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Matemáticas · Glosario

¿Qué es norma?

Definición 5.1 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 5 — Espacios vectoriales normados

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

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

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

Ejemplos

Ejemplo 5.2

Sobre KnK^n:

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

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

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

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

Ejemplo 5.4 (No equivalencia en dimensión infinita)

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

Ejemplo 5.5 (Constantes explícitas en dimensión nn)

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

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

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

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