#15Espacios Normados

2025 - Teórica 15 - Espacios normados I

24 min de lectura

Thu-22-05-2025 18:04 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Espacios Normados


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea E un R−espacio vectorial. Una norma sobre E es una funcioˊn ∣∣⋅∣∣:E→R≥0 tal que:1.∣∣x∣∣=0  ⟺  x=02. ∣∣αx∣∣=∣α∣⋅∣∣x∣∣ , α∈R,x∈E3. ∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣,x,y∈E \begin{array}{l} \text{Sea $E$ un $\mathbb{R}-$espacio vectorial. Una norma sobre $E$ es una función $\lvert \lvert \cdot \rvert \rvert:E\to \mathbb{R}_{\geq 0}$ tal que:} \\1. \lvert \lvert x \rvert \rvert=0\iff x=0\\ \text{2. $\lvert \lvert \alpha x \rvert\rvert=|\alpha|\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert$ , $\alpha \in \mathbb{R},x \in E$}\\ \text{3. $\lvert \lvert x+y \rvert\rvert\leq \lvert \lvert x \rvert\rvert+\lvert \lvert y \rvert\rvert,\quad x,y \in E$ } \end{array}

Obs:Obs: Los espacios normados son espacios métricos con d(x,y)=∣∣x−y∣∣d(x,y)=\lvert \lvert x-y \rvert\rvert . No todas las distancias provienen de una norma.


En (R,δ)(\mathbb{R},\delta)

∄ ∣∣⋅∣∣ en R∣δ(x,y)=∣∣x−y∣∣\not\exists\:\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert\text{ en }\mathbb{R}\bigm| \delta(x,y)=\lvert \lvert x-y \rvert\rvert

Para probar esto, supongamos que existe:

1=δ(2,1)=∣∣2−1∣∣=∣∣1∣∣1=δ(3,1)=∣∣3−1∣∣=2⋅∣∣1∣∣=2\begin{array}{c} 1=\delta(2,1)=\lvert \lvert 2-1 \rvert\rvert =\lvert \lvert 1 \rvert\rvert \\ 1=\delta(3,1)=\lvert \lvert 3-1 \rvert\rvert =2\cdot \lvert \lvert 1 \rvert\rvert =2 \end{array}

Absurdo, entonces no existe.


Ejemplos:Ejemplos:
  1. E=RnE=\mathbb{R}^{n}
∣∣x∣∣1=∑i=1n∣xi∣∣∣x∣∣2=(∑i=1n∣xi∣2)12∣∣x∣∣∞=sup1≤i≤n ∣xi∣\begin{array}{l} \displaystyle \lvert \lvert x \rvert\rvert_{1}=\sum_{i=1}^{n} |x_{i}| \\ \displaystyle \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}=\left( \sum_{i=1}^{n} |x_{i}|^{2} \right)^{\frac{1}{2}} \\ \lvert \lvert x \rvert\rvert _{\infty}=\underset{ 1\leq i\leq n }{ sup }\:\left| x_{i} \right| \end{array}
  1. E=l∞(R)={((an)⊆R,supn ∣an∣<∞)}E=\mathscr{l}^{\infty(\mathbb{R})}=\{ ((a_{n})\subseteq \mathbb{R},\underset{ n }{ sup }\:\left| a_{n} \right|<\infty)\} l∞\mathscr{l}^{\infty} es espacio vectorial. (an)+(bn)=(an+bn)n∈N(a_{n})+(b_{n})=(a_{n}+b_{n})_{n \in \mathbb{N}} α(an)=(αan)n∈N\alpha(a_{n})=(\alpha a_{n})_{n \in \mathbb{N}} ∣∣(an)∣∣∞=supn ∣an∣\lvert \lvert (a_{n}) \rvert\rvert_{\infty}=\underset{ n }{ sup }\:\left| a_{n} \right| es una norma.
  • ∣∣(an)∣∣∞=0\lvert \lvert (a_{n}) \rvert\rvert_{\infty}=0
  ⟹  supn ∣an∣=0  ⟹  ∣an∣=0∀n\implies \underset{ n }{ sup }\:\left| a_{n} \right| =0\implies |a_{n}|=0\quad \forall n   ⟹  an=0∀n\implies a_{n}=0\quad \forall n
  • ∣∣α⋅(an)∣∣∞=∣∣(α⋅an)∣∣∞\lvert \lvert \alpha\cdot(a_{n}) \rvert\rvert_{\infty}=\lvert \lvert (\alpha\cdot a_{n}) \rvert\rvert_{\infty}
=supn ∣α⋅an∣=∣α∣⋅∣∣(an)∣∣∞=\underset{ n }{ sup }\:\left| \alpha\cdot a_{n} \right| =|\alpha|\cdot \lvert \lvert (a_{n}) \rvert\rvert _{\infty}
  • ∣∣(an)+(bn)∣∣∞=supn ∣an+bn∣\lvert \lvert (a_{n})+(b_{n}) \rvert\rvert_{\infty}=\underset{ n }{ sup }\:\left| a_{n}+b_{n} \right|
≤supn (∣an∣+∣bn∣)≤supn ∣an∣+supn ∣bn∣=∣∣(an)∣∣∞+∣∣bn∣∣∞\leq \underset{ n }{ sup }\:(\left| a_{n} \right|+|b_{n}|)\leq \underset{ n }{ sup }\:\left| a_{n} \right| +\underset{ n }{ sup }\:\left| b_{n} \right| =\lvert \lvert (a_{n}) \rvert\rvert _{\infty}+\lvert \lvert b_{n} \rvert\rvert _{\infty}

