Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

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 p\ell^p, sobre cálculos concretos de duales y sobre una aplicación genuinamente sorprendente: existen funciones continuas 2π2\pi-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, E,FE, F son espacios normados sobre K=RK = \R o C\C; espacio de Banach significa espacio normado completo.

8.1 Operadores acotados; espacios de sucesiones

Definición 8.1

L(E,F)\mathcal L(E, F) denota el espacio de las aplicaciones lineales acotadas (= continuas, segundo año) con la norma de operador T=supx1Tx\vertiii T = \sup_{\norm x \leq 1}\norm{Tx}; es submultiplicativa: STST\vertiii{ST} \leq \vertiii S\,\vertiii T. El dual es E=L(E,K)E' = \mathcal L(E, K).

Proposición 8.2

Si FF es un espacio de Banach, también lo es L(E,F)\mathcal L(E, F); en particular, EE' siempre es un espacio de Banach.

Demostración. Sea (Tn)(T_n) de Cauchy para \vertiii\cdot. Para cada xx, TnxTmxTnTmx\norm{T_nx - T_mx} \leq \vertiii{T_n - T_m}\norm x: (Tnx)(T_nx) es de Cauchy en FF y converge; llamemos TxTx a su límite. TT es lineal (límites de identidades lineales); pasando al límite en TnxTmxεx\norm{T_nx - T_mx} \leq \varepsilon\norm x (n,mNn, m \geq N) se obtiene TnxTxεx\norm{T_nx - Tx} \leq \varepsilon\norm x: TnTT_n \to T en norma de operador, y TTN+ε<\vertiii T \leq \vertiii{T_N} + \varepsilon < \infty.

Definición 8.3

Los espacios de sucesiones clásicos (sobre KK, indexados por N\N):

p={x=(xn):xp=(nxnp)1/p<}(1p<),\ell^p = \Bigl\{x = (x_n) : \norm x_p = \Bigl(\sum_n \abs{x_n}^p\Bigr)^{1/p} < \infty\Bigr\}\quad (1 \leq p < \infty),
={x:x=supxn<},\ell^\infty = \{x : \norm x_\infty = \sup\abs{x_n} < \infty\},

y c0={x:xn0}c_0 = \{x : x_n \to 0\} con \norm\cdot_\infty. Que p\norm\cdot_p 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 c0c_0 es un subespacio cerrado de \ell^\infty (Ejercicio 8.3).

Bolas unidad de las normas p en el plano, encajadas conforme p crece desde 1 (rombo), pasando por 2 (disco) y 4 (superelipse), hasta ∈fty (cuadrado). La convexidad de cada bola es la desigualdad de Minkowski; y las esquinas en p = 1 y p = ∈fty son el lugar donde la convexidad estricta, la unicidad de la mejor aproximación y los casos de igualdad del  degeneran todos a la vez.
Bolas unidad de las normas pp en el plano, encajadas conforme pp crece desde 11 (rombo), pasando por 22 (disco) y 44 (superelipse), hasta \infty (cuadrado). La convexidad de cada bola es la desigualdad de Minkowski; y las esquinas en p=1p = 1 y p=p = \infty son el lugar donde la convexidad estricta, la unicidad de la mejor aproximación y los casos de igualdad del Ejercicio 12.12 degeneran todos a la vez.

Proposición 8.4 (Serie de Neumann)

Sea EE de Banach y sea TL(E)=L(E,E)T \in \mathcal L(E) = \mathcal L(E,E) con T<1\vertiii T < 1. Entonces ITI - T es invertible en L(E)\mathcal L(E), con (IT)1=n0Tn(I - T)^{-1} = \sum_{n\geq0}T^n (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 (TnTn\vertiii{T^n} \leq \vertiii T^n, geométrica) en el espacio de Banach L(E)\mathcal L(E) (Proposición 8.2; el Ejercicio 7.1(b)). Telescopando, (IT)nNTn=ITN+1I(I - T)\sum_{n \leq N}T^n = I - T^{N+1} \to I, y análogamente por el otro lado. Para el carácter abierto: si SS es invertible y H<1/S1\vertiii{H} < 1/\vertiii{S^{-1}}, entonces S+H=S(I+S1H)S + H = S(I + S^{-1}H) con S1H<1\vertiii{S^{-1}H} < 1: es invertible. Continuidad de la inversión: la expresión en serie da (S+H)1S1=O(H)\vertiii{(S+H)^{-1} - S^{-1}} = O(\vertiii H) localmente.

Ejemplo 8.5 (Una ecuación de Volterra, resuelta por Neumann)

Sobre E=C([0,1])E = \mathcal C(\intcc01), considérese la ecuación integral

u(x)=1+λ0xu(t) ⁣dt,es deciru=1+λTu,(Tu)(x)=0xu.u(x) = 1 + \lambda\int_0^xu(t)\,\dd t, \qquad\text{es decir}\qquad u = \mathbf 1 + \lambda Tu, \quad (Tu)(x) = \int_0^xu .

Aquí T1\vertiii T \leq 1, de modo que para λ<1\abs\lambda < 1 la serie de Neumann se aplica directamente: u=(IλT)11=nλnTn1u = (I - \lambda T)^{-1}\mathbf 1 = \sum_n\lambda^nT^n\mathbf 1. Calculando, Tn1=xnn!T^n\mathbf 1 = \frac{x^n}{n!}, luego

u(x)=n0(λx)nn!=eλx,u(x) = \sum_{n\geq0}\frac{(\lambda x)^n}{n!} = \eu^{\lambda x} ,

como confirma la derivación. Mejor aún: Tn1n!\vertiii{T^n} \leq \frac1{n!} (el núcleo iterado decrece factorialmente), de modo que λnTn\sum\lambda^nT^n converge para todo λ\lambda — el operador IλTI - \lambda T es invertible para todos los λC\lambda \in \C, aunque λT1\vertiii{\lambda T} \geq 1 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 EE un espacio vectorial real, p ⁣:ERp \colon E \to \R sublineal (p(x+y)p(x)+p(y)p(x + y) \leq p(x) + p(y) y p(tx)=tp(x)p(tx) = tp(x) para t0t \geq 0), FEF \subseteq E un subespacio y f ⁣:FRf \colon F \to \R lineal con fpf \leq p sobre FF. Entonces ff se extiende a una aplicación lineal f~ ⁣:ER\tilde f \colon E \to \R con f~p\tilde f \leq p sobre EE.

Demostración. Extensión en un paso. Sea x0Fx_0 \notin F; extendemos ff a FRx0F \oplus \R x_0 eligiendo α=f~(x0)\alpha = \tilde f(x_0) adecuadamente: necesitamos que, para todos yFy \in F, t>0t > 0,

f(y)+tαp(y+tx0)yf(y)tαp(ytx0),f(y) + t\alpha \leq p(y + tx_0) \quad\text{y}\quad f(y) - t\alpha \leq p(y - tx_0),

lo que, tras dividir por tt (sublinealidad), se reduce a

supvF [f(v)p(vx0)]    α    infuF [p(u+x0)f(u)].\sup_{v \in F}\ \bigl[f(v) - p(v - x_0)\bigr] \;\leq\; \alpha \;\leq\; \inf_{u \in F}\ \bigl[p(u + x_0) - f(u)\bigr].

Un tal α\alpha existe si y solo si todo miembro izquierdo es \leq que todo miembro derecho: en efecto, f(v)+f(u)=f(u+v)p(u+v)p(u+x0)+p(vx0)f(v) + f(u) = f(u + v) \leq p(u + v) \leq p(u + x_0) + p(v - x_0), es decir, f(v)p(vx0)p(u+x0)f(u)f(v) - p(v - x_0) \leq p(u + x_0) - f(u).

Zorn. Ordénense por extensión las extensiones de ff dominadas por pp (pares: subespacio y funcional); una cadena tiene la unión por cota superior; y un elemento maximal ha de estar definido en todo EE, pues en caso contrario la extensión en un paso contradiría la maximalidad.

Corolario 8.7

Sea EE un espacio normado (K=RK = \R o C\C).

  1. Toda fFf \in F' (con FF un subespacio) se extiende a f~E\tilde f \in E' con f~E=fF\norm{\tilde f}_{E'} = \norm f_{F'}.
  2. Para todo x0x \neq 0 existe fEf \in E' con f=1\norm f = 1 y f(x)=xf(x) = \norm x. En particular, EE' separa los puntos de EE, y x=supf1f(x)\norm x = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)}.
  3. Para un subespacio cerrado FF y xFx \notin F, existe fEf \in E' que se anula en FF con f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F) y f1\norm f \leq 1.

Demostración. (1) Caso real: aplíquese el Teorema 8.6 con p(x)=fFxp(x) = \norm f_{F'}\,\norm x (sublineal); la extensión cumple ±f~(x)=f~(±x)p(x)\pm\tilde f(x) = \tilde f(\pm x) \leq p(x), luego f~f\norm{\tilde f} \leq \norm f, y \geq es la restricción. Caso complejo: sea u=Refu = \operatorname{Re}f, una funcional real con uf\abs u \leq \norm f\norm\cdot; obsérvese que f(x)=u(x)iu(ix)f(x) = u(x) - \iu\,u(\iu x) (compruébese sobre las partes real e imaginaria: Imf(x)=Ref(ix)\operatorname{Im}f(x) = -\operatorname{Re}f(\iu x)). Extiéndase uu de manera real-lineal con la misma cota y póngase f~(x)=u~(x)iu~(ix)\tilde f(x) = \tilde u(x) - \iu\tilde u(\iu x): es C\C-lineal (comprobación directa sobre la multiplicación por i\iu) y extiende ff; norma: para xx dado, escríbase f~(x)=reiθ\tilde f(x) = r\eu^{\iu\theta}, y entonces f~(x)=f~(eiθx)=u~(eiθx)fx\abs{\tilde f(x)} = \tilde f(\eu^{-\iu\theta}x) = \tilde u(\eu^{-\iu\theta}x) \leq \norm f\,\norm x.

(2) Sobre F=KxF = Kx defínase f(tx)=txf(tx) = t\norm x: tiene norma 11 sobre FF; extiéndase por (1). La fórmula de dualidad: \leq es claro, y \geq por esta ff.

(3) Sobre FKxF \oplus Kx defínase f(y+tx)=td(x,F)f(y + tx) = t\,d(x, F); entonces, para t0t \neq 0, y+tx=tx+y/ttd(x,F)=f(y+tx)\norm{y + tx} = \abs t\,\norm{x + y/t} \geq \abs t\,d(x, F) = \abs{f(y + tx)}: f1\norm f \leq 1 sobre el subespacio; extiéndase por (1).

