Mathematics · Libro 4 · Bachelor Year 2

Matemáticas universitarias — Grado 2

Matemáticas universitarias — Grado 2 · Bachelor Year 2

5Espacios vectoriales normados

Cuando el espacio métrico es un espacio vectorial y la distancia procede de una norma, la topología y el álgebra lineal empiezan a interactuar: las aplicaciones lineales son continuas exactamente cuando están acotadas sobre la bola unidad, la dimensión finita obliga a todas las normas a coincidir y la completitud convierte las series absolutamente convergentes en convergentes. La divisoria entre dimensión finita e infinita —cristalizada en el teorema de Riesz— es la lección más profunda del capítulo.

En todo el capítulo, E,FE, F son espacios vectoriales sobre K=RK = \R o C\C.

5.1 Normas

Definición 5.1

Una norma sobre EE es una aplicación ∥ ⋅ ∥ ⁣:E→R+\norm{\,\cdot\,} \colon E \to \R_+ tal que, para todos x,y∈Ex, y \in E y λ∈K\lambda \in K:

∥x∥=0  ⟺  x=0,∥λx∥=∣λ∣ ∥x∥,∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.\norm x = 0 \iff x = 0, \qquad \norm{\lambda x} = \abs\lambda\,\norm x, \qquad \norm{x + y} \leq \norm x + \norm y .

Entonces d(x,y)=∥x−y∥d(x, y) = \norm{x - y} es una distancia y se aplica todo el Capítulo 4. La desigualdad triangular inversa ∣∥x∥−∥y∥∣≤∥x−y∥\bigl|\norm x - \norm y\bigr| \leq \norm{x - y} hace que la propia norma sea 11-lipschitziana; la suma y la multiplicación por escalares son continuas (estimaciones ∥(x+y)−(x′+y′)∥≤∥x−x′∥+∥y−y′∥\norm{(x + y) - (x' + y')} \leq \norm{x - x'} + \norm{y - y'}, etc.).

Ejemplo 5.2

Sobre KnK^n:

∥x∥1=∑i∣xi∣,∥x∥2=(∑i∣xi∣2)1/2,∥x∥∞=max⁡i∣xi∣\norm{x}_1 = \sum_i \abs{x_i}, \qquad \norm{x}_2 = \Bigl(\sum_i \abs{x_i}^2\Bigr)^{1/2}, \qquad \norm{x}_\infty = \max_i \abs{x_i}

(∥⋅∥2\norm\cdot_2 es una norma por Cauchy–Schwarz, volumen del primer año). Sobre C([a, b])C(\intcc{a}{b}):

∥f∥∞=sup⁡∣f∣,∥f∥1=∫ab∣f∣,∥f∥2=(∫ab∣f∣2)1/2,\norm f_\infty = \sup \abs f, \qquad \norm f_1 = \int_a^b \abs f, \qquad \norm f_2 = \Bigl(\int_a^b \abs f^2\Bigr)^{1/2},

siendo las dos últimas normas gracias a la positividad estricta de la integral y a la desigualdad integral de Cauchy–Schwarz (volumen del primer año). Sobre matrices: cualquier norma sobre Mn(K)≃Kn2\mathcal M_n(K) \simeq K^{n^2}; las normas de operador de más abajo son las estructuralmente importantes.

Definición 5.3 (Normas equivalentes)

Dos normas N1,N2N_1, N_2 sobre EE son equivalentes cuando existen constantes c,C>0c, C > 0 con

c N1≤N2≤C N1.c\,N_1 \leq N_2 \leq C\, N_1 .

Dos normas equivalentes tienen los mismos abiertos, las mismas sucesiones convergentes y de Cauchy, y los mismos subconjuntos compactos y completos: el mismo análisis.

Ejemplo 5.4 (No equivalencia en dimensión infinita)

Sobre C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) se cumple siempre ∥f∥1≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_\infty, pero no hay ninguna cota recíproca: fn(x)=xnf_n(x) = x^n tiene ∥fn∥∞=1\norm{f_n}_\infty = 1 y ∥fn∥1=1n+1→0\norm{f_n}_1 = \frac{1}{n+1} \to 0. Así pues, fn→0f_n \to 0 para ∥⋅∥1\norm\cdot_1 pero no para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty: las dos normas discrepan sobre la propia noción de convergencia.

Ejemplo 5.5 (Constantes explícitas en dimensión nn)

Sobre KnK^n, las tres normas clásicas son equivalentes con constantes óptimas:

∥x∥∞≤∥x∥2≤∥x∥1≤n ∥x∥2≤n ∥x∥∞,\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq \sqrt n\,\norm x_2 \leq n\,\norm x_\infty ,

donde la cota central ∥x∥1≤n∥x∥2\norm x_1 \leq \sqrt n\norm x_2 procede de Cauchy–Schwarz contra el vector de unos. Vectores extremales: e1e_1 convierte las dos primeras desigualdades en igualdades, y (1,1,…,1)(1, 1, \dots, 1) las dos últimas. La dimensión nn aparece visiblemente en las constantes: es la semilla cuantitativa del fracaso en dimensión infinita, pues cuando n→∞n \to \infty no sobrevive ninguna constante uniforme, que es exactamente lo que exhibe el Ejemplo 5.4 sobre espacios de funciones.

Las bolas unidad de las tres normas clásicas de ℝ2, encajadas tal como dictan las desigualdades del : bola más pequeña, norma más grande. La redondez importa: los lados planos del rombo y del cuadrado son exactamente los fallos de convexidad estricta que se explotan en el problema de fin de semana del  y en el de este capítulo (pregunta 4).
Las bolas unidad de las tres normas clásicas de R2\R^2, encajadas tal como dictan las desigualdades del Ejemplo 5.5: bola más pequeña, norma más grande. La redondez importa: los lados planos del rombo y del cuadrado son exactamente los fallos de convexidad estricta que se explotan en el problema de fin de semana del Capítulo 8 y en el de este capítulo (pregunta 4).

5.2 Aplicaciones lineales continuas

Teorema 5.6 (Caracterización)

Para una aplicación lineal u ⁣:E→Fu \colon E \to F entre espacios normados, las afirmaciones siguientes son equivalentes:

  1. uu es continua;
  2. uu es continua en 00;
  3. uu está acotada sobre la bola unidad cerrada: sup⁡∥x∥≤1∥u(x)∥<∞\sup_{\norm x \leq 1} \norm{u(x)} < \infty;
  4. existe C≥0C \geq 0 con ∥u(x)∥≤C∥x∥\norm{u(x)} \leq C \norm x para todo xx;
  5. uu es lipschitziana.

La menor de esas constantes CC es la norma de operador ∣∣∣u∣∣∣=sup⁡∥x∥≤1∥u(x)∥=sup⁡x≠0∥u(x)∥∥x∥\vertiii{u} = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{u(x)} = \sup_{x \neq 0} \frac{\norm{u(x)}}{\norm x}; hace del espacio Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) de las aplicaciones lineales continuas un espacio normado, con

∣∣∣v∘u∣∣∣≤∣∣∣v∣∣∣ ∣∣∣u∣∣∣.\vertiii{v \circ u} \leq \vertiii v\, \vertiii u .

Demostración. (1 ⇒\Rightarrow 2) es trivial. (2 ⇒\Rightarrow 3): la continuidad en 00 con ε=1\varepsilon = 1 da un δ\delta con ∥x∥≤δ⇒∥u(x)∥≤1\norm x \leq \delta \Rightarrow \norm{u(x)} \leq 1; la homogeneidad reduce entonces cualquier xx con ∥x∥≤1\norm x \leq 1 dentro de esa bola y lo devuelve:

∥u(x)∥=1δ ∥u(δx)∥≤1δ,\norm{u(x)} = \frac1\delta\,\norm{u(\delta x)} \leq \frac1\delta ,

ya que ∥δx∥≤δ\norm{\delta x} \leq \delta. (3 ⇒\Rightarrow 4): para x≠0x \neq 0, aplíquese la cota a x∥x∥\frac{x}{\norm x}. (4 ⇒\Rightarrow 5): ∥u(x)−u(y)∥=∥u(x−y)∥≤C∥x−y∥\norm{u(x) - u(y)} = \norm{u(x - y)} \leq C\norm{x - y}. (5 ⇒\Rightarrow 1) es conocido.

Axiomas de norma para ∣∣∣⋅∣∣∣\vertiii\cdot: la homogeneidad y la separación son claras (∣∣∣u∣∣∣=0\vertiii u = 0 obliga a u=0u = 0 sobre la bola y, por tanto, en todas partes); la desigualdad triangular sale de ∥(u+v)(x)∥≤∥u(x)∥+∥v(x)∥\norm{(u + v)(x)} \leq \norm{u(x)} + \norm{v(x)}. Submultiplicatividad: ∥v(u(x))∥≤∣∣∣v∣∣∣ ∥u(x)∥≤∣∣∣v∣∣∣∣∣∣u∣∣∣∥x∥\norm{v(u(x))} \leq \vertiii v\,\norm{u(x)} \leq \vertiii v \vertiii u \norm x. ∎

Ejemplo 5.7

Sobre (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr): la evaluación f↦f(0)f \mapsto f(0) tiene norma de operador 11; la integración f↦∫01ff \mapsto \int_0^1 f tiene norma 11; la aplicación f↦∫01tf(t) ⁣dtf \mapsto \int_0^1 t f(t)\dd t tiene norma ∫01t  ⁣dt=12\int_0^1 t\,\dd t = \frac12 (cota superior por la desigualdad triangular para integrales, alcanzada en f≡1f \equiv 1). Pero la derivación, de (C1,∥⋅∥∞)(C^1, \norm\cdot_\infty) en (C0,∥⋅∥∞)(C^0, \norm\cdot_\infty), no es continua: ∥sin⁡(nx)∥∞=1\norm{\sin(nx)}_\infty = 1 mientras que la derivada tiene norma del supremo nn. Lineal no implica continua en dimensión infinita.

Ejemplo 5.8 (Dos normas, dos veredictos sobre una misma sucesión)

Sobre C([0, 1])C(\intcc01), sea gn(x)=n xng_n(x) = \sqrt{n}\,x^n. Entonces

∥gn∥1=nn+1⟶0,∥gn∥22=n2n+1⟶12,∥gn∥∞=n⟶∞:\norm{g_n}_1 = \frac{\sqrt n}{n + 1} \longrightarrow 0, \qquad \norm{g_n}_2^2 = \frac{n}{2n + 1} \longrightarrow \frac12, \qquad \norm{g_n}_\infty = \sqrt n \longrightarrow \infty :

una sucesión, tres normas, tres comportamientos —convergencia a cero, ausencia de convergencia (las normas se estabilizan en 12\frac1{\sqrt2} mientras que el límite puntual es 00) y explosión—. La masa que se concentra cerca de x=1x = 1 es invisible para ∥⋅∥1\norm\cdot_1, medio visible para ∥⋅∥2\norm\cdot_2 y dominante para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty. En dimensión infinita, “¿es convergente?” no es una pregunta sobre una sucesión: es una pregunta sobre una sucesión y una norma.

Método 5.9 (Cómo calcular una norma de operador)

Siempre en dos movimientos. Cota superior: estímese ∥u(x)∥\norm{u(x)} por C∥x∥C\norm x mediante desigualdades triangulares, Cauchy–Schwarz o cotas integrales; eso demuestra ∣∣∣u∣∣∣≤C\vertiii u \leq C. Testigo: exhíbase o bien un x0≠0x_0 \neq 0 concreto con ∥u(x0)∥=C∥x0∥\norm{u(x_0)} = C\norm{x_0} (la cota se alcanza), o bien una sucesión de vectores unitarios xnx_n con ∥u(xn)∥→C\norm{u(x_n)} \to C (la cota se aproxima). Ambos movimientos son obligatorios: una cota superior sola da únicamente ∣∣∣u∣∣∣≤C\vertiii u \leq C, y un testigo solo, únicamente ∣∣∣u∣∣∣≥C\vertiii u \geq C. En dimensión infinita el testigo puede tener que ser una sucesión, pues el supremo no tiene por qué alcanzarse (Ejercicio 5.8).

