Un espacio lineal o vectorial es una estructura donde un conjunto no vacío (cuyos elementos llamaremos vectores), un campo ( o ), con dos operaciones binarias , y, , que dotan a de una estructura de grupo abeliano respecto de la suma, , y tal que:
donde , , es el elemento neutro respecto de la suma y y son el cero y la unidad en .
Habitualmente no se indica el punto . Así se escribe en vez de para y .
Sea el conjunto de las sucesiones sobre o , es decir, el conjunto de las funciones , con las operaciones de suma de sucesiones y producto por un escalar habituales. Un elemento de es denotado por o simplemente . Es claro que es un espacio vectorial.
El el conjunto de las sucesiones convergentes es un espacio vectorial.
El conjunto de las sucesiones convergentes a cero es un espacio vectorial.
El conjunto de las sucesiones con número de elementos no nulos finitos (soporte finito) es un espacio vectorial.
El conjunto de sucesiones acotadas, , es un espacio vectorial.
El conjunto de las sucesiones tales que con es un espacio vectorial (ver más abajo).
El conjunto de las funciones continuas en el intervalo es un espacio vectorial.
El espacio de funciones contínuas en el intervalo con es un espacio lineal.
La suma de sucesiones es cerrada en . Para verlo, notemos que
Y por tanto,
donde y son sucesiones de .
Introduc9mos la siguiente notación. Dados y subconjuntos de y y , definimos:
Si y con las operaciones y restringidas a es un espacio vectorial, entonces decimos que es un subespacio vectorial de .
Sea un conjunto no vacío. Llamamos subespacio generado por , o , al subespacio mínimo que contiene a . Es decir, si es un subespacio vectorial de y , entonces .
El subespacio generado por el conjunto no vacío es la intersección todos los subespacios vectoriales de que contienen a . Es decir,
con el conjunto de índices que etiquetan los subespacios que contienen a , .
Una combinación lineal de un conjunto finito se define como,
para y , con ,.
Todo elemento de puede escribirse como una cominación lineal de elementos de , es decir, para todo , existen un conjunto finito de elementos y , tales que,
con .
Un conjunto no vacío se dice linealmente independiente si cualquier cominación lineal de que cumpla ,
implica que para todo y .
Un conjunto no vacío se dice base de si y es linealmente independiente.
Sea no vacío,, , , y , entonces:
Si , entonces se llama convexo.
Si , entonces se llama balanceado.
Si es convexo y balanceado, entonces se llama absolutamente convexo.
Un conjunto no vacío es absolutamente convexo si y solo si,
para todo y tales que,
La implicación recíproca se ve fácilmente tomando y , y , lo que prueba que es convexo, y por otro lado tomando vemos que es balanceado.
Para ver la implicación directa, supongamos que y son ambos distintos de cero, en caso contrario es evidente. Los elementos,
pertenecen a pues los factores tienen módulo unidad, y por ser balanceado. También,
puesto que los factores son reales comprendidos entre 0 y 1, y su suma es la unidad, y por ser convexo. Finalmente,
por ser y por ser balanceado.
∎
Sea un conjunto no vacío de . El generado convexo de , , es el menor subconjunto convexo de que contiene a .. Equivalentemente,
con el conjunto de índices que etiquetan a todos los conjuntos convexos que contienen a .
Nota: El conjunto , a diferencia de , no es un subespacio vectorial en general. Sin embargo, el resultado siguiente muestra una propiedad que se asemeja a la propiedad de , que permite escribir los elementos de como ciertas combinaciones lineales de elementos de .
Sea un subconjunto no vacío de . Entonces para cualquier , existen un conjunto finito de elementos , y coeficientes reales , con , con,
tales que,
Sea el conjunto de combinaciones lineales de con coeficientes reales tales que suman uno, es decir,
Probemos que .
Primero, veamos que . Para ello notemos que es conexo, ya que dados , entonces,
Sea , entonces,
puesto que,
Y puesto que evidentemente , entonces .
Probemos ahora que . Para ello procederemos por inducción sobre el número de sumandos de las combinaciones lineales de . Para , es claro, ya que si y pertenecen a y , tendremos que el elemento de ,
pertenecerá también a cualquier subconjunto convexo de que contenga a , y por tanto estará en . Supongamos ahora cierto que cualquier representado por sumandos también pertenece a . Consideremos el elemento de ,
con , y,
En caso que , la prueba es evidente ya que y . En caso contrario, llamemos , y por tanto , y podemos escribir,
donde,
pertenece a cualquier convexo que contenga a , debido a que la suma y por hipótesis de inducción . Y por tanto también pertenece a . ∎
Sea un subespacio vectorial de sobre . Entonces sean , decimos que,
( es congruente con módulo ), si,
Es claro que la congruencia definida más arriba es una relación de equivalencia en . Las clases correspondientes a dicha relación son entonces,
Sea un espacio vectorial sobre y un subespacio vectorial de . Llamamos espacio factor o espacio cociente , al espacio vectorial formado por las clases de equivalencia , con las operaciones y definidas como siguen:
para cualesquiera y .
No es difícil probar que tales operaciones están bien definidas. Equivalentemente podemos escribir,
Llamamos codimensión de un subespacio vectorial a la dimensión de . Es decir,
Sean y dos subespacios vectoriales de sobre . Decimos que es suma directa de y ,
si se cumple que :
Sea , un espacio vectorial expresado como suma directa de dos subespacios y . Entonces cualquier elemento puede representarse de manera única como con y .
Por ser cualquier elemento puede escribirse como suma de elementos de y , es decir . Veamos por otro lado que dicha representación es única. Sea otra representación de como suma de y . Entonces,
y por tanto y , y la descomposición es única. ∎
Si como en la proposición anterior, decimos que () es complementario de () en .
Nota: El complementario de un subespacio no es único. Por ejemplo considerese .. Entonces tanto como son ambos complementarios de en .
La codimensión de es igual a la dimensión del complementario de . Es decir, si , entonces,
Sean y bases de y respectivamente. Ya que es claro que es base de . Entonces vamos a probar que es base de , donde son las clases formadas por los elementos de la base de .
Veamos primero que genera . Sea , entonces puesto tenddremos que,
y puesto que la primera parte de esta expresión pertenece a , tendremow que,
Ahora probamos que es linealmente independiente. Sean en tales que,
Entonces esto significa que ,, pero puesto que es una combinación lineal de elementos de entonces está en y por tanto,
pero como son linealmente independientes entonces . ∎
Nota: De la prueba de la proposición anterior se deduce que si y son de dimensión finita, entonces,
y todos los subespacios complementarios a tienen la misma dimensión, y por tanto son isomorfos.
Una aplicación lineal , es decir, con y , que cumple,
y sea , . Decimos que es un proyector algebraico de sobre a lo largo de , o que es una proyección de a lo largo de .
Sean y subespacios de , y una aplicación lineal en , tal que y , entonces, y si y solo si , y con donde con y es la representación única de .
Demostremos la implicación directa. Dado cualquier , podemos escribir,
con y que pertenece al kernel de ya que . Así pues . Además si , entonces para algún , y se tiene que, , y por tanto .
Recíprocamente, sea , entonces , por lo que , con lo que . ∎
En esta sección se demostrarán desigualdades relevantes para algunos ejemplos importantes que se considerarán mas adelante.
(desigualdad de Young). Sean y números reales no negativos, y y números reales mayores que complementarios, es decir, tales que,
Entonces se cumple la desigualdad,
Fijado , definimos la función,
que es al menos de clase . Es facil ver que dicha función solo tiene un mínimo global en , es decir, su derivada en dicho punto es nula y la segunda derivada es positiva en todo su dominio. Además, en dicho punto la función misma se anula , por lo que dicha función es no negativa en todo su dominio, y esto prueba la desigualdad. ∎
(desigualdad de Holder). Sean y sucesiones de y respectivamente, con . Entonces se cumple la desigualdad,
Definamos,
Usando la desigualdad de Young vista en el lema anterior, tenemos que
Y sumando sobre los , encontramos,
de donde se sigue la desigualdad de Holder. ∎
(desigualdad de Minkowski). Sean y sucesiones de con , entonces se sigue que,
El caso se deduce de la desigualdad triangular para el valor absoluto ( en ) o el módulo (en ). Para , sea su complementario. Tenemos que,
donde hemos hecho uso de la desigualdad triangular para , y hemos definido . Ahora usando la desigualdad de Holder para cada término del lado derecho de la desigualdad anterior, obtenemos,
Juntándolo todo obtenemos finalmente,
de donde se deduce fácilmente la desigualdad de Minkowski. ∎
En este capítulo vamos a estudiar el concepto de norma sobre un espacio vectorial, la cual nos permitir dar una definición precisa de límite y convergencia en estos espacios.