Observación 8.8

Por (2), la aplicación canónica J ⁣:EEJ \colon E \to E'', J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x), es una isometría (el Ejercicio 8.10): todo espacio normado se aloja dentro de su bidual. Los espacios con JJ sobreyectiva se llaman reflexivos; el problema de fin de semana muestra que p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) es reflexivo mientras que 1\ell^1 no lo es.

8.3 La trilogía de Baire

Teorema 8.9 (Banach–Steinhaus, acotación uniforme)

Sean EE un espacio de Banach, FF normado y (Ti)iIL(E,F)(T_i)_{i\in I} \subseteq \mathcal L(E, F) una familia con supiTix<\sup_i \norm{T_ix} < \infty para todo xEx \in E. Entonces supiTi<\sup_i \vertiii{T_i} < \infty.

Demostración. Los conjuntos Fn={x:supiTixn}F_n = \{x : \sup_i\norm{T_ix} \leq n\} son cerrados (intersecciones de preimágenes de bolas cerradas) y recubren EE. Baire (el Teorema 7.6) da n0n_0 y una bola B(x0,r)Fn0B(x_0, r) \subseteq F_{n_0}. Para z<r\norm z < r: TizTi(x0+z)+Tix02n0\norm{T_iz} \leq \norm{T_i(x_0 + z)} + \norm{T_ix_0} \leq 2n_0, luego Ti2n0/r\vertiii{T_i} \leq 2n_0/r para todo ii.

Corolario 8.10

Si EE es de Banach y las TnL(E,F)T_n \in \mathcal L(E,F) convergen puntualmente (TnxTxT_nx \to Tx para cada xx), entonces supnTn<\sup_n \vertiii{T_n} < \infty, TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F), y Tlim infTn\vertiii T \leq \liminf \vertiii{T_n}.

Demostración. Las sucesiones convergentes están acotadas: acotación puntual; Banach–Steinhaus acota las normas por cierto MM; entonces Tx=limTnxMx\norm{Tx} = \lim\norm{T_nx} \leq M\norm x (TT es lineal por ser límite puntual), y la cota más fina se obtiene haciendo lim inf\liminf en TnxTnx\norm{T_nx} \leq \vertiii{T_n}\norm x.

Teorema 8.11 (Series de Fourier divergentes)

Existen funciones continuas 2π2\pi-periódicas ff cuya serie de Fourier diverge en 00: supNSN(f)(0)=\sup_N\abs{S_N(f)(0)} = \infty. De hecho, tales ff forman un subconjunto denso de C(S1)\mathcal C(S^1).

Demostración. Trabajemos en E=(C(S1),)E = (\mathcal C(S^1), \norm\cdot_\infty), un espacio de Banach, con las funcionales ΛN(f)=SN(f)(0)=12πππf(t)DN(t) ⁣dt\Lambda_N(f) = S_N(f)(0) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)\,D_N(t)\,\dd t (núcleo de Dirichlet, segundo año). Cada ΛN\Lambda_N es continua con

ΛN=12πππDN(t) ⁣dt  =  LN.\norm{\Lambda_N} = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\abs{D_N(t)}\,\dd t \;=\; L_N .

(\leq es claro; \geq: tómese ff continua, f1\norm f_\infty \leq 1, que aproxime signDN\operatorname{sign}D_N — el signo tiene un número finito de saltos; suavizando cada salto en un intervalo de longitud ε\varepsilon, la integral varía en O(Nε)O(N\varepsilon).) Las constantes de Lebesgue LNL_N tienden a infinito:

LN=12πππsin((N+12)t)sin(t/2) ⁣dt2π0πsin((N+12)t)t ⁣dt=2π0(N+12)πsinuu ⁣duL_N = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} \frac{\abs{\sin\bigl((N{+}\tfrac12)t\bigr)}}{\abs{\sin(t/2)}} \,\dd t \geq \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi} \frac{\abs{\sin\bigl((N{+}\tfrac12)t\bigr)}}{t}\,\dd t = \frac{2}{\pi}\int_0^{(N+\frac12)\pi}\frac{\abs{\sin u}}{u}\,\dd u

(usando sin(t/2)t/2\abs{\sin(t/2)} \leq t/2 en [0,π][0, \pi] y sustituyendo después u=(N+12)tu = (N + \tfrac12)t). Cortando en arcos:

(k1)πkπsinuu ⁣du1kπ(k1)πkπsinu ⁣du=2kπ,luegoLN4π2k=1N1kN.\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}\frac{\abs{\sin u}}u\,\dd u \geq \frac1{k\pi}\int_{(k-1)\pi}^{k\pi}\abs{\sin u}\,\dd u = \frac{2}{k\pi}, \qquad\text{luego}\qquad L_N \geq \frac{4}{\pi^2}\sum_{k=1}^N\frac1k \xrightarrow[N\to\infty]{} \infty .

Si toda ff continua cumpliera supNΛN(f)<\sup_N \abs{\Lambda_N(f)} < \infty, Banach–Steinhaus obligaría a supNΛN<\sup_N\norm{\Lambda_N} < \infty: contradicción. Luego alguna ff — de hecho, un conjunto denso y no magro de ff (el complementario de M{f:supNΛNfM}\bigcup_M\{f: \sup_N\abs{\Lambda_Nf}\leq M\}, unión numerable de cerrados que, al no tener interior por lo anterior aplicado en cualquier bola, es magro) — cumple supNSNf(0)=\sup_N\abs{S_Nf(0)} = \infty.

Teorema 8.12 (Aplicación abierta)

Sean E,FE, F espacios de Banach y sea TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) sobreyectivo. Entonces TT es abierto: T(BE(0,1))BF(0,c)T(B_E(0,1)) \supseteq B_F(0, c) para cierto c>0c > 0. En consecuencia, un operador acotado biyectivo entre espacios de Banach tiene inversa acotada.

Demostración. Escribamos B=BE(0,1)B = B_E(0,1). La sobreyectividad da F=nT(nB)=nnT(B)F = \bigcup_n \overline{T(nB)} = \bigcup_n n\,\overline{T(B)}; Baire (el Teorema 7.6) da interior a T(B)\overline{T(B)}: cierto BF(y0,4c)T(B)B_F(y_0, 4c) \subseteq \overline{T(B)}. Recentrando en 00: para y<4c\norm y < 4c, tanto y0+yy_0 + y como y0y_0 son límites de imágenes TukTu_k, TvkTv_k con uk,vkBu_k, v_k \in B, luego y=limT(ukvk)y = \lim T(u_k - v_k) con ukvk2Bu_k - v_k \in 2B: BF(0,4c)T(2B)B_F(0, 4c) \subseteq \overline{T(2B)}, es decir, BF(0,2c)T(B)B_F(0, 2c) \subseteq \overline{T(B)}.

Eliminar la clausura (aquí interviene la completitud de EE): sea y<c\norm y < c. Tómese x112Bx_1 \in \frac12 B con yTx1<c/2\norm{y - Tx_1} < c/2 (BF(0,2c)T(B)B_F(0,2c) \subseteq \overline{T(B)} reescalado por 12\frac12); inductivamente, xk2kBx_k \in 2^{-k}B con yT(x1++xk)<c2k\norm{y - T(x_1 + \dots + x_k)} < c\,2^{-k}. La serie xk\sum x_k converge absolutamente en el espacio de Banach EE, hacia cierto xBx \in B (de norma <2k=1< \sum 2^{-k} = 1), y Tx=yTx = y por continuidad: BF(0,c)T(B)B_F(0, c) \subseteq T(B). El carácter abierto de TT sobre abiertos arbitrarios se sigue por traslación y homotecia; y para el corolario, que TT sea abierta significa que T1T^{-1} es continua.

Corolario 8.13 (Normas equivalentes)

Si un espacio vectorial es completo para dos normas comparables (aCb\norm\cdot_a \leq C\norm\cdot_b), las normas son equivalentes.

Demostración. La identidad (E,b)(E,a)(E, \norm\cdot_b) \to (E, \norm\cdot_a) es acotada y biyectiva entre espacios de Banach: su inversa es acotada.

Teorema 8.14 (Gráfica cerrada)

Sean E,FE, F de Banach y T ⁣:EFT \colon E \to F lineal. Si la gráfica Γ={(x,Tx)}\Gamma = \{(x, Tx)\} es cerrada en E×FE \times F (es decir, si xnxx_n \to x y TxnyTx_n \to y implican y=Txy = Tx), entonces TT es acotado.

Demostración. E×FE \times F con (x,y)=x+y\norm{(x,y)} = \norm x + \norm y es de Banach; Γ\Gamma, subespacio cerrado, es de Banach. La proyección πE ⁣:ΓE\pi_E\colon \Gamma \to E es acotada y biyectiva, de modo que su inversa x(x,Tx)x \mapsto (x, Tx) es acotada (Teorema 8.12): Tx(x,Tx)Cx\norm{Tx} \leq \norm{(x, Tx)} \leq C\norm x.

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: (c0)1(c_0)' \cong \ell^1 y (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty, mediante el emparejamiento x,y=nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Demostración. Demostramos (c0)1(c_0)' \cong \ell^1; la segunda identificación es el Ejercicio 8.5. A y1y \in \ell^1 asóciesele Λy(x)=xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n (xc0x \in c_0): la serie converge absolutamente, con Λy(x)xy1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, luego Λyy1\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_1. Recíprocamente, sea Λ(c0)\Lambda \in (c_0)'; póngase yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n) (ene_n son las sucesiones unidad). Para NN cualquiera, evalúese en x(N)=nNsign(yn)enc0x^{(N)} = \sum_{n \leq N} \operatorname{sign}(\overline{y_n})\,e_n \in c_0 (de norma 1\leq 1; en el caso complejo úsense factores unimodulares yˉn/yn\bar y_n/\abs {y_n}): Λ(x(N))=nNynΛ\Lambda(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \leq \norm\Lambda. Luego y1y \in \ell^1 con y1Λ\norm y_1 \leq \norm\Lambda. Por último, Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: ambas coinciden sobre los ene_n y, por tanto, sobre las sucesiones finitas, que son densas en c0c_0 (truncamiento: xnNxnen=supn>Nxn0\norm{x - \sum_{n \leq N}x_ne_n}_\infty = \sup_{n > N}\abs{x_n} \to 0 precisamente porque xn0x_n \to 0); y dos funcionales continuas que coinciden sobre un conjunto denso son iguales. La correspondencia es lineal, biyectiva e isométrica (Λy=y1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1 a partir de las dos desigualdades).

