Articulo de referencia

Equicontinuidad

En análisis matemático , una familia de funciones es equicontinua si todas sus funciones son continuas y presentan la misma variación en un entorno determinado , en el sentido p...

En análisis matemático , una familia de funciones es equicontinua si todas sus funciones son continuas y presentan la misma variación en un entorno determinado , en el sentido preciso que se describe aquí. En particular, este concepto se aplica a familias numerables y, por lo tanto, a secuencias de funciones.

La equicontinuidad aparece en la formulación del teorema de Ascoli , que establece que un subconjunto de C ( X ), el espacio de funciones continuas en un espacio de Hausdorff compacto X , es compacto si y solo si es cerrado, acotado puntualmente y equicontinuo. Como corolario, una sucesión en C ( X ) converge uniformemente si y solo si es equicontinua y converge puntualmente a una función (no necesariamente continua a priori). En particular, el límite de una sucesión equicontinua puntualmente convergente de funciones continuas f n en un espacio métrico o en un espacio localmente compacto [ 1 ] es continuo. Si, además, f n son holomorfas , entonces el límite también es holomorfo.

El principio de acotación uniforme establece que una familia puntualmente acotada de operadores lineales continuos entre espacios de Banach es equicontinua. [ 2 ]

Equicontinuidad entre espacios métricos

Sean X e Y dos espacios métricos y F una familia de funciones de X a Y. Denotaremos por d las métricas respectivas de estos espacios.

La familia F es equicontinua en un punto x 0X si para todo ε > 0, existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 0 ), ƒ ( x )) < ε para todo ƒF y todo x tal que d ( x 0 , x ) < δ. La familia es equicontinua puntualmente si es equicontinua en cada punto de X. [ 3 ]                 

La familia F es uniformemente equicontinua si para todo ε > 0, existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 1 ), ƒ ( x 2 )) < ε para todo ƒF y todo x 1 , x 2X tal que d ( x 1 , x 2 ) < δ. [ 4 ]                

A modo de comparación, la afirmación 'todas las funciones ƒ en F son continuas' significa que para cada ε  >  0, cada ƒF y cada x 0X , existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 0 ), ƒ ( x )) < ε para todo xX tal que d ( x 0 , x ) < δ.                

  • Para que haya continuidad , δ  puede depender de  ε, ƒ y x 0 .
  • Para una continuidad uniforme , δ  puede depender de  ε y ƒ . 
  • Para la equicontinuidad puntual , δ  puede depender de  ε y x 0 .
  • Para una equicontinuidad uniforme , δ  puede depender únicamente de  ε.

De forma más general, cuando X es un espacio topológico, se dice que un conjunto F de funciones de X a Y es equicontinuo en x si para todo ε  >  0, x tiene un entorno U x tal que

dY(F(y),F(incógnita))<ϵ{\displaystyle d_{Y}(f(y),f(x))<\epsilon }

para todo yU x y ƒ F . Esta definición suele aparecer en el contexto de espacios vectoriales topológicos . 

Cuando X es compacto, un conjunto es uniformemente equicontinuo si y solo si es equicontinuo en cada punto, esencialmente por la misma razón que la continuidad uniforme y la continuidad coinciden en espacios compactos. Utilizado de forma aislada, el término «equicontinuidad» puede referirse tanto a la noción puntual como a la uniforme, según el contexto. En un espacio compacto, estas nociones coinciden.

De la definición se derivan inmediatamente algunas propiedades básicas. Todo conjunto finito de funciones continuas es equicontinuo. La clausura de un conjunto equicontinuo también es equicontinua. Cada elemento de un conjunto de funciones uniformemente equicontinuo es uniformemente continuo , y todo conjunto finito de funciones uniformemente continuas es uniformemente equicontinuo.

Ejemplos

Contraejemplos

  • El conjunto de todas las funciones Lipschitz-continuas no es equicontinuo, ya que la constante de Lipschitz máxima no está acotada.
  • La secuencia de funciones f n (x) = arctan(nx), no es equicontinua porque la definición se viola en x 0 =0.

