Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3
8Espacios de Banach y los teoremas fundamentales
El análisis funcional estudia los espacios normados de dimensión infinita a través de los operadores y las funcionales que viven sobre ellos. Su descubrimiento fundacional es que la completitud, vía el teorema de Baire, impone una fuerte uniformidad: las familias de operadores puntualmente acotadas están acotadas en norma (Banach–Steinhaus), las biyecciones continuas tienen inversa continua (aplicación abierta) y las gráficas detectan la continuidad (gráfica cerrada). El otro pilar, Hahn–Banach, no necesita completitud alguna — solo el lema de Zorn — y garantiza que los espacios duales son lo bastante ricos como para ver todo vector. Este capítulo demuestra los cuatro teoremas y los pone a prueba sobre los espacios de sucesiones clásicos , sobre cálculos concretos de duales y sobre una aplicación genuinamente sorprendente: existen funciones continuas -periódicas cuya serie de Fourier diverge en un punto — lo que resuelve en sentido negativo una cuestión que segundo año dejó abierta.
En todo el capítulo, son espacios normados sobre o ; espacio de Banach significa espacio normado completo.
8.1 Operadores acotados; espacios de sucesiones
Definición 8.1
denota el espacio de las aplicaciones lineales acotadas (= continuas, segundo año) con la norma de operador ; es submultiplicativa: . El dual es .
Proposición 8.2
Si es un espacio de Banach, también lo es ; en particular, siempre es un espacio de Banach.
Demostración. Sea de Cauchy para . Para cada , : es de Cauchy en y converge; llamemos a su límite. es lineal (límites de identidades lineales); pasando al límite en () se obtiene : en norma de operador, y . ∎
Definición 8.3
Los espacios de sucesiones clásicos (sobre , indexados por ):
y con . Que sea una norma se sigue de la desigualdad de Minkowski, demostrada en el caso discreto exactamente igual que en el Capítulo 12 (o sumando la desigualdad de dimensión finita de segundo año). Todos son espacios de Banach, y es un subespacio cerrado de (Ejercicio 8.3).
Proposición 8.4 (Serie de Neumann)
Sea de Banach y sea con . Entonces es invertible en , con (convergente en norma de operador). En consecuencia, el conjunto de los operadores invertibles es abierto y la inversión es continua en él.
Demostración. La serie converge absolutamente (, geométrica) en el espacio de Banach (Proposición 8.2; el Ejercicio 7.1(b)). Telescopando, , y análogamente por el otro lado. Para el carácter abierto: si es invertible y , entonces con : es invertible. Continuidad de la inversión: la expresión en serie da localmente. ∎
Ejemplo 8.5 (Una ecuación de Volterra, resuelta por Neumann)
Sobre , considérese la ecuación integral
Aquí , de modo que para la serie de Neumann se aplica directamente: . Calculando, , luego
como confirma la derivación. Mejor aún: (el núcleo iterado decrece factorialmente), de modo que converge para todo — el operador es invertible para todos los , aunque acabe siendo grande: lo que importa es el decrecimiento espectral de las potencias, no la primera norma. Los operadores de Volterra llevan incorporado ese decrecimiento factorial (el Ejercicio 7.4(a) explotaba exactamente esto), y por eso los problemas de valores iniciales nunca padecen los fenómenos de resonancia de los problemas de contorno (Capítulo 15).
8.2 Hahn–Banach
Teorema 8.6 (Hahn–Banach, forma analítica)
Sean un espacio vectorial real, sublineal ( y para ), un subespacio y lineal con sobre . Entonces se extiende a una aplicación lineal con sobre .
Demostración. Extensión en un paso. Sea ; extendemos a eligiendo adecuadamente: necesitamos que, para todos , ,
lo que, tras dividir por (sublinealidad), se reduce a
Un tal existe si y solo si todo miembro izquierdo es que todo miembro derecho: en efecto, , es decir, .
Zorn. Ordénense por extensión las extensiones de dominadas por (pares: subespacio y funcional); una cadena tiene la unión por cota superior; y un elemento maximal ha de estar definido en todo , pues en caso contrario la extensión en un paso contradiría la maximalidad. ∎
Corolario 8.7
Sea un espacio normado ( o ).
- Toda (con un subespacio) se extiende a con .
- Para todo existe con y . En particular, separa los puntos de , y .
- Para un subespacio cerrado y , existe que se anula en con y .
