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Espacio reflexivo

En el campo matemático del análisis funcional, un espacio reflexivo es un espacio de Banach (o de forma más general un espacio vectorial topológico localmente convexo) que coincide con el dual continuo de su espacio dual continuo, como espacio vectorial y como espacio topológico. Los espacios de Banach reflexivos se suelen caracterizar por sus propiedades geométricas.

Espacios de Banach reflexivos

Sea   un espacio vectorial normado sobre el cuerpo numérico   o   (los números reales o complejos), con una norma  . Consideramos su espacio dual normado  , consistente en todos sus funcionales lineales continuos   y tiene asignada la norma dual   definida por

 

El dual   es un espacio normado (en concreto un espacio de Banach), y su espacio dual normado   se llama espacio bidual de  . El bidual consiste en todos los funcionales lineales continuos   y tiene la norma   dual de  . Cada vector   genera una función escalar   por la fórmula:

 

  es un funcional lineal continuo en  , esto es,  . Se obtiene de esta manera una aplicación

 

llamada aplicación de evaluación, que es lineal. Se sigue del teorema de Hahn-Banach que   es inyectiva y preserva la norma:

 

esto es,   lleva   isométricamente en su imagen   en  . Además, la imagen   es cerrada en  , pero no tiene por qué ser igual a  .

Un espacio normado   se dice reflexivo si satisface las siguientes condiciones equivalentes:

(i) la aplicación de evaluación   es suprayectiva,
(ii) la aplicación de evaluación   es un isomorfismo isométrico de espacios normados,
(iii) la aplicación de evaluación   es un isomorfismo de espacios normados.

Un espacio reflexivo   es un espacio de Banach, ya que   es entonces isométrico al espacio de Banach  .

Observación

Un espacio de Banach X es reflexivo si es linealmente isométrico a su bidual bajo la incrustación canónica J. Un espacio de James es un ejemplo de un espacio no reflexivo que es linealmente isométrico a su bidual. Además, la imagen del espacio de James bajo la incrustación canónica J tiene codimensión uno en su bidual. [1]​ Un espacio de Banach X se llama cuasi-reflexivo (de orden d) si el cociente X ′′ / J(X) tiene dimensión finita d.

Ejemplos

1) Todo espacio normado finito-dimensional es reflexivo, simplemente porque en este caso, el espacio, su dual y bidual tienen todos la misma dimensión lineal, y por tanto la aplicación lineal inyectiva J por definición es biyectiva, por el teorema rango-nulidad.

2) El espacio de Banach c0 de sucesiones escalares tendiendo a cero en el infinito, asociado a la norma del supremo, no es reflexivo. Se sigue de las propiedades generales que 1 y ℓ no son reflexivos, ya que ℓ1 es isomorfo al dual de c0, y ℓ es isomorfo al dual de ℓ1.

3) Todos los espacios de Hilbert son reflexivos, al igual que los espacios Lp con 1 < p < ∞. De forma más general, todos los espacios de Banach uniformemente convexos son reflexivos de acuerdo al teorema de Milman-Pettis. Los espacios L1(μ) y L(μ) no son reflexivos (a menos que sean finito-dimensionales, lo que ocurre por ejemplo si μ es una medida en un conjunto finito). De forma similar, el espacio de Banach C([0, 1]) de funciones continuas en [0, 1] no es reflexivo.

4) Los espacios Sp(H) de operadores en la clase de Schatten en un espacio de Hilbert H son uniformemente convexos, y por tanto reflexivos, cuando 1 < p < ∞. Si la dimensión de H es infinita, entonces S1(H) (la clase de traza) no es reflexivo, porque contiene un subespacio isomorfo a ℓ1, y S(H) = L(H) (los operadores lineales acotados en H) no es reflexivo, porque contiene un subespacio isomorfo a ℓ. En ambos casos, se puede elegir el subespacio para que los operadores sean diagonales con respecto a una base ortonormal dada de H.

Propiedades

Si un espacio de Banach Y es isomorfo a un espacio de Banach reflexivo X, entonces Y es reflexivo.[2]

Todo subespacio vectorial cerrado de un espacio reflexivo es reflexivo. El dual continuo de un espacio reflexivo es reflexivo. Todo cociente de un espacio reflexivo por un subespacio cerrado es reflexivo.[3]

Sea X un espacio de Banach. Los siguientes enunciados son equivalentes:

  1. El espacio X es reflexivo.
  2. El dual continuo de X es reflexivo.[4]
  3. La bola unidad cerrada de X es compacta en la topología débil (esto se conoce como teorema de Kakutani).[5]
  4. Toda sucesión acotada en X tiene una subsucesión débilmente convergente.[6]
  5. Todo funcional lineal continuo en X tiene su máximo en la bola unidad cerrada en X (teorema de James).[7]

Dado que los subconjuntos convexos cerrados en norma en un espacio de Banach son débilmente cerrados,[8]​ se sigue de la tercera propiedad que los subconjuntos convexos acotados cerrados de un espacio reflexivo X son débilmente compactos. Así, para toda sucesión decreciente de subconjuntos convexos acotados cerrados no vacíos, toda función convexa continua f sobre un subconjunto convexo cerrado C de X, tal que el conjunto

 

es no vacío y acotado para algún número real t, tiene su valor mínimo en C.

