






Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Los mejores documentos en venta realizados por estudiantes que han terminado sus estudios
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Descubre las mejores universidades de tu país según los usuarios de Docsity
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
Este documento proporciona una introducción a los espacios lp, que desempeñan un papel importante en las matemáticas. Se define formalmente el espacio lp y se estudian sus propiedades elementales, como la desigualdad de hölder y la completitud del espacio. Se presentan varios teoremas y ejercicios que permiten comprender mejor la estructura y las aplicaciones de estos espacios funcionales. El documento cubre temas como la relación entre los espacios lp, la convergencia de sucesiones en lp y la inclusión de unos espacios en otros. En general, este material es relevante para estudiantes y profesionales interesados en análisis funcional, ecuaciones diferenciales y otras áreas de las matemáticas donde los espacios lp tienen aplicaciones importantes.
Tipo: Transcripciones
1 / 10
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
In this chapter we shall give an introduction to the Lp^ spaces which plays an importan rolle in mathematics. Particularly,tions. L^2 who is an inner product space with many applica-
Definition 5.1. Let p ∈ R with 1 ≤ p < ∞, we shall define
LP(Ω) =
f : Ω −→ R : f is measurable and
Z Ω^ |^ f^ |dm^ <^ ∞
We do not distinguish between two functions that are equal c.t.p. Here Ω ⊆ R is a measurable subset of R. We shall denote ∥ f ∥LP =
Ω^ |^ f^ |Pdm
Soon, we will prove that ∥ f ∥LP is a norm in LP(Ω). Definition 5.2. L∞(Ω) = { f : Ω −→ R : f is measurable and there exists C ∈ R such that | f (x)| ≤ C a.e}, and we denote
∥ f ∥L∞^ = inf{C : | f (x)| ≤ C, a.e in Ω}. We will see later that ∥ · ∥L∞^ is a norm. 104
105 hugo leiva
Remark 5.3. If f ∈ L∞(Ω), then | f (x)| ≤ ∥ f ∥L∞^ , a.e. In fact: There exists a sequence {Cn}∞ n= 1 of non negative numbers such that
n^ lim→∞ Cn^ =^ ∥^ f^ ∥L∞^ , and | f (x)| ≤ Cn, a.e., which means that there is a set En ⊂ Ω with m(En) = 0 such that | f (x)| ≤ Cn, x ∈ Ω\En. Then, if we put E = n[^ ∞= 1 En, we obtain that | f (x)| ≤ Cn, x ∈ Ω\E and m(E) = 0. So, passing to the limit n goes to infinite, we get that | f (x)| ≤ ∥ f ∥L∞^ , a.e.
Notation: Let 1 ≤ p ≤ ∞. We define P′^ by the following relation 1 p +^
p′^ =^ 1,^ if^ p^ >^ 1. If p = 1, then p′^ = ∞.
Theorem 5.1.1. ( H older Inequality ¨ ) Let f ∈ LP(Ω), g ∈ LP′ (Ω) with 1 ≤ p ≤ ∞. Then f .g ∈ L^1 (Ω) and Z Ω^ |^ f g|dm^ ≤ ∥^ f^ ∥LP^ ∥g∥LP′^.^ (5.1) Proof Recordemos la desigualdad de Young. The conclusion is trivial if p = 1 or p = ∞. Supongamos entonces que 1 < p < ∞.
ab ≤ (^1) P aP^ + (^) P^1 ′ bP′ , a ≥ 0, b ≥ 0 (5.2) En efecto, la funci ´on logaritmo es concava en [0, ∞) (convexa hacia abajo)
log
P aP^ +^
P′^ bP
P log^ aP^ +^
P′^ log^ bP
′
= log(a) + log b = log(ab)
107 hugo leiva
■
Ejercicio. (Exercise) Suppose that fi ∈ LPi^ , i = 1,... , k with 1 P =^
Pk^ ≤^1
then f = f 1. f 2... fk ∈ LP^ and
∥ f ∥LP ≤ ∥ f 1 ∥LP 1... ∥ fk∥LPk.
it follows thatIn particular, if^ f^ ∈^ LP^ ∩^ Lq^ with 1^ ≤^ P^ ≤^ q^ ≤^ ∞, then^ f^ ∈^ Lr^ ∀^ r^ >^ 0,^ ∋^ p^ ≤^ r^ ≤^ q
∥ f ∥r ≤ ∥ f ∥ α LP ∥ f ∥^1 q− α
with
1 r =^
α p +^
1 − α q ,^0 ≤^ α^ ≤^ 1.
Theorem 5.4. LP^ es un espacio vectorial y ∥ · ∥LP es una norma para todo 1 ≤ p ≤ ∞.
Proof Los casos p = 1 y p = ∞ son triviales.
Supongamos que 1 < p < ∞ y f , g ∈ LP(Ω). Se tiene | f (x) + g(x)|P^ ≤ (| f (x)| + |g(x)|)P ≤ 2 P(| f (x)|P^ + |g(x)|P).