Demostración. (1) Caso real: aplíquese el Teorema 8.6 con (sublineal); la extensión cumple , luego , y es la restricción. Caso complejo: sea , una funcional real con ; obsérvese que (compruébese sobre las partes real e imaginaria: ). Extiéndase de manera real-lineal con la misma cota y póngase : es -lineal (comprobación directa sobre la multiplicación por ) y extiende ; norma: para dado, escríbase , y entonces .
(2) Sobre defínase : tiene norma sobre ; extiéndase por (1). La fórmula de dualidad: es claro, y por esta .
(3) Sobre defínase ; entonces, para , : sobre el subespacio; extiéndase por (1). ∎
Observación 8.8
Por (2), la aplicación canónica , , es una isometría (el Ejercicio 8.10): todo espacio normado se aloja dentro de su bidual. Los espacios con sobreyectiva se llaman reflexivos; el problema de fin de semana muestra que () es reflexivo mientras que no lo es.
8.3 La trilogía de Baire
Teorema 8.9 (Banach–Steinhaus, acotación uniforme)
Sean un espacio de Banach, normado y una familia con para todo . Entonces .
Demostración. Los conjuntos son cerrados (intersecciones de preimágenes de bolas cerradas) y recubren . Baire (el Teorema 7.6) da y una bola . Para : , luego para todo . ∎
Corolario 8.10
Si es de Banach y las convergen puntualmente ( para cada ), entonces , , y .
Demostración. Las sucesiones convergentes están acotadas: acotación puntual; Banach–Steinhaus acota las normas por cierto ; entonces ( es lineal por ser límite puntual), y la cota más fina se obtiene haciendo en . ∎
Teorema 8.11 (Series de Fourier divergentes)
Existen funciones continuas -periódicas cuya serie de Fourier diverge en : . De hecho, tales forman un subconjunto denso de .
Demostración. Trabajemos en , un espacio de Banach, con las funcionales (núcleo de Dirichlet, segundo año). Cada es continua con
( es claro; : tómese continua, , que aproxime — el signo tiene un número finito de saltos; suavizando cada salto en un intervalo de longitud , la integral varía en .) Las constantes de Lebesgue tienden a infinito:
(usando en y sustituyendo después ). Cortando en arcos:
Si toda continua cumpliera , Banach–Steinhaus obligaría a : contradicción. Luego alguna — de hecho, un conjunto denso y no magro de (el complementario de , unión numerable de cerrados que, al no tener interior por lo anterior aplicado en cualquier bola, es magro) — cumple . ∎
Teorema 8.12 (Aplicación abierta)
Sean espacios de Banach y sea sobreyectivo. Entonces es abierto: para cierto . En consecuencia, un operador acotado biyectivo entre espacios de Banach tiene inversa acotada.
Demostración. Escribamos . La sobreyectividad da ; Baire (el Teorema 7.6) da interior a : cierto . Recentrando en : para , tanto como son límites de imágenes , con , luego con : , es decir, .
Eliminar la clausura (aquí interviene la completitud de ): sea . Tómese con ( reescalado por ); inductivamente, con . La serie converge absolutamente en el espacio de Banach , hacia cierto (de norma ), y por continuidad: . El carácter abierto de sobre abiertos arbitrarios se sigue por traslación y homotecia; y para el corolario, que sea abierta significa que es continua. ∎
Corolario 8.13 (Normas equivalentes)
Si un espacio vectorial es completo para dos normas comparables (), las normas son equivalentes.
Demostración. La identidad es acotada y biyectiva entre espacios de Banach: su inversa es acotada. ∎
Teorema 8.14 (Gráfica cerrada)
Sean de Banach y lineal. Si la gráfica es cerrada en (es decir, si y implican ), entonces es acotado.
Demostración. con es de Banach; , subespacio cerrado, es de Banach. La proyección es acotada y biyectiva, de modo que su inversa es acotada (Teorema 8.12): . ∎
Método 8.15
Cuándo echar mano de cada teorema. Hahn–Banach: para producir una funcional con un comportamiento prescrito (que norme un vector, que se anule en un subespacio, que extienda desde un subespacio) — no hace falta completitud. Banach–Steinhaus: para convertir información puntual en cotas uniformes — típicamente, para ver que una operación de paso al límite es continua, o bien (por contrarrecíproco) para demostrar la divergencia de algún elemento, como con las series de Fourier. Aplicación abierta / gráfica cerrada: para obtener gratis la continuidad a partir de la biyectividad algebraica o de una propiedad de clausura de la gráfica — uso típico: comparar dos normas completas, o demostrar la continuidad automática. Los tres teoremas de Baire exigen la completitud del espacio de partida; en caso contrario hay contraejemplos (Ejercicio 8.7).