8.5 Ejercicios

Ejercicio 8.1

Calcular las normas de operador: (a) de los desplazamientos S(x1,x2,)=(0,x1,x2,)S(x_1, x_2, \dots) = (0, x_1, x_2, \dots) y S(x1,x2,)=(x2,x3,)S^*(x_1, x_2, \dots) = (x_2, x_3, \dots) sobre 2\ell^2; (b) del operador de multiplicación Max=(anxn)M_a x = (a_nx_n) sobre 2\ell^2, para aa \in \ell^\infty; (c) de la funcional Λ(f)=01/2f1/21f\Lambda(f) = \int_0^{1/2}f - \int_{1/2}^1f sobre C([0,1])\mathcal C(\intcc01) — demuéstrese que Λ=1\norm\Lambda = 1 y que la norma no se alcanza.

Solución

Solución de Ejercicio 8.1.

(a) Sx2=x2\norm{Sx}_2 = \norm x_2: SS es una isometría, S=1\vertiii S = 1. Para el desplazamiento hacia atrás: Sx22=n2xn2x22\norm{S^*x}_2^2 = \sum_{n \geq 2}\abs{x_n}^2 \leq \norm x_2^2, con igualdad para x=e2x = e_2: S=1\vertiii{S^*} = 1.

(b) Max22=an2xn2a2x22\norm{M_ax}_2^2 = \sum\abs{a_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \norm a_\infty^2\norm x_2^2; evaluando en x=enx = e_n se obtiene Maan\vertiii{M_a} \geq \abs{a_n} para todo nn: Ma=a\vertiii{M_a} = \norm a_\infty.

(c) Λ(f)01ff\abs{\Lambda(f)} \leq \int_0^1\abs f \leq \norm f_\infty: Λ1\norm\Lambda \leq 1. Para ε>0\varepsilon > 0, sea fεf_\varepsilon igual a 11 en [0,12ε][0, \frac12 - \varepsilon] y a 1-1 en [12+ε,1][\frac12 + \varepsilon, 1], afín entre medias: fε=1\norm{f_\varepsilon}_\infty = 1 y Λ(fε)12ε\Lambda(f_\varepsilon) \geq 1 - 2\varepsilon: Λ=1\norm\Lambda = 1. No se alcanza: Λ(f)=1\Lambda(f) = 1 con f1\norm f_\infty \leq 1 obliga a 01/2f=12\int_0^{1/2}f = \frac12 y 1/21f=12\int_{1/2}^1 f = -\frac12, es decir (continuidad, f1\abs f \leq 1), a f1f \equiv 1 en [0,12][0, \frac12] y f1f \equiv -1 en [12,1][\frac12, 1]: contradicción en 12\frac12.

Ejercicio 8.2

Sean EE de Banach, TL(E)T \in \mathcal L(E) invertible y SS con ST<1/T1\vertiii{S - T} < 1/\vertiii{T^{-1}}. Demostrar que SS es invertible y estimar S1T1\vertiii{S^{-1} - T^{-1}}. Aplicación: si un sistema lineal Tx=bTx = b es resoluble con TT invertible, una perturbación suficientemente pequeña de TT lo mantiene unívocamente resoluble, con una cota cuantitativa del cambio de la solución.

Solución

Solución de Ejercicio 8.2.

Escríbase S=T(IT1(TS))S = T\bigl(I - T^{-1}(T - S)\bigr) con T1(TS)T1TS=θ<1\vertiii{T^{-1}(T-S)} \leq \vertiii{T^{-1}}\,\vertiii{T - S} = \theta < 1: por la Proposición 8.4, SS es invertible con S1=n0(T1(TS))nT1S^{-1} = \sum_{n\geq0}\bigl(T^{-1}(T - S)\bigr)^nT^{-1}, de donde

S1T1n1θnT1=T12TS1θ.\vertiii{S^{-1} - T^{-1}} \leq \sum_{n\geq1}\theta^n\,\vertiii{T^{-1}} = \frac{\vertiii{T^{-1}}^2\,\vertiii{T - S}}{1 - \theta}.

Para el sistema lineal: xT=T1bx_T = T^{-1}b y xS=S1bx_S = S^{-1}b difieren a lo sumo en esa cota por b\norm b — 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 1\ell^1, \ell^\infty y c0c_0 son espacios de Banach, y que c0c_0 es la clausura en \ell^\infty del espacio de las sucesiones finitas. (b) Demostrar que pq\ell^p \subseteq \ell^q con qp\norm\cdot_q \leq \norm\cdot_p para 1pq1 \leq p \leq q \leq \infty, y que la inclusión es estricta.

Solución

Solución de Ejercicio 8.3.

(a) 1\ell^1: sea (x(k))(x^{(k)}) de Cauchy. Cada coordenada es de Cauchy (xn(k)xn(l)x(k)x(l)1\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \norm{x^{(k)} - x^{(l)}}_1): sea xn=limkxn(k)x_n = \lim_kx^{(k)}_n. Dado ε\varepsilon, para k,lKk, l \geq K: nNxn(k)xn(l)ε\sum_{n \leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n} \leq \varepsilon para todo NN; hágase ll \to \infty y después NN \to \infty: x(k)x1ε\norm{x^{(k)} - x}_1 \leq \varepsilon, y x=x(k)(x(k)x)1x = x^{(k)} - (x^{(k)} - x) \in \ell^1. \ell^\infty: ser de Cauchy para \norm\cdot_\infty es ser uniformemente de Cauchy: converge uniformemente a una sucesión acotada. c0c_0 es cerrado en \ell^\infty: si x(k)xx^{(k)} \to x uniformemente con xn(k)n0x^{(k)}_n \to_n 0, entonces xnxx(k)+xn(k)\abs{x_n} \leq \norm{x - x^{(k)}}_\infty + \abs{x^{(k)}_n} da lim supnxnε\limsup_n\abs{x_n} \leq \varepsilon: xc0x \in c_0; y un subespacio cerrado de un espacio de Banach es de Banach. Sucesiones finitas: su clausura contiene todo xc0x \in c_0 (los truncamientos convergen: supn>Nxn0\sup_{n>N}\abs{x_n} \to 0) y está contenida en el cerrado c0c_0.

(b) Por homogeneidad, supóngase xp=1\norm x_p = 1: entonces xn1\abs{x_n} \leq 1 para todo nn, luego xnqxnp\abs{x_n}^q \leq \abs{x_n}^p y xq1=xp\norm x_q \leq 1 = \norm x_p; para q=q = \infty, xnxp\abs{x_n} \leq \norm x_p directamente. Que la inclusión es estricta: xn=nαx_n = n^{-\alpha} con 1q<α1p\frac1q < \alpha \leq \frac1p está en qp\ell^q \setminus \ell^p (serie de Riemann).

Ejercicio 8.4 ★★

Sean FEF \subseteq E un subespacio cerrado y xFx \notin F. Usando el Corolario 8.7, demostrar la fórmula de dualidad

d(x,F)=max{f(x):fE, f1, fF=0}d(x, F) = \max\bigl\{\abs{f(x)} : f \in E',\ \norm f \leq 1,\ f\restriction_F = 0\bigr\}

(obsérvese: un máximo). Deducir que F={kerf:fE, fF=0}F = \bigcap\{\ker f : f \in E',\ f\restriction_F = 0\}: los subespacios cerrados son exactamente las intersecciones de núcleos de funcionales.

Solución

Solución de Ejercicio 8.4.

(\leq) Si f1\norm f \leq 1 y fF=0f\restriction_F = 0: para todo yFy \in F, f(x)=f(xy)xy\abs{f(x)} = \abs{f(x - y)} \leq \norm{x - y}; tómese el ínfimo. (\geq, y se alcanza) El Corolario 8.7(3) produce ff con fF=0f\restriction_F = 0, f1\norm f \leq 1, f(x)=d(x,F)f(x) = d(x, F): el supremo es un máximo. Consecuencia: F{kerf:fF=0}F \subseteq \bigcap\{\ker f : f\restriction_F = 0\} trivialmente, y un punto xFx \notin F queda excluido de la intersección por la funcional anterior (f(x)=d(x,F)>0f(x) = d(x,F) > 0, por ser FF cerrado).

Ejercicio 8.5 ★★

Demostrar que (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty isométricamente, siguiendo el esquema del Teorema 8.16 (las sucesiones finitas son densas en 1\ell^1). ¿Dónde se rompe el argumento para ()(\ell^\infty)'?

Solución

Solución de Ejercicio 8.5.

Para yy \in \ell^\infty: Λy(x)=xnynyx1\abs{\Lambda_y(x)} = \abs{\sum x_ny_n} \leq \norm y_\infty\norm x_1, luego Λyy\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_\infty; evaluando en ene_n: yn=Λy(en)Λy\abs{y_n} = \abs{\Lambda_y(e_n)} \leq \norm{\Lambda_y}: igualdad. Recíprocamente, dada Λ(1)\Lambda \in (\ell^1)', póngase yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n): ynΛ\abs{y_n} \leq \norm\Lambda, luego yy \in \ell^\infty; y Λ\Lambda y Λy\Lambda_y coinciden sobre las sucesiones finitas, que son densas en 1\ell^1 (xnNxnen1=n>Nxn0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_1 = \sum_{n>N}\abs{x_n} \to 0): Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. La aplicación yΛyy \mapsto \Lambda_y es lineal, isométrica y sobreyectiva. Para ()(\ell^\infty)', el mismo comienzo produce una sucesión yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n), pero las sucesiones finitas no son densas en \ell^\infty (la sucesión constante 1\mathbf 1 dista 11 de todas ellas), de modo que Λ\Lambda no queda determinada por los yny_n — y, en efecto, ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1 (Problema 8.1).

Ejercicio 8.6 ★★

Sea E,F,GE, F, G normado con EE de Banach, y sea B ⁣:E×FGB \colon E \times F \to G bilineal y continua en cada variable por separado. Demostrar que BB es (conjuntamente) continua: B(x,y)Cxy\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y. (Aplíquese Banach–Steinhaus a la familia (B(,y))y1(B(\cdot, y))_{\norm y \leq 1}.)

Solución

Solución de Ejercicio 8.6.

Para cada xx fijo, yB(x,y)y \mapsto B(x, y) es lineal continua: supy1B(x,y)<\sup_{\norm y \leq 1}\norm{B(x,y)} < \infty. Así que la familia {B(,y):y1}L(E,G)\{B(\cdot, y) : \norm y \leq 1\} \subseteq \mathcal L(E, G) (cada miembro continuo, por continuidad en xx) está puntualmente acotada sobre el espacio de Banach EE: Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) da CC con B(x,y)Cx\norm{B(x,y)} \leq C\norm x para todos y1\norm y \leq 1; y la homogeneidad en yy remata: B(x,y)Cxy\norm{B(x,y)} \leq C\norm x\norm y.

