Notas de Análisis Funcional

Capítulo 1 Espacios Lineales

1.1 Definición y ejemplos

Definición 1.1.

Un espacio lineal o vectorial (X,𝔽,+,) es una estructura donde X un conjunto no vacío (cuyos elementos llamaremos vectores), 𝔽 un campo ( o ), con dos operaciones binarias +:X×XX, y, :𝔽×XX, que dotan a X de una estructura de grupo abeliano respecto de la suma, +, y tal que:

  1. 1.

    λ(v+w)=λv+μλw

  2. 2.

    (λ+μ)v=λv+μv

  3. 3.

    λ(μv)=(λμ)v

  4. 4.

    1v=v,0v=0

donde v,wX, λ,μ𝔽, 0 es el elemento neutro respecto de la suma y 0 y 1 son el cero y la unidad en 𝔽.

Habitualmente no se indica el punto . Así se escribe λv en vez de λv para λ𝔽 y vX.

Ejemplos 1.1.
  1. 1.

    Sea 𝐬() el conjunto de las sucesiones sobre o , es decir, el conjunto de las funciones s:F, con las operaciones de suma de sucesiones y producto por un escalar habituales. Un elemento de 𝐬 es denotado por s=(sn)0 o simplemente sn. Es claro que 𝐬() es un espacio vectorial.

  2. 2.

    El 𝐜() el conjunto de las sucesiones convergentes es un espacio vectorial.

  3. 3.

    El conjunto 𝐜0 de las sucesiones convergentes a cero es un espacio vectorial.

  4. 4.

    El conjunto 𝐥0 de las sucesiones con número de elementos no nulos finitos (soporte finito) es un espacio vectorial.

  5. 5.

    El conjunto 𝐥 de sucesiones acotadas, sup|sn|<, es un espacio vectorial.

  6. 6.

    El conjunto 𝐥p de las sucesiones tales que n=1|sn|p< con p>1 es un espacio vectorial (ver más abajo).

  7. 7.

    El conjunto 𝒞[a,b] de las funciones continuas en el intervalo [a,b] es un espacio vectorial.

  8. 8.

    El espacio 𝒞0[-1,1] de funciones contínuas en el intervalo [-1,1] con f(0)=0 es un espacio lineal.

La suma de sucesiones es cerrada en 𝐥p. Para verlo, notemos que

|xn+yn|p(2ma´x(|xn|,|yn|))p=2pma´x(|xn|p,|yn|p)2p(|xn|p+|yn|p)

Y por tanto,

n=0|xn+yn|p2p(n=0|xn|p+n=0|yn|p)<

donde xn y yn son sucesiones de 𝐥p.

Definición 1.2.

Introduc9mos la siguiente notación. Dados A y B subconjuntos de X y λ𝔽 y aX, definimos:

  1. 1.

    a+A:={bX|b=a+c,cA}

  2. 2.

    A+B:={cX|c=a+b,aA,bB}

  3. 3.

    λA:={b=λc|cA}

Definición 1.3.

Si AX y (A,F,+,) con las operaciones + y cdot restringidas a A es un espacio vectorial, entonces decimos que A es un subespacio vectorial de X.

1.2 Generadores, independencia lineal y bases

Definición 1.4.

Sea SX un conjunto no vacío. Llamamos subespacio generado por S, S o span(S), al subespacio mínimo que contiene a S. Es decir, si AX es un subespacio vectorial de X y SA, entonces SA.

Proposición 1.1.

El subespacio generado por el conjunto no vacío SX es la intersección todos los subespacios vectoriales de X que contienen a S. Es decir,

iJAi=S,

con J el conjunto de índices que etiquetan los subespacios Ai que contienen a S, SAi.

Definición 1.5.

Una combinación lineal de un conjunto finito SX se define como,

i=1mλixi

para xiS y λi𝔽, con i=1,,m,.

Proposición 1.2.

Todo elemento de S puede escribirse como una cominación lineal de elementos de S, es decir, para todo xS, existen un conjunto finito de elementos xiS y λi𝔽, tales que,

x=i=1mλixi

con m.

Definición 1.6.

Un conjunto no vacío SX se dice linealmente independiente si cualquier cominación lineal de S que cumpla ,

i=1mλixi=0

implica que λi=0 para todo i=1,,m y xiS.

Definición 1.7.

Un conjunto no vacío S se dice base de X si S=X y es linealmente independiente.

1.3 Convexidad

Definición 1.8.

Sea SX no vacío,, 0λ1, |μ|1, y x,yS, entonces:

  1. 1.

    Si λx+(1-λ)yS, entonces S se llama convexo.

  2. 2.

    Si μxS, entonces S se llama balanceado.

  3. 3.

    Si S es convexo y balanceado, entonces S se llama absolutamente convexo.

Proposición 1.3.

Un conjunto no vacío SX es absolutamente convexo si y solo si,

λx+μyS

para todo x,yS y λ,μ𝔽 tales que,

|λ|+|μ|1.
Demostración.

La implicación recíproca se ve fácilmente tomando λ y 0λ1, y μ=1-λ, lo que prueba que S es convexo, y por otro lado tomando μ=0 vemos que es balanceado.

Para ver la implicación directa, supongamos que λ y μ son ambos distintos de cero, en caso contrario es evidente. Los elementos,

x=λ|λ|xS,y=μ|μ|yS

pertenecen a S pues los factores tienen módulo unidad, y por ser S balanceado. También,

z|λ||λ|+|μ|x+|μ||λ|+|μ|yS

puesto que los factores son reales comprendidos entre 0 y 1, y su suma es la unidad, y por ser S convexo. Finalmente,

z(|λ|+|μ|)z=|λ|x+|μ|y=λx+μyS

por ser |λ|+|μ|1 y por ser S balanceado.

Definición 1.9.

Sea un conjunto no vacío de X. El generado convexo de S, co(S), es el menor subconjunto convexo de X que contiene a S.. Equivalentemente,

co(S)=iJCj,

con J el conjunto de índices que etiquetan a todos los conjuntos Cj convexos que contienen a S.

Nota: El conjunto co(S), a diferencia de S, no es un subespacio vectorial en general. Sin embargo, el resultado siguiente muestra una propiedad que se asemeja a la propiedad de S, que permite escribir los elementos de co(S) como ciertas combinaciones lineales de elementos de S.

Proposición 1.4.

Sea S un subconjunto no vacío de S. Entonces para cualquier xco(S), existen un conjunto finito de elementos xiS, y coeficientes reales 0λi1, con i=1,,m, con,

i=1mλi=1,

tales que,

x=i=1mλixi.
Demostración.

Sea C el conjunto de combinaciones lineales de S con coeficientes reales 0λ1 tales que suman uno, es decir,

C:={x|x=i=1mλixi,i=1mλi=1,m}

Probemos que co(S)=C.

Primero, veamos que co(S)C. Para ello notemos que C es conexo, ya que dados x,yC, entonces,

x=i=1mλixi,i=1mλi=1
y=i=1nμiyi,i=1nμi=1

Sea 0λ1, entonces,

λx+(1-λ)y=i=1mλλixi+j=1n(1-λ)μjyjC

puesto que,

i=1mλλi+j=1n(1-λ)μj=λ+(1-λ)=1

Y puesto que evidentemente SC, entonces co(S)C.

Probemos ahora que Cco(S). Para ello procederemos por inducción sobre el número de sumandos de las combinaciones lineales de C. Para m=2, es claro, ya que si x1 y x2 pertenecen a S y λ1+λ2=1, tendremos que el elemento de C,

x(2)=λ1x1+λ2x2

pertenecerá también a cualquier subconjunto convexo de X que contenga a S, y por tanto estará en co(S). Supongamos ahora cierto que cualquier x(m)C representado por m sumandos también pertenece a co(S). Consideremos el elemento de C,

x(m+1)=i=1mλixi+λm+1xm+1

con xiS, i=1,,m+1 y,

i=1m+1λi=1.

En caso que i=1mλi=0, la prueba es evidente ya que λm+1=1 y x(m+1)=xm+1Sco(S). En caso contrario, llamemos β=i=1mλi0, y por tanto 1-β=λm+1, y podemos escribir,

x(m+1)=βi=1mλiβxi+(1-β)xm+1=βx(m)+(1-β)xm+1

donde,

x(m)=i=1mλiβxi

pertenece a cualquier convexo que contenga a co(S), debido a que la suma i=1mλiβ=1 y por hipótesis de inducción x(m)co(S). Y por tanto también pertenece a co(S). ∎

1.4 Espacio cociente

Definición 1.10.

Sea M un subespacio vectorial de X sobre 𝔽. Entonces sean x,yX, decimos que,

xy(𝑚𝑜𝑑M)

(x es congruente con y módulo M), si,

x-yM.

Es claro que la congruencia definida más arriba es una relación de equivalencia en X. Las clases correspondientes a dicha relación son entonces,

[x]=x+M:={zX|z=x+y,yM}
Definición 1.11.

Sea X un espacio vectorial sobre 𝔽 y MX un subespacio vectorial de X. Llamamos espacio factor o espacio cociente X/M, al espacio vectorial formado por las clases de equivalencia [x], con las operaciones y + definidas como siguen:

  1. 1.

    [x]+[y]=[x+y]

  2. 2.

    λ[x]=[λx]

para cualesquiera x,yX y λ𝔽.

No es difícil probar que tales operaciones están bien definidas. Equivalentemente podemos escribir,

(x+M)+(y+M)=x+y+M,λ(x+M)=λx+M.
Definición 1.12.

Llamamos codimensión de un subespacio vectorial MX a la dimensión de X/M. Es decir,

𝑐𝑜𝑑𝑖𝑚M=𝑑𝑖𝑚(X/M).

1.5 Suma directa y proyectores

Definición 1.13.

Sean M y N dos subespacios vectoriales de X sobre 𝔽. Decimos que X es suma directa de M y N,

X=MN,

si se cumple que :

  1. 1.

    X=M+N

  2. 2.

    MN={0}.

Proposición 1.5.

Sea X=MN, un espacio vectorial expresado como suma directa de dos subespacios M y N. Entonces cualquier elemento xX puede representarse de manera única como x=m+n con M y nN.

Demostración.

Por ser X=M+N cualquier elemento xX puede escribirse como suma de elementos de mM y nN, es decir x=m+n. Veamos por otro lado que dicha representación es única. Sea x=m+n otra representación de x como suma de mM y nN. Entonces,

m-m=n-nMN={0}

y por tanto m=m y n=n, y la descomposición es única. ∎

Definición 1.14.

Si X=MN como en la proposición anterior, decimos que N (M) es complementario de M (N) en X.

Nota: El complementario de un subespacio M no es único. Por ejemplo considerese M=(1,0,0),(0,1,0)3.. Entonces tanto N=(0,0,1) como N=(0,1,1) son ambos complementarios de M en 3.

Proposición 1.6.

La codimensión de M es igual a la dimensión del complementario de M. Es decir, si X=MN, entonces,

𝑐𝑜𝑑𝑖𝑚M=𝑑𝑖𝑚N.
Demostración.

Sean M={u1,u2,} y N={v1,v2,} bases de M y N respectivamente. Ya que X=MN es claro que MN es base de X. Entonces vamos a probar que ={[v1],[v2],} es base de X/M, donde [vi] son las clases formadas por los elementos de la base de N.

Veamos primero que genera X/M. Sea [w]X/M, entonces puesto wX tenddremos que,

w=λ1u1+λ2u2++μ1v1+μ2v2+

y puesto que la primera parte de esta expresión pertenece a M, tendremow que,

[w]=μ1[v1]+μ2[v2]+

Ahora probamos que es linealmente independiente. Sean μ1,μ2, en 𝔽 tales que,

μ1[v1]+μ2[v2]+=[0]

Entonces esto significa que μ1v1+μ2v2+M,, pero puesto que es una combinación lineal de elementos de N entonces está en MN={0} y por tanto,

μ1v1+μ2v2+=0

pero como {v1,v2,} son linealmente independientes entonces μi=0,i. ∎

Nota: De la prueba de la proposición anterior se deduce que si X y M son de dimensión finita, entonces,

dim(X/M)=dimX-dimM

y todos los subespacios complementarios a M tienen la misma dimensión, y por tanto son isomorfos.

Definición 1.15.

Una aplicación lineal P:XX, es decir, P(λv+μw)=λPv+μPw con v,wX y λ,μ𝔽, que cumple,

P2=P

y sea M=𝐼𝑚P=P(X), N=𝐾𝑒𝑟P={vX|Pv=0}. Decimos que P es un proyector algebraico de X sobre M a lo largo de N, o que M es una proyección de X a lo largo de N.

Proposición 1.7.

Sean M y N subespacios de X, y P:XX una aplicación lineal en X, tal que P(X)=M y N=𝐾𝑒𝑟P, entonces, P2=P y N=(I-P)(X) si y solo si X=MN, y con Px=m donde x=m+n con mM y nN es la representación única de xX.

Demostración.

Demostremos la implicación directa. Dado cualquier xX, podemos escribir,

x=Px+(x-Px)=x+(I-P)x=m+n

con m=PxP(X) y n=(I-P)x que pertenece al kernel de P ya que Pn=P(I-P)x=(P-P2)x=(P-P)x=0. Así pues X=M+N. Además si yMN, entonces y=Px para algún xX, y se tiene que, 0=Py=P2x=Px=y, y por tanto X=MN.