8.4 Espacios duales, en concreto
Teorema 8.16
Isométricamente: y , mediante el emparejamiento .
Demostración. Demostramos ; la segunda identificación es el Ejercicio 8.5. A asóciesele (): la serie converge absolutamente, con , luego . Recíprocamente, sea ; póngase ( son las sucesiones unidad). Para cualquiera, evalúese en (de norma ; en el caso complejo úsense factores unimodulares ): . Luego con . Por último, : ambas coinciden sobre los y, por tanto, sobre las sucesiones finitas, que son densas en (truncamiento: precisamente porque ); y dos funcionales continuas que coinciden sobre un conjunto denso son iguales. La correspondencia es lineal, biyectiva e isométrica ( a partir de las dos desigualdades). ∎
8.5 Ejercicios
Ejercicio 8.1 ★
Calcular las normas de operador: (a) de los desplazamientos y sobre ; (b) del operador de multiplicación sobre , para ; (c) de la funcional sobre — demuéstrese que y que la norma no se alcanza.
Solución
Solución de Ejercicio 8.1.
(a) : es una isometría, . Para el desplazamiento hacia atrás: , con igualdad para : .
(b) ; evaluando en se obtiene para todo : .
(c) : . Para , sea igual a en y a en , afín entre medias: y : . No se alcanza: con obliga a y , es decir (continuidad, ), a en y en : contradicción en .
Ejercicio 8.2 ★
Sean de Banach, invertible y con . Demostrar que es invertible y estimar . Aplicación: si un sistema lineal es resoluble con invertible, una perturbación suficientemente pequeña de lo mantiene unívocamente resoluble, con una cota cuantitativa del cambio de la solución.
Solución
Solución de Ejercicio 8.2.
Escríbase con : por la Proposición 8.4, es invertible con , de donde
Para el sistema lineal: y difieren a lo sumo en esa cota por — las perturbaciones pequeñas de un sistema invertible siguen siendo unívocamente resolubles, con dependencia lipschitziana de la solución respecto del operador.
Ejercicio 8.3 ★★
(a) Demostrar que , y son espacios de Banach, y que es la clausura en del espacio de las sucesiones finitas. (b) Demostrar que con para , y que la inclusión es estricta.
Solución
Solución de Ejercicio 8.3.
(a) : sea de Cauchy. Cada coordenada es de Cauchy (): sea . Dado , para : para todo ; hágase y después : , y . : ser de Cauchy para es ser uniformemente de Cauchy: converge uniformemente a una sucesión acotada. es cerrado en : si uniformemente con , entonces da : ; y un subespacio cerrado de un espacio de Banach es de Banach. Sucesiones finitas: su clausura contiene todo (los truncamientos convergen: ) y está contenida en el cerrado .
(b) Por homogeneidad, supóngase : entonces para todo , luego y ; para , directamente. Que la inclusión es estricta: con está en (serie de Riemann).
Ejercicio 8.4 ★★
Sean un subespacio cerrado y . Usando el Corolario 8.7, demostrar la fórmula de dualidad
(obsérvese: un máximo). Deducir que : los subespacios cerrados son exactamente las intersecciones de núcleos de funcionales.
Solución
Solución de Ejercicio 8.4.
() Si y : para todo , ; tómese el ínfimo. (, y se alcanza) El Corolario 8.7(3) produce con , , : el supremo es un máximo. Consecuencia: trivialmente, y un punto queda excluido de la intersección por la funcional anterior (, por ser cerrado).
Ejercicio 8.5 ★★
Demostrar que isométricamente, siguiendo el esquema del Teorema 8.16 (las sucesiones finitas son densas en ). ¿Dónde se rompe el argumento para ?
Solución
Solución de Ejercicio 8.5.
Para : , luego ; evaluando en : : igualdad. Recíprocamente, dada , póngase : , luego ; y y coinciden sobre las sucesiones finitas, que son densas en (): . La aplicación es lineal, isométrica y sobreyectiva. Para , el mismo comienzo produce una sucesión , pero las sucesiones finitas no son densas en (la sucesión constante dista de todas ellas), de modo que no queda determinada por los — y, en efecto, (Problema 8.1).
Ejercicio 8.6 ★★
Sea normado con de Banach, y sea bilineal y continua en cada variable por separado. Demostrar que es (conjuntamente) continua: . (Aplíquese Banach–Steinhaus a la familia .)
Solución
Solución de Ejercicio 8.6.