Sea un espacio vectorial sobre , definimos una norma sobre como una función que cumple las siguientes propiedades:
(desigualdad triangular)
para cualesquiera y en y en .
El valor absoluto o el módulo dobre ( o , respectivamente) es un ejemplo de norma. Probémoslo para . Todas las propiedades son evidentes salvo la última.
El espacio puede ser dotado de distintas normas, por ejemplo:
La demostración de las propiedades de la norma se siguen fácilmente usando entre otras la desigualdad de Minkowski.
En el espacio de sucesiones acotadas en , la norma del supremo
En las sucesiones , la norma,
En el espacio de funciones acotadas en el intervalo , la norma,
En el espacio de las funciones contínuas en el intervalo , definimos las normas:
Vamos a probar a continuación que esta última norma cumple las propiedades y . En particular, si suponemos que pero para algún , entonces por ser contínua, debe existir un intervalo donde . Y puesto que,
y por el teorema del valor medio, tendremos,
para algún , lo cual no se puede dar ya que el miembro derecho de la ecuación no puede ser cero. Por tanto para cualquier y por tanto .
Para probar la desigualdad triangular vamos a probar primero la desigualdad,
Para probar esta desigualdad, consideremos cualquiera. Entonces se debe cumplir,
donde , y . Para que la parábola descrita por el polinomio sea siempre positiva o cero, solo puede tener a lo sumo una raíz. Es decir, el discriminante debe ser menor o igual a cero, esto es,
de donde,
Ahora podemos proceder a probar la desigualdad triangular, ya que,
de donde se deduce la desigualdad buscada.
El espacio de las matrices complejas , definimos la norma,
en los espacios y de sucesiones acotadas y convergentes, respectivamente, la norma .
Decimos que dos normas y sobre el espacio lineal son equivalentes si existen tales que,
para cualquier .
La equivalencia definida arriba entre dos métricas en un espacio lineal es una relación de equivalencia.
Es reflexiva, basta tomar . Es simétrica, ya que si , entonces se tiene que . Finalmente, es transitiva ya que si y entonces se tiene que . ∎
Como veremos más adelante la equivalencia de dos normas asegurarán que la convergencia definida en términos de una de ellas es equivalente a la convergencia en la otra. Además se probará que en un espacio lineal de dimensión finita todas las normas son equivalentes.
Dado un espacio normado , definimos los siguientes conjuntos:
y se denomina bola abierta centrada en con radio .
se denomina bola cerrada centrada en y de radio .
, se denomina una esfera centrada en y de radio .
Sea un subconjunto de un espacio normado . Entonces:
Decimos que es abierto si para cualquier existe un tal que .
Decimos que es cerrado si el complementario de en es abierto.
Llamamos la clausura de , y la denotamos por a la intersección de todos los cerrados que contienen a .
Un espacio métrico es un conjunto con una función que llamamos distancia, entre los elementos , que cumple las siguientes propiedades:
.
(simétrica)
(desigualdad triangular)
donde .
Dada una norma en espacio lineal, la función definida como con es una función distancia en .
Dado un espacio métrico tal que es además espacio lineal. Si la función distancia cumple las siguientes propiedades para cualquier y :
la función definida como es una norma en . definida
Comprobamos las propiedades de la norma:
N1: Inmediata.
N2: Inmediata.
N3:
N4:
∎
Dado un subespacio vectorial de un espacio normado , si es un cerrado respecto de la topología métrica inducida por la norma en , podemos dotar al espacio cociente de una norma inducida sobre las clases de del modo siguiente:
Esta norma puede ser interpretada o bien como la “mínima distancia” entre la calse y o bien, como la “distancia mínima” entre y .
A continuación probamos que ésta es efectivamente una norma en , pero antes vemos que está bien definida ya que si es otro representante de la clase entonces para algún y por tanto,
Denotaremos la norma cociente simplemente con el mismo símbolo que la norma en solo que actuando sobre las clases .
Sea un subespacio lineal cerrado del espacio normado . Entonces la norma cociente definida anteriormente sobre el espacio vectorial cociente es una norma sobre dicho espacio.
Evidentemente y por tanto . Además si tendremos que,
ya que si y solo si .
Por otra parte si entonces (de lo contrario existiría una bola de radio centrada en que no contiene a ningúnb punto de y por tanto la ), y puesto que es cerrado y .
Por último, sean entonces,
∎
Así la norma cociente sobre un subespacio cerrado dota al espacio cociente de estructura de espacio normado.
Sea un subespacio cerrado de un espacio normado , y sea la función que lleva a a , denominamos a como el mapa cociente.
El concepto de norma nos permite definir el concepto de convergencia en espacios vectoriales.
Decimos que la sucesión de un espacio normado converge a si para todo existe un natural tal que
para todo . Equivalentemente tiende a si y solo si,
Decimos que tiende a en norma, o fuertemente, y denotamos,
Decimos que una sucesión de un espacio normado es de Cauchy si para todo existe un tal que,
si . o equivalentemente, si,
Sea una sucesión de un conjunto cerrado de un espacio normado que converge a , entonces .
Puesto que es punto de acumulación de (ya que cualquier abierto que contiene a contendrá elementos de ) y por ser cerrado entonces . ∎
Sea un conjunto no vacío de un espacio normado , y entonces,
Si entonces
si y , entonces,
Si y , entonces,
La clausura de un subespacio lineal en es también un subespacio lineal.
Toda sucesión de Cauchy es acotada.
Toda sucesión convergente es de Cauchy.
Sea , entonces,
Y por tanto, tomando el ínfimo sobre los , obtenemos,
de donde,
Haciendo lo mismo pero partiendo de , obtenemos además, , lo que prueba la desigualdad.
Si consideramos el caso anterior con obtenemos la desigualdad considerada.
Teniendo en cuenta que dado existirá un tal que si entonces usando la desigualdad anterior,
lo que prueba el resultado.
Si y entonces existirá un tal que si , tendremos que y y usando la desigualdad triangular,
De modo análogo,
puesto que la última expresión es una sucesión de números reales hemos usado que si y son convergentes y una de ellas tiende a cero.
∎
Sea un espacio lineal normado sobre , y una sucesión de Cauchy en la cual contenga una subsucesión convergente, entonces es convergente.
Sea una subsucesión convergente a . Entonces se tiene que para todo . Probaremos que para cualquier existe un tal que
Por ser convergente, existe un tal que si tendremos,
y por ser de Cauchy, existe un tal que si tendremos que,
Entonces eligiendo de modo que tendremos que,
si y . ∎
Un espacio métrico en el que toda sucesión de Cauchy es convergente se dice completo.
Un espacio lineal normado que es completo respecto de la métrica inducida por la norma se dice que es de Banach.
Sea un espacio de Banach, y sea un subespacio lineal de , entonces es cerrado si y solo si es completo.
Sea subespacio lineal cerrado de y sea una sucesión de Cauchy de . Puesto que es también sucesión de Cauchy de , entonces , por ser completo. Pero entonces es punto de acumulación de , y por ser cerrado entonces y por tanto es completo.
Recíprocamente, si es completo, y dado un punto de acumulación de , podemos encontrar una sucesión de que converge a . Pero dicha sucesión convergente es de Cauchy, y por ser completo, esta converge en y por tanto , y es cerrado. ∎
Sea entonces con es un espacio de Banach con la norma .
Sea , entonces es un espacio de Banach.
