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Grado en Matemáticas

Teoremas fundamentales de operadores lineales

Una transformación lineal puede convertir errores pequeños en errores grandes. Su norma cuantifica esa amplificación. Los teoremas de este tema permiten obtener controles globales a partir de información puntual, sobreyectividad o límites del gráfico. La completitud será la condición que haga posible pasar de aproximaciones a conclusiones exactas.

1. La norma del operador controla todas las direcciones unitarias

T: X→Y lineal es continuo si y solo si ‖Tx‖≤C‖x‖ para algún C y todos los x.

Su norma es ‖T‖=sup_{‖x‖≤1}‖Tx‖, la menor constante posible.

La cota aplicada a x−y prueba que es Lipschitz. La equivalencia entre continuidad y acotación se demuestra escalando una bola de control en cero, igual que para funcionales.

En dimensión infinita no basta probar algunas direcciones. Para establecer una norma se necesita una cota sobre todos los vectores y una dirección o sucesión que pruebe optimalidad. Los teoremas posteriores ayudan a obtener alguna cota sin calcular de antemano el supremo exacto.

Una matriz diagonal permite controlar cualquier vector

T(x, y)=(3x,−y) con norma euclídea.

  1. Cota global

    ‖T(x, y)‖²=9x²+y²≤9(x²+y²).
  2. Norma superior

    Tomar raíces da ‖T‖≤3.
  3. Testigo

    e₁ tiene norma uno y su imagen tiene norma tres.

Resultado

‖T‖=3.

Lo comprobamos

El signo negativo del segundo factor no genera una norma negativa.

Una proyección infinita puede tener norma uno

P conserva las primeras tres coordenadas de ℓ² y anula las demás.

  1. Control

    ‖Px‖²=Σⱼ≤₃|xⱼ|²≤Σⱼ≥₁|xⱼ|²=‖x‖².
  2. Alcanzar

    Pe₁=e₁, de norma uno.
  3. Conclusión

    Las dos desigualdades prueban ‖P‖=1.
Resultado

P es lineal y continuo de norma uno.

Lo comprobamos

No se usó dimensión finita del dominio; la imagen sí tiene rango finito.

2. Baire impide cubrir un completo mediante cerrados demasiado pequeños

El teorema de Baire afirma que un espacio métrico completo no vacío no es unión numerable de cerrados con interior vacío. Equivalentemente, una intersección numerable de abiertos densos es densa. Interior vacío no significa conjunto vacío: una recta dentro de un plano puede ser no vacía y no contener ninguna bola del plano.

La idea de prueba es construir bolas cerradas anidadas dentro de un abierto inicial y de los sucesivos abiertos densos, con radios que tienden a cero, por ejemplo menores que 2⁻ⁿ. Los centros son Cauchy; la completitud da un límite que pertenece a todas las bolas y, por su elección, a cada abierto.

Así la intersección encuentra cualquier abierto inicial. En los teoremas de operadores se aplicará para forzar que algún conjunto de control contenga una bola.

Una cubierta de R debe contener alguna pieza con interior

Los cerrados F_k=[−k, k], k≥1, cubren R.

  1. Cubierta

    Cualquier número real está en algún intervalo suficientemente grande.

  2. Interior

    Cada F_k contiene (−k, k), un abierto no vacío.

  3. Compatibilidad

    La cubierta no contradice Baire: sus piezas no tienen interior vacío.

Resultado

Baire no prohíbe cubiertas numerables por cerrados; prohíbe que todos tengan interior vacío.

Lo comprobamos

La propiedad se refiere al interior en el espacio ambiente.

Como espacio métrico incompleto, Q muestra el papel de la hipótesis

Enumeramos los racionales y los escribimos como unión de sus conjuntos de un solo punto.

  1. Cada pieza

    Un singleton es cerrado en Q.

  2. Interior vacío

    Cualquier bola racional de radio positivo contiene otros racionales, así un singleton no contiene un abierto no vacío.

  3. Falta de completitud

    Q con distancia usual no es completo; por eso esta cubierta no contradice el teorema.

Resultado

La completitud no es un adorno de Baire.

Lo comprobamos

Este ejemplo es de espacios métricos; no se presenta Q como espacio vectorial real de Banach.

