Nozione di norma e di duale
Ciao a tutti. Ho un problemino con la definizione e nozione di norma e di duale !! La prima so cos'è in maniera spicciola....ma se la volessi spiegare per bene ho delle difficoltà. La seconda non so proprio cosa voglia significare...potreste aiutarmi con esempi semplici ma efficaci ??
Grazie
Grazie
Risposte
Vediamo cosa è possibile fare.
Innanzitutto [tex]$\widetilde{f}=(f_m)$[/tex] è una successione, quindi potremmo azzardare che sia possibile calcolare [tex]$f(\widetilde{f})$[/tex]... Però ciò non è detto sia possibile, perchè [tex]$f$[/tex] opera su [tex]$\ell^2$[/tex] ed allo stato attuale non sappiamo se [tex]$\widetilde{}$[/tex] è una successione di [tex]$\ell^2$[/tex].
Tuttavia possiamo considerare, per fissato [tex]$N$[/tex], la troncatura di [tex]$\widetilde{f}$[/tex] all'indice [tex]$N$[/tex], ossia la successione:
[tex]$\widetilde{f}^N :=(f_1,\f_2,\ldots ,f_{N-1},f_N,0,\ldots ,0,\ldots) =\sum_{m=1}^N f_m\ e^m$[/tex],
la quale è evidentemente in [tex]$c_{00}$[/tex]; essendo [tex]$c_{00}\subseteq \ell^2$[/tex], ha senso calcolare [tex]$f(\widetilde{f}^N)$[/tex]:
[tex]$f(\widetilde{f}^N) =\sum_{m=1}^N f_m\ f_m=\sum_{m=1}^N f_m^2$[/tex].
Ora usiamo il fatto che [tex]$f$[/tex] è limitato, cosicché esiste una costante [tex]$C\geq 0$[/tex] tale che [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex] per ogni [tex]$x\in \ell^2$[/tex]; in particolare allora è:
[tex]$\sum_{m=1}^N f_m^2 =|f(\widetilde{f}^N)| \leq C\ \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2 =C\ \sqrt{\sum_{m=1}^N f_m^2}$[/tex],
cosicché se [tex]$\sum_{m=1}^N f_m^2 \neq 0$[/tex] per [tex]$N$[/tex] sufficientemente grande* allora si può semplificare m.a.m. la precedente e trovare:
[tex]$\sqrt{\sum_{m=1}^N f_m^2} \leq C \ \Rightarrow\ \sum_{m=1}^N f_m^2 \leq C^2$[/tex].
Visto che [tex]$C$[/tex] non dipende dall'indice [tex]$N$[/tex], la precedente significa che la successione delle somme parziali della serie [tex]\sum f_m^2[/tex] è limitata; visto che [tex]\sum f_m^2[/tex] è a termini non negativi essa converge e si ha:
[tex]$\sum_{m=1}^{+\infty} f_m^2 \leq C$[/tex]
cosicché [tex]$\widetilde{f} \in \ell^2$[/tex]!
In più, ricordando che la [tex]$\lVert f\rVert_\prime$[/tex] è la più piccola costante [tex]$C$[/tex] per la quale vale la disuguaglianza [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex], si trova:
[tex]$\lVert \widetilde{f}^N\rVert_2^2 =|f(\widetilde{f}^N)| \leq \lVert f\rVert_\prime \ \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2$[/tex]
la quale, passando al limite e semplificando diventa:
[tex]$\lVert \widetilde{f}\rVert_2 \leq \lVert f\rVert_\prime$[/tex];
d'altra parte, comunque si fissi [tex]$x\in \ell^2$[/tex] e comunque si fissi l'indice [tex]$N$[/tex], la disuguaglianza di Cauchy-Schwarz per le somme finite implica:
[tex]$|f(u^N)| =\left| \sum_{m=1}^N f_m\ x_m \right| \leq \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2\ \lVert u^N\rVert_2$[/tex]
(qui, come in qualche post precedente, [tex]$u^N:=(x_1,\ldots ,x_N,0,\ldots)$[/tex]) e passando al limite su [tex]$N$[/tex]:
[tex]$|f(x)|=\lim_N |f(u^N)|\leq \lVert \widetilde{f}\rVert_2\ \lim_N \lVert u^N\rVert_2 =\lVert \widetilde{f}\rVert_2\ \lVert x\rVert_2$[/tex].
