Un funcional toma un vector y devuelve un número: una coordenada, un promedio o un producto escalar con una dirección fija. Pero una fórmula lineal puede reaccionar mucho a errores pequeños. Veremos cómo la norma controla esa sensibilidad, por qué importa el espacio donde se aplica y cómo se reúnen todas sus mediciones continuas en el dual.
Si necesitas repasar:
1. Un funcional lineal es una medición compatible con suma y escalares
Su salida es un escalar; una aplicación lineal hacia otro espacio vectorial más general se llama operador. Linealidad no significa automáticamente continuidad en dimensión infinita.
El dual algebraico contiene todos los funcionales lineales. El dual continuo X* conserva solo los continuos para la norma elegida. En dimensión finita todos los lineales son continuos; en dimensión infinita puede haber mediciones lineales no controladas por esa norma. Antes se comprueba que la fórmula esté definida para cada vector del dominio.
Una medición lineal y otra que no lo es
φ(x, y)=2x+y y q(x, y)=x²+y² en R².
Primera
Distribuir sumas y escalares en 2x+y verifica φ(au+bv)=aφ(u)+bφ(v).Segunda
q(1,0)=1 y q(2,0)=4, mientras 2q(1,0)=2.Clasificar
φ es funcional lineal; q es una cantidad útil pero no lineal.
No toda medición escalar pertenece al dual.
Linealidad se comprueba sobre todos los vectores; un contraejemplo de homogeneidad refuta q.
Una fórmula lineal puede amplificar sin límite
En c₀₀ con norma dos, φ(x)=Σₙ≥₁n xₙ.
Bien definida
Cada x tiene soporte finito: la suma contiene solo finitos términos no nulos.
Lineal
La suma finita respeta suma y escalares.
Sin cota
‖eₙ‖₂=1 pero φ(eₙ)=n; no existe C con |φ(x)|≤C‖x‖₂ para todos.
Es lineal, pero no pertenece al dual continuo de ese normado.
No se extiende esa misma fórmula a todo ℓ² sin revisar convergencia de la serie.
2. Para una aplicación lineal, continuidad equivale a una cota proporcional
Basta también continuidad en cero: si ‖u‖<δ implica |φ(u)|<1, escalamos cualquier x≠0 a u=δx/(2‖x‖).
Así continuidad en cero, continuidad en todo punto y acotación lineal global son equivalentes. Una cota en una bola se transforma en cota global por homogeneidad; no sería un argumento válido para cualquier función no lineal. Acotado aquí significa acotado en la bola unidad, no imagen acotada de todo el espacio.
Una cota cuantifica el error de una medición
φ(x, y)=2x+y con norma infinito.
Cota
|2x+y|≤2|x|+|y|≤3max(|x|,|y|).Diferencia
|φ(u)−φ(v)|≤3‖u−v‖∞.Precisión
Un error de entrada menor que ε/3 garantiza error de salida menor que ε.
La cota tres prueba continuidad y da un control explícito.
Todavía no se concluye que sea la menor constante: la norma dual se determina comprobando optimalidad.
Rescalar revela una discontinuidad en cero
Usamos φ(x)=Σn xₙ de c₀₀ y yₙ=eₙ/n.
Entrada pequeña
‖yₙ‖₂=1/n→0.Salida
φ(yₙ)=n/n=1 para todo n.Comparar con cero
φ(0)=0, pero las salidas no convergen a cero.
φ no es continua en cero.
El ejemplo convierte la falta de cota sobre vectores unitarios en una sucesión concreta de errores de entrada que tienden a cero.
3. La norma dual exige una cota superior y un argumento de optimalidad
Probar una desigualdad solo da una cota superior; para igualdad buscamos un vector unitario que la alcance o una sucesión que se aproxime al supremo.
En dimensión infinita ese supremo puede no alcanzarse. En dimensión finita la bola unidad compacta y la continuidad sí permiten alcanzarlo. La norma del dominio es parte de los datos: una misma fórmula lineal puede tener una norma dual distinta al cambiar la geometría de su bola.
