En análisis matemático , una familia de funciones es equicontinua si todas las funciones son continuas y tienen igual variación en una vecindad determinada , en el sentido preciso que se describe aquí. En particular, el concepto se aplica a familias contables y, por 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 compacto de Hausdorff X , es compacto si y sólo si es cerrado, acotado puntualmente y equicontinuo. Como corolario, una secuencia en C ( X ) es uniformemente convergente si y sólo si es equicontinua y converge puntualmente a una función (no necesariamente continua a priori). En particular, el límite de una secuencia convergente puntual equicontinua de funciones continuas f n en un espacio métrico o en un espacio localmente compacto [1] es continuo. Si, además, f n son holomorfos , entonces el límite también es holomorfo.
El principio de acotación uniforme establece que una familia acotada puntualmente de operadores lineales continuos entre espacios de Banach es equicontinua. [2]
Sean X e Y dos espacios métricos y F una familia de funciones de X a Y. Denotaremos por d las respectivas métricas de estos espacios.
La familia F es equicontinua en un punto x 0 ∈ X si para cada ε > 0, existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 0 ), ƒ ( x )) < ε para todo ƒ ∈ F 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 cada ε > 0, existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 1 ), ƒ ( x 2 )) < ε para todo ƒ ∈ F y todo x 1 , x 2 ∈ X 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 ƒ ∈ F y cada x 0 ∈ X , existe un δ > 0 tal que d ( ƒ ( x 0 ), ƒ ( x )) < ε para todo x ∈ X tal que d ( x 0 , x ) < δ.
De manera 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 cada ε > 0, x tiene una vecindad U x tal que
para todo y ∈ U 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 sólo si es equicontinuo en todos los puntos, esencialmente por la misma razón que la continuidad uniforme y la continuidad coinciden en espacios compactos. Utilizado por sí solo, el término "equicontinuidad" puede referirse a la noción puntual o uniforme, según el contexto. En un espacio compacto, estas nociones coinciden.
Algunas propiedades básicas se derivan inmediatamente de la definición. Todo conjunto finito de funciones continuas es equicontinuo. El cierre de un conjunto equicontinuo es nuevamente equicontinuo. Cada miembro de un conjunto uniformemente equicontinuo de funciones es uniformemente continuo , y todo conjunto finito de funciones uniformemente continuas es uniformemente equicontinuo.
Supongamos que T es un espacio topológico e Y es un grupo topológico aditivo (es decir, un grupo dotado de una topología que hace que sus operaciones sean continuas). Los espacios vectoriales topológicos son ejemplos destacados de grupos topológicos y cada grupo topológico tiene una uniformidad canónica asociada .
Tenga en cuenta que si H es equicontinuo en un punto, entonces cada aplicación en H es continua en el punto. Claramente, todo conjunto finito de funciones continuas de T a Y es equicontinuo.
Debido a que cada espacio vectorial topológico (TVS) es un grupo topológico, la definición de una familia equicontinua de mapas dada para grupos topológicos se transfiere a TVS sin cambios.
Se dice que una familia de mapas de la forma entre dos espacios vectoriales topológicos es equicontinua en un punto si para cada vecindad del origen en existe alguna vecindad del origen en tal que para todos
Si es una familia de aplicaciones y es un conjunto entonces let Con notación, si y son conjuntos entonces para todos si y solo si
Sean y espacios vectoriales topológicos (TVS) y una familia de operadores lineales desde dentro. Entonces los siguientes son equivalentes:
mientras que si es localmente convexo , esta lista puede ampliarse para incluir:
mientras que si y son localmente convexos , esta lista puede ampliarse para incluir:
mientras que si tiene forma de cañón y es localmente convexo, esta lista puede ampliarse para incluir:
mientras que si y son espacios de Banach , esta lista puede ampliarse para incluir:
Sea un espacio vectorial topológico (TVS) sobre el campo con espacio dual continuo. Se dice que una familia de funcionales lineales es equicontinua en un punto si para cada vecindad del origen en existe alguna vecindad del origen en tal que para todos
Para cualquier subconjunto, los siguientes son equivalentes: [9]
mientras que si está normado entonces esta lista podrá ampliarse para incluir:
mientras que si es un espacio con barriles , esta lista puede ampliarse para incluir:
El principio de acotación uniforme (también conocido como teorema de Banach-Steinhaus) establece que un conjunto de aplicaciones lineales entre espacios de Banach es equicontinuo si está acotado puntualmente; es decir, para cada El resultado se puede generalizar a un caso en el que es localmente convexo y es un espacio en forma de barril . [12]
El teorema de Alaoglu implica que el cierre débil-* de un subconjunto equicontinuo de es compacto débil-*; por tanto, todo subconjunto equicontinuo es débil-* relativamente compacto. [13] [9]
Si es un TVS localmente convexo, entonces la familia de todos los barriles y la familia de todos los subconjuntos de los que son convexos, equilibrados, cerrados y acotados se corresponden entre sí por polaridad (con respecto a ). [14] De ello se deduce que un TVS localmente convexo tiene forma de cañón si y sólo si cada subconjunto acotado de es equicontinuo. [14]
Teorema : supongamos que se trata de un TVS separable . Entonces cada subconjunto cerrado equicontinuo de es un espacio metrizable compacto (bajo la topología del subespacio). Si además es metrizable entonces es separable. [14]
Sea X un espacio compacto de Hausdorff y equipe a C ( X ) con la norma uniforme , haciendo así de C ( X ) un espacio de Banach , por lo tanto, un espacio métrico. Entonces el teorema de Arzelà-Ascoli establece que un subconjunto de C ( X ) es compacto si y sólo si es cerrado, uniformemente acotado y equicontinuo. [15] Esto es análogo al teorema de Heine-Borel , que establece que los subconjuntos de R n son compactos si y sólo si son cerrados y acotados. [16] Como corolario, cada secuencia equicontinua uniformemente acotada en C ( X ) contiene una subsecuencia que converge uniformemente a una función continua en X.
