Operatori in spazi di Banach

Messaggioda Cantor99 » 04/03/2020, 17:45

Salve sto svolgendo il seguente esercizio e vi chiedo se è svolto bene.
Si munisca lo spazio vettoriale dei polinomi $X=\mathbb{R}[\lambda]$ della norma
\[
||p||=\max_{0\le \lambda \le 1}|p(\lambda)| \mbox{ dove } p=a_{0}+a_{1}\lambda+\cdots +a_{n}\lambda^{n}
\]
1) Stabilire se $X$ è uno spazio di Banach;
2) Calcolare $||D||_{op}$, dove $D$ è l'operatore di derivazione.

1) Secondo me $X$ non è di Banach. Per esempio la successione di polinomi
\[
p_{n}=\sum_{i=0}^{n}\frac{1}{i!}x^{i}
\]
è di Cauchy ma non converge ad alcun polinomio. Che sia di Cauchy dovrebbe dipendere dal fatto che $||p_{n}||=\sum_{i=0}^{n}\frac{1}{i!}$ e che la successione $\sum_{i=0}^{n}\frac{1}{i!}$ è di Cauchy con la solita distanza euclidea.
2)Per il secondo punto avevo considerato i polinomi $p_{k}=\lambda^{k}$. Per questi $||p_{k}||=1$ e $||Dp_{k}||=k$: quindi per ogni $k\in \mathbb{N}$ risulta
\[
||D||_{op}\ge \frac{||Dp^{k}||}{||p^{k}||}=k
\]
da cui $||D||_{op}=+\infty$.

Grazie
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda otta96 » 04/03/2020, 19:17

Non hai spiegato perché la successione non converge ad un polinomio. Il resto va bene.
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda Cantor99 » 05/03/2020, 00:39

Grazie per la risposta.

Sono andato troppo di pancia e non riesco ora a trovarne una motivazione precisa (per ora ho dimostrato, senza neanche averne troppo la certezza, che se $p$ è il polinomio limite si ha $||p||=e$ e $||p-p_{m}||=e-||p_{m}||$, dove $m$ è il grado di $p$). Qualche hint?
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda obnoxious » 05/03/2020, 10:17

Cantor99 ha scritto:Grazie per la risposta.

Sono andato troppo di pancia e non riesco ora a trovarne una motivazione precisa (per ora ho dimostrato, senza neanche averne troppo la certezza, che se $p$ è il polinomio limite si ha $||p||=e$ e $||p-p_{m}||=e-||p_{m}||$, dove $m$ è il grado di $p$). Qualche hint?

Beh ci sei quasi. La successione \( p_n (x) \) che hai definito è di Cauchy e converge uniformemente ad \( e^x \) (che non è un polinomio) su \( [0,1]\). Nota che i polinomi sono densi in \( C^0 ([0,1]) \) per Stone-Weierstrass, quindi in generale successioni di Cauchy di polinomi "escono" dallo spazio dei polinomi.
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda Cantor99 » 05/03/2020, 13:10

Grazie per la risposta, tra l'altro non avevo fatto caso che lo spazio dei polinomi con quella norma è sottospazio di $C^{0}[0,1]$ con la supnorma.

Quindi per concludere velocemente basta dimostrare che $p_{n}\to e^{x}$ in $C^{0}[0,1]$?
Dovrebbe seguire dal fatto che il resto della serie esponenziale è infinitesimo
\[
||e^{x}-p_{n}||\le \sum_{i=n+1}^{+\infty}\frac{1}{i!}\to 0
\]



Senza usare Stone-Weierstrass, mi è venuta questa idea: faccio vedere che $Dp=p$, da cui dovrebbe risultare che $p=0$, assurdo. Dando per buono che possa scambiare l'operatore di derivata con quello di limite ho
\[
Dp=D(\lim_{n\to+\infty} p_{n})=\lim_{n\to+\infty} D(p_{n})=\lim_{n\to+\infty}p_{n-1}=p
\]
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda dissonance » 05/03/2020, 14:58

Ma cosa significa "lim"? Devi specificarlo. Limite puntuale? E non puoi "dare per buono" che limite e derivata commutano, in questo contesto. Infatti, a posteriori, stai dimostrando esattamente che \(D\) NON è continuo rispetto alla norma assegnata.

Inoltre, per seguire il suggerimento di obnoxious non serve Stone-Weierstrass, basta sapere che \(e^x\) non è un polinomio.
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda Cantor99 » 05/03/2020, 16:17

Ottimo quindi ho concluso.

$p=\lim_{n\to+\infty}p_{n}$ se e solo se $p_{n}\to p$ nella nostra norma, cioè $||p-p_{n}||\to 0$. In teoria sarebbe la solita convergenza uniforme in $C^{0}[0,1]$ (?)
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda dissonance » 05/03/2020, 16:53

Certo che sarebbe la solita convergenza uniforme. Ma allora NON puoi scambiare \(D\) con \(\lim\). E' proprio quello che stai dimostrando, \(D\) non è un operatore limitato e quindi non è neanche continuo! :-)
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda Cantor99 » 05/03/2020, 17:40

Sisi, in effetti ha poco senso. Grazie a tutti.

Se posso chiedervi un'ulteriore consiglio: se voglio dimostrare che uno spazio è di Banach conviene sempre partire dal prendere una successione di Cauchy e trovarne un'estratta convergente nello spazio? Ci sono criteri utili (per ora ne conosco di "poco utili")
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Re: Operatori in spazi di Banach

Messaggioda dissonance » 05/03/2020, 18:03

Questa domanda non può avere una risposta generale. La completezza di uno spazio normato è la prima delle proprietà che identificano gli spazi "giusti", quelli in cui si può fare dell'analisi, e quindi necessariamente è una cosa non banale, in generale. Se fosse solo una verifica tecnica, la proprietà di completezza non sarebbe così profonda.

L'unico "criterio" generale è quello dei sottospazi; un sottospazio vettoriale di uno spazio di Banach è completo se e solo se esso è chiuso. E' questo il criterio usato per il presente esercizio.
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