Ejercicio 8.7 ★★

(a) Sobre E=C([0,1])E = \mathcal C(\intcc01), compárense \norm\cdot_\infty y 1\norm\cdot_1: la identidad (E,)(E,1)(E, \norm\cdot_\infty) \to (E, \norm\cdot_1) 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 2\ell^2 en KK (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) f1f\norm f_1 \leq \norm f_\infty: la identidad es acotada y biyectiva. Su inversa no está acotada: fn(x)=xnf_n(x) = x^n cumple fn1=1n+10\norm{f_n}_1 = \frac1{n+1} \to 0 pero fn=1\norm{f_n}_\infty = 1. No hay contradicción con el Corolario 8.13: (C([0,1]),1)(\mathcal C(\intcc01), \norm\cdot_1) no es completo (el Ejercicio 7.1); el corolario exige completitud en ambos lados.

(b) Sobre el espacio E0E_0 de las sucesiones finitas (denso en 2\ell^2), φ(x)=nnxn\varphi(x) = \sum_n n\,x_n es lineal y no acotada (φ(en)=n\varphi(e_n) = n con en2=1\norm{e_n}_2 = 1). El teorema de la gráfica cerrada no se aplica: E0E_0 no es completo — y φ\varphi no tiene extensión continua a 2\ell^2, lo que ilustra que la densidad sin continuidad uniforme es impotente (Teorema 7.2).

Ejercicio 8.8 ★★★

(Hellinger–Toeplitz) Sea T ⁣:22T \colon \ell^2 \to \ell^2 lineal (definido en todo el espacio) y simétrico: Tx,y=x,Ty\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle para todos x,yx, y, donde x,y=xnyˉn\langle x, y \rangle = \sum x_n\bar y_n. Demostrar que TT es acotado. (Gráfica cerrada: si xkxx_k \to x y TxkzTx_k \to z, evalúese contra yy 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 xkxx_k \to x y TxkzTx_k \to z en 2\ell^2. Para todo yy:

z,y=limkTxk,y=limkxk,Ty=x,Ty=Tx,y,\langle z, y\rangle = \lim_k\langle Tx_k, y\rangle = \lim_k \langle x_k, Ty\rangle = \langle x, Ty\rangle = \langle Tx, y\rangle,

usando la continuidad del producto escalar en cada argumento (Cauchy–Schwarz) y la simetría dos veces. Así pues, zTxz - Tx es ortogonal a todo yy, en particular a sí mismo: z=Txz = Tx. La gráfica es cerrada y 2\ell^2 es de Banach: TT está acotado (el Teorema 8.14). Por tanto, un operador simétrico definido en todo 2\ell^2 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 nn, sea Λn(f)=i=0nwi,nf(xi,n)\Lambda_n(f) = \sum_{i=0}^{n} w_{i,n}f(x_{i,n}) una fórmula de cuadratura sobre C([0,1])\mathcal C(\intcc01) (xi,n[0,1]x_{i,n} \in \intcc01, wi,nRw_{i,n} \in \R). Demostrar que Λn(f)01f\Lambda_n(f) \to \int_0^1f para toda ff continua si y solo si: (i) Λn(P)01P\Lambda_n(P) \to \int_0^1P para todo polinomio PP y (ii) supniwi,n<\sup_n\sum_i\abs{w_{i,n}} < \infty. (Calcúlese Λn\norm{\Lambda_n}; 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, Λn=iwi,n\norm{\Lambda_n} = \sum_i\abs{w_{i,n}}: \leq es la desigualdad triangular; \geq se obtiene evaluando en una ff lineal a trozos con f1\norm f_\infty \leq 1 y f(xi,n)=sign(wi,n)f(x_{i,n}) = \operatorname{sign}(w_{i,n}) (interpólese linealmente entre los finitos nodos; donde los nodos coinciden, los signos concuerdan).

(\Rightarrow) La convergencia puntual en todo ff implica (i) y la acotación puntual, de modo que Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) sobre el espacio de Banach C([0,1])\mathcal C(\intcc01) da (ii).

(\Leftarrow) Sea M=supnΛn+1M = \sup_n\norm{\Lambda_n} + 1. Dados ff y ε\varepsilon, elíjase un polinomio PP con fP<ε/(2M)\norm{f - P}_\infty < \varepsilon/(2M) (el Corolario 7.16); entonces

Λnf01fΛn(fP)+ΛnP01P+01(Pf)ε+ΛnP01Pε.\Bigl|\Lambda_n f - \int_0^1 f\Bigr| \leq \abs{\Lambda_n(f - P)} + \Bigl|\Lambda_nP - \int_0^1P\Bigr| + \Bigl|\int_0^1(P - f)\Bigr| \leq \varepsilon + \Bigl|\Lambda_nP - \int_0^1P\Bigr| \to \varepsilon .

Pesos positivos y exactitud sobre las constantes: iwi,n=iwi,n=Λn(1)=011=1\sum_i\abs{w_{i,n}} = \sum_iw_{i,n} = \Lambda_n(\mathbf 1) = \int_0^1 1 = 1 para las fórmulas exactas sobre las constantes — (ii) se cumple con constante 11.

Ejercicio 8.10 ★★

Demostrar que J ⁣:EEJ \colon E \to E'', J(x)(f)=f(x)J(x)(f) = f(x), es una isometría lineal (úsese el Corolario 8.7(2)) y que es sobreyectiva cuando dimE<\dim E < \infty. Demostrar también que si EE' es separable, también lo es EE. (Tómense xnx_n que casi normen una sucesión densa de EE' y demuéstrese que su envoltura lineal cerrada es EE, mediante Corolario 8.7(3).)

Solución

Solución de Ejercicio 8.10.

La linealidad de JJ es formal; J(x)=supf1f(x)=x\norm{J(x)} = \sup_{\norm f \leq 1}\abs{f(x)} = \norm x por el Corolario 8.7(2). Si dimE=n\dim E = n: dimE=n\dim E' = n (una base da funcionales coordenadas), luego dimE=n\dim E'' = n, y la aplicación inyectiva (isométrica) JJ es sobreyectiva. Separabilidad: sea (fn)(f_n) denso en EE' y elíjanse xn=1\norm{x_n} = 1 con fn(xn)12fn\abs{f_n(x_n)} \geq \frac12\norm{f_n}. Sea F=Vect(xn)F = \overline{\operatorname{Vect}}(x_n); si FEF \neq E, tómese gEg \in E', g0g \neq 0, que se anule en FF (el Corolario 8.7(3)); elíjase fnkgf_{n_k} \to g:

fnkg(fnkg)(xnk)=fnk(xnk)12fnk12(gfnkg),\norm{f_{n_k} - g} \geq \abs{(f_{n_k} - g)(x_{n_k})} = \abs{f_{n_k}(x_{n_k})} \geq \tfrac12\norm{f_{n_k}} \geq \tfrac12\bigl(\norm g - \norm{f_{n_k} - g}\bigr),

luego fnkg13g>0\norm{f_{n_k} - g} \geq \frac13\norm g > 0: contradicción. Por tanto F=EF = E, y las combinaciones racionales (o Q+iQ\Q + \iu\Q) de los xnx_n forman un conjunto denso numerable.

Ejercicio 8.11 ★★

(Espacios cociente) Sean EE un espacio de Banach y FEF \subseteq E un subespacio cerrado. Sobre E/FE/F defínase

xˉ  =  d(x,F)=infyFxy.\norm{\bar x} \;=\; d(x, F) = \inf_{y\in F}\norm{x - y} .

(a) Demostrar que esto define bien una norma sobre E/FE/F (¿dónde interviene que FF sea cerrado?) y que la proyección π ⁣:EE/F\pi \colon E \to E/F cumple π1\vertiii\pi \leq 1 y lleva la bola unidad abierta sobre la bola unidad abierta. (b) Demostrar que E/FE/F es completo. (Úsese el criterio de series del Ejercicio 7.1(b): dadas clases xˉk\bar x_k con xˉk<\sum\norm{\bar x_k} < \infty, levántese cada una a xkEx_k \in E con xkxˉk+2k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k} y súmese en EE.) (c) Calcúlese: para E=cE = c (sucesiones convergentes) y F=c0F = c_0, demuéstrese que c/c0Kc/c_0 \cong K isométricamente mediante xˉlimnxn\bar x \mapsto \lim_nx_n.

Solución

Solución de Ejercicio 8.11.

(a) Bien definida: d(x,F)d(x, F) solo depende de xˉ\bar x (trasladar xx por FF no cambia la distancia). La homogeneidad y la desigualdad triangular pasan de \norm\cdot a través del ínfimo. La separación necesita que sea cerrado: xˉ=0\norm{\bar x} = 0 significa d(x,F)=0d(x, F) = 0, es decir, xFˉ=Fx \in \bar F = F, es decir, xˉ=0\bar x = 0. π1\vertiii\pi \leq 1: xˉx\norm{\bar x} \leq \norm x. Bola abierta sobre bola abierta: si xˉ<1\norm{\bar x} < 1, algún representante cumple xy<1\norm{x - y} < 1; recíprocamente, π(BE(0,1))BE/F(0,1)\pi(B_E(0,1)) \subseteq B_{E/F}(0,1) por la desigualdad de las normas — de modo que π\pi es abierta, el caso modelo del teorema de la aplicación abierta.

(b) Sea kxˉk<\sum_k\norm{\bar x_k} < \infty y levántese con xkxˉk+2k\norm{x_k} \leq \norm{\bar x_k} + 2^{-k}: entonces xk<\sum\norm{x_k} < \infty, luego s=kxks = \sum_kx_k converge en el espacio de Banach EE (el Ejercicio 7.1(b)), y la continuidad de π\pi da kxˉk=sˉ\sum_k\bar x_k = \bar s: toda serie absolutamente convergente de E/FE/F converge, lo que equivale a la completitud (mismo ejercicio).

(c) La aplicación λ(x)=limnxn\lambda(x) = \lim_nx_n es lineal cKc \to K, se anula exactamente en c0c_0 y, por tanto, induce una biyección lineal c/c0Kc/c_0 \to K. Isometría: d(x,c0)=λ(x)d(x, c_0) = \abs{\lambda(x)}\leq: réstese de xx la sucesión xλ(x)1c0x - \lambda(x)\mathbf 1 \in c_0, lo que deja λ(x)1\lambda(x)\mathbf 1 de norma λ(x)\abs{\lambda(x)}; \geq: para yc0y \in c_0, xylim supnxnyn=λ(x)\norm{x - y}_\infty \geq \limsup_n\abs{x_n - y_n} = \abs{\lambda(x)}.

