G6-E13

[!infobox] Compacidad en ℓ2\ell^2 y Funcionales Continuas Contexto: Espacios de Hilbert / Análisis Funcional Enunciado: Sea ℓ2\ell^2 el espacio de sucesiones de cuadrado sumable.

  1. La bola cerrada unitaria B‾(0,1)\overline{B}(0,1) no es compacta.
  2. La funcional γ(a)=∑n=1∞ann\gamma(a) = \sum_{n=1}^\infty \frac{a_n}{n} es lineal y continua. Advertencia/Clave: En dimensión infinita, las bolas cerradas nunca son compactas (Teorema de Riesz). Para probar la continuidad de funcionales tipo "suma ponderada" en ℓ2\ell^2, la herramienta estándar es Cauchy-Schwarz, verificando primero que la sucesión de pesos pertenezca a ℓ2\ell^2.

(a) No Compacidad de la Bola Unitaria

Procedemos demostrando que la bola no es secuencialmente compacta.

  1. Selección de la Sucesión: Consideremos la base ortonormal canónica (en)n∈N⊂ℓ2(e_n)_{n \in \mathbb{N}} \subset \ell^2, donde ene_n tiene un 1 en la posición nn y 0 en el resto. Claramente, ∥en∥2=1\|e_n\|_2 = 1, por lo que la sucesión está contenida en B‾(0,1)\overline{B}(0,1).

  2. Propiedad Métrica (Distancia Discreta): Sean n,m∈Nn, m \in \mathbb{N} con n≠mn \neq m. Calculamos la distancia:

∥en−em∥2=(∑k=1∞∣(en)k−(em)k∣2)1/2=∣1∣2+∣−1∣2=2\|e_n - e_m\|_2 = \left( \sum_{k=1}^\infty |(e_n)_k - (e_m)_k|^2 \right)^{1/2} = \sqrt{|1|^2 + |-1|^2} = \sqrt{2}
  1. Argumento de Subsucesiones: Supongamos que existiera una subsucesión convergente (enk)k(e_{n_k})_{k}. Toda sucesión convergente es de Cauchy. Sin embargo, para esta subsucesión:
∥enj−enk∥2=2∀j≠k\|e_{n_j} - e_{n_k}\|_2 = \sqrt{2} \quad \forall j \neq k
Esto contradice la definición de sucesión de Cauchy (la distancia no tiende a 0).
$\therefore$ No existe subsucesión convergente, luego $\overline{B}(0,1)$ no es compacta.

(b) Continuidad de la Funcional γ\gamma

Queremos probar que γ\gamma es acotada.

  1. Definición Vectorial: Sea z=(zn)n∈Nz = (z_n)_{n \in \mathbb{N}} la sucesión dada por zn=1nz_n = \frac{1}{n}. Podemos escribir γ(a)=∑n=1∞anzn\gamma(a) = \sum_{n=1}^\infty a_n z_n.

  2. Pertenencia al Espacio Dual: Verificamos que z∈ℓ2z \in \ell^2.

∥z∥22=∑n=1∞∣1n∣2=∑n=1∞1n2\|z\|_2^2 = \sum_{n=1}^\infty \left|\frac{1}{n}\right|^2 = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}
Esta es una serie-p con $p=2 > 1$, por lo tanto es convergente. Sea $C = \|z\|_2 < \infty$.

3. Aplicación de Cauchy-Schwarz: Sea a∈ℓ2a \in \ell^2. Usando la desigualdad de Cauchy-Schwarz para el producto interno estándar en ℓ2\ell^2:

∣γ(a)∣=∣∑n=1∞anzn∣≤(∑n=1∞∣an∣2)1/2(∑n=1∞∣zn∣2)1/2|\gamma(a)| = \left| \sum_{n=1}^\infty a_n z_n \right| \le \left(\sum_{n=1}^\infty |a_n|^2\right)^{1/2} \left(\sum_{n=1}^\infty |z_n|^2\right)^{1/2}
Sustituyendo las normas:
∣γ(a)∣≤∥a∥2⋅∥z∥2=C∥a∥2|\gamma(a)| \le \|a\|_2 \cdot \|z\|_2 = C \|a\|_2
  1. Conclusión: Dado que existe una constante CC (independiente de aa) tal que ∣γ(a)∣≤C∥a∥2|\gamma(a)| \le C \|a\|_2, la funcional lineal γ\gamma es acotada. Por el teorema de caracterización (Acotado   ⟺  \iff Continuo), γ\gamma es continua. ■\blacksquare