Ciò significa che [tex]$C=\lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex] è una costante per la quale si ha [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex], quindi
[tex]$\lVert f\rVert_\prime \leq \lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex].
Ne consegue che la norma duale di [tex]$f$[/tex] uguaglia la norma [tex]$\ell^2$[/tex] della successione [tex]$\widetilde{f}$[/tex], cioè [tex]$\lVert f\rVert_\prime =\lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex].
Riassumendo, l'applicazione [tex]$\widetilde{}: (\ell^2)^\prime \to \ell^2$[/tex] è lineare, suriettiva e conserva la norma; in particolare il fatto che conservi la norma implica due cose importantissime, ossia 1 che essa è continua (quando si doti il duale [tex]$(\ell^2)^\prime$[/tex] della topologia indotta dalla norma duale) e 2 che [tex]$\widetilde{}$[/tex] è iniettiva.
Lasciando stare la continuità, proviamo l'iniettività di [tex]$\widetilde{}$[/tex]: per assurdo, supponiamo che esistano due funzionali [tex]$f,g\in (\ell^2)^\prime$[/tex] distinti ma tali che [tex]$\widetilde{f}=\widetilde{g}$[/tex]; in tal caso si avrebbe:
[tex]$\lVert f-g\rVert_2=\lVert \widetilde{f-g}\rVert_\prime =\lVert \widetilde{f} -\widetilde{g} \rVert_\prime =0$[/tex],
il che è assurdo, perchè [tex]$f\neq g$[/tex] implica [tex]$\lVert f-g\rVert_2\neq 0$[/tex].
Perciò la [tex]$\widetilde{}$[/tex] è addirittura invertibile tra [tex]$(\ell^2)^\prime$[/tex] ed [tex]$\ell^2$[/tex]...
Quindi, tirando le somme, possiamo dire che ad ogni funzionale [tex]$f\in (\ell^2)^\prime$[/tex] è possibile associare un'unica [tex]$\widetilde{f}\in \ell^2$[/tex] tale che:
[tex]$f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty} f_n\ x_n$[/tex],
sicché è possibile descrivere i valori assunti da [tex]$f$[/tex] usando la [tex]$\widetilde{f}$[/tex]. Quando si verifica una situazione del genere si dice che [tex]$\widetilde{f}$[/tex] rappresenta il funzionale [tex]$f$[/tex].
Quanto appena scoperto è riassunto nel classico teorema di rappresentazione di Riesz (versione semplificata):
__________
* Se [tex]\sum_{m=1}^N f_m^2 =0[/tex] per ogni [tex]$N\in \mathbb{N}$[/tex] allora [tex]$(f_m)$[/tex] è la successione nulla e quindi è in qualsiasi sottospazio di [tex]$s$[/tex].
Innanzitutto [tex]$\widetilde{f}=(f_m)$[/tex] è una successione, quindi potremmo azzardare che sia possibile calcolare [tex]$f(\widetilde{f})$[/tex]... Però ciò non è detto sia possibile, perchè [tex]$f$[/tex] opera su [tex]$\ell^2$[/tex] ed allo stato attuale non sappiamo se [tex]$\widetilde{}$[/tex] è una successione di [tex]$\ell^2$[/tex].
Tuttavia possiamo considerare, per fissato [tex]$N$[/tex], la troncatura di [tex]$\widetilde{f}$[/tex] all'indice [tex]$N$[/tex], ossia la successione:
[tex]$\widetilde{f}^N :=(f_1,\f_2,\ldots ,f_{N-1},f_N,0,\ldots ,0,\ldots) =\sum_{m=1}^N f_m\ e^m$[/tex],
la quale è evidentemente in [tex]$c_{00}$[/tex]; essendo [tex]$c_{00}\subseteq \ell^2$[/tex], ha senso calcolare [tex]$f(\widetilde{f}^N)$[/tex]:
[tex]$f(\widetilde{f}^N) =\sum_{m=1}^N f_m\ f_m=\sum_{m=1}^N f_m^2$[/tex].