Ejercicio 8.12 ★★

(Proyecciones acotadas y subespacios complementados) Sean EE un espacio de Banach y P ⁣:EEP \colon E \to E lineal con P2=PP^2 = P (una proyección algebraica), V=imPV = \operatorname{im}P, W=kerPW = \ker P. (a) Supóngase PP acotado. Demostrar que VV y WW son cerrados y que E=VWE = V \oplus W con la descomposición x=Px+(xPx)x = Px + (x - Px). (b) Recíprocamente, supóngase E=VWE = V \oplus W con ambos V,WV, W cerrados, y sea PP la proyección sobre VV paralelamente a WW. Demostrar que PP es acotado. (Gráfica cerrada: si xnxx_n \to x y PxnzPx_n \to z, entonces zVz \in V, xnPxnxzWx_n - Px_n \to x - z \in W, y la unicidad de la descomposición identifica z=Pxz = Px.) (c) Deducir la equivalencia: un subespacio VV 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 (c0c_0 dentro de \ell^\infty es el ejemplo clásico): los espacios de Hilbert, donde VV^\perp siempre sirve (el Capítulo 13), son la excepción, no la regla.

Solución

Solución de Ejercicio 8.12.

(a) W=kerPW = \ker P es cerrado (preimagen de 00 por una aplicación continua); V=imP=ker(IP)V = \operatorname{im}P = \ker(I - P) (en efecto, Px=xPx = x si y solo si ximPx \in \operatorname{im}P, usando P2=PP^2 = P), cerrado análogamente. Todo xx se descompone como Px+(xPx)Px + (x - Px) con PxVPx \in V, xPxWx - Px \in W, y VW=0V \cap W = 0 (x=Px=0x = Px = 0): E=VWE = V \oplus W.

(b) El argumento de la gráfica: sean xnxx_n \to x y PxnzPx_n \to z. Entonces zVz \in V (VV cerrado, PxnVPx_n \in V) y xnPxnxzWx_n - Px_n \to x - z \in W (WW cerrado). Luego x=z+(xz)x = z + (x - z) con zVz \in V, xzWx - z \in W; y por la unicidad de la descomposición, z=Pxz = Px. La gráfica de PP es cerrada y EE es de Banach: PP está acotado (el Teorema 8.14).

(c) (a) y (b) juntos son la equivalencia. En un espacio de Hilbert, todo VV cerrado tiene el complemento cerrado VV^\perp (el Capítulo 13): todo subespacio cerrado es complementado. En los espacios de Banach generales esto falla — c0c_0 no tiene complemento cerrado en \ell^\infty (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 p\ell^p

Problema 8.1

Problema de fin de semana — (p)=q(\ell^p)' = \ell^q, reflexividad y la rareza de \ell^\infty

Fíjese 1<p<1 < p < \infty y sea qq el exponente conjugado, 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1. El emparejamiento en todo el problema es x,y=nxnyn\langle x, y\rangle = \sum_n x_ny_n.

Parte I — Hölder y Minkowski para sucesiones.

  1. (Desigualdad de Young) Para a,b0a, b \geq 0, demostrar abapp+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q, usando la concavidad de log\log o estudiando ttpp+1qtt \mapsto \frac{t^p}p + \frac1q - t.
  2. (Hölder) Deducir: x,yxpyq\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x_p\norm y_q para xpx \in \ell^p, yqy \in \ell^q; identificar el caso de igualdad.
  3. (Minkowski) Deducir la desigualdad triangular para p\norm\cdot_p. (Escríbase xn+ynpxnxn+ynp1+ynxn+ynp1\abs{x_n + y_n}^p \leq \abs{x_n}\,\abs{x_n{+}y_n}^{p-1} + \abs{y_n}\,\abs{x_n{+}y_n}^{p-1} y aplíquese Hölder a cada término.)
  4. Demostrar que p\ell^p es completo y que las sucesiones finitas son densas en él.

Parte II — La dualidad (p)=q(\ell^p)' = \ell^q.

  1. Para yqy \in \ell^q, demostrar que Λy(x)=x,y\Lambda_y(x) = \langle x, y\rangle define Λy(p)\Lambda_y \in (\ell^p)' con Λyyq\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q y, evaluando en xn=ynq1sign(yn)x_n = \abs{y_n}^{q-1}\operatorname{sign}(y_n) (convenientemente truncada y normalizada), que Λy=yq\norm{\Lambda_y} = \norm y_q.
  2. Recíprocamente, dada Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)', póngase yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n); demostrar que yqy \in \ell^q con yqΛ\norm y_q \leq \norm\Lambda (evalúese en truncamientos como en la pregunta 5 y hágase crecer la longitud del truncamiento) y concluir Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y: la aplicación yΛyy \mapsto \Lambda_y es un isomorfismo isométrico q(p)\ell^q \to (\ell^p)'.
  3. Deducir que p\ell^p es reflexivo para 1<p<1 < p < \infty: componiendo las dos dualidades, todo elemento de (p)(\ell^p)'' procede de p\ell^p; verifíquese con cuidado que la compuesta es la JJ canónica.

Parte III — 1\ell^1 y \ell^\infty son animales distintos.

  1. Demostrar que p\ell^p (1p<1 \leq p < \infty) y c0c_0 son separables, pero \ell^\infty no lo es. (Las sucesiones indicadoras de los subconjuntos de N\N, en cantidad no numerable, distan dos a dos 11.)
  2. Deducir del Ejercicio 8.10 que (1)(\ell^1)' \cong \ell^\infty pero ()≇1(\ell^\infty)' \not\cong \ell^1: 1\ell^1 no es reflexivo. (Si ()(\ell^\infty)' fuese 1\ell^1, sería separable, lo que forzaría que \ell^\infty fuese separable.)
  3. (Un límite de Banach, explícitamente) Sobre R\ell^\infty_\R, sea p(x)=lim supnx1++xnnp(x) = \limsup_n \frac{x_1 + \dots + x_n}{n}. Demostrar que pp es sublineal y que, sobre el subespacio cc de las sucesiones convergentes, LIM(x)=limx\mathrm{LIM}(x) = \lim x cumple LIMp\mathrm{LIM} \leq p. Extiéndase por Hahn–Banach a LIM ⁣:RR\mathrm{LIM} \colon \ell^\infty_\R \to \R y demuéstrese que LIM\mathrm{LIM} es positiva (x0LIM(x)0x \geq 0 \Rightarrow \mathrm{LIM}(x) \geq 0), invariante por desplazamiento, (LIM(x2,x3,)=LIM(x)\mathrm{LIM}(x_2, x_3, \dots) = \mathrm{LIM}(x)), extiende el límite y cumple lim infxLIM(x)lim supx\liminf x \leq \mathrm{LIM}(x)\leq \limsup x.
  4. Demostrar que una tal LIM\mathrm{LIM}, vista en ()(\ell^\infty)', no es de la forma Λy\Lambda_y para ningún y1y \in \ell^1; concluir de nuevo ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1. (Evalúese en las sucesiones unidad ene_n y después en la sucesión constante 11.)
  5. Evaluar LIM\mathrm{LIM} en (0,1,0,1,)(0,1,0,1,\dots) y demostrar que no puede existir ninguna extensión multiplicativa del límite invariante por desplazamiento (considérense x=(0,1,0,1,)x = (0,1,0,1,\dots) y xSxx\cdot Sx, donde SS es el desplazamiento).

Parte IV — Epílogo: por qué importa la reflexividad.

  1. Usando el Corolario 8.10 y la pregunta 6, demostrar que toda sucesión acotada de p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) tiene una subsucesión (x(k))(x^{(k)}) que converge débilmente: Λ(x(k))\Lambda(x^{(k)}) converge para toda Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)'. (Extracción diagonal sobre las coordenadas, en cantidad numerable; identifíquese el límite débil en p\ell^p usando la acotación uniforme de las normas y Hölder.) Demuéstrese con un ejemplo (ene_n en 1\ell^1, contra elementos bien elegidos de \ell^\infty) que esto falla en 1\ell^1: la compacidad débil es un privilegio de los espacios reflexivos.

Parte V — La topología débil en acción, y la sorpresa de Schur. Escribimos x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x en un espacio normado EE (convergencia débil) cuando Λ(x(k))Λ(x)\Lambda(x^{(k)}) \to \Lambda(x) para toda ΛE\Lambda \in E'.

  1. Complétese el censo: demuéstrese (c0)1(c_0)' \cong \ell^1 isométricamente, con el esquema de las preguntas 5–6 (¿qué sustituye a las sucesiones de prueba?). Móntese la cadena c01c_0 \to \ell^1 \to \ell^\infty \to \dots de duales sucesivos y señálese dónde falla la reflexividad.
  2. Demostrar que toda sucesión débilmente convergente de un espacio de Banach está acotada: véanse los x(k)x^{(k)} a través del encaje canónico JJ como funcionales sobre EE' y aplíquese Banach–Steinhaus (el Teorema 8.9) — ¿sobre qué espacio de Banach, y por qué se dispone allí de la completitud?
  3. Demostrar que, en p\ell^p, 1<p<1 < p < \infty: x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x si y solo si supkx(k)p<\sup_k\norm{x^{(k)}}_p < \infty y xn(k)xnx^{(k)}_n \to x_n para toda coordenada nn (una implicación usa Banach–Steinhaus a través del encaje canónico; para la otra, aproxímese yqy \in \ell^q por sucesiones finitas). Deducir ek0e_k \rightharpoonup 0 en 2\ell^2 mientras que ek2=1\norm{e_k}_2 = 1: los límites débiles pueden perder masa.
  4. Demostrar que la norma es débilmente semicontinua inferiormente: x(k)xx^{(k)} \rightharpoonup x implica xlim infkx(k)\norm x \leq \liminf_k\,\norm{x^{(k)}} (tómese una funcional que norme xx, el Corolario 8.7).
  5. (Radon–Riesz en 2\ell^2) Demostrar que, en 2\ell^2, la convergencia débil junto con la convergencia de las normas implica la convergencia en norma (desarróllese x(k)x22\norm{x^{(k)} - x}_2^2). Dese un contraejemplo del mismo enunciado sin la hipótesis sobre las normas.
  6. (Schur, paso 1) Sea x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 en 1\ell^1 y supóngase, por reducción al absurdo, x(k)1δ>0\norm{x^{(k)}}_1 \geq \delta > 0 a lo largo de una subsucesión. Demuéstrese primero que xn(k)0x^{(k)}_n \to 0 para cada nn (¿qué funcionales?) y constrúyanse después recursivamente índices k1<k2<k_1 < k_2 < \cdots y enteros 0=N0<N1<N2<0 = N_0 < N_1 < N_2 < \cdots tales que la masa de x(kj)x^{(k_j)} se concentre en el bloque Bj=(Nj1,Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j}:

    nBjxn(kj)x(kj)1δ10.\sum_{n \in B_j}\bigl|x^{(k_j)}_n\bigr| \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac\delta{10} .
  7. (Schur, paso 2) Defínase yy \in \ell^\infty mediante yn=sign(xn(kj))y_n = \operatorname{sign}\bigl(x^{(k_j)}_n\bigr) para nBjn \in B_j. Demostrar que x(kj),yx(kj)12δ108δ10\langle x^{(k_j)}, y\rangle \geq \norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac{2\delta}{10} \geq \frac{8\delta}{10} y obtener una contradicción con x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0. Concluir el teorema de Schur: en 1\ell^1, las sucesiones débilmente convergentes convergen en norma.
  8. Deducir que (ek)(e_k) no tiene ninguna subsucesión débilmente convergente en 1\ell^1 (su único candidato a límite es 00, coordenada a coordenada — aplíquese después Schur), lo que recupera el fallo de compacidad débil de la pregunta 13; y resuélvase la aparente paradoja: en 1\ell^1, 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.
  9. (Tabla de síntesis) Para E{c0, 1, p (1<p<), }E \in \{c_0,\ \ell^1,\ \ell^p\ (1{<}p{<}\infty),\ \ell^\infty\}, 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.