3. Acotación uniforme cambia el orden de los cuantificadores con ayuda de Banach

Sea X Banach, Y normado y T_α: X→Y una familia de operadores lineales continuos. Si para cada x se tiene sup_α‖T_αx‖<∞, entonces sup_α‖T_α‖<∞. La hipótesis deja que la cota dependa de x; la conclusión produce C con ‖T_αx‖≤C‖x‖ para todos los índices y vectores.

Y no necesita ser completo. La conclusión es una acotación, no convergencia de la familia ni igualdad de cotas puntuales. Cada operador debe ser continuo: la completitud del dominio no convierte en continuas aplicaciones lineales arbitrarias.

Leer las dos cotas en una familia conocida

Tₙ=I/n en un Banach no nulo, n≥1.

  1. Cada vector

    supₙ‖Tₙx‖=‖x‖, finito y dependiente de x.
  2. Normas

    ‖Tₙ‖=1/n.
  3. Uniformidad

    supₙ‖Tₙ‖=1; sirve ‖Tₙx‖≤‖x‖ para todos.
Resultado

La cota de normas es una única constante uno.

Lo comprobamos

No se requiere una cota absoluta para las imágenes de todos los x sin normalizarlos.

Estar uniformemente acotado no obliga a converger

Tₙ=(−1)ⁿI en un Banach no nulo.

  1. Normas

    Cada ‖Tₙ‖ vale uno.

  2. Puntualmente acotada

    Para cada x, las imágenes tienen todas norma ‖x‖.

  3. Sin límite para x≠0

    La distancia entre las dos imágenes alternantes es 2‖x‖.

Resultado

La familia cumple acotación uniforme y puede no converger ni punto a punto.

Lo comprobamos

El teorema solo prometía control de tamaños.

4. Una bola de control se transforma en una cota global por linealidad

Definimos E_k={x: sup_α‖T_αx‖≤k}, k≥1.

Es cerrado como intersección de las preimágenes de bolas cerradas mediante los operadores continuos.

La acotación puntual asegura X=∪ₖE_k.
Por Baire, algún E_k contiene B(x₀, r), r>0.
Para ‖u‖≤1 tomamos h=(r/2)u.

Tanto x₀ como x₀+h pertenecen a esa bola, así ‖T_αh‖=‖T_α(x₀+h)−T_αx₀‖≤2k.

Homogeneidad da ‖T_αu‖≤4k/r.

Tomar el supremo unitario demuestra la conclusión para todos los índices a la vez.

Convertir los datos de una bola en una constante

La prueba ha encontrado B(x₀,1/2)⊆E₂.

  1. Desplazamiento

    Para un u unitario elegimos h=u/4, de norma 1/4.
  2. Diferencia

    Cada imagen de h tiene norma como máximo 2+2=4.

  3. Escalar

    T_αu=4T_αh, así su norma es como máximo 16.
Resultado

Se obtiene ‖T_α‖≤16 para toda la familia.

Lo comprobamos

La constante puede no ser óptima; basta que sea finita y común.

Normalizar importa incluso para una sola identidad

La familia contiene solo I en un normado no nulo.

  1. Cada x

    La imagen tiene norma ‖x‖, finita.

  2. Todo el espacio

    supₓ‖Ix‖ es infinito, pues podemos escalar cualquier vector no nulo.

  3. Bola unidad

    sup_{‖x‖≤1}‖Ix‖=1, que es la norma del operador.
Resultado

Acotación uniforme no afirma que la imagen del espacio entero sea un conjunto acotado.

Lo comprobamos

Las cotas globales de operadores son proporcionales al tamaño de entrada.

5. Los límites puntuales continuos necesitan el dominio completo para heredar la cota

Si Tₙx converge para todo x y cada Tₙ es continuo, entonces sus imágenes están acotadas para cada x. Con X Banach, acotación uniforme da una cota común C. Linealidad pasa al límite y ‖Tx‖≤C‖x‖, por lo que T es continuo. No se concluye convergencia en norma de operadores.

Sin completitud puede fallar ya la acotación de normas: en c₀₀ con norma supremo, Tₙx=nxₙ tiene norma n, aunque cada vector de soporte finito tenga solo finitas imágenes no nulas. También puede fallar la continuidad del límite puntual, como muestra la segunda construcción.

Convergencia en cada vector no es convergencia uniforme en la bola

P_N conserva las primeras N coordenadas de ℓ².

