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Teorema di Heine-Borel: 20 Esercizi Svolti Passo Passo

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By Pimath, 7 June, 2026

Gli esercizi seguenti servono a consolidare il concetto di insieme compatto in \(\mathbb R\). Useremo soprattutto il teorema di Heine-Borel, secondo cui un sottoinsieme di \(\mathbb R\) è compatto se e solo se è chiuso e limitato.


Esercizio 1 — livello ★☆☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=[2,5] \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A=[2,5]\) è compatto.

Svolgimento

In \(\mathbb R\), per il teorema di Heine-Borel, un insieme è compatto se e solo se è chiuso e limitato.

L'intervallo \([2,5]\) è chiuso, perché contiene entrambi i suoi estremi \(2\) e \(5\).

Inoltre è limitato, perché tutti i suoi elementi soddisfano

\[ 2\le x\le 5. \]

Dunque \(A\) è chiuso e limitato. Pertanto, per il teorema di Heine-Borel, \(A\) è compatto.


Esercizio 2 — livello ★☆☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=(2,5) \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A=(2,5)\) non è compatto.

Svolgimento

L'intervallo \((2,5)\) è limitato, perché tutti i suoi elementi sono compresi tra \(2\) e \(5\).

Tuttavia non è chiuso, poiché non contiene i suoi punti di accumulazione \(2\) e \(5\). Infatti esistono successioni di punti di \(A\) che convergono a \(2\) oppure a \(5\), per esempio

\[ x_n=2+\frac1n. \]

Per ogni \(n\) sufficientemente grande si ha \(x_n\in(2,5)\), ma

\[ x_n\to 2, \]

e \(2\notin A\).

Quindi \(A\) non è chiuso. Poiché in \(\mathbb R\) un insieme compatto deve essere chiuso e limitato, \(A\) non è compatto.


Esercizio 3 — livello ★☆☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=[0,+\infty) \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A=[0,+\infty)\) non è compatto.

Svolgimento

L'insieme \(A=[0,+\infty)\) è chiuso in \(\mathbb R\), perché contiene il suo punto di bordo \(0\) e il suo complementare

\[ \mathbb R\setminus A=(-\infty,0) \]

è aperto.

Tuttavia \(A\) non è limitato superiormente. Infatti, per ogni \(M>0\), il numero

\[ M+1 \]

appartiene ad \(A\) ed è maggiore di \(M\).

Quindi \(A\) non è limitato. Per il teorema di Heine-Borel, essendo non limitato, non può essere compatto.


Esercizio 4 — livello ★☆☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\{1,2,3,4\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A=\{1,2,3,4\}\) è compatto.

Svolgimento

Ogni insieme finito di numeri reali è chiuso e limitato.

L'insieme \(A\) è limitato, perché tutti i suoi elementi sono compresi tra \(1\) e \(4\):

\[ 1\le x\le 4 \quad \text{per ogni } x\in A. \]

Inoltre \(A\) è chiuso, perché è un insieme finito e tutti i suoi punti sono isolati.

Dunque \(A\) è chiuso e limitato. Per il teorema di Heine-Borel, \(A\) è compatto.


Esercizio 5 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\left\{\frac1n:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) non è compatto.

Svolgimento

L'insieme \(A\) è limitato, perché

\[ 0<\frac1n\le 1 \]

per ogni \(n\ge 1\). Quindi

\[ A\subseteq (0,1]. \]

Tuttavia \(A\) non è chiuso. Infatti la successione

\[ x_n=\frac1n \]

è formata da punti di \(A\), ma converge a \(0\):

\[ \frac1n\to 0. \]

Il punto \(0\) è quindi un punto di accumulazione di \(A\), ma

\[ 0\notin A. \]

Perciò \(A\) non è chiuso. Essendo limitato ma non chiuso, non è compatto.


Esercizio 6 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\left\{0\right\}\cup\left\{\frac1n:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) è compatto.

Svolgimento

L'insieme \(A\) è limitato, perché

\[ 0\le x\le 1 \]

per ogni \(x\in A\). Quindi \(A\subseteq[0,1]\).

Verifichiamo ora che \(A\) è chiuso. I punti della forma \(\displaystyle \frac1n\) sono isolati, mentre l'unico punto di accumulazione dell'insieme è \(0\).

Infatti

\[ \frac1n\to 0. \]

A differenza dell'esercizio precedente, questa volta \(0\) appartiene all'insieme \(A\).

Dunque \(A\) contiene tutti i suoi punti di accumulazione ed è chiuso.

Poiché \(A\) è chiuso e limitato, per il teorema di Heine-Borel è compatto.


Esercizio 7 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=[-1,1]\setminus\{0\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) non è compatto.