Una tangencia certifica la norma euclídea
φ(x₁, x₂)=2x₁+x₂ en R² con norma dos.
Superior
Cauchy–Schwarz da |φ(x)|≤√5‖x‖₂.Vector unitario
u=(2,1)/√5 tiene norma uno.Alcanzar
φ(u)=(4+1)/√5=√5.
‖φ‖=√5.
La cota y el vector unitario prueban ambas desigualdades necesarias para el supremo.
Cambiar la bola cambia el resultado
φ(x, y)=2x−5y.
Con norma uno
|φ|≤5(|x|+|y|); (0,−1) tiene norma uno y da cinco.Con norma infinito
|φ|≤7max(|x|,|y|); (1,−1) tiene norma infinito uno y da siete.
Separar datos
La fórmula φ no cambió; cambiaron los vectores admitidos en la bola unidad.
Sus normas duales son cinco y siete, respectivamente.
El conjunto de funcionales lineales continuos sigue siendo el mismo en esta dimensión finita, aunque cambien sus normas.
4. Evaluar un punto puede ser continuo, discontinuo o no estar definido en las clases
En C([0,1]) con norma supremo, φ(f)=f(0) está bien definida y |f(0)|≤‖f‖∞. Con norma integral en el mismo conjunto de continuas, sigue siendo una fórmula lineal bien definida, pero pierde esa cota: un pico en cero puede tener altura fija y área muy pequeña.
En L² de Lebesgue la situación es diferente: sus vectores son clases casi en todas partes. Si dos representantes dan valores distintos en cero, la fórmula no asigna un escalar único al vector. No es solamente una pregunta de continuidad; antes falla la definición. Otras mediciones, como integrales apropiadas, sí dependen de la clase.
Mantener altura mientras el área desaparece
gₙ(x)=max(1−nx,0), n≥1.
Valor
gₙ(0)=1 y ‖gₙ‖∞=1.Integral
El triángulo tiene base 1/n y altura uno, así ‖gₙ‖₁=1/(2n).
Cota imposible
Una constante C en |gₙ(0)|≤C‖gₙ‖₁ exigiría 1≤C/(2n) para todo n.
Evaluar en cero no es continuo con esa norma integral.
Con supremo los mismos picos satisfacen la cota uno: la función y la norma elegida son datos separados.
Cambiar un representante no puede cambiar un funcional de L²
f=0 y g es uno solo en el punto cero y cero en el resto.
Misma clase
∫|f−g|²=0, así representan el mismo vector L².Distintos valores
f(0)=0 y g(0)=1.Fallo
La supuesta evaluación asignaría dos respuestas al mismo vector.
f↦f(0) no define ese funcional en L².
No se intenta calcular su norma: primero debe existir una aplicación bien definida.
Una integral sí proporciona una medición continua en L²
φ(f)=∫₀¹f(t)dt.
Clase
Cambiar valores en un conjunto de medida cero no cambia la integral.
Cauchy–Schwarz
|φ(f)|≤‖f‖₂‖1‖₂=‖f‖₂.Optimalidad
f=1 tiene norma dos igual a uno y φ(f)=1.
La norma del funcional integral es uno.
La integral existe para f∈L² en este intervalo finito por la misma desigualdad.
5. El dual es Banach aunque el espacio original no lo sea
Sea φₙ Cauchy en norma dual. Para cada x, |φₙ(x)−φₘ(x)|≤‖φₙ−φₘ‖‖x‖ hace Cauchy a sus valores escalares; su límite define φ(x). Linealidad pasa al límite. Como las normas de una Cauchy están acotadas por algún R, |φ(x)|≤R‖x‖ y el límite es continuo.
La cota uniforme de Cauchy también sobrevive al hacer m→∞: |φₙ(x)−φ(x)|≤ε‖x‖ para n suficientemente grande y todos los x.
No se necesitó que X fuera completo, solo que R o C lo sean. Una mera convergencia punto a punto no permite ese paso uniforme.