Para cada fijo, es lineal continua: . Así que la familia (cada miembro continuo, por continuidad en ) está puntualmente acotada sobre el espacio de Banach : Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) da con para todos ; y la homogeneidad en remata: .
Ejercicio 8.7 ★★
(a) Sobre , compárense y : la identidad es acotada y biyectiva, pero su inversa no está acotada. ¿Qué hipótesis del Corolario 8.13 falla? (b) Exhibir una aplicación lineal discontinua de un subespacio denso de en (por ejemplo, sobre las sucesiones finitas) y explicar por qué esto no contradice el teorema de la gráfica cerrada.
Solución
Solución de Ejercicio 8.7.
(a) : la identidad es acotada y biyectiva. Su inversa no está acotada: cumple pero . No hay contradicción con el Corolario 8.13: no es completo (el Ejercicio 7.1); el corolario exige completitud en ambos lados.
(b) Sobre el espacio de las sucesiones finitas (denso en ), es lineal y no acotada ( con ). El teorema de la gráfica cerrada no se aplica: no es completo — y no tiene extensión continua a , lo que ilustra que la densidad sin continuidad uniforme es impotente (Teorema 7.2).
Ejercicio 8.8 ★★★
(Hellinger–Toeplitz) Sea lineal (definido en todo el espacio) y simétrico: para todos , donde . Demostrar que es acotado. (Gráfica cerrada: si y , evalúese contra arbitrario.) Moraleja: los operadores simétricos no acotados — los hamiltonianos de la mecánica cuántica — nunca pueden definirse en todo el espacio.
Solución
Solución de Ejercicio 8.8.
Verifiquemos la hipótesis de la gráfica cerrada. Sean y en . Para todo :
usando la continuidad del producto escalar en cada argumento (Cauchy–Schwarz) y la simetría dos veces. Así pues, es ortogonal a todo , en particular a sí mismo: . La gráfica es cerrada y es de Banach: está acotado (el Teorema 8.14). Por tanto, un operador simétrico definido en todo está automáticamente acotado; los operadores simétricos genuinamente no acotados (posición, momento, hamiltonianos) han de vivir sobre subespacios densos propios.
Ejercicio 8.9 ★★★
(Teorema de Pólya sobre cuadraturas) Para cada , sea una fórmula de cuadratura sobre (, ). Demostrar que para toda continua si y solo si: (i) para todo polinomio y (ii) . (Calcúlese ; úsense Banach–Steinhaus y Weierstrass.) Compruébese que las fórmulas con pesos positivos exactas sobre las constantes cumplen (ii) automáticamente.
Solución
Solución de Ejercicio 8.9.
Primero, : es la desigualdad triangular; se obtiene evaluando en una lineal a trozos con y (interpólese linealmente entre los finitos nodos; donde los nodos coinciden, los signos concuerdan).
() La convergencia puntual en todo implica (i) y la acotación puntual, de modo que Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) sobre el espacio de Banach da (ii).
() Sea . Dados y , elíjase un polinomio con (el Corolario 7.16); entonces
Pesos positivos y exactitud sobre las constantes: para las fórmulas exactas sobre las constantes — (ii) se cumple con constante .
Ejercicio 8.10 ★★
Demostrar que , , es una isometría lineal (úsese el Corolario 8.7(2)) y que es sobreyectiva cuando . Demostrar también que si es separable, también lo es . (Tómense que casi normen una sucesión densa de y demuéstrese que su envoltura lineal cerrada es , mediante Corolario 8.7(3).)
Solución
Solución de Ejercicio 8.10.
La linealidad de es formal; por el Corolario 8.7(2). Si : (una base da funcionales coordenadas), luego , y la aplicación inyectiva (isométrica) es sobreyectiva. Separabilidad: sea denso en y elíjanse con . Sea ; si , tómese , , que se anule en (el Corolario 8.7(3)); elíjase :
luego : contradicción. Por tanto , y las combinaciones racionales (o ) de los forman un conjunto denso numerable.
Ejercicio 8.11 ★★
(Espacios cociente) Sean un espacio de Banach y un subespacio cerrado. Sobre defínase
(a) Demostrar que esto define bien una norma sobre (¿dónde interviene que sea cerrado?) y que la proyección cumple y lleva la bola unidad abierta sobre la bola unidad abierta. (b) Demostrar que es completo. (Úsese el criterio de series del Ejercicio 7.1(b): dadas clases con , levántese cada una a con y súmese en .) (c) Calcúlese: para (sucesiones convergentes) y , demuéstrese que isométricamente mediante .
