#16Espacios Normados

2025 - Teórica 16 - Espacios normados II

19 min de lectura

Tue-27-05-2025 23:04 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Espacios Normados


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea E espacio vectorial (ev), SE subespacio. S es un hiperplanosi x∉S tal que E=S+x \begin{array}{l} \text{Sea $E$ espacio vectorial (ev), $S\subseteq E$ subespacio. $S$ es un hiperplano}\\ \text{si $\:\exists\:x\not\in S$ tal que $E=S+\braket{ x}$ } \end{array}

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

SE es hiperplano     φ:ER lineal tal que S=ker(φ) \begin{array}{l} \text{$S\subseteq E$ es hiperplano $\iff \:\exists\:{\Large\varphi}:E\to \mathbb{R}$ lineal tal que $S=\ker({\Large\varphi})$ } \end{array}

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

Sea (E,)dim(E)=n    E es isomeˊtrico a Rn \begin{array}{l} \text{Sea $(E,\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert)\bigm|\dim(E)=n\implies E$ es isométrico a $\mathbb{R}^{n}$ } \end{array}

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

T:ERnviei\begin{array}{c} T:E&\to& \mathbb{R}^{n} \\ v_{i}&\mapsto&e_{i} \end{array}

y extiendo por linealidad donde {v1,,vn}\{ v_{1},\dots,v_{n} \} base de EE y {e1,,en}\{ e_{1},\dots,e_{n} \} base canónica de Rn\mathbb{R}^{n} Defino en Rn\mathbb{R}^{n} la norma

(x1,xn)Rn=i=1nxiviE    T es isometrıˊa con esta norma\lvert \lvert (x_{1},\dots x_{n}) \rvert\rvert _{\mathbb{R}^{n} }=\left\lvert \left\lvert \sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot v_{i} \right\rvert \right\rvert _{E}\implies T \text{ es isometría con esta norma} T(i=1nxivi)=i=1nxiT(vi)=i=1nxiei=(x1,,xn)T\left( \sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot v_{i} \right)=\sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot T(v_{i})=\sum_{i=1}^{n} x_{i}\cdot e_{i}=(x_{1},\dots,x_{n}) Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Corolario (1):{\color{Red} \text{Corolario (1)}:}

Si dim(E)<     Todas las normas son equivalentes.\begin{array}{l} \text{Si $\dim(E)<\infty\implies$ Todas las normas son equivalentes.} \end{array}

Dem:{\color{Red} \text{Dem}:} Idea, no la demo. draw-avanzado-T16-1


Corolario (2):{\color{Red} \text{Corolario (2)}:}

Si dim(E)<     es de Banach.\begin{array}{l} \text{Si $\dim(E)<\infty\implies$ es de Banach.} \end{array}

Dem:{\color{Red} \text{Dem}:} draw-avanzado-T16-2 (xn)nN( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} de Cauchy en E    (T(xn))nNE\implies(T(x_{n}))_{n\in \mathbb{N}} de Cauchy en Rn    \mathbb{R}^{n}\implies converge en Rn\mathbb{R}^{n}     (xn)nN\implies ( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} converge.


Corolario (3):{\color{Red}\text{Corolario }(3):}

Si dim(E)<0??     conjuntos cerrados y acotados son compactos.\begin{array}{l} \text{Si $\dim(E)<0??\implies$ conjuntos cerrados y acotados son compactos.} \end{array}

Dem:{\color{Red} \text{Dem}:} De Tarea.


Operadores lineales continuos

Recordar:Recordar: T:EFT:E\to F es una transformación lineal si x,yE,αR:\quad\forall x,y \in E,\alpha \in \mathbb{R}:

  • T(x+y)=T(x)+T(y)T(x+y)=T(x)+T(y)
  • T(αx)=αT(x)T(\alpha\cdot x)=\alpha\cdot T(x)
  • T(0E)=0FT(0_{E})=0_{F}

Obs:Obs:

T:RnRn transformacioˊn lineal      es continua.\text{$T:\mathbb{R}^{n}\to \mathbb{R}^{n}$ transformación lineal $\implies$ es continua.}

Esto se debe a que TT tiene asociada una matriz AA tal que T(x)=AxT(x)=A\cdot x     AxAy=A(xy)Axy    T\implies \lvert \lvert A\cdot x-A\cdot y \rvert\rvert=\lvert \lvert A(x-y) \rvert\rvert\leq \lvert \lvert A \rvert\rvert\cdot \lvert \lvert x-y \rvert\rvert\implies T es Lipschitz.