Svolgimento

L'insieme \(A\) è limitato, perché è contenuto in \([-1,1]\).

Tuttavia \(A\) non è chiuso. Infatti \(0\) è un punto di accumulazione di \(A\): ogni intorno di \(0\) contiene punti positivi e negativi diversi da \(0\), per esempio numeri del tipo

\[ \frac1n \]

per \(n\) sufficientemente grande.

Inoltre

\[ \frac1n\in A \quad \text{e} \quad \frac1n\to 0. \]

Ma \(0\notin A\), perché è stato rimosso dall'intervallo \([-1,1]\).

Quindi \(A\) non contiene tutti i suoi punti di accumulazione, dunque non è chiuso.

Essendo limitato ma non chiuso, \(A\) non è compatto.


Esercizio 8 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\left[-2,3\right]\cup\{7\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) è compatto.

Svolgimento

L'intervallo \([-2,3]\) è chiuso e limitato, quindi è compatto.

Anche il singoletto \(\{7\}\) è chiuso e limitato, quindi è compatto.

L'unione finita di insiemi chiusi è chiusa. Pertanto

\[ A=[-2,3]\cup\{7\} \]

è chiuso.

Inoltre \(A\) è limitato, perché tutti i suoi elementi sono compresi tra \(-2\) e \(7\):

\[ -2\le x\le 7 \quad \text{per ogni } x\in A. \]

Dunque \(A\) è chiuso e limitato. Per il teorema di Heine-Borel, \(A\) è compatto.


Esercizio 9 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\bigcup_{n=1}^{+\infty}\left[\frac1n,1\right] \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) non è compatto.

Svolgimento

Osserviamo innanzitutto che

\[ \left[\frac1n,1\right]\subseteq(0,1] \]

per ogni \(n\ge 1\). Inoltre, dato un qualsiasi \(x\in(0,1]\), possiamo scegliere \(n\) sufficientemente grande in modo che

\[ \frac1n\le x. \]

Allora

\[ x\in\left[\frac1n,1\right]. \]

Quindi

\[ A=(0,1]. \]

L'insieme \((0,1]\) è limitato, ma non è chiuso, perché \(0\) è un punto di accumulazione e non appartiene all'insieme.

Infatti

\[ \frac1n\in A \quad \text{e} \quad \frac1n\to 0, \]

ma \(0\notin A\).

Pertanto \(A\) non è chiuso e quindi non è compatto.


Esercizio 10 — livello ★★☆☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\bigcap_{n=1}^{+\infty}\left[-1,\frac1n\right] \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A=[-1,0]\) è compatto.

Svolgimento

Dobbiamo prima determinare l'insieme \(A\).

Un numero \(x\) appartiene ad \(A\) se e solo se appartiene a tutti gli intervalli

\[ \left[-1,\frac1n\right]. \]

Ciò significa che

\[ -1\le x\le \frac1n \]

per ogni \(n\ge 1\).

Se \(x\le 0\) e \(x\ge -1\), allora certamente

\[ x\le \frac1n \]

per ogni \(n\ge 1\). Quindi \([-1,0]\subseteq A\).

Viceversa, se \(x>0\), scegliendo \(n\) sufficientemente grande si ha

\[ \frac1n="" p="">

Allora \(x\notin\left[-1,\displaystyle\frac1n\right]\), quindi \(x\notin A\).

Pertanto

\[ A=[-1,0]. \]

L'intervallo \([-1,0]\) è chiuso e limitato. Quindi, per il teorema di Heine-Borel, è compatto.


Esercizio 11 — livello ★★★☆☆

Dimostrare che l'insieme

\[ A=\left\{\frac{n}{n+1}:n\in\mathbb N,\ n\ge 1\right\}\cup\{1\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) è compatto.

Svolgimento

Scriviamo il termine generale nella forma

\[ \frac{n}{n+1}=1-\frac1{n+1}. \]

Da questa espressione segue che

\[ 0<\frac{n}{n+1}<1 \]

per ogni \(n\ge 1\), e inoltre

\[ \frac{n}{n+1}\to 1. \]

L'insieme \(A\) è limitato, perché tutti i suoi elementi appartengono all'intervallo \([0,1]\).

Inoltre l'unico punto di accumulazione della successione

\[ \frac{n}{n+1} \]

è \(1\), e tale punto appartiene ad \(A\).

I punti

\[ \frac{n}{n+1} \]

sono isolati, mentre \(1\) è incluso nell'insieme.

Quindi \(A\) contiene tutti i suoi punti di accumulazione ed è chiuso.

Essendo chiuso e limitato, \(A\) è compatto per il teorema di Heine-Borel.


Esercizio 12 — livello ★★★☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: x^2<4\right\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) non è compatto.