Una Cauchy de mediciones converge aunque X=c₀₀ sea incompleto
En c₀₀ con norma dos, φ_N(x)=Σₙ≤ᴺ2⁻ⁿxₙ.
Diferencia
Cauchy–Schwarz y un vector finito proporcional a los coeficientes dan ‖φ_M−φ_N‖²=Σᴹₙ>ᴺ4⁻ⁿ.
Cauchy
La cola es como máximo 4⁻ᴺ/3 y tiende a cero.
Límite
φ(x)=Σₙ≥₁2⁻ⁿxₙ está definido para cada x de soporte finito y es continuo por Cauchy–Schwarz.
La convergencia ocurre en norma dual, aunque c₀₀ no sea Banach.
No se exigió que el vector de coeficientes perteneciera a c₀₀; el funcional mide sus elementos y no tiene por qué ser uno de ellos.
Punto a punto no garantiza convergencia en norma dual
En ℓ², φₙ(x)=xₙ.
Cada x fijo
Sus coordenadas tienden a cero porque son de cuadrados sumables.
Normas
|xₙ|≤‖x‖₂ y φₙ(eₙ)=1, así ‖φₙ‖=1.Uniformidad ausente
φₙ(x)→0 para cada x, pero ‖φₙ−0‖ no baja de uno.
La hipótesis Cauchy en norma dual es más fuerte que convergencia de cada medición fija.
El testigo eₙ cambia con n; por eso no contradice la convergencia para cada x previamente fijado.
6. Riesz representa las mediciones continuas de un Hilbert por un vector
Con producto interior lineal en el primer argumento, Riesz afirma que cada φ∈H* tiene un único y∈H con φ(x)=⟨x, y⟩.
Para ver la existencia cuando φ≠0, su núcleo M es cerrado. Elegimos u fuera del núcleo y z=u−P_Mu, no nulo y perpendicular a M.
La diferencia de dos representantes sería perpendicular a todo H y, en particular, a sí misma, así es cero.
La representación mantiene la linealidad de φ respecto a x; no se eliminan conjugaciones para identificar informalmente H y H* como aplicaciones lineales.
Un coeficiente complejo requiere el representante conjugado
En C, φ(z)=(1+2i)z y ⟨z, w⟩=z w̄.
Representante
Necesitamos w̄=1+2i, así y=1−2i.Norma
‖φ‖=|y|=√5.Alcanzar
z=y/√5 tiene módulo uno y φ(z)=5/√5=√5.
El representante es 1−2i, no 1+2i.
La multiplicación directa comprueba tanto la fórmula como la norma.
Una dirección fija también puede ser una función
φ(f)=∫₀¹t f(t)dt en L²([0,1]).
Representante
g(t)=t, que es real, da φ(f)=⟨f, g⟩.Norma
‖g‖₂²=∫₀¹t²dt=1/3, así ‖φ‖=1/√3.Testigo
f(t)=√3t tiene norma uno y φ(f)=√3/3=1/√3.
La norma de la medición es 1/√3.
El mismo argumento geométrico sirve para coordenadas finitas y funciones de cuadrado integrable.
7. Hahn–Banach extiende una medición conservando su norma
Si φ es lineal y acotado en un subespacio M de un normado X, Hahn–Banach garantiza una extensión a todo X con la misma norma. No se exige que M sea cerrado ni X completo. El resultado vale sobre reales y complejos. La extensión puede no ser única: conservar la cota no siempre determina las direcciones nuevas.
Una consecuencia útil detecta el tamaño de cualquier x≠0.
Junto a la cota de norma dual se obtiene ‖x‖=sup_{‖φ‖≤1}|φ(x)|. El paso de cualquier subespacio a todo X es el contenido del teorema; los ejemplos muestran por qué no debe añadirse unicidad.
Varias extensiones conservan la misma norma
En R² con norma uno, M es el eje horizontal y φ(x,0)=x.
Norma en M
El máximo con |x|≤1 es uno.Familia
φ_a(x, y)=x+ay extiende la fórmula del eje.Preservar
Su norma dual es max(1,|a|), igual a uno para todo |a|≤1.
a=0 y a=1 dan dos extensiones distintas con norma uno.
