G6-E10
[!infobox] Continuidad y Norma de Funcionales en Contexto: Análisis Funcional / Espacios de Banach / Dualidad Enunciado: Analizar la continuidad y calcular la norma de los funcionales lineales:
- dada por (Evaluación).
- dada por (Integración). Se debe analizar en dos contextos: con la norma infinito y con la norma uno . Advertencia/Clave:
- Para probar que , usamos la estrategia del "Doble Juego":
- Cota Superior: Probamos para todo .
- Cota Inferior: Encontramos una tal que .
- La evaluación puntual no es continua en normas integrales () porque se puede modificar el valor en un punto sin afectar el área (la norma).
Caso 1: Funcional de Evaluación
Subcaso 1.a: Espacio con Norma Infinito
Queremos probar que es continua y .
- Acotación (Búsqueda de Cota Superior): Sea arbitraria.
Por definición de la norma supremo, $\|f\|_\infty = \sup_{x \in [0,1]} |f(x)|$.
Dado que $0 \in [0,1]$, el valor en ese punto es menor o igual al supremo en todo el intervalo:
Hemos probado que $|\mathcal{E}f| \le 1 \cdot \|f\|_\infty$.
$\implies \mathcal{E}$ es un operador acotado (continuo) y su norma cumple:
- Alcanzabilidad (Búsqueda de Cota Inferior):
Para probar que la norma no es menor que 1, buscamos una función específica que no pierda tamaño al ser evaluada.
Sea (la función constante 1).
- Evaluación: .
- Norma: . El cociente de estiramiento es . Por definición de norma como supremo de cocientes:
- Conclusión: De y se deduce que .
Subcaso 1.b: Espacio con Norma Uno
Queremos probar que no es continua. Para ello, debemos exhibir una sucesión de funciones cuya área (norma) tienda a 0 o sea acotada, pero cuya evaluación en 0 tienda a infinito.
- Construcción de la Sucesión ("Picos"): Definimos para cada la función:
*Justificación de continuidad:* La función es lineal decreciente desde $(0,n)$ hasta $(1/n, 0)$ y luego constante $0$. Al ser composición de funciones continuas (polinomios y máximo), $f_n \in C([0,1])$.
2. Cálculo de la Norma (Área):
Geométricamente, es el área de un triángulo de base $1/n$ y altura $n$:
- Evaluación de la Funcional:
- Prueba de No Acotación: Si fuera acotada, existiría tal que . Verificamos el cociente para nuestra sucesión:
Tomando el límite cuando $n \to \infty$:
Esto demuestra que no existe ninguna constante $C$ que acote al operador.
$\therefore \mathcal{E}$ no es continua en norma 1.
Caso 2: Funcional de Integral
Subcaso 2.a: Espacio con Norma Infinito
Queremos probar que es continua y .
- Acotación (Cota Superior): Sea . Usamos la propiedad de "Desigualdad Triangular para Integrales":
Usamos la relación puntual $|f(x)| \le \|f\|_\infty$ para todo $x$:
Como $\|f\|_\infty$ es una constante respecto a la integral:
Hemos probado que $|\mathcal{I}f| \le 1 \cdot \|f\|_\infty$.
$\implies \|\mathcal{I}\| \le 1 \quad (*)$.
2. Alcanzabilidad (Cota Inferior): Tomamos la función constante . * Funcional: . * Norma: . Cociente: . .
- Conclusión: .
Subcaso 2.b: Espacio con Norma Uno
Queremos probar que es continua y .
- Acotación (Cota Superior): Sea .
Observamos que el término de la derecha $\displaystyle\int_0^1 |f(x)| dx$ es **exactamente la definición** de la norma uno $\|f\|_1$.
Esto implica inmediatamente que $\mathcal{I}$ es acotada y:
- Alcanzabilidad (Cota Inferior):
Necesitamos una función donde el valor absoluto de la integral sea igual a la integral del valor absoluto. Cualquier función no negativa sirve.
Sea .
- Funcional: .
- Norma: .
- Conclusión: .