  1. (Puntos más próximos: un dividendo de la reflexividad) Sean FF un subespacio cerrado de p\ell^p (1<p<1 < p < \infty) y xpx \in \ell^p. Demostrar que d=dist(x,F)d = \operatorname{dist}(x, F) se alcanza: extráigase de una sucesión minimizante una subsucesión débilmente convergente (pregunta 13), manténgase el límite débil dentro de FF construyendo, vía Hahn–Banach, una funcional que se anule en FF pero no en un punto exterior, y concluir con la pregunta 17. Demuéstrese después que el privilegio no es universal: en c0c_0, para Λ(x)=n2nxn\Lambda(x) = \sum_n2^{-n}x_n, demuéstrese que Λ=1\norm\Lambda = 1 no se alcanza en la bola unidad, establézcase la fórmula de la distancia dist(x,kerΛ)=Λ(x)\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) = \abs{\Lambda(x)} y dedúzcase que ningún xkerΛx \notin \ker\Lambda tiene punto más próximo en el hiperplano cerrado kerΛ\ker\Lambda.
  2. (Banach–Saks en 2\ell^2) Sea x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 en R2\ell^2_{\R} con x(k)2C\norm{x^{(k)}}_2 \leq C. Constrúyase una subsucesión (yj)(y_j) con yi,yj1j\abs{\langle y_i, y_j\rangle} \leq \frac1j para todos i<ji < j, y dedúzcase

    y1++ymm22C2+2m0:\Bigl\lVert\frac{y_1 + \dots + y_m}m\Bigr\rVert_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \longrightarrow 0 :

    tras una extracción, las medias de Cesàro convergen en norma. Compruébese en (ek)(e_k), cuyas medias tienen norma 1m\frac1{\sqrt m}: la convergencia débil, inútil para la propia sucesión (pregunta 16), se convierte en convergencia en norma para las medias.

  3. (El valor de un límite de Banach) Sea LL un límite de Banach cualquiera (pregunta 10) y sea Amx=1m(x+Sx++Sm1x)A_mx = \frac1m(x + Sx + \dots + S^{m-1}x). Demostrar que L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x) y lim infAmxL(x)lim supAmx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx; deducir que todos los límites de Banach coinciden sobre las sucesiones periódicas, con valor la media sobre un período — 13\frac13 sobre (1,0,0,1,0,0,)(1, 0, 0, 1, 0, 0, \dots), coherente con el 12\frac12 de la pregunta 12. Demuéstrese después que la coincidencia falla en general: para la sucesión por bloques xx igual a 11 sobre (3j1,3j]\intoc{3^{j-1}}{3^j} con jj par y a 00 en el resto, demuéstrese que las medias de Cesàro oscilan entre 13\leq \frac13 y 23\geq \frac23, y constrúyanse dos límites de Banach L±L_\pm con L(x)13<23L+(x)L_-(x) \leq \frac13 < \frac23 \leq L_+(x) (extiéndase desde cRxc \oplus \R x con los valores admisibles extremos ±\pm: compruébese que Λ(y+tx)=limy+tp(x)\Lambda(y + tx) = \lim y + t\,p(x) está dominada por la funcional sublineal pp de la pregunta 10).
Solución

Solución de Problema 8.1.

1. Para a,b>0a, b > 0: por la concavidad de log\log, log(app+bqq)1plogap+1qlogbq=log(ab)\log\bigl(\tfrac{a^p}p + \tfrac{b^q}q\bigr) \geq \tfrac1p\log a^p + \tfrac1q\log b^q = \log(ab); exponénciese. (Si ab=0ab = 0, la desigualdad es trivial.) Igualdad si y solo si ap=bqa^p = b^q.

2. Podemos suponer xp=yq=1\norm x_p = \norm y_q = 1 (homogeneidad; los casos nulos son triviales). Entonces

x,ynxnynn(xnpp+ynqq)=1p+1q=1=xpyq.\abs{\langle x, y\rangle} \leq \sum_n\abs{x_n}\abs{y_n} \leq \sum_n\Bigl(\frac{\abs{x_n}^p}p + \frac{\abs{y_n}^q}q\Bigr) = \frac1p + \frac1q = 1 = \norm x_p\norm y_q .

La igualdad exige xnp=ynq\abs{x_n}^p = \abs{y_n}^q para todo nn (caso de igualdad de Young) y la alineación de las fases de xnynx_ny_n.

3. xn+ynp(xn+yn)xn+ynp1\abs{x_n + y_n}^p \leq \bigl(\abs{x_n} + \abs{y_n}\bigr)\abs{x_n + y_n}^{p-1}; sumando y aplicando Hölder (pp contra qq, con (p1)q=p(p - 1)q = p):

x+ypp(xp+yp)(nxn+ynp)1/q=(xp+yp)x+ypp/q;\norm{x + y}_p^p \leq \bigl(\norm x_p + \norm y_p\bigr)\,\Bigl(\sum_n\abs{x_n + y_n}^{p}\Bigr)^{1/q} = \bigl(\norm x_p + \norm y_p\bigr)\,\norm{x+y}_p^{p/q};

si x+yp0\norm{x + y}_p \neq 0 (si no, es trivial), divídase por x+ypp/q\norm{x+y}_p^{p/q} y úsese ppq=1p - \frac pq = 1. (Primero, la finitud de x+yp\norm{x+y}_p: xn+ynp2p(xnp+ynp)\abs{x_n+y_n}^p \leq 2^p(\abs{x_n}^p + \abs{y_n}^p).)

4. Completitud: como para 1\ell^1 (el Ejercicio 8.3), límites coordenada a coordenada más la cota uniforme de la cola nNxn(k)xn(l)pεp\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x^{(l)}_n}^p \leq \varepsilon^p, haciendo tender ll y después NN a infinito. Densidad de las sucesiones finitas: xnNxnenpp=n>Nxnp0\norm{x - \sum_{n\leq N}x_ne_n}_p^p = \sum_{n > N}\abs{x_n}^p \to 0.

5. Hölder da Λy(x)xpyq\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_p\norm y_q: Λyyq\norm{\Lambda_y} \leq \norm y_q. Evaluación: tómese xn(N)=ynq1sign(yn)x^{(N)}_n = \abs{y_n}^{q-1}\overline{\operatorname{sign}}(y_n) para nNn \leq N y 00 a partir de ahí (con sign\operatorname{sign} la fase unimodular, de modo que xnyn=ynqx_ny_n = \abs{y_n}^q). Entonces Λy(x(N))=nNynq\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q y x(N)p=(nNynq)1/p\norm{x^{(N)}}_p = \bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^{q}\bigr)^{1/p} (pues (q1)p=q(q-1)p = q), luego

Λy(nNynq)11/pNyq.\norm{\Lambda_y} \geq \Bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\Bigr)^{1 - 1/p} \xrightarrow[N\to\infty]{} \norm y_q .

6. Póngase yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n). Con los mismos vectores de prueba, nNynq=Λ(x(N))Λ(nNynq)1/p\sum_{n \leq N}\abs{y_n}^q = \Lambda(x^{(N)}) \leq \norm\Lambda\,\bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/p}, de donde (nNynq)1/qΛ\bigl(\sum_{n\leq N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} \leq \norm\Lambda para todo NN: yqy \in \ell^q, yqΛ\norm y_q \leq \norm\Lambda. Las funcionales Λ\Lambda y Λy\Lambda_y coinciden sobre las sucesiones finitas, que son densas (pregunta 4): Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y. Junto con la pregunta 5, yΛyy \mapsto \Lambda_y es un isomorfismo isométrico q(p)\ell^q \cong (\ell^p)'.

7. Sea ξ(p)\xi \in (\ell^p)''. Componiendo con la isometría q(p)\ell^q \cong (\ell^p)' de la pregunta 6, ξ\xi define un elemento de (q)(\ell^q)', que (pregunta 6 con p,qp, q intercambiados) es Λz\Lambda_z para un único zpz \in \ell^p: para todo yqy \in \ell^q, ξ(Λy)=nznyn\xi(\Lambda_y) = \sum_nz_ny_n. Por otra parte, J(z)(Λy)=Λy(z)=nynznJ(z)(\Lambda_y) = \Lambda_y(z) = \sum_ny_nz_n: el mismo valor. Como todo elemento de (p)(\ell^p)' es algún Λy\Lambda_y, ξ=J(z)\xi = J(z): JJ es sobreyectiva — p\ell^p es reflexivo.

8. Las sucesiones finitas con entradas racionales (parte real e imaginaria) son numerables y densas en p\ell^p (p<p < \infty) y en c0c_0. En \ell^\infty: la familia {1A:AN}\{\mathbf 1_A : A \subseteq \N\} es no numerable con 1A1B=1\norm{\mathbf 1_A - \mathbf 1_B}_\infty = 1 para ABA \neq B; las bolas B(1A,12)B(\mathbf 1_A, \frac12) son disjuntas dos a dos, y un conjunto denso tendría que cortar a todas ellas: no existe ningún conjunto denso numerable.

