenemos que existe y ϕ(x) tal que f n (x) y < 2 n. es decir, y B 2 n(f n (x)), significa que para cada x en X, la correspondencia ψ toma valores no vacíos. Además, la correspondencia ψ toma valores convexos dado que la correspondencia ϕ toma valores convexos y la bola B 2 n(f n (x)) es también convexa. Luego, por el Teorema 1.3.1, ψ es una correspondencia semicontinua inferiormente. Tenemos entonces que ψ(x) es una correspondencia que satisface las condiciones del Teorema 2.1.3, así que para β = 2 (n+1) existe una función continua f n+1 X Y tal que f n+1 (x) N(ψ(x), 2 (n+1) ), y como ψ(x) ϕ(x), se sigue que f n+1 (x) N(ϕ(x), 2 (n+1) ), por lo tanto, la función f n+1 satisface la condición b). Por otra parte, puesto que ψ(x) B 2 n(f n (x)), obtenemos que f n+1 (x) B 2 n +2 (n+1)(f n(x)) B 2 n+1(f n (x)), con lo que para i = n+1 se tiene la condición a). La construcción anterior nos asegura la existencia de una sucesión de funciones continuas (f n ) n N de X a Y, que satisface las condiciones a) y b) y por la condición a), tenemos que para toda n en N y toda x en X, f n+1 (x) f n (x) < 2 n+1.

45 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 39 Notemos que si m > n entonces f m (x) f n (x) f m (x) f m 1 (x) f n+1 (x) f n (x) < 2 m n+1 = 2 n+1 [ m+n+1 ] < 2 n+1 (2) = 2 n+2. Sea ɛ > 0 y n ɛ N, tal que 2 nɛ+2 < ɛ, por lo anterior se tiene que para m > n > n ɛ f m (x) f n (x) < 2 n+2 < 2 nɛ+1 < ɛ x X, entonces (f n ) n N es una sucesión de Cauchy uniforme. Como el espacio Y es completo, (f n ) n N converge uniformemente a una función f X Y y dado que cada función es continua, por el Teorema la función f es también continua. Por la condición b), ˆd(f n (x), ϕ(x)) < 2 n n N, donde ˆd(f n (x), ϕ(x)) = inf { f n (x) y y ϕ(x)}, por la Proposición 4.0.5, la función ˆd es continua, por lo tanto aplicando límite cuando n tiende a infinito, obtenemos ˆd(f(x), ϕ(x)) = 0. Por la Proposición 4.0.4, el punto f(x) está en la cerradura de ϕ(x) y como ϕ toma valores cerrados, f(x) ϕ(x). Concluimos que la función f es un selector continuo de la correspondencia ϕ. Como corolarios al Teorema de Michael a continuación se presentan algunos resultados. Definición Una función g Y R r Z R s, con Y, Z conjuntos convexos, se dice ser convexa si: g((1 λ)y + λy ) (1 λ)g(y) + λg(y ),

46 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 40 para cada y, y Y y λ [0, 1], (la desigualdad es componente a componente). Definición Sea ϕ R p R q una correspondencia con valores convexos no vacíos y sea K la gráfica de ϕ, es decir, K = {(x, y) y ϕ(x), x R p }. Una función g K R se dice ser inf-compacta en K si para toda x R p y todo r R, el conjunto: {y ϕ(x) g(x, y) r}, es compacto. Ejemplo Sea ϕ R + R definida por ϕ(x) = [0, ), y g K R definida por g((x, y)) = x + y. Para r R fijo y x R +, {y [0, ) x + y r} = si x > r [0, r x] si x r. es un conjunto compacto, por lo tanto la función g es inf-compacta en K. Corolario Si ϕ R p R q es una correspondencia con valores no vacíos, cerrados, convexos y semicontinua inferiormente en R p, entonces 1) Existe f un selector continuo de ϕ.

47 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 41 2) Sea g K R una función inf-compacta en K y convexa. Si g (x) = ínf g(x, y), y ϕ(x) entonces para cada x R p, la correspondencia ϕ (x) = {y ϕ(x) g(x, y) = g (x)}, toma valores compactos y convexos. 3) Si ϕ es semicontinua inferiormente, entonces existe un selector continuo f tal que g (x) = g(x, f (x)) x R p. Demostración. 1) Como ϕ R p R q, es una correspondencia con valores cerrados, convexos, semicontinua inferiormente y como R p es un espacio paracompacto (ver Proposición 2.1.2), entonces por el Teorema de Michael, existe f un selector continuo de ϕ. 2) Probemos que para cada x R p, el conjunto ϕ (x) es compacto y convexo. Notemos que para r = g (x) tenemos: ϕ (x) B = {y ϕ(x) g(x, y) r}, y dado que g es inf-compacta el conjunto B es compacto, entonces basta probar que ϕ (x) es un conjunto cerrado. Sea y 0 un punto límite de ϕ (x), entonces existe una sucesión (y n ) n N ϕ (x) que converge al punto y 0. Nótese que por lo anterior y dado que ϕ toma valores cerrados, y 0 ϕ(x) B. Lo cual implica que g(x, y 0 ) = g (x). Por lo tanto, ϕ (x) es compacto.

