Capítulo 6
Fecho e Interior

Dado um subconjunto B ⊂ X de um espaço topológico X, vamos associar a B o conjunto B¯ dado por todos os pontos que estão “próximos” de B. Veremos que a propriedade do item (3) da Proposição 4.8 garantirá que se F = B¯, então F = F¯. Ou seja, apesar de termos acrescentado pontos em B para construir o conjunto F, mesmo com esse alargamento, F não se tornou “próximo” de nenhum ponto do qual B já não fosse próximo. O conjunto B¯ é o fecho de B. E os conjuntos F que satisfazem F = F¯ são chamados de conjuntos fechados. Veremos que os conjuntos fechados são exatamente os complementares dos conjuntos abertos.

6.1 Fecho e Fechado

Definição 6.1.

Seja X,τX um espaço topológico e B ⊂ X um subconjunto qualquer de X. Definimos o fecho de B, e denotamos por B¯ o conjunto

B¯ = x ∈ X ∀V ∈𝒱x,V ∩ B≠∅.

Também escrevemos cl B; ou quando queremos enfatizar a topologia τX, escrevemos clτX B.

Observação 6.2. O operador de fecho é uma aplicação

cl :𝒫X →𝒫XB↦B¯ .

Lema 6.3.

Seja X,τX um espaço topológico. E para cada x, seja βx ⊂𝒱x uma base de vizinhanças de x. Então,

B¯ = x ∈ X ∀V ∈ βx,V ∩ B = ∅.

Em particular, x está no fecho de B se, e somente se, para todo vizinhança aberta U de x, U ∩ B = ∅.

Vamos então verificar algumas propriedades do operador clτX.

Proposição 6.4.

A operação de fecho no espaço topológico X,τX satisfaz:

  1. ∅¯ = ∅,X¯ = X.
  2. B ⊂B¯.
  3. A ⊂ B ⇒A¯ ⊂B¯.
  4. B¯¯ = B¯. (clτX2 = clτX)
  5. Se Bλ (λ ∈ Λ) é uma família qualquer de subconjuntos de X, então
    ⋃ λ∈ΛBλ¯ ⊂⋃ λ∈ΛBλ¯.
  6. Se A B são subconjuntos de X, então
    A¯ ∪B¯ = A ∪ B¯.

Demonstração. _ Itens (1), (2) e (3).

Consequências imediatas da definição de fecho.

_ Item (4).

Por (2), B¯ ⊂B¯¯. Seja então x ∈B¯¯, e seja U ∈ τX uma vizinhança aberta de x. Então existe y ∈B¯, tal que y ∈ U. Ou seja, U é vizinhança de y. E portanto, como y está no fecho de B, existe z ∈ B tal que z ∈ U. Provamos que toda vizinhança aberta de x intercepta B. Pelo lema 6.3, x ∈B¯.

_ Item (5).

O item (5) é imediato da definição de fecho. No entanto, também pode ser demonstrado através do item (3), pois para todo γ ∈ Λ,

Bγ ⊂⋃ λ∈ΛBλ ⇒Bγ¯ ⊂⋃ λ∈ΛBλ¯.

Basta então fazer a união para todo γ ∈ Λ.

_ Item (6).

Por (5), basta mostrar que

A ∪ B¯ ⊂A¯ ∪B¯.

Suponha que x ∈A ∪ B¯, mas x∉A¯. Vamos mostrar que x ∈B¯. Existe uma vizinhança V de x tal que V ∩ A = ∅. Toda vizinhança de x intercepta A ∩ B. Então, toda vizinhança de x contida em V , já que não intercepta A, tem que interceptar B. Observando que a família de todas as vizinhanças de x contidas em V forma uma base de vizinhanças de x (por quê?), concluímos pelo lema 6.3 que x ∈B¯. □

Observação 6.5. A demonstração do item (4) da Proposição 6.4 (de fato, o lema 6.3 utilizou, de maneira essencial, o fato de a família das vizinhanças abertas de um ponto formar uma base de vizinhanças. Veja a Observação 3.5, o texto introdutório da seção 3.5 e a Figura 4.2.

Definição 6.6.

Dado um espaço topológico X,τX, um conjunto F ⊂ X é fechado quando F¯ = F.

Pela definição de fechado, os conjuntos fechados são os pontos fixos da aplicação clτX. Por outro lado, o item (4) da Proposição (6.4) mostra que todo conjunto da forma B¯ é fechado. Ou seja, a família dos conjuntos fechados é exatamente a imagem de clτX. Se o “fecho” de um conjunto não fosse “fechado”, precisaríamos dar outro nome para ao menos um dos dois conceitos. :-)

Proposição 6.7.