Sea una sucesión de Cauchy en . Es decir, que para todo existe un tal que si tenemos que,
por lo que para cada índice tendremos que,
por lo que cada sucesión numérica en es de Cauchy, y por ser completo, dichas sucesiones son convergentes en , sea entonces dichos límites,
Probaremos ahora que y que efectivamente,
Primero consideramos la suma finita,
y tomamos el límite cuando tiende a infinito, y puesto que la suma finita y el módulo y potencia son funciones continuas, obtenemos que,
Y ahora, puesto que la suma parcial de la izquierda es una sucesión numérica creciente y acotada, entonces converge. cuando tiende a infinito, es decir,
(2.1) |
y por tanto la sucesión, pertenece a . Y por linealidad de tenemos que,
Finalmente y como consecuencia directa de (2.1) tenemos que converge en norma a como queríamos demostrar. ∎
Sea un espacio lineal normado y , se dice que la serie converge si la sucesión converge en norma en .
Sea un espacio lineal normado, la serie converge absolutamente en si la serie numérica converge en .
Sea un espacio lineal normado. Entonces es de Banach si y solo si toda serie absolutamente convergente es convergente.
Demostremos la implicación directa. Si es de Banach, y es absolutamente convergente, entonces la serie es convergente y por tanto de Cauchy. Por tanto se tiene q que para todo existe tal que si tenderemos que,
por lo que la serie es de Cauchy, y por ser de Banach, entonces es convergente.
Recíprocamente, si toda serie absolutamente convergente es convergente veamos que es de Banach. Tomemos una sucesión de Cauchy. Vamos a encontrar una subsucesión de que converge y así demostraremos que es convergente y por tanto de Banach.
Para ello procedemos como sigue. Definamos recursivamente una subsucesión mediante los enteros, , con tal que para todo se tiene que . De nuevo escogemos tal que para todo tal que . Así recursivamente definimos tal que para todo implica .
Ahora escribimos la subsucesión como una serie,
donde para y . La serie así definida es absolutamente convergente. En efecto la serie,
es de Cauchy ya que para todo tenemos,
que tiende a cero cuando . Por tanto la serie converge y por tanto también lo hace la subsucesión a algún punto de . Pero como hemos visto, toda sucesión de Cauchy con una subsucesión convergente es convergente, y lo hace al mismo elemento al que convergía la subsucesión.. Luego toda sucesión de Cauchy de converge en y por tanto es de Banach. ∎
Sea un espacio de Banach y cerrado. Entonces el espacio lineal normado con la norma inducida por el cociente, es de Banach.
Primero notemos que al ser cerrado, es un espacio lineal normado. Veamos que además es de Banach.
Sea una sucesión en tal que la serie, es absolutamente convergente, es decir,
Por la definición de la norma inducida para cada podremos encontrar un tal que,
Por tanto la serie de es absolutamente convergente, ya que,
y por ser de Banach, la serie es convergente en , digamos que a .
Probaremos ahora que la serie converge a . En efecto, para toda suma parcial tenemos,
Lo que demuestra que efectivamente converge en y por tanto es de Banach. ∎
Un subconjunto de un espacio normado se dice acotado si está contenido en alguna bola centrada en algún y de radio para algún .
Un subconjunto de un espacio normado es acotado si y solo si existe un real tal que para todo .
Sea un subconjunto de un espacio lineal normado , y sea . Un subconjunto se dice una red para , si para cada existe un elemento tal que .
En otras palabras, es una red para si cada elemento de está a una distancia menor que de algún elemento de , en fórmulas,
Sea un subconjunto de un espacio lineal normado . Se dice que es totalmente acotado o precompacto si para cada existe una red finita .
Un subconjunto de un espacio lineal normado totalmente acotado es acotado.
Puesto que la unión de bolas centradas en los puntos de cualquier red finita es unión finita de conjuntos acotados, dicha unión es acotada, y también lo será cualquier subconjunto de esta, y en particular lo será . ∎
Sin embargo, el recíproco de la anterior proposición no es cierta como lo prueba el siguiente ejemplo.
Consideremos el conjunto constituido por la bola cerrada , es decir el conjunto de todas las sucesiones tales que . Este conjunto claramente es acotado, pero como veremos no es absolutamente acotado.
Consideremos el subconjunto numerable que claramente está en . Además para se tiene que,
entonces supongamos que es absolutamente acotado y considremos una red finita, , con . Entonces siempre podremos escoger un punto tal que,
Sin embargo, la distancia de a cualquier con es mayor que , ya que,
y del mismo modo se puede ver que las bolas son disjuntas y cada una de ellas contiene a respectivamente, con lo que para , ycon lo anterior, implica que los elementos son necesariamente infinitos, lo cual contradice la finitud de .
también lo sera
Sea de un espacio lineal normado . Entonces, es totalmente acotado si y solo si para todo existe una red finita contenida en .
La implicación recíproca es trivial. Para demostrar la implicación directa, sea , y consideremos una red finita de parámetro . Entonces para cada elemento con . escogemos puntos tales que,
Entonces, constituye una red para que está contenida, trivialmente, en . Para probar que efectivamente es una red de , tomemos un elemento arbitrario . Entonces existirá un para algún , de modo que,
y por tanto, el elemento correspondiente , cumple que,
y en consecuencia es una red finita contenida en . ∎
Sea de un espacio lineal normado . es absolutamente acotado si y solo si cualquier sucesión posee una subsucesión que es de Cauchy.
Sea una sucesión infinita en (si fuera finita, es claro que existe una subsucesión de Cauchy). Puesto que es absolutamente acotado, existe una red finita en con , . Entonces al menos una bola contendrá un número infinito de elementos de , a los que identificamos como la subsucesión infinita , . Con esta subsucesión infinita repetimos el proceso con una red finita con , . De nuevo, existirá una bola que contendrá infinitos elementos de , que define la subsucesión . De este modo, podemos definir recursivamente subsucesiones contenidas en bolas , para todo . . La subsucesión diagonal, es de Cauchy. En efecto, sean , entonces,
que tiende a cero cuando y van a infinito.
Recíprocamente, supongamos que toda sucesión en tiene una subsucesión de Cauchy, y supongamos también que no es absolutamente acotada, y veremos que llegamos a una contradicción. En efecto, puesto que no es absolutamente acotado, existe un para el cual no existe una red finita para . Entonces, tomando un punto cualquiera de , , como centro de una bola de radio , , siempre podemos escoger otro punto de , fuera de (de lo contrario tendríamos una red finita para ). De nuevo, la bola junto con la bola no pueden recubrir todo así que podemos escoger un fuera de y , etc. Este proceso se puede repetir indefinidamente obteniendo una sucesión que cumple evidentemente la propiedad,
lo que hace imposible obtener de esta sucesión una subsucesión de Cauchy. ∎
Sea de un espacio topológico . Un recubrimiento abierto de es una colección de abiertos cuya unión recubre a ,
Un subrecubrimiento de un recubrimiento es simplemente una parte de este.
En lo que sigue, la topología a la que nos referiremos será aquella inducida por una norma.
Sea de un espacio topológico . Decimos que es compacto si todo recubrimiento abierto de posee un subrecubrimiento finito de .
Sea de un espacilo lineal normado . Se dice que es secuencialmente compacto si toda sucesión en posee una subsucesión convergente en .
Sea un recubrimiento abierto de de un espacio lineal normado , decimos que es número de Lebesgue para si para todo , la bola está contenida en al menos un abierto .
Sea un espacio lineal normado y secuencialmente compacto, entonces cualquier recubrimiento abierto de tiene número de Lebesgue.
Procedamos por contradicción. Supongamos qe es secuencialmente compacto y que existe un recubrimiento abierto de no posee número de Lebesgue. Entonces siempre podremos encontrar una sucesión de puntos de , para los cuales las bolas, no están en ningún abierto de , para cada . Sin embargo, por ser secuencialmente compacto, dicha sucesión debe poseer una subsucesión convergente en , digamos a . Entonces . Por ser abierto que contiene a , contiene una bola de radio , . Además para este valor de existe un tal que,
También existe un tal que,
Eligiendo tendremos que para todo , la bola ya que si , entonces,
por lo que que contradice la propiedad de los elementos de la sucesión . ∎
Sea de un espacio lineal normado . Entonces es absolutamente acotado si y solo si es compacto.
Demostremos primero la implicación recíproca. Si es compacto, el recubrimiento abierto formado por todas las bolas de radio centradas en los , recubren a y por tanto existe una subcolección finita de dichas bolas que también recubren y por tanto también a , con lo cual es absolutamente acotado.