Ejemplo 5.10 (Los operadores diagonales ven todas las normas igual)

Para D=diag⁡(d1,…,dn)D = \operatorname{diag}(d_1, \dots, d_n) sobre KnK^n con cualquiera de las normas ∥⋅∥1,∥⋅∥2,∥⋅∥∞\norm\cdot_1, \norm\cdot_2, \norm\cdot_\infty: de ∣dixi∣≤(max⁡j∣dj∣)∣xi∣\abs{d_ix_i} \leq \bigl(\max_j\abs{d_j}\bigr)\abs{x_i} coordenada a coordenada se sigue ∥Dx∥≤max⁡j∣dj∣ ∥x∥\norm{Dx} \leq \max_j\abs{d_j}\,\norm x; y x=ej0x = e_{j_0} (un índice maximizante) la alcanza. Luego ∣∣∣D∣∣∣=max⁡j∣dj∣\vertiii D = \max_j\abs{d_j} en los tres casos: para las aplicaciones diagonales, todas las normas razonables cuentan la misma historia, el mayor factor de dilatación. Todo lo difícil de las normas de operador tiene que ver con el comportamiento no diagonal, y por eso las normas adaptadas del problema de fin de semana de este capítulo (pregunta 22) funcionan obligando antes a la matriz a hacerse diagonal.

Ejemplo 5.11 (Sumas por columnas: el gemelo en norma 11 del Ejercicio 5.4)

Sobre (Rn,∥⋅∥1)(\R^n, \norm\cdot_1), la norma de operador de una matriz AA es la mayor suma de valores absolutos por columnas. Apliquemos el método: para ∥x∥1≤1\norm x_1 \leq 1,

∥Ax∥1=∑i∣∑jaijxj∣≤∑j∣xj∣∑i∣aij∣≤(max⁡j∑i∣aij∣)∥x∥1,\norm{Ax}_1 = \sum_i\Bigl|\sum_j a_{ij}x_j\Bigr| \leq \sum_j \abs{x_j}\sum_i\abs{a_{ij}} \leq \Bigl(\max_j\sum_i\abs{a_{ij}}\Bigr)\norm x_1 ,

y la cota se alcanza en x=ej0x = e_{j_0} para una columna maximizante j0j_0: el testigo más pulcro imaginable. Así, para A=(1−231)A = \left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) resulta ∣∣∣A∣∣∣1=max⁡(1+3, 2+1)=4\vertiii A_1 = \max(1 + 3,\ 2 + 1) = 4, mientras que también ∣∣∣A∣∣∣∞=4\vertiii A_\infty = 4 (por filas), coincidencia en este caso y no ley: altérense asimétricamente las entradas y las dos normas se separan. Filas para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, columnas para ∥⋅∥1\norm\cdot_1: la regla mnemotécnica es que los vectores unitarios de cada norma (patrones de signos o vectores de la base, respectivamente) seleccionan las sumas correspondientes.

Proposición 5.12 (Aplicaciones bilineales)

Una aplicación bilineal b ⁣:E×F→Gb \colon E \times F \to G es continua si y solo si ∥b(x,y)∥≤C∥x∥ ∥y∥\norm{b(x,y)} \leq C\norm x\,\norm y para cierta CC; y entonces es lipschitziana sobre los acotados. (Mismo esquema de demostración; el producto (u,v)↦v∘u(u, v) \mapsto v \circ u y la multiplicación de matrices son los ejemplos clave.)

Demostración. Si se cumple la cota:

b(x,y)−b(x0,y0)=b(x−x0, y)+b(x0, y−y0),b(x,y) - b(x_0,y_0) = b(x - x_0,\, y) + b(x_0,\, y - y_0),

luego ∥b(x,y)−b(x0,y0)∥≤C∥x−x0∥∥y∥+C∥x0∥∥y−y0∥\norm{b(x,y) - b(x_0,y_0)} \leq C\norm{x - x_0}\norm y + C\norm{x_0}\norm{y - y_0}: hay continuidad en (x0,y0)(x_0, y_0) y una cota lipschitziana donde ∥x∥,∥y∥≤R\norm x, \norm y \leq R. Recíprocamente, la continuidad en (0,0)(0,0) da un δ\delta con ∥b(x,y)∥≤1\norm{b(x,y)} \leq 1 para ∥x∥,∥y∥≤δ\norm x, \norm y \leq \delta; reescálense ambas variables. ∎

5.3 Dimensión finita

Teorema 5.13 (Equivalencia de normas en dimensión finita)

Sobre un espacio de dimensión finita, todas las normas son equivalentes. En consecuencia, en dimensión finita la convergencia, el ser abierto, la compacidad y la completitud son nociones independientes de la norma; compacto == cerrado y acotado; el espacio es completo; y toda aplicación lineal (o multilineal) desde un espacio de dimensión finita es continua.

Demostración. Fijemos una base e identifiquemos E≃KnE \simeq K^n; basta comparar una norma cualquiera NN con ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty.

Una dirección es álgebra: N(x)=N(∑xiei)≤∑∣xi∣N(ei)≤C∥x∥∞N(x) = N(\sum x_i e_i) \leq \sum \abs{x_i} N(e_i) \leq C \norm x_\infty con C=∑N(ei)C = \sum N(e_i). Esto muestra además que NN es continua sobre (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty) (es CC-lipschitziana: ∣N(x)−N(y)∣≤N(x−y)\abs{N(x) - N(y)} \leq N(x - y)).

La otra es topología: la esfera unidad S={x:∥x∥∞=1}S = \{x : \norm{x}_\infty = 1\} es cerrada y acotada en (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty) y, por tanto, compacta (Teorema 4.16 (2), válido para Cn≃R2n\C^n \simeq \R^{2n}). La función continua NN alcanza su mínimo cc sobre SS; y c>0c > 0, ya que NN solo se anula en 0∉S0 \notin S. La homogeneidad extiende la cota: N(x)≥c∥x∥∞N(x) \geq c \norm{x}_\infty para todo xx.

Consecuencias: todos los enunciados se reducen a (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty), donde son conocidos (Teorema 4.9, Teorema 4.16); y una aplicación lineal uu desde un EE de dimensión finita cumple ∥u(x)∥≤∑∣xi∣∥u(ei)∥≤C′∥x∥∞\norm{u(x)} \leq \sum\abs{x_i} \norm{u(e_i)} \leq C'\norm{x}_\infty: la cota (4) del Teorema 5.6. ∎

Corolario 5.14

Todo subespacio de dimensión finita de un espacio normado es cerrado.

Demostración. Es completo para la norma inducida (Teorema 5.13), y los subconjuntos completos son cerrados (Definición 4.7). ∎

Ejemplo 5.15 (Una mejor aproximación calculada por simetría)

En (C([−1, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{-1}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr), ¿a qué distancia está f(x)=∣x∣f(x) = \abs x del subespacio (cerrado, de dimensión dos) de las funciones afines a+bxa + bx? Por simetría, sustituir a+bxa + bx por a−bxa - bx no altera ∥f−(a±bx)∥∞\norm{f - (a \pm bx)}_\infty, y el punto medio aa lo hace al menos igual de bien (desigualdad triangular sobre la media): basta considerar las constantes. Para una constante aa:

∥∣x∣−a∥∞=max⁡ (1−a, a)≥12,\norm{\abs x - a}_\infty = \max\,(1 - a,\ a) \geq \frac12 ,

mínimo en a=12a = \frac12: la distancia es 12\frac12, alcanzada por la constante 12\frac12. Obsérvese la curva de error ∣x∣−12\abs x - \frac12: alcanza ±12\pm\frac12 alternativamente en x=−1,0,1x = -1, 0, 1, es decir, tres extremos de signo alterno para una mejor aproximación desde una familia de dos parámetros. Ese patrón de equioscilación no es casual: es la firma de la optimalidad que el problema de fin de semana de este capítulo convierte en el teorema de Chebyshev.

Ejemplo 5.16 (Subespacios cerrados frente a densos)

En E=(C([0, 1]),∥⋅∥∞)E = \bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr), cada Rn[X]\R_n[X] (polinomios de grado ≤n\leq n, restringidos a [0, 1]\intcc01) es un subespacio de dimensión finita y, por tanto, cerrado: un límite uniforme de polinomios de grado ≤n\leq n lo es también. Pero la unión R[X]\R[X] de todos ellos es densa en EE (teorema de aproximación de Weierstrass, demostrado en el Capítulo 10), y los subespacios propios densos son todo lo contrario de cerrados. Moraleja: el ser cerrado es un privilegio de los subespacios de dimensión finita; apilando pisos cerrados se puede construir un rascacielos denso.

Teorema 5.17 (Riesz)

La bola unidad cerrada de un espacio normado EE es compacta si y solo si dim⁡E<∞\dim E < \infty.

Demostración. Dimensión finita: basta con ser cerrada y acotada (Teorema 5.13).

Recíprocamente, supongamos dim⁡E=∞\dim E = \infty. Lema de Riesz: para todo subespacio cerrado propio F⊊EF \subsetneq E y todo ε∈(0, 1)\varepsilon \in \intoo{0}{1} existe un vector unitario xx con d(x,F)≥1−εd(x, F) \geq 1 - \varepsilon. Demostración: tómese y∉Fy \notin F, sea δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0 (FF es cerrado), elíjase f∈Ff \in F con ∥y−f∥≤δ1−ε\norm{y - f} \leq \frac{\delta}{1 - \varepsilon} y póngase x=y−f∥y−f∥x = \frac{y - f}{\norm{y - f}}: para todo g∈Fg \in F,

∥x−g∥=∥y−(f+∥y−f∥ g)∥∥y−f∥≥δ∥y−f∥≥1−ε,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f + \norm{y-f}\,g)}}{\norm{y - f}} \geq \frac{\delta}{\norm{y-f}} \geq 1 - \varepsilon ,

pues el numerador es una distancia de yy a un punto de FF.

Construyamos ahora vectores unitarios x1,x2,…x_1, x_2, \dots por inducción: Fk=Vect⁡(x1,…,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) es de dimensión finita y, por tanto, cerrado (Corolario 5.14) y propio; el lema de Riesz con ε=12\varepsilon = \frac12 proporciona un unitario xk+1x_{k+1} con d(xk+1,Fk)≥12d(x_{k+1}, F_k) \geq \frac12. La sucesión cumple ∥xp−xq∥≥12\norm{x_p - x_q} \geq \frac12 para p≠qp \neq q: no tiene subsucesión convergente, luego la bola unidad no es compacta. ∎

Ejemplo 5.18 (Riesz como detector de dimensión)

¿Es C([0, 1])C(\intcc01) de dimensión finita? Riesz responde sin exhibir ninguna familia libre infinita explícita: la sucesión fn(x)=xnf_n(x) = x^n está en la bola unidad cerrada y cumple, para m>nm > n, ∥fn−fm∥∞≥fn(x0)−fm(x0)>0\norm{f_n - f_m}_\infty \geq f_n(x_0) - f_m(x_0) > 0 en puntos adecuados, cosa que el problema de fin de semana de este capítulo (pregunta 16) cuantifica con limpieza, obteniendo una subsucesión cuyos términos están a distancia mutua ≥14\geq \frac14. No hay subsucesión convergente, luego la bola no es compacta y dim⁡C([0, 1])=∞\dim C(\intcc01) = \infty por el Teorema 5.17. La compacidad de la bola unidad es una dicotomía perfecta: se cumple en dimensión finita y falla en dimensión infinita, sin terreno intermedio; la geometría sola lee el tipo de dimensión.

