Ted123
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Homework Statement
For x,y \in\mathbb{R} define a metric on \mathbb{R} by d_2(x,y) = |\tan^{-1}(x) - \tan^{-1}(y) | where \tan^{-1} is the principal branch of the inverse tangent, i.e. \tan^{-1} : \mathbb{R} \to (-\pi/2 ,\pi/2).
If (x_n)_{n\in\mathbb{N}} is a sequence in \mathbb{R} and x\in\mathbb{R}, show that x_n \to x as n\to\infty in (\mathbb{R} ,d_1) where d_1 is the standard metric d_1(x,y)=|x-y| if and only if x_n \to x as n\to\infty in (\mathbb{R} ,d_2).
The Attempt at a Solution
x_n\to x in (\mathbb{R},d_2) \iff d_2(x_n,x)\to 0
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff |\tan^{-1}(x_n) - \tan^{-1}(x) | \to 0
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff \tan^{-1}(x_n) \to \tan^{-1}(x)
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff x_n \to x pointwise (since \tan^{-1} : \mathbb{R} \to (-\pi/2 ,\pi/2) is continuous)
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff |x_n - x| \to 0
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff d_1(x_n,x) \to 0
\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\, \iff x_n\to x in (\mathbb{R},d_1)
I'm not sure whether the pointwise bit in the middle is correct (as that seems to imply pointwise convergence and convergence in a metric is the same, when it isn't) and that is the crucial step!
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