Para probar la implicación directa usaremos el lema anterior. Consideremos un recubrimiento abierto arbitrario para que también recubrirá obviamente a . Por ser absolutamente acotado y por el lema anterior, dicho recubrimiento tendrá número de Lebesgue. Sea número de Lebesgue para . Por ser absolutamente acotado existirá una red finita en con , es decir habrá una colección finita de bolas centradas en puntos (), , que cubren todo . Pero por ser número de Lebesgue de cada una de estas bolas estará contenida en algún abierto de ,
Y por tanto la subcolección finita es un subrecubrimiento finito de , y por tanto es compacto. ∎
Este último resultado justifica el nombre de precompacto para los conjuntos absolutamente acotados.
Sea un compacto de un espacio topológico .Entonces todo subconjunto infinito posee un punto límite en .
Recordemos que es un punto límite si cualquier abierto que contenga a contendrá algún elemento de distinto de . Procedamos entonces por contradicción. Asumamos que es compacto y es infinito y no tiene puntos límite en . Entonces
y por tanto, es abierto y en consecuencia es cerrado. También se tiene que,
es decir, que podemos recubrir con abiertos que solo contienen un elemento de .
Por tanto la colección es un recubrimiento abierto de . Y por ser compacto, debe poseer un subrecubrimiento finito lo cual contradice el hecho de que es infinito. ∎
Sea de un espacio lineal normado . es compacto si y solo si es secuencialmente compacto.
Demostremos primero la implicación directa. Sea una sucesión en . si está constituida por u número finito de puntos, es evidente que tiene una subsucesión convergente en . Sin embargo, si es una sucesión infinita de puntos, por ser compacto y por el lema previo tiene al menos un punto límite en , sea uno de estos puntos límite. Entonces eligiendocualquier elemento de la sucesión en la bola , , con en la bola , …, con , en la bola , etc. Así construimos una subsucesión que converge a .
Recíprocamente, si es secuencialmente compacto, veremos por contradicción que debe ser compacto. Tomemos un recubrimiento abierto de y asumamos que es secuencialmente compacto pero no compacto, de modo que no existe un subrecubrimiento de . Por ser secuencialmente compacto tiene número de Lebesgue, sea uno de tales números. Elijamos , entonces la bola está contenido en algún abierto . Existe otro punto que no está en , ya que de lo contrario recubre finitamente a . De nuevo la bola debe estar contenido en un abierto , y así recursivamente encontramos una sucesión infinita tal que,
pero dicha sucesión claramente no puede tener una subsucesión convergente lo que contradice que sea secuencialmente compacto.
∎
La siguiente proposición caracteriza los conjuntos compactos de espacios lineales normados en t ´términos de acotación absoluta y completitud.
Sea de un espacio lineal normado . es compacto si y solo si es absolutamente acotado y completo.
Por la proposición previa, compacto es equivalente a secuencialmente compacto en un espacio lineal normado. Por tanto demostraremos que es secuencialmente compacto si y solo si es absolutamente acotado y completo.
Primero procedemos con la prueba de la implicación directa. Puesto que si es secuencialmente compacto, toda subsucesión en posee una subsucesión convergente en , y p por tanto, dicha subsucesión es de Cauchy. Además, toda sucesión de Cauchy en , por ser sucesión en un secuencialmente compacto, posee una subsucesión convergente en . Pero toda sucesión de Cauchy con una subsucesión convergente es convergente y por tanto es completo.
La implicación recíproca es también fácil. Si es absolutamente acotado, toda sucesión en posee una subsucesión de Cauchy. Y por ser completo, dicha subsucesión de Cauchy es convergente, y por tanto es secuencialmente compacto. ∎
Todo subconjunto de un espacio de Banach es compacto si y solo si es absolutamente acotado y cerrado.
Todo conjunto compacto de un espacio lineal normado es cerrado y acotado.
Como veremos, el recíproco se cumplirá además si el espacio lineal es finito dimensional.
Todo subconjunto cerrado de un espacio lineal normado compacto , es compacto.
Sea un espacio lineal normado finito dimensional, y sea una base de . Entonces existe un tal que para toda tupla de números se tiene que,
En el caso que implica que para todo , y por tanto la desigualdad se cumple con cualquier . Supongamos entonces que . En primer lugar consideremos el subconjunto tal que,
y consideremos la función , tal que,
De Análisis elemental sabemos que al ser cerrado y acotado, debe ser compacto (pruébelo con la norma del valor absoluto, mostrando que es absolutamente acotado y completo), y la función es continua ya que si , tendremos que,
donde,
Así pues también es compacto y por tanto cerrado y acotado. Así pues, tiene máximo y mínimo, en concreto existirá un punto tal que,
Entonces , pero probamos que estrictamente . Si entonces,
pero dicho punto no pertenece a . Luego hemos probado la desigualdad para todos los coeficientes en .
Si y , entonces los coeficientes ,
y podemos usar la desigualdad mostrada para , lo que nos da la desigualdad que queríamos probar una vez escribimos en términos de . ∎
Todas las normas definidas en un espacio lineal normado dimensional son equivalentes.
Sean y dos normas definidas en el espacil lineal dimensional . Sea una base de , entonces para todo existen coeficientes tales que . Entonces, por un lado, debido al lema anterior, existe un tal que para todo , se tiene que,
Y por el otro lado tenemos,
donde . Por tanto,
Usando los mismos argumentos intercambiando llegamos a una expresión,
con y definidos de forma similar a y . ∎
Todo espacio lineal normado finito dimensional es completo.
Sea una base lineal de , y una sucesión de Cauchy en . Entonces cada elemento de la sucesión puede escribirse en términos de la base como,
Entonces debido al lema previo existe un , y a que es de Cauchy, para todo existe un tal que si , se tiene,
Por lo que,
Así pues las sucesiónes numéricas son sucesiones de Cauchy en por lo que son convergentes al ser completo. Sea () los límites de dichas sucesiones. Entonces . Queda por comprobar que efectivamente tiende a en norma. Sea , y con tales que si para todo , se tiene que,
donde . Entonces para todo tal que , tenemos que,
lo que demuestra que es completo. ∎
Todo subespacio lineal de un espacio lineal normado finito dimensional es cerrado.
Sea un subconjunto de un espacio lineal normado finito dimensional . Entonces es compacto si y solo si es cerrado y acotado.
La implicación directa ya fue probada para todo espacio lineal normado. Demostremos la implicación recíproca.
Sea una sucesión en cerrado y acotado. Probaremos que posee una subsucesión convergente en lo que probará que es secuencialmente compacto y por tanto compacto.
Sea una base lineal para , entonces cada elemento de la sucesión puede escribirse como,
Por el lema previo existe un tal que ,
para todo . Además por ser acotado existe un tal que, , y por tanto,
para todo y , por lo que cada sucesión numérica es acotada, y por tanto tiene sendas subsucesiones convergentes (?’ por qué?). Sean dichas subsucesiones que convergen a . Entonces la subsucesión,
converge en norma a,
como puede verificarse fácilmente. Ahora bien, por ser cerrado y por ser punto de acumulación de entonces . Así pues, toda sucesión en posee una subsucesión convergente en y por tanto es compacto. ∎
Sea un subespacio lineal propio de un espacio lineal normado , y sea la bola unidad cerrada en , es decir, . Entonces para todo existe un tal que,
Sea , y sea ,
Por ser cerrado . Y por definición de ínfimo, existe tal que,
dado .
Ahora bien, el elemento definido,
y se tiene que para cualquier ,
donde . ∎
Sea un espacio lineal normado. Entonces es finito dimensional si y solo si la bola unidad cerrada es compacta.
La implicación directa es fácil ya que si es finitodimensional, entonces pu puesto que la bola unidad es acotada y cerrada, entonces es compacta como se probó en una proposición anterior. Recíprocamente, supongamos que la bola unidad es compacta. Entonces es absolutamente acotada y existe una red finita , de razón , para la bola unidad. Sea dicha red, y sea el subespacio lineal generado por los elementos de la red.