Equicontinuidad de mapas valorados en espacios uniformes

Supongamos que X es un espacio topológico e Y es un espacio uniforme dado por una familia de entornos.U{\displaystyle {\mathcal {U}}}Los espacios vectoriales topológicos , los espacios métricos y los grupos topológicos son ejemplos de espacios uniformes; los grupos topológicos conmutativos tienen una uniformidad canónica, mientras que existen diferentes opciones posibles para una uniformidad en un grupo topológico no conmutativo .

Definición : Una familia S de aplicaciones del espacio topológico X al espacio uniforme(Y,U){\displaystyle (Y,{\mathcal {U}})}Se dice que es equicontinua en xX si para cadaWU{\displaystyle W\in {\mathcal {U}}}, existe algún entorno U de x en X tal queF(U)W[F(incógnita)]={y:(y,F(incógnita))W}{\displaystyle f(U)\subseteq W[f(x)]=\{y:(y,f(x))\in W\}}para cada fS . Decimos que S es equicontinua si es equicontinua en cada punto de X .

Es evidente que todo conjunto finito de funciones continuas de X en Y es equicontinuo.

Mapas lineales equicontinuos

Dado que todo espacio vectorial topológico (SVT) es un grupo topológico, la definición de una familia equicontinua de aplicaciones dada para grupos topológicos se transfiere a los SVT sin cambios.

Caracterización de mapas lineales equicontinuos

Una familiaH{\displaystyle H}de mapas de la formaincógnitaY{\displaystyle X\to Y}Se dice que la relación entre dos espacios vectoriales topológicos es equicontinua en un punto.incógnitaincógnita{\displaystyle x\in X}si para cada vecindarioV{\displaystyle V}del origen enY{\displaystyle Y}existe algún vecindarioU{\displaystyle U}del origen enincógnita{\displaystyle X}de tal manera queh(incógnita+U)h(incógnita)+V{\displaystyle h(x+U)\subseteq h(x)+V}a pesar dehH.{\displaystyle h\in H.}

SiH{\displaystyle H}es una familia de mapas yU{\displaystyle U}es un conjunto entonces seaH(U):=hHh(U).{\displaystyle H(U):=\bigcup _{h\in H}h(U).}Con notación, siU{\displaystyle U}yV{\displaystyle V}son conjuntos entoncesh(U)V{\displaystyle h(U)\subseteq V}a pesar dehH{\displaystyle h\in H}si y solo siH(U)V.{\displaystyle H(U)\subseteq V.}

Dejarincógnita{\displaystyle X}yY{\displaystyle Y}ser espacios vectoriales topológicos (TVS) yH{\displaystyle H}ser una familia de operadores lineales deincógnita{\displaystyle X}enY.{\displaystyle Y.} Entonces, las siguientes son equivalentes:

  1. H{\displaystyle H}es equicontinua;
  2. H{\displaystyle H}es equicontinua en cada punto deincógnita.{\displaystyle X.}
  3. H{\displaystyle H}es equicontinua en algún punto deincógnita.{\displaystyle X.}
  4. H{\displaystyle H}es equicontinua en el origen.
    • es decir, para cada barrioV{\displaystyle V}del origen enY,{\displaystyle Y,}existe un vecindarioU{\displaystyle U}del origen enincógnita{\displaystyle X}de tal manera queH(U)V{\displaystyle H(U)\subseteq V}(o equivalentemente,h(U)V{\displaystyle h(U)\subseteq V}por cadahH{\displaystyle h\in H}).
  5. [ 7 ]
  6. para cada barrioV{\displaystyle V}del origen enY,{\displaystyle Y,}hHh1(V){\displaystyle \bigcap _{h\in H}h^{-1}(V)}es un barrio del origen enincógnita.{\displaystyle X.}
  7. el cierre deH{\displaystyle H}enLσ(incógnita;Y){\displaystyle L_{\sigma }(X;Y)}es equicontinua.
    • Lσ(incógnita;Y){\displaystyle L_{\sigma }(X;Y)}denotaL(incógnita;Y){\displaystyle L(X;Y)}dotado de la topología de convergencia puntual.
  8. el casco equilibrado deH{\displaystyle H}es equicontinua.