  1. Cada x

    ‖P_Nx−x‖²=Σₙ>ᴺ|xₙ|²→0.
  2. Normas controladas

    ‖P_N‖=1 y el límite I es continuo.
  3. Error de operador

    (I−P_N)e_{N+1}=e_{N+1}; su norma es uno y también hay cota superior uno.

Resultado

P_N→I punto a punto, pero ‖I−P_N‖=1 siempre.

Lo comprobamos

El vector que detecta el error uniforme cambia con N.

En un dominio incompleto el límite puede ser discontinuo

X=c₀₀ con norma supremo; S_Nx=Σₙ≤ᴺn xₙ.

  1. Cada operador

    Es continuo con norma 1+2+⋯+N, alcanzada en el vector de N unos.

  2. Cada vector

    La suma se estabiliza una vez que N supera su soporte, así existe Sx=Σn xₙ.

  3. Límite no acotado

    ‖eₙ‖∞=1 pero S(eₙ)=n; el límite no es continuo.
Resultado

La hipótesis Banach impide precisamente este tipo de salto de lo puntual a lo global.

Lo comprobamos

No se aplica el teorema a X porque no es completo con esa norma.

6. Una sobreyección continua entre Banach envía abiertos a abiertos

Aplicación abierta: si X, Y son Banach y T: X→Y es lineal continuo y sobreyectivo, entonces es abierto. Basta obtener c>0 con B_Y(0, c)⊆T(B_X(0,1)); por traslación y escalado se obtiene una vecindad en la imagen alrededor de cualquier punto de cualquier abierto. No se exige inyectividad.

Una imagen abierta contiene una bola alrededor de cada imagen de un punto
T(x, y)=(2x, y)Bola abierta de radio 1Imagen de esa bolaContiene B(0,1).
La aplicación invertible T de x y igual a dos x y envía la bola euclídea abierta unidad a la elipse abierta de semiejes dos y uno. La bola abierta unidad dibujada con borde discontinuo queda contenida en esa elipse. Los contornos representan los límites de las bolas, que no pertenecen a los conjuntos abiertos. La figura ilustra una aplicación abierta concreta, no la prueba general.

Por sobreyectividad, Y es unión de T(mB_X), m enteros positivos. Baire aplicado a sus clausuras proporciona B(y₀, r) contenida en una de ellas.

Restar aproximaciones de y₀+h e y₀ da B(0, r)⊆clausura de T(2mB_X).
Escalar produce algún δ>0 con B(0, δ)⊆clausura de T(B_X).

Falta convertir aproximación en preimagen exacta. Para ‖y‖<δ/2 se elige x₁ con ‖x₁‖<1/2 y error menor que δ/4; después x₂ con ‖x₂‖<1/4 y error restante menor que δ/8, y así. Las normas son menores que 2⁻ʲ y los errores decrecen geométricamente.

La serie de correcciones converge en X a x con ‖x‖<1; continuidad de T da Tx=y.

Así B(0, δ/2)⊆T(B_X), cerrando el paso que la mera densidad no proporciona.

Una aplicación abierta puede perder información

T: R²→R, T(x, y)=x, con normas euclídeas.

  1. Hipótesis

    Es lineal, continua y sobreyectiva; no es inyectiva porque T(0, y)=0.
  2. Bola

    La imagen de la bola abierta unidad es (−1,1): todo |a|<1 viene de (a,0).

  3. Trasladar

    Una pequeña bola alrededor de cualquier punto produce un intervalo alrededor de su imagen.

Resultado

T es abierta pese a no tener inversa como función sobre R².

Lo comprobamos

Aplicación abierta e inversa acotada son resultados relacionados, pero la primera no pide biyección.

Una imagen densa no sustituye la sobreyectividad

D en ℓ² viene dado por (Dx)ₙ=xₙ/n.

  1. Densidad

    Toda sucesión de soporte finito tiene una preimagen de soporte finito.

  2. No contiene una bola

    Para cualquier c>0, y=(c/2)eₙ tiene norma c/2, pero su única preimagen tiene norma nc/2>1 si n es grande.

  3. Consecuencia

    D(B_X) no contiene ninguna bola alrededor de cero.

Resultado

D no es abierto hacia todo ℓ² y no es sobreyectivo.

