G7 - E4

Ejercicio 4

Sea XX un conjunto y B(X)B(X) el conjunto de funciones acotadas de XX en R\mathbb{R}. Sea (fn)n≥1(f_n)_{n \ge 1} una sucesión en B(X)B(X).


Parte (a)

Enunciado: Si (fn)n≥1(f_n)_{n \ge 1} converge uniformemente a f:X→Rf: X \to \mathbb{R}, muestre que f∈B(X)f \in B(X). ¿Sigue valiendo esto si la convergencia es solamente puntual?

Demostración:

Queremos probar que la función límite ff es acotada.

  1. Definición de convergencia uniforme: Dado que fn→ff_n \to f uniformemente, para cualquier ϵ>0\epsilon > 0, existe un N∈NN \in \mathbb{N} tal que para todo n≥Nn \ge N y para todo x∈Xx \in X:
∣fn(x)−f(x)∣<ϵ|f_n(x) - f(x)| < \epsilon
  1. Aplicación: Tomemos un valor fijo para ϵ\epsilon, por ejemplo, ϵ=1\epsilon = 1. Por la definición anterior, existe un N0N_0 tal que para todo x∈Xx \in X:
∣fN0(x)−f(x)∣<1|f_{N_0}(x) - f(x)| < 1
  1. Desigualdad Triangular: Podemos escribir ∣f(x)∣|f(x)| de la siguiente manera:
∣f(x)∣=∣f(x)−fN0(x)+fN0(x)∣|f(x)| = |f(x) - f_{N_0}(x) + f_{N_0}(x)|
Aplicando la desigualdad triangular ($|a+b| \le |a| + |b|$):
∣f(x)∣≤∣f(x)−fN0(x)∣+∣fN0(x)∣|f(x)| \le |f(x) - f_{N_0}(x)| + |f_{N_0}(x)|
  1. Acotación: Sabemos que ∣f(x)−fN0(x)∣<1|f(x) - f_{N_0}(x)| < 1. Además, por hipótesis, cada fnf_n pertenece a B(X)B(X), lo que significa que fN0f_{N_0} es una función acotada. Por lo tanto, existe una constante K>0K > 0 tal que ∣fN0(x)∣≤K|f_{N_0}(x)| \le K para todo x∈Xx \in X.

    Sustituyendo esto en la desigualdad:

∣f(x)∣<1+K|f(x)| < 1 + K
Como $1+K$ es una constante finita que no depende de $x$, concluimos que $f$ es acotada.
∴f∈B(X)\therefore f \in B(X)

¿Sigue valiendo si la convergencia es solo puntual?

Respuesta: No, no sigue valiendo. Si la convergencia es solo puntual, el límite de una sucesión de funciones acotadas puede ser una función no acotada.

Contraejemplo:

  • Sea X=RX = \mathbb{R}.
  • Definamos la sucesión (fn)(f_n) como:
fn(x)={xsi ∣x∣≤n0si ∣x∣>nf_n(x) = \begin{cases} x & \text{si } |x| \le n \\ 0 & \text{si } |x| > n \end{cases}
  • Cada fnf_n es acotada (su valor absoluto nunca supera nn). Por tanto, fn∈B(R)f_n \in B(\mathbb{R}).
  • Para cualquier x∈Rx \in \mathbb{R} fijo, existe un nn suficientemente grande tal que n>∣x∣n > |x|. A partir de ese momento, fn(x)=xf_n(x) = x.
  • Por lo tanto, la sucesión converge puntualmente a la función f(x)=xf(x) = x.
  • Sin embargo, f(x)=xf(x) = x no es acotada en R\mathbb{R}.

Parte (b)

Enunciado: Si (fn)n≥1(f_n)_{n \ge 1} converge uniformemente en XX, muestre que existe M>0M > 0 tal que ∣fn(x)∣≤M|f_n(x)| \le M para todo x∈Xx \in X y todo n∈Nn \in \mathbb{N}. (La sucesión es uniformemente acotada).

Demostración:

Queremos encontrar una cota MM que sirva para todas las funciones de la sucesión simultáneamente.

  1. Convergencia Uniforme: Como (fn)(f_n) converge uniformemente, sabemos por la parte (a) que la función límite ff es acotada. Sea KfK_f la cota de ff, tal que ∣f(x)∣≤Kf|f(x)| \le K_f para todo x∈Xx \in X.

  2. Uso de ϵ=1\epsilon = 1: Por convergencia uniforme, existe un N∈NN \in \mathbb{N} tal que si n≥Nn \ge N:

∣fn(x)−f(x)∣<1∀x∈X|f_n(x) - f(x)| < 1 \quad \forall x \in X
Usando la desigualdad triangular inversa para $n \ge N$:
∣fn(x)∣≤∣fn(x)−f(x)∣+∣f(x)∣<1+Kf|f_n(x)| \le |f_n(x) - f(x)| + |f(x)| < 1 + K_f
Esto significa que todas las funciones desde $f_N, f_{N+1}, \dots$ están acotadas por la misma constante $1 + K_f$.

3. Considerando los primeros términos: Nos quedan por considerar las funciones anteriores al índice NN: f1,f2,…,fN−1f_1, f_2, \dots, f_{N-1}. Como hay una cantidad finita de estas funciones y cada una es acotada (por hipótesis), sean K1,K2,…,KN−1K_1, K_2, \dots, K_{N-1} sus respectivas cotas. Es decir, ∣fi(x)∣≤Ki|f_i(x)| \le K_i para i=1,…,N−1i = 1, \dots, N-1.

  1. Definición de M: Definimos MM como el máximo de todas estas cotas:
M=max⁡{K1,K2,…,KN−1,1+Kf}M = \max \{ K_1, K_2, \dots, K_{N-1}, 1 + K_f \}
  1. Conclusión:

    • Si n<Nn < N, entonces ∣fn(x)∣≤Kn≤M|f_n(x)| \le K_n \le M.
    • Si n≥Nn \ge N, entonces ∣fn(x)∣<1+Kf≤M|f_n(x)| < 1 + K_f \le M.

    Por lo tanto, ∣fn(x)∣≤M|f_n(x)| \le M para todo n∈Nn \in \mathbb{N} y todo x∈Xx \in X. La sucesión es uniformemente acotada.