G6-E11

[!infobox] Operador Integral de Fredholm: Continuidad y Cota Contexto: Análisis Funcional / Operadores en C([0,1])C([0,1]) Enunciado: Sea k:[0,1]×[0,1]Rk: [0,1]\times[0,1] \to \mathbb{R} continua. Definimos K:C([0,1])C([0,1])K: C([0,1]) \to C([0,1]) por (Kf)(x)=01k(x,y)f(y)dy(Kf)(x) = \int_0^1 k(x,y)f(y)\,dy. Pruebe que KK es lineal y continuo, y acote su norma. Advertencia/Clave: La clave es usar la desigualdad gg|\int g| \le \int |g| y extraer f\|f\|_\infty fuera de la integral. La norma del operador resulta estar acotada por el "máximo de la integral del valor absoluto del núcleo".

(a) Linealidad

Sean f,gC([0,1])f, g \in C([0,1]) y α,βR\alpha, \beta \in \mathbb{R}. Para todo x[0,1]x \in [0,1]:

(K(αf+βg))(x)=01k(x,y)(αf(y)+βg(y))dy(Definicioˊn de K)=01(αk(x,y)f(y)+βk(x,y)g(y))dy(Distributividad en R)=α01k(x,y)f(y)dy+β01k(x,y)g(y)dy(Linealidad de la Integral)=α(Kf)(x)+β(Kg)(x)\begin{aligned} (K(\alpha f + \beta g))(x) &= \int_0^1 k(x,y) \left( \alpha f(y) + \beta g(y) \right) \, dy \quad (\text{Definición de } K) \\ &= \int_0^1 \left( \alpha k(x,y)f(y) + \beta k(x,y)g(y) \right) \, dy \quad (\text{Distributividad en } \mathbb{R}) \\ &= \alpha \int_0^1 k(x,y)f(y)\,dy + \beta \int_0^1 k(x,y)g(y)\,dy \quad (\text{Linealidad de la Integral}) \\ &= \alpha (Kf)(x) + \beta (Kg)(x) \end{aligned}

Por definición de suma y producto por escalar en espacios de funciones, K(αf+βg)=αKf+βKgK(\alpha f + \beta g) = \alpha Kf + \beta Kg. K\therefore K es un operador lineal.


(b) Continuidad y Acotación de la Norma

Para demostrar que KK es continuo, probaremos que es un operador acotado. Buscamos C>0C > 0 tal que KfCf\|Kf\|_\infty \le C\|f\|_\infty.

  1. Acotación Puntual: Sea fC([0,1])f \in C([0,1]) y x[0,1]x \in [0,1] fijo.
(Kf)(x)=01k(x,y)f(y)dy|(Kf)(x)| = \left| \int_0^1 k(x,y)f(y)\,dy \right|
Por la propiedad de valor absoluto de la integral de Riemann:
01k(x,y)f(y)dy=01k(x,y)f(y)dy\le \int_0^1 |k(x,y)f(y)|\,dy = \int_0^1 |k(x,y)| \cdot |f(y)|\,dy
  1. Introducción de la Norma: Sabemos que para todo y[0,1]y \in [0,1], f(y)maxtf(t)=f|f(y)| \le \max_{t} |f(t)| = \|f\|_\infty. Sustituimos en la integral:
01k(x,y)fdy\le \int_0^1 |k(x,y)| \cdot \|f\|_\infty \,dy
Como $\|f\|_\infty$ es constante respecto a la variable de integración $y$, la extraemos:
=f01k(x,y)dy()= \|f\|_\infty \int_0^1 |k(x,y)|\,dy \quad (\star)
  1. Definición de la Cota del Núcleo: Definimos la función G(x)=01k(x,y)dyG(x) = \displaystyle\int_0^1 |k(x,y)|\,dy. Dado que kk es continua en el compacto [0,1]×[0,1][0,1]\times[0,1], es uniformemente continua y acotada. Esto implica que G(x)G(x) es una función continua en [0,1][0,1]. Por el Teorema de Weierstrass, G(x)G(x) alcanza un máximo absoluto en [0,1][0,1]. Definimos:
Mk=maxx[0,1]01k(x,y)dyM_k = \max_{x \in [0,1]} \int_0^1 |k(x,y)|\,dy
De $(\star)$, tenemos que para todo $x$:
(Kf)(x)fMk|(Kf)(x)| \le \|f\|_\infty \cdot M_k
  1. Cota de la Norma del Operador: Tomamos el supremo sobre x[0,1]x \in [0,1] en ambos lados:
Kf=supx[0,1](Kf)(x)Mkf\|Kf\|_\infty = \sup_{x \in [0,1]} |(Kf)(x)| \le M_k \cdot \|f\|_\infty
Esto demuestra que $K$ es acotado (y por ende continuo) con constante $M_k$.
Por lo tanto, la norma del operador satisface:
Kmaxx[0,1]01k(x,y)dy\|K\| \le \max_{x \in [0,1]} \int_0^1 |k(x,y)|\,dy

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