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Grado en Matemáticas

Espacios normados y espacios de Banach

Una longitud permite decir si dos vectores están cerca. En análisis funcional también tratamos una función como vector: se suman sus valores y se multiplica por escalares. Necesitamos precisar cómo medir su tamaño y si una sucesión de aproximaciones conserva su límite dentro del espacio. Esa segunda propiedad es la completitud.

1. Una norma mide tamaño mediante tres condiciones

En un espacio vectorial real o complejo, una norma cumple: ‖x‖≥0 y solo vale cero para x=0; ‖αx‖=|α|‖x‖; ‖x+y‖≤‖x‖+‖y‖. La segunda es homogeneidad absoluta y la tercera es la desigualdad triangular. El cero tiene norma cero; un vector no nulo tiene norma positiva.

De ‖x‖≤‖x−y‖+‖y‖ obtenemos ‖x‖−‖y‖≤‖x−y‖.
Intercambiar x e y da |‖x‖−‖y‖|≤‖x−y‖, la triangular inversa.

Mide cuánto puede cambiar el tamaño cuando cambiamos el vector. Comprobar ejemplos ayuda, pero los axiomas deben cumplirse para todos los vectores y escalares.

Comprobar cómo actúa el máximo de coordenadas

N(x)=max(|x₁|,|x₂|); u=(−2,5), v=(1,−3).

  1. Tamaños

    N(u)=5, N(v)=3 y N(u+v)=N(−1,2)=2≤8.
  2. Escalar

    −3u=(6,−15), con N(−3u)=15=3N(u).
  3. Argumento general

    Cada |xᵢ+yᵢ|≤|xᵢ|+|yᵢ|≤N(x)+N(y); tomar máximo prueba la triangular.

    Las otras dos condiciones salen del valor absoluto y del máximo.

Resultado

N es una norma y las cuentas concretas concuerdan con sus axiomas.

Lo comprobamos

El máximo cero obliga a que ambas coordenadas sean cero; esa condición también debe revisarse.

Ser no negativo no basta para ser una norma

Consideramos p(x, y)=|x| y q(x, y)=x²+y² en R².

  1. Primera candidata

    p(0,1)=0 aunque (0,1) no es el vector cero.
  2. Segunda

    q(1,0)=1, pero q(2,0)=4≠2q(1,0).
  3. Fallo identificado

    p falla la definitud; q falla la homogeneidad absoluta de una norma.

Resultado

Ninguna de esas dos fórmulas es una norma en R².

Lo comprobamos

La raíz de q sí da la norma euclídea; el cuadrado de una norma no se confunde con la norma.

2. La norma produce distancias, bolas y operaciones continuas

Definimos d(x, y)=‖x−y‖.

La definitud da distancia cero solo si x=y; multiplicar por −1 da simetría y la triangular de la norma da la de la distancia.

La bola abierta B(x, r) contiene los y con ‖y−x‖<r.
Convergencia significa ‖xₙ−x‖→0.

La triangular inversa hace continua la función norma.

Además ‖(xₙ+yₙ)−(x+y)‖≤‖xₙ−x‖+‖yₙ−y‖.
Si aₙ→a y xₙ→x, se usa ‖aₙxₙ−ax‖≤|aₙ|‖xₙ−x‖+|aₙ−a|‖x‖: aₙ está acotada por converger.

Estas cotas justifican continuidad de suma y producto por escalares.

Una bola depende de la geometría elegida

En norma infinito, centro c=(1,−1) y radio dos.

  1. Condición

    max(|x−1|,|y+1|)<2.
  2. Coordenadas

    Equivale a −1<x<3 y −3<y<1.
  3. Distancia de control

    De c a (−2,3) la diferencia es (3,−4), de norma infinito cuatro; queda fuera.

Resultado

La bola abierta es un cuadrado abierto, no un círculo euclídeo.

Lo comprobamos

Los bordes se excluyen por la desigualdad estricta del radio.

