#15Espacios Normados

15 - Espacios Normados I

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Thu-24-10-2024 09:00 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Espacios Normados


Espacios normados\text{Espacios normados}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E en Rev. Una norma en E es :ER0 con:1. v=0    v=0vE2. λ.v=λ.vλR,vE3. v+wv+wv,wE\begin{array}{l} \text{$E$ en $\mathbb{R}-ev$. Una norma en $E$ es $\left\| \right\|:E\to \mathbb{R}_{\geq0}$ con:}\\ \text{1. $\left\| v \right\|=0\iff v=0 \quad\forall v\in E$}\\ \text{2. $\left\| \lambda.v \right\|=|\lambda|.\left\| v \right\|\quad\forall \lambda \in \mathbb{R},v\in E$}\\ \text{3. $\left\| v+w \right\|\leq \left\| v \right\|+\left\| w \right\|\quad\forall v,w\in E$} \end{array} Ejemplos:Ejemplos:
  1. En Rn\mathbb{R}^{n}:
  • x2=ixi2\left\| x \right\|_2=\sqrt{ \sum_{i}x_{i}^{2} }
  • xn=(ixin)1/n\left\| x \right\|_{n}=\left( \sum_{i}x_{i}^{n} \right)^{1/n}
  • x=maxi{xi}\left\| x \right\|_\infty=max_{i}\{ x_{i} \}

Veamos que x2\left\| x \right\|_2 es norma: i)i)

(ix2)1/2=0    xi2=0i    xi=0i\left( \sum_{i}x^{2} \right)^{1/2}=0\iff x_{i}^{2}=0\quad\forall i\iff x_{i}=0\quad\forall i

ii)ii)

(i(λxi)2)1/2=(λ2ixi2)1/2=λ(xi2)12=λx2\left( \sum_{i}(\lambda x_{i})^{2} \right)^{1/2}=\left( \lambda^{2}\sum_{i}x_{i}^{2} \right)^{1/2}=|\lambda|\left( \sum x_{i}^{2} \right)^{\frac{1}{2}}=|\lambda |\left\| x \right\|_2

iii)iii)

x+y22=x22+y22+2xiyi\left\| x+y \right\|_2^{2}=\left\| x \right\|_2^{2}+\left\| y \right\|_2^{2}+2\sum x_{i}y_{i}

Vale que

xiyix2y2\left|\sum |x_{i}||y_{i}| \right|\leq \left\| x \right\|_2 \left\| y \right\|_2
  1. En C([a,b]):C([a,b]):
f1=abf(x)dx\left\| f \right\|_{1} =\int_{a}^{b}|f(x)|\:dx f=maxaxbf(x)\left\| f \right\|_\infty=\underset{a\leq x\leq b}{max}|f(x)|

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

Sea (E,) un espacio normado. Entonces d:E×ER0d(v,w)=vw es una distancia.\begin{array}{l} \text{Sea $(E,\left\| \right\|)$ un espacio normado. }\\ \text{Entonces $d:E\times E\to \mathbb{R}_{\geq0}\:|\:d(v,w)=\left\| v-w \right\|$ es una distancia.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

d(v,w)=vw=(vz)+(zw)vz+zw=d(v,z)+d(z,w)z,v,wEd(v,w)=\left\| v-w \right\| =\left\| (v-z)+(z-w) \right\| \leq \left\| v-z \right\| +\left\| z-w \right\| =d(v,z)+d(z,w)\quad \forall z,v,w\in E

Obs:Obs: La prop. 2 dice que si E,.E\neq \emptyset,\left\| . \right\| no está acotado. En particular, d(v,0)=vd(v,0)=\left\| v \right\| no está acotado. Más aún {d(v,0):vE}=R0\{ d(v,0):v\in E \}=\mathbb{R}_{\geq0}. Luego, la métrica discreta δ\delta no proviene de una norma.


