Compacidad · Definición

Espacio compacto

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Antes de empezar necesitas conocer

Es la propiedad que traslada a espacios generales la finitud de los intervalos cerrados y acotados.

Definición

Un espacio topológico \(X\) es compacto si toda cubierta abierta \(\mathcal{U}\) de \(X\) tiene una subcubierta finita.

\[X=\bigcup_{U\in\mathcal{U}}U\ \Rightarrow\ X=U_1\cup\dots\cup U_n,\ U_i\in\mathcal{U}\]

Compacto no significa «pequeño» ni «finito», sino que no se puede escapar al infinito: por muchos abiertos que se usen para recubrir el espacio, siempre bastan finitos. Todo espacio finito es compacto, y la topología cofinita sobre cualquier conjunto también, aunque el conjunto sea infinito.

En \(\mathbb{R}\), el teorema de Heine-Borel dice que los compactos son exactamente los cerrados y acotados. Por eso \([0,1]\) lo es, mientras que \((0,1)\) no (la cubierta \(\{(1/n,1)\}\) no se adelgaza) y \(\mathbb{R}\) tampoco (\(\{(-n,n)\}\) no se adelgaza).

Un subconjunto \(A\subseteq X\) es compacto como subespacio si y solo si toda familia de abiertos de \(X\) que lo cubre contiene una subfamilia finita que lo sigue cubriendo. La unión de dos compactos es compacta; con infinitos puede fallar, y un cerrado dentro de un compacto sigue siendo compacto.

Para mostrar que un espacio no es compacto basta una cubierta que falle; para mostrar que sí lo es hay que tratar una cubierta arbitraria. Los dos conceptos siguientes dicen cómo se comporta la compacidad con los cerrados y con las funciones continuas.

Para pensar

¿Es compacto \(\mathbb{Q}\cap[0,1]\) con la topología usual?

No: no es cerrado en \(\mathbb{R}\). Los intervalos abiertos alrededor de cada racional que dejan fuera a \(\sqrt2/2\), con radios que tienden a \(0\) hacia él, forman una cubierta sin subcubierta finita.

¿Por qué ser infinito no impide ser compacto?

Porque la definición pide subcubierta finita, no puntos finitos; \([0,1]\) y el espacio cofinito son compactos e infinitos.

Ejercicios 10

Referencias

  • James R. Munkres, Topology, 2nd edition, Pearson, 2000. §26
  • Stephen Willard, General Topology, Dover reprint, Dover Publications, 2004. cap. 5