Tue-27-05-2025 04:25
profe: Dario Martin Aza
status:
tags: Espacios Normados
Ejercicio 1
Sea ( E , ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ ) , A ⊆ E (E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert),A\subseteq E ( E , ∣∣ ⋅ ∣∣) , A ⊆ E cerrado, B ⊆ E B\subseteq E B ⊆ E compacto.
C : = { a + b ∣ a ∈ A , b ∈ B } ⟹ C es cerrado C:=\{ a+b\bigm| a \in A,b \in B \}\implies C\text{ es cerrado} C := { a + b a ∈ A , b ∈ B } ⟹ C es cerrado
Sea ( a n + b n ) n ∈ N ⊆ C (a_{n}+b_{n})_{n\in \mathbb{N}}\subseteq C ( a n + b n ) n ∈ N ⊆ C con a n + b n ⟶ c a_{n}+b_{n}\longrightarrow c a n + b n ⟶ c . ( ⟺ ∣ ∣ a n + b n − c ∣ ∣ ⟶ 0 \iff \lvert \lvert a_{n}+b_{n}-c \rvert\rvert\longrightarrow 0 ⟺ ∣∣ a n + b n − c ∣∣ ⟶ 0 )
Quiero ver que c ∈ C . c \in C. c ∈ C . Es decir, ∃ a ′ ∈ A , b ′ ∈ B ∣ c = a ′ + b ′ \:\exists\:a'\in A,b'\in B\bigm|c=a'+b' ∃ a ′ ∈ A , b ′ ∈ B c = a ′ + b ′
( a n ) n ∈ N ⊆ A , ( b n ) n ∈ N ⊆ B ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq A,( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq B ( a n ) n ∈ N ⊆ A , ( b n ) n ∈ N ⊆ B
Como B B B compacto ∃ ( b n k ) k ∣ b n k ⟶ b ∈ B \:\exists\:(b_{n_{k}})_{k}\bigm|b_{n_{k}}\longrightarrow b \in B ∃ ( b n k ) k b n k ⟶ b ∈ B
Defino c − b ∈ A ⟹ c = c − b + b c-b \in A\implies c=c-b+b c − b ∈ A ⟹ c = c − b + b
Sabemos
a n + b n ⟶ c b n k ⟶ b a n k + b n k ⟶ c \begin{array}{c}
a_{n}+b_{n}\longrightarrow c \\
b_{n_{k}}\longrightarrow b \\
a_{n_{k}}+b_{n_{k}}\longrightarrow c
\end{array} a n + b n ⟶ c b n k ⟶ b a n k + b n k ⟶ c
( a n k ) k ⊆ A ⟹ (a_{n_{k}})_{k}\subseteq A\implies ( a n k ) k ⊆ A ⟹ si a n k ⟶ c − b , c − b ∈ A . a_{n_{k}}\longrightarrow c-b,c-b \in A. a n k ⟶ c − b , c − b ∈ A . Pues R \mathbb{R} R es cerrado.
∣ ∣ a n k − c + b ∣ ∣ = ∣ ∣ a n k + b n k − b n k − c + b ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ a n k + b n k − c ∣ ∣ + ∣ ∣ b − b n k ∣ ∣ \lvert \lvert a_{n_{k}}-c+b \rvert\rvert =\lvert \lvert a_{n_{k}}+b_{n_{k}}-b_{n_{k}}-c+b \rvert\rvert \leq \lvert \lvert a_{n_{k}}+b_{n_{k}}-c \rvert\rvert +\lvert \lvert b-b_{n_{k}} \rvert\rvert ∣∣ a n k − c + b ∣∣ = ∣∣ a n k + b n k − b n k − c + b ∣∣ ≤ ∣∣ a n k + b n k − c ∣∣ + ∣∣ b − b n k ∣∣
⟹ ∣ ∣ a n k − c + b ∣ ∣ ⟶ 0 ⟹ a n k ⟶ c − b ⟹ c − b ∈ A \implies \lvert \lvert a_{n_{k}}-c+b \rvert\rvert \longrightarrow 0\implies a_{n_{k}}\longrightarrow c-b\implies c-b \in A ⟹ ∣∣ a n k − c + b ∣∣ ⟶ 0 ⟹ a n k ⟶ c − b ⟹ c − b ∈ A
Pues A A A cerrado.
⟹ c = c − b ⏟ ∈ A + b ⏟ ∈ B ⟹ c ∈ C \implies c=\underbrace{ c-b }_{ \in A }+\underbrace{ b }_{ \in B }\implies c \in C ⟹ c = ∈ A c − b + ∈ B b ⟹ c ∈ C
Luego C C C cerrado.