Solución
Solución de Ejercicio 8.11.
(a) Bien definida: solo depende de (trasladar por no cambia la distancia). La homogeneidad y la desigualdad triangular pasan de a través del ínfimo. La separación necesita que sea cerrado: significa , es decir, , es decir, . : . Bola abierta sobre bola abierta: si , algún representante cumple ; recíprocamente, por la desigualdad de las normas — de modo que es abierta, el caso modelo del teorema de la aplicación abierta.
(b) Sea y levántese con : entonces , luego converge en el espacio de Banach (el Ejercicio 7.1(b)), y la continuidad de da : toda serie absolutamente convergente de converge, lo que equivale a la completitud (mismo ejercicio).
(c) La aplicación es lineal , se anula exactamente en y, por tanto, induce una biyección lineal . Isometría: — : réstese de la sucesión , lo que deja de norma ; : para , .
Ejercicio 8.12 ★★
(Proyecciones acotadas y subespacios complementados) Sean un espacio de Banach y lineal con (una proyección algebraica), , . (a) Supóngase acotado. Demostrar que y son cerrados y que con la descomposición . (b) Recíprocamente, supóngase con ambos cerrados, y sea la proyección sobre paralelamente a . Demostrar que es acotado. (Gráfica cerrada: si y , entonces , , y la unicidad de la descomposición identifica .) (c) Deducir la equivalencia: un subespacio admite una proyección acotada si y solo si es cerrado y tiene un complemento algebraico cerrado — y obsérvese (sin demostración) que existen subespacios cerrados sin esa propiedad ( dentro de es el ejemplo clásico): los espacios de Hilbert, donde siempre sirve (el Capítulo 13), son la excepción, no la regla.
Solución
Solución de Ejercicio 8.12.
(a) es cerrado (preimagen de por una aplicación continua); (en efecto, si y solo si , usando ), cerrado análogamente. Todo se descompone como con , , y (): .
(b) El argumento de la gráfica: sean y . Entonces ( cerrado, ) y ( cerrado). Luego con , ; y por la unicidad de la descomposición, . La gráfica de es cerrada y es de Banach: está acotado (el Teorema 8.14).
(c) (a) y (b) juntos son la equivalencia. En un espacio de Hilbert, todo cerrado tiene el complemento cerrado (el Capítulo 13): todo subespacio cerrado es complementado. En los espacios de Banach generales esto falla — no tiene complemento cerrado en (teorema de Phillips, fuera de nuestras herramientas) —, de modo que las proyecciones acotadas son un privilegio, y el teorema de la gráfica cerrada es exactamente la contabilidad que convierte las descomposiciones geométricas en operadores acotados.
8.6 Problema: la dualidad de los espacios
Problema 8.1
Problema de fin de semana — , reflexividad y la rareza de
Fíjese y sea el exponente conjugado, . El emparejamiento en todo el problema es .
Parte I — Hölder y Minkowski para sucesiones.
- (Desigualdad de Young) Para , demostrar , usando la concavidad de o estudiando .
- (Hölder) Deducir: para , ; identificar el caso de igualdad.
- (Minkowski) Deducir la desigualdad triangular para . (Escríbase y aplíquese Hölder a cada término.)
- Demostrar que es completo y que las sucesiones finitas son densas en él.
Parte II — La dualidad .
- Para , demostrar que define con y, evaluando en (convenientemente truncada y normalizada), que .
- Recíprocamente, dada , póngase ; demostrar que con (evalúese en truncamientos como en la pregunta 5 y hágase crecer la longitud del truncamiento) y concluir : la aplicación es un isomorfismo isométrico .
- Deducir que es reflexivo para : componiendo las dos dualidades, todo elemento de procede de ; verifíquese con cuidado que la compuesta es la canónica.
Parte III — y son animales distintos.
- Demostrar que () y son separables, pero no lo es. (Las sucesiones indicadoras de los subconjuntos de , en cantidad no numerable, distan dos a dos .)
- Deducir del Ejercicio 8.10 que pero : no es reflexivo. (Si fuese , sería separable, lo que forzaría que fuese separable.)
- (Un límite de Banach, explícitamente) Sobre , sea . Demostrar que es sublineal y que, sobre el subespacio de las sucesiones convergentes, cumple . Extiéndase por Hahn–Banach a y demuéstrese que es positiva (), invariante por desplazamiento, (), extiende el límite y cumple .
- Demostrar que una tal , vista en , no es de la forma para ningún ; concluir de nuevo . (Evalúese en las sucesiones unidad y después en la sucesión constante .)