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

Sea E normado. 1. Tv:EETv(w)=v+w es continua.2. μλ:EEμλ(v)=λ.v es continua λR. Maˊs auˊn, son homeomorfismos (λ0) \begin{array}{l} \text{Sea $E$ normado. }\\ \text{1. $T_{v}:E\to E\:|\:T_{v}(w)=v+w$ es continua.}\\ \text{2. $\mu_{\lambda}:E\to E\:|\:\mu_{\lambda}(v)=\lambda.v$ es continua $\forall\lambda \in \mathbb{R}$. Más aún, son homeomorfismos $(\lambda\neq0)$ }\\ \end{array} (Tv)1=Tv(μλ)1=μλ1(T_{v})^{-1}=T_{-v}\quad (\mu_{\lambda})^{-1}=\mu_{\lambda ^{-1}}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Veamos 1.

Tv(w)Tv(z)=(w+v)(z+v)=wzTw es isometrıˊ\left\| T_v( w ) -T_v( z ) \right\|=\left\| (w+v)-(z+v) \right\| =\left\| w-z \right\| \quad T_{w}\text{ es isometría }

2)2)

μλ(v)μλ(w)=λvw queda Lipschitz\left\| \mu_{\lambda}(v)-\mu_{\lambda}(w) \right\|=|\lambda|\left\| v-w \right\| \quad \text{ queda Lipschitz}

Obs:Obs: vE,v>0:\forall v\in E,v>0:

Br(v)={wE:vw<r}=v+{zE:z<r}Br(0)=v+r{yE:y<1}B1(0)=Tv(μr(B1(0)))B_{r}(v)=\{ w\in E:\left\| v-w \right\| <r \}=v+\underbrace{\{ z\in E:\left\| z \right\| <r \}}_{B_{r}(0)}=v+r\underbrace{\{ y\in E:\left\| y \right\| <1 \} }_{B_{1}(0)}=T_{v}(\mu_{r}(B_{1}(0))) Todas las bolas son homeomorfas.\therefore\: \text{Todas las bolas son homeomorfas.}

Operadores

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean (E,E),(F,F) espacios normados. Una transformacioˊn lineal T:EF (u operador) es acotado si:(μ0)TvFμvEvE\begin{array}{l} \text{Sean $(E,\left\| \right\|_{E}),(F,\left\| \right\|_{F})$ espacios normados.}\\ \text{ Una transformación lineal $T:E\to F$ (u operador) es acotado si:}\\ (\:\exists\:\mu\geq0)\quad \left\| T_{v} \right\|_{F}\leq \mu \left\| v \right\|_{E}\quad \forall v\in E \end{array}

EjemploEjemplo

Fijo fC([0,1])E,Tf:EETf(g)=f.gf\in \underbrace{C([0,1])}_{E},T_{f}:E\to E\:|\:T_{f}(g)=f.g En EE considero \left\| \right\|_\infty

Tf(g)(x)=f(x)f.g(x)gxTf(g)fμ.gμ tiene ser una que sirva para todas las g\begin{array}{c} |T_{f}(g)(x)|=\underbrace{|f(x)|}_{\leq \left\| f \right\|_\infty } .\underbrace{|g(x)|}_{\left\| g \right\|_\infty } \quad \forall x \\ \therefore\: \left\| T_{f}(g) \right\|_\infty \leq \underbrace{\left\| f \right\|_\infty}_{\mu} .\left\| g \right\|_\infty \\ \mu \text{ tiene ser una que sirva para todas las }g \end{array}

Obs:Obs: Si v0,TvFμ.vE    T(vvE)μv\neq0,\left\| Tv \right\|_{F}\leq \mu.\left\| v \right\|_{E}\iff \left\| T\left( \frac{v}{\left\| v \right\|_{E}} \right) \right\|\leq \mu

TT tiene las ctes. adentro: λwF=λvF,λ0\lambda \left\| w \right\|_{F}=\left\| \lambda v \right\|_{F},\lambda\geq0

T es acotada    {TyF:yE=1}R estaˊ acotado\therefore\: \text{T es acotada}\iff \{ \left\| Ty\right\| _{F}:\left\| y \right\| _{E}=1 \} \subseteq\mathbb{R} \text{ está acotado}

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

T es acotado     T es continua (uniformemente).\begin{array}{l} \text{$T$ es acotado $\iff T$ es continua (uniformemente).} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } )\Rightarrow) Sea μ\mu como en la definición.

