Funciones de Rn a R

Por Angélica Amellali Mercado Aguilar

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Funciones de $\mathbb{R}^{n}$ en $\mathbb{R}$

Definición 1 . Una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es una función $f(x_{1},x_{2},…,x_{n})$ que asocia a cada n-ada ordenada $(x_{1},x_{2},…,x_{n})$ de $\mathbb{R}^{n}$ un número real $f(x_{1},x_{2},…,x_{n})$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $x^{2}+y^{2}$.

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ asocia a dada terna $(x,y,z)\in \mathbb{R}^{^{3}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$

Definición 2. El dominio de una función $f:A\subset \mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Dom_{f}\left\{(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n}~|~f(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}\right\}$$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ asocia a dada terna $(x,y,z)\in \mathbb{R}^{^{3}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ tiene como dominio el conjunto

$$Dom_{f}=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^{3}~|~1-x^{2}-y^{2}-z^{2}\geq0 \right\}=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^{3}~|~1\geq x^{2}+y^{2}+z^{2}\right\}$$


Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $x^{2}+y^{2}$ en este caso el dominio es $\mathbb{R}^{2}$

Definición 3.$ El rango de una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Ran_{f}= \left\{f(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}~|~(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n} \right\}$$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}}$ en este caso el rango de la función es el conjunto
$$\left\{z\in\mathbb{R}~|~0\leq z\leq1 \right\}$$

Definición 4. La gráfica de una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Gra_{f}=\left\{(x_{1},x_{2},…,x_{n},f(x_{1},x_{2},…,x_{n}))\in\mathbb{R}^{n+1}~|~(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n}\right\}$$

Ejemplo. La gráfica de la función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ es un paraboloide cuyo aspecto es

Ejemplo. La gráfica de la función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$ es un paraboloide hiperbolico (silla de montar) cuyo aspecto es

Conjuntos de Nivel

Definición 5. Sea $f:\mathbb{R}^{n}\rightarrow\mathbb{R}$ y sea $c\in\mathbb{R}$. El conjunto de nivel del valor c se define como:
$$C_{N}=\left\{x\in\mathbb{R}^{n}~|~f(x)=c\right\}$$

Ejemplo. Describir el conjunto de nivel de la función $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$

$Solución$ En este caso el conjnuto de nivel es$$C_{N}=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^{2}~|~x^{2}+y^{2}=c\right\}$$
geometricamente son circunferencias con centro el origen y radio $c$.

Ejemplo. Describir el conjunto de nivel de la función $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$

Solución En este caso el conjnuto de nivel es$$C_{N}={(x,y)\in\mathbb{R}^{2}~|~x^{2}-y^{2}=c}$$
geometricamente son circunferencias con centro el origen y radio c

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ tiene como gráfica el paraboloide de revolución $z=x^{2}+y^{2}$

Las curvas de nivel son: el vacio para $a<0$, y para $a>0$ es el conjunto $$\left\{(x,y)\in \mathbb{R}^{2}|x^{2}+y^{2}=a\right\}$$, es decir un círculo de radio $\sqrt{a}$ con centro en el origen

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$ tiene como gráfica el paraboloide hiperbolico $z=x^{2}-y^{2}$

Las curvas de nivel son: para $a=0\Rightarrow x^2-y^2=0$ par de rectas que se cortan en el origen, y para $a=1\Rightarrow x^2-y^2 =1$ es una hiperbola paralela al eje X que lo corta en $(\pm 1,0)$, para $a=-1\Rightarrow x^2-y^2=-1$ es una hiperbola paralela al eje Y y que lo corta en $(0,\pm 1)$

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^2}$ tiene el siguiente conjunto de nivel
$${(x,y,z)\in \mathbb{R}^{3}|\sqrt{x^2+y^2+z^2}=a}$$

Las superficies de nivel son: para $a=0\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=0$ el origen, y para $a=1\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=1$ es una esfera, $a=2\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=2$ es una esfera

La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=x^{2}-y^{2}+z^2$ tiene el siguiente conjunto de nivel
$$\left\{(x,y,z)\in \mathbb{R}^{3}|x^2-y^2+z^2=a\right\}$$

Las superficies de nivel son: para $a=0\Rightarrow x^2-y^2+z^2=1$ es un hiperboloide de un manto, y para $a=1\Rightarrow x^2-y^2+z^2=1$ es un hiperboloide de un manto, $a=2\Rightarrow \sqrt{x^2-y^2+z^2}=2$ es un hiperboloide de un manto

Límite de Funciones de $\mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}$

Sea $f:\Omega\subset\mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}$, y sea $x_{0}$ un punto de acumulación de $\Omega$. Se dice que $L\in\mathbb{R}$ es el límite de $f$ en
$x_{0}$, y se denota por: $$\displaystyle\lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)=L$$ Si dado $\varepsilon > 0$, existe $\delta > 0$ tal que $|f(x)-b|<\varepsilon$ cuando $x \in \Omega$, $0<|x-x_{0}|<\delta$

Observación: Es necesarío que $x_{0}$ sea punto de acumulacion de $\Omega$.Usando la definición de límite, demostrar que:
$$\displaystyle\lim_{(x,y) \rightarrow (0,0)}\frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}=0$$
Por demostrar, para todo $\varepsilon > 0$ existe $\delta > 0$ tal que $0 < |(x,y) – (0,0)| < \delta$ entonces $\displaystyle\left| \frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}} \right| < \varepsilon$ como $x^{2} \leq x^{2}+y^{2}$ entonces $x^{4} \leq (x^{2}+y^{2})^{2}$ entonces $\displaystyle\frac{1}{(x^{2}+y^{2})^{2}} \underset{(*)}{\leq} \displaystyle\frac{1}{x^{4}}$

$\therefore$ $\displaystyle\left|\frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}\right| \underset{(*)}{\leq}
\displaystyle\left|\frac{x^{4}y^{2}}{x^{4}}\right| \leq |y^{2}|=y^{2}\leq (\sqrt{x^{2}+y^{2}})^{2} <
\delta^{2}$

$\therefore$ Si $\delta^{2}=\varepsilon$ entonces $\delta=\sqrt{\varepsilon}$

Más adelante

Tarea Moral

Enlaces

Álgebra Moderna I: Producto directo externo

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

Esta entrada es el inicio de la última unidad del curso de Álgebra Moderna I, uno de los temas centrales que estudiaremos en esta unidad es el Teorema Fundamental de los Grupos Abelianos Finitos. Como es costumbre, para poder sumergirnos en el teorema, primero tenemos que construir algunos cimientos.