9. Si 1\ell^1 fuera reflexivo, entonces ()((1))=J(1)(\ell^\infty)' \cong ((\ell^1)')' = J(\ell^1) sería separable (imagen isométrica del separable 1\ell^1); y por el Ejercicio 8.10, la separabilidad del dual ()(\ell^\infty)' forzaría que \ell^\infty fuese separable — en contra de la pregunta 8. Luego 1\ell^1 no es reflexivo (y ()(\ell^\infty)' es estrictamente mayor que 1\ell^1, como concreta la pregunta 11).

10. La homogeneidad de pp es clara; subaditividad: las medias son lineales y lim sup(un+vn)lim supun+lim supvn\limsup(u_n + v_n) \leq \limsup u_n + \limsup v_n. Sobre cc: las medias de Cesàro de una sucesión convergente convergen a su límite, de modo que allí p(x)=limx=LIM(x)p(x) = \lim x = \mathrm{LIM}(x); en particular, LIMp\mathrm{LIM} \leq p sobre cc. Hahn–Banach (el Teorema 8.6) extiende LIM\mathrm{LIM} a R\ell^\infty_\R con LIMp\mathrm{LIM} \leq p globalmente. Positividad: para x0x \geq 0, LIM(x)=LIM(x)p(x)=lim supmed(x)0-\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(-x) \leq p(-x) = \limsup\text{med}(-x) \leq 0. Invariancia por desplazamiento: las medias de xSxx - Sx telescopan hasta x1xn+1n0\frac{x_1 - x_{n+1}}n \to 0, luego p(±(xSx))=0p(\pm(x - Sx)) = 0 y LIM(xSx)=0\mathrm{LIM}(x - Sx) = 0. Cotas: LIM(x)p(x)lim supx\mathrm{LIM}(x) \leq p(x) \leq \limsup x (las medias van por detrás de los supremos), y aplicándolo a x-x se obtiene la cota inferior.

11. enc0e_n \in c_0, luego LIM(en)=0\mathrm{LIM}(e_n) = 0 para todo nn. Si LIM=Λy\mathrm{LIM} = \Lambda_y con y1y \in \ell^1, entonces yn=Λy(en)=0y_n = \Lambda_y(e_n) = 0 para todo nn: Λy=0\Lambda_y = 0; pero LIM(1)=1\mathrm{LIM}(\mathbf 1) = 1. Luego LIM(){Λy:y1}\mathrm{LIM} \in (\ell^\infty)' \setminus \{\Lambda_y : y \in \ell^1\}: ()1(\ell^\infty)' \neq \ell^1, de nuevo.

12. Para x=(0,1,0,1,)x = (0,1,0,1,\dots): x+Sx=1x + Sx = \mathbf 1, luego 2LIM(x)=LIM(x)+LIM(Sx)=12\,\mathrm{LIM}(x) = \mathrm{LIM}(x) + \mathrm{LIM}(Sx) = 1: LIM(x)=12\mathrm{LIM}(x) = \frac12. Si φ\varphi fuera una extensión multiplicativa del límite invariante por desplazamiento: xSx=0x\cdot Sx = 0 da φ(x)φ(Sx)=φ(x)2=0\varphi(x)\varphi(Sx) = \varphi(x)^2 = 0, luego φ(x)=0\varphi(x) = 0; pero φ(x)+φ(Sx)=φ(1)=1\varphi(x) + \varphi(Sx) = \varphi(\mathbf 1) = 1 da 2φ(x)=12\varphi(x) = 1: contradicción. Promediar y multiplicar no pueden convivir.

13. Sea x(k)pM\norm{x^{(k)}}_p \leq M. Las coordenadas están acotadas por MM: una extracción diagonal da una subsucesión (que seguimos escribiendo x(k)x^{(k)}) con xn(k)xnx^{(k)}_n \to x_n para todo nn. Entonces xpx \in \ell^p: nNxnp=limknNxn(k)pMp\sum_{n\leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p para todo NN. Convergencia débil: para yqy \in \ell^q y NN arbitrario,

Λy(x(k)x)nN(xn(k)xn)yn+2M(n>Nynq)1/q,\abs{\Lambda_y(x^{(k)} - x)} \leq \Bigl|\sum_{n \leq N}(x^{(k)}_n - x_n)y_n\Bigr| + 2M\Bigl(\sum_{n>N}\abs{y_n}^q\Bigr)^{1/q},

donde el primer término tiende a 00 cuando kk \to \infty (finitas coordenadas) y el segundo es pequeño para NN grande (Hölder sobre la cola): Λy(x(k))Λy(x)\Lambda_y(x^{(k)}) \to \Lambda_y(x) para toda yy — convergencia débil, pues toda funcional es un Λy\Lambda_y (pregunta 6). En 1\ell^1 esto falla: considérese (en)(e_n), acotada. Toda subsucesión (enk)(e_{n_k}) converge coordenada a coordenada a 00, de modo que su único candidato a límite débil es 00; pero evaluando contra yy \in \ell^\infty definida por ynk=(1)ky_{n_k} = (-1)^k (y 00 en el resto), Λy(enk)=(1)k\Lambda_y(e_{n_k}) = (-1)^k diverge. No hay subsucesión débilmente convergente: la compacidad secuencial débil de las bolas caracteriza el mundo reflexivo.

14. Para y1y \in \ell^1, Λy(x)=xnyn\Lambda_y(x) = \sum x_ny_n está definida sobre c0c_0 con Λy(x)xy1\abs{\Lambda_y(x)} \leq \norm x_\infty\norm y_1, y evaluando en x(N)=(signy1,,signyN,0,)c0x^{(N)} = (\operatorname{sign}y_1, \dots, \operatorname{sign}y_N, 0, \dots) \in c_0 se obtiene Λy(x(N))=nNyny1\Lambda_y(x^{(N)}) = \sum_{n\leq N}\abs{y_n} \to \norm y_1: Λy=y1\norm{\Lambda_y} = \norm y_1. Recíprocamente, para Λ(c0)\Lambda \in (c_0)' póngase yn=Λ(en)y_n = \Lambda(e_n); las mismas evaluaciones dan nNyn=Λ(x(N))Λ\sum_{n \leq N}\abs{y_n} = \Lambda(x^{(N)}) \leq \norm\Lambda, luego y1y \in \ell^1, y Λ=Λy\Lambda = \Lambda_y sobre las sucesiones finitas, densas, y por tanto en todas partes. La cadena de duales: (c0)=1(c_0)' = \ell^1, (1)=(\ell^1)' = \ell^\infty (Ejercicio 8.10), ()1(\ell^\infty)' \supsetneq \ell^1 (preguntas 9–11): la reflexividad falla ya en el primer paso — c0=c0c_0'' = \ell^\infty \neq c_0 — y no se recupera nunca.

15. Jx(k)E=(E)J x^{(k)} \in E'' = (E')' es una familia de funcionales acotadas sobre el espacio de Banach EE' (los duales son completos, la Proposición 8.2); para cada ΛE\Lambda \in E', la sucesión Jx(k)(Λ)=Λ(x(k))Jx^{(k)}(\Lambda) = \Lambda(x^{(k)}) converge y, por tanto, está acotada. Banach–Steinhaus sobre EE' da supkJx(k)<\sup_k\norm{Jx^{(k)}} < \infty, y JJ es isométrico (Observación 8.8): supkx(k)<\sup_k\norm{x^{(k)}} < \infty.

16. (\Rightarrow) La acotación es la pregunta 15; las coordenadas son las funcionales Λen\Lambda_{e_n}. (\Leftarrow) Sean M=supkx(k)pM = \sup_k\norm{x^{(k)}}_p, yqy \in \ell^q, ε>0\varepsilon > 0; elíjase NN con (n>Nynq)1/q<ε\bigl(\sum_{n>N}\abs{y_n}^q\bigr)^{1/q} < \varepsilon. Entonces

Λy(x(k)x)nNxn(k)xnyn+x(k)xpεnNxn(k)xnyn+(M+xp)ε,\abs{\Lambda_y(x^{(k)} - x)} \leq \sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x_n}\,\abs{y_n} + \norm{x^{(k)} - x}_p\,\varepsilon \leq \sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n - x_n}\abs{y_n} + (M + \norm x_p)\,\varepsilon,

y la suma finita tiende a 00: lim sup(M+xp)ε\limsup \leq (M + \norm x_p)\varepsilon para toda ε\varepsilon. (Que xpx \in \ell^p con xpM\norm x_p \leq M se sigue de cotas de secciones finitas al estilo de Fatou: nNxnp=limknNxn(k)pMp\sum_{n \leq N}\abs{x_n}^p = \lim_k\sum_{n\leq N}\abs{x^{(k)}_n}^p \leq M^p.) Para eke_k en 2\ell^2: acotada, coordenada a coordenada 0\to 0, luego ek0e_k \rightharpoonup 0 y, sin embargo, ek=1\norm{e_k} = 1: la unidad de masa se escapa hacia índices infinitos, invisible para toda funcional fija.

17. Tómese Λ\Lambda con Λ=1\norm\Lambda = 1 y Λ(x)=x\Lambda(x) = \norm x (el Corolario 8.7). Entonces x=limΛ(x(k))lim infΛx(k)=lim infx(k)\norm x = \lim\Lambda(x^{(k)}) \leq \liminf\norm\Lambda\,\norm{x^{(k)}} = \liminf\norm{x^{(k)}}. (Con ek0e_k \rightharpoonup 0: 0lim inf10 \leq \liminf 1, y la desigualdad puede ser estricta.)

18. En 2\ell^2, x(k)x22=x(k)222Rex(k),x+x22\norm{x^{(k)} - x}_2^2 = \norm{x^{(k)}}_2^2 - 2\operatorname{Re}\langle x^{(k)}, x\rangle + \norm x_2^2 (caso real: 2x(k),x-2\langle x^{(k)}, x\rangle). La convergencia débil aplicada a la funcional Λx\Lambda_x da x(k),xx22\langle x^{(k)}, x\rangle \to \norm x_2^2, y las normas convergen por hipótesis: el miembro derecho tiende a x22x2+x2=0\norm x^2 - 2\norm x^2 + \norm x^2 = 0. Contraejemplo sin convergencia de las normas: ek0e_k \rightharpoonup 0, ek0=1↛0\norm{e_k - 0} = 1 \not\to 0.

19. Convergencia de las coordenadas: aplíquense las funcionales Λen(1)=\Lambda_{e_n} \in (\ell^1)' = \ell^\infty (y=eny = e_n). Construcción: elegidos kj1,Nj1k_{j-1}, N_{j-1}, tómese kj>kj1k_j > k_{j-1} tan grande que nNj1xn(kj)<δ20\sum_{n \leq N_{j-1}}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (finitas coordenadas, cada una 0\to 0), y después Nj>Nj1N_j > N_{j-1} tan grande que la cola cumpla n>Njxn(kj)<δ20\sum_{n > N_j}\abs{x^{(k_j)}_n} < \frac\delta{20} (convergencia de la serie que define x(kj)1\norm{x^{(k_j)}}_1). El bloque Bj=(Nj1,Nj]B_j = \intoc{N_{j-1}}{N_j} concentra entonces toda la masa salvo δ10\frac\delta{10} de x(kj)x^{(k_j)}.