5.4 Espacios de Banach

Definición 5.19

Un espacio de Banach es un espacio normado completo. Ejemplos: todo espacio normado de dimensión finita (Teorema 5.13); (C([a, b]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr) (Teorema 4.9); Lc(E,F)\mathcal{L}_c(E, F) si FF es de Banach (mismo esquema de demostración que para las funciones continuas). Contraejemplo: (C([0, 1]),∥⋅∥1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) (Ejercicio 5.7).

Ejemplo 5.20 (La norma de operador de la integración)

Sobre (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr), sea T(f)(x)=∫0xf(t)  ⁣dtT(f)(x) = \int_0^x f(t)\,\dd t (un endomorfismo: T(f)T(f) es continua). Apliquemos el Método 5.9. Cota superior:

∣T(f)(x)∣≤∫0x∣f∣≤x ∥f∥∞≤∥f∥∞,\abs{T(f)(x)} \leq \int_0^x\abs f \leq x\,\norm f_\infty \leq \norm f_\infty ,

luego ∣∣∣T∣∣∣≤1\vertiii T \leq 1. Testigo: f≡1f \equiv 1 da T(f)(x)=xT(f)(x) = x y ∥T(f)∥∞=1=∥f∥∞\norm{T(f)}_\infty = 1 = \norm f_\infty: se alcanza y ∣∣∣T∣∣∣=1\vertiii T = 1. Pero obsérvese que ∣∣∣T2∣∣∣=12≠∣∣∣T∣∣∣2\vertiii{T^2} = \frac12 \neq \vertiii T^2: en efecto, T2(f)(x)=∫0x(x−t)f(t) ⁣dtT^2(f)(x) = \int_0^x(x - t)f(t)\dd t cumple ∣T2(f)(x)∣≤x22∥f∥∞\abs{T^2(f)(x)} \leq \frac{x^2}2\norm f_\infty, de nuevo alcanzado en f≡1f \equiv 1; y, en general, ∣∣∣Tn∣∣∣=1n!\vertiii{T^n} = \frac1{n!}: la cota submultiplicativa ∣∣∣T∣∣∣n=1\vertiii T^n = 1 se equivoca por un factorial. Este es exactamente el fenómeno que el truco de la iterada del problema de fin de semana del Capítulo 4 convierte en resolubilidad global de las ecuaciones diferenciales lineales.

Teorema 5.21 (Convergencia absoluta en espacios de Banach)

En un espacio de Banach, si ∑∥un∥<∞\sum \norm{u_n} < \infty entonces ∑un\sum u_n converge y ∥∑un∥≤∑∥un∥\norm{\sum u_n} \leq \sum\norm{u_n}. (La teoría completa de las series en espacios normados es el Capítulo 7.)

Demostración. Sumas parciales SNS_N: para q>pq > p, ∥Sq−Sp∥≤∑n=p+1q∥un∥\norm{S_q - S_p} \leq \sum_{n=p+1}^{q}\norm{u_n}, que tiende a 00 (criterio de Cauchy para la serie real de las normas); luego (SN)(S_N) es de Cauchy y por tanto converge. La desigualdad pasa al límite desde la desigualdad triangular finita. ∎

Ejemplo 5.22 (La exponencial de matrices, primer contacto)

La exponencial de matrices: Mn(K)\mathcal{M}_n(K) con cualquier norma submultiplicativa (∣∣∣AB∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣∣∣∣B∣∣∣\vertiii{AB} \leq \vertiii A \vertiii B) es de Banach (dimensión finita). Entonces, para toda AA,

eA=∑k=0∞Akk!\eu^A = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{A^k}{k!}

converge absolutamente (∣∣∣Ak/k!∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣k/k!\vertiii{A^k/k!} \leq \vertiii A^k /k!, sumable): está bien definida. El Capítulo 16 la explota sistemáticamente.

Ejemplo 5.23 (Una serie de Neumann que termina)

Para A=(01200)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & \frac12\\ 0 & 0\end{smallmatrix}\right): ∣∣∣A∣∣∣<1\vertiii A < 1 en cualquier norma de operador construida sobre las normas del Ejemplo 5.2, y A2=0A^2 = 0, de modo que la serie geométrica se derrumba:

(I−A)−1=∑k≥0Ak=I+A=(11201),(I - A)^{-1} = \sum_{k \geq 0} A^k = I + A = \begin{pmatrix}1 & \tfrac12\\ 0 & 1\end{pmatrix},

lo que se verifica con (I−A)(I+A)=I−A2=I(I - A)(I + A) = I - A^2 = I. La nilpotencia trunca la serie exactamente igual que truncaba la exponencial en el Capítulo 3; y el ejemplo calibra las expectativas: la inversa de Neumann es una serie infinita en general, y un polinomio precisamente cuando la perturbación es nilpotente, mientras que el error tras NN términos siempre está acotado por la cola geométrica ∣∣∣A∣∣∣N+1/(1−∣∣∣A∣∣∣)\vertiii A^{N+1}/(1 - \vertiii A).

Ejemplo 5.24 (La exponencial de un generador de rotaciones)

Tomemos A=(0−θθ0)A = \left(\begin{smallmatrix}0 & -\theta\\ \theta & 0\end{smallmatrix}\right). Entonces A2=−θ2IA^2 = -\theta^2 I, de modo que las potencias cierran un ciclo de periodo cuatro y la serie se separa en partes par e impar:

eA=∑kAkk!=(∑j(−1)jθ2j(2j)!)I+(∑j(−1)jθ2j+1(2j+1)!)Aθ=(cos⁡θ−sin⁡θsin⁡θcos⁡θ),\eu^{A} = \sum_{k}\frac{A^k}{k!} = \Bigl(\sum_{j}\frac{(-1)^j\theta^{2j}}{(2j)!}\Bigr) I + \Bigl(\sum_{j}\frac{(-1)^j\theta^{2j+1}}{(2j+1)!}\Bigr) \frac{A}{\theta} = \begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta\\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix},

donde todos los reagrupamientos están autorizados por la convergencia absoluta. La exponencial de un generador antisimétrico es una rotación, calculada aquí puramente a partir de la serie, tres capítulos antes de que la ecuación diferencial x′=Axx' = Ax (Capítulo 16) explique por qué: etA\eu^{tA} es un movimiento circular uniforme. La moraleja: las identidades entre series de matrices se demuestran exactamente como las escalares, una vez que una norma submultiplicativa certifica la convergencia absoluta.

Ejemplo 5.25 (Norma del supremo quiere decir uniforme: el diccionario)

El enunciado ∥fn−f∥∞→0\norm{f_n - f}_\infty \to 0 es la convergencia uniforme: un solo número, sup⁡x∣fn(x)−f(x)∣\sup_x\abs{f_n(x) - f(x)}, acota el error en todos los puntos a la vez. El diccionario en acción sobre fn(x)=xnf_n(x) = x^n en [0, 1]\intcc{0}{1}: puntualmente, fn→0f_n \to 0 en [0, 1)\intco{0}{1} y fn(1)=1f_n(1) = 1; en norma, ∥fn−0∥∞=1↛0\norm{f_n - 0}_\infty = 1 \not\to 0, y en efecto el límite puntual es discontinuo y por tanto inalcanzable como límite en ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty dentro de C([0, 1])C(\intcc01) (que es cerrado para límites uniformes, Teorema 4.9). Sobre [0, a]\intcc{0}{a} con a<1a < 1: ∥fn∥∞=an→0\norm{f_n}_\infty = a^n \to 0; la convergencia uniforme se restablece encogiendo el dominio. Todo enunciado de convergencia del Capítulo 10 es un enunciado sobre esta única norma; tener el diccionario presente reduce a la mitad aquel capítulo.

Observación 5.26 (Errores frecuentes)

(i) Una norma de operador depende de ambas normas elegidas: una misma matriz tiene ∣∣∣⋅∣∣∣∞\vertiii\cdot_\infty dada por las sumas por filas (Ejercicio 5.4) y una ∣∣∣⋅∣∣∣1\vertiii\cdot_1 distinta (sumas por columnas); hablar de “la” norma de una matriz sin nombrar las normas subyacentes carece de sentido. (ii) ∣∣∣AB∣∣∣≤∣∣∣A∣∣∣ ∣∣∣B∣∣∣\vertiii{AB} \leq \vertiii A\,\vertiii B es una desigualdad, por lo general estricta: las potencias pueden encogerse mucho más deprisa de lo que sugiere la cota ∣∣∣A∣∣∣k\vertiii A^k, que es todo el sentido de las normas adaptadas (problema de fin de semana de este capítulo, pregunta 22). (iii) “Lineal implica continua” es un privilegio de la dimensión finita: la derivación sobre polinomios es lineal y no acotada (Ejemplo 5.7). (iv) La convergencia absoluta de ∑un\sum u_n solo sirve de algo cuando el espacio es completo (el Ejercicio 7.9 construye el contraejemplo). (v) En dimensión infinita, un supremo sobre la bola unidad es un supremo de verdad: no hay que suponer que se alcanza (Ejercicio 5.8).

Observación 5.27 (Perspectivas dentro de este volumen)

Quedan fijadas tres citas. Con el Capítulo 7: en un espacio de Banach las series absolutamente convergentes convergen, de modo que las series geométrica y exponencial de operadores pasan a ser herramientas cotidianas —invertir I−AI - A, definir eA\eu^{A} (Ejemplo 7.2)—. Con el Capítulo 10 y el Capítulo 11: la convergencia de sucesiones de funciones y de series de potencias es la convergencia en (C,∥⋅∥∞)\bigl(C, \norm\cdot_\infty\bigr) (Ejemplo 5.25), y el radio de convergencia es un enunciado sobre qué series geométricas dominan. Con el Capítulo 14: las normas ∥⋅∥2\norm\cdot_2 y ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty discrepan de verdad sobre C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) (Ejemplo 5.8), y por eso la convergencia en media cuadrática de las series de Fourier y la convergencia uniforme son dos teoremas distintos con dos precios distintos.

Observación 5.28 (Dónde se usa este capítulo)

Las normas de operador y la serie geométrica mueven los argumentos de perturbación del Capítulo 15 (teorema de la función inversa) y la exponencial de matrices del Capítulo 16; la equivalencia de normas autoriza en silencio todo argumento del tipo “elige tu norma favorita” en el Capítulo 10 y más allá; y la divisoria finito/infinito del teorema de Riesz —hecha cuantitativa en el problema de fin de semana de este capítulo— es la razón de que el volumen del tercer año necesite herramientas nuevas (convergencia débil, Arzelà–Ascoli, proyecciones en espacios de Hilbert) allí donde este volumen aún podía extraer subsucesiones convergentes.

5.5 Ejercicios

Ejercicio 5.1 ★

Sobre R2\R^2, dibuja las bolas unidad de ∥⋅∥1\norm\cdot_1, ∥⋅∥2\norm\cdot_2 y ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, y demuestra las desigualdades ∥x∥∞≤∥x∥2≤∥x∥1≤2∥x∥∞\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq 2\norm x_\infty con las mejores constantes en dimensión 22.

Solución

Solución de Ejercicio 5.1.