Seguramente a lo largo de tu estudio de las matemáticas te has encontrado con la notación $\r^2 = \r \times \r$ y otras similares. $\r^2$ se usa para denotar al plano cartesiano y rápidamente entendemos que sus elementos tienen la forma de pares ordenados $(x, y)$ donde $x,y\in \r$. Esto mismo sucede con potencias mayores, como por ejemplo $(x,y,z)\in \r^3 = \r \times \r \times \r$ y $(x_1,\dots,x_n)\in \r^n = \r\times\cdots\times\r$ ($n$ veces).

De la misma manera, podríamos hacer $\z \times \r$ y obtener objetos de la forma $(z, r)$ donde $z$ es un entero y $r$ un real. Es decir, podemos usar a la operación $\times$ entre dos grupos completamente distintos. Pero más allá de poder, ¿esto es algo que podamos estudiar? En pocas palabras, sí, resulta que la operación $\times$ es una manera práctica de construir grupos más grandes a partir de otros grupos.

Hablemos del producto de grupos

Comencemos definiendo formalmente al producto de grupos.

Definición. Sean $(G_1, *_1), \cdots, (G_n, *_n)$ grupos. El producto directo externo de $G_1, \dots, G_n$ es
\begin{align*}
G_1\times\cdots\times G_n = \{(g_1,\dots,g_n)\;|\; g_i\in G \; \forall i \in \{1,\dots,n\}\}
\end{align*}
con la operación
\begin{align*}
(g_1,\dots,g_n) * (h_1,\dots,h_n) = (g_1*_1h_1, \dots, g_n*_nh_n).
\end{align*}

Observación. $G_1\times\cdots\times G_n$ es un grupo con neutro $(e_{G_1},\dots, e_{G_n})$ y $(g_1^{-1},\dots, g^{-1}_n)$ es el inverso de cada $(g_1,\dots,g_n)\in G_1\times\cdots\times G_n$.

Ejemplo 1. Consideremos $G = S_3\times\z_2 \times D_{2(4)}.$
Un elemento es $((1\;2\;3), \,\bar{1}, \,a^2b)$.
Dados $(\alpha, \bar{a}, f), (\beta,\bar{b}, g)\in G$ se tiene que
\begin{align*}
(\alpha, \,\bar{a}, \,f)*(\beta,\,\bar{b}, \,g) = (\alpha\circ\beta, \,\bar{a}+\bar{b}, \,f\circ g).
\end{align*}

Ejemplo 2. Tomemos el producto $\z_2\times\z_2 = \{(\bar{0}, \bar{0}), (\bar{0},\bar{1}), (\bar{1}, \bar{0}), (\bar{1}, \bar{1})\}$.
Observemos que $o(\bar{0}, \bar{0}) = 1$, $o(\bar{0}, \bar{1}) = o(\bar{1}, \bar{0}) = o(\bar{1}, \bar{1}) = 2.$
La suma de dos elementos en $\{(\bar{0}, \bar{1}), (\bar{1}, \bar{0}), (\bar{1}, \bar{1})\}$ nos da el tercero. Entonces, $\z_2\times\z_2$ es isomorfo al grupo de Klein.

Ejemplo 3. Por último, tomemos $\z_2\times\z_3 = \{(\bar{0}, \bar{0}), (\bar{0}, \bar{1}), (\bar{0}, \bar{2}), (\bar{1}, \bar{0}), (\bar{1}, \bar{1}), (\bar{1}, \bar{2})\}$.
Observemos que $o(\bar{1}, \bar{1}) = 6.$
Tenemos que $\z_2\times\z_3 = \left< (\bar{1}, \bar{1}) \right>$ y así $\z_2\times\z_3 \cong \z_6$.

Dos funciones naturales

Definición. Sean $G_1,\dots, G_n $ grupos, $G = G_1\times\cdots\times G_n$. Para cada $i\in\{1,\dots,n\}$ definimos la inclusión natural
\begin{align*}
\text{inc}_i : G_i\to G \text{ como } \text{inc}_i(g_i) = (e_{G_1},\dots,g_i, \dots, e_{G_n}),
\end{align*}
donde $g_i$ está en la $i$-ésima posición.

Definición. Sean $G_1,\dots, G_n $ grupos, $G = G_1\times\cdots\times G_n$. Para cada $i\in\{1,\dots,n\}$ definimos la proyección natural
\begin{align*}
\pi_i : G\to G_i \text{ con } \pi_i(g_1,\dots,g_n) = g_i.
\end{align*}

Observación 1 . $\text{inc}_i$ es un monomorfismo.

Observación 2 . $\pi_i$ es un epimorfismo.

Notación. $G_i^* = \text{inc}_i\lceil G_i\rceil = \{e_{G_1}\}\times \cdots \times G_i \times\cdots\{e_{G_n}\}.$

Observación 3. Para $G = G_1\times\cdots\times G_n$, los siguientes incisos son ciertos:

  1. $G_i\cong G_i^*$,
  2. $G_i^* \unlhd G$ y
  3. $G/G_i^* \cong G_1\times \cdots \times G_{i-1}\times G_{i+1} \times\cdots G_n.$

Demostración.
$\text{inc}_i$ es un monomorfismo y si restringimos a su imagen $G_i^*$ obtenemos un epimorfismo, dando un isomorfismo de $G_i$ a $G_i^*$.