Svolgimento

Risolviamo prima la disequazione

\[ x^2<4. \]

Essa equivale a

\[ -22. \]="" ="" p="">

Quindi

\[ A=(-2,2). \]

L'insieme \(A\) è limitato, perché è contenuto in \([-2,2]\).

Tuttavia non è chiuso, perché non contiene i punti \(-2\) e \(2\), che sono punti di accumulazione dell'insieme.

Per esempio, la successione

\[ x_n=2-\frac1n \]

appartiene ad \(A\) per ogni \(n\ge 1\) sufficientemente grande e converge a \(2\), ma \(2\notin A\).

Quindi \(A\) non è chiuso. Per il teorema di Heine-Borel, \(A\) non è compatto.


Esercizio 13 — livello ★★★☆☆

Stabilire se l'insieme

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: x^2\le 4\right\} \]

è compatto in \(\mathbb R\).

Risultato

L'insieme \(A\) è compatto.

Svolgimento

Risolviamo la disequazione

\[ x^2\le 4. \]

Essa equivale a

\[ -2\le x\le 2. \]

Dunque

\[ A=[-2,2]. \]

L'intervallo \([-2,2]\) è chiuso, perché contiene i suoi estremi, ed è limitato, perché ogni suo elemento \(x\) soddisfa

\[ -2\le x\le 2. \]

Per il teorema di Heine-Borel, \(A\) è compatto.


Esercizio 14 — livello ★★★☆☆

Sia

\[ A=\left\{x\in\mathbb R: |x-3|\le 2\right\}. \]

Stabilire se \(A\) è compatto.

Risultato

L'insieme \(A=[1,5]\) è compatto.

Svolgimento

La disequazione

\[ |x-3|\le 2 \]

significa che la distanza di \(x\) da \(3\) è al più \(2\). Equivalentemente,

\[ -2\le x-3\le 2. \]

Sommando \(3\) ai tre membri otteniamo

\[ 1\le x\le 5. \]

Quindi

\[ A=[1,5]. \]

L'intervallo \([1,5]\) è chiuso e limitato. Per il teorema di Heine-Borel, \(A\) è compatto.


Esercizio 15 — livello ★★★☆☆

Dimostrare che l'intersezione di due insiemi compatti \(K_1,K_2\subseteq\mathbb R\) è compatta.

Risultato

L'insieme \(K_1\cap K_2\) è compatto.

Svolgimento

Poiché \(K_1\) e \(K_2\) sono compatti in \(\mathbb R\), per il teorema di Heine-Borel sono chiusi e limitati.

L'intersezione di due insiemi chiusi è chiusa. Dunque

\[ K_1\cap K_2 \]

è chiuso.

Inoltre \(K_1\cap K_2\subseteq K_1\). Poiché \(K_1\) è limitato, ogni suo sottoinsieme è limitato. Quindi \(K_1\cap K_2\) è limitato.

Abbiamo dimostrato che \(K_1\cap K_2\) è chiuso e limitato.

Pertanto, per il teorema di Heine-Borel, \(K_1\cap K_2\) è compatto.


Esercizio 16 — livello ★★★☆☆

Dimostrare che l'unione di due insiemi compatti \(K_1,K_2\subseteq\mathbb R\) è compatta.

Risultato

L'insieme \(K_1\cup K_2\) è compatto.

Svolgimento

Poiché \(K_1\) e \(K_2\) sono compatti in \(\mathbb R\), sono chiusi e limitati.

L'unione finita di insiemi chiusi è chiusa. Quindi

\[ K_1\cup K_2 \]

è chiuso.

Poiché \(K_1\) è limitato, esiste \(M_1>0\) tale che

\[ |x|\le M_1 \quad \text{per ogni } x\in K_1. \]

Poiché \(K_2\) è limitato, esiste \(M_2>0\) tale che

\[ |x|\le M_2 \quad \text{per ogni } x\in K_2. \]

Poniamo

\[ M=\max\{M_1,M_2\}. \]

Allora, per ogni \(x\in K_1\cup K_2\), si ha

\[ |x|\le M. \]

Quindi \(K_1\cup K_2\) è limitato.

Essendo chiuso e limitato, \(K_1\cup K_2\) è compatto.


Esercizio 17 — livello ★★★★☆

Dimostrare che l'insieme

\[ K=\left\{x\in[0,2]: x\neq 1\right\} \]

non è compatto.

Risultato

L'insieme \(K=[0,2]\setminus\{1\}\) non è compatto.

Svolgimento

L'insieme \(K\) è limitato, perché è contenuto in \([0,2]\).

Tuttavia non è chiuso. Infatti \(1\) è un punto di accumulazione di \(K\), ma non appartiene a \(K\).