Recíprocamente, sea x=m+n=Px+n, entonces n=x-Px=(I-P)xN=KerP, por lo que 0=Pn=(P-P2)x, con lo que P2=P. ∎

1.6 Desigualdades notables

En esta sección se demostrarán desigualdades relevantes para algunos ejemplos importantes que se considerarán mas adelante.

Lema 1.1.

(desigualdad de Young). Sean α y β números reales no negativos, y p y q números reales mayores que 1 complementarios, es decir, tales que,

1p+1q=1.

Entonces se cumple la desigualdad,

αβαpp+βqq.
Demostración.

Fijado β, definimos la función,

f(α)=αpp+βqq-αβ

que es al menos de clase 𝒞(2)(¯+). Es facil ver que dicha función solo tiene un mínimo global en α=β1p-1, 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 f(β1p-1)=0, por lo que dicha función es no negativa en todo su dominio, y esto prueba la desigualdad. ∎

Proposición 1.8.

(desigualdad de Holder). Sean (xn) y (yn) sucesiones de lp y lq respectivamente, con 1p+1q=1. Entonces se cumple la desigualdad,

n=1|xnyn|(n=1|xn|p)1p(n=1|yn|q)1q.
Demostración.

Definamos,

αn=|xn|(k=1|xk|p)1p,βn=|yn|(k=1|yk|q)1q.

Usando la desigualdad de Young vista en el lema anterior, tenemos que

αnβn = |xn|(k=1|xk|p)1p|yn|(k=1|yk|q)1q
αnpp+βnqq=|xn|pp(k=1|xk|p)+|yn|qq(k=1|yk|q)

Y sumando sobre los n=1,2,, encontramos,

n=1|xn||yn|(k=1|xk|p)1p(k=1|yk|q)1q
n=1|xn|pp(k=1|xk|p)+n=1|yn|qq(k=1|yk|q)
=1p+1q=1,

de donde se sigue la desigualdad de Holder. ∎

Proposición 1.9.

(desigualdad de Minkowski). Sean (xn) y (yn) sucesiones de lp con p1, entonces se sigue que,

(n=1|xn+yn|p)1p(n=1|xn|p)1p+(n=1|yn|p)1p
Demostración.

El caso p=1 se deduce de la desigualdad triangular para el valor absoluto ( en ) o el módulo (en ). Para p>1, sea q=pp-1 su complementario. Tenemos que,

n=1|xn+yn|p n=1|xn+yn|p-1(|xn|+|yn|)
= n=1αn|xn|+n=1αn|yn|

donde hemos hecho uso de la desigualdad triangular para |xn+yn||xn|+|yn|, y hemos definido αn=|xn+yn|p-1. Ahora usando la desigualdad de Holder para cada término del lado derecho de la desigualdad anterior, obtenemos,

n=1αn|xn| (n=1|xn|p)1p(n=1αnq)1q
= (n=1|xn|p)1p(n=1|xn+yn|p)p-1p
n=1αn|yn| (n=1|yn|p)1p(n=1αnq)1q
= (n=1|yn|p)1p(n=1|xn+yn|p)p-1p

Juntándolo todo obtenemos finalmente,

n=1|xn+yn|p[(n=1|xn|p)1p + (n=1|yn|p)1p]×
×(n=1|xn+yn|p)p-1p

de donde se deduce fácilmente la desigualdad de Minkowski. ∎

Capítulo 2 Espacios Normados

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.

2.1 Definición y ejemplos

Definición 2.1.

Sea X un espacio vectorial sobre 𝔽, definimos una norma sobre X como una función :X que cumple las siguientes propiedades:

  1. N.1.

    x0

  2. N.2.

    λx=|λ|x

  3. N.3.

    x=0,x=0

  4. N.4.

    x+yx+y (desigualdad triangular)

para cualesquiera x y y en X y λ en 𝔽.

Ejemplos 2.1.
  1. 1.

    El valor absoluto o el módulo dobre 𝔽 ( o , respectivamente) es un ejemplo de norma. Probémoslo para . Todas las propiedades son evidentes salvo la última.

    x+y2 = (x+y)(x*+y*)
    = x2+y2+2𝑅𝑒(xy*)
    x2y2+2xy*=(x+y)2
  2. 2.

    El espacio 𝔽n puede ser dotado de distintas normas, por ejemplo:

    1. a)
      x=ma´xkn(|xk|)
    2. b)
      xp=(k=1n|xk|p)1p

    La demostración de las propiedades de la norma se siguen fácilmente usando entre otras la desigualdad de Minkowski.

  3. 3.

    En el espacio de sucesiones acotadas en 𝔽, la norma del supremo

    x=supk(|xk|)
  4. 4.

    En las sucesiones lp(𝔽), la norma,

    xp=(k=1|xk|p)1p
  5. 5.

    En el espacio [a,b] de funciones acotadas en el intervalo [a,b], la norma,

    f=supx[a,b]|f(x)|
  6. 6.

    En el espacio 𝒞[a,b] de las funciones contínuas en el intervalo [a,b], definimos las normas:

    1. a)
      f=ma´xx[a,b](|f(x)|
    2. b)
      f2=ab|f(x)|2𝑑x

    Vamos a probar a continuación que esta última norma cumple las propiedades 𝐍,3 y 𝐍,4. En particular, si suponemos que f=0 pero f(x0)0 para algún x0[a,b], entonces por ser f contínua, debe existir un intervalo (a,b)[a,b] donde f(x)0. Y puesto que,

    0ab|f(x)|2𝑑xab|f(x)|2𝑑x=0

    y por el teorema del valor medio, tendremos,

    0=ab|f(x)|2𝑑x=|f(ξ)|2(b-a)

    para algún xi(a,b), lo cual no se puede dar ya que el miembro derecho de la ecuación no puede ser cero. Por tanto f(x)=0 para cualquier x[a,b] y por tanto f=0.

    Para probar la desigualdad triangular vamos a probar primero la desigualdad,

    |𝑅𝑒abf(x)g*(x)𝑑x|(ab|f(x)|2𝑑x)12(ab|g(x)|2𝑑x)12.

    Para probar esta desigualdad, consideremos λ cualquiera. Entonces se debe cumplir,

    0 f+λg2=ab|f(x)+λg(x)|2𝑑x
    = f2+λ2g2+2λab𝑅𝑒(f(x)g*(x))𝑑x
    = λ2α+2βλ+γ

    donde α=g2, γ=f2 y β=ab𝑅𝑒(f(x)g*(x))𝑑x. Para que la parábola descrita por el polinomio λ2α+2λβ+γ 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,

    |𝑅𝑒abf(x)g*(x)𝑑x|fg

    Ahora podemos proceder a probar la desigualdad triangular, ya que,

    0 f+g2=f2+g2+2𝑅𝑒abf(x)g*(x)𝑑x
    f2+g2+2fg=(f+g)2

    de donde se deduce la desigualdad buscada.

  7. 7.

    El espacio Mn() de las matrices complejas n×n, definimos la norma,

    A2=(𝑡𝑟(AA))12
  8. 8.

    en los espacios l y l0 de sucesiones acotadas y convergentes, respectivamente, la norma x=supn(|xn|).

Definición 2.2.

Decimos que dos normas 1 y 2 sobre el espacio lineal X son equivalentes si existen α,β>0 tales que,

αx2x1βx2,

para cualquier xX.

Proposición 2.1.

La equivalencia definida arriba entre dos métricas en un espacio lineal X es una relación de equivalencia.

Demostración.

Es reflexiva, basta tomar α=β=1. Es simétrica, ya que si αx2x1βx2, entonces se tiene que β-1x1x2α-1x1. Finalmente, es transitiva ya que si αx2x1βx2 y αx3x2βx3 entonces se tiene que ααx3x1ββx3. ∎

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.

Definición 2.3.

Dado un espacio normado (X,), definimos los siguientes conjuntos:

  1. 1.

    B(a,r):={xX|x-a<r,aX,r} y se denomina bola abierta centrada en a con radio r.

  2. 2.

    B¯(a,r):={xX|x-ar,aX,r} se denomina bola cerrada centrada en a y de radio r.

  3. 3.

    S(a,r):={xX|x-a=r,aX,r}, se denomina una esfera centrada en a y de radio r.

Definición 2.4.

Sea A un subconjunto de un espacio normado (X,). Entonces:

  1. 1.

    Decimos que A es abierto si para cualquier xA existe un r tal que B(x,r)A.

  2. 2.

    Decimos que A es cerrado si el complementario de A en X es abierto.

  3. 3.

    Llamamos la clausura de A, y la denotamos por A¯ a la intersección de todos los cerrados que contienen a A.

Definición 2.5.

Un espacio métrico es un conjunto M con una función d:M×M que llamamos distancia, d(x,y) entre los elementos x,yM, que cumple las siguientes propiedades:

  1. M1.

    d(x,y)0.

  2. M2.

    d(x,y)=0x=y

  3. M3.

    d(x,y)=d(y,x). (simétrica)

  4. M4.

    d(x,z)d(x,y)+d(y,z). (desigualdad triangular)

donde x,y,zM.

Proposición 2.2.

Dada una norma en X espacio lineal, la función d:X×X definida como d(x,y)=x-y con x,yX es una función distancia en X.

Proposición 2.3.

Dado un espacio métrico (X,d) tal que X es además espacio lineal. Si la función distancia d cumple las siguientes propiedades para cualquier x,yX y λ𝔽:

  1. 1.

    d(x,y)=d(x+z,y+z).

  2. 2.

    d(λx,λy)=|λ|d(x,y).

la función :X definida como x=d(x,0) es una norma en X. definida

Demostración.

Comprobamos las propiedades de la norma:
N1: Inmediata.
N2: Inmediata.
N3: λx=d(λx,0)=d(λx,λ0)=|λ|d(x,0)=|λ|x
N4: x+y=d(x+y,0)=d(x+y-y,0-y)=d(x,-y)d(x,0)+d(0,-y)=d(x,0)+d(y,0)=x+y

2.2 Norma y mapeo cociente

Dado un subespacio vectorial M de un espacio normado X, si M es un cerrado respecto de la topología métrica inducida por la norma en X, podemos dotar al espacio cociente X/M de una norma inducida sobre las clases de X/M del modo siguiente:

[x]:=ı´nfyMx-y=ı´nfyMd(x,y)=d(x,M)=

Esta norma puede ser interpretada o bien como la “mínima distancia” entre la calse [x] y M o bien, como la “distancia mínima” entre x y M.

A continuación probamos que ésta es efectivamente una norma en X/M, pero antes vemos que está bien definida ya que si x es otro representante de la clase [x] entonces x=x+y0 para algún y0M y por tanto,

[x]=ı´nfyMx+y=ı´nfyMx+y0+y=ı´nfyMx+y=[x]

Denotaremos la norma cociente simplemente con el mismo símbolo que la norma en X solo que actuando sobre las clases [x]=x+M.

Proposición 2.4.

Sea M un subespacio lineal cerrado del espacio normado X. Entonces la norma cociente definida anteriormente sobre el espacio vectorial cociente X/M es una norma sobre dicho espacio.

Demostración.

Evidentemente 0M y por tanto [0]=0. Además si λ𝔽-{0} tendremos que,

λ[x] = [λx]=ı´nfyMλx+y=ı´nfyMλ(x+1λy)
= |λ|ı´nfyMx+y=|λ|[x]

ya que 1λyM si y solo si yM.

Por otra parte si [x]=d(x,M)=0 entonces xM¯ (de lo contrario existiría una bola de radio ϵ centrada en x que no contiene a ningúnb punto de M y por tanto la [x]ϵ), y puesto que M es cerrado xM¯=M y [x]=[0].

Por último, sean X,yX entonces,

[x]+[y] = [x+y]=ı´nfzMx+y-z
= ı´nfz1,z2Mx+y-z1-z2ı´nfz1,z2M(x-z1+y-z2)
= [x]+[y]

Así la norma cociente sobre un subespacio cerrado dota al espacio cociente de estructura de espacio normado.

Definición 2.6.

Sea MX un subespacio cerrado de un espacio normado X, y sea QM:XX/M la función que lleva a xX a QM(x)=[x]X/M, denominamos a QM como el mapa cociente.

2.3 Convergencia en norma y completitud

El concepto de norma nos permite definir el concepto de convergencia en espacios vectoriales.

Definición 2.7.

Decimos que la sucesión (xn)n=1 de un espacio normado (X,) converge a xX si para todo ϵ>0 existe un natural N tal que

xn-x<ϵ

para todo nN. Equivalentemente xn tiende a x si y solo si,

lı´mnxn-x=0.

Decimos que xn tiende a x en norma, o fuertemente, y denotamos,

lı´mnxn=x, ó     xnnx
Definición 2.8.

Decimos que una sucesión (xn)n=1 de un espacio normado X es de Cauchy si para todo ϵ>0 existe un N tal que,

xn-xm<ϵ

si n,mN. o equivalentemente, si,

lı´mn,mxn-xm=0.
Lema 2.1.

Sea (xn)n=1 una sucesión de un conjunto cerrado CX de un espacio normado X que converge a xX, entonces xC.