Ahora $\varphi: G \to G_1\times \cdots \times G_{i-1}\times G_{i+1} \times \cdots \times G_n$ con $\varphi(g_1,\dots, g_n) = (g_1, \dots, g_{i-1}, g_{i+1},\dots, g_n)$ es un epimorfismo y $\text{Núc }\varphi = G_i^*$, probando con ello que $G_i^* \unlhd G$. Además, por el 1er teorema de isomorfía
\begin{align*}
G/G_i^* \cong G_1 \times \cdots \times G_{i-1} \times G_{i+1} \times\cdots G_n.
\end{align*}

$\blacksquare$

Observación 4. Sean $i\neq j$, $x\in G_i^*$, $y\in G_j^*$. Entonces $x*_ny = y*_nx$.

¿Y si ahora recuperamos $G$ a partir de los $G_i^*$?

En la entrada Producto de subgrupos y clases laterales, definimos el producto de dos subgrupos. Generalicemos esta idea para una cantidad finita de subgrupos:

Definición. Sea $G$ un grupo. Dados $H_1,\dots,H_n$ subgrupos de $G$, el producto de $H_1,\dots, H_n$ es
\begin{align*}
\prod_{i = i}^n H_i = H_1\cdots H_n = \{h_1h_2\cdots h_n\;|\; h_i \in H_i ;\forall i\in \{1,\dots,n\} \}.
\end{align*}

Observemos que para realizar el producto de $h_1h_2\cdots h_n$ sólo usamos la operación del grupo $G$ porque todas las $H_i$ son subgrupos de $G$. Sin embargo, como estudiamos en la entrada Producto de subgrupos y clases laterales, el conjunto $ H_1\cdots H_n$ no necesariamente es un subgrupo ya que la operación no siempre es cerrada. En la siguiente entrada agregaremos condiciones a los subgrupos $H_i$ para que $ H_1\cdots H_n$ sí sea un subgrupo de $G$.

Relacionemos ahora el producto directo externo con el producto de los subgrupos $G_i^*$ antes definidos:

Proposición. Sean $G_1,\dots, G_n$ grupos, $G = G_1\times\cdots\times G_n.$

  1. $G_i^* \unlhd G \quad \forall i\in\{1,\dots,n\}$.
  2. $\displaystyle G_i^* \cap \left( \prod_{j\neq i} G_j^*\right) = \{e_G\} \text{ para toda }i\in\{1,\dots,n\}$.
  3. $\displaystyle G = \prod_{i = 1}^n G_i^*$.

Demostración.
Sean $G_1,\dots, G_n$ grupos, $G = G_1\times\cdots\times G_n$.

  1. Por la observación 3: $G_i^* \unlhd G$, para toda $i\in\{1,\dots, n\}$.
  2. La contención $\displaystyle \{e_G\} \subseteq G_i^* \cap \left( \prod_{j\neq i} G_j^*\right) $, donde $e_G = (e_{G_1},\dots, e_{G_n})$, es clara. Así que probaremos la otra.
    Sea $\displaystyle g = (g_{1}, \dots, g_n) \in G_i^* \cap \left(\prod_{j\neq i}G_j^*\right)$.
    Como $g\in G_i^* = \{e_{G_1}\}\times\cdots\times G_i\times \cdots \times \{e_{G_n}\}$, entonces la $j$-ésima entrada de $g $ es $g_j = e_{G_j}$ para toda $j\neq i$.
    Como $\displaystyle g \in \prod_{j\neq i} G_j^*$, $g = h_1 \cdots h_{i-1}\,h_{i+1} \cdots h_n$ con $h_j \in G_j^*$ para toda $j\neq i$.
    Dado que cada $h_j \in G_j^*$ y $j\neq i$, la entrada $i$ de cada $h_j$ es $e_{G_i}$, por lo tanto la entrada $i$ de $g$ es $e_{G_i}$.
    Por lo tanto $g = (e_{G_1},\dots, e_{G_n}) = e_G$.
  3. Como $G_i^*\subseteq G$ para toda $i \in \{1,\dots,n\}$, entonces $\displaystyle \prod_{i = 1}^n G_i \subseteq G.$
    Ahora, si $g\in G$,
    \begin{align*}
    g = (g_1,\dots, g_n) = (g_1,e_{G_2},\dots, e_{G_n})(e_{G_1}, g_2,e_{G_3},\dots,e_{G_n}) \cdots (e_{G1},\dots, e_{G_{n-1}}, g_n).
    \end{align*}
    Entonces $\displaystyle g\in \prod_{i = 1}^n G_i^*.$
    Por lo tanto $\displaystyle G = \prod_{i= 1}^n G_i^*$.