Separar dos errores permite controlar una suma

‖xₙ−x‖≤1/n y ‖yₙ−y‖≤2/n.

  1. Restar límites

    El error de xₙ+yₙ es (xₙ−x)+(yₙ−y).

  2. Acotar

    Su norma es como máximo 1/n+2/n=3/n.
  3. Elegir índice

    Para ε>0, cualquier n>3/ε hace ese error menor que ε.

Resultado

xₙ+yₙ converge a x+y.

Lo comprobamos

La cuenta no supone que los dos errores tengan la misma dirección; la triangular controla cualquier dirección.

3. Cambiar la norma cambia la forma de la unidad

Para n coordenadas, ‖x‖₁=Σ|xᵢ|, ‖x‖₂=√Σ|xᵢ|² y ‖x‖∞=max|xᵢ|.

Todas son normas, pero no asignan el mismo número. El dibujo muestra las bolas de radio uno en R²: rombo, círculo y cuadrado, respectivamente.

Una misma palabra, unidad, describe tres geometrías distintas
Tres bolas unidad en R²11Rombo: ‖x‖₁≤1Círculo: ‖x‖₂≤1Cuadrado: ‖x‖∞≤1
En R dos, la bola unidad de la norma uno es un rombo, la euclídea un círculo y la norma infinito un cuadrado. El rombo está dentro del círculo y este dentro del cuadrado, de acuerdo con norma infinito menor o igual que norma dos menor o igual que norma uno. Son conjuntos definidos por norma como máximo uno, no tres normas iguales.

Se cumple ‖x‖∞≤‖x‖₂≤‖x‖₁; Cauchy–Schwarz da ‖x‖₁≤√n‖x‖₂ y sumar n cuadrados acotados da ‖x‖₂≤√n‖x‖∞. Las constantes dependen de n. Una afirmación válida para una dimensión fija no autoriza usar la misma constante en todas las dimensiones.

Medir el mismo vector de tres formas

x=(−2,5).

  1. Norma uno

    |−2|+|5|=7.
  2. Euclídea

    √[(-2)²+5²]=√29.
  3. Infinito

    max(2,5)=5; se verifica 5≤√29≤7.
Resultado

Las longitudes son 7,√29 y 5.

Lo comprobamos

La orientación negativa de una coordenada no produce longitud negativa; el cuadrado o el módulo conserva su tamaño.

Las constantes crecen con la dimensión

u tiene n coordenadas, todas iguales a uno.

  1. Tres tamaños

    ‖u‖∞=1, ‖u‖₂=√n y ‖u‖₁=n.
  2. Cocientes

    ‖u‖₁/‖u‖₂=√n y ‖u‖₂/‖u‖∞=√n.
  3. Consecuencia

    No hay una constante fija que controle esos cocientes para todos los n.

Resultado

La equivalencia finita no ofrece aquí una constante independiente de dimensión.

Lo comprobamos

Cada vector de este ejemplo es finito, pero la familia recorre dimensiones cada vez mayores.

4. Cauchy compara términos entre sí, sin presuponer un límite

Una sucesión es de Cauchy si para cada ε>0 existe N con ‖xₙ−xₘ‖<ε cuando n, m≥N. Toda convergente lo es: si ambos términos están a menos de ε/2 de su límite, están a menos de ε entre sí. El recíproco define la completitud: un normado completo se llama Banach.

Toda sucesión de Cauchy es acotada. Se toma una cola con ‖xₙ−x_N‖<1, de modo que ‖xₙ‖≤‖x_N‖+1; los términos anteriores son finitos y sus normas tienen un máximo. Estar acotado no basta para ser Cauchy: no fuerza que los términos tardíos se acerquen.

Elegir N sin conocer de antemano el límite

xₙ=(1−2⁻ⁿ,0) en norma infinito, n≥1.

  1. Comparar

    Si n, m≥N, |2⁻ⁿ−2⁻ᵐ|≤2⁻ᴺ.
  2. Elegir

    Se toma N con 2⁻ᴺ<ε; sirve para cualquier par posterior.

