G6-E1

Definición de Norma

Sea VV un espacio vectorial real (en este caso V=RnV = \mathbb{R}^n). Una función ∥⋅∥:V→R\|\cdot\|: V \to \mathbb{R} es una norma si satisface las siguientes tres propiedades para todo x,y∈Vx, y \in V y todo escalar α∈R\alpha \in \mathbb{R}:

  1. Positividad (o Separación): ∥x∥≥0\|x\| \ge 0, y ∥x∥=0\|x\| = 0 si y solo si x=0x = 0 (el vector cero).

  2. Homogeneidad: ∥αx∥=∣α∣∥x∥\|\alpha x\| = |\alpha| \|x\|.

  3. Desigualdad Triangular: ∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥\|x + y\| \le \|x\| + \|y\|.

A continuación, probamos estas propiedades para cada caso. Denotaremos x=(x1,…,xn)x = (x_1, \dots, x_n) y y=(y1,…,yn)y = (y_1, \dots, y_n).


1. La Norma 1 (o norma de la suma)

Definida como: ∥x∥1=∑i=1n∣xi∣\|x\|_1 = \sum_{i=1}^n |x_i|.

Demostración:

  1. Positividad:

    • Como el valor absoluto ∣xi∣≥0|x_i| \ge 0 para todo ii, la suma ∑∣xi∣≥0\sum |x_i| \ge 0.

    • Si ∥x∥1=0\|x\|_1 = 0, entonces ∑i=1n∣xi∣=0\sum_{i=1}^n |x_i| = 0. Como es una suma de términos no negativos, cada término debe ser cero: ∣xi∣=0  ⟹  xi=0|x_i| = 0 \implies x_i = 0 para todo ii. Por lo tanto, x=0x = 0.

  2. Homogeneidad:

∥αx∥1=∑i=1n∣αxi∣=∑i=1n∣α∣∣xi∣=∣α∣∑i=1n∣xi∣=∣α∣∥x∥1\|\alpha x\|_1 = \sum_{i=1}^n |\alpha x_i| = \sum_{i=1}^n |\alpha| |x_i| = |\alpha| \sum_{i=1}^n |x_i| = |\alpha| \|x\|_1
  1. Desigualdad Triangular:

    Usamos la desigualdad triangular del valor absoluto en R\mathbb{R} (∣a+b∣≤∣a∣+∣b∣|a+b| \le |a|+|b|).

∥x+y∥1=∑i=1n∣xi+yi∣≤∑i=1n(∣xi∣+∣yi∣)\|x + y\|_1 = \sum_{i=1}^n |x_i + y_i| \le \sum_{i=1}^n (|x_i| + |y_i|)
Por propiedad asociativa de la suma finita:

=∑i=1n∣xi∣+∑i=1n∣yi∣=∥x∥1+∥y∥1= \sum_{i=1}^n |x_i| + \sum_{i=1}^n |y_i| = \|x\|_1 + \|y\|_1

Conclusión: ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 es una norma.


2. La Norma Infinito (o norma del máximo)

Definida como: ∥x∥∞=max⁡1≤i≤n∣xi∣\|x\|_\infty = \max_{1 \le i \le n} |x_i|.

Demostración:

  1. Positividad:

    • El máximo de valores no negativos es no negativo: ∥x∥∞≥0\|x\|_\infty \ge 0.

    • Si max⁡∣xi∣=0\max |x_i| = 0, entonces ∣xi∣=0|x_i| = 0 para todo ii (pues si alguno fuera positivo, el máximo sería positivo). Por tanto, x=0x = 0.

  2. Homogeneidad:

∥αx∥∞=max⁡i∣αxi∣=max⁡i(∣α∣∣xi∣)\|\alpha x\|_\infty = \max_i |\alpha x_i| = \max_i (|\alpha| |x_i|)
Como $|\alpha|$ es una constante no negativa, sale fuera del máximo:

=∣α∣max⁡i∣xi∣=∣α∣∥x∥∞= |\alpha| \max_i |x_i| = |\alpha| \|x\|_\infty
  1. Desigualdad Triangular:

    Para cualquier índice kk, tenemos ∣xk+yk∣≤∣xk∣+∣yk∣|x_k + y_k| \le |x_k| + |y_k|.