Ora usiamo il fatto che [tex]$f$[/tex] è limitato, cosicché esiste una costante [tex]$C\geq 0$[/tex] tale che [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex] per ogni [tex]$x\in \ell^2$[/tex]; in particolare allora è:
[tex]$\sum_{m=1}^N f_m^2 =|f(\widetilde{f}^N)| \leq C\ \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2 =C\ \sqrt{\sum_{m=1}^N f_m^2}$[/tex],
cosicché se [tex]$\sum_{m=1}^N f_m^2 \neq 0$[/tex] per [tex]$N$[/tex] sufficientemente grande* allora si può semplificare m.a.m. la precedente e trovare:
[tex]$\sqrt{\sum_{m=1}^N f_m^2} \leq C \ \Rightarrow\ \sum_{m=1}^N f_m^2 \leq C^2$[/tex].
Visto che [tex]$C$[/tex] non dipende dall'indice [tex]$N$[/tex], la precedente significa che la successione delle somme parziali della serie [tex]\sum f_m^2[/tex] è limitata; visto che [tex]\sum f_m^2[/tex] è a termini non negativi essa converge e si ha:
[tex]$\sum_{m=1}^{+\infty} f_m^2 \leq C$[/tex]
cosicché [tex]$\widetilde{f} \in \ell^2$[/tex]!
In più, ricordando che la [tex]$\lVert f\rVert_\prime$[/tex] è la più piccola costante [tex]$C$[/tex] per la quale vale la disuguaglianza [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex], si trova:
[tex]$\lVert \widetilde{f}^N\rVert_2^2 =|f(\widetilde{f}^N)| \leq \lVert f\rVert_\prime \ \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2$[/tex]
la quale, passando al limite e semplificando diventa:
[tex]$\lVert \widetilde{f}\rVert_2 \leq \lVert f\rVert_\prime$[/tex];
d'altra parte, comunque si fissi [tex]$x\in \ell^2$[/tex] e comunque si fissi l'indice [tex]$N$[/tex], la disuguaglianza di Cauchy-Schwarz per le somme finite implica:
[tex]$|f(u^N)| =\left| \sum_{m=1}^N f_m\ x_m \right| \leq \lVert \widetilde{f}^N\rVert_2\ \lVert u^N\rVert_2$[/tex]
(qui, come in qualche post precedente, [tex]$u^N:=(x_1,\ldots ,x_N,0,\ldots)$[/tex]) e passando al limite su [tex]$N$[/tex]:
[tex]$|f(x)|=\lim_N |f(u^N)|\leq \lVert \widetilde{f}\rVert_2\ \lim_N \lVert u^N\rVert_2 =\lVert \widetilde{f}\rVert_2\ \lVert x\rVert_2$[/tex].
Ciò significa che [tex]$C=\lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex] è una costante per la quale si ha [tex]$|f(x)|\leq C\ \lVert x\rVert_2$[/tex], quindi
[tex]$\lVert f\rVert_\prime \leq \lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex].
Ne consegue che la norma duale di [tex]$f$[/tex] uguaglia la norma [tex]$\ell^2$[/tex] della successione [tex]$\widetilde{f}$[/tex], cioè [tex]$\lVert f\rVert_\prime =\lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex].
Riassumendo, l'applicazione [tex]$\widetilde{}: (\ell^2)^\prime \to \ell^2$[/tex] è lineare, suriettiva e conserva la norma; in particolare il fatto che conservi la norma implica due cose importantissime, ossia 1 che essa è continua (quando si doti il duale [tex]$(\ell^2)^\prime$[/tex] della topologia indotta dalla norma duale) e 2 che [tex]$\widetilde{}$[/tex] è iniettiva.
Lasciando stare la continuità, proviamo l'iniettività di [tex]$\widetilde{}$[/tex]: per assurdo, supponiamo che esistano due funzionali [tex]$f,g\in (\ell^2)^\prime$[/tex] distinti ma tali che [tex]$\widetilde{f}=\widetilde{g}$[/tex]; in tal caso si avrebbe:
[tex]$\lVert f-g\rVert_2=\lVert \widetilde{f-g}\rVert_\prime =\lVert \widetilde{f} -\widetilde{g} \rVert_\prime =0$[/tex],
il che è assurdo, perchè [tex]$f\neq g$[/tex] implica [tex]$\lVert f-g\rVert_2\neq 0$[/tex].