On the other hand, | f + g|P−^1 ∈ LP′ (Ω). In fact,
The Lp^ spaces 108
Z Ω^ |^ f^ +^ g|
Ω^ |^ f^ +^ g|^
Ω^ |^ f^ +^ g|
∥ f + g∥PLP =
Z Ω^ |^ f^ +^ g|P−^1 |^ f^ +^ g| ≤
Z | f + g|P−^1 | f | +
Z | f + g|P−^1 |g| ≤ ∥| f + g|P−^1 ∥LP′ ∥ f ∥LP + ∥| f + g|P−^1 ∥LP ∥g∥LP = ∥ f + g∥P L/P P′∥ f ∥LP + ∥ f + g∥P L/P P′∥g∥LP = ∥ f + g∥P−^1 ∥ f ∥LP + ∥ f + g∥P LP− 1 ∥g∥LP = ∥ f + g∥P−^1 ∥ f ∥LP + ∥g∥PLP^ ∥ f + g∥PLP ≤ ∥ f + g∥P−^1 ∥ f ∥LP + ∥g∥PLP^ ⇒ ∥ f + g∥LP ≤ ∥ f ∥LP + ∥g∥LP. ■ Theorem 5.5. LP^ es un espacio de Banach pora 1 ≤ p ≤ ∞. Proof K ∈ N Supongamos queexiste n p = ∞. Sea ( fn) una sucesi ´on de Cauchy en L∞. Entonces, dado k ∈^ N^ tal que ∥ fm − fn∥L∞ < (^) K^1 , m, n > nK. As´ı existe un conjunto medible EK con m(EK) = 0 tal que
| fm(x) − fn(x)| ≤ (^) K^1 , x ∈ Ω\EK. Por otra parte, sabemos que: Si E = [^ EK ⇒ m(E) = 0. As´ı | fm(x) − fn(x)| ≤ (^) K^1 , x ∈ Ω\E y m, n ≥ NK. As´ı ( fn(x)) es de Cauchy para todo x ∈ Ω\E. Como ( fn(x)) ⊂ R y R es completo, se tiene que nlim→∞ fn(x) =^ f^ (x),^ x^ ∈^ Ω\E^ y^ |^ f^ (x)| ≤^ c,^ x^ ∈^ Ω\E.
The Lp^ spaces 110
Por otra parte, para m, n ≥ 2 se tiene que | fm(x) − fn(x)| ≤ | fm(x) − fm− 1 (x)| + | fm− 1 (x) − fm− 2 (x)| + · · · + | fn+ 1 (x) − fn(x)| < gm(x) − gn− 1 (x) ≤ g(x) − gn− 1 (x) (5.5) Resulta que ( fn) es de Cauchy, y por consiguiente tiene un l´ımite designado por f (x) a.e | fn(x) − f (x)|P^ < gP(x) de donde resulta queLebesgue resulta que f ∈ LP(Ω) y por el Teorema de la Convergencia Dominada de
nlim→∞ ∥^ fn^ −^ f^ ∥LP^ =^ 0. ■
Theorem 5.6. Entonces existe una subsucesi´ Sean ( fn) una sucesi´on ( f on en LP(Ω) y f ∈ LP(Ω), tales que ∥ fn − f ∥LP → 0. nk )^ tal que: a) lim fnk (x) = f (x), a.e b) | fnk (x)| ≤ h(x), a.e en Ω con h ∈ LP(Ω), ∀ k ≥ 1. Demostraci ´on El resultado es trivial si p = ∞. De la demostraci ´on del Teorema anterior resulta que existe una subsucesi ´on ( fnk ) de ( fn) tal que
∥ fnk+ 1 − fnk ∥LP ≤ (^21) k , k ≥ 1
se tiene por otro lado que gn+ 1 ≤ gn, a.e. y
nlim→∞ gPn^ (x) =^ gP(x),^ ∀^ x^ ∈^ Ω\E. From the Monotone Convergence Theorem, we have that g ∈ LP(Ω).
111 hugo leiva
On the other hand, for m, n ≥ 2 with m > n we consider: | fm(x) − fn(x)| ≤ | fm(x) − fm− 1 (x)| + | fm− 1 (x) − fm− 2 (x)| + · · · + | fn+ 1 (x) − fn(x)| < gm(x) − gn− 1 (x). De aqu´l´ımite que designaremos porı resulta que { fn}∞ n= (^1) fes una sucesi ´ (x), a.e y on de Cauchy, y por consiguiente tiene un
| fn(x) − f (x)|P^ ≤ gP(x), lo cual implica que f ∈ LP(Ω). Luego, aplicando el Teorema de la Convergencia Dominada de Lebesgue resulta que nlim→∞ ∥^ fn^ −^ f^ ∥LP^ =^ 0. In this case h(x) = g(x) − | f (x)|, y fk = fnk. ■ Problems
Z (^) b a^ |^ f^ (x)|
2 1/2^ Z^ b a^ |g(x)|
(^2) dx^ 1/ where f ∈ L^2 , g ∈ L^2.
Bibliography
[Belinchon, 2008] Belinchon, J. A. (2008). Apuntes de Teoria de la Medida. [Gatica, 1997] Gatica, J. A. (1997). Introduccion a la integral de lebesgue en la recta. [Miguel De Guzman y Baldomero Rubio, 1979] Miguel De Guzman y Baldomero Ru-bio. (1979). Integracion: Teoria y Tecnica. Editorial Alhambra, S.A.
[Spiegel, 1990] Spiegel, M. R. (1990).sure and Integral. Schaum’s Outline Series. Theory and Problems of Real Variables: Lebesgue Mea-
[Howard Wilcox and David Meyer, 1978] Howard Wilcox and David Meyer. (1978). An Introduction to Lebesgue Integral and Fourier Seriesington, New York, 1978.. Robert E. Kriger Publishing Hunt-