La propiedad geométrica de los espacios de Banach reflexivos es la siguiente: si C es un subconjunto convexo no vacío y cerrado del espacio reflexivo X, entonces para todo x en X existe un c en C tal que ǁxcǁ minimiza la distancia entre x y los puntos de C. Esto se sigue del resultado anterior para funciones convexas aplicado a f(y) = ǁyxǁ. Nótese que mientras que la distancia mínima entre x y C está unívocamente determinada por x, el punto c no lo está. El punto más cercano c es único cuando X es uniformemente convexo.

Un espacio de Banach reflexivo es separable si y solo si su dual continuo es separable. Esto se sigue del hecho de que para todo espacio normado Y, la separabilidad del dual continuo Y ′ implica la separabilidad de Y.[9]

Espacio superreflexivo

Informalmente, un espacio de Banach superreflexivo X tiene la siguiente propiedad: dado un espacio de Banach arbitrario Y, si todos los subespacios finito-dimensionales de Y tienen una copia en X, entonces Y es reflexivo. Por esta definición, el espacio X debe también ser reflexivo. Como ejemplo elemental, todo espacio de Banach Y cuyos subespacios bidimensionales son isométricos a subespacios de X = ℓ2 satisfacen la ley del paralelogramo,[10]​ por tanto Y es un espacio de Hilbert y por tanto reflexivo. Por consiguiente, ℓ2 es superreflexivo.

La definición formal no usa isometrías, sino casi isometrías. Un espacio de Banach Y es finitamente representable[11]​ en un espacio de Banach X si para todo subespacio finito-dimensional Y0 de Y y todo ε > 0, existe un subespacio X0 de X tal que la distancia de Banach-Mazur multiplicativa entre X0 e Y0 satisface

 

Un espacio de Banach finitamente representable en ℓ2 es un espacio de Hilbert. Todo espacio de Banach es finitamente representable en c0. El espacio Lp([0, 1]) es finitamente representable en ℓp.

Un espacio de Banach X es superreflexivo si todos los espacios de Banach Y finitamente representables en X son reflexivos, o, en otras palabras, si ningún espacio no reflexivo Y es finitamente representable en X. La noción de ultraproducto de una familia de espacios de Banach permite una definición concisa:[12]​ un espacio de Banach X es superreflexivo si sus ultrapotencias son reflexivas.

James probó que un espacio es superreflexivo si y solo si su dual es superreflexivo.

Árboles finitos en espacios de Banach

Una de las caracterizaciones de James de la superreflexividad usa árboles separados.[13]​ La descripción de un árbol vectorial binario empieza con un árbol binario con raíz etiquetado por vectores: un árbol de altura n en un espacio de Banach X es una familia de 2n + 1 − 1 vectores de X, que pueden organizarse en niveles sucesivos, empezando con el nivel 0 que consiste en un único vector x, la raíz del árbol, seguida, para k = 1, …, n, por una familia de 2k vectores formando el nivel k:

 

que son los descendientes de los vértices del nivel k − 1. Además de la estructura de árbol, se requiere que cada vector que sea un vértice interno del árbol sea el punto medio entre sus dos descendientes:

 

Dado un número real positivo t, se dice que el árbol es t-separado si para todo vértice interno los dos descendientes son t-separados en la norma del espacio dado:

 

Teorema. Un espacio de Banach X es superreflexivo si y solo si para todo t ∈ (0, 2], existe un número n(t) tal que todo árbol t-separado contenido en la bola unidad de X tiene altura menor quen(t).

Los espacios uniformemente convexos son superreflexivos. Sea X uniformemente convexo, con módulo de convexidad δX y sea t un número real en (0, 2]. Por las propiedades del módulo de convexidad, un árbol t-separado de altura n, contenido en la bola unidad, debe tener todos los puntos del nivel n − 1 contenidos en la bola de radio 1 − δX(t) < 1. Por inducción, se sigue que todos los puntos del nivel nj están contenidos en la bola de radio

 

Si la altura n es lo bastante grande para que

 

entonces los dos puntos x1, x−1 del primer nivel no pueden ser t-separados, contrariamente a la suposición. Esto da el límite requerido n(t), función solo de δX(t).

Usando la caracterización de árbol, Enflo probó que los espacios de Banach superreflexivos admiten una norma uniformemente convexa equivalente.[14]​ Los árboles en espacios de Banach son un tipo especial de martingalas evaluadas en vectores. Añadiendo técnicas de teoría de martingalas escalar, Pisier mejoró el resultado de Enflo demostrando que un espacio superreflexivo X admite una norma uniformemente convexa equivalente para la que el módulo de convexidad satisface,[15]​ para alguna constante c > 0 y algún número real q ≥ 2,

 

Espacios localmente convexos reflexivos

La noción de espacio de Banach reflexivo se puede generalizar a espacios vectoriales topológicos de la siguiente forma.

Sea   un espacio vectorial topológico sobre un cuerpo numérico   (de números reales   o números complejos  ). Considérese su espacio dual fuerte  , que consiste en todos los funcionales lineales continuos   y lleva asociada la topología fuerte  ,esto es, la topología de convergencia uniforme sobre subconjuntos acotados en  . El espacio   es un espacio vectorial topológico (para ser más preciso, un espacio localmente convexo), de forma que se puede considerar su espacio dual fuerte  , que se llama espacio bidual fuerte de  . Consiste en todos los funcionales lineales continuos   y lleva asociada la topología fuerte  . Cada vector   genera una aplicación   por la siguiente fórmula:

 

Esto es un funcional lineal continuo en  , es decir,  . Se obtiene una aplicación llamada aplicación de evaluación:

 

Esta aplicación es lineal. Si   es localmente convexo, se sigue del teorema de Hahn-Banach que   es inyectiva y abierta (esto es, para todo entorno del cero   en   existe un entorno del cero   en   tal que  ). Pero este puede ser no suprayectiva y/o discontinua.