mientras que siY{\displaystyle Y}Si es localmente convexa, entonces esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. la envoltura convexa deH{\displaystyle H}es equicontinua. [ 8 ]
  2. el casco equilibrado convexo deH{\displaystyle H}es equicontinua. [ 9 ] [ 8 ]

mientras que siincógnita{\displaystyle X}yY{\displaystyle Y}Si son localmente convexas , esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. para cada seminorma continuaq{\displaystyle q}enY,{\displaystyle Y,}Existe una seminorma continuapag{\displaystyle p}enincógnita{\displaystyle X}de tal manera queqhpag{\displaystyle q\circ h\leq p}a pesar dehH.{\displaystyle h\in H.}[ 8 ]
    • Aquí,qhpag{\displaystyle q\circ h\leq p}significa queq(h(incógnita))pag(incógnita){\displaystyle q(h(x))\leq p(x)}a pesar deincógnitaincógnita.{\displaystyle x\in X.}

mientras que siincógnita{\displaystyle X}está encamisado yY{\displaystyle Y}Si es localmente convexa, entonces esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. H{\displaystyle H}está delimitado enLσ(incógnita;Y){\displaystyle L_{\sigma }(X;Y)}; [ 10 ]
  2. H{\displaystyle H}está delimitado enLb(incógnita;Y).{\displaystyle L_{b}(X;Y).}[ 10 ]
    • Lb(incógnita;Y){\displaystyle L_{b}(X;Y)}denotaL(incógnita;Y){\displaystyle L(X;Y)}dotado de la topología de convergencia acotada (es decir, convergencia uniforme en subconjuntos acotados deincógnita.{\displaystyle X.}

mientras que siincógnita{\displaystyle X}yY{\displaystyle Y}Si se trata de espacios Banach , esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. sorber{T:TH}<{\displaystyle \sup\{\|T\|:T\in H\}<\infty }(eso es,H{\displaystyle H}está uniformemente acotado en la norma del operador ).

Caracterización de funcionales lineales equicontinuos

Dejarincógnita{\displaystyle X}sea ​​un espacio vectorial topológico (TVS) sobre el campoF{\displaystyle \mathbb {F} }con espacio doble continuoincógnita.{\displaystyle X^{\prime }.} Una familiaH{\displaystyle H}de funcionales lineales enincógnita{\displaystyle X}Se dice que es equicontinua en un punto.incógnitaincógnita{\displaystyle x\in X}si para cada vecindarioV{\displaystyle V}del origen enF{\displaystyle \mathbb {F} }existe algún vecindarioU{\displaystyle U}del origen enincógnita{\displaystyle X}de tal manera queh(incógnita+U)h(incógnita)+V{\displaystyle h(x+U)\subseteq h(x)+V}a pesar dehH.{\displaystyle h\in H.}

Para cualquier subconjuntoHincógnita,{\displaystyle H\subseteq X^{\prime },}Los siguientes son equivalentes: [ 8 ]

  1. H{\displaystyle H}es equicontinua.
  2. H{\displaystyle H}es equicontinua en el origen.
  3. H{\displaystyle H}es equicontinua en algún punto deincógnita.{\displaystyle X.}
  4. H{\displaystyle H}está contenido en el polar de algún vecindario del origen enincógnita{\displaystyle X}[ 9 ]
  5. el (pre)polar deH{\displaystyle H}es un barrio del origen enincógnita.{\displaystyle X.}
  6. el cierre débil* deH{\displaystyle H}enincógnita{\displaystyle X^{\prime }}es equicontinua.
  7. el casco equilibrado deH{\displaystyle H}es equicontinua.
  8. la envoltura convexa deH{\displaystyle H}es equicontinua.
  9. el casco equilibrado convexo deH{\displaystyle H}es equicontinua. [ 9 ]

mientras que siincógnita{\displaystyle X}Si se cumple la norma , esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. H{\displaystyle H}es un subconjunto fuertemente acotado deincógnita.{\displaystyle X^{\prime }.}[ 9 ]

mientras que siincógnita{\displaystyle X}Si se trata de un espacio en forma de barril , esta lista puede ampliarse para incluir:

  1. H{\displaystyle H}es relativamente compacto en la topología débil* enincógnita.{\displaystyle X^{\prime }.}[ 10 ]
  2. H{\displaystyle H}es débilmente* acotado (es decir,H{\displaystyle H}esσ(incógnita,incógnita){\displaystyle \sigma \left(X^{\prime },X\right)-}delimitado enincógnita{\displaystyle X^{\prime }}). [ 10 ]
  3. H{\displaystyle H}está acotada en la topología de convergencia acotada (es decir,H{\displaystyle H}esb(incógnita,incógnita){\displaystyle b\left(X^{\prime },X\right)-}delimitado enincógnita{\displaystyle X^{\prime }}). [ 10 ]

Propiedades de las aplicaciones lineales equicontinuas

El principio de acotación uniforme (también conocido como teorema de Banach-Steinhaus) establece que un conjuntoH{\displaystyle H}de aplicaciones lineales entre espacios de Banach es equicontinua si está acotada puntualmente; es decir,sorberhHh(incógnita)<{\displaystyle \sup _{h\in H}\|h(x)\|<\infty }para cadaincógnitaincógnita.{\displaystyle x\in X.}El resultado puede generalizarse a un caso en el queY{\displaystyle Y}es localmente convexa yincógnita{\displaystyle X}es un espacio en forma de barril . [ 11 ]

Propiedades de los funcionales lineales equicontinuos

El teorema de Alaoglu implica que el cierre débil-* de un subconjunto equicontinuo deincógnita{\displaystyle X^{\prime }}es débilmente* compacto; por lo tanto, todo subconjunto equicontinuo es débilmente* relativamente compacto. [ 12 ] [ 8 ]

Siincógnita{\displaystyle X}es cualquier TVS localmente convexo, entonces la familia de todos los barriles enincógnita{\displaystyle X}y la familia de todos los subconjuntos deincógnita{\displaystyle X^{\prime }}que sean convexos, equilibrados, cerrados y acotados enincógnitaσ,{\displaystyle X_{\sigma }^{\prime },}se corresponden entre sí por polaridad (con respecto aincógnita,incógnita#{\displaystyle \left\langle X,X^{\#}\right\rangle }). [ 13 ] De ello se deduce que un TVS localmente convexoincógnita{\displaystyle X}está acotado si y solo si cada subconjunto acotado deincógnitaσ{\displaystyle X_{\sigma }^{\prime }}es equicontinua. [ 13 ]

Teorema Supongamos queincógnita{\displaystyle X}es un TVS separable . Entonces, todo subconjunto equicontinuo cerrado deincógnitaσ{\displaystyle X_{\sigma }^{\prime }}es un espacio metrizable compacto (bajo la topología de subespacio). Si ademásincógnita{\displaystyle X}entonces es métricoincógnitaσ{\displaystyle X_{\sigma }^{\prime }}es separable. [ 13 ]

Equicontinuidad y convergencia uniforme

Sea X un espacio compacto de Hausdorff, y equipemos C ( X ) con la norma uniforme , haciendo así que C ( X ) sea un espacio de Banach , y por lo tanto un espacio métrico. Entonces el teorema de Arzelà-Ascoli establece que un subconjunto de C ( X ) es compacto si y solo si es cerrado, uniformemente acotado y equicontinuo. [ 14 ] Esto es análogo al teorema de Heine-Borel , que establece que los subconjuntos de R n son compactos si y solo si son cerrados y acotados. [ 15 ] Como corolario, toda sucesión uniformemente acotada y equicontinua en C ( X ) contiene una subsucesión que converge uniformemente a una función continua en X .

En vista del teorema de Arzelà-Ascoli, una sucesión en C ( X ) converge uniformemente si y solo si es equicontinua y converge puntualmente. La hipótesis de la afirmación puede atenuarse un poco: una sucesión en C ( X ) converge uniformemente si es equicontinua y converge puntualmente en un subconjunto denso a alguna función en X (sin asumir que sea continua).