Bolas unidad: un rombo (∥⋅∥1\norm\cdot_1), un disco (∥⋅∥2\norm\cdot_2) y un cuadrado (∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty), encajados en ese orden. Desigualdades: ∥x∥∞≤∥x∥2\norm x_\infty \leq \norm x_2 (un cuadrado es a lo sumo la suma); ∥x∥2≤∥x∥1\norm x_2 \leq \norm x_1 (elevando al cuadrado: x12+x22≤(∣x1∣+∣x2∣)2x_1^2 + x_2^2 \leq (\abs{x_1} + \abs{x_2})^2); ∥x∥1≤2∥x∥∞\norm x_1 \leq 2\norm x_\infty (dos términos, cada uno ≤max⁡\leq \max). Optimalidad: (1,0)(1, 0) convierte las dos primeras en igualdades; (1,1)(1, 1) da ∥x∥1=2∥x∥∞\norm x_1 = 2\norm x_\infty y muestra además que ∥x∥2=2∥x∥∞\norm x_2 = \sqrt2 \norm x_\infty y ∥x∥1=2∥x∥2\norm x_1 = \sqrt2 \norm x_2 son las razones extremas en la otra dirección.

Ejercicio 5.2 ★

¿Es N(f)=∣f(0)∣+∥f′∥∞N(f) = \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty una norma sobre C1([0, 1])C^1(\intcc{0}{1})? Compárala con ∥f∥∞\norm{f}_\infty: una de las desigualdades se cumple y la otra falla (exhíbelo).

Solución

Solución de Ejercicio 5.2.

Axiomas de norma: la homogeneidad y la desigualdad triangular se heredan término a término; separación: N(f)=0N(f) = 0 obliga a f′=0f' = 0 (luego ff constante) y a f(0)=0f(0) = 0, es decir, f=0f = 0. Es una norma.

Comparación: ∥f∥∞≤N(f)\norm f_\infty \leq N(f), ya que ∣f(x)∣≤∣f(0)∣+∣∫0xf′∣≤∣f(0)∣+∥f′∥∞\abs{f(x)} \leq \abs{f(0)} + \abs{\int_0^x f'} \leq \abs{f(0)} + \norm{f'}_\infty. El recíproco falla: tómese fn(x)=1nsin⁡(nx)f_n(x) = \frac1n \sin(nx); entonces ∥fn∥∞≤1n→0\norm{f_n}_\infty \leq \frac1n \to 0 mientras que N(fn)=0+∥cos⁡(nx)∥∞=1N(f_n) = 0 + \norm{\cos(nx)}_\infty = 1. Ninguna constante CC da N≤C∥⋅∥∞N \leq C\norm\cdot_\infty.

Ejercicio 5.3 ★

Calcula la norma de operador de u(f)=∫01f(t) et  ⁣dtu(f) = \int_0^1 f(t)\,\eu^t\,\dd t de (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_\infty\bigr) en R\R, y la del desplazamiento S(x1,x2,…,xn)=(x2,…,xn,0)S(x_1, x_2, \dots, x_n) = (x_2, \dots, x_n, 0) sobre (Kn,∥⋅∥∞)(K^n, \norm\cdot_\infty).

Solución

Solución de Ejercicio 5.3.

∣u(f)∣≤∥f∥∞∫01et  ⁣dt=(e−1)∥f∥∞\abs{u(f)} \leq \norm f_\infty \int_0^1 \eu^t\,\dd t = (\eu - 1)\norm f_\infty, con igualdad para f≡1f \equiv 1: ∣∣∣u∣∣∣=e−1\vertiii u = \eu - 1.

Desplazamiento: ∥S(x)∥∞=max⁡(∣x2∣,…,∣xn∣)≤∥x∥∞\norm{S(x)}_\infty = \max(\abs{x_2}, \dots, \abs{x_n}) \leq \norm x_\infty, con igualdad en x=e2x = e_2: ∣∣∣S∣∣∣=1\vertiii S = 1 (para n≥2n \geq 2).

Ejercicio 5.4 ★★

Sobre (Rn,∥⋅∥∞)(\R^n, \norm\cdot_\infty), demuestra que la norma de operador de una matriz AA es ∣∣∣A∣∣∣∞=max⁡i∑j∣aij∣\vertiii A_\infty = \max_i \sum_j \abs{a_{ij}} (la mayor suma de valores absolutos por filas). Calcúlala para (1−231)\begin{pmatrix} 1 & -2\\ 3 & 1\end{pmatrix}.

Solución

Solución de Ejercicio 5.4.

Cota superior: para ∥x∥∞≤1\norm x_\infty \leq 1,

∣(Ax)i∣=∣∑jaijxj∣≤∑j∣aij∣,\abs{(Ax)_i} = \Bigl|\sum_j a_{ij}x_j\Bigr| \leq \sum_j \abs{a_{ij}},

luego ∥Ax∥∞≤max⁡i∑j∣aij∣\norm{Ax}_\infty \leq \max_i \sum_j \abs{a_{ij}}. Alcanzada: sea i0i_0 un índice que realice el máximo y tómese xj=sign⁡(ai0j)x_j = \operatorname{sign}(a_{i_0 j}) (entradas de módulo 11); entonces (Ax)i0=∑j∣ai0j∣(Ax)_{i_0} = \sum_j \abs{a_{i_0 j}}. De ahí la fórmula. Para la matriz dada, las sumas por filas son 33 y 44: ∣∣∣A∣∣∣∞=4\vertiii A_\infty = 4.

Ejercicio 5.5 ★★

Demuestra que GLn(K)GL_n(K) es abierto en Mn(K)\mathcal{M}_n(K) y que A↦A−1A \mapsto A^{-1} es continua sobre él. Indicación: para el carácter abierto, si ∣∣∣H∣∣∣<1∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}} entonces A+H=A(I+A−1H)A + H = A(I + A^{-1}H) con ∣∣∣A−1H∣∣∣<1\vertiii{A^{-1}H} < 1, y I+BI + B es invertible para ∣∣∣B∣∣∣<1\vertiii B < 1 por la serie geométrica (Teorema 5.21); para la continuidad, acota (A+H)−1−A−1(A+H)^{-1} - A^{-1} con la misma serie.

Solución

Solución de Ejercicio 5.5.

Serie geométrica: para ∣∣∣B∣∣∣<1\vertiii B < 1, la serie ∑Bk\sum B^k converge absolutamente en el Banach Mn(K)\mathcal{M}_n(K) (Teorema 5.21, pues ∣∣∣Bk∣∣∣≤∣∣∣B∣∣∣k\vertiii{B^k} \leq \vertiii B^k), y

(I−B)∑k=0KBk=I−BK+1⟶I:(I - B)\sum_{k=0}^{K} B^k = I - B^{K+1} \longrightarrow I :

por continuidad del producto (Proposición 5.12), (I−B)∑k≥0Bk=I(I - B)\sum_{k\geq0} B^k = I, de modo que I−BI - B es invertible con inversa la suma (y ∣∣∣(I−B)−1∣∣∣≤11−∣∣∣B∣∣∣\vertiii{(I-B)^{-1}} \leq \frac{1}{1 - \vertiii B}).

Carácter abierto: para AA invertible y ∣∣∣H∣∣∣<1∣∣∣A−1∣∣∣\vertiii H < \frac{1}{\vertiii{A^{-1}}} se tiene A+H=A(I+A−1H)A + H = A(I + A^{-1}H) con ∣∣∣A−1H∣∣∣≤∣∣∣A−1∣∣∣∣∣∣H∣∣∣<1\vertiii{A^{-1}H} \leq \vertiii{A^{-1}}\vertiii H < 1: invertible. Así pues, una bola alrededor de AA se queda en GLnGL_n.

Continuidad de la inversión: con B=−A−1HB = -A^{-1}H,

(A+H)−1−A−1=((I−B)−1−I)A−1=(∑k≥1Bk)A−1,(A + H)^{-1} - A^{-1} = \bigl((I - B)^{-1} - I\bigr)A^{-1} = \Bigl(\sum_{k \geq 1} B^k\Bigr) A^{-1},

de norma ≤∣∣∣B∣∣∣1−∣∣∣B∣∣∣∣∣∣A−1∣∣∣→0\leq \frac{\vertiii B}{1 - \vertiii B}\vertiii{A^{-1}} \to 0 cuando H→0H \to 0.

Ejercicio 5.6 ★★

Sea φ\varphi una forma lineal sobre un espacio normado EE. Demuestra que φ\varphi es continua si y solo si ker⁡φ\ker\varphi es cerrado. (Si ker⁡φ\ker\varphi es cerrado y φ≠0\varphi \neq 0, toma aa con φ(a)=1\varphi(a) = 1 y r>0r > 0 con B(a,r)∩ker⁡φ=∅B(a, r) \cap \ker\varphi = \emptyset; deduce ∣φ(h)∣≤1r∥h∥\abs{\varphi(h)} \leq \frac{1}{r}\norm h mediante un argumento de escala sobre a−hφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)}.)

Solución

Solución de Ejercicio 5.6.

Continua ⇒\Rightarrow núcleo cerrado: imagen recíproca del cerrado {0}\{0\} (Teorema 4.6).

Recíprocamente, supongamos ker⁡φ\ker\varphi cerrado y φ≠0\varphi \neq 0. Tomemos aa con φ(a)=1\varphi(a) = 1; como a∉ker⁡φa \notin \ker\varphi y el núcleo es cerrado, alguna bola B(a,r)B(a, r) no lo corta. Sea ahora h∈Eh \in E con φ(h)≠0\varphi(h) \neq 0: el vector a−hφ(h)a - \frac{h}{\varphi(h)} está en ker⁡φ\ker\varphi y, por tanto, fuera de B(a,r)B(a, r):

∥hφ(h)∥≥r⟹∣φ(h)∣≤∥h∥r,\Bigl\Vert \frac{h}{\varphi(h)} \Bigr\Vert \geq r \quad\Longrightarrow\quad \abs{\varphi(h)} \leq \frac{\norm h}{r},

desigualdad trivialmente cierta también cuando φ(h)=0\varphi(h) = 0: es la cota (4) del Teorema 5.6, luego φ\varphi es continua.

Ejercicio 5.7 ★★

Demuestra que (C([0, 1]),∥⋅∥1)\bigl(C(\intcc{0}{1}), \norm\cdot_1\bigr) no es completo: prueba que las funciones fnf_n, rampas afines de 00 a 11 sobre [12−1n,12]\bigl[\frac12 - \frac1n, \frac12\bigr] (con valor 00 antes y 11 después), forman una sucesión de Cauchy sin límite continuo para ∥⋅∥1\norm\cdot_1.

Solución

Solución de Ejercicio 5.7.

Sea fnf_n igual a 00 sobre [0, 12−1n]\intcc{0}{\frac12 - \frac1n}, afín hasta el valor 11 en 12\frac12, y luego 11 sobre [12, 1]\intcc{\frac12}{1}. Para m≥nm \geq n, fm−fnf_m - f_n tiene soporte en un intervalo de longitud 1n\frac1n y valores en [−1, 1]\intcc{-1}{1}: ∥fm−fn∥1≤1n\norm{f_m - f_n}_1 \leq \frac1n, luego es de Cauchy.

Supongamos fn→ff_n \to f en ∥⋅∥1\norm\cdot_1 con ff continua. Sobre [0, 12−δ]\intcc{0}{\frac12 - \delta} (con δ\delta fijo): ∫∣f∣=∫∣f−fn∣≤∥f−fn∥1→0\int \abs{f} = \int\abs{f - f_n} \leq \norm{f - f_n}_1 \to 0 para n>1δn > \frac1\delta, luego ∫01/2−δ∣f∣=0\int_0^{1/2 - \delta}\abs f = 0 y, por positividad estricta, f=0f = 0 allí; y esto para todo δ\delta: f=0f = 0 sobre (0, 12)\intoo{0}{\frac12}. Análogamente, f=1f = 1 sobre [12, 1]\intcc{\frac12}{1} (allí todas las fnf_n valen 11). Por continuidad en 12\frac12: 0=10 = 1, absurdo. No existe límite: el espacio no es completo.