Demostración.

Puesto que x es punto de acumulación de C (ya que cualquier abierto que contiene a x contendrá elementos de xnC ) y por ser C cerrado entonces xC. ∎

Lema 2.2.

Sea AX un conjunto no vacío de un espacio normado X, y x,yX entonces,

  1. 1.
    |d(x,A)-d(y,A)|d(x,y)=x-y.
  2. 2.
    |x-y|x-y
  3. 3.

    Si lı´mnxn=x entonces

    lı´mnxn=x
  4. 4.

    si limnxn=x y lı´mnyn=y, entonces,

    lı´mn(xn+yn)=x+y
  5. 5.

    Si lı´mnxn=x y lı´mnαn=α, entonces,

    lı´mnαnxn=αx
  6. 6.

    La clausura de un subespacio lineal en X es también un subespacio lineal.

  7. 7.

    Toda sucesión de Cauchy es acotada.

  8. 8.

    Toda sucesión convergente es de Cauchy.

Demostración.
  1. 1.

    Sea aA, entonces,

    d(x,A)d(x,a)d(x,y)+d(y,a)

    Y por tanto, tomando el ínfimo sobre los aA, obtenemos,

    d(x,A)d(x,y)+d(y,A)

    de donde,

    d(x,A)-d(y,A)d(x,y)

    Haciendo lo mismo pero partiendo de d(y,Ad(y,a)d(y,x)+d(x,a), obtenemos además, d(y,A)-d(x,A)d(x,y), lo que prueba la desigualdad.

  2. 2.

    Si consideramos el caso anterior con A={0} obtenemos la desigualdad considerada.

  3. 3.

    Teniendo en cuenta que dado ϵ>0 existirá un N tal que xn-x<ϵ si nN entonces usando la desigualdad anterior,

    |xn-x|xn-x<ϵ

    lo que prueba el resultado.

  4. 4.

    Si xnx y yny entonces existirá un N tal que si nN, tendremos que xn-x<ϵ/2 y yn-y<ϵ/2 y usando la desigualdad triangular,

    xn+yn-x-yxn-x+yn-y<ϵ
  5. 5.

    De modo análogo,

    αnxn-αx = alphanxn-αxn+αxn-αx
    |αn-α|xn+|α|xn-xn0

    puesto que la última expresión es una sucesión de números reales hemos usado que αnβn0 si alphan y βn son convergentes y una de ellas tiende a cero.

  6. 6.

Proposición 2.5.

Sea (X,) un espacio lineal normado sobre 𝔽, y {xn}n=1 una sucesión de Cauchy en X la cual contenga una subsucesión convergente, entonces es convergente.

Demostración.

Sea {xnk}k=1 una subsucesión convergente a x*X. Entonces se tiene que nkk para todo k. Probaremos que para cualquier ϵ>0 existe un N tal que

xn-x*<ϵ,sinN.

Por ser {xnk}k convergente, existe un k0 tal que si kk0 tendremos,

xnk-x*<ϵ2

y por ser {xn}n de Cauchy, existe un n0 tal que si mnn0 tendremos que,

xn-xm<ϵ2.

Entonces eligiendo N=nk de modo que nk>ma´x(n0,nk0) tendremos que,

xn-x*xn-xnk+xnk-x*<ϵ2+ϵ2=ϵ

si n>N y k>k. ∎

Definición 2.9.

Un espacio métrico (X,d) en el que toda sucesión de Cauchy es convergente se dice completo.

Definición 2.10.

Un espacio lineal normado (X,) que es completo respecto de la métrica inducida por la norma se dice que es de Banach.

Proposición 2.6.

Sea (X,) un espacio de Banach, y sea M un subespacio lineal de X, entonces M es cerrado si y solo si M es completo.

Demostración.

Sea M subespacio lineal cerrado de X y sea (xn) una sucesión de Cauchy de M. Puesto que (xn) es también sucesión de Cauchy de X, entonces xnxX, por ser X completo. Pero entonces x es punto de acumulación de M, y por ser M cerrado entonces xM y por tanto M es completo.

Recíprocamente, si M es completo, y dado un punto de acumulación xX de M, podemos encontrar una sucesión (xn) de M que converge a x. Pero dicha sucesión convergente es de Cauchy, y por ser M completo, esta converge en M y por tanto xM, y M es cerrado. ∎

Ejemplos 2.2.
  1. 1.

    Sea 1<p< entonces 𝔽n con n es un espacio de Banach con la norma p.

  2. 2.

    Sea 1<p<, entonces lp es un espacio de Banach.

    Demostración.

    Sea (xn)n una sucesión de Cauchy en lp. Es decir, que para todo ϵ>0 existe un N tal que si n,mN tenemos que,

    0<xn-xmp=[n=1|xni-xmi|p]1p<ϵ,

    por lo que para cada índice i tendremos que,

    |xni-xmi|<ϵ,n,mN,

    por lo que cada sucesión numérica (xni)n en 𝔽 es de Cauchy, y por ser 𝔽 completo, dichas sucesiones son convergentes en 𝔽, sea entonces xi* dichos límites,

    lı´mnxni=xi*

    Probaremos ahora que x*=(xi)ilp y que efectivamente,

    lı´mnxn-x*p=0.

    Primero consideramos la suma finita,

    0<i=1k|xni-xmi|pi=1|xni-xmi|p=xn-xmpp<ϵp

    y tomamos el límite cuando m tiende a infinito, y puesto que la suma finita y el módulo y potencia son funciones continuas, obtenemos que,

    i=1k|xni-xi*|pϵp

    Y ahora, puesto que la suma parcial de la izquierda es una sucesión numérica creciente y acotada, entonces converge. cuando k tiende a infinito, es decir,

    i=1|xni-xi*|pϵp<+ (2.1)

    y por tanto la sucesión, sn=xn-x* pertenece a lp. Y por linealidad de lp tenemos que,

    x*=xn-snlp.

    Finalmente y como consecuencia directa de (2.1) tenemos que xn converge en norma a x* como queríamos demostrar. ∎

2.4 Series en espacios normados

Definición 2.11.

Sea (X,) un espacio lineal normado y xnX, se dice que la serie n=1xn converge si la sucesión sn=k=1nxk converge en norma en X.

Definición 2.12.

Sea (X,) un espacio lineal normado, la serie nxn converge absolutamente en X si la serie numérica nxn converge en 𝔽.

Proposición 2.7.

Sea (X,) un espacio lineal normado. Entonces X es de Banach si y solo si toda serie absolutamente convergente es convergente.

Demostración.

Demostremos la implicación directa. Si X es de Banach, y nxn es absolutamente convergente, entonces la serie nxn es convergente y por tanto de Cauchy. Por tanto se tiene q que para todo ϵ>0 existe N tal que si n>mN tenderemos que,

k=mnxkk=mnxk<ϵ

por lo que la serie nxn es de Cauchy, y por ser X de Banach, entonces es convergente.

Recíprocamente, si toda serie absolutamente convergente es convergente veamos que X es de Banach. Tomemos una sucesión xnX de Cauchy. Vamos a encontrar una subsucesión de xn que converge y así demostraremos que xn es convergente y por tanto X de Banach.

Para ello procedemos como sigue. Definamos recursivamente una subsucesión xnk mediante los enteros, nk, con n1 tal que para todo m,ln1 se tiene que xm-xl<1/2. De nuevo escogemos n2>n1 tal que para todo m,ln2 tal que xm-xl<1/22. Así recursivamente definimos np>np-1 tal que para todo m,lnp implica xm-xl<2-p.

Ahora escribimos la subsucesión como una serie,

xnp=q=1psq,

donde sq=xnq-xnq-1 para q2 y s1=xn1. La serie así definida es absolutamente convergente. En efecto la serie,

p=1sp

es de Cauchy ya que para todo q>r tenemos,

p=r+1qsp<12r+1+12q<12r

que tiende a cero cuando r. Por tanto la serie psp converge y por tanto también lo hace la subsucesión xnp a algún punto de X. 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 X converge en X y por tanto X es de Banach. ∎

Proposición 2.8.

Sea (X,) un espacio de Banach y X cerrado. Entonces el espacio lineal normado con la norma inducida por el cociente, (X/M,M) es de Banach.

Demostración.

Primero notemos que al ser M cerrado, (X/M,M) es un espacio lineal normado. Veamos que además es de Banach.

Sea ([xn]) una sucesión en X/M tal que la serie, n[xn] es absolutamente convergente, es decir,

n=1[xn]M<.

Por la definición de la norma inducida M para cada n podremos encontrar un yn tal que,

xn-yn<[xn]M+2-n.

Por tanto la serie n(xn+yn) de X es absolutamente convergente, ya que,

n=1xn-yn<n=1[xn]M+n=12-n<

y por ser X de Banach, la serie n(xn-yn) es convergente en X, digamos que a zX.

Probaremos ahora que la serie n[xn] converge a [z]. En efecto, para toda suma parcial tenemos,

n=1N[xn]-zMn=1N(xn-yn)-zN0,

Lo que demuestra que efectivamente n[xn] converge en X/M y por tanto X/M es de Banach. ∎

2.5 Conjuntos acotados, absolutamente acotados y compactos

Definición 2.13.

Un subconjunto A de un espacio normado (X,) se dice acotado si A está contenido en alguna bola B(x,r) centrada en algún xX y de radio r para algún r>0.

Proposición 2.9.

Un subconjunto A de un espacio normado (X,) es acotado si y solo si existe un real C>0 tal que a<C para todo aA.

Definición 2.14.

Sea A un subconjunto de un espacio lineal normado (X,), y sea ϵ>0. Un subconjunto AϵX se dice una ϵ-red para A, si para cada xA existe un elemento yAϵ tal que x-y<ϵ.

En otras palabras, AϵX es una ϵ-red para AX si cada elemento de A está a una distancia menor que ϵ de algún elemento de Aϵ, en fórmulas,

AxAϵB(x,ϵ)
Definición 2.15.

Sea A un subconjunto de un espacio lineal normado (X,). Se dice que A es totalmente acotado o precompacto si para cada ϵ>0 existe una ϵ-red finita Fϵ.

Proposición 2.10.

Un subconjunto AX de un espacio lineal normado (X,) totalmente acotado es acotado.

Demostración.

Puesto que la unión de bolas B(x,ϵ) centradas en los puntos de cualquier ϵ-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 A. ∎

Sin embargo, el recíproco de la anterior proposición no es cierta como lo prueba el siguiente ejemplo.

Ejemplo 2.1.

Consideremos el conjunto A constituido por la bola cerrada A=B¯(0,1), es decir el conjunto de todas las sucesiones xl2 tales que x1. Este conjunto claramente es acotado, pero como veremos no es absolutamente acotado.

Consideremos el subconjunto numerable C={enL2|(en)m=δnm} que claramente está en A. Además para nk se tiene que,

en-ek=2

entonces supongamos que A es absolutamente acotado y considremos una ϵ-red finita, Fϵ, con ϵ<2/2. Entonces siempre podremos escoger un punto ynFϵ tal que,

en-yn<22.

Sin embargo, la distancia de yn a cualquier ek con kn es mayor que ϵ, ya que,

ek-yn>|ek-en-en-yn|>2-22=22>ϵ

y del mismo modo se puede ver que las bolas B(en,ϵ) son disjuntas y cada una de ellas contiene a yn respectivamente, con lo que ynyk para nk, ycon lo anterior, implica que los elementos yn son necesariamente infinitos, lo cual contradice la finitud de Fϵ.

también lo sera

Proposición 2.11.

Sea AX de un espacio lineal normado (X,). Entonces, A es totalmente acotado si y solo si para todo ϵ>0 existe una ϵ-red finita Aϵ contenida en A.

Demostración.

La implicación recíproca es trivial. Para demostrar la implicación directa, sea ϵ>0, y consideremos una ϵ-red finita Fϵ/2 de parámetro ϵ/2. Entonces para cada elemento yjFϵ/2 con j=1,,n. escogemos puntos xjA tales que,

xj-yj<ϵ2para cadaj=1,,n.

Entonces, Gϵ{xj}j=1n constituye una ϵ-red para A que está contenida, trivialmente, en A. Para probar que efectivamente es una ϵ-red de A, tomemos un elemento arbitrario xA. Entonces existirá un yjFϵ/2 para algún j, de modo que,

x-yj<ϵ2

y por tanto, el elemento correspondiente xjGϵA, cumple que,

x-xj<x-yj+yj-xj<ϵ2+ϵ2=ϵ

y en consecuencia Gϵ es una ϵ-red finita contenida en A. ∎

Proposición 2.12.

Sea KX de un espacio lineal normado (X,). K es absolutamente acotado si y solo si cualquier sucesión (xn)nK posee una subsucesión (xnk)k que es de Cauchy.

Demostración.