Supongamos ahora que . Puesto que es cerrado al ser finito dimensional, podemos usar el lema de Riesz con para probar que existe un tal que,
En particular,
lo que contradice que sea una red para . Por tanto y es finito dimensional. ∎
Esta última proposición nos proporciona otra forma de ver que acotado no implica absolutamente acotado. Consideremos la bola unidad cerrada en . Dicha bola es evidentemente acotada. Supongamos que también es absolutamente acotada. Entonces por ser completo y cerrada, entonces es completa. Por tantto, la bola sería completa y¡y absolutamente acotada, lo que es equivalente a que es compacta. Y por la proposición anterior debería ser finitodimensional, lo cual es absurdo.
Sea de un espacio topológico . Se dice que es denso en si .
Para un espacio métrico lo anterior es equivalente a decir que dado y , existe tal que .
Se dice que un espacio topológico es separable si contiene un subconjunto numerable denso en .
Los conjuntos y con la topología usual son separables.
El espacio es separable. Veamos que , el conjunto de las sucesiones con valores racionales y con un conjunto de entradas distintas de cero finito, es denso en . En efecto, sea y , entonces existe tal que,
y existen racionales con , tales qe
Entonces la sucesión que vale si y en otro caso, pertenece a , y se tiene que
de donde se deduce que .
Además es la unión numerable de conjuntos numerables y por tanto es un conjunto numerable (ver sección de apéndice al final de este capítulo). Por tanto es separable.
El espacio de las sucesiones acotadas con la métrica del supremo no es separable. En efecto, sea el conjunto de las sucesiones formadas por ’s y ’s únicamente. Claramente no es contable, ya que se puede identificar con la representación binaria de los números reales, o alguno de sus intervalos. Además, para todo par de elementos distintos de , , se tiene que,
de modo que las bolas centradas en los elementos de y radio son todas disjuntas. Entonces sea que sea denso. Entonces debería haber al menos un elemento distinto en cada una de las bolas antes descritas, y por tanto no puede ser numerable.
Un espacio lineal normado es separable si y solo si existe un subconjunto numerable tal que .
La implicación directa: sea denso y contable, entonces dado y un , existe un , que por tanto también , tal que por lo que es también denso. Recíprocamente, supongamos que para algún subconjunto contable , y veamos que es separable. Para ello supongamos primero que , y etiquetemos los puntos de , , y consideremos el conjunto definido por,
Primero veamos que es numerable. Para ello notemos que el producto cartesiano es numerable por ser producto de dos conjuntos numerables , y también lo es el conjunto de todos los subconjuntos finitos de (ver apéndice al final del capítulo). Y finalmente notemos que la función que envía la tupla al elemento, mapea sobre , y por tanto es también numerable. Ahora probemos que . Para ello tomemos . Por ser , para todo , existen coeficientes y puntos tales que,
Y para tales coeficientes existen racionales tales que,
de modo que,
lo que prueba que es denso en .
Para probar esta implicación en el caso de basta cambiar por aquellas combinaciones con coeficientes racionales por coeficientes con parte real e imaginaria racional.
∎
Usando la proposición anterior podemos ver, en otra forma alternativa, que es separable. Consideremos el conjunto de las sucesiones que consisten en ceros salvo un uno en la posición n-ésima. Sea , y dado , existe tal que,
Entonces consideremos la combinación lineal , y vemos que,
Sea un espacio de Banach, y una sucesión de tal que dado y existe una única sucesión numérica tal que,
Se dice que es una base de Schauder para y se escribe,
es la representación de en la base .
Otra forma de enunciar lo anterior es decir que es base de Schauder si y la representación de cualquier en dicha sucesión es única.
Observese que necesariamente la base de Schauder debe ser linealmente independiente.
No todo espacio de Banach separable posee base de Schauder, aunque el recíproco si es trivialmente cierto.
Sea un espacio de Banach y una base de Schauder para , entonces es separable.
definida anteriormente es base de Shauder para y .
con es base de Schauder para , el conjunto de sucesiones convergentes.
Decimos que un conjunto es numerable si existe una biyección entre y .
Sea un subconjunto infinito de , entonces es numerable.
Definamos una función de forma recursiva del modo siguiente:
que existe ya que y no es vacío, y usamos la propiedad del buen orden en . Y definimos,
que de nuevo existe ya que es infinito y en virtud de la propiedad del buen orden..
De este modo queda definida recursivamente la función de a .
Veamos primero que es inyectiva. Supongamos que , y sin pérdida de generalidad , entonces y en consecuencia , mientras que por lo que .
Ahora probemos que es sobreyectiva. Sea , entonces debe existir algún tal que , ya que de lo contrario es finito y puesto que es inyectiva, es infinito. Sea definido como,
que como hemos visto es no vacío. Por tanto tiene mínimo, sea . Ahora bien, como tendremos que . p Por otro lado, vemos que , y entonces por definición de tenemos que . En efecto, , y , ya que si entonces puesto que , tendremos que y . pero . Así que concluimos que .
∎
Todo subconjunto infinito de un conjunto numerable es numerable.
Sea un conjunto infinito. Entonces las siguientes afirmaciones son equivalentes:
es numerable.
existe una función sobreyectiva de sobre .
Existe una función inyectiva de en .
: Si es numerable existe biyectiva entre y . Entonces es sobreyectiva de sobre .
: Sea sobreyectiva de sobre . Consideremos la función definida del modo siguiente,
que está definida sobre por ser sobreyectiva y está bien definida debido al orden en .
Ahora, es en efecto inyectiva ya que es disjunto a si . Entonces en particular .
Sea inyectiva, entonces es infinito (por ser inyectiva) y por el lema previo es numerable. Por tanto , existe una biyección entre y . Pero , con para todo , es biyectiva entre y , por tanto la función es una biyección entre y , y por tanto es numerable. ∎
El producto cartesiano, es numerable.
Sea la función que envía a . Es suficiente probar que es inyectiva. Sean y elementos distintos de , y tales que,
Primero supongamos que , en concreto , entonces,
lo cual es contradictorio ya qe potencia de no puede ser par. Un argumento similar puede aplicarse al caso , de modo que si entonces y por tanto es inyectiva y en virtur de la proposición anteriorr es numerable. ∎
El producto cartesiano finito de conjuntos numerables es numerable.
Es decir, si es numerable para cada , entonces,
es numerable.
Procederemos por inducción, pero antes probaremos que el producto cartesiano de dos conjuntos numerables y , es numerable. Puesto que y son numerables existen sendas biyecciones y de y , respectivamente, a los . Por tanto la función , definida por donde y es una biyección entre y , y como hemos demostrado en el última proposición, es numerable por lo que existe una biyección y por tanto es la biyección buscada.
Ahora demostremos que,
es numerable si es numerable para todo .
Para es evidente. Entonces supongamos la hipótesis de inducción qe es cierto para y comprobemos que también lo es para . Pero para el caso tenemos que,
y por hipótesis de inducción es numerable así como lo es, por hipótesis general, y como hemos probado al principio de la demostración, el producto de dos conjuntos numerables es numerable, y por tanto lo es el producto cartesiano de conjuntos numerables. ∎
La unión numerable de conjuntos numerables es numerable.
Es decir, si es numerable y es numerable para cada , se tiene que,
es numerable.
Puesto que cada es numerable existe una función biyectiva para cada . Además, como es numerable existe una función biyectiva , así que podemos definir una función,
que lleva el par en,
Esta función es claramente sobreyectiva ya que para todo debe existir al menos un tal que , entonces por ser biyectiva, tomemos y al ser biyectiva tomemos y así el par es preimagen de .
Finalmente puesto que es numerable también lo es la unión numerable de numerables. ∎
La familia de todos los subconjuntos finitos de un conjunto numerable es numerable.
Primero consideremos un conjunto numerable e inducimos un orden mediante una biyección del modo siguiente,
Sea la colección de subconjuntos de con exáctamente elementos (cardinal igual a ). Definamos la función, definida como sigue: A cada subconjunto , donde si . Está claro que la función así definida es inyectiva ya que si , entonces los elementos de y son los mismos y por tanto . Finalmente por ser producto cartesiano finito de numerables es isomorfo a y por tanto es numerable.