Ejercicio 5.8 ★★★

Sobre E=C([0, 1])E = C(\intcc{0}{1}) con ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, considera

φ(f)=∑n≥1(−1)n 2−nf(1n).\varphi(f) = \sum_{n \geq 1} (-1)^n\, 2^{-n} f\bigl(\tfrac1n\bigr).

Demuestra que φ\varphi es una forma lineal continua bien definida con ∣∣∣φ∣∣∣=1\vertiii\varphi = 1, pero que el supremo que define ∣∣∣φ∣∣∣\vertiii\varphi no se alcanza sobre la bola unidad cerrada. (Cota superior: desigualdad triangular. Norma =1= 1: constrúyanse funciones continuas fKf_K con ∥fK∥∞≤1\norm{f_K}_\infty \leq 1 y fK(1n)=(−1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n para n≤Kn \leq K; los puntos 1n\frac1n están aislados entre sí. No alcanzado: la igualdad obligaría a f(1n)=(−1)nf(\frac1n) = (-1)^n para todo nn, incompatible con la continuidad de ff en 00, pues 1n→0\frac1n \to 0.)

Solución

Solución de Ejercicio 5.8.

Bien definida y continua: ∣φ(f)∣≤∑2−n∥f∥∞=∥f∥∞\abs{\varphi(f)} \leq \sum 2^{-n} \norm f_\infty = \norm f_\infty, así que φ\varphi es una forma lineal con ∣∣∣φ∣∣∣≤1\vertiii\varphi \leq 1 (la serie converge absolutamente para cada ff).

Norma 11: fijemos KK; los puntos 1,12,…,1K1, \frac12, \dots, \frac1K son distintos dos a dos, de modo que existe una función continua fKf_K, con ∥fK∥∞≤1\norm{f_K}_\infty \leq 1, tal que fK(1n)=(−1)nf_K(\frac1n) = (-1)^n para n≤Kn \leq K (interpolación afín a trozos, constante cerca de 00). Entonces

φ(fK)≥∑n=1K2−n−∑n>K2−n=1−2−K+1→K→∞1.\varphi(f_K) \geq \sum_{n=1}^{K} 2^{-n} - \sum_{n > K} 2^{-n} = 1 - 2^{-K+1} \xrightarrow[K \to \infty]{} 1 .

No se alcanza: si ∥f∥∞≤1\norm f_\infty \leq 1 y φ(f)=1\varphi(f) = 1, cada término ha de aportar su máximo, es decir, (−1)nf(1n)=1(-1)^n f(\frac1n) = 1 para todo nn (en otro caso, el déficit estricto de un término no puede compensarse, pues todos los términos son ≤2−n\leq 2^{-n}). Luego f(1n)=(−1)nf(\frac1n) = (-1)^n; pero 1n→0\frac1n \to 0 y ff es continua en 00, lo que forzaría la convergencia contradictoria de (−1)n(-1)^n. Así pues, el supremo no es un máximo, cosa imposible en dimensión finita, donde la bola unidad cerrada es compacta.

Ejercicio 5.9 ★★★

Sea EE un espacio normado en el que la bola unidad cerrada es compacta. Vuelve a deducir, sin citar el Teorema 5.17, que toda sucesión acotada tiene una subsucesión convergente, y demuestra que toda forma lineal sobre EE es continua si y solo si dim⁡E<∞\dim E < \infty. (Para la dimensión infinita, constrúyase una forma discontinua definiéndola libremente sobre una sucesión libre normalizada y extendiéndola, admitiendo la existencia de un complementario algebraico.)

Solución

Solución de Ejercicio 5.9.

Sucesiones acotadas: una sucesión acotada está en alguna bola cerrada B‾(0,R)=R B‾(0,1)\overline B(0, R) = R\,\overline B(0,1), que es compacta (imagen de la bola unidad compacta por el homeomorfismo x↦Rxx \mapsto Rx): extráigase allí.

Formas lineales: si dim⁡E<∞\dim E < \infty, toda aplicación lineal desde EE es continua (Teorema 5.13). Recíprocamente, supongamos dim⁡E=∞\dim E = \infty (lo cual, por el Teorema 5.17, queda de hecho excluido por la hipótesis de compacidad; el interés de esta pregunta es la implicación entre las dos propiedades en espacios normados generales): elíjase una sucesión libre normalizada (en)(e_n), complétese hasta una base algebraica (admitida) y defínase φ(en)=n\varphi(e_n) = n y φ=0\varphi = 0 sobre los demás vectores de la base, extendiendo linealmente. Entonces ∣φ(en)∣=n\abs{\varphi(e_n)} = n con ∥en∥=1\norm{e_n} = 1: no está acotada sobre la bola unidad, luego es discontinua. Así pues, “todas las formas son continuas” obliga a la dimensión finita.

Ejercicio 5.10 ★★

Sobre C([0, 1])C(\intcc{0}{1}), demuestra ∥f∥1≤∥f∥2≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_2 \leq \norm f_\infty (Cauchy–Schwarz para la primera) y prueba con la familia fn(x)=xnf_n(x) = x^n que ninguna de las dos desigualdades puede invertirse salvo constante: las tres normas son no equivalentes dos a dos.

Solución

Solución de Ejercicio 5.10.

Cauchy–Schwarz con la función constante 11: ∥f∥1=∫01∣f∣⋅1≤(∫01f2)1/2(∫011)1/2=∥f∥2\norm f_1 = \int_0^1 \abs f\cdot 1 \leq \bigl(\int_0^1 f^2\bigr)^{1/2}\bigl(\int_0^1 1\bigr)^{1/2} = \norm f_2. Y ∥f∥22=∫f2≤∥f∥∞2\norm f_2^2 = \int f^2 \leq \norm f_\infty^2. Para fn(x)=xnf_n(x) = x^n:

∥fn∥1=1n+1,∥fn∥2=12n+1,∥fn∥∞=1.\norm{f_n}_1 = \frac1{n+1}, \qquad \norm{f_n}_2 = \frac1{\sqrt{2n+1}}, \qquad \norm{f_n}_\infty = 1 .

Entonces ∥fn∥2/∥fn∥1=n+12n+1→∞\norm{f_n}_2/\norm{f_n}_1 = \frac{n+1}{\sqrt{2n+1}} \to \infty y ∥fn∥∞/∥fn∥2=2n+1→∞\norm{f_n}_\infty/\norm{f_n}_2 = \sqrt{2n+1} \to \infty: no hay desigualdades recíprocas y ningún par es equivalente.

Ejercicio 5.11 ★★

(Distancia a un hiperplano) Sea φ\varphi una forma lineal continua no nula sobre un espacio normado EE. Demuestra que

d(x,ker⁡φ)=∣φ(x)∣∣∣∣φ∣∣∣(x∈E),d\bigl(x, \ker\varphi\bigr) = \frac{\abs{\varphi(x)}}{\vertiii\varphi} \qquad (x \in E),

y comprueba sobre el Ejercicio 5.8 que el ínfimo no tiene por qué alcanzarse en ningún punto del hiperplano.

Solución

Solución de Ejercicio 5.11.

Cota inferior de la distancia: para h∈ker⁡φh \in \ker\varphi, ∣φ(x)∣=∣φ(x−h)∣≤∣∣∣φ∣∣∣ ∥x−h∥\abs{\varphi(x)} = \abs{\varphi(x - h)} \leq \vertiii\varphi\,\norm{x - h}; tomando el ínfimo sobre hh: d(x,ker⁡φ)≥∣φ(x)∣/∣∣∣φ∣∣∣d(x, \ker\varphi) \geq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi.

Cota superior: podemos suponer φ(x)≠0\varphi(x) \neq 0. Dado ε>0\varepsilon > 0, tómese un unitario uu con ∣φ(u)∣≥∣∣∣φ∣∣∣−ε>0\abs{\varphi(u)} \geq \vertiii\varphi - \varepsilon > 0 y póngase h=x−φ(x)φ(u) uh = x - \frac{\varphi(x)}{\varphi(u)}\,u: entonces φ(h)=0\varphi(h) = 0 y

∥x−h∥=∣φ(x)∣∣φ(u)∣≤∣φ(x)∣∣∣∣φ∣∣∣−ε.\norm{x - h} = \frac{\abs{\varphi(x)}}{\abs{\varphi(u)}} \leq \frac{\abs{\varphi(x)}}{\vertiii\varphi - \varepsilon}.

Haciendo ε→0\varepsilon \to 0: d(x,ker⁡φ)≤∣φ(x)∣/∣∣∣φ∣∣∣d(x, \ker\varphi) \leq \abs{\varphi(x)}/\vertiii\varphi; hay igualdad.

No alcanzado: tómese φ\varphi del Ejercicio 5.8 (∣∣∣φ∣∣∣=1\vertiii\varphi = 1, no alcanzado) y cualquier xx con φ(x)≠0\varphi(x) \neq 0. Si algún h∈ker⁡φh \in \ker\varphi realizara ∥x−h∥=∣φ(x)∣\norm{x - h} = \abs{\varphi(x)}, el vector unitario v=(x−h)/∥x−h∥v = (x - h)/\norm{x - h} cumpliría ∣φ(v)∣=∣φ(x)∣/∥x−h∥=1=∣∣∣φ∣∣∣\abs{\varphi(v)} = \abs{\varphi(x)}/\norm{x - h} = 1 = \vertiii\varphi: la norma de operador se alcanzaría, contradicción.

Ejercicio 5.12 ★★★

Sobre E=R[X]E = \R[X] (todos los polinomios), sean N1(P)=sup⁡[0, 1]∣P∣N_1(P) = \sup_{\intcc{0}{1}}\abs P y N2(P)=sup⁡[0, 2]∣P∣N_2(P) = \sup_{\intcc{0}{2}}\abs P. Prueba que N1≤N2N_1 \leq N_2 pero que N1N_1 y N2N_2 no son equivalentes; deduce que la identidad (E,N2)→(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) es una biyección lineal continua cuya inversa es discontinua. Prueba por último que (E,N1)(E, N_1) no es completo (sumas parciales de Taylor de ex\eu^x). Los tres fenómenos son imposibles en dimensión finita; di por qué.

Solución

Solución de Ejercicio 5.12.

N1≤N2N_1 \leq N_2 es la monotonía del supremo respecto del dominio, de modo que la identidad (E,N2)→(E,N1)(E, N_2) \to (E, N_1) es 11-lipschitziana. Para Pn(x)=(x/2)nP_n(x) = (x/2)^n: N2(Pn)=1N_2(P_n) = 1 (alcanzado en x=2x = 2) mientras que N1(Pn)=2−nN_1(P_n) = 2^{-n}; una cota N2≤CN1N_2 \leq CN_1 daría 1≤C2−n1 \leq C2^{-n} para todo nn: imposible. Así pues, las normas no son equivalentes y la identidad inversa es una biyección lineal discontinua.

Incompletitud: sea Sn=∑k=0nXkk!S_n = \sum_{k=0}^{n}\frac{X^k}{k!}. Para m>nm > n, N1(Sm−Sn)≤∑k>n1k!→0N_1(S_m - S_n) \leq \sum_{k>n}\frac1{k!} \to 0: de Cauchy para N1N_1. Si Sn→PS_n \to P en (E,N1)(E, N_1), entonces puntualmente P(x)=lim⁡Sn(x)=exP(x) = \lim S_n(x) = \eu^x sobre [0, 1]\intcc{0}{1}; pero un polinomio de grado dd no puede coincidir con ex\eu^x en un intervalo (derívese d+1d + 1 veces: el miembro izquierdo muere y ex\eu^x no). No hay límite en EE: no es completo.

