[!infobox] Operador Integral de Fredholm: Continuidad y Cota
Contexto: Análisis Funcional / Operadores en C([0,1])Enunciado: Sea k:[0,1]×[0,1]→R continua. Definimos K:C([0,1])→C([0,1]) por (Kf)(x)=∫01k(x,y)f(y)dy.
Pruebe que K es lineal y continuo, y acote su norma.
Advertencia/Clave: La clave es usar la desigualdad ∣∫g∣≤∫∣g∣ y extraer ∥f∥∞ 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,g∈C([0,1]) y α,β∈R. Para todo x∈[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)=α∫01k(x,y)f(y)dy+β∫01k(x,y)g(y)dy(Linealidad de la Integral)=α(Kf)(x)+β(Kg)(x)
Por definición de suma y producto por escalar en espacios de funciones, K(αf+βg)=αKf+βKg.
∴K es un operador lineal.
(b) Continuidad y Acotación de la Norma
Para demostrar que K es continuo, probaremos que es un operador acotado. Buscamos C>0 tal que ∥Kf∥∞≤C∥f∥∞.
Acotación Puntual:
Sea f∈C([0,1]) y x∈[0,1] fijo.
∣(Kf)(x)∣=∫01k(x,y)f(y)dy
Por la propiedad de valor absoluto de la integral de Riemann:
≤∫01∣k(x,y)f(y)∣dy=∫01∣k(x,y)∣⋅∣f(y)∣dy
Introducción de la Norma:
Sabemos que para todo y∈[0,1], ∣f(y)∣≤maxt∣f(t)∣=∥f∥∞. Sustituimos en la integral:
≤∫01∣k(x,y)∣⋅∥f∥∞dy
Como $\|f\|_\infty$ es constante respecto a la variable de integración $y$, la extraemos:
=∥f∥∞∫01∣k(x,y)∣dy(⋆)
Definición de la Cota del Núcleo:
Definimos la función G(x)=∫01∣k(x,y)∣dy.
Dado que k es continua en el compacto [0,1]×[0,1], es uniformemente continua y acotada. Esto implica que G(x) es una función continua en [0,1].
Por el Teorema de Weierstrass, G(x) alcanza un máximo absoluto en [0,1]. Definimos:
Mk=x∈[0,1]max∫01∣k(x,y)∣dy
De $(\star)$, tenemos que para todo $x$:
∣(Kf)(x)∣≤∥f∥∞⋅Mk
Cota de la Norma del Operador:
Tomamos el supremo sobre x∈[0,1] en ambos lados:
∥Kf∥∞=x∈[0,1]sup∣(Kf)(x)∣≤Mk⋅∥f∥∞
Esto demuestra que $K$ es acotado (y por ende continuo) con constante $M_k$.
Por lo tanto, la norma del operador satisface: