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Intervallo
Definizione
Formalmente,
un sottoinsieme dei numeri reali o di un altro insieme ordinato è un intervallo se per ogni coppia di elementi e di , ogni altro elemento tale che sta anch’esso in .
Osservazione
In gli intervalli corrispondono agli insiemi convessi.
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Insieme convesso
In uno spazio euclideo R^2
un insieme convesso è un insieme nel quale, per ogni coppia di punti, il segmento che li congiunge è interamente contenuto nell’insieme.
Esempi di
insiemi convessi :
mentre
Esempi di
insiemi non convessi:
qualunque insieme che contenga buchi,
incavature o che non sia connesso .
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In uno spazio euclideo R^3
In tre dimensioni,
esempi di insiemi convessi sono
mentre
esempi di insiemi non convessi sono :
In termini più intuitivi una figura convessa è una figura “che esubera”, mentre una figura concava è una figura “che rientra”.
In insiemistica non si adopera la definizione di insieme concavo, bensì la nozione più articolata di
Nello studio delle funzioni , si può definire una funzione convessa come funzione il cui epigrafico è un sottoinsieme convesso del piano.
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Spazi vettoriali
Sia
uno spazio vettoriale .
Un insieme si dice convesso se
per ogni coppia di punti il segmento che li congiunge:
-
è interamente contenuto in .
Un insieme bilanciato e convesso è detto assolutamente convesso .
Proprietà
-
Si può inoltre dimostrare che l’ intersezione di due insiemi convessi è ancora un insieme convesso. Infatti, siano X e Y due insiemi convessi, e A e B due punti appartenenti a .
-
Allora, siccome X è convesso e contiene sia A che B, contiene anche il segmento AB. Altrettanto si può dire di Y.
-
Quindi il segmento AB appartiene ad entrambi gli insiemi, e dunque alla loro intersezione.
-
Siccome questo ragionamento si può fare per ogni possibile scelta di
, l’intersezione è un insieme convesso.
-
Si dimostra che in ogni insieme convesso, chiuso, non vuoto e contenuto in uno spazio di Hilbert esiste un unico elemento tale che:
Esempi di insiemi convessi
Si consideri lo spazio euclideo .
-
Un semispazio di è il sottoinsieme con e .
-
I semispazi sono sottoinsiemi convessi, infatti: dati due punti , per ogni
si ha:
-
-
e quindi ,
-
Data una norma su e un numero reale ,
la palla chiusa è un sottoinsieme convesso,
-
Data una norma su e un numero reale ,
il cono di norma è un sottoinsieme convesso.
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Gli intervalli di sono quindi gli insiemi seguenti
(dove e sono due numeri reali tali che ):
-
(intervallo aperto)
-
(intervallo chiuso)
-
(intervallo chiuso a sinistra)
-
(intervallo chiuso a destra)
-
(intervallo aperto infinito a destra)
-
(intervallo chiuso infinito a destra)
-
(intervallo aperto infinito a sinistra)
-
(intervallo chiuso infinito a sinistra)
-
(tutta la retta reale)
-
(un punto)
-
I punti e sono gli estremi dell’intervallo.
Quindi
una parentesi quadra indica che l’estremo appartiene all’intervallo,
mentre
una parentesi tonda indica che non vi appartiene.
Una notazione alternativa usa e rispettivamente al posto di e .
Entrambe le notazioni fanno parte dello standard ISO 31-11 e del successivo ISO 80000-2 come equivalenti sebbene la notazione che prevede l’utilizzo delle parentesi tonde per indicare gli intervalli aperti sia in assoluto la più utilizzata.
I primi quattro intervalli hanno lunghezza ,
i cinque seguenti hanno lunghezza infinita,
il punto e l’insieme vuoto hanno lunghezza .
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L’intervallo unitario è l’intervallo chiuso .
Proprietà
-
L’unione e l’intersezione di due intervalli aventi intersezione non vuota è un intervallo.
-
L’immagine di un intervallo mediante una funzione continua da in è ancora un intervallo.
-
Un sottoinsieme della retta reale è un intervallo se e solo se è connesso.
-
Un intervallo è compatto se e solo se è del tipo .
-
Ogni intervallo (anche infinito) è omeomorfo a uno, ed uno solo, di questi cinque intervalli:
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Notazioni alternative
Raramente in ambito matematico, ma sovente in ambito ingegneristico,
il simbolo ÷, chiamato obelo, viene usato in Italia per indicare un intervallo numerico.
Ad esempio
3 ÷ 7 vuol dire ‘da tre a sette’, estremi compresi.
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Insieme aperto
Il concetto di insieme aperto si trova in matematica in molti ambiti e con diversi gradi di generalità.
Intuitivamente,
un insieme è aperto se è possibile spostarsi sempre poco in ogni direzione a partire da ogni punto dell’insieme senza uscire dall’insieme stesso.
In realtà, seguendo le definizioni generali ci si può allontanare abbastanza da questa idea intuitiva; attraverso la definizione di insieme aperto si possono definire i settori come “vicino”, “lontano”, “attaccato”, “separato”;
Le definizioni non intuitive di insiemi aperti corrispondono a situazioni matematiche in cui questi utilizzati vengono utilizzati in modo non intuitivo.
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Spazi topologici
La topologia è l’ambito più generale in cui si incontrano gli insiemi aperti;
in questo contesto il concetto di insieme aperto viene considerato fondamentale;
preso
un insieme X,
se
una qualunque collezione T di sottoinsiemi di X soddisfa le proprietà riportate sotto,
T viene chiamata topologia di X
e
gli insiemi di T , per definizione, i suoi aperti.
