Abbildungen und Stetigkeit

Für die Abbildungen von metrischen Räumen ineinander kann man den Begriff der Stetigkeit analog zur Stetigkeit von reellen Funktionen definieren.
Seien also (M1,d1)(M_1,d_1) und (M2,d2)(M_2,d_2) zwei metrische Räume. Eine Abbildung f:M1M2f:M_1\rightarrow M_2 heißt stetig in x0x_0 , wenn es für jedes ϵ>0\epsilon>0 ein δ>0\delta>0 gibt, so dass für alle xM1x\in M_1 aus d1(x0,x)<δd_1(x_0,x)<\delta folgt, dass d2(f(x0),f(x))<ϵd_2(f(x_0),f(x))<\epsilon; also f(Uδ(x0))Uϵ(f(x0))f(U_\delta(x_0))\subseteq U_\epsilon(f(x_0)). ff ist auf ganz M1M_1 stetig, wenn ff für alle Punkte stetig ist.

Satz 16CF (Charakterisierung lokaler Stetigkeit)

Seien also (M1,d1)(M_1,d_1) und (M2,d2)(M_2,d_2) zwei metrische Räume; f:M1M2f:M_1\rightarrow M_2 und xM1x\in M_1. Dann sind folgende Aussagen äquivalent
  1. ff ist stetig in xx
  2. Für jede Umgebung V(f(x))M1V(f(x))\subseteq M_1 gibt eine Umgebung U(x)M1U(x)\subseteq M_1, so dass f(U(x))V(f(x))f(U(x))\subseteq V(f(x))
  3. Das Urbild jeder Umgebung V(f(x))M1V(f(x))\subseteq M_1 ist eine Umgebung U(x)U(x)

Beweis

(i)     \iff (ii): Gilt da jede ϵ\epsilon-Umgebung eine Umgebung ist und jede Umgebung nach Definition eine ϵ\epsilon-Umgebung enthält.
(ii)     \implies (iii): Sei y=f(x)y=f(x), V(y)V(y) eine Umgebung, dann gibt es eine Umgebung U(x)U(x) mit f(U(x))V(y)f(U(x))\subseteq V(y) und nach Satz 5212B ergibt sich U(x)f1(f(U(x)))f1(V(x))U(x)\subseteq f^{\, \me}(f(U(x)))\subseteq f^{\, \me}(V(x)). Damit ist das Urbild von V(y)V(y) Obermenge einer Umgebung und damit selbst Umgebung.
(iii)     \implies (ii): Habe nun V(y)V(y) als Urbild eine Umgebung U(x)U(x), also U(x)=f1(V(y))U(x)=f^{\, \me}(V(y)), dann gilt nach Satz 5212B f(U(x))=f(f1(V(y)))V(y)f(U(x))=f(f^{\, \me}(V(y)))\subseteq V(y). \qed

Satz 16CG (Charakterisierung globaler Stetigkeit)

Seien also (M1,d1)(M_1,d_1) und (M2,d2)(M_2,d_2) zwei metrische Räume. Dann sind folgende Aussagen äquivalent
  1. f:M1M2f:M_1\rightarrow M_2 ist stetig
  2. Das Urbild jeder offenen Menge ist offen
  3. Das Urbild jeder abgeschlossenen Menge ist abgeschlossenen
  4. Für alle AM1A\subseteq M_1 gilt f(A)=f(A)f(\overline A)=\overline{f(A)}