Sea (xn)n una sucesión infinita en K (si fuera finita, es claro que existe una subsucesión de Cauchy). Puesto que K es absolutamente acotado, existe una ϵ-red finita en K con ϵ=1/2, F1={y1r}r=1n1. Entonces al menos una bola B1=B(y1r1,1/2) contendrá un número infinito de elementos de (xn)n, a los que identificamos como la subsucesión infinita , xn1. Con esta subsucesión infinita repetimos el proceso con una ϵ-red finita con ϵ=1/4, F2={y22r}r=1n2. De nuevo, existirá una bola B2=B(y2r2,1/4) que contendrá infinitos elementos de xn1, que define la subsucesión x2n. De este modo, podemos definir recursivamente subsucesiones xnk contenidas en bolas Bk=B(ykr,1/2k), para todo k. . La subsucesión diagonal, xnn es de Cauchy. En efecto, sean n>m,n,m, entonces,

xnn.-xmm<xnn-ymrm+ymrm-xmm<12m+12m=12m-1

que tiende a cero cuando m y n van a infinito.

Recíprocamente, supongamos que toda sucesión en K tiene una subsucesión de Cauchy, y supongamos también que K no es absolutamente acotada, y veremos que llegamos a una contradicción. En efecto, puesto que K no es absolutamente acotado, existe un ϵ>0 para el cual no existe una ϵ-red finita para K. Entonces, tomando un punto cualquiera de K, x1 , como centro de una bola de radio ϵ, B1=B(x1,ϵ), siempre podemos escoger otro punto de K, x2 fuera de B1 (de lo contrario tendríamos una ϵ-red finita para K). De nuevo, la bola B2=B(x2,ϵ) junto con la bola B1 no pueden recubrir todo K así que podemos escoger un x3K fuera de B1 y B2, etc. Este proceso se puede repetir indefinidamente obteniendo una sucesión xn que cumple evidentemente la propiedad,

xn-xm>ϵ,n,m,

lo que hace imposible obtener de esta sucesión una subsucesión de Cauchy. ∎

Definición 2.16.

Sea KX de un espacio topológico (X,𝒯). Un recubrimiento abierto de K es una colección de abiertos cuya unión recubre a K,

KαUα.

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.

Definición 2.17.

Sea KX de un espacio topológico (X,𝒯). Decimos que K es compacto si todo recubrimiento abierto de K posee un subrecubrimiento finito de K.

Definición 2.18.

Sea KX de un espacilo lineal normado (C,). Se dice que K es secuencialmente compacto si toda sucesión en K posee una subsucesión convergente en K.

Definición 2.19.

Sea 𝒰 un recubrimiento abierto de KX de un espacio lineal normado (X,), decimos que ϵ>0 es número de Lebesgue para 𝒰 si para todo xK, la bola B(x,ϵ) está contenida en al menos un abierto U𝒰.

Lema 2.3.

Sea (X,) un espacio lineal normado y KX secuencialmente compacto, entonces cualquier recubrimiento abierto 𝒰 de K tiene número de Lebesgue.

Demostración.

Procedamos por contradicción. Supongamos qe K es secuencialmente compacto y que existe un recubrimiento abierto 𝒰 de K no posee número de Lebesgue. Entonces siempre podremos encontrar una sucesión de puntos de K, x1,x2,xk, para los cuales las bolas, B(xk,1/2k) no están en ningún abierto de 𝒰, para cada k. Sin embargo, por ser K secuencialmente compacto, dicha sucesión debe poseer una subsucesión xnk convergente en K, digamos a x*K. Entonces x*U𝒰. Por ser abierto U que contiene a x*, contiene una bola de radio r>0, B(x*,r)U. Además para este valor de r existe un k0 tal que,

x*-xnk<r2,kk0,

También existe un k1 tal que,

12nk<r2,k>k1.

Eligiendo k=ma´x(k0,k1) tendremos que para todo k>k, la bola B(xnk,2-nk)B(x*,r) ya que si xB(xnk,2-nk), entonces,

x-x*<x-xnk+xnk-x*<r2+r2=r,

por lo que B(xnk,2-nk)B(x*,r)U𝒰 que contradice la propiedad de los elementos de la sucesión xn. ∎

Proposición 2.13.

Sea KX de un espacio lineal normado (X,). Entonces K es absolutamente acotado si y solo si K¯ es compacto.

Demostración.

Demostremos primero la implicación recíproca. Si K¯ es compacto, el recubrimiento abierto formado por todas las bolas de radio ϵ>0 centradas en los xK¯, recubren a barK y por tanto existe una subcolección finita de dichas bolas que también recubren K¯ y por tanto también a K, con lo cual K es absolutamente acotado.

Para probar la implicación directa usaremos el lema anterior. Consideremos un recubrimiento abierto arbitrario para K¯ que también recubrirá obviamente a K. Por ser K absolutamente acotado y por el lema anterior, dicho recubrimiento tendrá número de Lebesgue. Sea r>0 número de Lebesgue para . Por ser K absolutamente acotado existirá una ϵ-red finita en K con ϵ=r, es decir habrá una colección finita de bolas centradas en puntos xkK (k=1,,n), Bk=B(xk,r), que cubren todo K. Pero por ser r número de Lebesgue de cada una de estas bolas estará contenida en algún abierto de ,

BkUk,k=1,,n.

Y por tanto la subcolección finita ={Uk|k=1,,n} es un subrecubrimiento finito de K¯, y por tanto es compacto. ∎

Este último resultado justifica el nombre de precompacto para los conjuntos absolutamente acotados.

Lema 2.4.

Sea KX un compacto de un espacio topológico (X,𝒯.Entonces todo subconjunto infinito AK posee un punto límite en K.

Demostración.

Recordemos que xAX es un punto límite si cualquier abierto que contenga a x contendrá algún elemento de A distinto de x. Procedamos entonces por contradicción. Asumamos que K es compacto y A es infinito y no tiene puntos límite en K. Entonces

xX-A,Ux𝒯|UxX-A

y por tanto, X-A=xX-AUx es abierto y en consecuencia A es cerrado. También se tiene que,

aAUa𝒯|aUa,aUaaa,aA,

es decir, que podemos recubrir A con abiertos Ua que solo contienen un elemento de A.

Por tanto la colección =X-A{Ua|aA} es un recubrimiento abierto de K. Y por ser K compacto, debe poseer un subrecubrimiento finito lo cual contradice el hecho de que A es infinito. ∎

Proposición 2.14.

Sea KX de un espacio lineal normado (X,). K es compacto si y solo si K es secuencialmente compacto.

Demostración.

Demostremos primero la implicación directa. Sea xn una sucesión en K. si xn está constituida por u número finito de puntos, es evidente que xn tiene una subsucesión convergente en K. Sin embargo, si xn es una sucesión infinita de puntos, por ser K compacto y por el lema previo xn tiene al menos un punto límite en K, sea x uno de estos puntos límite. Entonces eligiendocualquier elemento xn1 de la sucesión en la bola B(x,1), xn2, con n2>n1 en la bola B(x,1/2), …xnk, con nk>nk-1, en la bola b(x,1/k), etc. Así construimos una subsucesión xnk que converge a x.

Recíprocamente, si K es secuencialmente compacto, veremos por contradicción que K debe ser compacto. Tomemos un recubrimiento abierto de K y asumamos que K es secuencialmente compacto pero no compacto, de modo que no existe un subrecubrimiento de . Por ser K secuencialmente compacto tiene número de Lebesgue, sea r>0 uno de tales números. Elijamos x1K, entonces la bola B(x,r) está contenido en algún abierto U1. Existe otro punto x2K que no está en B(x1,r), ya que de lo contrario U1 recubre finitamente a K. De nuevo la bola B(x2,r) debe estar contenido en un abierto U2, y así recursivamente encontramos una sucesión infinita xkK tal que,

xk-xn>r,kn,

pero dicha sucesión claramente no puede tener una subsucesión convergente lo que contradice que K sea secuencialmente compacto.

La siguiente proposición caracteriza los conjuntos compactos de espacios lineales normados en t ´términos de acotación absoluta y completitud.

Proposición 2.15.

Sea KX de un espacio lineal normado (X,). K es compacto si y solo si es absolutamente acotado y completo.

Demostración.

Por la proposición previa, compacto es equivalente a secuencialmente compacto en un espacio lineal normado. Por tanto demostraremos queK es secuencialmente compacto si y solo si es absolutamente acotado y completo.

Primero procedemos con la prueba de la implicación directa. Puesto que si K es secuencialmente compacto, toda subsucesión en D posee una subsucesión convergente en K, y p por tanto, dicha subsucesión es de Cauchy. Además, toda sucesión de Cauchy en K , por ser sucesión en un secuencialmente compacto, posee una subsucesión convergente en K. Pero toda sucesión de Cauchy con una subsucesión convergente es convergente y por tanto K es completo.

La implicación recíproca es también fácil. Si K es absolutamente acotado, toda sucesión en K posee una subsucesión de Cauchy. Y por ser K completo, dicha subsucesión de Cauchy es convergente, y por tanto K es secuencialmente compacto. ∎

Corolario 2.1.

Todo subconjunto K de un espacio de Banach es compacto si y solo si es absolutamente acotado y cerrado.

Corolario 2.2.

Todo conjunto compacto de un espacio lineal normado (X,) es cerrado y acotado.

Como veremos, el recíproco se cumplirá además si el espacio lineal es finito dimensional.

Corolario 2.3.

Todo subconjunto C cerrado de un espacio lineal normado compacto (X,), es compacto.

2.6 Espacios lineales normados finito dimensionales

Lema 2.5.

Sea (X,) un espacio lineal normado finito dimensional, y sea x1,,xn una base de X. Entonces existe un m>0 tal que para toda n-tupla de números (α1,,αn)𝔽n se tiene que,

mk=1n|αk|k=1nαkxk.
Demostración.

En el caso que k|αk|=0 implica que αk=0 para todo k, y por tanto la desigualdad se cumple con cualquier m>0. Supongamos entonces que k|αk|0. En primer lugar consideremos el subconjunto tal que,

A={(α1,,αn)|k=1n|αk|=1},

y consideremos la función f:A𝔽n, tal que,

f(α1,,αn)=k=1nαkxk.

De Análisis elemental sabemos que al ser A cerrado y acotado, debe ser compacto (pruébelo con la norma del valor absoluto, mostrando que es absolutamente acotado y completo), y la función f es continua ya que si α,βA, tendremos que,

|f(α)-f(β)|=|k=1nαkxk-k=1nβkxk|k=1n(αk-βk)xkk=1n|αk-βk|xkMk=1n|αk-βk|,

donde,

M=ma´xk{1,,n}xk.

Así pues f(A) también es compacto y por tanto cerrado y acotado. Así pues, tiene máximo y mínimo, en concreto existirá un punto μ1,,μn) tal que,

f(μ1,,μn)=m=ı´nfαAf(α).

Entonces m0, pero probamos que estrictamente m>0. Si m=0 entonces,

k=1n|μk|=0,μk=0k

pero dicho punto no pertenece a A. Luego hemos probado la desigualdad para todos los coeficientes en A.

Si αA y α0, entonces los coeficientes β,

βk=αkl=1n|αl|A

y podemos usar la desigualdad mostrada para β, lo que nos da la desigualdad que queríamos probar una vez escribimos β en términos de α. ∎

Proposición 2.16.

Todas las normas definidas en un espacio lineal normado d-dimensional son equivalentes.

Demostración.

Sean 1 y 2 dos normas definidas en el espacil lineal d-dimensional X. Sea {x1,,xd} una base de X, entonces para todo xX existen coeficientes α1,,αd𝔽 tales que x=k=1dαkxk. Entonces, por un lado, debido al lema anterior, existe un m1>0 tal que para todo xX, se tiene que,

m1k=1d|αk|k=1dαkxk1=x1.

Y por el otro lado tenemos,

x2=k=1dαkxk2k=1d|αk|M2,

donde M2=ma´xkxk20. Por tanto,

m1M2x2x1.

Usando los mismos argumentos intercambiando 12 llegamos a una expresión,

m1M2x2x1M1m2x2.

con m2 y M1 definidos de forma similar a m1 y M2. ∎

Proposición 2.17.

Todo espacio lineal normado finito dimensional es completo.

Demostración.

Sea {e1,,ed} una base lineal de X, y xn una sucesión de Cauchy en (X,). Entonces cada elemento de la sucesión puede escribirse en términos de la base como,

xn=i=1dαniei,

Entonces debido al lema previo existe un m>0 , y a que xn es de Cauchy, para todo ϵ>0 existe un N tal que si n,mN, se tiene,

mi=1d|αni-αmi|i=1d(αni-αmi)ei=xn-xm<ϵ.

Por lo que,

|αni-αmi|<ϵm,m,nN

Así pues las d sucesiónes numéricas (αni)n son sucesiones de Cauchy en 𝔽 por lo que son convergentes al ser 𝔽 completo. Sea αi (i=1,,d) los límites de dichas sucesiones. Entonces x=i=1dαieiX. Queda por comprobar que efectivamente xn tiende a x en norma. Sea ϵ>0, y N=ma´xi(Ni) con Ni tales que si niNi para todo i=1,,d, se tiene que,

|αnii-αi|<ϵMd,

donde M=ma´xi(ei). Entonces para todo n tal que nN, tenemos que,

xn-x=i=1d(αni-αi)eii=1d|αni-αi|eii=1d|αni-αi|M<ϵ,

lo que demuestra que (X,) es completo. ∎

Corolario 2.4.

Todo subespacio lineal de un espacio lineal normado finito dimensional (X,) es cerrado.

Proposición 2.18.