Un espacio localmente convexo   se dice

- semirreflexivo si la aplicación de evaluación   es suprayectiva,
- reflexivo si la aplicación de evaluación   es suprayectiva y continua (en este caso   es un isomorfismo de espacios vectoriales topológicos).

Teorema. Un espacio de Hausdorff localmente convexo   es semirreflexivo si y solo si   con la topología   tiene la propiedad de Heine-Borel (esto es, los subconjuntos acotados y débilmente cerrados de   son débilmente compactos).

Teorema.[16]Un espacio localmente convexo   es reflexivo si y solo si es semirreflexivo y tonelado.

Teorema. El dual fuerte de un espacio semirreflexivo es tonelado.

Ejemplos

1) Todo espacio vectorial topológico de Hausdorff finito-dimensional es reflexivo, ya que J es biyectiva por álgebra lineal, y porque existe una única topología de espacio vectorial de Hausdorff en un espacio vectorial finito-dimensional.

2) Un espacio normado   es reflexivo como espacio normado si y solo si es reflexivo como espacio localmente convexo. Esto se sigue del hecho de que para un espacio normado   su espacio dual normado   coincide como espacio vectorial topológico con el espacio dual fuerte  . Como corolario, la aplicación de evaluación   coincide con la aplicación de evaluación  , y las siguientes condiciones son equivalentes:

(i)   es un espacio normado reflexivo (esto es,   es un isomorfismo de espacios normados),
(ii)   es un espacio localmente compacto reflexivo (esto es,   es un isomorfismo de espacios vectoriales topológicos),
(iii)   es un espacio localmente conexo semirreflexivo (esto es,   es suprayectiva).

3) Un ejemplo (algo artificial) de un espacio semirreflexivo que no es reflexivo se obtiene de la siguiente manera: sea Y un espacio de Banach reflexivo infinito-dimensional, y sea X el espacio vectorial topológico (Y, σ(Y, Y ′)), esto es, el espacio vectorial Y con la topología débil asociada. Entonces el dual continuo de X e Y ′ es la misma clase de funcionales, y los subconjuntos acotados de X (esto es, los subconjuntos débilmente acotados de Y) son acotados en norma, luego el espacio de Banach Y ′ es el dual fuerte de X. Dado que Y es reflexivo, el dual continuo de X ′ = Y ′ es igual a la imagen J(X) de X bajo la incrustación canónica J, pero la topología en X (la topología débil de Y) no es la topología fuerte β(X, X ′), que es igual a la topología de la norma de Y.

4) Los espacios de Montel son espacios vectoriales topológicos localmente convexos reflexivos. En particular, los siguientes espacios usados frecuentemente en análisis funcional son espacios localmente convexos reflexivos:[17]

  • el espacio   de funcionales suaves en una variedad suave (real) arbitraria  , y su espacio dual fuerte   de distribuciones con soporte compacto en  ,
  • el espacio   de funciones suaves con soporte compacto en una variedad suave (real) arbitraria  , y su espacio dual fuerte   de distribuciones en  ,
  • el espacio   de funciones holomorfas en una variedad compleja arbitraria  , y su espacio dual fuerte   de funciones analíticas en  ,
  • el espacio de Schwartz   on  , y su espacio dual fuerte   de distribuciones temperadas en  .

Espacios estereotipo y otras versiones de reflexividad

Entre todos los espacios localmente convexos (incluso entre todos los espacios de Banach) usados en análisis funcional la clase de espacios reflexivos es muy pequeña para representar una categoría autosuficiente en ningún sentido. Por otro lado, la idea de dualidad reflejada en esta noción es tan natural que lleva a la intuición de que cambios apropiados en la definición de reflexividad pueden llevar a otra noción, más conveniente para otros objetivos matemáticos. Uno de tales objetivos es la idea de acercar el análisis a otras ramas de las matemáticas, como el álgebra y la geometría, reformulando sus resultados en el lenguaje puramente algebraico de teoría de categorías.

Esto está siendo desarrollado en la teoría de espacios estereotipo, que se definen como espacios vectoriales topológicos que satisfacen una condición similar de reflexividad, pero con la topología de convergencia uniforme en subconjuntos totalmente acotados (en lugar de subconjuntos acotados) en la definición del espacio dual X’. De forma más precisa, un espacio vectorial topológico   se dice estereotipo si la aplicación de evaluación en el segundo espacio dual estereotipo

 

es un isomorfismo de espacios vectoriales topológicos. Aquí el espacio dual estereotipo   se define como el espacio de funcionales lineales continuos   dotado con la topología de convergencia uniforme en conjuntos totalmente acotados en   (y el segundo espacio dual estereotipo   es el espacio dual de   en el mismo sentido).

En contraste con los espacios reflexivos clásico, la clase Ste de espacios estereotipo es muy amplia (contiene, en particular, todos los espacios de Fréchet y por tanto, todos los espacios de Banach), forma una categoría monoidal cerrada, y admite operaciones estándar (definidas dentro de Ste) para construir nuevos espacios, como tomar subespacios cerrados, espacios cocientes, límites directo e inverso, el espacio de operadores, productos tensoriales, etc. La categoría Ste tiene aplicaciones en teoría de dualidad para grupos no conmutativos.

