Avanzado 2025 - Práctica 17 - Espacios normados II

Tema: Espacios normados II

Thu-29-05-2025 10:49 profe: Dario Martin Aza status: tags: Espacios Normados


Si (E,d1),(F,d2)(E,d_{1}),(F,d_{2}) espacios métricos. Entonces (E×F,d1+d2)(E\times F,d_{1}+d_{2}) es espacio métrico. Donde d1+d2:(E×F)×(E×F)Rd_{1}+d_{2}:(E\times F)\times(E\times F)\longrightarrow \mathbb{R}


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sea (E,d) un espacio meˊtrico. Entonces (E×E,d+d) es otro espacio meˊtrico y d:E×ER es continua.\begin{array}{l} \text{Sea $(E,d)$ un espacio métrico. }\\ \text{Entonces $(E\times E,d+d)$ es otro espacio métrico y $d:E\times E\to \mathbb{R}$ es continua.} \end{array}

Ejercicio 0

Sea f:RRf:\mathbb{R}\to \mathbb{R} uniformemente continua y sea g:RRg:\mathbb{R}\to \mathbb{R} dada por

g(x)=max{f(y):y[x1,x+1]}g(x)=max\{ f(y):y \in[x-1,x+1] \}

Probar que gg es uniformemente continua.

Dem:Dem: Supongamos que gg no es uniformemente continua. Entonces

E>0,(xn)nN,(yn)nNxnyn0.Perog(xn)g(yn)EnN\:\exists\:\mathcal{E}>0,\:\exists\:( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}},( y_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\bigm| |x_{n}-y_{n}|\longrightarrow 0.\:Pero\:|g(x_{n})-g(y_{n})|\geq \mathcal{E}\quad \forall n \in \mathbb{N}

Sean, para cada nNn \in \mathbb{N},

x~n[xn1,xn+1]\tilde{x}_{n}\in[x_{n}-1,x_{n}+1]

y

y~n[yn1,yn+1]\tilde{y}_{n}\in[y_{n}-1,y_{n}+1]

tales que

g(xn)=f(x~n),g(yn)=f(y~n)g(x_{n})=f(\tilde{x}_{n}),\quad \quad g(y_{n})=f(\tilde{y}_{n})

Entonces

f(x~n)f(y~n)EnN|f(\tilde{x}_{n})-f(\tilde{y}_{n})|\geq \mathcal{E}\quad \forall n \in \mathbb{N}

Sea δ>0\delta>0 tal que xy<δ    f(x)f(y)<E|x-y|<\delta\implies |f(x)-f(y)|<\mathcal{E} Este δ\delta existe porque ff es uniformemente continua. Sea n0Nn_{0}\in \mathbb{N} tal que si nn0    xnyn<δn\geq n_{0}\implies |x_{n}-y_{n}|<\delta
Supongamos que

f(x~n)>f(y~n)(*)f(\tilde{x}_{n})>f(\tilde{y}_{n})\tag{*}

Una forma elegante es llamar yy al mayor de los 2. Así consideras los dos casos a la vez.

entonces como f(y~n)f(y)y[yn1,yn+1]f(\tilde{y}_{n})\geq f(y)\quad\forall y \in[y_{n}-1,y_{n}+1] También se desprende que

f(x~n)>f(yn1)f(\tilde{x}_{n})>f(y_{n}-1)

Tenemos que x~n∉[xn1,yn+1]    x~n[yn+1,xn+1]\tilde{x}_{n}\not\in[x_{n}-1,y_{n}+1]\implies \tilde{x}_{n}\in[y_{n}+1,x_{n}+1]

    x~n(yn+1)yn+1(xn+1)<δ\implies |\tilde{x}_{n}-(y_{n}+1)|\leq |y_{n}+1-(x_{n}+1)|<\delta

avanzado-draw-pratica16-1

Pero entonces f(yn+1)f(xn)E|f(y_{n}+1)-f(x_{n})|\leq\mathcal{E} por la continuidad de ff.

f(x~n)f(yn+1)+Ef(y~n)+Ef(\tilde{x}_{n})\leq f(y_{n}+1)+\mathcal{E}\leq f(\tilde{y}_{n})+\mathcal{E}