$\blacksquare$

Lo anterior muestra que un producto directo externo es un producto de subgrupos normales que cumple el inciso 2 de la proposición.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Demuestra las observaciones 1, 2 y 4:
    • $\text{inc}_i$ es un monomorfismo.
    • $\pi_i$ es un epimorfismo.
    • Sean $i\neq j$, $x\in G_i^*$, $y\in G_j^*$. Entonces $x*_ny = y*_nx$.
  2. Sean $G_1, \dots, G_n$ grupos finitos, demuestra que el orden de su producto directo externo es $|G_1||G_2|\dots |G_n|.$
  3. Prueba que el centro de un producto externo es el producto externo de los centros, esto es: $$Z(G_1\times G_2 \times \dots \times G_n) = Z(G_1) \times Z(G_2) \times \dots \times Z(G_n).$$ Deduce que el producto directo externo de grupos abelianos es abeliano.
  4. Sea $G = A_1 \times A_2 \dots \times A_n$ y para cada $i\in\{1,\dots,n\}$ sea $B_i \unlhd A_i$. Prueba que $B_1 \times B_2 \times \dots \times B_n \unlhd G$ y que $$(A_1 \times A_2 \dots \times A_n) / (B_1 \times B_2 \times \dots \times B_n) \cong (A_1/B_1) \times (A_2/B_2) \times \dots \times (A_n/B_n).$$
  5. Sean $A$ y $B$ dos grupos finitos y sea $p$ un primo.
    • Prueba que cualquier $p$-subgrupo de Sylow de $A\times B$ es de la forma $P\times Q$, donde $P$ es un $p$-subgrupo de Sylow de $A$ y $Q$ es un $p$-subgrupo de Sylow de $B$.
    • Prueba que además, la cantidad de $p$-subgrupos de Sylow de $A\times B$ es igual a la cantidad de $p$-subgrupos de Sylow de $A$ por la cantidad de $p$-subgrupos de Sylow de $B$, es decir: $$r_p(A\times B) = r_p(A)r_p(B).$$
    • Generaliza este resultado para el producto directo externo de una cantidad finita de grupos, es decir, para $A_1 \times A_2 \times \dots \times A_n$ determina que sus $p$-subgrupos de Sylow son el producto directo externo de $p$-subgrupos de Sylow de sus factores.

Más adelante…

La última proposición es prácticamente la conclusión de esta entrada, porque iniciamos definiendo a $G$ como el producto de grupos externos a él y terminamos describiendo a $G$ como producto de subgrupos específicos de él mismo. ¿Habrá alguna manera de generalizar esto, es decir, cuándo un grupo $G$ se podrá expresar como un producto de subgrupos específicos de él mismo? Esta pregunta nos lleva a la definición del producto directo interno que se dará en la siguiente entrada.

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Álgebra Moderna I: Ejemplo de Sylow

Por Cecilia del Carmen Villatoro Ramos

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(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

Siendo la última entrada de la Unidad 4, está dedicada a un ejemplo que se justifica usando el Tercer Teorema de Sylow que vimos en la entrada anterior. Por lo mismo, es mucho más corta de lo que estamos acostumbrados, pero es importante para reforzar el conocimiento antes aprendido.

Ilustrando el TTS

Veamos un ejemplo del Tercer Teorema de Sylow.

Ejemplo.

Tomemos $G = S_4$ y veamos la factorización en primos del orden de $G$, $|G| = 24 = 2^3\cdot 3$.

Primero, consideremos al $3$. Notamos que $\left< (1\;2\; 3)\right>$ es un $3$-subgrupo de Sylow ya que tiene $3$ elementos y no podemos encontrar subgrupos de Sylow de $9, 27$ u otra potencia de $3$, porque esta no dividiría al orden de $G$.

Ahora nos preguntamos ¿cuál es la cantidad de $3$-subgrupos de Sylow, denotada por $r_3$? Bueno, por el Tercer Teorema de Sylow sabemos que se cumple:

\begin{align*}
r_3 \,| \, 2^3 \cdot 3 \, \text{ y } \, r_3\equiv 1 \text{(mód }3).
\end{align*}

Como $3 \equiv 0\text{(mód }3)$, entonces $r_3$ no es un múltiplo de $3$, así que $r_3$ tiene que ser un divisor de $2^3 = 8$ congruente con uno módulo $3$, por lo que $r_3 \in \{1, 4\}$.

Pero podemos encontrar $\left< (2\; 3\; 4)\right>$, otro $3$-subgrupo de Sylow diferente al anterior, así que $ r_3 = 4$. Los otros $3$-subgrupos de Sylow son $\left<(1\;3\;4)\right>$ y $\left<(1\;2\;4)\right>$.

Ahora nos fijamos en el primo $2$. Por el TTS, la cantidad de $2$-subgrupos de Sylow ($r_2$) tiene que cumplir,
\begin{align*}
r_2\,| \,2^3 \cdot 3 \, \text{ y } \, r_2\equiv 1 \text{(mód }2).
\end{align*}

La condición del módulo nos indica que $r_2$ es impar, por lo que tiene que ser divisor de $3$ para además se cumpla la primera condición, esto nos deja con $r_2 \in \{1,3\}.$

Busquemos estos $2$-subgrupos de Sylow. Sabemos que cada $2$-subgrupo de Sylow tiene orden igual a la máxima potencia de $2$ que divide a $|G|$, esto es 8. Sabemos que si tenemos un cuadrado y numeramos los vértices, podemos codificar cada simetría del cuadrado con una permutación de $S_4$. Recordemos que no toda permutación de $S_4$ es una simetría, pero sí al revés.

Las simetrías de un cuadrado son $8$ en total y estas simetrías pueden ser generadas por la combinación de una rotación y la reflexión con respecto al eje $x$. Como hay $8$ simetrías del cuadrado y éstas pueden ser codificadas en permutaciones de $S_4$, tendremos un subgrupo de $S_4$ de orden $8$, es decir, un $2$-subgrupo de Sylow.

Supongamos que numeramos los vértices de un cuadrado $1,\,2,\,3,\,4$ como en la imagen, entonces la rotación estará dada por $(1\;2\;3\;4)$ y la reflexión con respecto al eje $x$ sería $(2\;4)$. Así, el $2$-subgrupo de Sylow que obtenemos es $\left<(1\;2\;3\;4), (2\;4)\right>$.

Simetrías del cuadrado $1,\,2,\,3,\,4$ usando $\left<(1\;2\;3\;4), (2\;4)\right>.$

Estamos buscando todos los $2$-subgrupos de Sylow posibles, como $r_2 \in \{1,3\}$ bien podíamos pensar que $\left<(1\;2\;3\;4), (2\;4)\right>$ es el único. Pero podemos nombrar los vértices del cuadrado de manera distinta para que las simetrías de $S_4$ que le correspondan cambien y encontremos otro $2$-subgrupo de Sylow.