Ahora bien, el conjunto,
que es la familia de todos los subconjuntos finitos de , es la unión numerable de numerables y por la proposición anterior, es numerable. ∎
El conjunto de todas las sucesiones infinitas que toman solo los dos valores de es infinito no numerable.
Equivalentemente el conjunt de todas las funciones es infinito no numerable.
Procedamos por contradicción. Supongamos que el conjunto de las funciones es numerable. Entonces las podemos etiquetar en virtud de una biyección entre y . Por tanto toda función está etiquetada como para algún . Consideremos la siguiente función definida como sigue,
donde el superíndice significa el elemento complementario, es decir , y . Entonces la hipótesis de numerabilidad de implicaría que para algún .
Sin embargo esto no es así, ya que para cualquier tenemos que,
por lo que no existe tal y no puede ser numerable. ∎
Sea un espacio lineal normado. es de Banach si y solo si existe un tal que el subconjunto definido por,
es completo.
La implicación directa es fácil ya que puesto que es un subconjunto cerrado de un espacio de Banach, este debe ser completo para cualquier .
Para probar el recíproco primero probaremos que si existe un tal que es completo, también será completo para todo . Esto es claro ya que si es de Cauchy, entonces la sucesión es de Cauchy en y por tanto convergente a un punto . Es fácil ver que también converge a , por lo que es también completo.
Procedamos pues a la prueba de la proposición. Consideremos una sucesión que sea de Cauchy y que no converja a . Consideremos la subsucesión de los elementos de que no se anulan. Entonces sea . Claramente ya que si existiría una subsucesión de que convergería a , y por tanto la sucesión de Cauchy también convergería a , lo cual hemos descartado. Además por ser de Cauchy es acotada para algún . Por tanto tenemos que,
Definamos la sucesión
y veamos que es de Cauchy. En efecto,
donde hemos hecho uso de que,
para para algún . Y por ser completo, la sucesión es convergente en . Sea su límite. .
Por esta última desigualdad y por ser completo, la sucesión numérica es convergente, digamos a . Veamos que la subsucesión es también convergente a . En efecto,
Así pues, la subsucesión es convergente y al ser de Cauchy también es convergente toda la sucesión. Por otro lado, si convergiera a evidentemente también sería convergente, así que hemos probado que toda sucesión de Cauchy en es convergente y por tanto es de Banach. ∎
Sea un espacio lineal sobre un campo . Una función , se dice que es un producto interno para si cumple las siguientes propiedades:
.
.
.
.
.
con y .
Aun espacio vectorial con producto interno suele ser denominado espacio pre-Hilbert, o simplemente espacio con producto interno.
Sean para un espacio pre-Hilbert , Entonces se tiene que,
La igualdad se cumple si y solo si e son linealmente dependientes.
Si o son alguno cero, la desigualdad se cumple trivialmente. Entonces supongamos que no son nulos. Definimos con
Entonces se sigue que,
de lo cual se sigue la desigualdad de Cauchy-Schwarz.
Es claro que si e son linealmente dependientes la desigualdad es realmente una igualdad. Recíprocamente si se cumple la igualdad, y , entonces, es evidente del argumento anterior que con anteriormente definido, cumple que y por tanto , lo que implica que e son linealmente dependientes. El caso es trivial. ∎
El espacio o de las tuplas con el producto interno,
con , e . Si tomamos como el campo, hablamos del espacio euclideo, y si hablamos de el espacio unitario dimensional.
El espacio con el producto interno,
con e .
el espacio de las funciones contínuas en el intervalo , con el producto interno,
con e funciones contínuas.
El espacio de matrices con producto interno,
con y son las componentes de las matrices y , respectivamente.
Sea un espacio pre-Hilbert. Entonces la función que envía a dada por,
(3.1) |
define una norma sobre , llamada norma inducida por el producto interno sobre .
Todas las propiedades de una norma se cumplen trivialmente, salvo la desigualdad triangular. Para comprobarla consideremos e en , y tomemos,
donde hemos hecho uso de que para todo y de la desigualdad de Cauchy-Schwarz. De aqí se sigue inmediatamente la desigualdad triangular.
∎
Sea un espacio pre-Hilbert y la norma inducida por el producto interno . Entonces si se tiene la identidad,
(3.2) |
y si , tenemos,
(3.3) |
para todo e en .
Basta sustituir la norma inducida por su expresión en términos del producto interno (3.1) y hacer uso de las propiedades del producto interno, y comprobamos que,
y,
y de aquí es inmediato probar las identidades (3.2) y (3.3).
∎
Acabamos de ver que todo espacio pre-Hilbert es un espacio normado. Sin embargo queda la pregunta si todo espacio normado es pre-Hilbert, es decir, si dada una norma sobre un espacio vectorial es posible definir un producto interno. Las identidades (3.2) y (3.3) nos dan condiciones necesarias para la existencia de dicho producto, sin embargo no toda norma hace que (3.2) y (3.3) defina un verdadero producto interno. El siguiente resultado caracteriza las normas que si definen un verdadero producto interno.
Sea un espacio normado. Entonces es inducida por un producto interno si y solo si se cumplen las siguientes identidades para todo e en ,
(3.4) |
y,y,
(3.5) |
La identidad (3.4) es necesaria y suficiente cuando , mientras que lo son ambas cuando .
La implicación directa es similar a la demostración de la proposición anterior y se deja como ejercicio.
Para probar la implicación recíproca veamos que la operación definida en (3.3 en términos de una norma,) define efectivamente un producto interno.
En primer lugar si hacemos vemos que con lo cual si y solo si . También, por simple inspección de (3.3) vemos que , y que , y como es fácil de verificar.
Sea e para algunos y de . Entonces las identidades del paralelogramo, (3.4) y (3.5) nos dan,
Y restando cada ecuación con menos la versión y multiplicando por la segunda sustracción, obtenemos,
o escrito en términos del supuesto producto interno,
En concreto si hacemos tenemos que en general, , por lo que la anterior igualdad nos muestra que,
lo que prueba la propiedad lineal respecto de la suma. Más aún, dado es fácil probar por inducción que,
y además,
Además, si entonces existen tal que de modo que también . Finalmente para todo podemos encontrar una sucesión de números complejos,
con y . Y por la continidad de la norma, podemos escribir,
lo que prueba la última propiedad del producto interno.
∎
Una norma d un espacio normado es inducida por un producto interno si y solo si para cada subespacio bidimensional de la norma en dicho subespacio es inducida por un producto interno.
El espacio con no es un espacio pre-Hilbert. Consideremos los elementos y , de modo que mientras que . ASí no se cumple la identidad del paralelogramo,
El espacio con la norma del supremo no es un espacio pre-Hilbert. Consideremos las funciones y , se puede comprobar que no cumplen la identidad del paralelogramo.
Un espacio lineal con producto interno se dice de Hilbert si es completo.
El espacio con el producto estándar no es completo.
El espacio es un espacio de Hilbert.
El espacio es incompleto.
Sea un espacio pre-Hilbert, decimos que e de son ortogonales si , y lo denotamos por .
Sea un conjunto de un espacio pre-Hilbert. Decimos que es un conjunto ortogonal si para todo par tenmos que , son ortogonales.
Sea pre-Hilbert, y . Decimos que es perpendicular a , , si , para todo .
Sea pre-Hilbert, y . Denotamos por al conjunto ortogonal a , es decir,
Sea un espacio pre-Hilbert. Son ciertas las siguientes afirmaciones:
, y .
Sea , entonces es un subespacio lineal cerrado.
Sea , entonces .
Sea subespacio lineal de , entonces, .
Sean y , tales que , entonces, .
Sea , entonces, .
Es inmediato.
Sea e de , y , entonces . En efecto, , por lo que es subespacio lineal.
Además, sea una sucesión convergente en , entonces para todo . Por continuidad tenemos que,
por lo que ,, y así es cerrado.
Sea , entonces para todo , por lo que .
Puesto que es subespacio lineal y puesto que si y solo si , entonces se sigue la afirmación .
Sea , entonces para todo , y por tanto también para todo , por lo que , de lo que se sigue que .
Puesto que tenemos que, .
Ahora para probar la igualdad solo necesitamos ver que además . Sea , entonces para todo , y por linealidad también para todo . Sea entonces existe una sucesión tal que . Pero por continuidad en el segundo argumento del producto interior tenemos que,
por lo que .