l∞\mathscr{l}^{\infty} tiene dimensión infinito

e1=(1,0,0,0,,,,)e2=(0,1,0,0,0,… )e3=(0,0,1,0,… )e_{1}=(1,0,0,0,,,,) \quad e_{2}=(0,1,0,0,0,\dots) \quad e_{3}=(0,0,1,0,\dots) em=0,0,…,0,1,⏟m-esimo elemento0,…,0e_{m}=\underbrace{ 0,0,\dots,0,1, }_{ \text{m-esimo elemento} }0,\dots, 0

Son lili   ⟸  dim(E)=∞\impliedby dim(E)=\infty

  1. E=C[0,1]={f:[0,1]→R continua}E=C[0,1]=\{ f:[0,1]\to \mathbb{R} \\\text{ }continu a\} (f+g)(t)(f+g)(t)=f(t)+g(t)f(t)+g(t)
    (αf)(t)=α⋅f(t)(\alpha f)(t)=\alpha\cdot f(t) ∣∣f∣∣=supt∈[0,1] ∣f(t)∣\lvert \lvert f \rvert\rvert=\underset{ t\in[0,1] }{ sup }\:\left|f(t) \right|
∣∣∫01∣f(t)∣ dx∣∣\left\lvert \left\lvert_{} \int _{0}^{1} |f(t)| \, dx \right\rvert \right\rvert

Son normas. Además tiene dimensión infinito: fn(t)=tn,\frac{f_{n}}(t)=t^{n}, n≥0n\geq_{0}
Son lili y son ∞\infty


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

(E,∣∣⋅∣∣) decimos que es un espacio de Banach si es completoCon la distancia heredada de la norma\begin{array}{l} \text{$(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert)$ decimos que es un espacio de Banach si es completo}\\ \text{Con la distancia heredada de la norma} \end{array}

Obs:Obs: Sea (E,∣∣⋅∣∣)(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{})

B(x,r)={y∈E:∣∣x−y∣∣<r}B(x,r)=\{ y \in E:\lvert \lvert x-y \rvert\rvert <r \}

Si y∈B(x,r)  ⟹  y \in B(x,r)\implies el segmento que une a yy con xx también está en la bola.

La bola es convexa o conexa?

z(t)=tx+(1−t)y,t∈[0,1]∣∣z(t)−x∣∣=∣∣tx+(1−t)y−x∣∣=∣∣(t−1)x+(1−t)y∣∣==∣1−t∣⏟≤1⋅∣∣y−x∣∣<r\begin{array}{c} z(t)=tx+(1-t)y,\quad t \in[0,1] \\ \lvert \lvert z(t)-x \rvert\rvert =\lvert \lvert tx+(1-t)y-x \rvert\rvert =\lvert \lvert (t-1)x+(1-t)y \rvert\rvert = \\ =\underbrace{ |1-t| }_{ \leq 1 }\cdot \lvert \lvert y-x \rvert\rvert <r \end{array}

  ⟹  z(t)∈B(x,r)\implies z(t)\in B(x,r) ∀t∈[0,1]\forall t\in[0,1]

B(x,r)={y:∣∣x−y∣∣<r}={y+x:∣∣y∣∣<r}=B(0,r)+x={y:∣∣y∣∣<r}+x=B(x,r)=\{ y:\lvert \lvert x-y \rvert\rvert <r \}=\{ y+x:\lvert \lvert y \rvert\rvert <r \}=B(0,r)+x=\{ y:\lvert \lvert y \rvert\rvert <r \}+x= {r⋅y:∣∣y∣∣<1}+x=r⋅B(0,1)+x\{ r\cdot y:\lvert \lvert y \rvert\rvert <1 \}+x=r\cdot B(0,1)+x