R e p a s o : Repaso: R e p a so :
B ‾ ( 0 , 1 ) \overline{B}(0,1) B ( 0 , 1 ) no siempre es compacta. Ejemplo: l ∞ \mathscr{l}^{\infty} l ∞
∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ : E → R \lvert \lvert \cdot \rvert\rvert:E\to \mathbb{R} ∣∣ ⋅ ∣∣ : E → R es continua.
Ejercicio 2
( E , ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ ) (E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert) ( E , ∣∣ ⋅ ∣∣) es completo ⟺ S = { x ∈ E ∣ ∣ ∣ x ∣ ∣ = 1 } \iff S=\{ x \in E\bigm|\lvert \lvert x \rvert\rvert=1 \} ⟺ S = { x ∈ E ∣∣ x ∣∣ = 1 } es completo.
D e m : Dem: D e m :
⟹ ) \implies) ⟹ )
S = ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ − 1 ( { 1 } ) S=\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert^{-1}(\{ 1 \}) S = ∣∣ ⋅ ∣ ∣ − 1 ({ 1 })
Como ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ \lvert \lvert \cdot \rvert\rvert ∣∣ ⋅ ∣∣ es continua y { 1 } \{ 1 \} { 1 } es cerrado ⟹ S \implies S ⟹ S cerrado.
Otra forma:
Sea ( x n ) n ∈ N ⊆ S ⊆ E ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq S\subseteq E ( x n ) n ∈ N ⊆ S ⊆ E de Cauchy.
Quiero ver que ∃ x ∣ ∣ ∣ x ∣ ∣ = 1 \:\exists\:x\bigm|\lvert \lvert x \rvert\rvert=1 ∃ x ∣∣ x ∣∣ = 1 con x n ⟶ x x_{n}\longrightarrow x x n ⟶ x
Como E E E es completo, ∃ x ∈ X \:\exists\:x \in X ∃ x ∈ X con x n ⟶ x x_{n}\longrightarrow x x n ⟶ x
Para el repaso: ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ ∣ ∣ x ∣ ∣ \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lvert \lvert x \rvert\rvert ∣∣ x n ∣∣ ⟶ ∣∣ x ∣∣
∣ ∣ x ∣ ∣ = ∣ ∣ x − x n + x n ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ x − x n ∣ ∣ + ∣ ∣ x n ∣ ∣ \lvert \lvert x \rvert\rvert =\lvert \lvert x-x_{n}+x_{n} \rvert\rvert \leq \lvert \lvert x-x_{n} \rvert\rvert +\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert ∣∣ x ∣∣ = ∣∣ x − x n + x n ∣∣ ≤ ∣∣ x − x n ∣∣ + ∣∣ x n ∣∣
⟹ ∣ ∣ x ∣ ∣ − ∣ ∣ x n ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ x − x n ∣ ∣ \implies \lvert \lvert x \rvert\rvert -\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert \leq \lvert \lvert x-x_{n} \rvert\rvert ⟹ ∣∣ x ∣∣ − ∣∣ x n ∣∣ ≤ ∣∣ x − x n ∣∣
Lo mismo arrancando con x n x_{n} x n
⟹ ∣ ∣ ∣ x n ∣ ∣ − ∣ ∣ x ∣ ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ x n − x ∣ ∣ ⟶ 0 \implies \bigm| \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert -\lvert \lvert x \rvert\rvert \bigm| \leq \lvert \lvert x_{n}-x \rvert\rvert \longrightarrow 0 ⟹ ∣∣ x n ∣∣ − ∣∣ x ∣∣ ≤ ∣∣ x n − x ∣∣ ⟶ 0
"Si algo tiende en norma, las normas tienden"
Ahora si volvamos.
∣ ∣ x n ∣ ∣ ⏟ = 1 ⟶ ∣ ∣ x ∣ ∣ , ∣ ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⏟ = 1 − ∣ ∣ x ∣ ∣ ∣ = ∣ 1 − ∣ ∣ x ∣ ∣ ∣ ⟶ 0 \underbrace{ \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }_{ =1 } \longrightarrow \lvert \lvert x \rvert\rvert ,\quad \bigm|\underbrace{ \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }_{ =1 } -\lvert \lvert x \rvert\rvert \bigm|=\bigm|1-\lvert \lvert x \rvert\rvert \bigm|\longrightarrow 0 = 1 ∣∣ x n ∣∣ ⟶ ∣∣ x ∣∣ , = 1 ∣∣ x n ∣∣ − ∣∣ x ∣∣ = 1 − ∣∣ x ∣∣ ⟶ 0
⟹ ∣ ∣ x ∣ ∣ = 1 \implies \lvert \lvert x \rvert\rvert =1 ⟹ ∣∣ x ∣∣ = 1
⟹ S \implies S ⟹ S es cerrado ⟹ S \implies S ⟹ S es completo. Pues S ⊆ E , S\subseteq E, S ⊆ E , y E E E completo.