Y usando (*) tengo que

    f(x~n)f(y~n)<E\implies |f(\tilde{x}_{n})-f(\tilde{y}_{n})|<\mathcal{E}

Lo cual es absurdo porque f(x~n)f(y~n)E|f(\tilde{x}_{n})-f(\tilde{y}_{n})|\geq\mathcal{E}


Recuerdo:\text{Recuerdo:}

(E,)(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert) normado. SES\subseteq E se dice un hiperplano si:

  1. v∉S,vE<v>S=E\:\exists\:v\not\in S,v \in E\bigm|<v>\oplus S=E
  2. v∉S,vE\forall v\not\in S,v \in E vale <v>+S=E<v>+\: S=E
  3. ϕ:ER\:\exists\:\phi:E\to \mathbb{R} lineal con Ker(ϕ)=SKer(\phi)=S

Son equivalentes las 3.


Ejercicio 1

Sea

E=C(0)={(an)nNRn0N:an=0nn0}E=C_{(0)}=\{ ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R}\bigm| \:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}:a_{n}=0\quad \forall n\geq n_{0} \}

con la norma

(an)nN=supnNan\lvert \lvert ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}} \rvert\rvert_{\infty} =\underset{ n\in\mathbb{N} }{ sup }\:\left| a_{n} \right|

Sea

S={(an)nN:n=1nan=0}ES=\left\{ ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}:\sum_{n=1}^{\infty} n\cdot a_{n}=0 \right\}\subseteq E

Probar que SS en denso en EE. Es decir S=E\overline{S}=E

(2,1,0,0,0,)S(1,1,1,0,0,)S\begin{array}{c} (2,-1,0,0,0,\cdots)\in S \\ (1,1,-1,0,0,\cdots)\in S \end{array} S es un subespacioS\text{ es un subespacio}

Sea (an)nNS,(bn)nNS( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in S,( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in S entonces:

  • λ(an)nNS\lambda\cdot ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in S pues
n=1nλan=λn=1nan=λ0=0\sum_{n=1}^{\infty} n\cdot\lambda\cdot a_{n}=\lambda\cdot \sum_{n=1}^{\infty} n\cdot a_{n}=\lambda\cdot0=0
  • (an)nN+(bn)nNS( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}+( b_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\in S pues
n=1n(an+bn)=n=1nan+n=1nbn=0+0=0\sum_{n=1}^{\infty} n\cdot(a_{n}+b_{n})=\sum_{n=1}^{\infty} n\cdot a_{n}+\sum_{n=1}^{\infty} n\cdot b_{n}=0+0=0

SS es un hiperplano pues

S=ker(φ)S=ker({\Large\varphi}) φ:ER(an)nNn=1nan\begin{array}{c} {\Large\varphi}:E\longrightarrow \mathbb{R} \\ \quad \quad \:\displaystyle ( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\mapsto \sum_{n=1}^{\infty} n\cdot a_{n} \end{array}

y φ{\Large\varphi} es lineal ya lo siguiente se demostró cuando vimos que SS es subespacio :

  • φ(λf)=λφ(f){\Large\varphi}(\lambda\cdot f)=\lambda\cdot {\Large\varphi}(f)
  • φ(f+g)=φ(f)+φ(g){\Large\varphi}(f+g)={\Large\varphi}(f)+{\Large\varphi}(g) Para ver que SS es denso, basta encontrar snSnNs_{n}\in S\quad\forall n\in \mathbb{N} tal que snw∉Ss_{n}\longrightarrow w \not\in S
    Considero
sn=(1,0,0,,0,1n,n-eˊsimo elemento0,)s_{n}=\left( 1,0,0,\dots,0\underbrace{ , -\frac{1}{n} , }_{ \text{n-ésimo elemento} }0,\dots\right)

Veo que sne1∉Ss_{n}\longrightarrow e_{1}\not\in S pues

sne1=(0,0,,1n,0,)=1n0\lvert \lvert s_{n}-e_{1} \rvert\rvert=\left\lvert \left\lvert \left( 0,0,\dots,-\frac{1}{n},0,\dots \right) \right\rvert \right\rvert=\frac{1}{n}\longrightarrow 0

y snSs_{n}\in S nN\forall n\in \mathbb{N} Entonces SS no es cerrado. Por lo tanto es denso.