Numerando los vértices del cuadrado $2,\,1,\,3,\,4$ como en la imagen, encontramos que la simetrías están generadas por la rotación $(2\;1\;3\;4)$ y la reflexión $(1\;4)$. Así $\left<(2\;1\;3\;4), (1\;4)\right>$ es otro $2$-subgrupo de Sylow.

Si nos damos cuenta, lo único que hicimos en este cuadrado fue intercambiar los vértices $1$ y $2$ del cuadrado. Esto nos da un subgrupo diferente al anterior porque ese cambio no es una simetría del cuadrado.

Simetrías del cuadrado $2,\,1,\,3,\,4$ usando $\left<(2\;1\;3\;4), (1\;4)\right>.$

Pero $r_2 = 1$ o $r_2 = 3$, así que no puede haber sólo dos $2$-subgrupos de Sylow, deben ser $3$. Nos queda entonces otro $2$-subgrupo de Sylow por encontrar. Análogamente, tomamos el cuadrado numerando los vértices $1, \, 3, \, 2, \, 4$, donde sólo intercambiamos los vértices $3$ y $4$ del cuadrado original. En este caso nos encontramos que sus simetrías son generadas por $\left< (1\;3\;2\;4), (3\; 4)\right>$ y este es el último $2$-subgrupo de Sylow que nos faltaba.

Simetrías del cuadrado $1, \, 3, \, 2, \, 4$ usando $\left< (1\;3\;2\;4), (3\; 4)\right>.$

Así, encontramos todos los subgrupos de Sylow de $S_4$.

Tarea moral

A continuación hay algunos ejercicios para que practiques los conceptos vistos en esta entrada. Te será de mucha utilidad intentarlos para entender más la teoría vista.

  1. Considera el grupo de los cuaternios $Q_8$, ¿cuántos y cuáles son sus $2$-subgrupos de Sylow?
  2. Busca los $2$ y $3$-subgrupos de Sylow de $\z_6.$
  3. Sean $a, b \in G : = S_3 \times \z_4$, donde $a = ((1\; 2\; 3), [2])$ y $b = ((1\; 3), [1]).$ Considere el subgrupo $T : = \left< a, b \right> \leq G.$ Prueba que $$T = \left< a,b : a^6 = 1_G, b^2 = a^3 = (ab)^2\right>$$ y que $T$ es un grupo no abeliano con $12$ elementos.
    La notación anterior se lee como $T$ es el generado por los elementos $a$ y $b$ tales que $a^6 = 1_G, \,b^2 = a^3 = (ab)^2$.

Más adelante…

Con esta entrada no sólo concluimos en tema de los Teoremas de Sylow, si no también la unidad 4 del curso. ¡Felicidades! Sigue avanzando, ya casi acabamos.

En la siguiente unidad planeamos estudiar el Teorema Fundamental de los Grupos abelianos finitos. Pero para ello comenzaremos viendo una forma sencilla de construir nuevos grupos a partir de una cantidad finita de grupos previos.

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Matemáticas Financieras: Tablas de amortización que involucran el pago de dos o más anualidades

Por Erick de la Rosa

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Introducción

En ésta sección, se continúa analizando otro tipo de anualidades y la forma en que se puede construir su respectiva tabla de amortización, considerando el caso, en el que algunas empresas, de acuerdo con su experiencia, tienen contemplado el ingreso de recursos extras, a lo largo del año.

Concepto y construcción

En la sección donde se abordó el tema de anualidades, hubo algunos casos en donde se otorgaba un crédito en el que la forma de pagarlo, el acreditado realizaba pagos en el año, pero al final de éste agregaba más pagos, ya que, por ejemplo, consideraba recursos que podía tener, por concepto de aguinaldo, prestaciones, cajas de ahorro, por mencionar algunas. Para este tipo de situaciones, la tabla de amortización que puede representar el comportamiento de los pagos de dicho crédito, en general es semejante el proceso de construcción que hasta este momento se ha estado utilizando. Con la diferencia radica en la forma en que se hacen los registros de éstos pagos extras, los cuales también se harán en un mismo periodo.

Por ejemplo: Se otorga un crédito hipotecario a una empresa de refresco, la cual quiere modernizar su planta de producción, la cantidad de dicho crédito asciende a \$445,000 , para pagar en un lapso de tiempo de 3 años, mediante 12 trimestres en los que se hará un pago de \$33,573.45, los días 20 del mes. Posterior a ése tiempo, se realizarán pagos anuales por la cantidad de \$60,000 a partir del mes de diciembre.

El contrato en cuestión, entra en operación el día 20 de marzo del año 2021, acordando una tasa de interés de 4.4% fija efectiva trimestral, la cual aplicará durante toda la duración del crédito. Los pagos se realizarán en forma vencida, por lo que el primer pago se tendrá que hacer el día 20 de junio del 2021.

La ecuación de valor que se usará para resolver este problema es la siguiente:

$$445,000=X\prescript{}{12}{\mathbf{A}}_{0.044}+60,000\prescript{}{3}{\mathbf{\ddot{A}}}_{0.18342}v_{0.043}^3;$$

de donde $X=\$33,573.45$

A continuación, se muestra la tabla de amortización en la que se agregó una columna, en la que se anotara las fechas en las que se realizaran los pagos. Observe que hay dos columnas para el registro de las fechas de los pagos una que corresponde a los pagos trimestrales, y otra para los pagos anuales, los cuales son pagos que se recibirán al final de año, por concepto de los aguinaldos que en dichas fechas recibe.