Em um espaço topológico X,τX, F ⊂ X é fechado se, e somente se, Fc ∈ τX.

Demonstração. Tome x ∈ Fc. Então existe V ∈𝒱x tal que V ∩ F = ∅. Ou seja, V ⊂ Fc. Portanto, Fc é aberto, já que é vizinhança de todos os seus pontos.

Por outro lado, suponha que Fc ∈ τX. Então, nenhum ponto de Fc pertence a F¯ (por quê?). Ou seja,

F¯ ⊂ F.

Portanto, F¯ = F (por quê?). □

Observação 6.8. A Proposição 6.7 mostra que a topologia de X pode ser determinada pela família

ℱ = F ⊂ X F¯ = F,

dos subconjuntos fechados de X. Quando é então que uma família ℱ⊂𝒫X define os conjuntos fechados de uma topologia τX? Ou seja, quando é que a família

τℱ = A ⊂ X Ac ∈ℱ

é uma topologia de X? A resposta é simples: a família ℱ terá que satisfazer as condições listadas na Proposição 6.9.

Indo um pouco além, se conhecermos clτX, também sabemos quem são os fechados de τX, e por consequência, sabemos quem é a topologia τX. Desta forma, quando é então que uma aplicação

c : 𝒫X →𝒫X

é igual à operação de fecho clτX de uma topologia τX? A resposta a esta pergunta está contida na Proposição 6.4. Veja o Exercício ??.

Proposição 6.9.

Dado um espaço topológico X,τX, a família ℱformada pelos subconjuntos fechados de X satisfaz:

  1. ∅,X ∈ℱ.
  2. F1,F2 ∈ℱ⇒ F1 ∪ F2 ∈ℱ.
  3. Fλ ∈ℱ(λ ∈ Λ) ⇒⋂ λ∈ΛFλ ∈ℱ.

Demonstração. Basta utilizar as leis de De Morgan

⋃ λ∈ΛAλc = ⋂ λ∈ΛAλc ⋂ λ∈ΛAλc = ⋃ λ∈ΛAλc

para verificar a equivalência entre os itens da proposição e os itens da definição de topologia 4.1. □

O fecho de um conjunto B pode ser facilmente determinado se utilizarmos a família ℱ dos fechados.

Proposição 6.10.

Seja X um espaço topológico e ℱ a família formada pelos subconjuntos fechados de X. Então, para um subconjunto qualquer B ⊂ X,

B¯ = ⋂ B⊂F F é fechado F.

Em outras palavras, B¯ é o menor conjunto fechado que contém B.

Demonstração. Como B¯ é fechado e B ⊂B¯, temos que

⋂ B⊂F∈ℱF ⊂B¯.

Afirmação. Se F é fechado, então

B ⊂ F ⇒B¯ ⊂ F.

_______________________________________________________________________________

De fato,

B ⊂ F ⇒B¯ ⊂F¯ = F.

_______________________________________________________________________________

Pela afirmação anterior, é evidente que

B¯ ⊂⋂ B⊂F∈ℱF.
□

6.2 Interior

Assim como para o fecho, dado um espaço topológico X,τX, podemos associar a cada B ⊂ X o subconjunto de B formado por todos os pontos dos quais B é vizinhança. Do mesmo modo que o fecho de um conjunto é fechado, o interior será aberto. E assim como o fecho de B é o menor fechado que contém B, seu interior é o menor aberto contido em B.

Proposição 6.11. Seja X,τX um espaço topológico e B ⊂ X um subconjunto qualquer de X. Então existe um conjunto A ⊂ B que é o maior subconjunto de B que é aberto. O conjunto A também pode ser escrito

A = x ∈ B B ∈𝒱x.

Demonstração. Como a união arbitrária de abertos é um aberto, então

A′ = ⋃ U∈τX U⊂B U

é evidentemente o maior aberto contido em B. Vamos mostrar que A = A′.

O conjunto A′ é tal que se x ∈ A′, então A′∈𝒱x. Como A′⊂ B, então para todo ponto de x ∈ A′, temos que B é uma vizinhança de x. Ou seja,

A′⊂ A.

Falta então mostrar que o conjunto A é aberto e que portanto,

A ⊂ A′.

