Pandemia - Ejercicios de teórica normados

[!infobox] Equivalencia de Normas y Bi-Lipschitz Contexto: Análisis Funcional / Topología de Espacios Métricos Enunciado: Sea EE un espacio vectorial. Las normas ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 y ∥⋅∥2\|\cdot\|_2 son equivalentes   ⟺  \iff la función identidad id:(E,∥⋅∥1)→(E,∥⋅∥2)id: (E, \|\cdot\|_1) \to (E, \|\cdot\|_2) es bi-Lipschitz. Advertencia/Clave: La clave es notar que en un espacio normado, la métrica es invariante por traslación (d(x,y)=∥x−y∥d(x,y) = \|x-y\|), lo que permite pasar de la definición de Lipschitz (sobre restas) a la de equivalencia (sobre vectores individuales) haciendo y=0y=0.

Demostración Formal:

  ⟹  \boxed{\implies} Supongamos que ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 y ∥⋅∥2\|\cdot\|_2 son equivalentes. Por definición de equivalencia, existen constantes α,β>0\alpha, \beta > 0 tales que ∀v∈E\forall v \in E:

α∥v∥1≤∥v∥2≤β∥v∥1\alpha \|v\|_1 \leq \|v\|_2 \leq \beta \|v\|_1

Sean x,y∈Ex, y \in E arbitrarios. Definimos v=x−yv = x - y. Sustituyendo en la desigualdad anterior:

α∥x−y∥1≤∥x−y∥2≤β∥x−y∥1\alpha \|x - y\|_1 \leq \|x - y\|_2 \leq \beta \|x - y\|_1

Dado que id(x)=xid(x)=x, reescribimos los términos centrales y extremos:

  1. ∥x−y∥2=∥id(x)−id(y)∥2\|x - y\|_2 = \|id(x) - id(y)\|_2
  2. ∥x−y∥1=d1(x,y)\|x - y\|_1 = d_1(x, y) Por lo tanto:
αd1(x,y)≤d2(id(x),id(y))≤βd1(x,y)\alpha d_1(x, y) \leq d_2(id(x), id(y)) \leq \beta d_1(x, y)

Esto satisface la definición de función bi-Lipschitz con constantes α\alpha y β\beta.

  ⟸  \boxed{\impliedby} Supongamos que id:(E,∥⋅∥1)→(E,∥⋅∥2)id: (E, \|\cdot\|_1) \to (E, \|\cdot\|_2) es bi-Lipschitz. Por definición, existen constantes c,C>0c, C > 0 tales que ∀x,y∈E\forall x, y \in E:

c∥x−y∥1≤∥id(x)−id(y)∥2≤C∥x−y∥1c \|x - y\|_1 \leq \|id(x) - id(y)\|_2 \leq C \|x - y\|_1

Operando la identidad:

c∥x−y∥1≤∥x−y∥2≤C∥x−y∥1c \|x - y\|_1 \leq \|x - y\|_2 \leq C \|x - y\|_1

Tomamos el caso particular donde y=0Ey = 0_E (vector nulo). Recordando que ∥v−0∥=∥v∥\|v - 0\| = \|v\|:

c∥x∥1≤∥x∥2≤C∥x∥1c \|x\|_1 \leq \|x\|_2 \leq C \|x\|_1

Esta es, por definición, la condición de equivalencia entre las normas ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 y ∥⋅∥2\|\cdot\|_2. Q.E.D.


[!infobox] Generalización de Heine-Borel (Dimensión Finita) Contexto: Topología de Espacios Normados Enunciado: Sea (E,∥⋅∥)(E, \|\cdot\|) un espacio normado de dimensión finita. Un subconjunto A⊂EA \subset E es compacto si y solo si es cerrado y acotado. Advertencia/Clave: Esta propiedad NO vale en dimensión infinita (donde la bola unitaria cerrada y acotada no es compacta). La demostración se basa en usar un isomorfismo TT para trasladar el problema a (Rn,∥⋅∥2)(\mathbb{R}^n, \|\cdot\|_2), donde sabemos que Heine-Borel es válido.

Demostración Formal (  ⟸  \impliedby):

Sea A⊂EA \subset E cerrado y acotado. Dado que dim⁡(E)=n<∞\dim(E) = n < \infty, existe un isomorfismo lineal T:E→RnT: E \to \mathbb{R}^n. Al ser EE y Rn\mathbb{R}^n de dimensión finita, tanto TT como T−1T^{-1} son operadores lineales acotados (continuos). Por ende, TT es un homeomorfismo.

Consideremos la imagen B=T(A)⊂RnB = T(A) \subset \mathbb{R}^n.

  1. Acotación de BB: Como AA es acotado, ∃R>0\exists R > 0 tal que ∀x∈A,∥x∥E≤R\forall x \in A, \|x\|_E \leq R. Sea y∈By \in B, entonces y=T(x)y = T(x) para algún x∈Ax \in A.
∥y∥2=∥T(x)∥2≤∥T∥op∥x∥E≤∥T∥opR\|y\|_2 = \|T(x)\|_2 \leq \|T\|_{op} \|x\|_E \leq \|T\|_{op} R
Por lo tanto, $B$ es acotado en $\mathbb{R}^n$.

2. Cerradura de BB: Podemos escribir B=(T−1)−1(A)B = (T^{-1})^{-1}(A). Dado que T−1:Rn→ET^{-1}: \mathbb{R}^n \to E es continua y AA es cerrado en EE, la preimagen de un cerrado es cerrada. Por lo tanto, BB es cerrado en Rn\mathbb{R}^n.

  1. Compacidad: Como B⊂RnB \subset \mathbb{R}^n es cerrado y acotado, por el Teorema de Heine-Borel en Rn\mathbb{R}^n, BB es compacto.

  2. Conclusión: Finalmente, A=T−1(B)A = T^{-1}(B). Como T−1T^{-1} es continua y la imagen de un conjunto compacto bajo una función continua es compacta:

A es compacto en E.A \text{ es compacto en } E.

Q.E.D.