Sea K un subconjunto de un espacio lineal normado finito dimensional (X,). Entonces K es compacto si y solo si K es cerrado y acotado.

Demostración.

La implicación directa ya fue probada para todo espacio lineal normado. Demostremos la implicación recíproca.

Sea zn una sucesión en K cerrado y acotado. Probaremos que zn posee una subsucesión convergente en K lo que probará que K es secuencialmente compacto y por tanto compacto.

Sea {e1,,ed} una base lineal para X, entonces cada elemento de la sucesión zn puede escribirse como,

zn=i=1iαniei.

Por el lema previo existe un m>0 tal que ,

mi=1d|αni|zn

para todo n. Además por ser K acotado existe un M>0 tal que, zM, y por tanto,

|αni|Mm,

para todo i=1,,d y n, por lo que cada sucesión numérica (αni)n es acotada, y por tanto tiene sendas subsucesiones convergentes (?’ por qué?). Sean (αnki)k dichas subsucesiones que convergen a αi. Entonces la subsucesión,

znk=i=1dαnkieiK

converge en norma a,

z=i=1dαieiX

como puede verificarse fácilmente. Ahora bien, por ser K cerrado y por ser z punto de acumulación de K entonces zK. Así pues, toda sucesión en D posee una subsucesión convergente en K y por tanto K es compacto. ∎

Lema 2.6 (Riesz).

Sea M un subespacio lineal propio de un espacio lineal normado (X,), y sea B la bola unidad cerrada en X, es decir, B={xX|x=1}. Entonces para todo ϵ>0 existe un xB tal que,

y-x>1-ϵ,yM.
Demostración.

Sea xX-B, y sea d,

d=ı´nfmMx-m.

Por ser M cerrado d>0. Y por definición de ínfimo, existe mM tal que,

dx-m<d+dϵ=d(1+ϵ),

dado ϵ>0.

Ahora bien, el elemento x definido,

x=x-mx-mB(X-M),

y se tiene que para cualquier yM,

y-x =y-x-mx-m=x-yx-m
dx-m>11+ϵ>1-ϵ,

donde y=yx-m-mM. ∎

Proposición 2.19.

Sea (X,) un espacio lineal normado. Entonces X es finito dimensional si y solo si la bola unidad cerrada es compacta.

Demostración.

La implicación directa es fácil ya que si X 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 ϵ-red finita , de razón ϵ=1/2, para la bola unidad. Sea F1/2={x1,,xm} dicha red, y sea M=x1,,xm el subespacio lineal generado por los elementos de la ϵ-red.

Supongamos ahora que MX. Puesto que M es cerrado al ser finito dimensional, podemos usar el lema de Riesz con ϵ=1/2 para probar que existe un xB(0,1)(X-M) tal que,

x-y>12,yM

En particular,

x-xk>12,k=1,,m

lo que contradice que {x1,,xm} sea una ϵ-red para B(0,1). Por tanto M=X y X es finito dimensional. ∎

Esta última proposición nos proporciona otra forma de ver que acotado no implica absolutamente acotado. Consideremos la bola unidad cerrada en l2. Dicha bola es evidentemente acotada. Supongamos que también es absolutamente acotada. Entonces por ser l2 completo y B cerrada, entonces B es completa. Por tantto, la bola B sería completa y¡y absolutamente acotada, lo que es equivalente a que B es compacta. Y por la proposición anterior l2 debería ser finitodimensional, lo cual es absurdo.

2.7 Espacios separables y bases de Schauder

Definición 2.20.

Sea SX de un espacio topológico (X,𝒯). Se dice que S es denso en X si S¯=X.

Para un espacio métrico lo anterior es equivalente a decir que dado xX y ϵ>0, existe sS tal que d(x,s)<ϵ.

Definición 2.21.

Se dice que un espacio topológico (X,𝒯) es separable si contiene un subconjunto numerable denso en X.

Ejemplos 2.3.
  1. 1.

    Los conjuntos y con la topología usual son separables.

  2. 2.

    El espacio lp es separable. Veamos que l0(, el conjunto de las sucesiones con valores racionales y con un conjunto de entradas distintas de cero finito, es denso en lp. En efecto, sea xlp y ϵ>0, entonces existe N tal que,

    k=N|xk|p<ϵp2

    y existen racionales qr con r=1,,N-1, tales qe

    |xr-qr|p<ϵp2N,r=1,,N-1,

    Entonces la sucesión s que vale sk=qk si k<N y sk=0 en otro caso, pertenece a l0(), y se tiene que

    x-spp=k=1N-1|xk-qk|p+k=N|sk|p<epsilonp2+ϵp2=ϵp,

    de donde se deduce que x-s<ϵ.

    Además l0() 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 lp es separable.

  3. 3.

    El espacio l de las sucesiones acotadas con la métrica del supremo no es separable. En efecto, sea Ml el conjunto de las sucesiones formadas por 1’s y 0’s únicamente. Claramente M 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 M, Xy, se tiene que,

    x-y=1,

    de modo que las bolas centradas en los elementos de M y radio 1/4 son todas disjuntas. Entonces sea Al que sea denso. Entonces debería haber al menos un elemento distinto aA en cada una de las bolas antes descritas, y por tanto A no puede ser numerable.

Proposición 2.20.

Un espacio lineal normado (X,) es separable si y solo si existe un subconjunto BX numerable tal que X=B¯.

Demostración.

La implicación directa: sea BX denso y contable, entonces dado xX y un ϵ>0, existe un aB, que por tanto también aB, tal que x-a<ϵ por lo que B es también denso. Recíprocamente, supongamos que X=B¯ para algún subconjunto contable BX, y veamos que X es separable. Para ello supongamos primero que 𝔽=, y etiquetemos los puntos de B, x1,,xn, y consideremos el conjunto CX definido por,

C={k=1nαkxk|n,αk}.

Primero veamos que C es numerable. Para ello notemos que el producto cartesiano ×B es numerable por ser producto de dos conjuntos numerables , y también lo es el conjunto de todos los subconjuntos finitos de ×B (ver apéndice al final del capítulo). Y finalmente notemos que la función f:C que envía la N-tupla ((α1,x1),(α2,x2),,(αN,xN)) al elemento, k=1NαkxkC mapea sobre C, y por tanto C es también numerable. Ahora probemos que C¯=X. Para ello tomemos xX. Por ser X=B¯, para todo ϵ>0, existen N coeficientes λ1,λ2,,λN y puntos x1,x2,,xNB tales que,

x-k=1Nλkxk<ϵ2.

Y para tales coeficientes existen racionales μ1,,μN tales que,

|λk-μk|<ϵ2N(1+xk),

de modo que,

x-k=1Nμkxk x-k=1Nλkxk+k=1N(λk-μk)xk
<ϵ2+k=1N|λk-μk|xk
<ϵ2+k=1Nϵx2N(1+x)<ϵ,

lo que prueba que C es denso en X.

Para probar esta implicación en el caso de 𝔽= basta cambiar C por aquellas combinaciones con coeficientes racionales por coeficientes con parte real e imaginaria racional.

Ejemplo 2.2.

Usando la proposición anterior podemos ver, en otra forma alternativa, que lp es separable. Consideremos el conjunto B de las sucesiones en=(δnm)m=1 que consisten en ceros salvo un uno en la posición n-ésima. Sea xlp, y dado ϵ>0, existe N tal que,

[k=N+1|xk|p]1p<ϵ.

Entonces consideremos la combinación lineal y=k=1NxkekB, y vemos que,

x-y=[k=N+1|xk|p]1p<ϵ.
Definición 2.22.

Sea (X,) un espacio de Banach, y bn una sucesión de X tal que dado xX y ϵ>0 existe una única sucesión numérica αn𝔽 tal que,

x-k=1nαkbkn0.

Se dice que bn es una base de Schauder para (X,) y se escribe,

x=n=1αnbn,

es la representación de x en la base bn.

Otra forma de enunciar lo anterior es decir que bn es base de Schauder si X={bn}¯ y la representación de cualquier xX 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.

Proposición 2.21.

Sea (X,) un espacio de Banach y bn una base de Schauder para X, entonces X es separable.

Ejemplos 2.4.
  1. 1.

    ={en} definida anteriormente es base de Shauder para lp y c0.

  2. 2.

    ={e} con e=(1,1,) es base de Schauder para c, el conjunto de sucesiones convergentes.

2.8 Apéndice: conjuntos numerables

Definición 2.23.

Decimos que un conjunto A es numerable si existe una biyección entre A y .

Lema 2.7.

Sea A un subconjunto infinito de , entonces A es numerable.

Demostración.

Definamos una función f:A de forma recursiva del modo siguiente:

f(1)=mı´nA

que existe ya que A y no es vacío, y usamos la propiedad del buen orden en . Y definimos,

f(n)=mı´nCn=mı´n(A-{f(1),,f(n-1)},

que de nuevo existe ya que A es infinito y en virtud de la propiedad del buen orden..

De este modo queda definida recursivamente la función de a A.

Veamos primero que f es inyectiva. Supongamos que nm, y sin pérdida de generalidad n>m, entonces f(m){f(1),,f(n-1)} y en consecuencia f(m)A-f({1,,n-1}), mientras que f(n)=mı´n(A-f({1,,n-1})A-f({1,,n-1}) por lo que f(m)f(n).

Ahora probemos que f es sobreyectiva. Sea aA, entonces debe existir algún n tal que f(n>a, ya que de lo contrario f() es finito y puesto que f es inyectiva, f() es infinito. Sea Ba definido como,

Ba={n|f(n)a},

que como hemos visto es no vacío. Por tanto tiene mínimo, sea m0=mı´nBa. Ahora bien, como m0Ba tendremos que f(m0)a. p Por otro lado, vemos que aA-{f(1),,f(m0-1)}, y entonces por definición de f(m0) tenemos que fm0)a. En efecto, aA, y a{f(1),,f(m0-1)}, ya que si n<m0 entonces puesto que nBa, tendremos que f(n)<a y a{f(1),,f(m0-1)}. pero f(m0)=mı´n(A-{f(1),,f(m0-1)}a. Así que concluimos que f(m0)=a.

Corolario 2.5.

Todo subconjunto infinito de un conjunto numerable es numerable.

Proposición 2.22.

Sea A un conjunto infinito. Entonces las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. 1.

    A es numerable.

  2. 2.

    existe una función sobreyectiva de sobre A.

  3. 3.

    Existe una función inyectiva de A en .

Demostración.

12 : Si A es numerable existe f biyectiva entre A y . Entonces f es sobreyectiva de sobre A.

23: Sea f sobreyectiva de sobre A. Consideremos la función g:A definida del modo siguiente,

g(a)=mı´nf-1(a),

que está definida sobre A por ser f sobreyectiva y está bien definida debido al orden en .

Ahora, g es en efecto inyectiva ya que f-1(a) es disjunto a f-1(b) si a. Entonces en particular g(a)=mı´nf-1(a)mı´nf-1(b)=g(b).

31 Sea f:A inyectiva, entonces F(A) es infinito (por ser f inyectiva) y por el lema previo es numerable. Por tanto , existe una biyección g entre f(A) y . Pero f~:Af(A), con f~(a)=f(a) para todo aA, es biyectiva entre A y f(A), por tanto la función h=gf~ es una biyección entre A y , y por tanto A es numerable. ∎

Proposición 2.23.

El producto cartesiano, × es numerable.

Demostración.

Sea la función f:× que envía (m,n) a f(m,n)=2m3n. Es suficiente probar que f es inyectiva. Sean m1,n1) y m2,n2) elementos distintos de ×, y tales que,

2m13n1=2m23n2

Primero supongamos que m1m2, en concreto m1>m2, entonces,

3n2=2m1-m23n1

lo cual es contradictorio ya qe potencia de 3 no puede ser par. Un argumento similar puede aplicarse al caso n1n2, de modo que si m1,n1)(m2,n2) entonces f(m1,n1)f(m2,n2) y por tanto f es inyectiva y en virtur de la proposición anteriorr times es numerable. ∎

Proposición 2.24.

El producto cartesiano finito de conjuntos numerables es numerable.

Es decir, si Aj es numerable para cada j=1,,n, entonces,

A1××An

es numerable.

Demostración.

Procederemos por inducción, pero antes probaremos que el producto cartesiano de dos conjuntos numerables A y B, es numerable. Puesto que A y B son numerables existen sendas biyecciones fA y fB de A y B, respectivamente, a los . Por tanto la función , f:A×B× definida por f(a,b)=(fA(a),fB(b)) donde aA y bB es una biyección entre A×B y ×, y como hemos demostrado en el última proposición, × es numerable por lo que existe una biyección h:× y por tanto hf:A×B es la biyección buscada.

Ahora demostremos que,

A1×A2××An

es numerable si Ak es numerable para todo k=1,,n.

Para n=1 es evidente. Entonces supongamos la hipótesis de inducción qe es cierto para n- y comprobemos que también lo es para n. Pero para el caso n tenemos que,

A1××An-1×An=(A1×An-1)×An=B×An

y por hipótesis de inducción B=A1×An-1 es numerable así como lo es, por hipótesis general, An 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 n conjuntos numerables. ∎

Proposición 2.25.

La unión numerable de conjuntos numerables es numerable.