Lo comprobamos

Para la última afirmación también se puede usar yₙ=1/n, cuya preimagen formal sería la sucesión constante uno, fuera de ℓ².

7. La inversa acotada convierte unicidad y existencia en estabilidad

Una biyección lineal continua entre Banach tiene inversa continua porque es abierta.

La continuidad de T⁻¹ equivale a ‖T⁻¹y‖≤C‖y‖; al poner y=Tx, equivale a ‖Tx‖≥c‖x‖ con c=1/C>0.

Esa cota inferior impide que entradas grandes produzcan salidas arbitrariamente pequeñas.

El teorema asegura que existe una constante para ese operador; no que todas las biyecciones de una familia compartan una buena constante ni que sea fácil calcularla. Al resolver Tx=y, la norma inversa mide cuánto puede amplificarse un error de y en la solución.

Calcular una cota de estabilidad exacta

A=diag(2,5) en R² euclídeo.

  1. Por debajo

    ‖Ax‖²=4x₁²+25x₂²≥4‖x‖².
  2. Inversa

    A⁻¹=diag(1/2,1/5), así su norma es como máximo 1/2.
  3. Alcanzar

    El primer vector canónico tiene imagen inversa de norma 1/2.

Resultado

‖A⁻¹‖=1/2 y la mejor cota inferior es dos.

Lo comprobamos

El teorema garantizaba continuidad; estas cuentas determinan la constante óptima.

Una familia de inversas puede ser cada vez más sensible

A_ε=diag(1, ε), 0<ε≤1.

  1. Cada operador

    Es una biyección continua y ‖A_ε‖=1.
  2. Norma inversa

    A_ε⁻¹=diag(1,1/ε), de norma 1/ε.
  3. Error

    Con ε=0,001, un error (0;0,01) en la salida produce error (0;10) en la solución.

Resultado

Todas las inversas existen, pero sus normas no están acotadas al hacer ε→0.

Lo comprobamos

No contradice el teorema, que se aplica por separado a cada ε positivo.

8. Un gráfico cerrado en todo el dominio Banach también fuerza continuidad

Sea T: X→Y lineal, definido en todo X, y sean X, Y Banach.

Su gráfico G(T)={(x, Tx)} es cerrado si xₙ→x y Txₙ→y obligan a y=Tx.

El teorema del gráfico cerrado dice que esa condición basta para que T sea continuo.

La prueba usa el gráfico como espacio: al ser un subespacio cerrado del producto Banach, es Banach con norma ‖x‖+‖Tx‖.

La proyección π_X: G(T)→X es lineal, continua y biyectiva.

Su inversa es continua por inversa acotada; componerla con la proyección hacia Y recupera T. La hipótesis de dominio entero asegura la sobreyectividad de π_X.

La dirección de continuo a cerrado no necesita Banach

T es continuo; (xₙ, Txₙ) converge a (x, y).

  1. Entrada

    xₙ→x.
  2. Continuidad

    Txₙ→Tx, mientras por el límite del par también Txₙ→y.

  3. Unicidad

    Un límite en un normado es único: y=Tx.
Resultado

El punto límite pertenece al gráfico.

Lo comprobamos

Esta dirección usa continuidad y unicidad de límites, sin requerir completitud.

Un diagonal definido en todo ℓ² debe tener coeficientes acotados

(Tx)ₙ=aₙxₙ, y se supone que Tx∈ℓ² para cada x∈ℓ².

  1. Gráfico

    Si xⱼ→x y Txⱼ→y en norma, sus coordenadas convergen; yₙ=aₙxₙ para cada n.

  2. Cierre

    Eso da y=Tx: el gráfico es cerrado y el operador está definido en todo el Banach.

  3. Teorema

    T es acotado.

    Evaluar eₙ da |aₙ|=‖Teₙ‖≤‖T‖.
Resultado

La definición en todo el espacio obliga a supₙ|aₙ|<∞.

Lo comprobamos

Con coeficientes no acotados, esa fórmula solo podría usarse en un dominio propio donde las imágenes permanezcan en ℓ².

9. Un operador cerrado con dominio propio puede seguir siendo no acotado

Consideremos Df=f′ con dominio C¹([0,1]) dentro de C([0,1]), midiendo funciones y salidas con supremo.