TxTyF=T(xy)FμxyET es Lipschitz\begin{array}{c} \left\| Tx-Ty \right\| _{F}=\left\| T(x-y) \right\| _{F}\leq \mu \left\| x-y \right\| _{E} \\ \therefore\: T \text{ es Lipschitz} \end{array}

)\Leftarrow) Como TT es continua en 0, con E=1\mathcal{E}=1, tengo δ>0\delta>0 tal que:

yd(y,0)<δ    Tyd(Ty,T0)<1\underbrace{\left\| y \right\|}_{d(y,0)} <\delta \implies \underbrace{ \left\| Ty \right\| }_{d(Ty,T_{0})}<1

Así, si x0:x\neq0:

Tx=T(δ.x2.x)x.2δy<δ2yμx\left\| Tx \right\| =\left\| T\left( \frac{\delta .x}{2.\left\| x \right\| } \right) \right\|\left\| x \right\| .\frac{2}{\delta} \underset{\left\| y \right\| <\delta}{\leq }\underbrace{\frac{2}{y}}_{\mu} \left\| x \right\| \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

T acotada, la norma de T es T=inf{μ>0:Tvμ.vv}\begin{array}{l} \text{$T$ acotada, la norma de $T$ es $\left\| T \right\|=inf\{ \mu>0:\left\| T v \right\|\leq \mu.\left\| v \right\|\quad\forall v \}$} \end{array}

EjemploEjemplo Tffvale el =\left\| T_{f} \right\| \leq \left\| f \right\|_\infty \quad \text{vale el =}

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

T:EF operador. S=Ker(T)={v:Tv=0}:1. T acotado     S cerrado.2. Si F=R,S cerrado     T acotado. \begin{array}{l} \text{$T:E\to F$ operador. $S=Ker(T)=\{ v: Tv=0 \}$:}\\ \text{1. $T$ acotado $\implies S$ cerrado.}\\ \text{2. Si $F=\mathbb{R},S$ cerrado $\implies T$ acotado. } \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1.)1.)

S=T1({0}cerrado en F)S=T^{-1}(\underbrace{\{ 0 \}}_{\text{cerrado en F}}) cerrado pues TT es continua.

2.)2.) Si T0,T\equiv 0, es acotada(porque es cte.). Supongo T≢0T\not\equiv 0, así, SS es hiperplano. Sea vEv\in E con Tv=1T v=-1 (1Im(T)-1\in \mathrm{Im}(T)) Sea wEw\in E, supongo que w∉Sw\not\in S así, w=w+(Tw)vS(Tw)v=Tw(wTw+v)zS(Tw)v=(Tw)(zv)w=\underbrace{w+(Tw)v}_{\in S}-(Tw)v=Tw\underbrace{\left( \frac{w}{Tw}+v \right)}_{z\in S}-(Tw)v=(Tw)(z-v) En limpio w=(Tw).(zv)w=(Tw).(z-v)

w=Tw.zvd(v,S).TwVale si wS tambieˊn.\therefore\: \left\| w \right\| =|Tw|.\left\| z-v \right\| \geq d(v,S).|Tw|\quad \text{Vale si }w\in S\text{ también.}

Así, Tw1d(v,S)w|Tw|\leq \frac{1}{d(v,S)}\left\| w \right\| d(v,S)0,puesv∉S,Scerradod(v,S)\neq0,pues\:v\not\in S,S\:cerrado

\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

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