Existencia de curvas cerradas alrededor de componentes acotados

Estoy atascado en parte de una prueba de análisis compleja que creo que necesita más justificación que la dada. Es bastante puramente una declaración topológica, pero puede ser que las técnicas analíticas complejas sean útiles. Básicamente, la declaración se reduce a esto:

Dejar tu C estar abierto y conectado, y dejar k C tu ser un componente acotado del complemento. Entonces existe una curva en tu delimitando k .

¿Hay alguna manera de probar esta afirmación sin el lema Jordan-Schoenflies, es decir, de una manera más elemental? He intentado muchas cosas al azar, pero nada parece funcionar. En particular, si hay una manera de probarlo con el principio del argumento, sería ideal, pero no necesario.

Agradezco cualquier ayuda en absoluto.

EDITAR: Así que realmente creo que esta es una pregunta que vale la pena, así que puse la lamentable recompensa que podía pagar jaja.

Las cosas de las que hay que preocuparse son cosas como el complemento de un conjunto de Cantor y otros componentes de menor dimensión del complemento.

Entonces consideramos el conjunto

tu 1 = { z |  (simple) curva cerrada  γ tu con  z  en una componente acotada de  C γ }

Entonces tu 1 es abierta, ya que podemos escribirla como la unión de los interiores (abiertos) de las componentes acotadas de todas las curvas en tu , decir

tu 1 = γ α Γ ( 1 norte α C α , k ) para Γ el conjunto de todas las curvas cerradas en tu .

ahora cada uno C α , k ¯ se cruza γ α tu de modo que C α , k ¯ tu , y escribiendo tu 1 como una unión de todos esos conjuntos, cada uno de los cuales tiene (conectados) tu en común, obtenemos que tu 1 está conectado. Ya que está abierto y C está localmente conectado por ruta, tu 1 está conectado por caminos.

Ahora, podemos iterar esta construcción, entonces; si Γ k es la colección de todas las curvas cerradas en tu k , escribir

tu k + 1 = { z |  (simple) curva cerrada  γ Γ k tu k con  z  en una componente acotada de  C γ }

Entonces deja V = tu k . Entonces cualquier curva cerrada en V es compacto, y dado que cada tu k está abierto, por lo tanto, está contenido en un número finito de tales. Pero esta es una secuencia anidada, por lo que se encuentra completamente dentro de algunos tu norte . Pero todos los puntos en las componentes acotadas de la curva están en tu norte + 1 V de modo que la curva es homóloga a cero en V .

Por un teorema, V está así simplemente conectado. Así que el quid es mostrar que, de hecho, V = tu 1 .

Pero ahí es donde me quedo atascado. También podemos usar el hecho de que un conjunto es simplemente conexo si y sólo si y solo si el complemento en la esfera es el componente (conexo) de infinito. Mostrar que contiene este conjunto es la dirección difícil; que contiene el complemento de la componente infinita V es trivial

Una prueba no debe usar ningún teorema con el nombre "Jordan" ni la palabra "homotopía". Estas pruebas son obvias. Diría que desde la teoría de la dimensión, el Teorema de Painleve está bien para usar, pero de lo contrario para evitar la dimensión. También lo consideraría una solución para mostrar que la declaración implica el teorema de Jordan-Schoenflies para la dimensión 2 o el teorema del anillo para la dimensión 2. Y si alguien tiene suficiente reputación, ¿podría agregar la teoría del continuo a la lista de etiquetas?

cualquier curva γ quieres con 0 en una componente acotada de C γ
Mi idea sería usar la compacidad de k para construir un camino en tu que "envuelve" todo k paso a paso (es decir, cubrir k por un número finito de bolas abiertas contenidas en tu , y construya el camino para atravesar estas bolas una por una). No he pensado en cómo arreglar los detalles o probar que la curva resultante en realidad limita k aunque.
Creo que la construcción que busca se da en la segunda parte de la prueba del Teorema 14, Capítulo 4, de Ahlfors Complex Analysis , páginas 139–140 de mi edición.
Estamos usando ese teorema de Ahlfors al comienzo de este problema; desafortunadamente, el problema es que aunque conocemos todos los puntos en componentes acotados de tu C están contenidos en tu 1 , no sabemos que no recogimos ningún componente complementario acotado nuevo para tu 1 a priori.
Uno puede usar mi respuesta aquí para resolver este problema analíticamente: solo necesita el teorema de extensión de Tietze-Urysohn y el teorema de Sard. Escribiré una solución completa cuando tenga tiempo.

Respuestas (1)

Si C tu tiene solo un número finito de componentes, entonces puede proceder aproximadamente de la siguiente manera:

Elegir ε > 0 menos que la distancia de k a cualquier otro componente de C tu . Luego considere el conjunto de todos los cuadrados

q k , yo = { X + i y ( k 1 ) ε X k ε , ( yo 1 ) ε y yo ε }
que tienen al menos un punto en común con k :
S = { ( k , yo ) Z × Z q k , yo k } .
S tiene un número finito de elementos. Para cada ( k , yo ) S , definir γ k , yo como el "camino límite" de q k , yo en sentido contrario a las agujas del reloj. Cada γ k , yo consta de cuatro caminos en línea recta γ k , yo ( norte ) , norte = 1 , 2 , 3 , 4 . Si tal trayectoria lineal tiene al menos un punto en común con k entonces existe (exactamente) otra ruta de línea de un γ k , yo ( norte ) que es el camino inverso de γ k , yo ( norte ) .

Finalmente, defina γ como la suma formal de todas las rutas de línea γ k , yo ( norte ) que yacen completamente en tu . Esta es una curva cerrada.

Si a k se encuentra en el interior de un q k , L entonces el número de bobinado satisface

1 2 π i γ d z z a = ( k , yo ) S 1 2 π i γ ( k , yo ) d z z a = 1 2 π i γ ( k , L ) d z z a = 1
porque todas las contribuciones de los caminos de línea que se cruzan k cancelarse entre sí. Por continuidad esto vale para todos a k .

Si a se encuentra en un componente diferente de C tu , entonces

1 2 π i γ d z z a = ( k , yo ) S 1 2 π i γ ( k , yo ) d z z a = 0
porque la integral se anula para todo ( k , yo ) S .

Gracias, sí, pero ¿qué hay de infinitos componentes? De hecho, puede haber infinitos incontables, incluso, por ejemplo, el plano menos un conjunto de cantor
@JohnSamples: Eso no lo sé. Estaba pensando en una curva cerrada que separa k de todos los demás componentes del complemento de tu , y eso podría ser imposible para una cantidad infinita de componentes.
Sí, eso sería imposible; es posible que tenga una secuencia de puntos faltantes que se acerquen al límite de tu .