Tabla de amortización de N pagos iguales y uno desigual

Este tipo de amortización ocurre, en los casos que la empresa que solicita el crédito pacta que la cantidad de los pagos es ajustada a su posibilidad de pago, en lugar de aceptar la que ofrece la institución que otorga el crédito. En estos casos se hace uso del concepto de anualidades tomando la cantidad que propone el deudor, y la variable n la cual va a representar el número de pagos, para conocer su valor será despejada de la ecuación de valor. Como la cantidad propuesta por el deudor, puede que no tenga considerados pagos completos para cubrir el pago total del préstamo, es por esta razón que se recurre al pago desigual, con el que será liquidado por completo en el último pago, la deuda. Para poder conocer la cantidad a la asciende éste pago desigual, será obtenido a partir de una segunda ecuación de valor, basada en la original, donde ya se conocen la cantidad de pagos completos.

La construcción de la amortización, sigue compartiendo muchas similitudes a como se han venido elaborando en los temas anteriores, con la diferencia de que el último pago es diferente.

Por ejemplo: a una empresa le otorgan un crédito de \$947,000, y de los recursos que tiene por concepto de ingresos, puede disponer de la cantidad \$87,000 de forma mensual, los cuales serán destinado al pago de dicho crédito. La tasa de interés que acordaron fue del 23.1% convertible mensualmente. Para resolver éste problema, la ecuación de valor que se va a utilizar es la siguiente:

$$947,000=87,000\prescript{}{n}{\mathbf{A}}_{0.01925}$$

recordemos que el valor 0.01925, se obtiene porque se está trabajando con una tasa convertible mensual, por lo que se hace lo siguiente para poder ocuparla:

$$\frac{23.1}{12}=1.925$$

$$\frac{1.925}{100}=0.01925$$

para obtener el valor de n, se hace lo siguiente:

$$947,000=87,000\left(\frac{1-v_{0.01925}^n}{0.01925}\right)$$

$$947,000=87,000\left(\frac{1-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)}{0.01925}\right)$$

$$\frac{947,00}{87,000}=\left(\frac{1-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)}{0.01925}\right)$$

$$10.88505747=\left(\frac{1-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)}{0.01925}\right)$$

$$(0.01925)(10.88505747)=1-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)$$

$$(-1)(0.2095373563-1)=(-1)\left(-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)\right)$$

$$1-0.2095373563=\left(\frac{1}{(1+0.01925)^n}\right)$$

$$0.7904626437=\frac{1}{(1+0.01925)^n}$$

$$(0.7904626437)(1.01925)^n=1$$

$$(1.01925)^n=\frac{1}{0.7904626437}=1.265081921$$

$$(n)(log(1.01925))=log(1.265081921)$$

$$n=\frac{log(1.265081921)}{log(1.01925)}=12.332222$$

de dicha ecuación se nos arroja el valor de n=12.332222, lo cual se interpreta como 12 pagos por la cantidad de \$870,000 con un pago desigual, dando un total de 13 pagos. El valor del último pago, se obtiene con la siguiente ecuación:

$$947,000=87,000\prescript{}{12}{\mathbf{A}}_{0.01925}+Xv_{0.1925}^13$$

$$947,000=87,000\left(\frac{1-v_{0.01925}^12}{0.01925}\right)+Xv_{0.01925}^{13}$$

$$947,000=87,000\left(\frac{1-\left(\frac{1}{(1+0.01925)^{12}}\right)}{0.01925}\right)+X\left(\frac{1}{(1+0.01925)^{13}}\right)$$

$$947,000=87,000(10.62421639)+X(10.7804599799)$$

despejando X:

$$X=\frac{22,693.17405}{0.7804599799}$$

se obtiene el valor que estamos buscando: X=29,076.67.

A continuación, se muestra la tabla de amortización:

Ejercicios resueltos

Ejercicio. La empresa de refacciones de maquilas, quiere ampliar su planta productora, para lograrlo solicito un crédito por la cantidad de \$800,000 pesos, y de acuerdo a su experiencia de ingresos anuales, puede disponer de la cantidad de \$70 mil pesos, para hacer pagos de forma mensual, con una tasa de interés convertible bimestral del 18%. El dueño de la empresa quiere saber: ¿Cuántos pagos tendría que hacer para liquidar totalmente la deuda? y también quiere conocer su tabla de amortización.

Solución

Para encontrar la solución a éste problema se hará uso de la siguiente ecuación de valor:

$$800,000=70,000\prescript{}{n}{\mathbf{A}}_{0.015}$$

Recordando que el valor de la tasa es de:

$$i=\frac{18}{12}=0.015$$

ya que es una tasa efectiva convertible mensualmente.

Luego, vamos a encontrar el valor de n, variable que nos permitirá conocer la cantidad de pagos que se van a realizar.

$$800,000=70,000\prescript{}{n}{\mathbf{A}}_{0.015}$$

$$\frac{800,000}{70,000}=\left(\frac{1-v_{0.015}^n}{0.015}\right)$$

$$11.42857143=\left(\frac{1-\left(\frac{1}{(1+0.015)^n}\right)}{0.015}\right)$$

$$(0.015)(11.42857143)=1-\left(\frac{1}{(1+0.015)^n}\right)$$

$$(-1)(0.1714285714-1)=\left(-\left(\frac{1}{(1.015)^n}\right)\right)(-1)$$

$$0.8285714286=\frac{1}{(1.015)^n}$$

$$(1.015)^n=\frac{1}{0.8285714286}$$

$$(n)log(1.015)=log(.8285714286)$$

$$n=\frac{log(.8285714286)}{log(1.015)}=12.63060823$$

Por lo tanto, el número de pagos a realizar es de 12.

Lo que sigue, es sustituir el valor de n en la ecuación de valor que se había planteado inicialmente, pero agregando el valor X del pago que aún no conocemos, por lo que la ecuación queda de la siguiente forma:

$$800,000=70,000\prescript{}{12}{\mathbf{A}}_{0.015}+Xv_{0.015}^{13}$$

$$800,000=70,000\left(\frac{1-\frac{1}{(1+0.015)^{12}}{0.015}\right)+X\left(\frac{1}{(1+0.015)^{13}}\right)$$

$$800,000=70,000(10.90750521)+X(0.8240270166)$$

$$800,000=763,525.3647+X(0.8240270166)$$

$$800,000-763,525.3647=X(0.8240270166)$$

$$\frac{36,474.6353}{(0.8240270166)}=X$$

$$X=44,263.88282$$

Éste valor representa la cantidad del último pago.