De forma similar, se puede sustituir la clase de subconjuntos acotados (y totalmente acotados) en X en la definición del espacio dual X’, por otras clases de subconjuntos, por ejemplo, por la clase de subconjuntos compactos en X. Los espacios definidos por la condición de reflexividad correspondiente se llaman reflectivos,[18][19]​ y forman una clase incluso mayor que Ste, pero no es claro si esta clase forma una categoría con propiedades similares a las de Ste.

Véase también

  • Espacio de Grothendieck
  • Álgebra de operadores reflexivos

Notas

  1. R. C. James (1951). «A non-reflexive Banach space isometric with its second conjugate space». Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 37: 174-177. doi:10.1073/pnas.37.3.174. 
  2. Proposition 1.11.8, p. 99 in Megginson (1998).
  3. pp. 104–105 in Megginson (1998).
  4. Corollary 1.11.17, p. 104 in Megginson (1998).
  5. Conway, Theorem V.4.2, p. 135.
  6. Dado que la compacidad débil y la compacidad sucesional débil coinciden por el teorema de Eberlein–Šmulian.
  7. Theorem 1.13.11, p. 125 in Megginson (1998).
  8. Theorem 2.5.16, p. 216 in Megginson (1998).
  9. Theorem 1.12.11, p. 112 and Corollary 1.12.12, p. 113 in Megginson (1998).
  10. véase esta caracterización de espacio de Hilbert en espacios de Banach
  11. James, Robert C. (1972), "Super-reflexive Banach spaces", Can. J. Math. 24:896–904.
  12. Dacunha-Castelle, Didier; Krivine, Jean-Louis (1972), "Applications des ultraproduits à l'étude des espaces et des algèbres de Banach" (in French), Studia Math. 41:315–334.
  13. see James (1972).
  14. Enflo, Per (1973), "Banach spaces which can be given an equivalent uniformly convex norm", Israel J. Math. 13:281–288.
  15. Pisier, Gilles (1975), "Martingales with values in uniformly convex spaces", Israel J. Math. 20:326–350.
  16. Schaefer (1966, 5.6, 5.5)
  17. Edwards (1965, 8.4.7).
  18. Garibay Bonales, F.; Trigos-Arrieta, F. J.; Vera Mendoza, R. (2002). «A characterization of Pontryagin-van Kampen duality for locally convex spaces». Topology and its Applications 121: 75-89. doi:10.1016/s0166-8641(01)00111-0. 
  19. Akbarov, S. S.; Shavgulidze, E. T. (2003). «On two classes of spaces reflexive in the sense of Pontryagin». Mat. Sbornik 194 (10): 3-26. 

Referencias

  • John B. Conway, A Course in Functional Analysis, Springer, 1985.
  • James, Robert C. (1972), Some self-dual properties of normed linear spaces. Symposium on Infinite-Dimensional Topology (Louisiana State Univ., Baton Rouge, La., 1967), Ann. of Math. Studies 69, Princeton, NJ: Princeton Univ. Press, pp. 159-175 ..
  • Megginson, Robert E. (1998), An introduction to Banach space theory, Graduate Texts in Mathematics 183, New York: Springer-Verlag, pp. xx+596, ISBN 0-387-98431-3 ..
  • Schaefer, Helmuth H. (1966), Topological vector spaces, New York: The MacMillan Company, ISBN 0-387-98726-6 .
  • Kolmogorov, A. N.; Fomin, S. V. (1957). Elements of the Theory of Functions and Functional Analysis, Volume 1: Metric and Normed Spaces. Rochester: Graylock Press. 
  • Rudin, Walter (1991), Functional analysis, McGraw-Hill Science, ISBN 978-0-07-054236-5 .
  • Edwards, R. E. (1965), Functional analysis. Theory and applications, New York: Holt, Rinehart and Winston .
  • Topological Vector Spaces, Distributions and Kernels. Academic Press. 1995. pp. 136-149, 195-201, 240-252, 335-390, 420-433. ISBN 0-486-45352-9. 
  •   Datos: Q2032198