Beweis

Bei Beweis wird nicht auf die Metrik zurückgegriffen. Daher gilt der Satz auch in allgemeinen topologischen Räumen.
(i)     \implies (iv): f:M1M2f:M_1\rightarrow M_2 sei stetig und AM1A\subseteq M_1. Sei nun xAx\in \overline A beliebig gewählt und y=f(x)y=f(x). Ist V(y)V(y) eine beliebige Umgebung um yy, so ist wegen der Stetigkeit von ff nach Satz 16CF U(x)=f1(V(y))U(x)=f^{\, \me}(V(y)) eine Umgebung von xx. Da xAx\in \overline A gibt es ein uAU(x)u\in A\cap U(x). Für dieses uu gilt nun einerseits f(u)f(A)f(u)\in f(A) und andererseits f(u)f(U(x))f(u)\in f(U(x)) =f(f1(V(y)))=f(f^{\, \me}(V(y))) V(y)\subseteq V(y) (siehe Satz 5212B). Damit ist f(u)f(A)V(y)f(u)\in f(A)\cap V(y), also enthält V(y)V(y) eine Punkt aus f(A)f(A) und es gilt yf(A)y\in\overline{f(A)}
(iv)     \implies (iii): Sei BM2B\subseteq M_2 abgeschlossen und A=f1(B)A=f^{\, \me}(B). Dann ist f(A)=f(f1(B))Bf(A)=f(f^{\, \me}(B))\subseteq B (Satz 5212B). Nach Satz 5226C: f(A)B=B\overline {f(A)}\subseteq \overline{B}=B. Nach Voraussetzung gilt f(A)=f(A)Bf(\overline A)=\overline{f(A)}\subseteq B. Mit Satz 5212B erhält man dann Af1(f(A))\overline A\subseteq f^{\, \me}(f(\overline A)) f1(B)=A\subseteq f^{\, \me}(B)=A und nach Satz 5226C ist AA abgeschlossen.
(iii)     \implies (ii): Sei AM2A\subseteq M_2 offen. Dann ist M2AM_2\setminus A abgeschlossen und nach Voraussetzung ist f1(M2A)f^{\, \me}(M_2\setminus A) abgeschlossen. Nach Satz 5212B ist f1(M2A)=M1f1(A)f^{\, \me}(M_2\setminus A)=M_1\setminus f^{\, \me}(A), also ist f1(A)f^{\, \me}(A) offen.
(ii)     \implies (i): Sei xM1x\in M_1 und y=f(x)y=f(x) sowie V(y)V(y) eine Umgebung von yy. Diese enthält eine offene Menge BV(y)B\subseteq V(y) mit yBy\in B. Nach Voraussetzung ist deren Urbild f1(B)f^{\, \me}(B) offen und da f1(B)f1(V(y))f^{\, \me}(B)\subseteq f^{\, \me}(V(y)) ist f1(V(y))f^{\, \me}(V(y)) eine Umgebung von xx. Damit ist ff in xx stetig und da xx beliebig gewählt war, ist ff überall stetig. \qed

Satz 16K1

Sei XX ein kompakter metrischer Raum, die Abbildung f:XYf:X\rightarrow Y stetig und injektiv. Dann gilt:
f1:f(X)Xf^{-1}:f(X)\rightarrow X ist stetig

Beweis

Y0:=f(X)Y_0 :=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 AXA\subset X abgeschlossen muss(f1)1(A)=f(A)(f^{-1})^{-1}(A)=f(A) auch abgeschlossen sein. Sei (yn)f(A)(y_n)\subset f(A), ynbY=f(X) y_n\rightarrow b\in Y=f(X). Es ist zu zeigen, dass bf(A)b\in f(A). xn=f1(yn)AXx_n=f^{-1}(y_n)\in A\subset X. Da XX kompakt ist, existiert eine Teilfolge (xnk)(xn):xnkaX (x_{n_k})\subset (x_n) :x_{n_k}\rightarrow a\in X. Da AA abgeschlossen ist gilt aAa\in A.
Da ff stetig gilt b=limnyn b=\lim_{n\rightarrow\infty} y_n=limnf(xn) = \lim_{n\rightarrow\infty}f(x_n)=limkf(xnk)=f(a)f(A) =\lim_{k\rightarrow\infty}f(x_{n_k})=f(a)\in f(A) \qed
 
 

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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