⟸ ) \impliedby) ⟸ )
S S S completo ⟹ E \implies E ⟹ E completo.
Saco ( x n ) n ∈ N ⊆ E ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq E ( x n ) n ∈ N ⊆ E de Cauchy.
∣ ∣ ∣ x n ∣ ∣ − ∣ ∣ x m ∣ ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ x n − x m ∣ ∣ < E \bigm|\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert -\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert \bigm|\leq \lvert \lvert x_{n}-x_{m} \rvert\rvert <\mathcal{E} ∣∣ x n ∣∣ − ∣∣ x m ∣∣ ≤ ∣∣ x n − x m ∣∣ < E
Entonces ( ∣ ∣ x n ∣ ∣ ) n ∈ N ⊆ R (\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} (∣∣ x n ∣∣ ) n ∈ N ⊆ R es de Cauchy ( ⟹ \implies ⟹ converge).
2 casos:
Si ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ λ = 0 ⟹ x n ⟶ 0 E \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda=0\implies x_{n}\longrightarrow0_{_{E}} ∣∣ x n ∣∣ ⟶ λ = 0 ⟹ x n ⟶ 0 E
∣ ∣ x n − 0 E ∣ ∣ ≤ ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ 0 ⟹ x n ⟶ 0 E \lvert \lvert x_{n}-0_{_{E}} \rvert\rvert \leq \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert \longrightarrow 0\implies x_{n}\longrightarrow 0_{_{E}} ∣∣ x n − 0 E ∣∣ ≤ ∣∣ x n ∣∣ ⟶ 0 ⟹ x n ⟶ 0 E
⟹ ( x n ) n ∈ N converge, particularmente a 0 E \implies(x_{n})_{n\in \mathbb{N}}\text{ converge, particularmente a }0_{_{E}} ⟹ ( x n ) n ∈ N converge, particularmente a 0 E
Si ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ λ > 0 \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda>0 ∣∣ x n ∣∣ ⟶ λ > 0
Tomemos ( x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ ) n ∈ N ⊆ S ⟹ \displaystyle\left( \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert} \right)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq S\implies ( ∣∣ x n ∣∣ x n ) n ∈ N ⊆ S ⟹ quiero ver que es de Cauchy.
∣ ∣ x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ − x m ∣ ∣ x m ∣ ∣ ∣ ∣ = ∣ ∣ x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ − x n ∣ ∣ x m ∣ ∣ + x n ∣ ∣ x m ∣ ∣ − x m ∣ ∣ x m ∣ ∣ ∣ ∣ \left\lvert \left\lvert \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }-\frac{x_{m}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert } \right\rvert\right\rvert=\left\lvert\left \lvert \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }-\frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert }+\frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert }-\frac{x_{m}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert } \right\rvert\right\rvert ∣∣ x n ∣∣ x n − ∣∣ x m ∣∣ x m = ∣∣ x n ∣∣ x n − ∣∣ x m ∣∣ x n + ∣∣ x m ∣∣ x n − ∣∣ x m ∣∣ x m
≤ ∣ ∣ x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ − x n ∣ ∣ x m ∣ ∣ ∣ ∣ + ∣ ∣ x n − x m ∣ ∣ x m ∣ ∣ ∣ ∣ = ∣ 1 ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⏟ ⟶ 1 λ − 1 ∣ ∣ x m ∣ ∣ ⏟ ⟶ 1 λ ∣ ⋅ ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⏟ ⟶ λ > 0 ( Acotado por λ + 1 ) ) + 1 ∣ ∣ x m ∣ ∣ ⏟ ⟶ 1 λ ⋅ ∣ ∣ x n − x m ∣ ∣ ⏟ < E ⟶ 0 → 0 \leq \left\lvert\left \lvert \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }-\frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert }\right\rvert\right\rvert+\left\lvert\left\lvert\frac{x_{n}-x_{m}}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert }\right\rvert\right\rvert=\left| \underbrace{ \frac{1}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert } }_{ \longrightarrow \frac{1}{\lambda} }-\underbrace{ \frac{1}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert } }_{ \longrightarrow \frac{1}{\lambda} } \right|\cdot \underbrace{ \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }_{ \underset{ (\text{Acotado por $\lambda+1$)}) }{ \longrightarrow \lambda>0 } } \underbrace{ +\frac{1}{\lvert \lvert x_{m} \rvert\rvert } }_{ \longrightarrow \frac{1}{\lambda} }\cdot \underbrace{ \lvert \lvert x_{n}-x_{m} \rvert\rvert }_{ \underset{ \longrightarrow 0 }{ <\mathcal{E} } }\to 0 ≤ ∣∣ x n ∣∣ x n − ∣∣ x m ∣∣ x n + ∣∣ x m ∣∣ x n − x m = ⟶ λ 1 ∣∣ x n ∣∣ 1 − ⟶ λ 1 ∣∣ x m ∣∣ 1 ⋅ ( Acotado por λ + 1 ) ) ⟶ λ > 0 ∣∣ x n ∣∣ ⟶ λ 1 + ∣∣ x m ∣∣ 1 ⋅ ⟶ 0 < E ∣∣ x n − x m ∣∣ → 0
⟹ ( x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ ) n ∈ N ⊆ S \implies\left( \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert} \right)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq S ⟹ ( ∣∣ x n ∣∣ x n ) n ∈ N ⊆ S es de Cauchy.
∴ ∃ ∈ S ∣ x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ x Pues S completo \therefore\: \:\exists\:\in S\bigm| \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }\longrightarrow x\quad \text{Pues $S$ completo} ∴ ∃ ∈ S ∣∣ x n ∣∣ x n ⟶ x Pues S completo
Sabemos que ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⟶ λ \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda ∣∣ x n ∣∣ ⟶ λ
⟹ \implies ⟹ Veamos que x n ⟶ λ ⋅ x x_{n}\longrightarrow\lambda\cdot x x n ⟶ λ ⋅ x
∣ ∣ λ x − x n ∣ ∣ = ∣ λ ∣ ⋅ ∣ ∣ x − x n λ ∣ ∣ ⋅ ∣ ∣ x ∣ ∣ = ∣ λ ∣ ⋅ ∣ ∣ x − x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ + x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ − x n λ ∣ ∣ \lvert \lvert \lambda x-x_{n} \rvert\rvert =|\lambda|\cdot \left\lvert \left\lvert x-\frac{x_{n}}{\lambda} \right\rvert \right\rvert \cdot||x||=|\lambda|\cdot \left|\left| x-\frac{x_{n}}{|| x_{n} || }+\frac{x_{n}}{|| x_{n} || }-\frac{x_{n}}{\lambda} \right|\right| ∣∣ λ x − x n ∣∣ = ∣ λ ∣ ⋅ x − λ x n ⋅ ∣∣ x ∣∣ = ∣ λ ∣ ⋅ x − ∣∣ x n ∣∣ x n + ∣∣ x n ∣∣ x n − λ x n
≤ ∣ λ ∣ ⋅ ( ∣ ∣ x − x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ ∣ ∣ ⏟ ⟶ 0 + ∣ ∣ x n ∣ ∣ x n ∣ ∣ − x n λ ∣ ∣ ⏟ = ∣ ∣ x n ∣ ∣ ⋅ ∣ 1 ∣ ∣ x n ∣ ∣ − 1 λ ∣ ⟶ 0 ) ⟶ 0 ⟹ x n ⟶ λ ⋅ x \leq |\lambda|\cdot\left( \underbrace{ \left| \left| x-\frac{x_{n}}{|| x_{n} || } \right|\right| }_{ \longrightarrow 0 }+\underbrace{ \left| \left| \frac{x_{n}}{|| x_{n} || }-\frac{x_{n}}{\lambda} \right|\right| }_{ =|| x_{n} || \cdot \left| \frac{1}{|| x_{n} || }-\frac{1}{\lambda} \right| \longrightarrow 0 } \right)\longrightarrow 0\implies x_{n}\longrightarrow \lambda\cdot x ≤ ∣ λ ∣ ⋅ ⟶ 0 x − ∣∣ x n ∣∣ x n + = ∣∣ x n ∣∣ ⋅ ∣ ∣∣ x n ∣∣ 1 − λ 1 ∣ ⟶ 0 ∣∣ x n ∣∣ x n − λ x n ⟶ 0 ⟹ x n ⟶ λ ⋅ x
⟹ E \implies E ⟹ E es completo
Q.E.D. □ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square Q.E.D. □
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