Si fₙ→f y fₙ′→g uniformemente, el teorema fundamental da fₙ(t)−fₙ(0)=∫₀ᵗfₙ′.
Pasar al límite produce f(t)−f(0)=∫₀ᵗg; como g es continua, f∈C¹ y f′=g.

Su gráfico es cerrado.

Eso no vuelve acotada a D en la norma supremo de la entrada, porque su dominio no es todo C y C¹ con esa sola norma no es Banach. Si se usa la norma del gráfico ‖f‖∞+‖f′‖∞, sí se vuelve Banach y D queda continuo. Cambiar el dominio normado cambia las hipótesis y la pregunta.

Oscilaciones pequeñas pueden tener derivada grande en comparación

fₙ(t)=sin(nt)/n, n≥2.

  1. Entrada

    ‖fₙ‖∞=1/n: en [0,1] se alcanza un máximo de seno para esos n.
  2. Salida

    fₙ′(t)=cos(nt) y ‖fₙ′‖∞=1 por t=0.
  3. Razón

    ‖Dfₙ‖∞/‖fₙ‖∞=n→∞, así no existe una cota global.
Resultado

D es cerrado y no acotado en ese dominio con norma supremo.

Lo comprobamos

Las derivadas no convergen uniformemente en este ejemplo; no viola el criterio de cierre con dos convergencias simultáneas.

La norma del gráfico corrige exactamente la hipótesis que faltaba

En C¹([0,1]) usamos N(f)=‖f‖∞+‖f′‖∞.

  1. Cauchy en N

    Tanto fₙ como fₙ′ son Cauchy uniformes y convergen a funciones continuas f, g.

  2. Compatibilidad

    La identidad integral anterior demuestra f′=g, así el límite sigue en C¹.

  3. Continuidad

    ‖Df‖∞≤N(f), por lo que D tiene cota uno en esta norma.

Resultado

Con N, el dominio es Banach y D es continuo.

Lo comprobamos

No se dedujo una cota para la norma vieja: se eligió una norma que también mide la derivada.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Inversa en dimensión finita

A=diag(2,3) en R² euclídeo. Norma de A⁻¹.

  1. Operador

    A=diag(2,3) es una biyección lineal continua en R² euclídeo.

  2. Inversa

    A⁻¹=diag(1/2,1/3).
  3. Cota

    ‖A⁻¹x‖²=x₁²/4+x₂²/9≤‖x‖²/4.
  4. Norma superior

    Se obtiene ‖A⁻¹‖≤1/2.
  5. Testigo

    En e₁ la imagen es e₁/2 y tiene norma 1/2.

  6. Concluir

    La norma es 1/2.

    Equivalentemente ‖Ax‖≥2‖x‖, con igualdad en el primer eje.
Resultado

Norma 1/2.

Lo comprobamos

‖Av‖₂≥2‖v‖₂, con igualdad en el primer eje; el recíproco2⁻¹ confirma la norma inversa.

EJEMPLO RESUELTO 2

Gráfico de un continuo

Prueba que el gráfico de T continuo es cerrado.

  1. Sucesión en el gráfico

    Tomamos (xₙ, Txₙ) que converge en el producto a (x, y).

  2. Primera coordenada

    Se tiene xₙ→x.
  3. Segunda

    También Txₙ→y por la convergencia del par.
  4. Continuidad

    Como T es continuo, xₙ→x implica Txₙ→Tx.
  5. Unicidad

    Los dos límites de Txₙ coinciden: y=Tx.
  6. Cierre

    El par límite es (x, Tx), dentro del gráfico. La prueba no ha usado completitud de los espacios.

Resultado

El punto límite pertenece al gráfico.

Lo comprobamos

La completitud es necesaria para la implicación inversa del teorema general, no para probar que un continuo tiene gráfico cerrado.

Los símbolos que hemos usado

B(X,Y)
Operadores lineales continuos de X en Y.
‖T‖
Supremo de‖Tx‖ para‖x‖≤1.
G(T)
Gráfico del operador: conjunto de pares(x,Tx).
Banach
Espacio normado en el que toda sucesión de Cauchy converge.
Sobreyectivo
Cada vector del espacio de llegada tiene al menos una preimagen.
Abierto
Operador que envía conjuntos abiertos a conjuntos abiertos.
Puntualmente acotada
Familia con supremo finito de‖Tαx‖ para cada vector x fijo.

Ahora te toca a ti.

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

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