Tipos de funciones en álgebra lineal
En álgebra lineal , una función sublineal (o funcional , como se usa más a menudo en análisis funcional ), también llamada cuasi-seminorma o funcional de Banach , en un espacio vectorial es una función de valor real con solo algunas de las propiedades de una seminorma . A diferencia de las seminormas, una función sublineal no tiene que tener un valor no negativo y tampoco tiene que ser absolutamente homogénea . Las seminormas son en sí mismas abstracciones de la noción más conocida de normas , donde una seminorma tiene todas las propiedades definitorias de una norma excepto que no se requiere que mapee vectores no nulos a valores no nulos.
En el análisis funcional se utiliza a veces el nombre de función de Banach , lo que refleja que se utilizan más comúnmente cuando se aplica una formulación general del teorema de Hahn-Banach . La noción de función sublineal fue introducida por Stefan Banach cuando demostró su versión del teorema de Hahn-Banach .
También existe una noción diferente en informática , que se describe a continuación, que también se conoce con el nombre de "función sublineal".
Definiciones
Sea un espacio vectorial sobre un cuerpo donde son los números reales o los números complejos.
Una función de valor real en se llama función sublineal (o unafuncional sublineal si), y también a veces llamadocuasi-seminorma o unaFuncional de Banach , si tiene estas dos propiedades:
- Homogeneidad positiva / Homogeneidad no negativa : para todos los realesy todos
- Esta condición se cumple si y sólo si para todos los reales positivos y todos
- Subaditividad / Desigualdad triangular : para todos
- Esta condición de subaditividad requiere tener un valor real.
Una función se llamapositivoono negativo sipara todosaunque algunos autoresdefinenpositivo en lugar de significar quesiempreque estas definiciones no sean equivalentes. Es unafunción simétrica sipara todo
Toda función simétrica subaditiva es necesariamente no negativa.[prueba 1]
Una función sublineal en un espacio vectorial real es simétrica si y solo si es unaseminorma. Una función sublineal en un espacio vectorial real o complejo es una seminorma si y solo si es unafunción balanceadao equivalentemente, si y solo sipara cadaunidad de longitudescalar(que satisface) y cada
El conjunto de todas las funciones sublineales en denotadas por se puede ordenar parcialmente declarando si y solo si para todo
Una función sublineal se llama mínima si es un elemento mínimo de bajo este orden. Una función sublineal es mínima si y solo si es una función lineal real .
Ejemplos y condiciones suficientes
Toda norma , seminorma y funcional lineal real es una función sublineal. La función identidad en es un ejemplo de una función sublineal (de hecho, incluso es una funcional lineal) que no es ni positiva ni seminorma; lo mismo es cierto para la negación de esta función
De manera más general, para cualquier real la función
es una función sublineal en y además, toda función sublineal es de esta forma; específicamente, si y entonces y
Si y son funciones sublineales en un espacio vectorial real, entonces también lo es el mapa. De manera más general, si es cualquier colección no vacía de funcionales sublineales en un espacio vectorial real y si para todos entonces es un funcional sublineal en
Una función que es subaditiva , convexa y satisface también es positivamente homogénea (la última condición es necesaria como lo demuestra el ejemplo de en ). Si es positivamente homogénea, es convexa si y solo si es subaditiva. Por lo tanto, suponiendo , dos propiedades cualesquiera entre subaditividad, convexidad y homogeneidad positiva implica la tercera.
Propiedades
Toda función sublineal es una función convexa : Para
Si es una función sublineal en un espacio vectorial entonces [prueba 2]
para cada lo que implica que al menos uno de y debe ser no negativo; es decir, para cada
Además, cuando es una función sublineal en un espacio vectorial real entonces la función definida por es una seminorma.
La subaditividad de garantiza que para todos los vectores [prueba 3],
por lo que si también es simétrico, entonces la desigualdad del triángulo inverso se cumplirá para todos los vectores.
Definir entonces la subaditividad también garantiza que para todo el valor de en el conjunto es constante e igual a [prueba 4]
En particular, si es un subespacio vectorial de entonces y la asignación que se denotará por es una función sublineal de valor real bien definida en el espacio cociente que satisface Si es una seminorma entonces es simplemente la norma canónica habitual en el espacio cociente
Sumando ambos lados de la hipótesis (donde ) y combinando eso con la conclusión se obtiene
que produce muchas más desigualdades, incluyendo, por ejemplo,
una en la que una expresión de un lado de una desigualdad estricta se puede obtener del otro reemplazando el símbolo con (o viceversa) y moviendo el paréntesis de cierre a la derecha (o izquierda) de un sumando adyacente (todos los demás símbolos permanecen fijos y sin cambios).