Es decir, si J es numerable y Aj es numerable para cada jJ, se tiene que,

jJAj,

es numerable.

Demostración.

Puesto que cada Aj es numerable existe una función fj:Aj biyectiva para cada jJ. Además, como J es numerable existe una función biyectiva h:J, así que podemos definir una función,

g:×jJAj

que lleva el par (m,k)× en,

g(m,k)=fh(k)(m).

Esta función es claramente sobreyectiva ya que para todo ajJAj debe existir al menos un jJ tal que aUj, entonces por ser h biyectiva, tomemos k=h-1(j) y al ser fj biyectiva tomemos m=fj-1(a) y así el par (m,k) es preimagen de a.

Finalmente puesto que × es numerable también lo es la unión numerable de numerables. ∎

Proposición 2.26.

La familia de todos los subconjuntos finitos de un conjunto numerable es numerable.

Demostración.

Primero consideremos un conjunto numerable A e inducimos un orden mediante una biyección g:A del modo siguiente,

ab,g(a)g(b),a,bA

Sea 𝒜n la colección de subconjuntos de A con exáctamente n elementos (cardinal igual a n). Definamos la función, fn:𝒜nAn definida como sigue: A cada subconjunto B𝒩n, fn(B)=(a1,a2,,an) donde ak<am si k<m. Está claro que la función así definida es inyectiva ya que si f(B)=f(C), entonces los elementos de B y C son los mismos y por tanto B=C. Finalmente por ser An producto cartesiano finito de numerables es isomorfo a y por tanto 𝒜n es numerable.

Ahora bien, el conjunto,

n𝒜n

que es la familia de todos los subconjuntos finitos de A, es la unión numerable de numerables y por la proposición anterior, es numerable. ∎

Proposición 2.27.

El conjunto de todas las sucesiones infinitas que toman solo los dos valores de {0,1} es infinito no numerable.

Equivalentemente el conjunt de todas las funciones f:{0,1} es infinito no numerable.

Demostración.

Procedamos por contradicción. Supongamos que el conjunto F de las funciones f:{0,1} es numerable. Entonces las podemos etiquetar en virtud de una biyección entre F y . Por tanto toda función fF está etiquetada como fn para algún n. Consideremos la siguiente función s:{0,1} definida como sigue,

s(k)=[fk(k)]c

donde el superíndice c significa el elemento complementario, es decir , 1c=0 y 0c=1. Entonces la hipótesis de numerabilidad de F implicaría que s=fn para algún n.

Sin embargo esto no es así, ya que para cualquier n tenemos que,

s(n)=[fn(n)]cfn(n)

por lo que no existe tal n y F no puede ser numerable. ∎

2.9 Ejercicios resueltos

Proposición 2.28.

Sea (X,) un espacio lineal normado. X es de Banach si y solo si existe un r>0 tal que el subconjunto SrX definido por,

Sr={xX|x=r},

es completo.

Demostración.

La implicación directa es fácil ya que puesto que Sr es un subconjunto cerrado de un espacio de Banach, este debe ser completo para cualquier r>0.

Para probar el recíproco primero probaremos que si existe un r>0 tal que Sr es completo, también será completo St para todo t->0. Esto es claro ya que si xnSt es de Cauchy, entonces la sucesión xn=stxnSr es de Cauchy en Sr y por tanto convergente a un punto xSr. Es fácil ver que xn también converge a x=trxSt, por lo que st es también completo.

Procedamos pues a la prueba de la proposición. Consideremos una sucesión xnX que sea de Cauchy y que no converja a 0. Consideremos la subsucesión xnk de los elementos de xn que no se anulan. Entonces sea m=ı´nfkxnk. Claramente m>0 ya que si m=0 existiría una subsucesión de xnk que convergería a 0, y por tanto la sucesión de Cauchy xn también convergería a 0, lo cual hemos descartado. Además por ser xn de Cauchy es acotada xn<M para algún M>0. Por tanto tenemos que,

m<xnk<M,k.

Definamos la sucesión

xk=xnkxnkS1

y veamos que es de Cauchy. En efecto,

xk-xl =xnkxnk-xnlxnl
=(1xnk-1xnl)xnk+1xnl(xnk-xnl)
|1xnk-1xnl|xnk+1xnlxnk-xnl
<ϵ(Mm2+1m)

donde hemos hecho uso de que,

|xnk-xnl|<xnk-xnlϵ

para k,l>N para algún N. Y por ser S1 completo, la sucesión xk es convergente en S1. Sea xS1 su límite. .

Por esta última desigualdad y por ser completo, la sucesión numérica xnk es convergente, digamos a r0>0. Veamos que la subsucesión xnk es también convergente a r0xX. En efecto,

xnk-r0x=xnkxk-r0x|xnk-r0|xk+r0xk-x<ϵ(1+r0)

Así pues, la subsucesión xnk es convergente y al ser xn de Cauchy también es convergente toda la sucesión. Por otro lado, si xn convergiera a 0 evidentemente también sería convergente, así que hemos probado que toda sucesión de Cauchy en X es convergente y por tanto X es de Banach. ∎

Capítulo 3 Espacios de Hilbert

3.1 Producto interno

Definición 3.1.

Sea X un espacio lineal sobre un campo 𝔽. Una función ,:X×X𝔽, se dice que es un producto interno para X si cumple las siguientes propiedades:

  1. PI1.

    x,x>0.

  2. PI2.

    x,x=0x=0.

  3. PI3.

    x,y=y,x*.

  4. PI4.

    αx,y=αx,y.

  5. PI5.

    x+y,z=x,z+y,z.

con x,y,zX y α𝔽.

Aun espacio vectorial con producto interno suele ser denominado espacio pre-Hilbert, o simplemente espacio con producto interno.

Proposición 3.1 (desigualdad de Cauchy-Schwarz).

Sean x,yX para un espacio pre-Hilbert (X,), Entonces se tiene que,

|x,y|2x,xy,y.

La igualdad se cumple si y solo si x e y son linealmente dependientes.

Demostración.

Si x o y son alguno cero, la desigualdad se cumple trivialmente. Entonces supongamos que no son nulos. Definimos z=x-λy con

λ=x,yy,y.

Entonces se sigue que,

0z,z=x-λy,x-λy=x,x-|x,y|2y,y

de lo cual se sigue la desigualdad de Cauchy-Schwarz.

Es claro que si x e y son linealmente dependientes la desigualdad es realmente una igualdad. Recíprocamente si se cumple la igualdad, y y0, entonces, es evidente del argumento anterior que z=x-λy con λ anteriormente definido, cumple que z,z=0 y por tanto z=0, lo que implica que x e y son linealmente dependientes. El caso y=0 es trivial. ∎

Ejemplos 3.1.
  1. 1.

    El espacio 𝔽n o l2(n) de las n-tuplas con el producto interno,

    x,y=k=1nxkyk*,

    con x=(x1,,xn), e y=(y1,,yn). Si tomamos 𝔽= como el campo, hablamos del espacio euclideo, y si 𝔽= hablamos de el espacio unitario n-dimensional.

  2. 2.

    El espacio l2() con el producto interno,

    x,y=n=1xnyn*,

    con x=(x1,x2,) e y=(y1,y2,).

  3. 3.

    el espacio 𝒞2[0,1] de las funciones contínuas en el intervalo [0,1], con el producto interno,

    x,y=01x(t)y*(t)𝑑t,

    con x=x(t) e y=y(t) funciones contínuas.

  4. 4.

    El espacio de matrices n×n G(n) con producto interno,

    A,B=trAB=j,k=1nAjkBkj*,

    con Aij=(A)ij y Bjk=(B)jk son las componentes de las matrices A y B, respectivamente.

3.2 Propiedades geométricas

Proposición 3.2.

Sea X un espacio pre-Hilbert. Entonces la función :X que envía xX a x dada por,

x=x,x, (3.1)

define una norma sobre X, llamada norma inducida por el producto interno sobre X.

Demostración.

Todas las propiedades de una norma se cumplen trivialmente, salvo la desigualdad triangular. Para comprobarla consideremos x e y en X, y tomemos,

x+y2 =x+y,x+y=x,x+x,y+y,x+y,y
=x2+2x,y+y2x2+2|x,y|+y2
x2+2xy+y2=(x+y)2.

donde hemos hecho uso de que z|z| para todo z y de la desigualdad de Cauchy-Schwarz. De aqí se sigue inmediatamente la desigualdad triangular.

Proposición 3.3 (Identidad de polarización).

Sea X un espacio pre-Hilbert y la norma inducida por el producto interno . Entonces si 𝔽= se tiene la identidad,

x,y=x+y22-x-y22, (3.2)

y si 𝔽=, tenemos,

x,y =x+y22-x-y22
+i(x+iy22-x-iy22). (3.3)

para todo x e y en X.

Demostración.

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,

x+y2-x-y2=2(x,y+y,x)

y,

x+iy2-x-iy2=-2i(x,y-y,x)

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.

Proposición 3.4 (Identidad del paralelogramo).

Sea (X,) un espacio normado. Entonces es inducida por un producto interno si y solo si se cumplen las siguientes identidades para todo x e y en X,

x+y2+x-y2=2(x2+y2), (3.4)

y,y,

x+iy2+x-iy2=2(x2+y2). (3.5)

La identidad (3.4) es necesaria y suficiente cuando 𝔽=, mientras que lo son ambas cuando 𝔽=.

Demostración.

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 x=y vemos que x,x=x2 con lo cual x,x=0 si y solo si x=0. También, por simple inspección de (3.3) vemos que x,y=y,x*, y que ix,y=ix,y, y -x,y=-x,y como es fácil de verificar.

Sea x=u±w e y=v±w para algunos u,v y w de X. Entonces las identidades del paralelogramo, (3.4) y (3.5) nos dan,

u+v±2w+u-v=2(u±w+v±w)
u+v±2iw+u-v=2(u±iw+v±iw)

Y restando cada ecuación con + menos la versión - y multiplicando por i la segunda sustracción, obtenemos,

u+v+2w -u+v-2w
+i(u+v+2iw-u+v-2iw)
=2(u+w -u-w+i[u+iw-u-iw]
+v+w-v-w+i[v+iw-v-iw])

o escrito en términos del supuesto producto interno,

u+v,2w=2(u,w+v,w).

En concreto si hacemos v=0 tenemos que en general, u,2w=2u,w, por lo que la anterior igualdad nos muestra que,

u+v,w=u,w+v,w,

lo que prueba la propiedad lineal respecto de la suma. Más aún, dado n es fácil probar por inducción que,

nu,w=nu,w,

y además,

1nu,w=1nn1nu,w=1nu,v.

Además, si r entonces existen p,q tal que r=±pq de modo que también ru,w=ru,v. Finalmente para todo λ podemos encontrar una sucesión de números complejos,

cn=rn+isnnλ,

con rn,sn y n=1,2,. Y por la continidad de la norma, podemos escribir,

λu,v=lı´mncnu,v=lı´mncnu,v=lı´mncnu,v=λu,v,

lo que prueba la última propiedad del producto interno.

Corolario 3.1.

Una norma d un espacio normado (X,) es inducida por un producto interno si y solo si para cada subespacio bidimensional de X la norma en dicho subespacio es inducida por un producto interno.

Ejemplos 3.2.
  1. 1.

    El espacio lp con p2 no es un espacio pre-Hilbert. Consideremos los elementos u=(1,1,0,) y v=(1,-1,0,), de modo que u+vp=2=u-vp mientras que up=21p=vp. ASí no se cumple la identidad del paralelogramo,

    u+v2+u-v2=22+222(22p+22p)=2(u2+v2).
  2. 2.

    El espacio 𝒞[0,1] con la norma del supremo no es un espacio pre-Hilbert. Consideremos las funciones x(t)=1 y y(t)=1-t, se puede comprobar que no cumplen la identidad del paralelogramo.

3.3 Completitud en espacios con producto interno

Definición 3.2.

Un espacio lineal con producto interno X se dice de Hilbert si es completo.

Ejemplos 3.3.
  1. 1.

    El espacio l0 con el producto estándar no es completo.

  2. 2.

    El espacio l2 es un espacio de Hilbert.

  3. 3.

    El espacio 𝒞2[0,1] es incompleto.

3.4 Conjuntos ortogonales

Definición 3.3.

Sea X un espacio pre-Hilbert, decimos que x e y de X son ortogonales si x,y=0, y lo denotamos por xy.

Definición 3.4.

Sea SX un conjunto de un espacio pre-Hilbert. Decimos que S es un conjunto ortogonal si para todo par x,yS,xy tenmos que x,y=0, son ortogonales.

Definición 3.5.

Sea X pre-Hilbert, xX y X. Decimos que x es perpendicular a M, xM, si xy, para todo yM.

Definición 3.6.

Sea X pre-Hilbert, y MX. Denotamos por M al conjunto ortogonal a M, es decir,

M={yX|x,y=0,yM}.
Proposición 3.5.

Sea X un espacio pre-Hilbert. Son ciertas las siguientes afirmaciones:

  1. 1.

    {0}=X, y X={0}.

  2. 2.

    Sea MX, entonces MX es un subespacio lineal cerrado.

  3. 3.

    Sea MX, entonces M(M)=M.

  4. 4.