Finalmente, ya que se tiene todos los datos, estamos en posibilidades de hacer la construcción de la tabla de amortización, la cual se muestra a continuación.

Más adelante…

Se continuará, un poco más, abordando algunas variantes de construcción de las tablas de amortización, y ejemplificando algunas situaciones en las que se aplican, describiendo el contexto para su mejor comprensión.

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Topología I: Espacios topológicos

Por Alfonso Zavala

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Introducción

Antes de dar la definición de espacio topológico y ver ejemplos, siempre resulta conveniente familiarizarnos un poco con los conceptos a los que nos vamos a enfrentar, tratando de entender intuitivamente las bases de lo que vamos a estudiar. Seguramente ya has trabajado con conceptos de topología en tu curso de cálculo 3 (de hecho es altamente recomendado que hayas cursado esta materia antes de enfrentarte a un curso de topología) y conoces conceptos como abiertos, cerrados, compacidad, conexidad, etc., que usaste para entender las propiedades topológicas de $\mathbb{R}^n$. A grandes rasgos, la topología se ocupa de entender las relaciones entre objetos que viven en cierto ambiente (en el caso de cálculo 3 el ambiente era $\mathbb{R}^n$); estas relaciones no se preocupan por el tamaño o la forma específica de los objetos, más bien se ocupan de características como si el objeto está completamente conectado, la cantidad de agujeros que tiene, etc. Seguramente has escuchado el famoso ejemplo de que para un topólogo un taza y una dona son el mismo objeto. La explicación rápida de esto es que ambos objetos sólo tienen un agujero, y como a la topología no le interesa la forma específica de la taza y la dona, entonces topológicamente son lo mismo.

Nota. A lo largo de todo el curso se considerará al conjunto de los números naturales a partir del 1, es decir, $\mathbb{N} = \{1,2,3,\ldots\}$.

Definición de espacio topológico

Definición. Sean $X$ un conjunto y $\tau\subseteq\mathcal{P}(X)$. Decimos que $\tau$ es una topología para $X$ si cumple:

  1. $\varnothing\in\tau$, $X\in\tau$
  2. Si $U,V\in\tau$, entonces $U\cap V\in\tau$
  3. Si $\{U_i\}_{i\in I} \subseteq \tau$, entonces $\bigcup\limits_{i\in I}U_i\in\tau$

A los elementos de $\tau$ les llamamos abiertos.

Una de las primeras consecuencias de esta definición es que la intersección finita de abiertos es abierto, en un momento probaremos este resultado. Por otro lado, observemos que la tercera indica que $\tau$ es cerrada bajo uniones arbitrarias, es decir, cualquier unión de abiertos siempre resulta en un abierto, sin importar cuántos sean.

Proposición. Sean $X$ un conjunto, $\tau$ una topología para $X$ y $\{U_i\}_{i=1}^n \subseteq \tau$. Entonces $\bigcap\limits_{i=1}^n U_i \in \tau$.

Demostración. P.D. $\bigcap\limits_{i=1}^n U_i \in \tau$. Procedamos por inducción sobre $n$.

Si $n=2$, tenemos que $U_1,U_2 \in \tau$, aplicando la propiedad 2 de la definición de topología, tenemos que $U_1\cap U_2 \in \tau$.

Supongamos válido para $n=k$, i.e., $\bigcap\limits_{i=1}^k U_i \in \tau$.

P.D. $\bigcap\limits_{i=1}^{k+1} U_i \in \tau$. Por hipótesis $ \{U_i\}_{i=1}^{k+1} \subseteq \tau$, entonces $U_1,\ldots, U_{k+1}\in \tau$. Por hipótesis de inducción, $\bigcap\limits_{i=1}^k U_i \in \tau$, entonces aplicando la propiedad 2 de la definición de topología, tenemos que $\left(\bigcap\limits_{i=1}^k U_i \right) \cap U_{k+1} \in \tau$, i.e., $\bigcap\limits_{i=1}^{k+1} \in \tau$.

Por lo tanto, $\bigcap\limits_{i=1}^n U_i \in \tau$.

$\square$

Después de esta proposición, es natural preguntarse si la intersección arbitraria de abiertos siempre resulta ser un abierto. La respuesta es que no, y esto lo podemos comprobar con un simple ejemplo usando la topología usual de los números reales (esta es la topología con la que se trabaja en cálculo, más adelante la definiremos formalmente). Consideremos la familia de abiertos $\{U_n\}_{n\in\mathbb{N}}$, donde $U_n := \left(-\frac{1}{n}, \frac{1}{n}\right)$. Cada $U_n$ es un intervalo abierto en la recta real, y el único elemento que tienen en común todos los intervalos es el cero, es decir, $\bigcap\limits_{n\in\mathbb{N}} U_n = \{0\}$, pero un conjunto unitario no puede ser abierto en la topología usual de los reales. Por lo tanto, concluimos que la intersección arbitraria de abiertos no necesariamente resulta en un abierto.

Ya que hemos definido qué es una topología, es natural tener la siguiente definición.

Definición. Si $\tau$ es topología para $X$, decimos que $(X,\tau)$ es un espacio topológico.

Veamos algunos ejemplos.

Ejemplos

Sea $X=\{a,b,c,d,e\}$.

