Facoltà di Scienze Corso di Laurea in Matematica Scritto di Analisi Funzionale Ferrara, 8.6.2011 (1) (9 crediti)(8 punti) Sia X uno spazio di Banach e Y un suo sottoinsieme denso e (Fn )n una successione in X 0 . Dimostrare che: (Fn )n converge debolmente ∗ in X 0 ⇐⇒ (Fn )n é limitata in X 0 e (Fn (y))n converge per ogni y ∈ Y . (2) Sia T : c0 → c0 (dove c0 denota lo spazio di Banach delle successioni infinitesime, dotato della norma k · k∞ ) l’operatore lineare definito da T (x) = (xn − xn+1 )n∈N per ogni x = (xn )n∈N ∈ c0 . (a) (6/8 punti) Provare che T e’ continuo e calcolarne la norma; (b) (3/4 punti) Per ogni x = (xn )n∈N ∈ c0 sia ||x||T = kT xk∞ + ||x||∞ . Si verifichi che k · kT e’ una norma equivalente a k · k∞ . (c) (3/5 punti) dimostrare che T e’ iniettivo; (d) (4/5 punti) stabilire se T e’ un isomorfismo topologico. (3) (6/8 punti) Siano X, Y spazi di Banach e sia T : X → Y un operatore lineare tale che f ◦ T ∈ X 0 per ogni f ∈ Y 0 . Provare che T e’ continuo. 1 2 Risoluzione. (1) =⇒ Se (Fn )n converge debolmente ∗ in X 0 a un funzionale F allora per definizione di convergenze debole * (Fn (x))n converge per ogni x ∈ X. In particolare questa proprieta’ vale per ogni y ∈ Y . Inoltre per ogni x ∈ X (Fn (x))n e’ una successione (reale) limitata. In particolare, da un corollario al Teorema di B.S. (vedi Cor. II.4 del Brezis con B 0 = {Fn }n ) segue che la successione {Fn }n e’ limitata. ⇐= Sia x ∈ X. Proviamo che la successione Fn (x) e’ convergente. A tal fine e’ sufficiente provare che tale successione e’ di Cauchy. Assumiamo che supn ||Fn ||0X > 0 (altrimenti e’ ovvio che Fn ≡ 0 per ogni n e quindi Fn (x) → 0 per ogni x ∈ X.) Ora sia > 0 e sia y ∈ Y tale che ky − xk ≤ 4 sup ||F . Allora n || 0 n X |Fn (x) − Fm (x)| ≤ ≤ |Fn (x) − Fn (y)| + |Fn (y) − Fm (y)| + |Fm (y) − Fm (x)| ≤ 2 sup ||Fn ||X 0 ky − xk + |Fn (y) − Fm (y)| ≤ + |Fn (y) − Fm (y)|. 2 n Essendo Fn (y) di Cauchy (in quanto y ∈ Y ) vale che esiste n0 tale che |Fn (y) − Fm (y)| ≤ 2 per ogni n, m ≥ n0 . Cosi’ segue che |Fn (x) − Fm (x)| ≤ per ogni n, m ≥ n0 . Ora definiamo F (x) := lim Fn (x). Essendo F limite puntuale di operatori lineari, da un corollario al Teorema di B. S. F e’ un funzionale lineare e continuo e dalla definizione di convergenza debole *, vale che la successione (Fn )n converge a F rispetto alla topologia debole *. (2) (a) Poiche’ per ogni x ∈ c0 e per ogni k ∈ N |xk − xk+1 | ≤ |xk | + |xk+1 | ≤ sup |xn | + sup |xn | = n n = 2 sup |xn | = 2kxk∞ n segue che kT (x)k∞ = sup |xk − xk+1 | ≤ 2kxk∞ . k Quindi l’operatore lineare T é continuo con ||T || ≤ 2. Inoltre, definita x̄ ∈ c0 tale che x̄1 = 1, x̄2 = −1 e x̄n = 0 per ogni n ≥ 3 vale che kx̄k∞ = 1 e (T x̄)1 = x1 − x2 = 2 da cui ||T || ≥ 2. (b) Per provare che k · kT e’ una norma osserviamo che (i) k · kT ≥ 0; (ii) kxkT = 0 implica kxk∞ = 0 da cui x = 0; 3 (iii) per ogni x, y ∈ c0 dalla linearita’ di T segue che kx + ykT = kx + yk∞ + kT (x + y)k∞ ≤ kxk∞ + kyk∞ + kT x + T yk∞ ≤ kxk∞ + kyk∞ + kT xk∞ + kT yk∞ = kxkT + kykT ; (iv) per ogni x ∈ c0 e per ogni λ ∈ R, dalla linearita’ di T segue che kλxkT = kλxk∞ + kT (λx)k∞ = |λ|kxk∞ + kλT xk∞ = |λ|kxk∞ + kλT xk∞ |λ|kxkT (c) per dimostrare che T e’ iniettivo e’ sufficiente provare che Ker(T ) = {0}. Sia x ∈ Ker(T ). Allora xn − xn+1 = 0 per ogni n ∈ N ossia xn = xn+1 per ogni n ∈ N ossia la successione (xn )n e’ costante. Dovendo appartenere a c0 segue che x = 0. (d) dimostriamo che T non e’ suriettivo. Infatti, scelto y = ( n1 )n∈N proviamo che non esiste x ∈ c0 tale che T x = y. Se per assurdo esistesse tale x ∈ c0 allora xn+1 = xn − n1 per ogni n ∈ N da P cui e’ facile concludere che xn+1 = x0 − ni=1 1i per ogni n ∈ N. P P 1 Per n → +∞ otterremo 0 = x0 − n n1 ossia la serie n n convergerebbe a x0 . Assurdo. (3) Per dimostrare che T é continuo e’ sufficiente provare che se B1 e’ la palla unitaria di X allora T (B1 ) e’ un sottoinsieme limitato di Y . Essendo f ◦ T ∈ X 0 segue che f ◦ T (B1 ) = f (T (B1 )) e’ un sottoinsieme limitato di R. Dal corollario II.3 del Brezis (applicato con B = T (B1 ) e G = Y ) segue che T (B1 ) e’ limitato in Y .