    Sea MX subespacio lineal de X, entonces, MM={0}.

  5. 5.

    Sean MX y NX, tales que MN, entonces, NM.

  6. 6.

    Sea MX, entonces, M=M=M¯.

Demostración.
  1. 1.

    Es inmediato.

  2. 2.

    Sea x e y de M, zM y α,β𝔽, entonces αx+βyM. En efecto, linαx+βy,z=αx,z+βy,z=0, por lo que M es subespacio lineal.

    Además, sea xnM una sucesión convergente en X, entonces xn,z=0 para todo zM. Por continuidad tenemos que,

    lı´mnxn,z=lı´mnxn,z=0,

    por lo que lı´mnxnM,, y así M es cerrado.

  3. 3.

    Sea xM, entonces linx,y=0 para todo yM, por lo que x(M).

  4. 4.

    Puesto que M es subespacio lineal 0M y puesto que x,x=0 si y solo si x=0, entonces se sigue la afirmación MM={0}.

  5. 5.

    Sea xN, entonces linx,z=0 para todo zN, y por tanto también para todo zM, por lo que xM, de lo que se sigue que NM.

  6. 6.

    Puesto que MMM¯ tenemos que, M¯MM.

    Ahora para probar la igualdad solo necesitamos ver que además MM¯. Sea xM, entonces x,z=0 para todo zM, y por linealidad también para todo zM. Sea z0M¯ entonces existe una sucesión znM tal que lı´mnzn=z0. Pero por continuidad en el segundo argumento del producto interior tenemos que,

    x,z0=x,lı´mnzn=lı´mnx,zn=0,

    por lo que xM¯.

Ejemplo 3.1.

Sea M=l0 el conjunto de todas las sucesiones de soporte finito, con producto interno dado por el estándar en l2. Entonces l0={0}. En efecto, sea {en} el conjunto de sucesiones (en)m=δnm, entonces para cualquier sucesión y se tiene que, liny,en=yn. Así pues si y,x=0 para toda xl0 debe ocurrir que yn=0 para todo n.

Proposición 3.6 (Pitágoras).

Sea X pre-Hilbert, y x e y en X. Entonces si 𝔽=, xy si y solo si,

x+y2=x2+y2, (3.6)

Y si 𝔽=, entonces xy si y solo si además de (3.6) tenemos que,

x+iy2=x2+y2, (3.7)
Demostración.

Basta con darse cuenta que,

x+y2=x2+y2+2x,y,

y,

x+iy2=x2+y2+2x,y,

Por lo que x,y=0 si y solo si su parte real e imaginaria son nulas, lo cual lleva a la demostración de la proposición. ∎

Corolario 3.2.

Sea X pre-Hilbert y S={x1,x2,,xn}X. Entonces si S es ortogonal, se cumple que,

k=1nxk2=k=1nxk2, (3.8)

3.5 Mejor aproximación

Definición 3.7.

Sea X un pre-Hilbert y KX un subconjunto cerrado de X, y xX-K. Decimos que yK es una mejor aproximación de x en K si x-y=d(x,K)=ı´nfzKx-z.

Definición 3.8.

Sea X pre-Hilbert, y KX cerrado. Entonces se dice que K es:

  1. 1.

    Proximinal si para todo xX existe al menos una mejor aproximación en K.

  2. 2.

    Chebyshev, si para todo xX existe una única mejor aproximación en K.

Al conjunto de puntos mejores aproximaciones de un elemento xX en K lo denotaremos por PK(x), así para un K que sea Chebyshev PK es una función de X en KX que llamaremos proyección métrica sobre K.

Proposición 3.7.

Sea X pre-Hilbert y KX un subconjunto completo y convexo, entonces es Chebyshev, es decir, para todo xX existe un único yK que es mejor aproximación de x en K.

Demostración.

Si xK evidentemente el único mejor aproximación es el propio x. Por otro lado, si xX-K, sea,

δ=d(x,K)=ı´nfyKx-y.

Por definición de ínfimo, podemos encontrar una sucesión ynK tal que,

x-yn<δ+12n

de tal modo que la sucesión numérica sn=x-yn tiende a δ cuando n tiende a infinito.

Veamos que yn es de Cauchy. Por la ley del paralelogramo tenemos que,

yn-ym2 =2yn-x2+2ym-x2
-4yn+ym2-x22yn-x2+2ym-x2-4δ2,

donde hemos hecho uso de que K es convexo. El resultado de esta expresión es suficientemente pequeña cuando n,m son suficientemente grandes. Así por ser K completo la sucesión yn tiene un límite y*K.

Primero veamos que y* es una mejor aproximación de x en K. Efectivamente, por la continuidad de la norma tenemos,

x-y*=x-lı´mnyn=lı´mn(x-yn)=lı´mnx-yn=δ.

Y finalmente comprobamos que esta mejor aproximación es única. Sea y otra mejor aproximación, entonces usando de nuevo la ley del paralelogramo,

0y-y*2 =2x-y2+2x-y*2
-4x-y+y*2=4δ2-4x-y-y*22
0,

lo que implica que y-y*=0, o y=y* que prueba la unicidad. ∎

Ahora una propiedad que caracteriza a la mejor aproximación.

Proposición 3.8.

Sea X pre-Hilbert y KX un subconjunto convexo de X. Dado xX-K con PK(x) no vacío. Entonces y*K es una mejor aproximación en K si y solo si para todo yK se tiene que,

x-y*,y-y*0. (3.9)
Demostración.

Implicación directa:

Sea y*K u la mejor aproximación a xX-K en K, y sea yK cualquier elemento de K. Entonces por ser K convexo el punto y=λy+(1-λ)y*K para cada λ[0,1], así pues tenemos que,

0 x-y2-x-y*2
=(x-y*)-λ(y-y*)2-x-y*2
=-2λx-y*,y-y*+λ2y-y*2

Es decir que si λ0, tenemos que,

x-y*,y-y*λ2y-y*2,

y puesto que λ puede escogerse lo más pequeño que se quiera, esta desigualdad se cumplirá siempre que,

x-y*,y-y*0.

Implicación recíproca:

Sea y*K tal que,

x-y*,y-y*0.

para todo yK. Entonces,

x-y2 =(x-y*)-(y-y*)2
=x-y*2-2x-y*,y-y*+y-y*2
x-y*2

Puesto que todo subespacio lineal es convexo y todo conjunto completo y convexo es Chebyshev, tenemos los siguientes corolarios.

Corolario 3.3.

Sea X pre-Hilbert y MX un subespacio lineal completo de X, entonces dado xX-M, su mejor aproximación y*M en M viene caracterizado por la propiedad,

x-y*,y=0,yM (3.10)
Demostración.

Basta con usar la proposición anterior a M para ±y y i±y. ∎

Corolario 3.4.

Sea X Hilbert y MX un subespacio lineal cerrado de X, entonces dado xX-M, su mejor aproximación y*M en M viene caracterizado por la propiedad ( (3.10).

Ejemplo 3.2.

Consideremos el espacio incompleto 𝒞2[-1,1] y el subespacio M de los polinomios de orden menor o igual a 2. Encontrar la mejor aproximación en M de, f(t)=t3.

Proposición 3.9 (De la proyección).

Sea un espacio de Hilbert y M un subespacio cerrado. Entonces se tiene:

  1. a)

    MM=,

  2. b)

    M=M.

Demostración.
  1. a)

    En primer lugar sea x. Si xM claramente x=x+0 donde xM y 0M, y es única. Por otro lado, si xM por ser M subespacio es convexo,y por ser cerrado y completo, M es también completo, luego M es Chebyshev. Así existe un único y=PM(x) mejor aproximación en M. Por la caracterización vista anteriormente de y el elemento z=x-y es ortogonal a todo punto de M, es decir, z=x-yM y así, x=y+(x-y)=x+z con yM y zM. Esta descomposición es única ya que si zM entonces también y=PM(x) es la única mejor aproximación.

  2. b)

    Ya sabemos que MM. Pero además si xM, entonces x=y+z con yM y zM, pero entonces z=z-yM pues recordemos que yMM, y éste último es subespacio. Así zMM={0} y por tanto z=0 y x=yM.

Con este resultado de la proyección adquiere sentido la aplicación PM como un verdadero proyector sobre M a lo largo de M, por lo que se le denomina proyector ortogonal.

Corolario 3.5.

Sea un espacio de Hilbert y M un subespacio propio cerrado de , entonces siempre existe un z0 y z-M perpendicular a M.

Demostración.

Sea z-M, entonces z=y+z con yM y zM, y z0. ∎

Proposición 3.10.

Sea un espacio de Hilbert y S un subconjunto no vacío de . Entonces,

  1. a)

    S==S¯.

  2. b)

    S={0} si y solo si S¯=.

Demostración.
  1. a)

    Como en general, S=S¯ y por el teorema de proyección, tenemos S¯=S¯=S.

  2. b)

    Si S={0}, por la parte a) tenemos que S=S¯={0}=. Recíprocamente, si =S¯, entonces {0}==S¯=S.

3.6 Conjuntos completos y bases ortogonales

Definición 3.9.

Sea X pre-Hilbert y SX un subconjunto de X. Se dice que S es un conjunto ortonormal si dados dos elementos distintos x,yS, se tiene que:

  1. a)

    x,y=0xy.

  2. b)

    x=1,xS.

Definición 3.10.

Sea X pre-Hilbert y S={xα|αΛ}X un conjunto ortonormal y xX.Los coeficientes,

cα=x,xααΛ

se denominan coeficientes de Fourier, y la serie formal (ver apéndice al final del capítulo),

αΛx,xαxα,

se denomina serie de Fourir.

Proposición 3.11.

Sea X pre-Hilbert separable y S un conjunto ortonormal. Entonces S es a lo sumo numerable.

Demostración.

Si S es finito no hay nada que demostrar. Por el contrario si S es infinito, puesto que X es separable, existe un conjunto numerable D={y1,,yn,} denso en X. Por tanto para cada xS existe un n tal que,

x-yn<22.

Eligiendo un n para cada xS que cumpla la desigualdad anterior establecemos una función f de S a . Veamos que dicha función es inyectiva. En efecto, sean x y x elementos distintos cualesquiera de S, y yn e yn, los elementos de D correspondientes a los índices n=f(x) y n=f(x) respectivamente. Entonces ya que,

2=x-xx-yn+yn-xx-yn-22,

de donde vemos que,

x-yn22,

por lo que n=f(x)n=f(x). Por tanto f es inyectiva y S debe ser numerable. ∎

Proposición 3.12.

Sea X pre-Hilbert y S={x1,,xn} un conjunto ortonormal finito, y xX. La mejor aproximación de x en S viene dada por,

PS(x)=k=1nx,xkxk.
Demostración.

Puesto que S es subespacio es convexo y al ser finito dimensional es completo, por tanto es Chebyshev. Así existe una única mejor aproximación yS que debe cumplir,

x-y,z=0,zS (3.11)

Por tanto podemos escribir,

y=k=1nλkxk,

y comprobar (3.11) con cada elemento de S,

x-kλkxk,xj=0,j=1,,n

o que implica que,

λj=x,xj,j=1,,n

Otra forma directa de comprobar este hecho es el siguiente,

x-k=1nλkxk2 =x2-2k=1nλk*x,xk+k=1n|λk|2
=x2-k=1n|x,xk|2+k=1n|λk-x,xk|2
=x-k=1nx,xk2+k=1n|λkx,xk|2, (3.12)

de modo que los valores de λk=x,xk corresponden al valor mínimo de la distancia d(x,y) entre x y cualquier elemento y de S. ∎

Proposición 3.13 (desigualdad de Bessel).

Sea X pre-Hilbert y S={x1,x2,} un conjunto ortonormal y xX. Entonces se cumple la desigualdad,

x2n=1|x,xn|2,
Demostración.

La demostración es directa. Basta considerar,

0x-k=1nx,xkxk2=x2-k=1n|x,xk|2

Y tomando el límite cuando n llegamos a la desigualdad de Bessel. ∎

Corolario 3.6.

Sea X pre-Hilbert y S={xn} un conjunto ortonormal infinito numerable, y xX. Entonces la sucesión numérica cn=x,xn tiende a cero cuando n 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.

Proposición 3.14.

Sea X pre-Hilbert y S un conjunto ortonormal de cardinal arbitrario. Entonces, existen a lo sumo un conjunto numerable de coeficientes de Fourier no nulos para cada xX.

Demostración.

La parte no trivial resulta cuando el cardinal de S es superior a 0.

Dado n y xX, sea el subconjunto de S, dado por,

Cn(x)={zS||x,z|1/n}

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,

x2k=1N|x,zk|2Nn2

con zkCn(x) y para cualquier N. Sin embargo esto es contradictorio.

Así pues el conjunto C=nCn es numerable, es decir que el conjunto de los elementos z de S para los cuales x,z0 es numerable.

Proposición 3.15 (Riesz-Fisher).

Sea un espacio de Hilbert separable infinito dimensional, y S={xn}n=1 un conjunto ortonormal. Entonces la serie formada con coeficientes cn𝔽,

n=1cnxn,

converge si y solo si la sucesión {cn} pertenece a l2(𝔽).

Demostración.