  • $\tau_1 = \{\{b,c\}, X, \{a,d,e\}\}$. $\tau_1$ no es topología, pues $\varnothing\notin\tau_1$.
  • $\tau_2 = \{\varnothing, X\}$. $\tau_2$ sí es topología. Contiene el vacío y el total, y la intersección o unión entre ellos vuelve a ser el vacío o el total. A esta topología se le llama topología indiscreta y se suele denotar por $\tau_{\text{indis}}$.
  • $\tau_3 = \mathcal{P}(X)$. $\tau_3$ sí es topología, pues contiene a todos los subconjuntos de $X$. A esta topología se le llama topología discreta y se suele denotar por $\tau_{\text{dis}}$.
  • $\tau_4 = \{\varnothing, X, \{a,d,e\}, \{b,c,d,e\}, \{d\}\}$. $\tau_4$ no es topología, pues $\{a,d,e\}\cap\{b,c,d,e\} = \{d,e\} \notin \tau_4$.
  • $\tau_5 = \{\varnothing, X, \{a,d,e\}, \{b,d,e\}, \{d,e\}\}$. $\tau_5$ no es topología, pues $\{a,d,e\}\cup\{b,d,e\} = \{a,b,d,e\} \notin \tau_5$.
  • $\tau_6 = \{\varnothing, X, \{a,b\}, \{c,d\}, \{a,b,c,d\}\}$. $\tau_5$ sí es topología.

Hasta ahora todos los ejemplos que hemos visto son finitos, y para verificar si cierto conjunto es topología o no, basta verificar que se cumplan las propiedades con todos los elementos del conjunto, o encontrar algunos elementos que no cumplan con las propiedades. Ahora veremos un ejemplo con un conjunto que no necesariamente tiene que ser finito, y para verificar si es topología o no, tendremos que verificar las propiedades usando las propiedades del conjunto.

Topología del punto fijo

Sean $X$ un conjunto (puede ser finito o infinito) y $p\in X$. Definimos $\tau = \{A\subseteq X \,:\, p\in A\}$. Inmediatamente podemos ver que $\tau$ no es topología ya que $\varnothing\notin\tau$, pues por definición todo elemento de $\tau$ contiene a $p$. Entonces definimos $\tau_p = \{A\subseteq X \,:\, p\in A\}\cup \{\varnothing\}$. A esta topología se le llama topología del punto fijo. Veamos que $\tau_p$ sí es topología.

Demostración. Para demostrar que $\tau_p$ es topología tenemos que verificar las tres propiedades de la definición.

  1. $\varnothing\in \tau_p$ por definición. Además, como $p\in X$, entonces $X\in\tau_p$. $\checkmark$
  2. Sean $U,V\in \tau_p$. P.D. $U\cap V\in\tau_p$.
    Caso 1: $U=\varnothing$ o $V=\varnothing$. Entonces $U\cap V = \varnothing\in \tau_p$. $\checkmark$
    Caso 2: $U\neq \varnothing$ y $V\neq \varnothing$. Como $U,V\in\tau_p$ y no son vacíos, entonces $p\in U$ y $p\in V$, por lo que $p\in U\cap V$, así $U\cap V\in\tau_p$. $\checkmark$
  3. Sea $\{U_\alpha \,:\, \alpha\in\Gamma\}\subseteq\tau_p$. P.D. $\bigcup\limits_{\alpha\in\Gamma} U_\alpha \in \tau_p$.
    Caso 1: $U_\alpha \neq \varnothing$, $\forall \alpha \in \Gamma$. Entonces $\bigcup\limits_{\alpha\in\Gamma} U_\alpha = \varnothing \in \tau_p$. $\checkmark$
    Caso 2: $\exists \alpha_0\in\Gamma$ tal que $U_{\alpha_0}\neq\varnothing$. Como $U_{\alpha_0} \in\tau_p$, entonces $p\in U_{\alpha_0}$, por lo que $p\in\bigcup\limits_{\alpha\in\Gamma} U_\alpha$, así $\bigcup\limits_{\alpha\in\Gamma} U_\alpha \in \tau_p$. $\checkmark$

Hemos demostrado que $\tau_p$ cumple todas las propiedades de la definición de topología, por lo tanto, $\tau_p$ es una topología para $X$.

$\square$

Topología cofinita

En $\mathbb{R}$ definimos $\tau = \{A\subseteq X \,:\, \mathbb{R}\backslash A \text{ es finito}\}$. Al igual que en el ejemplo anterior, inmediatamente podemos ver que $\tau$ no es topología pues $\varnothing \notin\tau$. Ahora definimos $\tau_{\text{cof}} = \{A\subseteq X \,:\, \mathbb{R}\backslash A \text{ es finito}\}\cup\{\varnothing\}$. Con esta definición resulta que $(\mathbb{R},\tau_{\text{cof}})$ sí es un espacio topológico. A $\tau_{\text{cof}}$ se le llama topología cofinita.

Observación. En la topología cofinita, $\mathbb{R}$ puede ser cualquier conjunto.

Más adelante…

En la próxima entrada veremos más ejemplos de espacios topológicos y su relación con espacios métricos.

Tarea moral

  1. Demuestra que $(\mathbb{R},\tau_{\text{cof}})$ como se definió anteriormente es un espacio topológico. Es decir, demuestra que $\tau_{\text{cof}}$ es una topología para $\mathbb{R}$.
  2. Sea $X=\{0,1\}$. Determina si $\tau = \{\varnothing, \{0\}, \{0,1\}\}$ es una topología para $X$.
  3. Sea $X = \{a, b, c\}$. Encuentra todas las familias $\tau \subseteq \mathcal{P}(X)$ tales que $\tau$ es una topología en $X$.
  4. Determina si $\tau_1 = \{U \subseteq X \,|\, 0 \in U \vee \{0,1\}\cap U=\varnothing\}$ es una topología en $X=[0,1]$.
  5. Determina si $\tau_2= \left\{[0, b] \,|\, \frac{1}{2}<b \leq 1 \right\} \cup\{0\}$ es una topología en $X=[0,1]$.

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