∎
Sea el conjunto de todas las sucesiones de soporte finito, con producto interno dado por el estándar en . Entonces . En efecto, sea el conjunto de sucesiones , entonces para cualquier sucesión se tiene que, . Así pues si para toda debe ocurrir que para todo .
Sea pre-Hilbert, y e en . Entonces si , si y solo si,
(3.6) |
Y si , entonces si y solo si además de (3.6) tenemos que,
(3.7) |
Basta con darse cuenta que,
y,
Por lo que si y solo si su parte real e imaginaria son nulas, lo cual lleva a la demostración de la proposición. ∎
Sea pre-Hilbert y . Entonces si es ortogonal, se cumple que,
(3.8) |
Sea un pre-Hilbert y un subconjunto cerrado de , y . Decimos que es una mejor aproximación de en si .
Sea pre-Hilbert, y cerrado. Entonces se dice que es:
Proximinal si para todo existe al menos una mejor aproximación en .
Chebyshev, si para todo existe una única mejor aproximación en .
Al conjunto de puntos mejores aproximaciones de un elemento en lo denotaremos por , así para un que sea Chebyshev es una función de en que llamaremos proyección métrica sobre .
Sea pre-Hilbert y un subconjunto completo y convexo, entonces es Chebyshev, es decir, para todo existe un único que es mejor aproximación de en .
Si evidentemente el único mejor aproximación es el propio . Por otro lado, si , sea,
Por definición de ínfimo, podemos encontrar una sucesión tal que,
de tal modo que la sucesión numérica tiende a cuando tiende a infinito.
Veamos que es de Cauchy. Por la ley del paralelogramo tenemos que,
donde hemos hecho uso de que es convexo. El resultado de esta expresión es suficientemente pequeña cuando son suficientemente grandes. Así por ser completo la sucesión tiene un límite .
Primero veamos que es una mejor aproximación de en . Efectivamente, por la continuidad de la norma tenemos,
Y finalmente comprobamos que esta mejor aproximación es única. Sea otra mejor aproximación, entonces usando de nuevo la ley del paralelogramo,
lo que implica que , o que prueba la unicidad. ∎
Ahora una propiedad que caracteriza a la mejor aproximación.
Sea pre-Hilbert y un subconjunto convexo de . Dado con no vacío. Entonces es una mejor aproximación en si y solo si para todo se tiene que,
(3.9) |
Implicación directa:
Sea u la mejor aproximación a en , y sea cualquier elemento de . Entonces por ser convexo el punto para cada , así pues tenemos que,
Es decir que si , tenemos que,
y puesto que puede escogerse lo más pequeño que se quiera, esta desigualdad se cumplirá siempre que,
Implicación recíproca:
Sea tal que,
para todo . Entonces,
∎
Puesto que todo subespacio lineal es convexo y todo conjunto completo y convexo es Chebyshev, tenemos los siguientes corolarios.
Sea pre-Hilbert y un subespacio lineal completo de , entonces dado , su mejor aproximación en viene caracterizado por la propiedad,
(3.10) |
Basta con usar la proposición anterior a para y . ∎
Sea Hilbert y un subespacio lineal cerrado de , entonces dado , su mejor aproximación en viene caracterizado por la propiedad ( (3.10).
Consideremos el espacio incompleto y el subespacio de los polinomios de orden menor o igual a . Encontrar la mejor aproximación en de, .
Sea un espacio de Hilbert y un subespacio cerrado. Entonces se tiene:
En primer lugar sea . Si claramente donde y , y es única. Por otro lado, si por ser subespacio es convexo,y por ser cerrado y completo, es también completo, luego es Chebyshev. Así existe un único mejor aproximación en . Por la caracterización vista anteriormente de el elemento es ortogonal a todo punto de , es decir, y así, con y . Esta descomposición es única ya que si entonces también es la única mejor aproximación.
Ya sabemos que . Pero además si , entonces con y , pero entonces pues recordemos que , y éste último es subespacio. Así y por tanto y .
∎
Con este resultado de la proyección adquiere sentido la aplicación como un verdadero proyector sobre a lo largo de , por lo que se le denomina proyector ortogonal.
Sea un espacio de Hilbert y un subespacio propio cerrado de , entonces siempre existe un y perpendicular a .
Sea , entonces con y , y . ∎
Sea un espacio de Hilbert y un subconjunto no vacío de . Entonces,
.
si y solo si .
Como en general, y por el teorema de proyección, tenemos .
Si , por la parte tenemos que . Recíprocamente, si , entonces .
∎
Sea pre-Hilbert y un subconjunto de . Se dice que es un conjunto ortonormal si dados dos elementos distintos , se tiene que:
.
.
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal y .Los coeficientes,
se denominan coeficientes de Fourier, y la serie formal (ver apéndice al final del capítulo),
se denomina serie de Fourir.
Sea pre-Hilbert separable y un conjunto ortonormal. Entonces es a lo sumo numerable.
Si es finito no hay nada que demostrar. Por el contrario si es infinito, puesto que es separable, existe un conjunto numerable denso en . Por tanto para cada existe un tal que,
Eligiendo un para cada que cumpla la desigualdad anterior establecemos una función de a . Veamos que dicha función es inyectiva. En efecto, sean y elementos distintos cualesquiera de , y e , los elementos de correspondientes a los índices y respectivamente. Entonces ya que,
de donde vemos que,
por lo que . Por tanto es inyectiva y debe ser numerable. ∎
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal finito, y . La mejor aproximación de en viene dada por,
Puesto que es subespacio es convexo y al ser finito dimensional es completo, por tanto es Chebyshev. Así existe una única mejor aproximación que debe cumplir,
(3.11) |
Otra forma directa de comprobar este hecho es el siguiente,
(3.12) |
de modo que los valores de corresponden al valor mínimo de la distancia entre y cualquier elemento de . ∎
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal y . Entonces se cumple la desigualdad,
La demostración es directa. Basta considerar,
Y tomando el límite cuando llegamos a la desigualdad de Bessel. ∎
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal infinito numerable, y . Entonces la sucesión numérica tiende a cero cuando tiende a infinito.
En la definición anterior de serie de Fourier hemos usado la terminología serie formal ya que dichas sumas no han sido definidas (ver el apéndice al final del capítulo) para conjuntos de índices arbitrarios, sin embargo esto no es necesario debido al siguiente resultado.
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal de cardinal arbitrario. Entonces, existen a lo sumo un conjunto numerable de coeficientes de Fourier no nulos para cada .
La parte no trivial resulta cuando el cardinal de es superior a .
Dado y , sea el subconjunto de , dado por,
Este conjunto, cuando no es vacío, es finito. En efecto. De no serlo, siempre podemos escoger un subconjunto numerable de este; , dicho subconjunto sigue siendo ortonormal, y debido a la desigualdad de Bessel, se debe cumplir que,
con y para cualquier . Sin embargo esto es contradictorio.
Así pues el conjunto es numerable, es decir que el conjunto de los elementos de para los cuales es numerable.
∎
Sea un espacio de Hilbert separable infinito dimensional, y un conjunto ortonormal. Entonces la serie formada con coeficientes ,
converge si y solo si la sucesión pertenece a .
Implicación directa:
Si es convergente entonces es de Cauchy, es decir, la sucesión de las sumas parciales,
es una sucesión de Cauchy, es decir que para se tiene que,
con lo que la sucesión de sumas parciales,
es de Cauchy y por ser completo, la serie converge y por tanto . Implicación recíproca:
Supongamos ahora que , veamos que converge. En efecto, la sucesión de sumas parciales de la serie es de Cauchy ya que es convergente y por tanto de Cauchy y se tiene como antes que,
para todo , y por ser completo, converge. ∎
Sea un espacio de Hilbert y un conjunto ortonormal y . Entonces la serie de Fourier de con respecto a converge en ,
Debido a la desigualdad de Bessel, la sucesión de los coeficientes de Fourier pertenece a , ya que,
Así que por el teorema de Riesz-Fisher la serie de Fourier converge en . ∎
El corolario anterior pone de manifiesto que auún cuando la serie de Fourier de respecto de un conjunto ortonormal cualesquiera converge a un punto de este no tiene por qué ser el punto original .