Esto quiere decir que en los espacios normados trasladar bolas, achicarlas o agrandarlas es indistinto.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea E un espacio normado con dos normas ∣∣⋅∣∣1 y ∣∣⋅∣∣2 Decimos que son equivalentes si las distancias inducidas son equivalentes.\begin{array}{l} \text{Sea $E$ un espacio normado con dos normas $\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{1}$ y $\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{2}$ }\\ \text{Decimos que son equivalentes si las distancias inducidas son equivalentes.} \end{array}

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Dos normas son equivalentes  ⟺   ∃ c1,c2>0 tal que:\begin{array}{l} \text{Dos normas son equivalentes$\iff \:\exists\:c_{1},c_{2}>0$ tal que:} \end{array} c1∣∣x∣∣1≤∣∣x∣∣2≤c2∣∣x∣∣1∀x∈Ec_{1}\lvert \lvert x \rvert\rvert _{1}\leq \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}\leq c_{2}\lvert \lvert x \rvert\rvert _{1}\quad \forall x \in E

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }   ⟸  )\impliedby) Ya la sabemos.

  ⟹  )\implies) Sea x∈E,∣∣x∣∣1=1x \in E,\lvert \lvert x \rvert\rvert_{1}=1 x∈B1(0,2)x \in B_{1}(0,2)

 ∃ r>0∣B1(0,2)⊆B2(0,r)\:\exists\:r>0\bigm| B_{1}(0,2)\subseteq B_{2}(0,r)

Pensar esto último porque vale esto. Es por esto: Recordamos que ∣∣⋅∣∣1,∣∣⋅∣∣2\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{1},\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{2} equivalentes   ⟺  ∀x∈E∀r>0 ∃ r1,r2>0∣\iff \forall x \in E \quad\forall r>0\:\exists\:r_{1},r_{2}>0\bigm|

B1(x,r1)⊆B2(x,r)B2(x,r2)⊆B1(x,r)\begin{array}{c} B_{1}(x,r_{1})\subseteq B_{2}(x,r) \\ B_{2}(x,r_{2})\subseteq B_{1}(x,r) \end{array}

Si x=0,r=1  ⟹   ∃ r1>0∣B1(0,r1)⊆B2(0,1)x=0,r=1\implies \:\exists\:r_{1}>0\bigm|B_{1}(0,r_{1})\subseteq B_{2}(0,1)

2r1B1(0,r1)⊆2r1B2(0,1)B1(0,r1)⊆B2(0,2r1⏟r)\begin{array}{c} \frac{2}{r_{1}}B_{1}(0,r_{1})\subseteq \frac{2}{r_{1}}B_{2}(0,1) \\ B_{1}(0,r_{1})\subseteq B_{2}\left( 0,\underbrace{ \frac{2}{r_{1}} }_{ r } \right) \end{array}
  ⟹  ∣∣x∣∣2≤r  ⟹  ∣∣x∣∣2≤r⏟c2⋅∣∣x∣∣1\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}\leq r\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}\leq \underbrace{ r }_{ c_{2} }\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{1}

Sea x∈Ex \in E cualquiera, x≠0x\neq0 Sea x~=x∣∣x∣∣1\displaystyle\tilde{x}=\frac{x}{\lvert \lvert x \rvert\rvert_{1}} , así ∣∣x~∣∣1=1\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert_{1}=1

∣∣x~∣∣2≤c2⋅∣∣x~∣∣1\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{2}\leq c_{2}\cdot \lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{1} ∣∣x∣∣x~∣∣1∣∣2≤c2⋅∣∣x∣∣x~∣∣1∣∣1\left\lvert \left\lvert \frac{x}{\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{1}} \right\rvert \right\rvert _{2}\leq c_{2}\cdot\left\lvert \left\lvert \frac{x}{\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{1}} \right\rvert \right\rvert _{1} 1∣∣x~∣∣1⋅∣∣x∣∣2≤c2⋅1∣∣x~∣∣1⋅∣∣x∣∣1\frac{1}{\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{1}}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}\leq c_{2}\cdot\frac{1}{\lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{1}}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{1}   ⟹  ∣∣x∣∣2≤c2⋅∣∣x∣∣1∀x∈E\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert _{2}\leq c_{2}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{1}\quad \quad \forall x \in E

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

En Rn, todas las normas son equivalentes.\begin{array}{l} \text{En $\mathbb{R}^{n},$ todas las normas son equivalentes.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea ∣∣⋅∣∣\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert una norma en Rn\mathbb{R}^{n}. Vamos a ver que  ∃ c1,c2>0\:\exists\:c_{1},c_{2}>0 tal que

c1⋅∣∣x∣∣∞≤∣∣x∣∣≤c2⋅∣∣x∣∣∞∀x∈Rnc_{1}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{\infty}\leq \lvert \lvert x \rvert\rvert \leq c_{2}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{\infty}\quad \quad \forall x \in \mathbb{R}^{n}