Perché
la collezione T sia una topologia deve valere:
-
l’ unione di una collezione arbitraria di insiemi di T è ancora un insieme di T
-
l’ intersezione di un numero finito di insiemi di T è ancora un insieme di T
-
l’insieme X e l’ insieme vuoto appartengono a T
Lo spazio topologico viene indicato specificando la coppia (X, T ).
È da notare che se si considera uno stesso insieme X con due diverse topologie T e T ‘ , si hanno due spazi topologici diversi; tuttavia in molti casi, in cui la struttura topologica emerge in modo “naturale”, indicare l’insieme è sufficiente per individuare lo spazio topologico.
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Spazi metrici
un sottoinsieme di si dice aperto se, per ogni , esiste un numero reale tale che i punti che distano da per meno di appartengono ancora a .
Formalmente:
se , allora
Gli aperti metrici così definiti costituiscono una topologia di secondo la definizione precedente:
in questo modo
ogni spazio metrico è dotato in modo naturale di una struttura di spazio topologico, e tutti gli aperti metrici possono essere considerati aperti topologici (ma non viceversa).
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Lo spazio euclideo è un particolare spazio metrico.
Un insieme aperto dello spazio euclideo è un insieme tale che per ogni di esiste una palla di raggio centrata in , interamente contenuta in .
In particolare,
un intervallo in è aperto se è del tipo , dove e possono anche essere rispettivamente e .
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Insieme chiuso
Ogni definizione di insieme aperto corrisponde a una definizione di insieme chiuso .
In generale,
un insieme è chiuso se e solo se è il complementare di un insieme aperto;
gli spazi topologici questa è esattamente la proprietà definitoria, negli altri ambiti si danno definizione a parte e questa proprietà viene provata come un teorema .
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Intorno
In analisi matematica e in topologia,
un insieme è detto intorno di un punto se contiene un insieme aperto contenente il punto.
Un intorno di un punto senza il punto si dice intorno bucato o anulare.
Si tratta di un concetto fondamentale che è alla base delle nozioni di funzione continua e limite. Un intorno di un punto è intuitivamente un insieme di punti “vicini” al punto
Ogni intorno individua un insieme differente di vicini.
Spesso per tradurre in linguaggio matematico l’idea che una proprietà debba essere verificata per punti che sono arbitrariamente vicini a si dice che vale “per ogni intorno di “.
Il concetto di intorno è strettamente connesso al concetto di insieme aperto.
Spazi topologici
In un generico spazio topologico , un intorno di un punto è un insieme che contiene almeno un insieme aperto contenente , cioè [1], che è l’abbreviazione di e
L’insieme non è necessariamente un insieme aperto o un insieme chiuso. Nel caso in cui è aperto, si parla di intorno aperto e quando è chiuso di intorno chiuso.
Intorni sferici
Nel caso di uno spazio metrico si possono considerare intorni caratterizzati da richieste sulla distanza. In particolare risulta utile considerare l’intorno sferico (o circolare) aperto di un punto in di raggio definito come l’insieme:
L’insieme in questione viene detto anche palla aperta, o disco aperto, di centro e raggio (per avere un disco chiuso basta sostituire al simbolo il simbolo nella definizione di .
Se si indica con la chiusura di un insieme allora è coerente indicare con il disco chiuso di centro e raggio ).
Un esempio è l’intorno di raggio quando si considera , che risulta poi essere un intervallo contenente del tipo , o
, ovvero, aperto o chiuso, a seconda che, rispettivamente, sia aperto o chiuso in .
I dischi aperti tornano molto utili nell’Analisi e nella Topologia per diversi motivi. Innanzitutto, è possibile definire l’intorno di un punto come un qualunque sottoinsieme di tale che esista un in corrispondenza del quale
Così facendo, tra l’altro, discende naturalmente che lo stesso disco aperto è un intorno del suo centro. In secondo luogo, un qualsiasi disco aperto (ma anche chiuso) definito in uno spazio metrico derivante da uno spazio normato (cioè uno spazio normato visto come spazio metrico, dove la metrica è quella indotta dalla norma), è convesso.
Sia infatti uno spazio normato, e . Se , e è la curva , allora, posto , si ha
e quindi, tenendo conto che per ogni risulta , si ha
qualunque sia . Ne segue che è convesso. Da quanto abbiamo appena dimostrato discende che è semplicemente connesso.
Base di intorni
Una base di intorni (o anche sistema di intorni) è un insieme di intorni di un punto fissato “arbitrariamente piccoli”: una base di intorni identifica la “struttura topologica locale” del punto.
Più precisamente, una base di intorni è un insieme di intorni tale che qualsiasi intorno aperto di contiene uno di questi intorni.
Una base di intorni è utile a definire le proprietà locali di un punto, come ad esempio la connessione locale.
Spazio euclideo
Il concetto di intorno può essere analizzato in particolare adottando un generico spazio euclideo di dimensione . Nello spazio euclideo, come da definizione, un intorno di è sempre un insieme contenente un insieme aperto , contenente a sua volta . In particolare:
-
Un intorno sferico aperto di raggio è l’insieme
-
-
Un intorno rettangolare è un intorno del tipo
-
dove ciascun è un intervallo in , intorno della coordinata -esima di .
Retta reale
Dal generico spazio euclideo è possibile ridursi al caso più particolare della retta reale.
Un intorno di un punto della retta reale è un insieme della retta che contiene un intervallo aperto del tipo
dove è un numero positivo.
In particolare:
-
-
L’intorno aperto di raggio è l’intervallo aperto .
Un intorno non è necessariamente aperto.
Ad esempio,
l’intervallo con è un intorno chiuso di .
La definizione di intorno si estende anche alla retta estesa:
un intorno di è un insieme che contiene un intervallo aperto della forma , per qualche reale.
Analogamente
un intorno di è un insieme che contiene un intervallo aperto della forma , per qualche reale.
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Tag: Intorno
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