El conjunto formado por los elementos de dados por es claramente ortonormal. Dado su serie de Fourier respecto de es,
que es claramente distinto de .
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal. Decimos que es una base ortonormal de si para toddo se tiene que,
Sea pre-Hilbert y un conjunto ortonormal. Se dice que es completo si para todo conjunto ortonormal , tal que entonces . Dicho de otro modo, un conjunto es completo si es un subconjunto ortonormal maximal.
Así pues un subcojunto ortonormal completo no es subconjunto propio de otro subconjunto ortonormal.
Un subconjunto ortonormal es completo si y solo si .
Sea ortonormal completo y sea , entonces si , el conjunto sería un conjunto ortonormal que contendría como subconjunto propio a , y por tanto debe ser nulo. Por el contrario si es ortonormal y entonces si existiera ortonormal que contuviera a como subconjunto propio existiría un distinto de cero, y por ser ortonormal, tendríamos que lo cual contradice la hipótesis. ∎
Sea un espacio de Hilberr separable infinito dimensional y un conjunto ortonormal. Entonces son equivalentes las siguientes afirmaciones:
es completo.
.
es base ortonormal de .
Dados se tiene la identidad de Parseval,
Dado se tiene,
Ya ha sido demostrado.
Si entonces sea ,
tenemos que para todo ,
por lo que .
Sea , por iii),
y por tanto,
donde hemos hecho uso de la continuidad del producto interno.
Solo hay que hacer en la identidad de Parseval.
Sea entonces para todo . Pero por la identidad de Parseval, tenemos,
de donde y por tanto .
∎
Sea pre-Hilbert y una sucesión de vectores linealmente independientes en , y sea . Entonces existe una sucesión ortonormal tal que para cada se tiene que,
Sea , entonces para se tiene evidentemente que . Supongamos cierta la afirmación para y probemos que también es cierta para . Sea un conjunto ortonormal y tal que,
Sea,
que es ortogonal a todo . En efecto,
para todo . Y finalmente tomamos que tiene norma unidad y por tanto es ortonormal y por la propia construcción es evidente que,
∎
Sea pre-Hilbert y una sucesión no nula de puntos de . Entonces existe una subsucesión de puntos linealmente independientes, tal que para cada se tiene que,
para algún .
Sea el primer elemento de distinto de cero. Es decir, para todo . existe ya que la sucesión es no nula. Sea el mínimo natural para el cual no existe un tal que . Si no existe, el conjunto es el conjunto buscado y ya estaría. Por el contrario, si tal natural existe, entonces tomamos como el siguiente elemento de la subsucesión de elementos linealmente independientes . Sea ahora el conjunto de los primeros elementos linealmente independientes (si existieran, y encaso contrario habríamos acabado), los cuales han sido escogidos de . Entonces sea y tal que el menor natural tal que y para el cual no existen tal que . Si tal número no existe, ya habríamos acabado. Sin embargo en caso contrario sería el siguiente elemento de la sucesión linealmente independiente. De esta forma hemos encontrado recursivamente el conjunto finito o infinito de vectores linealmente independientes que cumplen la tesis del lema ya que bastaría tomar como el valor máximo de la sucesión antes definida tal que . ∎
Sea un espacio de Hilbert separable. Entonces existe base ortonormal en .
Puesto que es separable existe un conjunto numerable tal que es denso en . Por el lema anterior podemos encontrar un subconjunto de vectores linealmente independientes tal que , y por el procedimiento de Gram-Schmidt podemos encontrar, a partir de , un conjunto ortogonal tal que , que por tanto el generado por es denso en y por tanto base ortonormal de . ∎
Para probar la existencia de bases ortonormales en espacios de Hilbert separables se ha procedido de forma constructiva. Sin embargo, la existencia de dichas bases en espacios de Hilbert más generales también se puede asegurar pero a cambio de usar el lema de Zorn, como probamos a continuación.
Todo espacio de Hilbert posee un conjunto ortonormal completo.
La familia de todos los conjuntos ortonormales de que es, evidentemente, no vacía puede ordenarse por inclusión. Toda cadena no vacía ( subcolección totalmente ordenada), tiene por cota superior la unión de toda ella
que es también un conjunto ortonormal, ya que dados se tendrá que para algún , y , y para algún , y de nuevo ,. Y además como es cadena se tendrá que, sin pérdida de generalidad, y por tanto y así , y por tanto es ortonormal. Finalmente , por el lema de Zorn, la familia de los conjuntos ortonormales posee un elemento maximal, que, por consiguiente, es un conjunto ortonormal completo de . ∎
Sean y dos espacios lineales sobre un campo . Decimos que e son linealmente isomorfos si existe una aplicación biyectiva que sea aplicación lineal, es decir que para todo y .
Sean y dos espacios métricos. Se dice que e son isométricos si existe una biyección tal que para todo .
Sean e dos espacios normados. Se dice que e son isométricos si existe una biyección entre e que sea a la vez isomorfismo lineal e isometría respecto de la métrica inducida por las normas.
Sean e pre-Hilbe e isométricos como espacios normados. Entonces se cumple que para todo y la isometría lineal entre e ,
Inmediato de las expresiones del producto interno en términos de las normas. ∎
Todo espacio de Hilbert separable de dimensión infinita es isométrico a .
Sea una base de , entonces definimos la aplicación del modo siguiente, dado tenemos , es decir a cada le asignamos una sucesión formada por sus coeficientes de Fourier en la base , que por la desigualdad de Bessel pertenece a .
Esta aplicación respeta la norma, es decir es isometría ya que por la identidad de Parseval tenemos,
Además esta aplicación es lineal, ya que,
para todo y .
Es sobreyectiva en virtud del teorema de Riesz-Fisher, dada una sucesión , existe un que está definido por la serie,
que puede comprobarse fácilmente que .
Finalmente para comprobar la inyectividad basta probar que si entonces debido a la linealidad. Pero esto es así por ser isometría ya que,
y por tanto .
∎
En este capítulo se ha definido una serie de Fourier como una suma de los coeficientes de Fourier multiplicados por los elementos de una base. Dicha base no es necesariamente contable y de ahí que la suma o serie no está definida en principio. Vamos a dar aquí un sentido a la expresión,
donde es un conjunto cualquiera y con un espacio normado o pre-Hilbert. Antes de proceder, hagamos una observación sobre la notación. Al igual que las sucesiones se indican dando sus entradas, entre paréntesis, , vamos a denominar una familia , donde ahora puede ser un conjunto más general que . Por familia, entonces queremos decir una función de en (el espacio vectorial), y usamos, al igual que con las sucesiones, la notación .
Sea un espacio normado, y una familia de elementos de , con un conjunto de índices . Decimos que la familia es sumable y su suma es , y lo expresamos como,
si para todo existe una colección finita de índices tal que para todo subconjunto finito de índices que contenga a , , se tiene que,
Ahora probamos algunas propiedades de conjuntos sumables de vectores. Aquí usaremos la notación usada en la definición sin necesidad de expresarlo explícitamente, así será una familia de vectores, el conjunto de índices, el espacio vectorial normado o pre-Hilbert, etc.
Si la familia es sumable, su suma es única
Si y son sumas distintas de , entonces dado un , existirá sendos conjuntos finitos y tal que cumplan las propiedades de la definición de suma para y respectivamente. Entonces basta tomar la colección de índices que contiene a ambos, para ver que,
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Si es finito es sumable, y su suma es la suma algebraica.
Inmediato. ∎
Si es sumable, entonces salvo para una colección a lo sumo numerable de índices.
Sea el subconjunto de índices de índices tales que . Entonces el conjunto de índices,,
es el conjunto de índices para los cuales . Ahora procedamos por contradicción y asumamos que es sumable pero es no numerable. Si es no numerable, algún debe ser no numerable, sea tal que sea no numerable.
Por otro lado, puesto que es sumable, digamos a , dado existe una colección finita de índices tales que si es otra colección finita tal que se debe tener,
En concreto y dado podemos encontrar un índice que no estuviera en , ya que es infinito. Entonces debe cumplir la misma desigualdad anterior, pero además tenemos que,
Lo cual contradice la desigualdad anterior para . ∎