En dimensión finita los tres fenómenos son imposibles: todas las normas son equivalentes, todo espacio normado es completo, y la inversa de una biyección lineal es lineal desde un espacio de dimensión finita y, por tanto, continua (Teorema 5.13).

5.6 Problema: mejor aproximación y teorema de Chebyshev

¿Con qué precisión puede aproximarse una función mediante polinomios de grado dado, y qué polinomio lo hace mejor? Por el lado de la existencia, la respuesta pertenece a este capítulo: la compacidad en dimensión finita hace que las mejores aproximaciones existan. Por el lado explícito, un caso no trivial se resuelve por completo a mano: entre todos los polinomios mónicos de grado nn, el de menor norma del supremo sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1} es el polinomio de Chebyshev (normalizado), de norma 21−n2^{1-n}: el teorema extremal de Chebyshev. El problema demuestra ambas caras y mide después con qué gravedad falla la compacidad en dimensión infinita: la bola unidad de C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) contiene constelaciones infinitas de puntos a distancia mutua 11.

Problema 5.1

Problema de fin de semana — el teorema extremal de Chebyshev y la geometría de la bola unidad

Las normas sin subíndice son normas del supremo sobre el segmento indicado.

Parte I — Mejor aproximación en espacios normados.

  1. Sea FF un subespacio de dimensión finita de un espacio normado EE y x∈Ex \in E. Demuestra que la distancia d(x,F)=inf⁡f∈F∥x−f∥d(x, F) = \inf_{f \in F}\norm{x - f} se alcanza (redúcete a un subconjunto cerrado y acotado de FF y usa el Teorema 5.13).
  2. Una norma es estrictamente convexa cuando ∥u∥=∥v∥=1\norm u = \norm v = 1 y u≠vu \neq v implican ∥u+v2∥<1\bigl\Vert\frac{u + v}2\bigr\Vert < 1. Prueba que ∥⋅∥2\norm\cdot_2 sobre Rn\R^n es estrictamente convexa (identidad del paralelogramo) y que ∥⋅∥1\norm\cdot_1 y ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty no lo son para n≥2n \geq 2.
  3. Demuestra que, para una norma estrictamente convexa, la mejor aproximación de la pregunta 1 es única.
  4. En (R2,∥⋅∥∞)(\R^2, \norm\cdot_\infty), calcula todas las mejores aproximaciones de x=(0,1)x = (0, 1) por la recta F=Vect⁡((1,0))F = \operatorname{Vect}\bigl((1,0)\bigr): un intervalo de minimizadores.
  5. En (C([a, b]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr), prueba que la mejor aproximación de ff por constantes es única, igual a c∗=max⁡f+min⁡f2c^* = \frac{\max f + \min f}{2}, con distancia max⁡f−min⁡f2\frac{\max f - \min f}{2}; calcula ambas para f(x)=x2f(x) = x^2 sobre [0, 1]\intcc{0}{1}.

Parte II — Polinomios de Chebyshev.

  1. Prueba que existe exactamente un polinomio TnT_n con Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta para todo θ\theta (recurrencia Tn+1=2XTn−Tn−1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} a partir de la fórmula de adición del coseno), que deg⁡Tn=n\deg T_n = n y que su coeficiente director es 2n−12^{n-1} para n≥1n \geq 1.
  2. Prueba que ∣Tn∣≤1\abs{T_n} \leq 1 sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1}, con Tn(ηk)=(−1)kT_n(\eta_k) = (-1)^k en los n+1n + 1 puntos ηk=cos⁡kπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}{n} (k=0,…,nk = 0, \dots, n), y que las raíces de TnT_n son los nn puntos cos⁡(2k−1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}, entrelazados con los ηk\eta_k.
  3. Calcula T2,T3,T4T_2, T_3, T_4 y verifica la alternancia de T3T_3 en η0,…,η3=1,12,−12,−1\eta_0, \dots, \eta_3 = 1, \frac12, -\frac12, -1 mediante evaluación directa.
  4. Para ∣x∣≥1\abs x \geq 1, demuestra que

    Tn(x)=(x+x2−1)n+(x−x2−1)n2,T_n(x) = \frac{\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n + \bigl(x - \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n}{2},

    y deduce que Tn(x)∼12(x+x2−1)n→∞T_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2 - 1}\bigr)^n \to \infty geométricamente para x>1x > 1 fijo.

  5. Demuestra la ley de composición Tm∘Tn=TmnT_m \circ T_n = T_{mn} (compruébalo sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1} e invoca la rigidez de los polinomios).

Parte III — El teorema extremal de Chebyshev. Escribamos Qn=21−nTnQ_n = 2^{1-n}T_n (mónico, por la pregunta 6).

  1. Sea PP mónico de grado n≥1n \geq 1 con sup⁡[−1, 1]∣P∣<21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P < 2^{1-n}. Evaluando D=Qn−PD = Q_n - P en los puntos ηk\eta_k y contando cambios de signo, obtén una contradicción. Concluye:

    sup⁡[−1, 1]∣P∣  ≥  21−npara todo P moˊnico de grado n.\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P \;\geq\; 2^{1-n} \qquad\text{para todo } P \text{ mónico de grado } n.
  2. (Caso de igualdad) Supongamos sup⁡[−1, 1]∣P∣=21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n} con PP mónico de grado nn, y sea D=Qn−P≠0D = Q_n - P \neq 0. Prueba que (−1)kD(ηk)≥0(-1)^kD(\eta_k) \geq 0 para todo kk; prueba que cada uno de los nn intervalos [ηk, ηk−1]\intcc{\eta_{k}}{\eta_{k-1}} contiene un cero de DD y que un cero compartido por dos intervalos consecutivos es un punto interior ηk\eta_k en el que además D′=0D' = 0. Concluye que DD tiene nn ceros contados con multiplicidad y, por tanto, D=0D = 0: el minimizador es exactamente QnQ_n, el teorema extremal de Chebyshev.
  3. Reformula el teorema como una distancia: sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1},

    d∞(Xn, Rn−1[X])=21−n,d_\infty\bigl(X^n,\ \R_{n-1}[X]\bigr) = 2^{1-n},

    con mejor aproximación única Xn−QnX^n - Q_n; y prueba mediante la sustitución afín x=1+t2x = \frac{1+t}2 que sobre [0, 1]\intcc{0}{1} la distancia pasa a ser 21−2n2^{1-2n}.

  4. (Nodos de interpolación óptimos) Para nn nodos x1,…,xn∈[−1, 1]x_1, \dots, x_n \in \intcc{-1}{1}, el polinomio nodal ω(x)=∏i(x−xi)\omega(x) = \prod_i(x - x_i) es mónico de grado nn. Deduce de la pregunta 12 qué elección de nodos minimiza sup⁡[−1, 1]∣ω∣\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega, el factor dependiente de los nodos en la cota clásica del error de interpolación, y da el valor mínimo.
  5. Verifica a mano el caso n=2n = 2 del teorema (halla directamente inf⁡csup⁡[−1, 1]∣x2−c∣\inf_c \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c}) y calcula numéricamente la distancia de la pregunta 13 sobre [0, 1]\intcc{0}{1} para n=10n = 10. ¿Qué dice su tamaño sobre la gráfica de x10x^{10}?

Parte IV — La bola unidad de C([0, 1])C(\intcc{0}{1}).

  1. Sea gk(x)=x2kg_k(x) = x^{2^k}. Prueba que ∥gk∥∞=1\norm{g_k}_\infty = 1 y que ∥gk−gj∥∞≥14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 para j>kj > k (evalúa en el punto donde x2k=12x^{2^k} = \frac12): una sucesión acotada explícita sin subsucesión convergente; la bola unidad cerrada no es compacta, y a mano.
  2. (Lema de Riesz, afinado) Sea FF un subespacio propio de dimensión finita de un espacio normado EE. Usando la pregunta 1, produce un vector unitario xx con d(x,F)=1d(x, F) = 1 exactamente, y no solo ≥1−ε\geq 1 - \varepsilon como en el lema del Teorema 5.17.
  3. Deduce que en todo espacio normado de dimensión infinita hay una sucesión de vectores unitarios con distancias mutuas ≥1\geq 1, y vuelve a deducir de ahí el teorema de Riesz.
  4. En C([0, 1])C(\intcc{0}{1}), exhibe explícitamente una constelación así: las funciones tienda hnh_n con soporte en [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr] y valor máximo 11. Verifica ∥hn∥=1\norm{h_n} = 1 y ∥hn−hm∥=1\norm{h_n - h_m} = 1 para n≠mn \neq m, y observa que hn→0h_n \to 0 puntualmente pero no uniformemente.
  5. (Falla la precompacidad) Prueba que la bola unidad cerrada de C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) no puede recubrirse con un número finito de bolas de radio 13\frac13 (cada bola de ese tipo contiene a lo sumo un hnh_n); contrástese con el paso de precompacidad de la demostración del Teorema 4.20.

Parte V — Normas en acción sobre matrices, y síntesis.

  1. Demuestra que todo valor propio λ\lambda de A∈Mn(C)A \in \mathcal{M}_n(\C) cumple ∣λ∣≤∣∣∣A∣∣∣\abs\lambda \leq \vertiii A para toda norma de operador; aplica el Ejercicio 5.4 para acotar los valores propios de (1−231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right) y compáralo con su módulo verdadero.
  2. (Normas adaptadas) Sea AA diagonalizable, A=P diag(λ1,…,λn) P−1A = P\,\mathrm{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n)\,P^{-1}. Prueba que NP(x)=∥P−1x∥∞N_P(x) = \norm{P^{-1}x}_\infty es una norma cuya norma de operador cumple ∣∣∣A∣∣∣NP=max⁡i∣λi∣\vertiii A_{N_P} = \max_i\abs{\lambda_i}.
  3. Deduce que, para AA diagonalizable, Ak→0A^k \to 0 si y solo si todos los valores propios cumplen ∣λi∣<1\abs{\lambda_i} < 1; la equivalencia de normas hace que la conclusión no dependa de la norma. Compruébalo con A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right).
  4. (Las constantes de equivalencia explotan) Sobre Rn[X]\R_n[X], compara Nc(P)=max⁡k∣ak∣N_c(P) = \max_k \abs{a_k} (coeficientes) con ∥P∥[0, 1]\norm{P}_{\intcc{0}{1}}: ambas son normas y por tanto son equivalentes para cada nn fijo; pero prueba, usando el minimizador mónico de la pregunta 13 sobre [0, 1]\intcc{0}{1}, que la mejor constante CnC_n en Nc≤Cn∥⋅∥[0, 1]N_c \leq C_n\norm\cdot_{\intcc{0}{1}} cumple Cn≥22n−1C_n \geq 2^{2n-1}. Concluye en una frase por qué “todas las normas son equivalentes” muere en dimensión infinita.
  5. (Síntesis) Una frase para cada punto: dónde trabajó la compacidad de las bolas de dimensión finita (preguntas 1 y 12); qué gobierna la convexidad estricta; qué destruye la constelación de las preguntas 18–19; y cómo cuantifica la pregunta 24 ese fracaso. Nombra la cumbre (el teorema extremal de Chebyshev) e indica dónde encuentra la mejor aproximación su hogar moderno (el teorema de la proyección en espacios de Hilbert, volumen del tercer año, donde la completitud sustituye a la compacidad).
Solución

Solución de Problema 5.1.