Coinciden en M y difieren en (0,1), lo que prueba la falta de unicidad en este ejemplo.
En otra geometría la extensión puede ser única
M y φ son los mismos, pero el dominio usa norma euclídea.
Todas las extensiones lineales
Son φ_a(x, y)=x+ay.Norma
Riesz o Cauchy–Schwarz da √(1+a²).
Conservar uno
√(1+a²)=1 obliga a=0.
Aquí la única extensión con la misma norma es φ₀(x, y)=x.
El teorema garantiza existencia en ambos ejemplos; que haya unicidad depende de más estructura.
8. La descripción del dual depende del espacio de sucesiones
Para 1≤p<∞, el dual de ℓᵖ se representa por φ_a(x)=Σaₙxₙ, con a∈ℓᑫ y 1/p+1/q=1; para p=1 se usa q=∞.
La cota óptima se obtiene con vectores proporcionales a las potencias apropiadas de |aₙ| en bloques finitos y luego por aproximación.
En sentido inverso, los valores φ(eₙ) dan esos coeficientes; aplicar la cota a bloques finitos fuerza su pertenencia a ℓᑫ y la densidad de las truncaciones en ℓᵖ recupera φ en todo el espacio. Para p=1, basta ver |φ(eₙ)|≤‖φ‖ y usar suma absoluta. No se extrapola esta conclusión a p=∞: su dual contiene más funcionales que las sumas con coeficientes ℓ¹.
La representación escrita usa coeficientes aₙ sin conjugarlos. En un Hilbert complejo, el representante de Riesz tendría coordenadas conjugadas de aₙ; ambas descripciones son compatibles si se mantiene la convención.
Una sucesión acotada mide de forma continua a ℓ¹
φ(x)=Σxₙ/n para x∈ℓ¹.
Convergencia
Σ|xₙ|/n≤Σ|xₙ|<∞.Superior
|φ(x)|≤‖x‖₁ porque supₙ1/n=1.Alcanzar
e₁ tiene norma uno y φ(e₁)=1.
‖φ‖=1.
El control viene de coeficientes acotados; no se necesita que ellos formen una sucesión ℓ¹.
Un supremo puede no alcanzarse en ningún vector unitario
En ℓ¹, aₙ=1−1/n y φ(x)=Σaₙxₙ.
Superior
Todos |aₙ|<1 y su supremo es uno, así ‖φ‖≤1.Aproximar
φ(eₙ)=1−1/n→1, luego ‖φ‖=1.No alcanzar
Para cualquier ‖x‖₁=1, Σ|aₙ||xₙ|=1−Σ|xₙ|/n<1, pues al menos un |xₙ| es positivo.
La norma es uno y no hay vector unitario que la alcance.
“Supremo” no se reemplaza por “máximo” sin demostrar existencia de un testigo.
El dual de ℓ∞ tiene mediciones que no son una suma ℓ¹
En c, el subespacio de sucesiones convergentes, L(x)=lim xₙ tiene norma uno. Hahn–Banach lo extiende a F∈(ℓ∞)* con norma uno.
Vectores finitos
Cada eₙ converge a cero como sucesión de coordenadas, así F(eₙ)=0.
Suponer una suma
Si F(x)=Σbₙxₙ con b∈ℓ¹, evaluar eₙ obligaría a bₙ=0 para todo n.Contradicción
En la sucesión constante uno, F vale uno, pero la suma con b=0 valdría cero.
F no está representado por una sucesión de ℓ¹.
La extensión se obtiene por el teorema; no se afirma una fórmula única para sus valores en toda sucesión acotada.
9. El bidual permite comparar vectores con todas sus mediciones
Es lineal y continuo en φ, con ‖J(x)‖≤‖x‖; la consecuencia de Hahn–Banach anterior da la igualdad. Así J identifica isométricamente X con un subespacio de X**. X es reflexivo si J es sobreyectiva.
