Avanzado 2025 - Práctica 16 - Espacios normados I

Tema: Espacios normados I

Tue-27-05-2025 04:25 profe: Dario Martin Aza status: tags: Espacios Normados


Ejercicio 1

Sea (E,),AE(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert),A\subseteq E cerrado, BEB\subseteq E compacto.

C:={a+baA,bB}    C es cerradoC:=\{ a+b\bigm| a \in A,b \in B \}\implies C\text{ es cerrado}

Sea (an+bn)nNC(a_{n}+b_{n})_{n\in \mathbb{N}}\subseteq C con an+bnca_{n}+b_{n}\longrightarrow c. (    an+bnc0\iff \lvert \lvert a_{n}+b_{n}-c \rvert\rvert\longrightarrow 0 )

Quiero ver que cC.c \in C. Es decir, aA,bBc=a+b\:\exists\:a'\in A,b'\in B\bigm|c=a'+b'

(an)nNA,(bn)nNB( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq A,( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq B Como BB compacto (bnk)kbnkbB\:\exists\:(b_{n_{k}})_{k}\bigm|b_{n_{k}}\longrightarrow b \in B Defino cbA    c=cb+bc-b \in A\implies c=c-b+b

Sabemos

an+bncbnkbank+bnkc\begin{array}{c} a_{n}+b_{n}\longrightarrow c \\ b_{n_{k}}\longrightarrow b \\ a_{n_{k}}+b_{n_{k}}\longrightarrow c \end{array}

(ank)kA    (a_{n_{k}})_{k}\subseteq A\implies si ankcb,cbA.a_{n_{k}}\longrightarrow c-b,c-b \in A. Pues R\mathbb{R} es cerrado.

ankc+b=ank+bnkbnkc+bank+bnkc+bbnk\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     ankc+b0    ankcb    cbA\implies \lvert \lvert a_{n_{k}}-c+b \rvert\rvert \longrightarrow 0\implies a_{n_{k}}\longrightarrow c-b\implies c-b \in A

Pues AA cerrado.

    c=cbA+bB    cC\implies c=\underbrace{ c-b }_{ \in A }+\underbrace{ b }_{ \in B }\implies c \in C

Luego CC cerrado.


Repaso:Repaso:

  • B(0,1)\overline{B}(0,1) no siempre es compacta. Ejemplo: l\mathscr{l}^{\infty}
  • :ER\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert:E\to \mathbb{R} es continua.

Ejercicio 2

(E,)(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert) es completo     S={xEx=1}\iff S=\{ x \in E\bigm|\lvert \lvert x \rvert\rvert=1 \} es completo.

Dem:Dem:     )\implies)

S=1({1})S=\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert^{-1}(\{ 1 \})

Como \lvert \lvert \cdot \rvert\rvert es continua y {1}\{ 1 \} es cerrado     S\implies S cerrado.

Otra forma:

Sea (xn)nNSE( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq S\subseteq E de Cauchy. Quiero ver que xx=1\:\exists\:x\bigm|\lvert \lvert x \rvert\rvert=1 con xnxx_{n}\longrightarrow x
Como EE es completo, xX\:\exists\:x \in X con xnxx_{n}\longrightarrow x


Para el repaso: xnx\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lvert \lvert x \rvert\rvert

x=xxn+xnxxn+xn\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     xxnxxn\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert -\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert \leq \lvert \lvert x-x_{n} \rvert\rvert

Lo mismo arrancando con xnx_{n}

    xnxxnx0\implies \bigm| \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert -\lvert \lvert x \rvert\rvert \bigm| \leq \lvert \lvert x_{n}-x \rvert\rvert \longrightarrow 0

"Si algo tiende en norma, las normas tienden"

Ahora si volvamos.


xn=1x,xn=1x=1x0\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     x=1\implies \lvert \lvert x \rvert\rvert =1

    S\implies S es cerrado     S\implies S es completo. Pues SE,S\subseteq E, y EE completo.

    )\impliedby) SS completo     E\implies E completo. Saco (xn)nNE( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq E de Cauchy.

xnxmxnxm<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}

Entonces (xn)nNR(\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} es de Cauchy (    \implies converge).

2 casos:

  • Si xnλ=0    xn0E\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda=0\implies x_{n}\longrightarrow0_{_{E}}
xn0Exn0    xn0E\lvert \lvert x_{n}-0_{_{E}} \rvert\rvert \leq \lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert \longrightarrow 0\implies x_{n}\longrightarrow 0_{_{E}}     (xn)nN converge, particularmente a 0E\implies(x_{n})_{n\in \mathbb{N}}\text{ converge, particularmente a }0_{_{E}}
  • Si xnλ>0\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda>0 Tomemos (xnxn)nNS    \displaystyle\left( \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert} \right)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq S\implies quiero ver que es de Cauchy.
xnxnxmxm=xnxnxnxm+xnxmxmxm\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 xnxnxnxm+xnxmxm=1xn1λ1xm1λxnλ>0(Acotado por λ+1))+1xm1λxnxm<E00\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

    (xnxn)nNS\implies\left( \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert} \right)_{n\in \mathbb{N}}\subseteq S es de Cauchy.

SxnxnxPues S completo\therefore\: \:\exists\:\in S\bigm| \frac{x_{n}}{\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert }\longrightarrow x\quad \text{Pues $S$ completo}

Sabemos que xnλ\lvert \lvert x_{n} \rvert\rvert\longrightarrow\lambda     \implies Veamos que xnλxx_{n}\longrightarrow\lambda\cdot x

λxxn=λxxnλx=λxxnxn+xnxnxnλ\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(xxnxn0+xnxnxnλ=xn1xn1λ0)0    xnλx\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

    E\implies E es completo

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

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