Seminorma asociada
Si es una función sublineal de valor real en un espacio vectorial real (o si es compleja, entonces cuando se considera como un espacio vectorial real), entonces la función define una seminorma en el espacio vectorial real llamada seminorma asociada con
Una función sublineal en un espacio vectorial real o complejo es una función simétrica si y solo si donde como antes.
De manera más general, si es una función sublineal de valor real en un espacio vectorial (real o complejo), entonces
definirá una seminoma en si este supremo es siempre un número real (es decir, nunca igual a ).
Relación con los funcionales lineales
Si es una función sublineal en un espacio vectorial real , entonces las siguientes son equivalentes:
- es una funcional lineal .
- Para cada uno
- Para cada uno
- es una función sublineal mínima.
Si es una función sublineal en un espacio vectorial real entonces existe una función lineal en tal que
Si es un espacio vectorial real, es una función lineal en y es una función sublineal positiva en entonces en si y solo si
Dominando una función lineal
Se dice que una función de valor real definida en un subconjunto de un espacio vectorial real o complejo está dominada por una función sublineal si para cada que pertenece al dominio de
Si es una funcional lineal real en entonces está dominada por (es decir, ) si y solo si
Además, si es una seminorma o alguna otra función simétrica (lo que por definición significa que se cumple para todos ) entonces si y solo si
Continuidad
Supongamos que es un espacio vectorial topológico (TVS) sobre los números reales o complejos y es una función sublineal en
Entonces los siguientes son equivalentes:
- es continuo;
- es continua en 0;
- es uniformemente continua en ;
Y si es positivo, esta lista puede ampliarse para incluir:
- está abierto en
Si es un TVS real, es una función lineal en y es una función sublineal continua en entonces en implica que es continua.
Relación con las funciones de Minkowski y los conjuntos convexos abiertos
Relación con conjuntos convexos abiertos
PruebaSea un subconjunto abierto y convexo de
Si entonces sea y en caso contrario sea arbitrario. Sea el funcional de Minkowski de que es una función sublineal continua en ya que es convexo, absorbente y abierto ( sin embargo no es necesariamente una seminorma ya que no se supuso que estuviera equilibrado ). De ello se deduce que
Se demostrará que que completará la prueba. Una de las propiedades conocidas de los funcionales de Minkowski garantiza donde ya que es convexo y contiene el origen. Por lo tanto, como se desea.
Operadores
El concepto se puede extender a operadores que sean homogéneos y subaditivos. Esto requiere solamente que el codominio sea, por ejemplo, un espacio vectorial ordenado para que las condiciones tengan sentido.
Definición de informática
En informática , una función se denomina sublineal si o en notación asintótica (nótese la minúscula ). Formalmente, si y solo si, para cualquier dado existe una función tal que para [8]
Es decir, crece más lentamente que cualquier función lineal. No deben confundirse los dos significados: mientras que una función de Banach es convexa , ocurre casi lo opuesto para las funciones de crecimiento sublineal: toda función puede estar acotada superiormente por una función cóncava de crecimiento sublineal. [9]
Véase también
Notas
Pruebas
- ^ Sea La desigualdad y simetría del triángulo implican Sustituir y luego restar de ambos lados demuestra que Por lo tanto, lo que implica
- ^ Si y entonces la homogeneidad no negativa implica que En consecuencia, lo cual sólo es posible si
- ^ lo cual sucede si y sólo si Sustituyendo y se obtiene lo que implica (no se necesita homogeneidad positiva; la desigualdad triangular es suficiente).
- ^ Sea y Queda por demostrar que La desigualdad triangular implica Dado que como se desea.
Referencias
Bibliografía
- Kubrusly, Carlos S. (2011). Los elementos de la teoría de operadores (segunda edición). Boston: Birkhäuser . ISBN 978-0-8176-4998-2.OCLC 710154895 .
- 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 978-0-07-054236-5.OCLC 21163277 .
- Narici, Lawrence; Beckenstein, Edward (2011). Espacios vectoriales topológicos . Matemáticas puras y aplicadas (segunda edición). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1584888666.OCLC 144216834 .
- Schaefer, Helmut H. ; Wolff, Manfred P. (1999). Espacios vectoriales topológicos . GTM . Vol. 8 (Segunda ed.). Nueva York, NY: Springer New York Imprenta Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0.OCLC 840278135 .
- Schechter, Eric (1996). Manual de análisis y sus fundamentos . San Diego, CA: Academic Press. ISBN 978-0-12-622760-4.OCLC 175294365 .
- Trèves, François (2006) [1967]. Espacios vectoriales topológicos, distribuciones y núcleos . Mineola, Nueva York: Publicaciones de Dover. ISBN 978-0-486-45352-1.OCLC 853623322 .