- Evaluar en y demostrar que no puede existir ninguna extensión multiplicativa del límite invariante por desplazamiento (considérense y , donde es el desplazamiento).
Parte IV — Epílogo: por qué importa la reflexividad.
- Usando el Corolario 8.10 y la pregunta 6, demostrar que toda sucesión acotada de () tiene una subsucesión que converge débilmente: converge para toda . (Extracción diagonal sobre las coordenadas, en cantidad numerable; identifíquese el límite débil en usando la acotación uniforme de las normas y Hölder.) Demuéstrese con un ejemplo ( en , contra elementos bien elegidos de ) que esto falla en : la compacidad débil es un privilegio de los espacios reflexivos.
Parte V — La topología débil en acción, y la sorpresa de Schur. Escribimos en un espacio normado (convergencia débil) cuando para toda .
- Complétese el censo: demuéstrese isométricamente, con el esquema de las preguntas 5–6 (¿qué sustituye a las sucesiones de prueba?). Móntese la cadena de duales sucesivos y señálese dónde falla la reflexividad.
- Demostrar que toda sucesión débilmente convergente de un espacio de Banach está acotada: véanse los a través del encaje canónico como funcionales sobre y aplíquese Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) — ¿sobre qué espacio de Banach, y por qué se dispone allí de la completitud?
- Demostrar que, en , : si y solo si y para toda coordenada (una implicación usa Banach–Steinhaus a través del encaje canónico; para la otra, aproxímese por sucesiones finitas). Deducir en mientras que : los límites débiles pueden perder masa.
- Demostrar que la norma es débilmente semicontinua inferiormente: implica (tómese una funcional que norme , el Corolario 8.7).
- (Radon–Riesz en ) Demostrar que, en , la convergencia débil junto con la convergencia de las normas implica la convergencia en norma (desarróllese ). Dese un contraejemplo del mismo enunciado sin la hipótesis sobre las normas.
(Schur, paso 1) Sea en y supóngase, por reducción al absurdo, a lo largo de una subsucesión. Demuéstrese primero que para cada (¿qué funcionales?) y constrúyanse después recursivamente índices y enteros tales que la masa de se concentre en el bloque :
- (Schur, paso 2) Defínase mediante para . Demostrar que y obtener una contradicción con . Concluir el teorema de Schur: en , las sucesiones débilmente convergentes convergen en norma.
- Deducir que no tiene ninguna subsucesión débilmente convergente en (su único candidato a límite es , coordenada a coordenada — aplíquese después Schur), lo que recupera el fallo de compacidad débil de la pregunta 13; y resuélvase la aparente paradoja: en , la convergencia débil y la convergencia en norma de sucesiones coinciden y, sin embargo, las topologías débil y de la norma difieren, y los acotados siguen sin ser débilmente compactos por sucesiones — no hay contradicción, solo el fallo de la reflexividad.
- (Tabla de síntesis) Para , tabúlense: el dual; la separabilidad; la reflexividad; si las sucesiones acotadas admiten subsucesiones débilmente convergentes; y una propiedad característica de cada espacio, justificada en una línea a partir de este problema.
Parte VI — Complementos: puntos más próximos, convergencia promediada y el valor de un límite de Banach.
- (Puntos más próximos: un dividendo de la reflexividad) Sean un subespacio cerrado de () y . Demostrar que se alcanza: extráigase de una sucesión minimizante una subsucesión débilmente convergente (pregunta 13), manténgase el límite débil dentro de construyendo, vía Hahn–Banach, una funcional que se anule en pero no en un punto exterior, y concluir con la pregunta 17. Demuéstrese después que el privilegio no es universal: en , para , demuéstrese que no se alcanza en la bola unidad, establézcase la fórmula de la distancia y dedúzcase que ningún tiene punto más próximo en el hiperplano cerrado .
(Banach–Saks en ) Sea en con . Constrúyase una subsucesión con para todos , y dedúzcase
tras una extracción, las medias de Cesàro convergen en norma. Compruébese en , cuyas medias tienen norma : la convergencia débil, inútil para la propia sucesión (pregunta 16), se convierte en convergencia en norma para las medias.
- (El valor de un límite de Banach) Sea un límite de Banach cualquiera (pregunta 10) y sea . Demostrar que y ; deducir que todos los límites de Banach coinciden sobre las sucesiones periódicas, con valor la media sobre un período — sobre , coherente con el de la pregunta 12. Demuéstrese después que la coincidencia falla en general: para la sucesión por bloques igual a sobre con par y a en el resto, demuéstrese que las medias de Cesàro oscilan entre y , y constrúyanse dos límites de Banach con (extiéndase desde con los valores admisibles extremos : compruébese que está dominada por la funcional sublineal de la pregunta 10).