Sea {ei}i=1n\{ e_{i} \}_{i=1}^{n} la base canónica de Rn\mathbb{R}^{n}

x=∑i=1nxi⋅eix=\sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot e_{i} ∣∣x∣∣=∣∣∑i=1nxi⋅ei∣∣≤∑i=1n∣∣xi−ei∣∣=∑i=1n∣xi∣⋅∣∣ei∣∣≤∑i=1nsupi ∣xi∣⋅∣∣ei∣∣≤∣∣x∣∣∞⋅(∑i=1n∣∣ei∣∣)⏟c2\begin{array}{c} \displaystyle \lvert \lvert x \rvert\rvert =\left\lvert \left\lvert \sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot e_{i} \right\rvert \right\rvert \\ \displaystyle \leq \sum_{i=1}^{n} \lvert \lvert x_{i}-e_{i} \rvert\rvert =\sum_{i=1}^{n} |x_{i}|\cdot \lvert \lvert e_{i} \rvert\rvert \leq \sum_{i=1}^{n} \underset{ i }{ sup }\:\left| x_{i} \right| \cdot \lvert \lvert e_{i} \rvert\rvert \\ \displaystyle \leq \lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty} \cdot\underbrace{ \left( \sum_{i=1}^{n} \lvert \lvert e_{i} \rvert\rvert \right) }_{ c_{2} } \end{array}   ⟹  ∣∣x∣∣≤c2⋅∣∣x∣∣∞\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert \leq c_{2}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty}

Falta ver que  ∃ c1∣c1⋅∣∣x∣∣∞≤∣∣x∣∣\:\exists\:c_{1}\bigm|c_{1}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty}\leq \lvert \lvert x \rvert\rvert

Sea K=S(0,1)={x∈Rn:∣∣x∣∣∞=1}K=S(0,1)=\{ x \in \mathbb{R}^{n}:\lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty}=1 \} Entonces KK es cerrado y acotado en Rn.\mathbb{R}^{n}. Entonces es compacto (con ∣∣⋅∣∣∞\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty} ).

Afirmo

f:(K,∣∣⋅∣∣∞)→R Es continuax↦∣∣x∣∣1\begin{array}{c} f:(K,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty} )\to \mathbb{R} \quad \text{ Es continua}\\ \quad x\mapsto \lvert \lvert x \rvert\rvert_{1} \end{array} ∣∣∣x∣∣−∣∣y∣∣∣≤∣∣x−y∣∣≤c2⋅∣∣x−y∣∣∞\left| \lvert \lvert x \rvert\rvert -\lvert \lvert y \rvert\rvert \right| \leq \lvert \lvert x-y \rvert\rvert \leq c_{2}\cdot \lvert \lvert x-y \rvert\rvert_{\infty}

Es Lipschitz, por lo tanto es continua. Como ff es continua y KK compacto   ⟹  f\implies f tiene máximo y mínimo.

Sea c2=min(f)=min{∣∣x∣∣:x∈K}c_{2}=min(f)=min\{ \lvert \lvert x \rvert\rvert:x \in K \} Entonces c2>0c_{2}>0 porque 0∉K0 \not\in K

∣∣x∣∣≥c2∀x∈K\lvert \lvert x \rvert\rvert \geq c_{2}\quad \forall x \in K   ⟹  ∣∣x∣∣≥c2⋅∣∣x∣∣∞p∀∣∣x∣∣=1\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert \geq c_{2}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty} \quad p\quad \forall \lvert \lvert x \rvert\rvert =1

Sea x∈Rnx \in \mathbb{R}^{n}, x≠.Seax\neq.Sea x~=x∣∣x∣∣∞\displaystyle\tilde{x}=\frac{x}{\lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty}}

  ⟹  x~∈K  ⟹  ∣∣x~∣∣≥c2⋅∣∣x~∣∣∞\implies \tilde{x} \in K\implies \lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert \geq c_{2}\cdot \lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert_{\infty}   ⟹  ∣∣x∣∣x∣∣∞∣∣≥c2⋅∣∣x∣∣x∣∣∞∣∣∞\implies \left\lvert \left\lvert \frac{x}{\lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty} } \right\rvert \right\rvert \geq c_{2}\cdot \left\lvert \left\lvert \frac{x}{\lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty} } \right\rvert \right\rvert_{\infty}   ⟹  ∣∣x∣∣≥c2⋅∣∣x∣∣∞\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert \geq c_{2}\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{\infty}

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