La recíproca falla. Comprobar unas pocas coordenadas no basta por sí solo: hay que cubrir todos los funcionales del dual del espacio concreto.
En ℓ² los vectores canónicos convergen débilmente a cero
Sea cualquier φ continuo en ℓ².
Riesz
Existe y∈ℓ² con φ(x)=⟨x, y⟩.Evaluar
φ(eₙ)=conjugado de yₙ, que tiende a cero porque Σ|yₙ|²<∞.Normas
‖eₙ‖₂=1 para todo n, así no hay convergencia en norma a cero.
eₙ⇀0, pero eₙ no converge en norma.
El argumento usa un representante arbitrario y, por tanto, todos los funcionales; la tabla solo ilustra las primeras coordenadas.
En ℓ¹ las mismas coordenadas no bastan para convergencia débil
Consideramos eₙ como vectores de ℓ¹.
Coordenadas
Cada coordenada fija acaba en cero.
Otro funcional
φ(x)=Σxⱼ es continuo en ℓ¹, con norma uno.Detectar
φ(eₙ)=1 siempre y no converge a φ(0)=0.
eₙ no converge débilmente a cero en ℓ¹.
El dual depende del espacio; no se traslada la conclusión obtenida en ℓ² solo por usar los mismos símbolos.
La extensión del límite prueba que ℓ¹ no llena su bidual
Identificamos (ℓ¹)* con ℓ∞ y tomamos F del ejemplo anterior, que extiende el límite.
Si fuera J(x)
Para algún x∈ℓ¹ tendríamos F(a)=Σxₙaₙ para toda a∈ℓ∞.Coordenadas
Evaluar a=eₙ da xₙ=F(eₙ)=0 para todo n, por lo que x=0.Constante
Entonces J(x) valdría cero en la sucesión uno, pero F vale uno allí.
F no pertenece a la imagen de J; ℓ¹ no es reflexivo.
No es un fallo de que J conserve normas: es un fallo de sobreyectividad hacia todo el bidual.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un funcional euclídeo
φ(x,y)=3x+4y en R² euclídeo. Halla su norma.
Norma indicada
El dominio es R² euclídeo y φ(x, y)=3x+4y.Representante
φ(v)=⟨v,(3,4)⟩ con el producto habitual.Superior
Cauchy–Schwarz da |φ(v)|≤√(9+16)‖v‖₂=5‖v‖₂.Testigo
u=(3/5,4/5) tiene norma uno.Alcanzar
φ(u)=9/5+16/5=5.Igualdad
La cota superior y ese vector prueban ‖φ‖=5; cambiar la norma del dominio cambiaría el problema.
‖φ‖=5.
Una cota y un vector que la alcanza establecen el supremo; la norma euclídea especificada es esencial.
EJEMPLO RESUELTO 2
Evaluación puntual
En C([0,1]) con norma supremo, φ(f)=f(0).
Dominio
Las funciones son continuas en [0,1] y se miden con norma supremo.
Definición y linealidad
Evaluar f(0) da un único número y respeta sumas y escalares.
Cota
|f(0)|≤supₓ|f(x)|=‖f‖∞, así ‖φ‖≤1.Testigo
La función constante f=1 tiene norma supremo uno.
Alcanzar
φ(1)=1, de modo que ‖φ‖≥1.Concluir
La norma es uno; las clases L² y la norma integral exigirían otro análisis del dominio y de continuidad.
Norma 1.
La misma evaluación dejaría de estar acotada con norma integral y no está definida sobre clases L²; aquí la norma supremo controla el valor.
Los símbolos que hemos usado
- 𝕂
- Cuerpo de escalares, reales o complejos.
- φ:X→𝕂
- Funcional lineal sobre el espacio vectorial X.
- X*
- Dual continuo de un espacio normado X.
- ‖φ‖
- Supremo de|φ(x)| para‖x‖≤1.
- X**
- Dual del dual continuo, llamado bidual.
- J(x)
- Funcional del bidual que evalúa en x: J(x)(φ)=φ(x).
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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