G6-E7
[!infobox] Densidad del Subespacio de Suma Cero en Contexto: Análisis Funcional / Espacios de Sucesiones / Hiperplanos Enunciado: Sea el espacio de sucesiones con soporte finito. Sea . Pruebe que es denso en . Advertencia/Clave:
- Método 1 (Topológico): Usa la dicotomía de los hiperplanos (Ejercicio 4d). Si un hiperplano no es cerrado, es denso.
- Método 2 (Constructivo): Distribuye el "error" de la suma en una cola larga y delgada para minimizar la norma supremo mientras corriges la suma total.
Demostración 1: Vía Hiperplanos No Cerrados
Esta demostración se basa en la proposición: "Si es un hiperplano en un espacio normado , entonces es cerrado o es denso en ".
- Caracterización de S como Hiperplano: Definimos la funcional como:
* **Buena definición:** Dado que $x \in E$, la sucesión tiene soporte finito, por lo que la suma es finita y está bien definida.
* **Linealidad:** La suma es una operación lineal. $\varphi(\alpha x + y) = \sum (\alpha x_n + y_n) = \alpha \sum x_n + \sum y_n = \alpha \varphi(x) + \varphi(y)$.
* **Núcleo:** Observamos que $S = \ker(\varphi)$. Como $\varphi$ no es la funcional nula (pues $\varphi(e_1) = 1 \neq 0$), $S$ es un subespacio de codimensión 1 (un hiperplano).
2. Prueba de que S no es cerrado: Para probar que no es cerrado, basta exhibir una sucesión que converja a un límite , tal que . * Objetivo: Sea . Notar que , luego . * Construcción: Para cada , definimos como:
* **Verificación de Pertenencia a S:**
* **Convergencia:**
Calculamos la norma de la diferencia en $(E, \|\cdot\|_\infty)$:
Dado que $\lim_{k \to \infty} \frac{1}{k} = 0$, tenemos que $s_k \to e_1$.
3. Conclusión: Hemos encontrado una sucesión en que converge a un punto fuera de . Por lo tanto, ( no es cerrado). Por la propiedad de los hiperplanos (Ejercicio 4d), al no ser cerrado, debe ser denso.
Demostración 2: Vía Aproximación Directa ()
Queremos demostrar que tal que .
-
Análisis del Elemento Arbitrario: Sea . Por definición de , existe tal que para todo . Sea .
- Si , entonces y tomamos .
- Si , necesitamos corregir la suma.
-
Construcción del Aproximante: Sea . Por la Propiedad Arquimediana, existe suficientemente grande tal que:
Construimos $s \in E$ extendiendo el soporte de $x$ con $m$ términos de corrección:
Formalmente, definimos $z = (\underbrace{0, \dots, 0}_{N_0-1}, \underbrace{-\frac{C}{m}, \dots, -\frac{C}{m}}_{m}, 0, \dots)$ y tomamos $s = x + z$.
3. Verificaciones: * Soporte Finito: se anula a partir de , por lo tanto . * Pertenencia a S (Suma nula):
* **Distancia (Norma):**
Por la elección de $m$, tenemos $\frac{|C|}{m} < \epsilon$.
4. Conclusión: Dado que y eran arbitrarios, todo punto de es punto de adherencia de . es denso en .