En vista del teorema de Arzelà-Ascoli, una secuencia en C ( X ) converge uniformemente si y sólo si es equicontinua y converge puntualmente. La hipótesis del enunciado puede debilitarse un poco: una secuencia en C ( X ) converge uniformemente si es equicontinua y converge puntualmente en un subconjunto denso a alguna función en X (no se supone continua).
Supongamos que f j es una secuencia equicontinua de funciones continuas en un subconjunto denso D de X. Sea ε > 0. Por equicontinuidad, para cada z ∈ D , existe una vecindad U z de z tal que
para todo j y x ∈ U z . Por densidad y compacidad, podemos encontrar un subconjunto finito D′ ⊂ D tal que X es la unión de U z sobre z ∈ D′ . Dado que f j converge puntualmente en D′ , existe N > 0 tal que
siempre que z ∈ D′ y j , k > N . Resulta que
para todo j , k > norte . De hecho, si x ∈ X , entonces x ∈ U z para algún z ∈ D′ y entonces obtenemos:
Por lo tanto, f j es Cauchy en C ( X ) y, por lo tanto, converge por completitud.
Esta versión más débil se utiliza normalmente para demostrar el teorema de Arzelà-Ascoli para espacios compactos separables. Otra consecuencia es que el límite de una secuencia convergente puntual equicontinua de funciones continuas en un espacio métrico, o en un espacio localmente compacto, es continuo. (Véase un ejemplo a continuación). En lo anterior, la hipótesis de compacidad de X no se puede relajar. Para ver eso, considere una función continua soportada compactamente g en R con g (0) = 1, y considere la secuencia equicontinua de funciones { ƒ n } en R definida por ƒ n ( x ) = g ( x − n ) . Entonces, ƒ n converge puntualmente a 0 pero no converge uniformemente a 0.
Este criterio de convergencia uniforme suele ser útil en análisis reales y complejos. Supongamos que tenemos una secuencia de funciones continuas que converge puntualmente en algún subconjunto abierto G de R n . Como se señaló anteriormente, en realidad converge uniformemente en un subconjunto compacto de G si es equicontinuo en el conjunto compacto. En la práctica, mostrar la equicontinuidad no suele ser tan difícil. Por ejemplo, si la secuencia consta de funciones diferenciables o funciones con cierta regularidad (p. ej., las funciones son soluciones de una ecuación diferencial), entonces se puede utilizar el teorema del valor medio o algún otro tipo de estimaciones para demostrar que la secuencia es equicontinua. Entonces se deduce que el límite de la secuencia es continuo en cada subconjunto compacto de G ; por tanto, continua en G . Se puede presentar un argumento similar cuando las funciones son holomorfas. Se puede utilizar, por ejemplo, la estimación de Cauchy para mostrar la equicontinuidad (en un subconjunto compacto) y concluir que el límite es holomórfico. Tenga en cuenta que la equicontinuidad es esencial aquí. Por ejemplo, ƒ n ( x ) = arctan n x converge a un múltiplo de la función de signo discontinua .
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 vecindad de un punto sea de alguna manera comparable con el filtro de vecindad de otro punto. Esto último generalmente se hace mediante una estructura uniforme , dando un espacio uniforme . Las definiciones apropiadas en estos casos son las siguientes:
Ahora describimos brevemente la idea básica que subyace a las uniformidades.
La uniformidad 𝒱 es una colección no vacía de subconjuntos de Y × Y donde, entre muchas otras propiedades, cada V ∈ 𝒱 , V contiene la diagonal de Y (es decir, {( y , y ) ∈ Y } ). Cada elemento de 𝒱 se llama séquito .
Las uniformidades generalizan la idea (tomada de espacios métricos ) de puntos que están " r -cerca" (para r > 0 ), lo que significa que su distancia es < r . Para aclarar esto, supongamos que ( Y , d ) es un espacio métrico (por lo que la diagonal de Y es el conjunto {( y , z ) ∈ Y × Y : d ( y , z ) = 0} ) Para cualquier r > 0 , dejar
denota el conjunto de todos los pares de puntos que son r -cercanos. Tenga en cuenta que si "olvidáramos" que d existía, entonces, para cualquier r > 0 , aún podríamos determinar si dos puntos de Y están r cerca o no usando solo los conjuntos U r . De esta manera, los conjuntos U r encapsulan toda la información necesaria para definir cosas como la continuidad uniforme y la convergencia uniforme sin necesidad de ninguna métrica. Axiomatizar las propiedades más básicas de estos conjuntos conduce a la definición de uniformidad . De hecho, los conjuntos U r generan la uniformidad que está canónicamente asociada con el espacio métrico ( Y , d ) .
El beneficio de esta generalización es que ahora podemos extender algunas definiciones importantes que tienen sentido para espacios métricos (por ejemplo, completitud ) a una categoría más amplia de espacios topológicos. En particular, a grupos topológicos y espacios vectoriales topológicos .
La equicontinuidad estocástica es una versión de la equicontinuidad utilizada en el contexto de secuencias de funciones de variables aleatorias y su convergencia . [17]
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