1. Los candidatos que merece la pena considerar forman K={f∈F:∥x−f∥≤∥x∥}K = \{f \in F : \norm{x - f} \leq \norm x\}: no vacío (0∈K0 \in K), cerrado (imagen recíproca de un intervalo cerrado por la aplicación continua f↦∥x−f∥f \mapsto \norm{x - f}, intersecada con el cerrado FF, Corolario 5.14) y acotado (∥f∥≤∥f−x∥+∥x∥≤2∥x∥\norm f \leq \norm{f - x} + \norm x \leq 2\norm x). En el FF de dimensión finita, cerrado y acotado significa compacto (Teorema 5.13); la función continua f↦∥x−f∥f \mapsto \norm{x - f} alcanza sobre KK su ínfimo, que coincide con el ínfimo sobre todo FF (todo f∉Kf \notin K da ∥x−f∥>∥x∥≥inf⁡\norm{x - f} > \norm x \geq \inf).

2. Identidad del paralelogramo en (Rn,∥⋅∥2)(\R^n, \norm\cdot_2): ∥u+v∥2+∥u−v∥2=2∥u∥2+2∥v∥2\norm{u + v}^2 + \norm{u - v}^2 = 2\norm u^2 + 2\norm v^2 (desarróllense los cuadrados de sumas de coordenadas). Para u≠vu \neq v unitarios:

∥u+v2∥2=1−∥u−v∥24<1.\Bigl\Vert\frac{u+v}2\Bigr\Vert^2 = 1 - \frac{\norm{u - v}^2}{4} < 1 .

No estrictamente convexas: para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, tómense u=(1,1,0,… )u = (1, 1, 0, \dots) y v=(1,−1,0,… )v = (1, -1, 0, \dots), unitarios con punto medio (1,0,… )(1, 0, \dots) de norma 11; para ∥⋅∥1\norm\cdot_1, tómense u=(1,0,… )u = (1, 0, \dots) y v=(0,1,0,… )v = (0, 1, 0, \dots), con punto medio (12,12,0,… )(\frac12, \frac12, 0, \dots) de norma 11.

3. Sea d=d(x,F)d = d(x, F). Si d=0d = 0: x∈F‾=Fx \in \overline F = F y el único minimizador es xx. Si d>0d > 0 y f1≠f2f_1 \neq f_2 minimizan ambos, entonces u=x−f1du = \frac{x - f_1}{d} y v=x−f2dv = \frac{x - f_2}{d} son vectores unitarios distintos, luego

∥x−f1+f22∥=d ∥u+v2∥<d,\Bigl\Vert x - \frac{f_1 + f_2}2\Bigr\Vert = d\,\Bigl\Vert\frac{u + v}2\Bigr\Vert < d ,

con f1+f22∈F\frac{f_1 + f_2}2 \in F: contradice la definición de dd. El minimizador es único.

4. ∥(0,1)−t(1,0)∥∞=max⁡(∣t∣,1)≥1\norm{(0,1) - t(1,0)}_\infty = \max(\abs t, 1) \geq 1, con igualdad si y solo si ∣t∣≤1\abs t \leq 1: los minimizadores forman el segmento {t(1,0):t∈[−1, 1]}\{t(1, 0) : t \in \intcc{-1}{1}\}, todos a distancia 11; la unicidad falla exactamente porque la bola cuadrada tiene lados planos (pregunta 2).

5. Sean M=max⁡fM = \max f y m=min⁡fm = \min f (alcanzados, por compacidad). Para toda constante cc: sup⁡∣f−c∣≥max⁡(M−c, c−m)≥M−m2\sup\abs{f - c} \geq \max(M - c,\, c - m) \geq \frac{M - m}2, esta última desigualdad porque las dos cantidades promedian M−m2\frac{M-m}2; la igualdad en ambas obliga a M−c=c−mM - c = c - m, es decir, c=c∗=M+m2c = c^* = \frac{M + m}2. Recíprocamente, sup⁡∣f−c∗∣=max⁡(M−c∗,c∗−m)=M−m2\sup\abs{f - c^*} = \max(M - c^*, c^* - m) = \frac{M - m}2. La mejor constante es única. Para f(x)=x2f(x) = x^2 sobre [0, 1]\intcc01: c∗=12c^* = \frac12 y distancia 12\frac12.

6. De cos⁡(n+1)θ+cos⁡(n−1)θ=2cos⁡θcos⁡nθ\cos(n{+}1)\theta + \cos(n{-}1)\theta = 2\cos\theta\cos n\theta: los polinomios definidos por T0=1T_0 = 1, T1=XT_1 = X y Tn+1=2XTn−Tn−1T_{n+1} = 2XT_n - T_{n-1} cumplen Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta por inducción. Unicidad: dos polinomios que coinciden en [−1, 1]\intcc{-1}{1} (infinitos puntos) son iguales. Inducción de nuevo: deg⁡Tn=n\deg T_n = n con coeficiente director 2n−12^{n-1} para n≥1n \geq 1 (T1T_1 tiene coeficiente 1=201 = 2^0 y la recurrencia lo duplica).

7. Todo x∈[−1, 1]x \in \intcc{-1}{1} es cos⁡θ\cos\theta, y ∣cos⁡nθ∣≤1\abs{\cos n\theta} \leq 1. En ηk=cos⁡kπn\eta_k = \cos\frac{k\pi}n: Tn(ηk)=cos⁡kπ=(−1)kT_n(\eta_k) = \cos k\pi = (-1)^k, y 1=η0>η1>⋯>ηn=−11 = \eta_0 > \eta_1 > \dots > \eta_n = -1. Raíces: cos⁡nθ=0\cos n\theta = 0 si y solo si θ=(2k−1)π2n\theta = \frac{(2k-1)\pi}{2n}, es decir, los nn puntos distintos cos⁡(2k−1)π2n\cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}; y como (k−1)πn<(2k−1)π2n<kπn\frac{(k-1)\pi}n < \frac{(2k-1)\pi}{2n} < \frac{k\pi}n, cada raíz cae estrictamente entre dos extremos consecutivos.

8. T2=2X2−1T_2 = 2X^2 - 1, T3=4X3−3XT_3 = 4X^3 - 3X, T4=8X4−8X2+1T_4 = 8X^4 - 8X^2 + 1. Para T3T_3: T3(1)=1T_3(1) = 1, T3(12)=12−32=−1T_3(\tfrac12) = \tfrac12 - \tfrac32 = -1, T3(−12)=1T_3(-\tfrac12) = 1, T3(−1)=−1T_3(-1) = -1: alternancia perfecta.

9. Sean u±=x±x2−1u_\pm = x \pm \sqrt{x^2 - 1} para x≥1x \geq 1: las raíces de z2−2xz+1z^2 - 2xz + 1, con u+u−=1u_+u_- = 1. La sucesión sn=u+n+u−n2s_n = \frac{u_+^n + u_-^n}2 cumple sn+1=2x sn−sn−1s_{n+1} = 2x\,s_n - s_{n-1} (recurrencia de tipo Newton procedente de la cuadrática), s0=1s_0 = 1, s1=xs_1 = x: la misma recurrencia y los mismos valores iniciales que n↦Tn(x)n \mapsto T_n(x), luego sn=Tn(x)s_n = T_n(x) para todo nn. Como 0<u−≤1≤u+0 < u_- \leq 1 \leq u_+ con u+>1u_+ > 1 para x>1x > 1: Tn(x)≥u+n2→∞T_n(x) \geq \frac{u_+^n}2 \to \infty y Tn(x)∼12(x+x2−1)nT_n(x) \sim \frac12\bigl(x + \sqrt{x^2-1}\bigr)^n. (Para x≤−1x \leq -1 úsese la paridad Tn(−x)=(−1)nTn(x)T_n(-x) = (-1)^nT_n(x), clara a partir de la recurrencia.)

10. Para todo θ\theta: Tm(Tn(cos⁡θ))=Tm(cos⁡nθ)=cos⁡mnθ=Tmn(cos⁡θ)T_m\bigl(T_n(\cos\theta)\bigr) = T_m(\cos n\theta) = \cos mn\theta = T_{mn}(\cos\theta). Los polinomios Tm∘TnT_m \circ T_n y TmnT_{mn} coinciden en [−1, 1]\intcc{-1}{1} y, por tanto, son iguales.

11. D=Qn−PD = Q_n - P tiene grado ≤n−1\leq n - 1 (los términos directores mónicos se cancelan). En los extremos: (−1)kD(ηk)=21−n−(−1)kP(ηk)≥21−n−∣P(ηk)∣>0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 2^{1-n} - \abs{P(\eta_k)} > 0 por hipótesis. Así pues, DD toma valores no nulos de signos alternos en los n+1n + 1 puntos decrecientes η0>⋯>ηn\eta_0 > \dots > \eta_n: por el teorema del valor intermedio tiene al menos nn raíces distintas, una en cada intervalo abierto (ηk, ηk−1)\intoo{\eta_{k}}{\eta_{k-1}}. Un polinomio no nulo de grado ≤n−1\leq n - 1 no puede tener nn raíces; y D=0D = 0 contradice los signos estrictos. Contradicción: sup⁡∣P∣≥21−n\sup\abs P \geq 2^{1-n} para todo PP mónico de grado nn.

12. Ahora (−1)kD(ηk)=21−n−(−1)kP(ηk)≥0(-1)^kD(\eta_k) = 2^{1-n} - (-1)^kP(\eta_k) \geq 0, ya que ∣P∣≤21−n\abs{P} \leq 2^{1-n}. En cada [ηk, ηk−1]\intcc{\eta_k}{\eta_{k-1}} (k=1,…,nk = 1, \dots, n) los valores de DD en los extremos tienen signos débiles opuestos: el teorema del valor intermedio da un cero zkz_k en el intervalo cerrado. Si los zkz_k pueden elegirse distintos dos a dos, entonces D≠0D \neq 0 de grado ≤n−1\leq n-1 tiene nn raíces: contradicción. Dos intervalos consecutivos solo pueden compartir el cero zk=zk+1=ηkz_k = z_{k+1} = \eta_k con 0<k<n0 < k < n (interior). Allí, D(ηk)=0D(\eta_k) = 0 significa P(ηk)=(−1)k21−nP(\eta_k) = (-1)^k2^{1-n}, un valor extremal de PP sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1} alcanzado en un punto interior: luego P′(ηk)=0P'(\eta_k) = 0; y ηk\eta_k es también un extremo interior de TnT_n: Qn′(ηk)=0Q_n'(\eta_k) = 0. Por tanto D′(ηk)=0D'(\eta_k) = 0: ηk\eta_k es raíz de multiplicidad ≥2\geq 2, lo que compensa el intervalo compartido. En todos los casos DD tiene al menos nn raíces contadas con multiplicidad y grado ≤n−1\leq n - 1, luego D=0D = 0 y P=QnP = Q_n. Queda demostrado el teorema extremal de Chebyshev: el único minimizador mónico es 21−nTn2^{1-n}T_n, de norma del supremo 21−n2^{1-n}.

