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Teorema de Hahn-Banach. Forma analítica

Posted on:October 26, 2024

Teorema de Hahn-Banach. Forma analítica

Este teorema hace uso del Lema de Zorn, lo que implica el uso del Axioma de elección

Teorema. 3

Sea EE un espacio vectorial sobre K\mathbb{K} (R\mathbb{R} o C\mathbb{C}), p:ERp: E \rightarrow \mathbb{R} una función sublineal. Es decir:

  • p(λx)=λp(x)p(\lambda x) = \lambda p(x) para todo xEx \in E
  • p(x+y)p(x)+p(y)p(x+y) \leq p(x)+p(y)

Sea GG un subespacio vectorial de EE, y g:GKg: G \rightarrow \mathbb{K} un funcional lineal que satisface:

xG,g(x)p(x)\forall x \in G, \quad |g(x)| \leq p(x)

Entonces existe una extensión f:EKf: E \rightarrow \mathbb{K} de gg a todo EE que satisface:

xE,f(x)p(x)\forall x \in E, \quad |f(x)| \leq p(x)

Demostración

La idea de la demostración se basa en coger el conjunto

H={h:DhER GDhandh(x)=g(x)xG}H=\{ h:D_h \subset E \rightarrow R \ | G \subset D_h \quad and \quad h(x)=g(x) \quad \forall x \in G \}

con la relación de orden

h1h2Dh1Dh2andh1(x)=h2(x)xDh1h_1 \leq h_2 \Leftrightarrow D_{h_1} \subset D_{h_2} \quad and \quad h_1(x) = h_2(x) \quad \forall x\in D_{h_1}

Corolarios

Corolario. 4

Sea G un subespacio vectorial de E y sea g:GRg:G \rightarrow \mathbb{R} una aplicación continua y lineal de norma gG||g||_{G'}. Entonces existe f:ERf:E \rightarrow \mathbb{R} que extiende a gg tal que fE=gG ||f||_{E'} = ||g||_{G'}

La demostración basta con usar p(x)=gGxp(x) = ||g||_{G'} ||x||

Corolario. 5

Para todo x0Ex_0 \in E existe f0Ef_0 \in E' tal que

f0=x0yf0(x0)=x02||f_0|| = ||x_0|| \quad y \quad f_0(x_0) = ||x_0||^2

Aplicacmos el corolario anterior a G=Rx0G=\mathbb{R} x_0 y $g(tx_0) = t||x_0||^2

Corolario. 6

Para todo xEx \in E se tiene

x=supfEf1f(x)=maxfEf1f(x)||x|| = \sup_{f \in E' \quad ||f||\leq 1}{f(x)} = \max_{f \in E' \quad ||f||\leq 1}{f(x)}