espacio, reflexivo, campo, matemático, análisis, funcional, espacio, reflexivo, espacio, banach, forma, más, general, espacio, vectorial, topológico, localmente, convexo, coincide, dual, continuo, espacio, dual, continuo, como, espacio, vectorial, como, espaci. En el campo matematico del analisis funcional un espacio reflexivo es un espacio de Banach o de forma mas general un espacio vectorial topologico localmente convexo que coincide con el dual continuo de su espacio dual continuo como espacio vectorial y como espacio topologico Los espacios de Banach reflexivos se suelen caracterizar por sus propiedades geometricas Indice 1 Espacios de Banach reflexivos 1 1 Observacion 1 2 Ejemplos 1 3 Propiedades 1 4 Espacio superreflexivo 1 5 Arboles finitos en espacios de Banach 2 Espacios localmente convexos reflexivos 2 1 Ejemplos 3 Espacios estereotipo y otras versiones de reflexividad 4 Vease tambien 5 Notas 6 ReferenciasEspacios de Banach reflexivos EditarSea X displaystyle X un espacio vectorial normado sobre el cuerpo numerico F R displaystyle mathbb F mathbb R o F C displaystyle mathbb F mathbb C los numeros reales o complejos con una norma displaystyle cdot Consideramos su espacio dual normado X displaystyle X consistente en todos sus funcionales lineales continuos f X F displaystyle f X to mathbb F y tiene asignada la norma dual displaystyle cdot definida por f sup f x x X x 1 displaystyle f sup f x x in X x 1 El dual X displaystyle X es un espacio normado en concreto un espacio de Banach y su espacio dual normado X X displaystyle X X se llama espacio bidual de X displaystyle X El bidual consiste en todos los funcionales lineales continuos h X F displaystyle h X to mathbb F y tiene la norma displaystyle cdot dual de displaystyle cdot Cada vector x X displaystyle x in X genera una funcion escalar J x X F displaystyle J x X to mathbb F por la formula J x f f x f X displaystyle J x f f x qquad f in X y J x displaystyle J x es un funcional lineal continuo en X displaystyle X esto es J x X displaystyle J x in X Se obtiene de esta manera una aplicacion J X X displaystyle J X to X llamada aplicacion de evaluacion que es lineal Se sigue del teorema de Hahn Banach que J displaystyle J es inyectiva y preserva la norma x X J x x displaystyle forall x in X qquad J x x esto es J displaystyle J lleva X displaystyle X isometricamente en su imagen J X displaystyle J X en X displaystyle X Ademas la imagen J X displaystyle J X es cerrada en X displaystyle X pero no tiene por que ser igual a X displaystyle X Un espacio normado X displaystyle X se dice reflexivo si satisface las siguientes condiciones equivalentes i la aplicacion de evaluacion J X X displaystyle J X to X es suprayectiva ii la aplicacion de evaluacion J X X displaystyle J X to X es un isomorfismo isometrico de espacios normados iii la aplicacion de evaluacion J X X displaystyle J X to X es un isomorfismo de espacios normados Un espacio reflexivo X displaystyle X es un espacio de Banach ya que X displaystyle X es entonces isometrico al espacio de Banach X displaystyle X Observacion Editar Un espacio de Banach X es reflexivo si es linealmente isometrico a su bidual bajo la incrustacion canonica J Un espacio de James es un ejemplo de un espacio no reflexivo que es linealmente isometrico a su bidual Ademas la imagen del espacio de James bajo la incrustacion canonica J tiene codimension uno en su bidual 1 Un espacio de Banach X se llama cuasi reflexivo de orden d si el cociente X J X tiene dimension finita d Ejemplos Editar 1 Todo espacio normado finito dimensional es reflexivo simplemente porque en este caso el espacio su dual y bidual tienen todos la misma dimension lineal y por tanto la aplicacion lineal inyectiva J por definicion es biyectiva por el teorema rango nulidad 2 El espacio de Banach c0 de sucesiones escalares tendiendo a cero en el infinito asociado a la norma del supremo no es reflexivo Se sigue de las propiedades generales que ℓ1 y ℓ no son reflexivos ya que ℓ1 es isomorfo al dual de c0 y ℓ es isomorfo al dual de ℓ1 3 Todos los espacios de Hilbert son reflexivos al igual que los espacios Lp con 1 lt p lt De forma mas general todos los espacios de Banach uniformemente convexos son reflexivos de acuerdo al teorema de Milman Pettis Los espacios L1 m y L m no son reflexivos a menos que sean finito dimensionales lo que ocurre por ejemplo si m es una medida en un conjunto finito De forma similar el espacio de Banach C 0 1 de funciones continuas en 0 1 no es reflexivo 4 Los espacios Sp H de operadores en la clase de Schatten en un espacio de Hilbert H son uniformemente convexos y por tanto reflexivos cuando 1 lt p lt Si la dimension de H es infinita entonces S1 H la clase de traza no es reflexivo porque contiene un subespacio isomorfo a ℓ1 y S H L H los operadores lineales acotados en H no es reflexivo porque contiene un subespacio isomorfo a ℓ En ambos casos se puede elegir el subespacio para que los operadores sean diagonales con respecto a una base ortonormal dada de H Propiedades Editar Si un espacio de Banach Y es isomorfo a un espacio de Banach reflexivo X entonces Y es reflexivo 2 Todo subespacio vectorial cerrado de un espacio reflexivo es reflexivo El dual continuo de un espacio reflexivo es reflexivo Todo cociente de un espacio reflexivo por un subespacio cerrado es reflexivo 3 Sea X un espacio de Banach Los siguientes enunciados son equivalentes El espacio X es reflexivo El dual continuo de X es reflexivo 4 La bola unidad cerrada de X es compacta en la topologia debil esto se conoce como teorema de