13. Los polinomios mónicos de grado nn son exactamente los Xn−RX^n - R con R∈Rn−1[X]R \in \R_{n-1}[X], luego

d∞(Xn,Rn−1[X])=min⁡P moˊnico sup⁡[−1, 1]∣P∣=21−n,d_\infty\bigl(X^n, \R_{n-1}[X]\bigr) = \min_{P \text{ mónico}}\ \sup_{\intcc{-1}{1}}\abs P = 2^{1-n},

alcanzado únicamente en R∗=Xn−QnR^* = X^n - Q_n. Sustitución x=1+t2x = \frac{1+t}2: si PP es mónico de grado nn sobre [0, 1]\intcc01, entonces t↦2nP(1+t2)t \mapsto 2^nP\bigl(\frac{1+t}2\bigr) es mónico sobre [−1, 1]\intcc{-1}{1} con supremo igual a 2nsup⁡[0, 1]∣P∣2^n\sup_{\intcc01}\abs P; por tanto sup⁡[0, 1]∣P∣≥2−n⋅21−n=21−2n\sup_{\intcc01}\abs P \geq 2^{-n}\cdot2^{1-n} = 2^{1-2n}, con igualdad exactamente para P∗(x)=2−nQn(2x−1)P^*(x) = 2^{-n}Q_n(2x - 1): sobre [0, 1]\intcc{0}{1} la distancia es 21−2n2^{1-2n}.

14. ω\omega es mónico de grado nn, luego sup⁡[−1, 1]∣ω∣≥21−n\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs\omega \geq 2^{1-n} con igualdad si y solo si ω=Qn=21−nTn\omega = Q_n = 2^{1-n}T_n, es decir, si y solo si los nodos son las nn raíces de TnT_n: xk=cos⁡(2k−1)π2nx_k = \cos\frac{(2k-1)\pi}{2n}, los nodos de Chebyshev. Valor mínimo: 21−n2^{1-n}. Los nodos equidistantes son estrictamente peores; el factor de error de interpolación se minimiza agrupando los nodos cerca de los extremos.

15. Caso n=2n = 2 a mano: x2x^2 recorre [0, 1]\intcc01, luego sup⁡[−1, 1]∣x2−c∣=max⁡(∣c∣,∣1−c∣)≥12\sup_{\intcc{-1}{1}}\abs{x^2 - c} = \max(\abs c, \abs{1 - c}) \geq \frac12, mínimo en c=12c = \frac12: la cuadrática mónica mínima es x2−12=12(2x2−1)=Q2x^2 - \frac12 = \frac12(2x^2 - 1) = Q_2, de valor 12=21−2\frac12 = 2^{1-2}. Para n=10n = 10 sobre [0, 1]\intcc{0}{1}: 21−20=2−19≈1.9⋅10−62^{1-20} = 2^{-19} \approx 1.9\cdot10^{-6}. Algún polinomio de grado 99 se mantiene a menos de dos millonésimas de x10x^{10} en todo [0, 1]\intcc01: a esa escala las dos gráficas son indistinguibles; el aplanamiento de x10x^{10} cerca de 00 deja que los grados inferiores hagan todo el trabajo.

16. ∥gk∥∞=gk(1)=1\norm{g_k}_\infty = g_k(1) = 1. Para j>kj > k pongamos a=2ka = 2^k, b=2j≥2ab = 2^j \geq 2a, y evaluemos en x0=2−1/ax_0 = 2^{-1/a} (de modo que x0a=12x_0^a = \frac12):

gk(x0)−gj(x0)=12−(12)b/a≥12−14=14.g_k(x_0) - g_j(x_0) = \frac12 - \Bigl(\frac12\Bigr)^{b/a} \geq \frac12 - \frac14 = \frac14 .

Luego ∥gk−gj∥∞≥14\norm{g_k - g_j}_\infty \geq \frac14 para todos j≠kj \neq k: ninguna subsucesión es de Cauchy ni converge. La bola unidad cerrada de (C([0, 1]),∥⋅∥∞)\bigl(C(\intcc01), \norm\cdot_\infty\bigr) no es compacta.

17. FF es cerrado (Corolario 5.14) y propio: tómese y∉Fy \notin F, de modo que δ=d(y,F)>0\delta = d(y, F) > 0. Por la pregunta 1, la distancia se alcanza en cierto f∗∈Ff^* \in F. Póngase x=y−f∗δx = \frac{y - f^*}{\delta}, vector unitario (pues ∥y−f∗∥=δ\norm{y - f^*} = \delta). Para todo g∈Fg \in F:

∥x−g∥=∥y−(f∗+δg)∥δ≥δδ=1,\norm{x - g} = \frac{\norm{y - (f^* + \delta g)}}{\delta} \geq \frac{\delta}{\delta} = 1 ,

ya que f∗+δg∈Ff^* + \delta g \in F. Luego d(x,F)≥1d(x, F) \geq 1; y d(x,F)≤∥x−0∥=1d(x, F) \leq \norm{x - 0} = 1: exactamente 11.

18. En un EE de dimensión infinita, constrúyanse vectores unitarios por inducción: x1x_1 arbitrario; dados x1,…,xkx_1, \dots, x_k, el subespacio Fk=Vect⁡(x1,…,xk)F_k = \operatorname{Vect}(x_1, \dots, x_k) es de dimensión finita y por tanto propio, y la pregunta 17 da un unitario xk+1x_{k+1} con d(xk+1,Fk)=1d(x_{k+1}, F_k) = 1; en particular ∥xk+1−xi∥≥1\norm{x_{k+1} - x_i} \geq 1 para i≤ki \leq k. La sucesión tiene distancias mutuas ≥1\geq 1: la bola unidad contiene una sucesión sin subsucesión convergente y, por tanto, no es compacta; es el teorema de Riesz, con la constante óptima 11.

19. Sea hnh_n afín en cada mitad de [1n+1,1n]\bigl[\frac1{n+1}, \frac1n\bigr], subiendo de 00 a 11 en el punto medio y bajando de nuevo a 00, y nula en el resto: es continua y ∥hn∥∞=1\norm{h_n}_\infty = 1. Para n≠mn \neq m los soportes se cortan a lo sumo en un extremo común, donde ambas se anulan; y en el pico de hnh_n se tiene hm=0h_m = 0: luego ∥hn−hm∥∞=1\norm{h_n - h_m}_\infty = 1 exactamente. Para x>0x > 0 fijo: hn(x)=0h_n(x) = 0 en cuanto 1n<x\frac1n < x, y hn(0)=0h_n(0) = 0 siempre, así que hn→0h_n \to 0 puntualmente; pero ∥hn−0∥∞=1\norm{h_n - 0}_\infty = 1: no uniformemente. Una constelación explícita a distancia mutua 11 dentro de la bola unidad.

20. Una bola de radio 13\frac13 tiene diámetro ≤23<1\leq \frac23 < 1, luego contiene a lo sumo una de las hnh_n (dos de ellas están a distancia 11). Un número finito de esas bolas contiene un número finito de las infinitas hnh_n: no pueden recubrir la bola unidad. La precompacidad —de la que disfrutan los espacios métricos compactos por la demostración del Teorema 4.20— falla del peor modo posible.

21. Si Ax=λxAx = \lambda x con x≠0x \neq 0, entonces ∣λ∣ ∥x∥=∥Ax∥≤∣∣∣A∣∣∣ ∥x∥\abs\lambda\,\norm x = \norm{Ax} \leq \vertiii A\,\norm x, luego ∣λ∣≤∣∣∣A∣∣∣\abs\lambda \leq \vertiii A. Para (1−231)\left(\begin{smallmatrix}1 & -2\\ 3 & 1\end{smallmatrix}\right): ∣∣∣A∣∣∣∞=max⁡(1+2, 3+1)=4\vertiii A_\infty = \max(1 + 2,\ 3 + 1) = 4 (Ejercicio 5.4), así que todo valor propio tiene módulo ≤4\leq 4; de hecho, χA=X2−2X+7\chi_A = X^2 - 2X + 7 da λ=1±i6\lambda = 1 \pm \iu\sqrt6, de módulo 7≈2.65\sqrt7 \approx 2.65: la cota es válida pero no óptima.

22. NPN_P es una norma: NP(x)=0N_P(x) = 0 obliga a P−1x=0P^{-1}x = 0, luego x=0x = 0; la homogeneidad y la desigualdad triangular se heredan de ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty a través de la aplicación lineal P−1P^{-1}. Norma de operador: con y=P−1xy = P^{-1}x y D=diag(λi)D = \mathrm{diag}(\lambda_i),

NP(Ax)=∥P−1AP y∥∞=∥Dy∥∞,N_P(Ax) = \norm{P^{-1}AP\,y}_\infty = \norm{Dy}_\infty,

de modo que ∣∣∣A∣∣∣NP\vertiii A_{N_P} es la norma de operador de DD para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty, es decir, su mayor suma de valores absolutos por filas (Ejercicio 5.4): max⁡i∣λi∣\max_i\abs{\lambda_i}.

23. Si todos los ∣λi∣<1\abs{\lambda_i} < 1: NP(Akx)≤ρkNP(x)N_P(A^kx) \leq \rho^kN_P(x) con ρ=max⁡∣λi∣<1\rho = \max\abs{\lambda_i} < 1, luego Akx→0A^kx \to 0 para todo xx y Ak→0A^k \to 0 en cualquier norma sobre Mn\mathcal{M}_n (todas equivalentes en dimensión finita, Teorema 5.13; la convergencia de AkejA^ke_j para cada jj es la convergencia entrada a entrada). Si algún ∣λ∣≥1\abs{\lambda} \geq 1 con vector propio xx: ∥Akx∥=∣λ∣k∥x∥↛0\norm{A^kx} = \abs\lambda^k\norm x \not\to 0. Para A=14(1221)A = \frac14\left(\begin{smallmatrix}1 & 2\\ 2 & 1\end{smallmatrix}\right): los valores propios son 14(1±2)=34,−14\frac14(1 \pm 2) = \frac34, -\frac14, ambos de módulo <1< 1, luego Ak→0A^k \to 0.

24. Ambas son normas sobre el Rn[X]\R_n[X] de dimensión finita y, por tanto, equivalentes para cada nn. Tómese el mónico mínimo Pn∗P^*_n de la pregunta 13 sobre [0, 1]\intcc01: su coeficiente en XnX^n vale 11, luego Nc(Pn∗)≥1N_c(P^*_n) \geq 1, mientras que ∥Pn∗∥[0, 1]=21−2n\norm{P^*_n}_{\intcc01} = 2^{1-2n}. Por tanto

Cn≥Nc(Pn∗)∥Pn∗∥[0, 1]≥22n−1.C_n \geq \frac{N_c(P^*_n)}{\norm{P^*_n}_{\intcc01}} \geq 2^{2n-1} .

Las constantes de equivalencia explotan con la dimensión: sobre la unión R[X]\R[X] ninguna constante única sirve, que es exactamente la no equivalencia vista en el Ejercicio 5.12; “todas las normas son equivalentes” es un teorema sobre una dimensión cada vez, y la dimensión infinita es donde muere.

25. La compacidad de los cerrados acotados en dimensión finita produjo la existencia de mejores aproximaciones (pregunta 1) y alimentó el recuento de ceros en los n+1n + 1 puntos extremales (preguntas 11–12, vía supremos alcanzados). La convexidad estricta gobierna la unicidad de la mejor aproximación: las bolas redondas dan un único minimizador y las de lados planos dan segmentos de ellos (preguntas 2–4). La constelación de vectores unitarios a distancia mutua 11 (preguntas 17–19) destruye la compacidad de la bola unidad y, con ella, la precompacidad (pregunta 20). La pregunta 24 cuantifica el derrumbe: las constantes que relacionan dos normas sobre Rn[X]\R_n[X] crecen como 4n4^n, de modo que ninguna comparación uniforme sobrevive al paso a R[X]\R[X]. La cumbre es el teorema extremal de Chebyshev (preguntas 11–12): el único minimizador mónico 21−nTn2^{1-n}T_n. La mejor aproximación halla su hogar moderno en los espacios de Hilbert, donde el teorema de la proyección sustituye la compacidad por la completitud más la identidad del paralelogramo, demostrado honestamente en el volumen del tercer año.

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