48 CAPÍTULO 2. SELECTORES CONTINUOS 42 Probemos ahora la convexidad del conjunto ϕ (x). Sean y, y en ϕ (x), g (x) = λg (x) + (1 λ)g (x) = λg(x, y) + (1 λ)g(x, y ) g(x, λy + (1 λ)y ) ínf g(x, y ϕ(x) y ) = g (x), por lo tanto ϕ (x) es un conjunto convexo. 3) Como ϕ es semicontinua inferiormente, por el Teorema de Michael, existe un selector continuo f de ϕ, que satisface para cada x R p, g(x, f (x)) = g (x).

49 Capítulo 3 Selectores Medibles 3.1. Medibilidad de correspondencias. En este capítulo estudiaremos algunas condiciones para que una correspondencia posea un selector medible. Para iniciar con el estudio de selectores medibles recordemos que una función f (X, X ) (Y, Y ) entre espacios medibles es medible, si para cada A Y, el conjunto f 1 (A) es un elemento de X. El concepto de medibilidad también se tiene para correspondencias y se define como sigue: Definición Sea (X, ) un espacio medible y Y un espacio topológico. Se dice que una correspondencia ϕ X Y es: a) Débilmente medible, si i (G) está en la σ álgebra, para cada abierto G Y. b) Medible, si i (F ) está en la σ álgebra, para cada cerrado F Y. De manera análoga podemos definir los conceptos de la Definición como lo dice la siguiente proposición, cuya demostración se sigue directamente de la Propiedad

50 CAPÍTULO 3. SELECTORES MEDIBLES 44 Proposición Sean (X, ) un espacio medible, Y un espacio topológico y ϕ X Y. a) ϕ es Débilmente medible si, y sólo si, s (F ), para cada cerrado F Y. b) ϕ es Medible si, y sólo si, s (G), para cada abierto G Y. Ejemplo Sean (X, ) con = {, X} un espacio medible, (Y, τ) con τ = {, X} un espacio topológico y ϕ X Y. Observemos que los conjuntos s ( ) = y s (Y ) = X, son elementos de la σ- álgebra. En conclusión, cualquier correspondencia definida entre estos espacios es siempre una correspondencia medible y débilmente medible. Ejemplo Sean (X, ) un espacio medible, Y un espacio topológico y B Y fijo. La correspondencia ϕ X Y definida por ϕ(x) = B es medible y débilmente medible. Sea A Y arbitrario, a) si B A, entonces s (A) = X, b) si B A c, entonces s (A) =. Por lo tanto, si A es un conjunto abierto o cerrado, es claro que s (A) es un elemento de la σ álgebra. Observación Sea ϕ X Y una correspondencia de un espacio medible X a un espacio topológico Y.

51 CAPÍTULO 3. SELECTORES MEDIBLES 45 Si ϕ es semicontinua inferiormente, entonces ϕ es una correspondencia débilmente medible. Si ϕ es correspondencia semicontinua superiormente, entonces ϕ es una correspondencia medible. La Observación se siguen del Teorema y el Teorema Una relación entre la medibidad y medibilidad débil de correspodencias está dada en el siguiente teorema. Mas concretamente, en este teorema se establecen condiciones bajo las cuales estas propiedades son equivalentes. Teorema Para una correspondencia ϕ (X, ) (Y, d) de un espacio medible a un espacio métrico, tenemos lo siguiente: 1) Si ϕ es medible, entonces es débilmente medible. 2) Si ϕ es débilmente medible y toma valores compactos, entonces es medible. Demostración. 1) Sea G un abierto en Y. Por la Proposición 4.0.6, G es un conjunto F σ y por lo tanto, por la Lema 4.0.6, podemos representar a G como: G = F n, n=1 donde para cada n, el conjunto F n es cerrado en Y. Demostremos que i (G) ; i (G) = i = ( F n ) n=1 i (F n ). n=1 Usando que ϕ es medible, obtenemos que para cada n, i (F n ), por lo tanto es decir, ϕ es débilmente medible. i (G) = i (F n ), n=1 2) Sea F un subconjunto cerrado en Y. Si F es vacío, claramente