  3. Límite en este espacio

    En R² converge a (1,0), que pertenece al espacio.

Resultado

La cota entre pares demuestra Cauchy; la pertenencia del límite verifica este caso de completitud.

Lo comprobamos

La elección de N controla simultáneamente todos los n, m de la cola.

Una sucesión acotada puede no acercarse a sí misma

xₙ=((−1)ⁿ,0) con norma euclídea.

  1. Acotación

    Todas sus normas valen uno.

  2. Pares tardíos

    Un índice par y otro impar dan distancia dos, por grandes que sean.

  3. Contradicción Cauchy

    Con ε=1 no existe ninguna cola donde todas las distancias sean menores que uno.

Resultado

No es de Cauchy ni converge en norma.

Lo comprobamos

La cota de tamaños no controla las diferencias entre términos.

5. La completitud se comprueba en la norma concreta del espacio

Rⁿ y Cⁿ son Banach con cualquier norma. También C([a, b]) con ‖f‖∞=sup|f|: la condición de Cauchy controla todos los puntos a la vez. Una convergencia solo puntual no proporciona por sí sola ese control ni continuidad del límite.

ℓᵖ, 1≤p<∞, contiene sucesiones con Σ|xⱼ|ᵖ<∞ y norma de esa suma elevada a 1/p; ℓ∞ contiene las acotadas con norma supremo. Son Banach. Lᵖ también es completo, identificando funciones iguales casi en todas partes: sin esa identificación una función que solo cambia en un punto podría tener distancia cero a otra diferente.

Por qué el límite uniforme de una Cauchy de continuas sigue dentro

(fₙ) es de Cauchy en norma supremo sobre [0,1].

  1. Límite escalar

    Para cada x, fₙ(x) es Cauchy en R o C y define un valor f(x).

  2. Control simultáneo

    Dada una cota uniforme ε para |fₙ(x)−fₘ(x)|, al pasar m al límite queda |fₙ(x)−f(x)|≤ε para todo x.

  3. Uniformidad

    Tomar supremo da ‖fₙ−f‖∞≤ε en la misma cola.
  4. Continuidad

    Para x cerca de x₀, se divide |f(x)−f(x₀)| en dos errores uniformes y el cambio de una f_N continua, cada uno menor que ε/3.

Resultado

f es continua y fₙ converge a ella en norma supremo.

Lo comprobamos

El índice usado en los errores uniformes no depende de x; ese es el paso que faltaría con mera convergencia puntual.

Completitud de ℓ² siguiendo coordenadas y sumas finitas

uₙ es Cauchy en ℓ².

  1. Coordenadas

    |uₙ, ⱼ−uₘ, ⱼ|≤‖uₙ−uₘ‖₂, así cada coordenada converge a xⱼ.
  2. El límite pertenece

    Las normas están acotadas por R; para cada J finito, pasar al límite da Σⱼ≤ᴶ|xⱼ|²≤R². Al crecer J, x pertenece a ℓ².

  3. Error finito

    Para n≥N y m≥N, las sumas parciales de |uₙ, ⱼ−uₘ, ⱼ|² no superan ε²; pasar m al límite conserva esa cota.

  4. Error total

    Al crecer J se obtiene ‖uₙ−x‖₂≤ε.

    Se inició con una tolerancia arbitraria, que puede tomarse menor que la final.

Resultado

El límite por coordenadas es también el límite en norma para esta sucesión Cauchy.

Lo comprobamos

Convergencia de coordenadas sin la condición Cauchy no bastaría: eₙ tiene coordenadas que tienden a cero y norma uno.

6. Un límite puede existir en el ambiente y escapar del espacio elegido

Completitud no significa que una fórmula límite pueda escribirse en algún lugar: exige que pertenezca al espacio original y que la convergencia sea en su norma. Un subespacio de un Banach no tiene que ser Banach si deja fuera algunos límites.