Seja x ∈ A. Como B é vizinhança de x, então existe uma vizinhança aberta de x, Ux, tal que x ∈ Ux ⊂ B. O conjunto Ux é vizinhança de todos os seus pontos. Em particular, B é vizinhança de todos os pontos de Ux. Ou seja,

Ux ⊂ A.

E portanto,

A = ⋃ x∈AUx

é aberto. □

É importante notar quando se afirma a “existência” de um elemento “máximo”. Ao contrário do que nossa intuição possa acreditar, nem sempre existe um elemento “máximo” ou “maximal” que satisfaça determinada condição. Por exemplo, não existe o “maior número real que é menor que 1.” Talvez o leitor não tenha percebido, mas se o conjunto ∅ não fosse aberto, a demonstração anterior não estaria correta. Em que momento utilizamos que ∅ é um conjunto aberto?

Definição 6.12.

Seja X,τX um espaço topológico e B ⊂ X um subconjunto qualquer de X. O interior de B é maior conjunto aberto contido em B. Denotamos o interior de B por B̈, int B, ou ainda intτX B quando queremos enfatizar que é o interior de B com respeito à topologia τX.

Proposição 6.13.

Seja X um espaço topológico. Valem as seguintes relações entre o fecho e o interior de um conjunto B ⊂ X:

cl Bc = int Bc cl Bc = int Bc.

Demonstração. Exercício. :-) □

6.3 Continuidade

Os conjuntos fechados são simplesmente complementos de conjuntos abertos. Dada uma aplicação f : X → Y , a inversa f−1 preserva a operação de complemento. Assim, f será contínua quando a imagem inversa de cada fechado for um conjunto fechado.

Proposição 6.14.

Sejam X,τX e Y,τY espaços topológicos e f : X → Y uma aplicação qualquer. As seguintes afirmações são equivalentes:

  1. A aplicação f é contínua: para todo aberto A ⊂ Y , f−1(A) é um aberto de X.
  2. Para todo fechado F ⊂ Y , f−1(F) é um fechado de X.
  3. Para todo conjunto B ⊂ X,
    f B¯ ⊂f(B)¯.
  4. Para todo conjunto B ⊂ X,
    int f(B) ⊂ f int B.

Demonstração. _ (1) ⇔ (2)

Basta notar que f−1 : 𝒫Y →𝒫X preserva a operação de complemento. Isto é,

f−1(Ac) = f−1(A)c.

_ (2) ⇒ (3)

Por hipótese, o conjunto f−1 f(B)¯ é fechado e contém B. Portanto, como o fecho de B é o menor fechado que o contém, segue que

B¯ ⊂ f−1 f(B)¯

Basta agora aplicar f a ambos os lados para obter

f B¯ ⊂f(B)¯.

_ (3) ⇔ (4)

Segue da relação entre o fecho e o interior descrito na Proposição 6.13.

_ (3) ⇒ (2)

Seja F ⊂ Y um conjunto fechado. Faça

B = f−1(F).

Vamos mostrar que B é fechado. Pela hipótese do item (3), vale que

f B¯ ⊂f(B)¯ ⊂F¯ = F.

Aplicando f−1 de ambos os lados,

B¯ ⊂ f−1(F) = B.

Portanto, B¯ = B. □

6.3.1 Aplicação Fechada

Assim como fizemos quando definimos o que vem a ser uma aplicação aberta (Definição 4.19), vamos definir o que é uma aplicação fechada.

Definição 6.15.

Uma aplicação f : X → Y entre dois espaços topológicos é fechada, quando para todo fechado F ⊂ X, sua imagem f(F) ⊂ Y também for fechada.

Note que enquanto é verdade que se f−1 leva abertos em abertos (ou seja, f é contínua), então f−1 leva fechados em fechados; não é verdade que se f é uma aplicação aberta, também será uma aplicação fechada. Por exemplo,

f :ℝ →ℝ x ↦ 0

é uma aplicação fechada, mas não é aberta.

6.4 Convergência

Em um espaço topológico X, se F ⊂ X é fechado, e x∉F, então nenhuma sequência xn ∈ F pode convergir para x. De fato, Fc é uma vizinhança de x que não contém nenhum ponto da sequência xn. Portanto, se uma sequência xn ∈ F converge para x, teremos que x ∈ F. Em particular, esquecendo um pouco o conjunto F, se xn → x, então,

x ∈xn n ∈ ℕ¯.

Indo um pouco além,

x ∈⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯.

Pois a sequência xN+n também converge para x.

Por outro lado, dada a sequência xn ∈ X, suponha que

x ∈⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯.

