Abbildungen und Stetigkeit
Seien also
(M1,d1) und
(M2,d2) zwei
metrische Räume. Eine
Abbildung f:M1→M2 heißt
stetig in
x0 , wenn es für jedes
ϵ>0 ein
δ>0 gibt, so dass für alle
x∈M1 aus
d1(x0,x)<δ folgt, dass
d2(f(x0),f(x))<ϵ; also
f(Uδ(x0))⊆Uϵ(f(x0)).
f ist auf ganz
M1 stetig, wenn
f für alle
Punkte stetig ist.
Satz 16CF (Charakterisierung lokaler Stetigkeit)
Seien also
(M1,d1) und
(M2,d2) zwei
metrische Räume;
f:M1→M2 und
x∈M1. Dann sind folgende Aussagen äquivalent
- f ist stetig in x
- Für jede Umgebung V(f(x))⊆M1 gibt eine Umgebung U(x)⊆M1, so dass f(U(x))⊆V(f(x))
- Das Urbild jeder Umgebung V(f(x))⊆M1 ist eine Umgebung U(x)
Beweis
(ii)
⟹ (iii): Sei
y=f(x),
V(y) eine
Umgebung, dann gibt es eine
Umgebung U(x) mit
f(U(x))⊆V(y) und nach
Satz 5212B ergibt sich
U(x)⊆f−1(f(U(x)))⊆f−1(V(x)). Damit ist das
Urbild von
V(y) Obermenge einer
Umgebung und damit selbst
Umgebung.
(iii)
⟹ (ii): Habe nun
V(y) als
Urbild eine
Umgebung U(x), also
U(x)=f−1(V(y)), dann gilt nach
Satz 5212B f(U(x))=f(f−1(V(y)))⊆V(y).
□
Satz 16CG (Charakterisierung globaler Stetigkeit)
Seien also
(M1,d1) und
(M2,d2) zwei
metrische Räume. Dann sind folgende Aussagen äquivalent
- f:M1→M2 ist stetig
- Das Urbild jeder offenen Menge ist offen
- Das Urbild jeder abgeschlossenen Menge ist abgeschlossenen
- Für alle A⊆M1 gilt f(A)=f(A)
Beweis
Bei Beweis wird nicht auf die
Metrik zurückgegriffen. Daher gilt der Satz auch in allgemeinen topologischen Räumen.
(i)
⟹ (iv):
f:M1→M2 sei
stetig und
A⊆M1. Sei nun
x∈A beliebig gewählt und
y=f(x). Ist
V(y) eine beliebige
Umgebung um
y, so ist wegen der
Stetigkeit von
f nach
Satz 16CF U(x)=f−1(V(y)) eine
Umgebung von
x. Da
x∈A gibt es ein
u∈A∩U(x). Für dieses
u gilt nun einerseits
f(u)∈f(A) und andererseits
f(u)∈f(U(x)) =f(f−1(V(y))) ⊆V(y) (siehe
Satz 5212B). Damit ist
f(u)∈f(A)∩V(y), also enthält
V(y) eine
Punkt aus
f(A) und es gilt
y∈f(A)
(iv)
⟹ (iii): Sei
B⊆M2 abgeschlossen und
A=f−1(B). Dann ist
f(A)=f(f−1(B))⊆B (
Satz 5212B). Nach Satz 5226C:
f(A)⊆B=B. Nach Voraussetzung gilt
f(A)=f(A)⊆B. Mit
Satz 5212B erhält man dann
A⊆f−1(f(A)) ⊆f−1(B)=A und nach Satz 5226C ist
A abgeschlossen.
(iii)
⟹ (ii): Sei
A⊆M2 offen. Dann ist
M2∖A abgeschlossen und nach Voraussetzung ist
f−1(M2∖A) abgeschlossen. Nach
Satz 5212B ist
f−1(M2∖A)=M1∖f−1(A), also ist
f−1(A) offen.
(ii)
⟹ (i): Sei
x∈M1 und
y=f(x) sowie
V(y) eine
Umgebung von
y. Diese enthält eine
offene Menge B⊆V(y) mit
y∈B. Nach Voraussetzung ist deren
Urbild f−1(B) offen und da
f−1(B)⊆f−1(V(y)) ist
f−1(V(y)) eine
Umgebung von
x. Damit ist
f in
x stetig und da
x beliebig gewählt war, ist
f überall
stetig.
□
Satz 16K1
Beweis
Y0:=f(X) ist nach
Satz 16JZ kompakt. Nach
Satz 16CG genügt es zu zeigen, dass die Urbilder von
abgeschlossenen Mengen wieder
abgeschlossen sind; also für
A⊂X abgeschlossen muss
(f−1)−1(A)=f(A) auch
abgeschlossen sein. Sei
(yn)⊂f(A),
yn→b∈Y=f(X). Es ist zu zeigen, dass
b∈f(A).
xn=f−1(yn)∈A⊂X. Da
X kompakt ist, existiert eine
Teilfolge (xnk)⊂(xn):xnk→a∈X. Da
A abgeschlossen ist gilt
a∈A.
Da
f stetig gilt
b=limn→∞yn=limn→∞f(xn)=limk→∞f(xnk)=f(a)∈f(A) □
Die beste von allen Sprachen der Welt ist eine künstliche Sprache, eine ziemlich gedrängte Sprache, die Sprache der Mathematik.
N. I. Lobatschewski
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