Prueba

Supongamos que f j es una sucesión equicontinua de funciones continuas en un subconjunto denso D de X. Sea ε  >  0 dado. Por equicontinuidad, para cada zD , existe un entorno U z de z tal que

|Fj(incógnita)Fj(z)|<ϵ/3{\displaystyle |f_{j}(x)-f_{j}(z)|<\epsilon /3}

para todo j y xU z . Por densidad y compacidad, podemos encontrar un subconjunto finito D′D tal que X es la unión de U z sobre zD′ . Dado que f j converge puntualmente en D′ , existe N > 0 tal que

|Fj(z)Fk(z)|<ϵ/3{\displaystyle |f_{j}(z)-f_{k}(z)|<\epsilon /3}

siempre que zD′ y j , k > N . Se deduce que

sorberincógnita|FjFk|<ϵ{\displaystyle \sup _{X}|f_{j}-f_{k}|<\epsilon }

para todo j , k > N. De hecho, si xX , entonces xU z para algún zD′ y por lo tanto obtenemos:

|Fj(incógnita)Fk(incógnita)||Fj(incógnita)Fj(z)|+|Fj(z)Fk(z)|+|Fk(z)Fk(incógnita)|<ϵ{\displaystyle |f_{j}(x)-f_{k}(x)|\leq |f_{j}(x)-f_{j}(z)|+|f_{j}(z)-f_{k}(z)|+|f_{k}(z)-f_{k}(x)|<\epsilon }.

Por lo tanto, f j es Cauchy en C ( X ) y, por consiguiente, converge por completitud.

Esta versión más débil se usa típicamente para demostrar el teorema de Arzelà-Ascoli para espacios compactos separables. Otra consecuencia es que el límite de una sucesión equicontinua puntualmente convergente de funciones continuas en un espacio métrico, o en un espacio localmente compacto, es continuo. (Véase más abajo un ejemplo). En lo anterior, la hipótesis de compacidad de X no se puede relajar. Para ver eso, consideremos una función continua con soporte compacto g en R con g (0)  = 1, y consideremos la sucesión equicontinua de funciones { ƒ n } en R definida por ƒ n ( x )  = g ( xn ) . Entonces, ƒ n converge puntualmente a 0 pero no converge uniformemente a 0.

Este criterio de convergencia uniforme suele ser útil en el análisis real y complejo. Supongamos que tenemos una sucesión de funciones continuas que converge puntualmente en algún subconjunto abierto G de R n . Como se mencionó anteriormente, converge uniformemente en un subconjunto compacto de G si es equicontinua en dicho conjunto. En la práctica, demostrar la equicontinuidad no suele ser tan difícil. Por ejemplo, si la sucesión consta de funciones diferenciables o con cierta regularidad (p. ej., las funciones son soluciones de una ecuación diferencial), se puede utilizar el teorema del valor medio u otros métodos de estimación para demostrar que la sucesión es equicontinua. De ello se deduce que el límite de la sucesión es continuo en todo subconjunto compacto de G ; por lo tanto, continuo en G . Un argumento similar se puede aplicar cuando las funciones son holomorfas. Se puede utilizar, por ejemplo, la estimación de Cauchy para demostrar la equicontinuidad (en un subconjunto compacto) y concluir que el límite es holomorfo. Cabe destacar que la equicontinuidad es esencial en este caso. Por ejemplo, ƒ n ( x )  = arctan n x converge a un múltiplo de la función signo discontinua .

Generalizaciones

Equicontinuidad en espacios topológicos

El escenario más general en el que se puede definir la equicontinuidad es para espacios topológicos, mientras que la equicontinuidad uniforme requiere que el filtro de vecindades de un punto sea de alguna manera comparable con el filtro de vecindades de otro punto. Esto último se realiza generalmente mediante una estructura uniforme , que da como resultado un espacio uniforme . Las definiciones apropiadas en estos casos son las siguientes:

Un conjunto A de funciones continuas entre dos espacios topológicos X e Y es topológicamente equicontinuo en los puntos xX e yY si para cualquier conjunto abierto O alrededor de y , existen entornos U de x y V de y tales que para cada fA , si la intersección de f [ U ] y V no es vacía, f [ U ] ⊆ O. Entonces se dice que A es topológicamente equicontinuo en xX si es topológicamente equicontinuo en x e y para cada yY. Finalmente, A es equicontinuo si es equicontinuo en x para todos los puntos xX.
Un conjunto A de funciones continuas entre dos espacios uniformes X e Y es uniformemente equicontinuo si para cada elemento W de la uniformidad en Y , el conjunto
{ ( u,v ) ∈ X × X : para todo f A . ( f ( u ), f ( v )) ∈ W }
es un miembro de la uniformidad en X
Un concepto más débil es el de continuidad uniforme.
Se dice que un conjunto A de funciones continuas entre dos espacios topológicos X e Y es uniformemente continuo en xX e yY si, dado cualquier conjunto abierto O que contenga a y, existen entornos U de x y V de y tales que f [ U ] ⊆ O siempre que f ( x ) ∈ V . Es uniformemente continuo en x si es uniformemente continuo en x e y para todo yY , y uniformemente continuo si es uniformemente continuo en x para todo xX .

Equicontinuidad estocástica

La equicontinuidad estocástica es una versión de la equicontinuidad utilizada en el contexto de secuencias de funciones de variables aleatorias y su convergencia . [ 16 ]

Véase también

Notas

  1. De forma más general, en cualquier espacio generado de forma compacta ; por ejemplo, un espacio numerable de primer orden .
  2. Rudin 1991 , pág. 44 §2.5.
  3. Reed y Simon (1980) , pág. 29; Rudin (1987) , pág. 245
  4. Reed y Simon (1980) , pág. 29
  5. Alan F. Beardon, S. Axler, FW Gehring, KA Ribet : Iteración de funciones racionales: Sistemas dinámicos analíticos complejos. Springer, 2000; ISBN 0-387-95151-2, ISBN 978-0-387-95151-5; página 49
  6. Joseph H. Silverman  : La aritmética de los sistemas dinámicos. Springer, 2007. ISBN 0-387-69903-1, ISBN 978-0-387-69903-5; página 22
  7. Rudin 1991 , pág. 44 Teorema 2.4.
  8. 1 2 3 4 5 Narici y Beckenstein 2011 , págs. 225–273.
  9. ^ Trèves 2006 , págs . 335–345 . 
  10. ^ Trèves 2006 , págs . 346–350 . 
  11. Schaefer 1966 , Teorema 4.2.
  12. Schaefer 1966 , Corolario 4.3.
  13. 1 2 3 Schaefer y Wolff 1999 , págs. 123–128.
  14. Rudin 1991 , pág. 394 Apéndice A5.
  15. Rudin 1991 , pág. 18 Teorema 1.23.
  16. de Jong, Robert M. (1993). «Equicontinuidad estocástica para procesos de mezcla». Teoría asintótica de métodos de espacio de parámetros en expansión y dependencia de datos en econometría . Ámsterdam. págs. 53–72 . ISBN  90-5170-227-2.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: falta el editor de ubicación ( enlace )

Referencias

  • "Equicontinuidad" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]
  • Reed, Michael; Simon, Barry (1980), Análisis funcional (edición revisada y ampliada  ), Boston, MA: Academic Press , ISBN 978-0-12-585050-6.
  • Narici, Lawrence; Beckenstein, Edward (2011). Espacios vectoriales topológicos . Matemáticas puras y aplicadas (Segunda  edición). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1584888666OCLC 144216834 
  • Rudin, Walter (1991). Análisis funcional . Serie internacional de matemáticas puras y aplicadas. Vol.  8 (Segunda  edición). Nueva York, NY: McGraw-Hill Science/Engineering/Math . ISBN 978-0-07-054236-5OCLC 21163277 
  • Rudin, Walter (1987), Análisis real y complejo (3.ª  ed.), Nueva York: McGraw-Hill.
  • Schaefer, Helmut H. (1966), Espacios vectoriales topológicos , Nueva York: The Macmillan Company
  • Schaefer, Helmut H.; Wolff, Manfred P. (1999). Espacios vectoriales topológicos . GTM . Vol.  8 (Segunda  edición). Nueva York, NY: Springer New York Imprint Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0OCLC 840278135 
  • Trèves, François (2006) [1967]. Espacios vectoriales topológicos, distribuciones y núcleos . Mineola, Nueva York: Publicaciones de Dover. ISBN 978-0-486-45352-1OCLC 853623322 .​