Solución
Solución de Problema 8.1.
1. Para : por la concavidad de , ; exponénciese. (Si , la desigualdad es trivial.) Igualdad si y solo si .
2. Podemos suponer (homogeneidad; los casos nulos son triviales). Entonces
La igualdad exige para todo (caso de igualdad de Young) y la alineación de las fases de .
3. ; sumando y aplicando Hölder ( contra , con ):
si (si no, es trivial), divídase por y úsese . (Primero, la finitud de : .)
4. Completitud: como para (el Ejercicio 8.3), límites coordenada a coordenada más la cota uniforme de la cola , haciendo tender y después a infinito. Densidad de las sucesiones finitas: .
5. Hölder da : . Evaluación: tómese para y a partir de ahí (con la fase unimodular, de modo que ). Entonces y (pues ), luego
6. Póngase . Con los mismos vectores de prueba, , de donde para todo : , . Las funcionales y coinciden sobre las sucesiones finitas, que son densas (pregunta 4): . Junto con la pregunta 5, es un isomorfismo isométrico .
7. Sea . Componiendo con la isometría de la pregunta 6, define un elemento de , que (pregunta 6 con intercambiados) es para un único : para todo , . Por otra parte, : el mismo valor. Como todo elemento de es algún , : es sobreyectiva — es reflexivo.
8. Las sucesiones finitas con entradas racionales (parte real e imaginaria) son numerables y densas en () y en . En : la familia es no numerable con para ; las bolas son disjuntas dos a dos, y un conjunto denso tendría que cortar a todas ellas: no existe ningún conjunto denso numerable.
9. Si fuera reflexivo, entonces sería separable (imagen isométrica del separable ); y por el Ejercicio 8.10, la separabilidad del dual forzaría que fuese separable — en contra de la pregunta 8. Luego no es reflexivo (y es estrictamente mayor que , como concreta la pregunta 11).
10. La homogeneidad de es clara; subaditividad: las medias son lineales y . Sobre : las medias de Cesàro de una sucesión convergente convergen a su límite, de modo que allí ; en particular, sobre . Hahn–Banach (el Teorema 8.6) extiende a con globalmente. Positividad: para , . Invariancia por desplazamiento: las medias de telescopan hasta , luego y . Cotas: (las medias van por detrás de los supremos), y aplicándolo a se obtiene la cota inferior.
11. , luego para todo . Si con , entonces para todo : ; pero . Luego : , de nuevo.
12. Para : , luego : . Si fuera una extensión multiplicativa del límite invariante por desplazamiento: da , luego ; pero da : contradicción. Promediar y multiplicar no pueden convivir.
13. Sea . Las coordenadas están acotadas por : una extracción diagonal da una subsucesión (que seguimos escribiendo ) con para todo . Entonces : para todo . Convergencia débil: para y arbitrario,
donde el primer término tiende a cuando (finitas coordenadas) y el segundo es pequeño para grande (Hölder sobre la cola): para toda — convergencia débil, pues toda funcional es un (pregunta 6). En esto falla: considérese , acotada. Toda subsucesión converge coordenada a coordenada a , de modo que su único candidato a límite débil es ; pero evaluando contra definida por (y en el resto), diverge. No hay subsucesión débilmente convergente: la compacidad secuencial débil de las bolas caracteriza el mundo reflexivo.
14. Para , está definida sobre con , y evaluando en se obtiene : . Recíprocamente, para póngase ; las mismas evaluaciones dan , luego , y sobre las sucesiones finitas, densas, y por tanto en todas partes. La cadena de duales: , (Ejercicio 8.10), (preguntas 9–11): la reflexividad falla ya en el primer paso — — y no se recupera nunca.
15. es una familia de funcionales acotadas sobre el espacio de Banach (los duales son completos, la Proposición 8.2); para cada , la sucesión converge y, por tanto, está acotada. Banach–Steinhaus sobre da , y es isométrico (Observación 8.8): .
16. () La acotación es la pregunta 15; las coordenadas son las funcionales . () Sean , , ; elíjase con . Entonces
y la suma finita tiende a : para toda . (Que con se sigue de cotas de secciones finitas al estilo de Fatou: .) Para en : acotada, coordenada a coordenada , luego y, sin embargo, : la unidad de masa se escapa hacia índices infinitos, invisible para toda funcional fija.
