G6-E10

[!infobox] Continuidad y Norma de Funcionales en C([0,1])C([0,1]) Contexto: Análisis Funcional / Espacios de Banach / Dualidad Enunciado: Analizar la continuidad y calcular la norma de los funcionales lineales:

  1. E:C([0,1])R\mathcal{E}: C([0,1]) \to \mathbb{R} dada por Ef=f(0)\mathcal{E}f = f(0) (Evaluación).
  2. I:C([0,1])R\mathcal{I}: C([0,1]) \to \mathbb{R} dada por If=01f(x)dx\mathcal{I}f = \int_0^1 f(x)\,dx (Integración). Se debe analizar en dos contextos: con la norma infinito ()(\|\cdot\|_\infty) y con la norma uno (1)(\|\cdot\|_1). Advertencia/Clave:
  • Para probar que T=C\|T\| = C, usamos la estrategia del "Doble Juego":
    1. Cota Superior: Probamos TfCf\|Tf\| \le C\|f\| para todo f    TCf \implies \|T\| \le C.
    2. Cota Inferior: Encontramos una f0f_0 tal que Tf0=Cf0    TC|Tf_0| = C\|f_0\| \implies \|T\| \ge C.
  • La evaluación puntual no es continua en normas integrales (LpL^p) porque se puede modificar el valor en un punto sin afectar el área (la norma).

Caso 1: Funcional de Evaluación E(f)=f(0)\mathcal{E}(f) = f(0)

Subcaso 1.a: Espacio con Norma Infinito (C([0,1]),)(C([0,1]), \|\cdot\|_\infty)

Queremos probar que E\mathcal{E} es continua y E=1\|\mathcal{E}\| = 1.

  1. Acotación (Búsqueda de Cota Superior): Sea fC([0,1])f \in C([0,1]) arbitraria.
Ef=f(0)|\mathcal{E}f| = |f(0)|
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:
f(0)supx[0,1]f(x)=f|f(0)| \le \sup_{x \in [0,1]} |f(x)| = \|f\|_\infty
Hemos probado que $|\mathcal{E}f| \le 1 \cdot \|f\|_\infty$.
$\implies \mathcal{E}$ es un operador acotado (continuo) y su norma cumple:
E1()\|\mathcal{E}\| \le 1 \quad (*)
  1. 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 g(x)=1g(x) = 1 (la función constante 1).
    • Evaluación: Eg=1=1|\mathcal{E}g| = |1| = 1.
    • Norma: g=sup1=1\|g\|_\infty = \sup |1| = 1. El cociente de estiramiento es Egg=1\frac{|\mathcal{E}g|}{\|g\|_\infty} = 1. Por definición de norma como supremo de cocientes:
E1()\|\mathcal{E}\| \ge 1 \quad (**)
  1. Conclusión: De ()(*) y ()(**) se deduce que E=1\|\mathcal{E}\| = 1.

Subcaso 1.b: Espacio con Norma Uno (C([0,1]),1)(C([0,1]), \|\cdot\|_1)

Queremos probar que E\mathcal{E} no es continua. Para ello, debemos exhibir una sucesión de funciones {fn}\{f_n\} cuya área (norma) tienda a 0 o sea acotada, pero cuya evaluación en 0 tienda a infinito.

  1. Construcción de la Sucesión ("Picos"): Definimos para cada nNn \in \mathbb{N} la función:
fn(x)=max{0,nn2x}f_n(x) = \max\{0, n - n^2 x\}
*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):

fn1=01fn(x)dx=01/n(nn2x)dx\|f_n\|_1 = \int_0^1 |f_n(x)| \, dx = \int_0^{1/n} (n - n^2 x) \, dx
Geométricamente, es el área de un triángulo de base $1/n$ y altura $n$:
fn1=basealtura2=(1/n)n2=12\|f_n\|_1 = \frac{\text{base} \cdot \text{altura}}{2} = \frac{(1/n) \cdot n}{2} = \frac{1}{2}
  1. Evaluación de la Funcional:
E(fn)=fn(0)=nn2(0)=n\mathcal{E}(f_n) = f_n(0) = n - n^2(0) = n
  1. Prueba de No Acotación: Si E\mathcal{E} fuera acotada, existiría CC tal que EfCf1|\mathcal{E}f| \le C\|f\|_1. Verificamos el cociente para nuestra sucesión:
E(fn)fn1=n1/2=2n\frac{|\mathcal{E}(f_n)|}{\|f_n\|_1} = \frac{n}{1/2} = 2n
Tomando el límite cuando $n \to \infty$:
limn2n=+\lim_{n \to \infty} 2n = +\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 I(f)=01f(x)dx\mathcal{I}(f) = \displaystyle\int_0^1 f(x) dx

Subcaso 2.a: Espacio con Norma Infinito (C([0,1]),)(C([0,1]), \|\cdot\|_\infty)

Queremos probar que I\mathcal{I} es continua y I=1\|\mathcal{I}\| = 1.

  1. Acotación (Cota Superior): Sea fC([0,1])f \in C([0,1]). Usamos la propiedad de "Desigualdad Triangular para Integrales":
If=01f(x)dx01f(x)dx|\mathcal{I}f| = \left| \int_0^1 f(x) \, dx \right| \le \int_0^1 |f(x)| \, dx
Usamos la relación puntual $|f(x)| \le \|f\|_\infty$ para todo $x$:
01f(x)dx01fdx\int_0^1 |f(x)| \, dx \le \int_0^1 \|f\|_\infty \, dx
Como $\|f\|_\infty$ es una constante respecto a la integral:
=f01dx=f(10)=f= \|f\|_\infty \cdot \int_0^1 dx = \|f\|_\infty \cdot (1 - 0) = \|f\|_\infty
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 g(x)=1g(x) = 1. * Funcional: Ig=011dx=1\mathcal{I}g = \displaystyle\int_0^1 1 \, dx = 1. * Norma: g=1\|g\|_\infty = 1. Cociente: 1/1=11/1 = 1.     I1()\implies \|\mathcal{I}\| \ge 1 \quad (**).

  1. Conclusión: I=1\|\mathcal{I}\| = 1.

Subcaso 2.b: Espacio con Norma Uno (C([0,1]),1)(C([0,1]), \|\cdot\|_1)

Queremos probar que I\mathcal{I} es continua y I=1\|\mathcal{I}\| = 1.

  1. Acotación (Cota Superior): Sea fC([0,1])f \in C([0,1]).
If=01f(x)dx01f(x)dx|\mathcal{I}f| = \left| \int_0^1 f(x) \, dx \right| \le \int_0^1 |f(x)| \, dx
Observamos que el término de la derecha $\displaystyle\int_0^1 |f(x)| dx$ es **exactamente la definición** de la norma uno $\|f\|_1$.
If1f1|\mathcal{I}f| \le 1 \cdot \|f\|_1
Esto implica inmediatamente que $\mathcal{I}$ es acotada y:
I1()\|\mathcal{I}\| \le 1 \quad (*)
  1. 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 g(x)=1g(x) = 1.
    • Funcional: Ig=1=1|\mathcal{I}g| = |\int 1| = 1.
    • Norma: g1=1=1\|g\|_1 = \int |1| = 1.
IIgg1=1()\|\mathcal{I}\| \ge \frac{|\mathcal{I}g|}{\|g\|_1} = 1 \quad (**)
  1. Conclusión: I=1\|\mathcal{I}\| = 1. \blacksquare