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

Ejercicio 2

Sea

A={fC([0,1],R)fderivable,f(0)=0}(C([0,1],R),)A=\{ f\in C([0,1],\mathbb{R})\bigm| f\:derivable,\quad f'(0)=0 \}\subseteq(C([0,1],\mathbb{R}),\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty} )

AC([0,1],R)A\subseteq C([0,1],\mathbb{R}) es un subespacio. ¿ Es denso?

AA es un hiperplano pues A=ker(φ)A=\ker({\Large\varphi}) con

φ:C([0,1],R)Rff(0)\begin{array}{c} {\Large\varphi}:C([0,1],\mathbb{R})&\longrightarrow& \mathbb{R} \\ f&\mapsto &f'(0) \end{array}

φ{\Large\varphi} lineal pues φ(λf)=(λf)(0)=λf(0)=λφ(f){\Large\varphi}(\lambda\cdot f)=(\lambda\cdot f)'(0)=\lambda\cdot f'(0)=\lambda\cdot {\Large\varphi}(f) y

φ(f+g)=(f+g)(0)=(f+g)(0)=f(0)+g(0)=φ(f)+φ(g){\Large\varphi}(f+g)=(f+g)'(0)=(f'+g')(0)=f'(0)+g'(0)={\Large\varphi}(f)+{\Large\varphi}(g)

Veamos si φ{\Large\varphi} es continua.

Sea fn:[0,1]Rf_{n}:[0,1]\to \mathbb{R} continuas.

ACLARACION: tomar fn(x)=(1x)nf_{n}(x)=(1-x)^{n} y ver que φ(fn)=n|{\Large\varphi}(f_{n})|=n

fn(x)=12n(x+1)nf_{n}(x)=\frac{1}{2^{n} }\cdot(x+1)^{n}

fnB(0,1)f_{n}\in \overline{B}(0,1) nN\forall n\in \mathbb{N} pero

φ(fn)=n2n(x+1)n1=n2n0{\Large\varphi}(f_{n})=\frac{n}{2^{n} }\cdot(x+1)^{n-1} =\frac{n}{2^{n} }\longrightarrow 0

fnB(0,1)f_{n}\in B(0,1) pero φ(fn){\Large\varphi}(f_{n}) no están acotadas.     φ\implies {\Large\varphi} no es acotada     φ\implies {\Large\varphi} no es continua     S\implies S es denso.


Ejercicio 3

Consideramos

T:(C([0,1],R))l(R)f(f(1n))nN\begin{array}{c} T:(C([0,1],\mathbb{R}))&\longrightarrow& \mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R}) \\ f&\mapsto&\left( f\left( \frac{1}{n} \right) \right)_{n\in \mathbb{N}} \end{array}

Notar que (C([0,1],R))(C([0,1],\mathbb{R})) y l(R)\mathscr{l}^{\infty} (\mathbb{R}) son normados.

TT es operador lineal, calculamos su norma.

T=supfB(0,1)T(f)=supfB(0,1)f(1n)=supfB(0,1)supnNf(1n)supfB(0,1)f1\lvert \lvert T \rvert\rvert =\underset{ f\in B(0,1) }{ sup }\:\lvert \lvert T(f) \rvert\rvert =\underset{ f\in B(0,1) }{ sup }\:\left\lvert \left\lvert f\left( \frac{1}{n} \right) \right\rvert \right\rvert =\underset{ f\in B(0,1) }{ sup }\:\quad \underset{ n\in \mathbb{N} }{ sup }\:\left| f\left( \frac{1}{n} \right) \right| \leq \underset{ f \in B(0,1) }{ sup }\:\lvert \lvert f \rvert\rvert_{\infty} \leq 1     T1\implies \lvert \lvert T \rvert\rvert \leq 1

Por otro lado

T(id)=(1,12,13,14,)=1T(id)=\left( 1, \frac{1}{2} , \frac{1}{3}, \frac{1}{4},\dots\right)=1

con

id:[0,1]Rxx\begin{array}{c} id:[0,1]&\longrightarrow & \mathbb{R} \\ x&\mapsto& x \end{array}     T=1\implies \lvert \lvert T \rvert\rvert =1

Notar que encontré una cota y luego vi que se realiza. Esto es clave!


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