17. Tómese con y (el Corolario 8.7). Entonces . (Con : , y la desigualdad puede ser estricta.)
18. En , (caso real: ). La convergencia débil aplicada a la funcional da , y las normas convergen por hipótesis: el miembro derecho tiende a . Contraejemplo sin convergencia de las normas: , .
19. Convergencia de las coordenadas: aplíquense las funcionales (). Construcción: elegidos , tómese tan grande que (finitas coordenadas, cada una ), y después tan grande que la cola cumpla (convergencia de la serie que define ). El bloque concentra entonces toda la masa salvo de .
20. Con tal como se ha definido ( en todas partes):
la desigualdad central porque la masa fuera del bloque es a lo sumo (pregunta 19). Pero y obligan a : contradicción. Por tanto, las sucesiones débilmente nulas de son nulas en norma y, por traslación, las débilmente convergentes convergen en norma: el teorema de Schur.
21. Una subsucesión débilmente convergente de tendría límite (coordenadas), luego, por Schur, — pero las normas valen . Así que no existe ninguna subsucesión débilmente convergente, como ya se vio a mano en la pregunta 13. No hay paradoja: Schur dice que las sucesiones no pueden distinguir la topología débil de la de la norma en (las topologías sí difieren — los entornos débiles nunca están acotados en norma), y la compacidad secuencial débil de la bola unidad es una propiedad distinta y más fuerte, equivalente a la reflexividad (Eberlein–Šmulian, fuera de nuestras herramientas; el fallo, al menos, sí lo hemos demostrado).
22. El censo.
| sep. | refl. | bolas déb. sec. cpt. | ||
|---|---|---|---|---|
| sí | no | no () | ||
| sí | no | no (, p. 21) | ||
| sí | sí | sí (p. 13) | ||
| no | no | no |
Rasgos característicos: — su bidual es : el primer paso no reflexivo (pregunta 14); — la propiedad de Schur (pregunta 20); — reflexividad y compacidad débil (preguntas 7 y 13); — no separabilidad y límites de Banach: funcionales que ninguna sucesión puede representar (preguntas 8, 10–11). Una familia de espacios, cuatro mundos distintos.
23. Sea con . Entonces : está acotada, de modo que, por la pregunta 13, alguna subsucesión . Si , entonces ( cerrado); sobre , la forma lineal cumple (porque ), y Hahn–Banach la extiende a con , ; pero entonces : contradicción. Luego y da, por la pregunta 17,
la distancia se alcanza en . En : para todo (una sucesión nula no nula no puede cumplir para todo ), mientras que las truncadas dan : así que , y nunca se alcanza. Fórmula de la distancia: para , , luego ; recíprocamente, para en la bola unidad con , el vector está en con : igualdad. Si algún la alcanzara, cumpliría , de modo que alcanzaría su norma en : imposible. Un hiperplano cerrado de sin puntos más próximos en ninguna parte — la reflexividad no era un adorno.
24. Póngase . Dado , cada aplicación tiende a (), de modo que existe posterior al índice anterior con para ; llámese a esa elección. Entonces
y dividiendo por : . (Para un límite débil , aplíquese esto a .) Sobre la sucesión ortonormal ni siquiera hace falta extraer: . Las medias convierten la convergencia débil en convergencia en norma: la propiedad de Banach–Saks de .
25. , de modo que la linealidad y la invariancia por desplazamiento dan . Para acotada cualquiera y , tómese con para ; la positividad aplicada a y a da y, simétricamente, : luego para todo . Si es -periódica, es la sucesión constante igual a la media del período : para todo límite de Banach — sobre y sobre , como en la pregunta 12. Para la sucesión por bloques: en con par, el último bloque es todo unos, de modo que la media de Cesàro vale ; en con impar, todos los unos están en , de modo que la media vale . Por tanto, y . Sobre defínase . Dominación por : para , la sublinealidad da , es decir, (obsérvese que para : las medias de Cesàro de una sucesión convergente convergen a su límite); para , da ; y para hay igualdad. Luego sobre , y Hahn–Banach la extiende a sobre , que es un límite de Banach exactamente como en la pregunta 10 (la dominación por da la positividad, la invariancia por desplazamiento y el valor sobre ), con . El mismo cálculo con (usando para el caso ) da un límite de Banach con . Dos límites de Banach, una sucesión, dos valores: fuera del mundo periódico (y, más en general, del casi convergente), un límite de Banach es una elección genuina.