Per vederlo in modo esplicito, consideriamo la successione

\[ x_n=1+\frac1n. \]

Per ogni \(n\ge 1\) si ha \(x_n\neq 1\), e per \(n\) sufficientemente grande si ha \(x_n\in[0,2]\). Quindi \(x_n\in K\).

Inoltre

\[ x_n\to 1. \]

Ma \(1\notin K\). Dunque \(K\) non è chiuso.

Poiché in \(\mathbb R\) ogni compatto deve essere chiuso e limitato, \(K\) non è compatto.


Esercizio 18 — livello ★★★★☆

Dimostrare, usando i ricoprimenti aperti, che l'insieme

\[ A=(0,1) \]

non è compatto.

Risultato

L'intervallo \((0,1)\) non è compatto.

Svolgimento

Consideriamo la famiglia di aperti

\[ \mathcal U=\left\{\left(\frac1n,1\right):n\in\mathbb N,\ n\ge 2\right\}. \]

Questa famiglia ricopre \((0,1)\). Infatti, preso \(x\in(0,1)\), possiamo scegliere \(n\) sufficientemente grande in modo che

\[ \frac1n="" p="">

Allora

\[ x\in\left(\frac1n,1\right). \]

Quindi

\[ (0,1)\subseteq\bigcup_{n=2}^{+\infty}\left(\frac1n,1\right). \]

Supponiamo ora di scegliere un numero finito di questi aperti:

\[ \left(\frac1{n_1},1\right),\ldots,\left(\frac1{n_k},1\right). \]

Sia

\[ N=\max\{n_1,\ldots,n_k\}. \]

Tra questi intervalli, quello che parte più a sinistra è

\[ \left(\frac1N,1\right). \]

L'unione finita scelta è quindi contenuta in

\[ \left(\frac1N,1\right). \]

Ma il punto

\[ x=\frac1{N+1} \]

appartiene a \((0,1)\) e soddisfa

\[ \frac1{N+1}<\frac1N. \]

Dunque \(x\) non appartiene all'unione finita scelta.

Abbiamo trovato un ricoprimento aperto di \((0,1)\) che non ammette alcun sottoricoprimento finito. Per definizione, \((0,1)\) non è compatto.


Esercizio 19 — livello ★★★★☆

Dimostrare, usando le successioni, che l'insieme

\[ A=(0,1] \]

non è compatto.

Risultato

L'insieme \((0,1]\) non è compatto.

Svolgimento

In \(\mathbb R\), ogni successione contenuta in un insieme compatto ammette una sottosuccessione convergente a un punto dell'insieme.

Consideriamo la successione

\[ x_n=\frac1n. \]

Per ogni \(n\ge 1\) si ha

\[ x_n\in(0,1]. \]

Inoltre

\[ x_n\to 0. \]

Ogni sottosuccessione di \((x_n)\) converge ancora a \(0\). Infatti, se \((x_{n_k})\) è una sottosuccessione, allora

\[ x_{n_k}=\frac1{n_k}\to 0. \]

Ma

\[ 0\notin(0,1]. \]

Quindi la successione \((x_n)\), pur essendo interamente contenuta in \((0,1]\), non possiede alcuna sottosuccessione convergente a un punto di \((0,1]\).

Pertanto \((0,1]\) non è compatto.


Esercizio 20 — livello ★★★★★

Sia \(K\subseteq\mathbb R\) un insieme compatto e sia \(f:K\to\mathbb R\) una funzione continua. Dimostrare che \(f(K)\) è compatto.

Risultato

L'immagine continua di un compatto è compatta.

Svolgimento

Vogliamo dimostrare che

\[ f(K)=\{f(x):x\in K\} \]

è compatto.

Usiamo il criterio sequenziale di compattezza in \(\mathbb R\). Sia dunque \((y_n)\) una successione di punti di \(f(K)\). Per definizione di immagine, per ogni \(n\) esiste \(x_n\in K\) tale che

\[ y_n=f(x_n). \]

Poiché \(K\) è compatto, dalla successione \((x_n)\) possiamo estrarre una sottosuccessione \((x_{n_k})\) convergente a un punto \(x_0\in K\):

\[ x_{n_k}\to x_0. \]

Poiché \(f\) è continua in \(x_0\), passando al limite otteniamo

\[ f(x_{n_k})\to f(x_0). \]

Ma

\[ f(x_{n_k})=y_{n_k}. \]

Quindi la successione \((y_n)\) ammette una sottosuccessione \((y_{n_k})\) convergente al punto

\[ f(x_0)\in f(K). \]

Abbiamo dimostrato che ogni successione in \(f(K)\) ammette una sottosuccessione convergente a un punto di \(f(K)\). Pertanto \(f(K)\) è compatto.


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