    Sabemos que ∣xk∣≤max⁡i∣xi∣=∥x∥∞|x_k| \le \max_i |x_i| = \|x\|_\infty y ∣yk∣≤∥y∥∞|y_k| \le \|y\|_\infty.

    Sumando estas desigualdades:

∣xk+yk∣≤∥x∥∞+∥y∥∞|x_k + y_k| \le \|x\|_\infty + \|y\|_\infty
Como esto es cierto para todo índice $k$ (incluido aquel donde se alcanza el máximo de la suma), entonces:

max⁡k∣xk+yk∣≤∥x∥∞+∥y∥∞\max_k |x_k + y_k| \le \|x\|_\infty + \|y\|_\infty ∥x+y∥∞≤∥x∥∞+∥y∥∞\|x + y\|_\infty \le \|x\|_\infty + \|y\|_\infty

Conclusión: ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty es una norma.


3. La Norma 2 (Norma Euclidiana)

Definida como: ∥x∥2=(∑i=1nxi2)1/2\|x\|_2 = \left( \sum_{i=1}^n x_i^2 \right)^{1/2}.

Demostración:

  1. Positividad:

    • La suma de cuadrados es no negativa, y su raíz cuadrada también.

    • Si ∑xi2=0\sqrt{\sum x_i^2} = 0, entonces ∑xi2=0\sum x_i^2 = 0. Al ser cuadrados reales, esto implica xi2=0  ⟹  xi=0x_i^2 = 0 \implies x_i = 0 para todo ii.

  2. Homogeneidad:

∥αx∥2=∑i=1n(αxi)2=∑i=1nα2xi2=α2∑i=1nxi2\|\alpha x\|_2 = \sqrt{\sum_{i=1}^n (\alpha x_i)^2} = \sqrt{\sum_{i=1}^n \alpha^2 x_i^2} = \sqrt{\alpha^2 \sum_{i=1}^n x_i^2} =α2∑xi2=∣α∣∥x∥2= \sqrt{\alpha^2} \sqrt{\sum x_i^2} = |\alpha| \|x\|_2
  1. Desigualdad Triangular:

    Esta propiedad para la norma 2 se conoce como la Desigualdad de Minkowski. Para probarla, es fundamental usar la Desigualdad de Cauchy-Schwarz:

∣∑i=1nxiyi∣≤∥x∥2∥y∥2\left| \sum_{i=1}^n x_i y_i \right| \le \|x\|_2 \|y\|_2
Analicemos el cuadrado de la norma de la suma:

(∥x+y∥2)2=∑i=1n(xi+yi)2=∑(xi2+2xiyi+yi2)(\|x + y\|_2)^2 = \sum_{i=1}^n (x_i + y_i)^2 = \sum (x_i^2 + 2x_i y_i + y_i^2) =∑xi2+2∑xiyi+∑yi2= \sum x_i^2 + 2 \sum x_i y_i + \sum y_i^2 =(∥x∥2)2+2∑xiyi+(∥y∥2)2= (\|x\|_2)^2 + 2 \sum x_i y_i + (\|y\|_2)^2
Aplicando Cauchy-Schwarz ($\sum x_i y_i \le |\sum x_i y_i| \le \|x\|_2 \|y\|_2$):

≤(∥x∥2)2+2∥x∥2∥y∥2+(∥y∥2)2\le (\|x\|_2)^2 + 2 \|x\|_2 \|y\|_2 + (\|y\|_2)^2
Reconocemos esto como un trinomio cuadrado perfecto:

=(∥x∥2+∥y∥2)2= (\|x\|_2 + \|y\|_2)^2
Tomando raíz cuadrada a ambos lados (la función raíz cuadrada es creciente):

∥x+y∥2≤∥x∥2+∥y∥2\|x + y\|_2 \le \|x\|_2 + \|y\|_2

Conclusión: ∥⋅∥2\|\cdot\|_2 es una norma.

Para visualizar cómo se comportan estas normas, es útil ver sus "bolas unitarias" (el conjunto de puntos con norma ≤1\le 1) en R2\mathbb{R}^2.

  • La norma 1 forma un rombo (diamante).

  • La norma 2 forma un círculo clásico.

  • La norma infinito forma un cuadrado.