Kakutani 5 Toda sucesion acotada en X tiene una subsucesion debilmente convergente 6 Todo funcional lineal continuo en X tiene su maximo en la bola unidad cerrada en X teorema de James 7 Dado que los subconjuntos convexos cerrados en norma en un espacio de Banach son debilmente cerrados 8 se sigue de la tercera propiedad que los subconjuntos convexos acotados cerrados de un espacio reflexivo X son debilmente compactos Asi para toda sucesion decreciente de subconjuntos convexos acotados cerrados no vacios toda funcion convexa continua f sobre un subconjunto convexo cerrado C de X tal que el conjunto C t x C f x t displaystyle C t x in C f x leq t es no vacio y acotado para algun numero real t tiene su valor minimo en C La propiedad geometrica de los espacios de Banach reflexivos es la siguiente si C es un subconjunto convexo no vacio y cerrado del espacio reflexivo X entonces para todo x en X existe un c en C tal que ǁx cǁ minimiza la distancia entre x y los puntos de C Esto se sigue del resultado anterior para funciones convexas aplicado a f y ǁy xǁ Notese que mientras que la distancia minima entre x y C esta univocamente determinada por x el punto c no lo esta El punto mas cercano c es unico cuando X es uniformemente convexo Un espacio de Banach reflexivo es separable si y solo si su dual continuo es separable Esto se sigue del hecho de que para todo espacio normado Y la separabilidad del dual continuo Y implica la separabilidad de Y 9 Espacio superreflexivo Editar Informalmente un espacio de Banach superreflexivo X tiene la siguiente propiedad dado un espacio de Banach arbitrario Y si todos los subespacios finito dimensionales de Y tienen una copia en X entonces Y es reflexivo Por esta definicion el espacio X debe tambien ser reflexivo Como ejemplo elemental todo espacio de Banach Y cuyos subespacios bidimensionales son isometricos a subespacios de X ℓ2 satisfacen la ley del paralelogramo 10 por tanto Y es un espacio de Hilbert y por tanto reflexivo Por consiguiente ℓ2 es superreflexivo La definicion formal no usa isometrias sino casi isometrias Un espacio de Banach Y es finitamente representable 11 en un espacio de Banach X si para todo subespacio finito dimensional Y0 de Y y todo e gt 0 existe un subespacio X0 de X tal que la distancia de Banach Mazur multiplicativa entre X0 e Y0 satisface d X 0 Y 0 lt 1 e displaystyle d X 0 Y 0 lt 1 varepsilon Un espacio de Banach finitamente representable en ℓ2 es un espacio de Hilbert Todo espacio de Banach es finitamente representable en c0 El espacio Lp 0 1 es finitamente representable en ℓp Un espacio de Banach X es superreflexivo si todos los espacios de Banach Y finitamente representables en X son reflexivos o en otras palabras si ningun espacio no reflexivo Y es finitamente representable en X La nocion de ultraproducto de una familia de espacios de Banach permite una definicion concisa 12 un espacio de Banach X es superreflexivo si sus ultrapotencias son reflexivas James probo que un espacio es superreflexivo si y solo si su dual es superreflexivo Arboles finitos en espacios de Banach Editar Una de las caracterizaciones de James de la superreflexividad usa arboles separados 13 La descripcion de un arbol vectorial binario empieza con un arbol binario con raiz etiquetado por vectores un arbol de altura n en un espacio de Banach X es una familia de 2n 1 1 vectores de X que pueden organizarse en niveles sucesivos empezando con el nivel 0 que consiste en un unico vector x la raiz del arbol seguida para k 1 n por una familia de 2k vectores formando el nivel k x e 1 e k e j 1 j 1 k displaystyle x varepsilon 1 ldots varepsilon k quad varepsilon j pm 1 quad j 1 ldots k que son los descendientes de los vertices del nivel k 1 Ademas de la estructura de arbol se requiere que cada vector que sea un vertice interno del arbol sea el punto medio entre sus dos descendientes x x 1 x 1 2 x e 1 e k x e 1 e k 1 x e 1 e k 1 2 1 k lt n displaystyle x emptyset frac x 1 x 1 2 quad x varepsilon 1 ldots varepsilon k frac x varepsilon 1 ldots varepsilon k 1 x varepsilon 1 ldots varepsilon k 1 2 quad 1 leq k lt n Dado un numero real positivo t se dice que el arbol es t separado si para todo vertice interno los dos descendientes son t separados en la norma del espacio dado x 1 x 1 t x e 1 e k 1 x e 1 e k 1 t 1 k lt n displaystyle x 1 x 1 geq t quad x varepsilon 1 ldots varepsilon k 1 x varepsilon 1 ldots varepsilon k 1 geq t quad 1 leq k lt n Teorema Un espacio de Banach X es superreflexivo si y solo si para todo t 0 2 existe un numero n t tal que todo arbol t separado contenido en la bola unidad de X tiene altura menor quen t Los espacios uniformemente convexos son superreflexivos Sea X uniformemente convexo con modulo de convexidad dX y sea t un numero real en 0 2 Por las propiedades del modulo de convexidad un arbol t separado de altura n contenido en la bola unidad debe tener todos los puntos del nivel n 1 contenidos en la bola de radio 1 dX t lt 1 Por induccion se sigue que todos los puntos del nivel n j estan contenidos en la bola de radio 1 d X t j j 1 n displaystyle 1 delta X t j j 1 ldots n Si la altura n es lo bastante grande para que 1 d X t n 1 lt t 2 displaystyle 1 delta X t n 1 lt t 2 entonces los dos puntos x1 x 1 del primer nivel no pueden ser t separados contrariamente a la suposicion Esto da el limite requerido n t funcion solo de dX t Usando la caracterizacion de arbol Enflo probo que los espacios de Banach superreflexivos admiten una norma uniformemente convexa equivalente 14 Los arboles en espacios de Banach son un tipo