Implicación directa:

Si ncnxn es convergente entonces es de Cauchy, es decir, la sucesión de las sumas parciales,

sn=k=1nckxk,

es una sucesión de Cauchy, es decir que para n>m>N se tiene que,

sn-sm2=k=m+1nckxk2=k=m+1n|ck|2<ϵ2

con lo que la sucesión de sumas parciales,

Sn=k=1n|ck|2

es de Cauchy y por ser completo, la serie n|cn|2 converge y por tanto {cn}l2. Implicación recíproca:

Supongamos ahora que {cn}l2, veamos que sumncnxn converge. En efecto, la sucesión de sumas parciales de la serie es de Cauchy ya que n|cn|2 es convergente y por tanto de Cauchy y se tiene como antes que,

sn-sm2=k=m+1nckxk=k=m+1n|ck|2<ϵ2

para todo n>m>N, y por ser completo, ncnxn converge. ∎

Corolario 3.7.

Sea un espacio de Hilbert y S={x1,x2,} un conjunto ortonormal y x. Entonces la serie de Fourier de x con respecto a S converge en ,

y=k=1x,xkxk.
Demostración.

Debido a la desigualdad de Bessel, la sucesión {cn} de los coeficientes de Fourier cn=x,xn pertenece a l2, ya que,

n=1|cn|2=n=1n|x,xn|2x2<

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 x respecto de un conjunto ortonormal S cualesquiera converge a un punto de este no tiene por qué ser el punto original x.

Ejemplo 3.3.

El conjunto {f1,f2,} formado por los elementos de l2 dados por (fn)m=δn+1m=(en+1)m es claramente ortonormal. Dado xl2 x=(x1,x2,) su serie de Fourier respecto de S es,

y=n=1x,fnfn=n=1xn+1fn=n=2xnen=(0,x2,x3,)

que es claramente distinto de x.

Definición 3.11.

Sea X pre-Hilbert y S={x1,x2,} un conjunto ortonormal. Decimos que S es una base ortonormal de X si para toddo xX se tiene que,

x=n=1x,xnxn.
Definición 3.12.

Sea X pre-Hilbert y SX un conjunto ortonormal. Se dice que S es completo si para todo conjunto ortonormal TX, tal que SX entonces S=T. 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.

Proposición 3.16.

Un subconjunto ortonormal SX es completo si y solo si S=0.

Demostración.

Sea S ortonormal completo y sea vS, entonces si v0, el conjunto T={v/v}S sería un conjunto ortonormal que contendría como subconjunto propio a S, y por tanto v debe ser nulo. Por el contrario si S es ortonormal y S={0} entonces si existiera TX ortonormal que contuviera a S como subconjunto propio existiría un vT-S distinto de cero, y por ser T ortonormal, tendríamos que vS lo cual contradice la hipótesis. ∎

Proposición 3.17.

Sea un espacio de Hilberr separable infinito dimensional y S un conjunto ortonormal. Entonces son equivalentes las siguientes afirmaciones:

  1. i)

    S es completo.

  2. ii)

    S¯=.

  3. iii)

    S es base ortonormal de .

  4. iv)

    Dados x,y𝒽 se tiene la identidad de Parseval,

    x,y=k=1x,xkxk,y.
  5. v)

    Dado x se tiene,

    x2=k=1|x,xk|2.
Demostración.
  1. iii

    Ya ha sido demostrado.

  2. iiii

    Si S={0} entonces sea ,

    v=x-n=1x,xnxn,

    tenemos que para todo m,

    v,xm =x-lı´mNn=1Nx,xnxn,xm
    =lı´mNx-n=1Nx,xnxn,xm
    =x,xm-lı´mNn=1Nx,xnxn,xm
    =x,xm-x,xm=0

    por lo que v=0.

  3. iiiiv

    Sea x,y, por iii),

    x=n=1x,xnxn,

    y por tanto,

    x,y =lı´mNn=1Nx,xnxn,y
    =lı´mNn=1Nx,xnxn,y=n=1x,xnxn,y

    donde hemos hecho uso de la continuidad del producto interno.

  4. iv v

    Solo hay que hacer y=x en la identidad de Parseval.

  5. vi

    Sea xS entonces x,xn=0 para todo xnS. Pero por la identidad de Parseval, tenemos,

    x2=n=1|x,xn|2=0

    de donde x=0 y por tanto S={0}.

Proposición 3.18 (Gram-Schmidt).

Sea X pre-Hilbert y (xn) una sucesión de vectores linealmente independientes en X, y sea Mn={x1,,xn}. Entonces existe una sucesión ortonormal (en)X tal que para cada n se tiene que,

Mn={e1,,en}
Demostración.

Sea e1=x1/x1, entonces para n=1 se tiene evidentemente que {x1}=M1={e1}. Supongamos cierta la afirmación para n=k y probemos que también es cierta para n=k+1. Sea {e1,,ek} un conjunto ortonormal y tal que,

Mk={x1,,xk}={e1,,ek}

Sea,

yk+1=xk+1-=1kxk+1,ee

que es ortogonal a todo {e1,,ek}. En efecto,

yk+1,em =xk+1-=1kxk+1,ee,em
=xk+1,em-xk+1,em=0

para todo m=1,,k. Y finalmente tomamos ek+1=yk+1/yk+1 que tiene norma unidad y por tanto {e1,,ek,ek+1} es ortonormal y por la propia construcción es evidente que,

Mk+1={e1,,ek,ek+1}.

Lema 3.1.

Sea X pre-Hilbert y (xn)X una sucesión no nula de puntos de X. Entonces existe una subsucesión (xnkX de puntos linealmente independientes, tal que para cada n se tiene que,

{x1,,xn}={xn1,,xnk}

para algún k.

Demostración.

Sea xn1 el primer elemento de (xn) distinto de cero. Es decir, xn=0 para todo n<n1. n1 existe ya que la sucesión es no nula. Sea n2 el mínimo natural n>n1 para el cual no existe un α𝔽 tal que xn=αxn1. Si n2 no existe, el conjunto {xn1} es el conjunto buscado y ya estaría. Por el contrario, si tal natural existe, entonces tomamos xn2 como el siguiente elemento de la subsucesión de elementos linealmente independientes . Sea ahora {xn1,xn2,,xnk} el conjunto de los primeros k elementos linealmente independientes (si existieran, y encaso contrario habríamos acabado), los cuales han sido escogidos de xn. Entonces sea nk+1 y tal que el menor natural n tal que n>nk y para el cual no existen α1,,αk𝔽 tal que xn=α1xn1+α2xn2++αkxnk. Si tal número no existe, ya habríamos acabado. Sin embargo en caso contrario xnk sería el siguiente elemento de la sucesión linealmente independiente. De esta forma hemos encontrado recursivamente el conjunto finito o infinito {xn1,xn2,} de vectores linealmente independientes que cumplen la tesis del lema ya que bastaría tomar como k el valor máximo de la sucesión n antes definida tal que nn. ∎

Proposición 3.19.

Sea un espacio de Hilbert separable. Entonces existe base ortonormal en .

Demostración.

Puesto que es separable existe un conjunto numerable S tal que S es denso en . Por el lema anterior podemos encontrar un subconjunto FS de vectores linealmente independientes tal que F=S, y por el procedimiento de Gram-Schmidt podemos encontrar, a partir de F, un conjunto ortogonal T tal que T=F=S, que por tanto el generado por T 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.

Proposición 3.20.

Todo espacio de Hilbert {0} posee un conjunto ortonormal completo.

Demostración.

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

C=αOα

que es también un conjunto ortonormal, ya que dados x,yC se tendrá que xOα para algún α, y normx=1, y yOβ para algún β, y de nuevo y=1,. Y además como es cadena se tendrá que, sin pérdida de generalidad, ØαOβ y por tanto x,yOβ y así linx,y=0, y por tanto C 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 . ∎

3.7 El teorema de la isometría

Definición 3.13.

Sean X y V dos espacios lineales sobre un campo 𝔽. Decimos que X e Y son linealmente isomorfos si existe una aplicación biyectiva ϕ:XY que sea aplicación lineal, es decir que ϕ(λ1x1+λ2x2)=λ1ϕ(x1)+λ2ϕ(x2)Y para todo λ1,λ2𝔽 y x1,x2X.

Definición 3.14.

Sean (X,dX) y (Y,dY) dos espacios métricos. Se dice que X e Y son isométricos si existe una biyección ϕ:X tal que dY(ϕ(x1),ϕ(x2))=dX(x1,x2) para todo x1,x2X.

Definición 3.15.

Sean X e Y dos espacios normados. Se dice que X e Y son isométricos si existe una biyección entre X e Y que sea a la vez isomorfismo lineal e isometría respecto de la métrica inducida por las normas.

Proposición 3.21.

Sean X e Y pre-Hilbe e isométricos como espacios normados. Entonces se cumple que para todo u,vX y T la isometría lineal entre X e Y,

T(u),T(v)Y=u,vX.
Demostración.

Inmediato de las expresiones del producto interno en términos de las normas. ∎

Proposición 3.22 (teorema de la isometría).

Todo espacio de Hilbert separable de dimensión infinita es isométrico a l2.

Demostración.

Sea S={xn|n} una base de , entonces definimos la aplicación T:l2 del modo siguiente, dado x tenemos T(x)=(x,xn)n=1, es decir a cada x le asignamos una sucesión formada por sus coeficientes de Fourier en la base S, que por la desigualdad de Bessel pertenece a l2.

Esta aplicación respeta la norma, es decir es isometría ya que por la identidad de Parseval tenemos,

x2=n=1|linx,x,xn|2=T(x)2.

Además esta aplicación es lineal, ya que,

T(λx+μy) =(λx+μy,xn)n
=(λx,xn+μy,xn)n=λ(x,xn)n+μ(y,xn)n=λT(x)+μT(y)

para todo λ,μ𝔽 y x,y.

Es sobreyectiva en virtud del teorema de Riesz-Fisher, dada una sucesión cl2, existe un x que está definido por la serie,

x=n=1cnxn,

que puede comprobarse fácilmente que T(x)=(cn)n=c.

Finalmente para comprobar la inyectividad basta probar que si T(x)=0 entonces x=0 debido a la linealidad. Pero esto es así por ser isometría ya que,

0=02=T(x)2=x

y por tanto x=0.

3.8 Apéndice: familias sumables

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,

αAvα

donde A es un conjunto cualquiera y vαX con X 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, s=(sn)n=1, vamos a denominar una familia {sα}αA, donde A ahora puede ser un conjunto más general que . Por familia, entonces queremos decir una función f de A en X (el espacio vectorial), y usamos, al igual que con las sucesiones, la notación f(α)=vα.

Definición 3.16.

Sea X un espacio normado, y {vα}αA una familia de elementos de X, con un conjunto de índices A. Decimos que la familia {vα}αA es sumable y su suma es vX, y lo expresamos como,

v=αAvα,

si para todo ϵ>0 existe una colección finita de índices J0A tal que para todo subconjunto finito de índices J que contenga a J0, J0JA, se tiene que,

v-αJvα<ϵ.

Ahora probamos algunas propiedades de conjuntos sumables de vectores. Aquí usaremos la notación usada en la definición sin necesidad de expresarlo explícitamente, así {vα}αA será una familia de vectores, A el conjunto de índices, X el espacio vectorial normado o pre-Hilbert, etc.

Proposición 3.23.

Si la familia {vα}αA es sumable, su suma es única

Demostración.

Si v y v son sumas distintas de {vα}αA, entonces dado un ϵ>0, existirá sendos conjuntos finitos J0 y J0 tal que cumplan las propiedades de la definición de suma para v y v respectivamente. Entonces basta tomar la colección de índices J~0=J0J0 que contiene a ambos, para ver que,

v-v =(v-αJ~0vα)+(αJ~0vα-v)
v-αJ~0vα+αJ~0vα-v<2ϵ

Proposición 3.24.

Si A es finito V es sumable, y su suma es la suma algebraica.

Demostración.

Inmediato. ∎

Proposición 3.25.

Si {vα}αA es sumable, entonces vα=0 salvo para una colección a lo sumo numerable de índices.

Demostración.

Sea CnA el subconjunto de índices αA de índices tales que vα[1n,1n-1). Entonces el conjunto de índices,,

C=nCn

es el conjunto de índices α para los cuales vα0. Ahora procedamos por contradicción y asumamos que {vα}αA es sumable pero C es no numerable. Si C es no numerable, algún Cn debe ser no numerable, sea n0 tal que Cn0 sea no numerable.

Por otro lado, puesto que {vα}αA es sumable, digamos a vX, dado ϵ=12n0 existe una colección finita J0 de índices tales que si J es otra colección finita tal que J0J se debe tener,

v-αJvα<12n0.

En concreto y dado J podemos encontrar un índice α0Cn0 que no estuviera en J, ya que Cn0 es infinito. Entonces JP=J{α0} debe cumplir la misma desigualdad anterior, pero además tenemos que,

v-αJvα =(v-αJvα)-vα0
|vα0-v-αJvα|
>12n0

Lo cual contradice la desigualdad anterior para J. ∎

Referencias

  • [1] A. Pinchuck. Notes on Functional Analysis.
  • [2] Avtk. Muncres. Topología, Ed. Reverte (1991)
    ISBN: 81-7252-119-7