Perciò la [tex]$\widetilde{}$[/tex] è addirittura invertibile tra [tex]$(\ell^2)^\prime$[/tex] ed [tex]$\ell^2$[/tex]...
Quindi, tirando le somme, possiamo dire che ad ogni funzionale [tex]$f\in (\ell^2)^\prime$[/tex] è possibile associare un'unica [tex]$\widetilde{f}\in \ell^2$[/tex] tale che:
[tex]$f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty} f_n\ x_n$[/tex],
sicché è possibile descrivere i valori assunti da [tex]$f$[/tex] usando la [tex]$\widetilde{f}$[/tex]. Quando si verifica una situazione del genere si dice che [tex]$\widetilde{f}$[/tex] rappresenta il funzionale [tex]$f$[/tex].
Quanto appena scoperto è riassunto nel classico teorema di rappresentazione di Riesz (versione semplificata):
Fissato [tex]$f\in (\ell^2)^\prime$[/tex] esiste un unica sucecssione [tex]$\widetilde{f} \in \ell^2$[/tex] che rappresenta [tex]$f$[/tex] tale che [tex]$\lVert f\rVert_\prime =\lVert \widetilde{f}\rVert_2$[/tex].
Inoltre l'applicazione [tex]$\widetilde{}\ell^2)^\prime \to \ell^2$[/tex] che ad ogni funzionale associa il suo unico rappresentante è un'isometria lineare tra i due spazi normati.
__________
* Se [tex]\sum_{m=1}^N f_m^2 =0[/tex] per ogni [tex]$N\in \mathbb{N}$[/tex] allora [tex]$(f_m)$[/tex] è la successione nulla e quindi è in qualsiasi sottospazio di [tex]$s$[/tex].
Per allontanarci dalla teoria, propongo un esempio pratico.
***
Esercizio:
Sia [tex]$C_b([0,+\infty[)$[/tex] lo spazio delle funzioni continue e limitate in [tex]$[0,+\infty[$[/tex].
Esso si può strutturare come spazio vettoriale normato scegliendo come norma quella dell'estremo superiore, che al solito denotiamo con [tex]$\lVert \cdot \rVert_\infty$[/tex].
Posto: [tex]$\forall u\in C_b([0,+\infty[)$[/tex],
(*) [tex]$Au :=\sum_{k=0}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{2^k}\ \int_k^{k+1} u(x)\ \text{d} x$[/tex],
1. provare che [tex]$A$[/tex] è un funzionale lineare e continuo su [tex]$C_b([0,+\infty[)$[/tex];
2. calcolare la norma duale di [tex]$A$[/tex].
***
Segue uno svolgimento commentato e dettagliato (che spoilerizzo sia per lasciar lavorare chi voglia far da sé, sia per la lunghezza).
1.
2.
***
Esercizio:
Sia [tex]$C_b([0,+\infty[)$[/tex] lo spazio delle funzioni continue e limitate in [tex]$[0,+\infty[$[/tex].
Esso si può strutturare come spazio vettoriale normato scegliendo come norma quella dell'estremo superiore, che al solito denotiamo con [tex]$\lVert \cdot \rVert_\infty$[/tex].
Posto: [tex]$\forall u\in C_b([0,+\infty[)$[/tex],
(*) [tex]$Au :=\sum_{k=0}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{2^k}\ \int_k^{k+1} u(x)\ \text{d} x$[/tex],
1. provare che [tex]$A$[/tex] è un funzionale lineare e continuo su [tex]$C_b([0,+\infty[)$[/tex];
2. calcolare la norma duale di [tex]$A$[/tex].
***
Segue uno svolgimento commentato e dettagliato (che spoilerizzo sia per lasciar lavorare chi voglia far da sé, sia per la lunghezza).
1.
2.
Infatti mi piace, ma sono indietro con la teoria