especial de martingalas evaluadas en vectores Anadiendo tecnicas de teoria de martingalas escalar Pisier mejoro el resultado de Enflo demostrando que un espacio superreflexivo X admite una norma uniformemente convexa equivalente para la que el modulo de convexidad satisface 15 para alguna constante c gt 0 y algun numero real q 2 d X t c t q t 0 2 displaystyle delta X t geq c t q quad t in 0 2 Espacios localmente convexos reflexivos EditarLa nocion de espacio de Banach reflexivo se puede generalizar a espacios vectoriales topologicos de la siguiente forma Sea X displaystyle X un espacio vectorial topologico sobre un cuerpo numerico F displaystyle mathbb F de numeros reales R displaystyle mathbb R o numeros complejos C displaystyle mathbb C Considerese su espacio dual fuerte X b displaystyle X beta que consiste en todos los funcionales lineales continuos f X F displaystyle f X to mathbb F y lleva asociada la topologia fuerte b X X displaystyle beta X X esto es la topologia de convergencia uniforme sobre subconjuntos acotados en X displaystyle X El espacio X b displaystyle X beta es un espacio vectorial topologico para ser mas preciso un espacio localmente convexo de forma que se puede considerar su espacio dual fuerte X b b displaystyle X beta beta que se llama espacio bidual fuerte de X displaystyle X Consiste en todos los funcionales lineales continuos h X b F displaystyle h X beta to mathbb F y lleva asociada la topologia fuerte b X b X b displaystyle beta X beta X beta Cada vector x X displaystyle x in X genera una aplicacion J x X b F displaystyle J x X beta to mathbb F por la siguiente formula J x f f x f X displaystyle J x f f x qquad f in X Esto es un funcional lineal continuo en X b displaystyle X beta es decir J x X b b displaystyle J x in X beta beta Se obtiene una aplicacion llamada aplicacion de evaluacion J X X b b displaystyle J X to X beta beta Esta aplicacion es lineal Si X displaystyle X es localmente convexo se sigue del teorema de Hahn Banach que J displaystyle J es inyectiva y abierta esto es para todo entorno del cero U displaystyle U en X displaystyle X existe un entorno del cero V displaystyle V en X b b displaystyle X beta beta tal que J U V J X displaystyle J U supseteq V cap J X Pero este puede ser no suprayectiva y o discontinua Un espacio localmente convexo X displaystyle X se dice semirreflexivo si la aplicacion de evaluacion J X X b b displaystyle J X to X beta beta es suprayectiva reflexivo si la aplicacion de evaluacion J X X b b displaystyle J X to X beta beta es suprayectiva y continua en este caso J displaystyle J es un isomorfismo de espacios vectoriales topologicos Teorema Un espacio de Hausdorff localmente convexo X displaystyle X es semirreflexivo si y solo si X displaystyle X con la topologia s X X displaystyle sigma X X tiene la propiedad de Heine Borel esto es los subconjuntos acotados y debilmente cerrados de X displaystyle X son debilmente compactos Teorema 16 Un espacio localmente convexo X displaystyle X es reflexivo si y solo si es semirreflexivo y tonelado Teorema El dual fuerte de un espacio semirreflexivo es tonelado Ejemplos Editar 1 Todo espacio vectorial topologico de Hausdorff finito dimensional es reflexivo ya que J es biyectiva por algebra lineal y porque existe una unica topologia de espacio vectorial de Hausdorff en un espacio vectorial finito dimensional 2 Un espacio normado X displaystyle X es reflexivo como espacio normado si y solo si es reflexivo como espacio localmente convexo Esto se sigue del hecho de que para un espacio normado X displaystyle X su espacio dual normado X displaystyle X coincide como espacio vectorial topologico con el espacio dual fuerte X b displaystyle X beta Como corolario la aplicacion de evaluacion J X X displaystyle J X to X coincide con la aplicacion de evaluacion J X X b b displaystyle J X to X beta beta y las siguientes condiciones son equivalentes i X displaystyle X es un espacio normado reflexivo esto es J X X displaystyle J X to X es un isomorfismo de espacios normados ii X displaystyle X es un espacio localmente compacto reflexivo esto es J X X b b displaystyle J X to X beta beta es un isomorfismo de espacios vectoriales topologicos iii X displaystyle X es un espacio localmente conexo semirreflexivo esto es J X X b b displaystyle J X to X beta beta es suprayectiva 3 Un ejemplo algo artificial de un espacio semirreflexivo que no es reflexivo se obtiene de la siguiente manera sea Y un espacio de Banach reflexivo infinito dimensional y sea X el espacio vectorial topologico Y s Y Y esto es el espacio vectorial Y con la topologia debil asociada Entonces el dual continuo de X e Y es la misma clase de funcionales y los subconjuntos acotados de X esto es los subconjuntos debilmente acotados de Y son acotados en norma luego el espacio de Banach Y es el dual fuerte de X Dado que Y es reflexivo el dual continuo de X Y es igual a la imagen J X de X bajo la incrustacion canonica J pero la topologia en X la topologia debil de Y no es la topologia fuerte b X X que es igual a la topologia de la norma de Y 4 Los espacios de Montel son espacios vectoriales topologicos localmente convexos reflexivos En particular los siguientes espacios usados frecuentemente en analisis funcional son espacios localmente convexos reflexivos 17 el espacio C M displaystyle C infty M de funcionales suaves en una variedad suave real arbitraria M displaystyle M y su espacio dual fuerte C M displaystyle C infty M de distribuciones con soporte compacto en M displaystyle M el espacio D M displaystyle mathcal D M