  • Pregunta 1: T:ERnT:E\to \mathbb{R}^{n} lineal     \implies continua? No.
  • Pregunta 2: T:RnET:\mathbb{R}^{n}\to E lineal     \implies continua? De ejercicio
EjemploEjemplo E={p:RRp polinomio de coef. reales}E=\{ p:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\bigm| p\text{ polinomio de coef. reales} \}
  • (p+q)(x)=p(x)+q(x)(p+q)(x)=p(x)+q(x)
  • (αp)(x)=αp(x)(\alpha\cdot p)(x)=\alpha\cdot p(x)

p=supx[0,1]p(x)\lvert \lvert p \rvert\rvert=\underset{ x \in[0,1] }{ sup }\:\left| p(x) \right| Si p=0    p(x)=0x[0,1]\lvert \lvert p \rvert\rvert=0\implies |p(x)|=0\quad\forall x \in[0,1] . El único polinomio con infinitas raíces es p0=0p_{0}=0

T:ERpp(2)\begin{array}{c} T:E&\to &\mathbb{R} \\ p&\mapsto&p(2) \end{array}

TT es lineal. TT no es continua en p0=0p_{0}=0

Sea pn(x)=(x2)n.p_{n}(x)=\left( \frac{x}{2} \right)^{n}. Veamos que pnp0p_{n}\longrightarrow p_{0}

x[0,1]    pn(x)p0(x)=x2n12n0x \in [0,1]\implies |p_{n}(x)-p_{0}(x)|=\left| \frac{x}{2} \right| ^{n} \leq \frac{1}{2^{n} }\longrightarrow 0 T(pn)=pn(2)=10T(p_{n})=p_{n}(2)=1\cancel{ \longrightarrow } 0

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

T:EF lineal. Son equivalentes:1. T es continua en 02. T es continua en alguˊxE3. T es continua (en todos lados)4. T es uniformemente continua\begin{array}{l} \text{$T:E\to F$ lineal. Son equivalentes:}\\ \text{1. $T$ es continua en $0$}\\ \text{2. $T$ es continua en algún $x \in E$}\\ \text{3. $T$ es continua (en todos lados)}\\ \text{4. $T$ es uniformemente continua}\\ \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } (1)    (4):(1)\implies(4): Sea E>0.\mathcal{E}>0. Quiero ver que δ>0xyE<δ    T(x)T(y)F<E\:\exists\:\delta>0\bigm|\lvert \lvert x-y \rvert\rvert_{E}<\delta\implies \lvert \lvert T(x)-T(y) \rvert\rvert_{F}<\mathcal{E} Elijo δ>0\delta>0 de la continuidad en 0.0.

vE<δ0>T(v)T(0)F<E\lvert \lvert v \rvert\rvert _{E}<\delta_{0}>\lvert \lvert T(v)-T(0) \rvert\rvert _{F}<\mathcal{E}

Si x,yExyE<δ    T(xy)T(0)F=T(x)T(y)F<Ex,y \in E\bigm|\lvert \lvert x-y \rvert\rvert_{E}<\delta\implies \lvert \lvert T(x-y)-T(0) \rvert\rvert_{F}=\lvert \lvert T(x)-T(y) \rvert\rvert_{F}<\mathcal{E} (4)    (3)    (2):(4)\implies(3)\implies(2): Vale en general.

(2)    (1):(2)\implies(1):

Sea xETx \in E\bigm|T es continua en x    E>0δ>0xyE<δ    T(x)T(y)F<Ex\implies \forall\mathcal{E}>0\:\exists\:\delta>0\bigm|\lvert \lvert x-y \rvert\rvert_{E}<\delta\implies \lvert \lvert T(x)-T(y) \rvert\rvert_{F}<\mathcal{E}     \implies Sea E>0\mathcal{E}>0 y sea δ>0\delta>0 (el de la continuidad en xx ). Sea vB(0,δ)v \in B(0,\delta)     vE<δ\implies \lvert \lvert v \rvert\rvert_{E}<\delta Sea y=v+x    xyE<δ    y=v+x\implies \lvert \lvert x-y \rvert\rvert_{E}<\delta\implies