20. Con yy tal como se ha definido (yn1\abs{y_n} \leq 1 en todas partes):

x(kj),y=nBjxn(kj)+nBjxn(kj)yn(x(kj)1δ10)δ10δ2δ10=4δ5>0,\langle x^{(k_j)}, y\rangle = \sum_{n \in B_j}\abs{x^{(k_j)}_n} + \sum_{n \notin B_j}x^{(k_j)}_ny_n \geq \Bigl(\norm{x^{(k_j)}}_1 - \frac\delta{10}\Bigr) - \frac\delta{10} \geq \delta - \frac{2\delta}{10} = \frac{4\delta}5 > 0,

la desigualdad central porque la masa fuera del bloque es a lo sumo δ10\frac\delta{10} (pregunta 19). Pero y=(1)y \in \ell^\infty = (\ell^1)' y x(k)0x^{(k)} \rightharpoonup 0 obligan a x(kj),y0\langle x^{(k_j)}, y\rangle \to 0: contradicción. Por tanto, las sucesiones débilmente nulas de 1\ell^1 son nulas en norma y, por traslación, las débilmente convergentes convergen en norma: el teorema de Schur.

21. Una subsucesión débilmente convergente de (ek)(e_k) tendría límite 00 (coordenadas), luego, por Schur, ekj10\norm{e_{k_j}}_1 \to 0 — pero las normas valen 11. 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 1\ell^1 (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.

EEEE'sep.refl.bolas déb. sec. cpt.
c0c_01\ell^1nono (e1++eke_1{+}\dots{+}e_k)
1\ell^1\ell^\inftynono (eke_k, p. 21)
p\ell^pq\ell^qsí (p. 13)
\ell^\infty1\supsetneq\ell^1nonono

Rasgos característicos: c0c_0 — su bidual es \ell^\infty: el primer paso no reflexivo (pregunta 14); 1\ell^1 — la propiedad de Schur (pregunta 20); p\ell^p — reflexividad y compacidad débil (preguntas 7 y 13); \ell^\infty — 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 (fk)F(f_k) \subseteq F con xfkd\norm{x - f_k} \to d. Entonces fkx+supkxfk\norm{f_k} \leq \norm x + \sup_k\norm{x - f_k}: está acotada, de modo que, por la pregunta 13, alguna subsucesión fkjff_{k_j} \rightharpoonup f. Si fFf \notin F, entonces δ=dist(f,F)>0\delta = \operatorname{dist}(f, F) > 0 (FF cerrado); sobre FRfF \oplus \R f, la forma lineal λ(g+tf)=t\lambda(g + tf) = t cumple λ(u)u/δ\abs{\lambda(u)} \leq \norm u/\delta (porque g+tftδ\norm{g + tf} \geq \abs t\,\delta), y Hahn–Banach la extiende a Λ(p)\Lambda \in (\ell^p)' con ΛF=0\Lambda\restriction_F = 0, Λ(f)=1\Lambda(f) = 1; pero entonces 0=Λ(fkj)Λ(f)=10 = \Lambda(f_{k_j}) \to \Lambda(f) = 1: contradicción. Luego fFf \in F y xfkjxfx - f_{k_j} \rightharpoonup x - f da, por la pregunta 17,

dxflim infjxfkj=d:d \leq \norm{x - f} \leq \liminf_j\,\norm{x - f_{k_j}} = d :

la distancia se alcanza en ff. En c0c_0: Λ(x)n2nxn<x\abs{\Lambda(x)} \leq \sum_n2^{-n}\abs{x_n} < \norm x_\infty para todo x0x \neq 0 (una sucesión nula no nula no puede cumplir xn=x\abs{x_n} = \norm x_\infty para todo nn), mientras que las truncadas (1,,1,0,)(1, \dots, 1, 0, \dots) dan Λ=12N1\Lambda = 1 - 2^{-N} \to 1: así que Λ=1\norm\Lambda = 1, y nunca se alcanza. Fórmula de la distancia: para fkerΛf \in \ker\Lambda, Λ(x)=Λ(xf)xf\abs{\Lambda(x)} = \abs{\Lambda(x - f)} \leq \norm{x - f}, luego dist(x,kerΛ)Λ(x)\operatorname{dist}(x, \ker\Lambda) \geq \abs{\Lambda(x)}; recíprocamente, para uu en la bola unidad con Λ(u)1ε\Lambda(u) \geq 1 - \varepsilon, el vector f=xΛ(x)Λ(u)uf = x - \frac{\Lambda(x)}{\Lambda(u)}u está en kerΛ\ker\Lambda con xfΛ(x)1ε\norm{x - f} \leq \frac{\abs{\Lambda(x)}}{1 - \varepsilon}: igualdad. Si algún fkerΛf \in \ker\Lambda la alcanzara, z=xfz = x - f cumpliría Λ(z)=Λ(x)=z0\abs{\Lambda(z)} = \abs{\Lambda(x)} = \norm z \neq 0, de modo que Λ\Lambda alcanzaría su norma en z/zz/\norm z: imposible. Un hiperplano cerrado de c0c_0 sin puntos más próximos en ninguna parte — la reflexividad no era un adorno.

24. Póngase y1=x(1)y_1 = x^{(1)}. Dado y1,,yjy_1, \dots, y_j, cada aplicación kyi,x(k)k \mapsto \langle y_i, x^{(k)}\rangle tiende a 00 (yi2=(2)y_i \in \ell^2 = (\ell^2)'), de modo que existe kj+1k_{j+1} posterior al índice anterior con yi,x(kj+1)1j+1\abs{\langle y_i, x^{(k_{j+1})}\rangle} \leq \frac1{j+1} para i=1,,ji = 1, \dots, j; llámese yj+1y_{j+1} a esa elección. Entonces

j=1myj22=j=1myj22+2j=2mi<jyi,yjmC2+2j=2mj1jmC2+2m,\Bigl\lVert\sum_{j=1}^my_j\Bigr\rVert_2^2 = \sum_{j=1}^m\norm{y_j}_2^2 + 2\sum_{j=2}^m\sum_{i<j}\langle y_i, y_j\rangle \leq mC^2 + 2\sum_{j=2}^m\frac{j-1}j \leq mC^2 + 2m,

y dividiendo por m2m^2: 1mjyj22C2+2m0\norm{\frac1m\sum_jy_j}_2^2 \leq \frac{C^2 + 2}m \to 0. (Para un límite débil x0x \neq 0, aplíquese esto a x(k)xx^{(k)} - x.) Sobre la sucesión ortonormal (ek)(e_k) ni siquiera hace falta extraer: 1m(e1++em)2=mm=1m\norm{\frac1m(e_1 + \dots + e_m)}_2 = \frac{\sqrt m}m = \frac1{\sqrt m}. Las medias convierten la convergencia débil en convergencia en norma: la propiedad de Banach–Saks de 2\ell^2.

25. Amx=1mi=0m1SixA_mx = \frac1m\sum_{i=0}^{m-1}S^ix, de modo que la linealidad y la invariancia por desplazamiento dan L(Amx)=L(x)L(A_mx) = L(x). Para uu acotada cualquiera y ε>0\varepsilon > 0, tómese NN con unlim supu+εu_n \leq \limsup u + \varepsilon para nNn \geq N; la positividad aplicada a (lim supu+ε)1SNu0(\limsup u + \varepsilon)\mathbf 1 - S^Nu \geq 0 y a L(SNu)=L(u)L(S^Nu) = L(u) da L(u)lim supu+εL(u) \leq \limsup u + \varepsilon y, simétricamente, L(u)lim infuεL(u) \geq \liminf u - \varepsilon: luego lim infAmxL(x)lim supAmx\liminf A_mx \leq L(x) \leq \limsup A_mx para todo mm. Si xx es TT-periódica, ATxA_Tx es la sucesión constante igual a la media del período μ\mu: L(x)=μL(x) = \mu para todo límite de Banach — 13\frac13 sobre (1,0,0,)(1,0,0,\dots) y 12\frac12 sobre (0,1,0,1,)(0,1,0,1,\dots), como en la pregunta 12. Para la sucesión por bloques: en N=3jN = 3^j con jj par, el último bloque es todo unos, de modo que la media de Cesàro vale 3j3j13j=23\geq \frac{3^j - 3^{j-1}}{3^j} = \frac23; en N=3jN = 3^j con jj impar, todos los unos están en (0,3j1]\intoc0 {3^{j-1}}, de modo que la media vale 13\leq \frac13. Por tanto, p(x)23p(x) \geq \frac23 y p(x)=lim infnx1++xnn13-p(-x) = \liminf_n\frac{x_1 + \dots + x_n}n \leq \frac13. Sobre M=cRxM = c \oplus \R x defínase Λ+(y+tx)=limy+tp(x)\Lambda_+(y + tx) = \lim y + t\,p(x). Dominación por pp: para t>0t > 0, la sublinealidad da p(tx)p(y+tx)+p(y)p(tx) \leq p(y + tx) + p(-y), es decir, p(y+tx)tp(x)+limyp(y + tx) \geq t\,p(x) + \lim y (obsérvese que p(±y)=±limyp(\pm y) = \pm\lim y para ycy \in c: las medias de Cesàro de una sucesión convergente convergen a su límite); para t=s<0t = -s < 0, p(y)p(ysx)+p(sx)p(y) \leq p(y - sx) + p(sx) da p(ysx)limysp(x)p(y - sx) \geq \lim y - s\,p(x); y para t=0t = 0 hay igualdad. Luego Λ+p\Lambda_+ \leq p sobre MM, y Hahn–Banach la extiende a L+pL_+ \leq p sobre R\ell^\infty_\R, que es un límite de Banach exactamente como en la pregunta 10 (la dominación por pp da la positividad, la invariancia por desplazamiento y el valor lim\lim sobre cc), con L+(x)=p(x)23L_+(x) = p(x) \geq \frac23. El mismo cálculo con Λ(y+tx)=limytp(x)\Lambda_-(y + tx) = \lim y - t\,p(-x) (usando p(sx)p(ysx)+p(y)p(-sx) \leq p(y - sx) + p(-y) para el caso t=s<0t = -s < 0) da un límite de Banach LL_- con L(x)=p(x)13L_-(x) = -p(-x) \leq \frac13. 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.

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