Los polinomios en [0,1] con norma supremo y las sucesiones de soporte finito c₀₀ con norma ℓ² ofrecen dos ejemplos. Las sumas parciales son objetos permitidos, pero sus límites naturales ya no son polinomios o ya no tienen soporte finito. Las distancias entre aproximaciones sí se hacen pequeñas.

Los polinomios aproximan una función que no es polinomio

p_N(x)=Σₖ₌₀ᴺxᵏ/k!, para 0≤x≤1.

  1. Cota uniforme

    |eˣ−p_N(x)|≤Σₖ>ᴺ1/k!≤2/(N+1)!, que tiende a cero.
  2. Cauchy

    ‖p_N−p_M‖∞ se acota por la suma de los dos errores uniformes.

  3. Fuera del espacio

    eˣ no es polinomio: ninguna derivada de orden alto se anula, a diferencia de un polinomio.

Resultado

Los polinomios con norma supremo no son Banach.

Lo comprobamos

El ambiente C([0,1]) sí contiene el límite; el fallo está en el subespacio de polinomios.

Truncar infinitas coordenadas produce una Cauchy de soporte finito

v_N=(1/2,1/4,…,1/2ᴺ,0,0,…).

  1. Cada término

    Solo tiene N coordenadas no nulas y pertenece a c₀₀.

  2. Cola

    Para M>N, ‖v_M−v_N‖₂²≤Σₖ>ᴺ4⁻ᵏ=4⁻ᴺ/3.
  3. Límite

    Sus coordenadas convergen a (1/2,1/4,1/8,…), con infinitas entradas no nulas.

Resultado

c₀₀ no es completo con esa norma.

Lo comprobamos

La suma total de cuadrados del límite es 1/3, así sí pertenece a ℓ²; no puede haber otro límite por unicidad de las coordenadas.

7. El cierre conserva límites; completar añade los que faltan

Si M es cerrado en un Banach X, una Cauchy de M converge en X y su límite permanece en M: M es Banach. Recíprocamente, si M es completo y una sucesión de M converge en el ambiente a x, también es Cauchy y tiene un límite en M; la unicidad obliga a que sea x.

Por tanto M es cerrado.

Una completación de X es un Banach que contiene una copia isométrica y densa de X. Se puede construir con clases de sucesiones de Cauchy: dos son equivalentes si la norma de su diferencia tiende a cero. La triangular inversa hace bien definida la norma de la clase como límite de normas.

La copia de un vector es su sucesión constante; no cambian sus distancias originales.

Una condición de coordenada define un subespacio cerrado

M={x∈ℓ²: x₁=0}.

  1. Límite ambiente

    Una Cauchy de M converge a algún x en ℓ² por completitud.

  2. Primera coordenada

    |x₁−uₙ,₁|≤‖x−uₙ‖₂→0; como uₙ,₁=0, se obtiene x₁=0.
  3. Pertenencia

    El límite está en M, por lo que M es Banach con la norma heredada.

Resultado

La condición x₁=0 se conserva al pasar al límite en norma.

Lo comprobamos

No se exige dimensión finita: el subespacio tiene infinitas direcciones posibles.

La completación de c₀₀ con norma dos es ℓ²

Usamos la inclusión natural de sucesiones finitas en ℓ².

  1. Isometría

    Las mismas coordenadas tienen la misma suma de cuadrados.

  2. Densidad

    Para cualquier x∈ℓ², truncar después de N deja error cuadrado Σⱼ>ᴺ|xⱼ|²→0.

  3. Ambiente completo

    ℓ² es Banach; cada elemento se aproxima por esas truncaciones de c₀₀.

Resultado

ℓ² cumple las condiciones de completación de c₀₀.

Lo comprobamos

Completar no cambia normas de elementos existentes; permite incluir sus límites ausentes.

8. Equivalencia de normas conserva convergencia, pero no exige longitudes iguales

Dos normas son equivalentes si c‖x‖ₐ≤‖x‖ᵦ≤C‖x‖ₐ con c, C>0 fijos para todo x. Aplicar las cotas a diferencias conserva convergencia, Cauchy y completitud. En dimensión finita toda norma N se compara con la euclídea: la triangular sobre una base da N(x)≤C‖x‖₂, así N es continua en esa geometría.