    T(x)T(y)F<E=T(x)T(v)T(x)F<E=T(v)T(0)F<E\begin{array}{l} \implies\lvert \lvert T(x)-T(y) \rvert\rvert_{F} <\mathcal{E} \\ =\lvert \lvert T(x)-T(v)-T(x) \rvert\rvert _{F}<\mathcal{E} \\ =\lvert \lvert T(v)-T(0) \rvert\rvert _{F}<\mathcal{E} \end{array} Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea T:EF una transformacioˊn lineal. T es acotada si C>0T(x)FCxExE \begin{array}{l} \text{Sea $T:E\to F$ una transformación lineal. }\\ \text{$T$ es acotada si $\:\exists\:C>0\bigm|\lvert \lvert T(x) \rvert\rvert_{F}\leq C\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{E}\quad\forall x \in E$ } \end{array}

Equivalentemente, TT es acotada si supxB(0,1)T(x)F<\underset{ x \in B(0,1) }{ sup }\:\lvert \lvert T(x) \rvert\rvert_{F}<\infty Dem:Dem:     )\implies)

xB(0,1)    T(x)FCxEC    supxB(0,1)T(x)FC<x \in B(0,1)\implies \lvert \lvert T(x) \rvert\rvert _{F}\leq C\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{E}\leq C\implies \underset{ x \in B(0,1) }{ sup }\:\lvert \lvert T(x) \rvert\rvert _{F}\leq C<\infty

    )\impliedby) Sea xE.x \in E. Si x=0x=0 listo. Si x0,x~=x(1+E)xEx\neq0, \tilde{x}=\frac{x}{(1+\mathcal{E})\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert_{E}} con E>0\mathcal{E}>0 cualquiera.

    x~E=11+E<1    x~B(0,1)    T(x~)FC=supxB(0,1)T(x)F\implies \lvert \lvert \tilde{x} \rvert\rvert _{E}=\frac{1}{1+\mathcal{E}}<1\implies \tilde{x}\in B(0,1)\implies \lvert \lvert T(\tilde{x}) \rvert\rvert _{F}\leq C=\underset{ x \in B(0,1) }{ sup }\:\lvert \lvert T(x) \rvert\rvert _{F}     T(x(1+E)xE)F=T(x)F(1+E)xEC\implies \left\lvert \left\lvert T\left( \frac{x}{(1+\mathcal{E})\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{E}} \right) \right\rvert \right\rvert_{F}=\frac{\lvert \lvert T(x) \rvert\rvert _{F}}{(1+\mathcal{E})\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{E}}\leq C     T(x)FC(1+E)xECxE\implies \lvert \lvert T(x) \rvert\rvert _{F}\leq C\cdot(1+\mathcal{E})\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{E}\longrightarrow C\cdot \lvert \lvert x \rvert\rvert _{E}

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

Sea T:EF transformacioˊn lineal. T es acotada     T es continua.\begin{array}{l} \text{Sea $T:E\to F$ transformación lineal. $T$ es acotada $\iff T$ es continua.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }     )\implies) TT acotada     T\implies T Lipschitz     T\implies T es uniformemente continua     T\implies T continua.

    )\impliedby) TT continua en 0.0. Sea E=1\mathcal{E}=1 , δ>0xB(0,δ)    T(x)F<1\:\exists\:\delta>0\bigm|x\in B(0,\delta)\implies \lvert \lvert T(x) \rvert\rvert_{F}<1 Si tengo yB(0,1)    δyB(0,δ)    T(δy)F<1y \in B(0,1)\implies\delta\cdot y \in B(0,\delta)\implies \lvert \lvert T(\delta\cdot y) \rvert\rvert_{F}<1     T(y)F<1δ\implies \lvert \lvert T(y) \rvert\rvert_{F}<\frac{1}{\delta}

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

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

E,F normados, F de Banach, DE subespacio denso.T:DF t.f. continua     T~:ET lineal y continua con T~D=T\begin{array}{l} \text{$E,F$ normados, $F$ de Banach, $D\subseteq E$ subespacio denso.}\\ \text{$T:D\to F$ t.f. continua $\implies \:\exists\:\tilde{T}:E\to T$ lineal y continua con $\tilde{T}|_{_{D}}=T$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Idea: xE    (xn)nNDx \in E\implies \:\exists\:( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq D con xnxx_{n}\longrightarrow x Defino T~(x)=limnT(xn)\tilde{T}(x)=\underset{ n\to \infty }{ \lim }T(x_{n})


Citas y Comentarios

Temas relacionados