Podemos concluir que xn → x? A resposta é não! Mas por que não? Por exemplo, por que xn = (−1)n não converge? E se

{x} = ⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯,

então vale que xn → x? Considere

xn = 0,n é imparn, n é par

para verificar que não vale. Mas é verdade que se xn → x, então

{x} = ⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯?

Para ver que não, basta considerar a topologia {∅,X}, onde X é um conjunto qualquer com mais de um elemento. Neste caso,

X = ⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯,

pois o fecho de qualquer conjunto não vazio é igual a X.

Vamos supor, então, que

x ∈⋂ N∈ℕ xn n ≥ N¯.

Neste caso, quando é que xn↛x? Se

xn↛x,

então existe uma vizinhança de x, V , tal que infinitos xn1,xn2,xn3,… não pertencem a V . Ou seja,

x∉xnk k ∈ ℕ¯.

É como dizer que xn → x quando para toda “subsequência” xnk tivermos que xnk → x.

Definição 6.16.

Dado um conjunto X e uma sequência xn ∈ X. Uma sub-sequência de xn é simplesmente uma sequência yk = xnk, onde n1 < n2 < n3 < ⋯.

Observação 6.17.

Dada uma sequência xn ∈ X, o que determina as subsequências de xn, são as aplicações

f :ℕ →ℕ k ↦ nk ,

que preservam a ordem ≤ de ℕ. Ou seja,

k1 ≤ k2 ⇔ nk1 ≤ nk2.

Poderíamos ter definido subsequência como uma aplicação f : ℕ → ℕ que satisfaz

k1 < k2 ⇒ f(k1) < f(k2).

Proposição 6.18.

Dado um espaço topológico X, uma sequência xn ∈ X converge para x ∈ X se, e somente se, para toda subsequência xnk,

x ∈xnk k ∈ ℕ¯.

Demonstração. Se xn → x, então toda subsequência xnk converge para x (por quê?). Portanto,

x ∈xnk k ∈ ℕ¯.

Pois se x∉xnk k ∈ ℕ¯, então xnk k ∈ ℕ¯c é uma vizinhança de x que não contém nenhum xnk.

Por outro lado, se xn↛x, então existe uma vizinhança V de x, tal que para infinitos índices n1,n2,n3,…, xnk∉V . Portanto, para esses índices,

x∉xnk k ∈ ℕ¯.
□

Uma das implicações da Proposição 6.18, é que basta conhecer o fecho dos conjuntos enumeráveis para sabermos quais são e quais não são as sequências convergentes. Em espaços métricos, por exemplo, os conjuntos fechados F, são exatamente aqueles que

xn ∈ F,xn → x ⇒ x ∈ F.

Em espaços topológicos em geral, isso não é necessariamente válido. Mais adiante, veremos como o conceito de redes pode remediar esta deficiência das sequências. Por exemplo, considere a topologia em ℝ do exercício ??, onde os fechados são, além do próprio ℝ, os conjuntos enumeráveis (com cardinalidade menor ou igual à de ℕ). Neste caso, as sequências convergentes são constantes a menos de um número finito de índices:

xn → x ⇔∃N ∈ ℕ,∀n ≥ N,xn = x. (6.1)

De fato, se houvessem infinitos índices nk tais que xnk≠x, então, xnk k ∈ ℕ seria um fechado que não contém x, contradizendo a Proposição 6.18. Por outro lado, as sequências de (6.1), são exatamente as sequências convergentes na topologia discreta.

Essa mesma construção poderia ser feita com qualquer conjunto X no lugar de ℝ, para se ter uma topologia em X onde as sequências convergentes são as mesmas da topologia discreta. Precisamos que X seja não enumerável para que a topologia construída seja diferente de topologia discreta 𝒫X.

Em espaços métricos, uma aplicação f : X → Y era contínua quando

xn → x ⇒ f(xn) → f(x). (6.2)

Para o caso de espaços topológicos, a continuidade de f implica na condição da equação (6.2). No entanto, a volta nem sempre vale.

Proposição 6.19.

Seja f : X → Y uma aplicação entre espaços topológicos, contínua no ponto x ∈ X. Então,

xn → x ⇒ f(xn) → f(x).

Demonstração. Se f(xn)↛f(x), então existe uma vizinhança aberta A de f(x), tal que para um número infinito de índices, a sequência f(xn) não pertence a A. Portanto, para um número infinito de índices, a sequência xn não pertence a f−1(A), que é, pela continuidade de f em x, uma vizinhança de x. O que mostra que xn↛x. □