de funciones suaves con soporte compacto en una variedad suave real arbitraria M displaystyle M y su espacio dual fuerte D M displaystyle mathcal D M de distribuciones en M displaystyle M el espacio O M displaystyle mathcal O M de funciones holomorfas en una variedad compleja arbitraria M displaystyle M y su espacio dual fuerte O M displaystyle mathcal O M de funciones analiticas en M displaystyle M el espacio de Schwartz S R n displaystyle mathcal S mathbb R n on R n displaystyle mathbb R n y su espacio dual fuerte S R n displaystyle mathcal S mathbb R n de distribuciones temperadas en R n displaystyle mathbb R n Espacios estereotipo y otras versiones de reflexividad EditarEntre todos los espacios localmente convexos incluso entre todos los espacios de Banach usados en analisis funcional la clase de espacios reflexivos es muy pequena para representar una categoria autosuficiente en ningun sentido Por otro lado la idea de dualidad reflejada en esta nocion es tan natural que lleva a la intuicion de que cambios apropiados en la definicion de reflexividad pueden llevar a otra nocion mas conveniente para otros objetivos matematicos Uno de tales objetivos es la idea de acercar el analisis a otras ramas de las matematicas como el algebra y la geometria reformulando sus resultados en el lenguaje puramente algebraico de teoria de categorias Esto esta siendo desarrollado en la teoria de espacios estereotipo que se definen como espacios vectoriales topologicos que satisfacen una condicion similar de reflexividad pero con la topologia de convergencia uniforme en subconjuntos totalmente acotados en lugar de subconjuntos acotados en la definicion del espacio dual X De forma mas precisa un espacio vectorial topologico X displaystyle X se dice estereotipo si la aplicacion de evaluacion en el segundo espacio dual estereotipo J X X J x f f x x X f X displaystyle J X to X star star quad J x f f x quad x in X quad f in X star es un isomorfismo de espacios vectoriales topologicos Aqui el espacio dual estereotipo X displaystyle X star se define como el espacio de funcionales lineales continuos X displaystyle X dotado con la topologia de convergencia uniforme en conjuntos totalmente acotados en X displaystyle X y el segundo espacio dual estereotipo X displaystyle X star star es el espacio dual de X displaystyle X star en el mismo sentido En contraste con los espacios reflexivos clasico la clase Ste de espacios estereotipo es muy amplia contiene en particular todos los espacios de Frechet y por tanto todos los espacios de Banach forma una categoria monoidal cerrada y admite operaciones estandar definidas dentro de Ste para construir nuevos espacios como tomar subespacios cerrados espacios cocientes limites directo e inverso el espacio de operadores productos tensoriales etc La categoria Ste tiene aplicaciones en teoria de dualidad para grupos no conmutativos De forma similar se puede sustituir la clase de subconjuntos acotados y totalmente acotados en X en la definicion del espacio dual X por otras clases de subconjuntos por ejemplo por la clase de subconjuntos compactos en X Los espacios definidos por la condicion de reflexividad correspondiente se llaman reflectivos 18 19 y forman una clase incluso mayor que Ste pero no es claro si esta clase forma una categoria con propiedades similares a las de Ste Vease tambien EditarEspacio de Grothendieck Algebra de operadores reflexivosNotas Editar R C James 1951 A non reflexive Banach space isometric with its second conjugate space Proc Natl Acad Sci U S A 37 174 177 doi 10 1073 pnas 37 3 174 Proposition 1 11 8 p 99 in Megginson 1998 pp 104 105 in Megginson 1998 Corollary 1 11 17 p 104 in Megginson 1998 Conway Theorem V 4 2 p 135 Dado que la compacidad debil y la compacidad sucesional debil coinciden por el teorema de Eberlein Smulian Theorem 1 13 11 p 125 in Megginson 1998 Theorem 2 5 16 p 216 in Megginson 1998 Theorem 1 12 11 p 112 and Corollary 1 12 12 p 113 in Megginson 1998 vease esta caracterizacion de espacio de Hilbert en espacios de Banach James Robert C 1972 Super reflexive Banach spaces Can J Math 24 896 904 Dacunha Castelle Didier Krivine Jean Louis 1972 Applications des ultraproduits a l etude des espaces et des algebres de Banach in French Studia Math 41 315 334 see James 1972 Enflo Per 1973 Banach spaces which can be given an equivalent uniformly convex norm Israel J Math 13 281 288 Pisier Gilles 1975 Martingales with values in uniformly convex spaces Israel J Math 20 326 350 Schaefer 1966 5 6 5 5 Edwards 1965 8 4 7 Garibay Bonales F Trigos Arrieta F J Vera Mendoza R 2002 A characterization of Pontryagin van Kampen duality for locally convex spaces Topology and its Applications 121 75 89 doi 10 1016 s0166 8641 01 00111 0 Akbarov S S Shavgulidze E T 2003 On two classes of spaces reflexive in the sense of Pontryagin Mat Sbornik 194 10 3 26 Referencias EditarJohn B Conway A Course in Functional Analysis Springer 1985 James Robert C 1972 Some self dual properties of normed linear spaces Symposium on Infinite Dimensional Topology Louisiana State Univ Baton Rouge La 1967 Ann of Math Studies 69 Princeton NJ Princeton Univ Press pp 159 175 Megginson Robert E 1998 An introduction to Banach space theory Graduate Texts in Mathematics 183 New York Springer Verlag pp xx 596 ISBN 0 387 98431 3 Schaefer Helmuth H 1966 Topological vector spaces New York The MacMillan Company ISBN 0 387 98726 6 Kolmogorov A N Fomin S V 1957 Elements of the Theory of Functions and Functional Analysis Volume 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