En la esfera euclídea compacta, N alcanza un mínimo positivo c; escalar da la otra cota.

Una integral pequeña puede convivir con un pico de altura uno
La altura se mantiene en 1011n=2n=4n=8Integral: 1/n → 0
Funciones continuas f de n de x igual al máximo entre uno menos n por el valor absoluto de x menos un medio y cero, para n dos, cuatro y ocho. Cada pico tiene altura uno, base dos dividido entre n y área uno dividido entre n. Sus normas supremo son uno mientras las integrales tienden a cero.

En dimensión infinita la esfera no tiene esa compacidad general. En C([0,1]), ‖f‖₁=∫|f|≤‖f‖∞, pero no hay una cota inversa con constante positiva uniforme: el área de un pico estrecho puede tender a cero sin bajar su altura. Esta norma integral sí es una norma sobre funciones continuas, porque una función continua no nula tiene valor absoluto positivo en un pequeño intervalo.

Escribir constantes que funcionen para todos los vectores

En Rᵈ comparamos normas uno e infinito.

  1. Por debajo

    Una coordenada máxima está incluida en la suma: ‖x‖∞≤‖x‖₁.

  2. Por arriba

    Cada uno de los d sumandos es como máximo ‖x‖∞: ‖x‖₁≤d‖x‖∞.

  3. Equivalencia

    Para dimensión d fija, c=1 y C=d sirven para todos los x.

Resultado

Las normas son equivalentes aunque sus valores puedan diferir.

Lo comprobamos

El vector de unos alcanza la cota superior, así esa constante d no es un artefacto del argumento.

Una familia de picos refuta una cota global

fₙ(x)=max(1−n|x−1/2|,0), n≥2.

  1. Supremo

    Cada pico tiene altura uno, así ‖fₙ‖∞=1.

  2. Integral

    La base mide 2/n; el área triangular es (1/2)(2/n)·1=1/n.
  3. Refutar

    Si c‖f‖∞≤‖f‖₁ para algún c>0, exigiría c≤1/n para todo n, imposible.

Resultado

Estas dos normas no son equivalentes en C([0,1]).

Lo comprobamos

fₙ converge a cero en norma integral y no en norma supremo.

Cambiar la norma puede cambiar también la completitud

Sea h el escalón 0 a la izquierda de 1/2 y 1 a la derecha. Para n≥2, fₙ es la rampa continua de 0 a 1 entre 1/2−1/n y 1/2+1/n, constante fuera.

  1. Error integral

    Las dos regiones de error son triángulos de base 1/n y altura 1/2; ‖fₙ−h‖₁=1/(2n).

  2. Cauchy

    ‖fₙ−fₘ‖₁≤1/(2n)+1/(2m)→0.
  3. Sin límite continuo

    Un límite continuo g en esa norma tendría que ser igual a h casi en todas partes. Continuidad forzaría g=0 en todo el intervalo izquierdo y g=1 en todo el derecho, imposible en 1/2.

Resultado

C([0,1]) con norma integral no es Banach, aunque con supremo sí lo sea.

Lo comprobamos

La rampa cambia con n y pertenece siempre a C; es el límite exigido el que escapa de ese espacio.

9. Completitud y compacidad imponen condiciones diferentes a las sucesiones

En un normado, un compacto es cerrado y acotado. En dimensión finita la recíproca es cierta. En dimensión infinita puede fallar incluso para una bola cerrada de un Banach: completitud obliga a converger a las Cauchy, mientras compacidad exige una subsucesión convergente de toda sucesión del conjunto.

Una sucesión que mantiene sus términos separados no es Cauchy. Si además todas sus subsucesiones mantienen esa separación, no puede extraerse ninguna convergente. Ese criterio detecta directamente por qué la bola unidad infinita puede no ser compacta, sin contradecir que el espacio sea completo.

La bola cerrada de ℓ² contiene una sucesión sin subsucesión convergente

eₙ tiene un uno en la coordenada n y ceros en las demás.

  1. Acotación

    ‖eₙ‖₂=1, así todos están en la bola unidad cerrada.

  2. Separación

    Si n≠m, ‖eₙ−eₘ‖₂²=1+1=2.
  3. Subsucesiones

    Cualquier subsucesión conserva distancia √2 entre términos distintos; no es Cauchy y no converge.

Resultado

La bola cerrada no es compacta aunque ℓ² sea Banach.

Lo comprobamos

La completitud no pedía convergencia de esta sucesión, porque nunca fue Cauchy.

Compacto no significa que toda sucesión converja entera

En la bola cerrada euclídea de R² tomamos xₙ=((−1)ⁿ,0).

  1. Conjunto compacto

    La bola es cerrada y acotada en dimensión finita.

  2. Sucesión completa

    Alterna dos puntos y no converge.

  3. Extraer

    Los índices pares dan una subsucesión constantemente (1,0), que sí converge.

Resultado

La propiedad compacta exige una subsucesión, no la convergencia de toda la lista.

Lo comprobamos

En el ejemplo de ℓ² ninguna subsucesión podía hacer lo que aquí hacen los índices pares.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dos normas

Calcula ‖(3,4)‖₁, ‖·‖₂ y ‖·‖∞.

  1. Vector

    v=(3,4).

    Cada norma utiliza una regla diferente sobre las mismas coordenadas.

  2. Norma uno

    ‖v‖₁=|3|+|4|=7.
  3. Euclídea

    ‖v‖₂=√(3²+4²)=√25=5.
  4. Máxima

    ‖v‖∞=max(3,4)=4.
  5. Comparar

    Se obtiene 4≤5≤7, coherente con las desigualdades entre normas.

  6. Concluir

    Los resultados son 7,5,4, respectivamente; equivalencia de normas no significa igualdad de longitudes.

Resultado

7,5,4 respectivamente.

Lo comprobamos

Las tres longitudes son distintas y positivas; satisfacen‖v‖∞≤‖v‖₂≤‖v‖₁ sin afirmar que las normas sean iguales.

EJEMPLO RESUELTO 2

Límite uniforme

fₙ continuas en [0,1] y de Cauchy en norma supremo. ¿Dónde converge?

  1. Condición

    La Cauchy en supremo proporciona un índice que controla a la vez todos los puntos x∈[0,1].

  2. Límites escalares

    En cada x, la sucesión fₙ(x) es Cauchy real o compleja, así define f(x).

  3. Pasar al límite

    Para n, m suficientemente grandes, |fₙ(x)−fₘ(x)|≤ε para todo x.
    Hacer m→∞ conserva esa cota para |fₙ(x)−f(x)|.
  4. Uniformidad

    Tomar el supremo muestra ‖fₙ−f‖∞≤ε con el mismo n para todo x.

  5. Continuidad

    El límite uniforme de continuas es continuo; se demuestra repartiendo el error en dos errores uniformes y uno de una f_N continua.

  6. Pertenencia

    f pertenece a C([0,1]) y es límite en su norma; por eso ese espacio es Banach.

Resultado

Converge en C([0,1]); ese espacio es Banach.

Lo comprobamos

La elección de N funciona simultáneamente para todos los x. La mera convergencia puntual no garantizaría continuidad del límite.

Los símbolos que hemos usado

X
Espacio vectorial sobre los reales o los complejos.
‖x‖
Norma del vector x: su tamaño según la geometría elegida.
d(x,y)
Distancia inducida por la norma, igual a‖x−y‖.
B(x,r)
Bola abierta de centro x y radio positivo r.
Banach
Espacio normado completo: toda sucesión de Cauchy converge en él.
‖f‖∞
Norma supremo de una función acotada, supremo de sus valores absolutos.
ℓᵖ
Espacio de sucesiones con suma de potencias p finita, para1≤p<∞.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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