UNIVERSIT A TEA DIN BUCURES , TI F A CUL T A TEA DE MA TEMA TIC S , I INF ORMA TIC Lucrare de licent , FUNCT ,II LIPSCHITZ Co ordonator s , tiint ,… [611744]
UNIVERSIT A TEA DIN BUCURES , TI
F A CUL T A TEA DE MA TEMA TIC S , I INF ORMA TIC
Lucrare de licent ,
FUNCT ,II LIPSCHITZ
Co ordonator s , tiint , ic:
Conf. Dr. Radu Miculescu
Absolv en t:
Alexandru-Georgian Constan tine-
scu
Bucures , ti
Iunie, 2017
Cuprins
In tro ducere 3
1 GENERALIT T , I PRIVIND FUNCT , I ILE LIPSCHITZ S , I TEOREMA
LUI RADEMA CHER 4
1.1 NOT , IUNEA DE FUNCT , IE LIPSCHITZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 TEOREMA LUI RADEMA CHER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 SP AT , I I METRICE LIPSCHITZ ECHIV ALENTE 12
2.1 TEOREMA LUI AHAR ONI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 TEOREMA LUI ASSOUAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 AL TE REZUL T A TE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 EXTINDERI PENTR U FUNCT , I I LIPSCHITZ 27
3.1 TEOREMA LUI KIRSZBRA UN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 TEOREMA LUI McSHANE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 TEOREMA LUI CZIPSZER S , I GEHÉR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 REZUL T A TELE LUI V ALENTINE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 TEOREMA LUI SCHOENBER G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 TEOREMA LUI FLETT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 APR O XIMAREA CU FUNCT , I I LIPSCHITZ 54
4.1 O GENERALIZARE A TEOREMEI LUI GEOR GANOPOULOS . . . . . 54
4.2 O AL T METOD DE A OBT , INE REZUL T A TE DE APR O XIMARE . 57
Bibliograe 61
2
In tro ducere
P e 14 mai 1832 se nas , te, la K önigsb erg, un ul din tre cei mai mari matematicieni ai
lumii: Rudolf Otto Sigism und Lipsc hitz. Fiul un ui proprietar de teren uri, tân rul Rudolf
a crescut la proprietatea tat lui s u din Bönk ein. La 15 ani încep e s studieze la Univ ersi-
tatea din K önigsb erg, iar mai târziu îs , i con tin u studiile la Univ ersitatea din Berlin, unde
îl are coleg p e un alt matematician celebru, Gusta v Diric hlet.
Dup ce a profesat la Univ ersitatea din Bonn s , i la Univ ersitatea din Breslau, în 1864,
Lipsc hitz public în tr-un articol studiul s u privind condit , iile de con v ergent , a seriilor F o-
urier p en tru unele clase de funct , ii. P este doar doi ani, acesta public un nou articol în care
studiaz problema Cauc h y p en tru ecuat , ii diferent , iale ordinare, unde stabiles , te unei funct , ii
condit , ia ca pro dusul din tre v ariat , ia v alorilor celei de a doua comp onen te a argumen tului
s , i o constan t s domine v ariat , ia v alorilor funct , iei. Datorit acestor dou studii, apare o
nou tem de cercetare n umit teoria funct , iilor Lipsc hitz.
La data de 7 o ctom brie 1903, la v ârsta de 71 de ani, Rudolf Lipsc hitz se stinge din
viat , la Bonn.
F unct , iile Lipsc hitz sun t folosite în diferite probleme de ecuat , ii diferent , iale, teoria
m surii, geometrie diferent , ial , analiz funct , ional , dar s , i în mecanic , zic sau econo-
mie.
În con tin uare, ceea ce ne propunem este s prezen t m o parte din rezultatele în
care înlo cuirea ip otezelor de diferent , iabilitate cu cele de a Lipsc hitz a a vut succes. Lu-
crarea cont , ine patru capitole: Generalit t , i privind funct , iile Lipsc hitz s , i T eorema
lui Rademac her , Spat , ii metrice Lipsc hitz ec hiv alen te , Extinderi p en tru funct , ii
Lipsc hitz s , i Apro ximarea cu funct , ii Lipsc hitz .
Prim ul capitol prezin t , as , a cum deducem s , i din titlul s u, generalit t , i privind
funct , iile Lipsc hitz: denit , ii(funct , ie Lipsc hitz, funct , ie lo cal Lipsc hitz, homeomorsm Lips-
c hitz, lip eomorsm, imersie LIP) s , i cele mai imp ortan te propriet t , i ale funct , iilor Lipsc hitz.
De asemenea, în acest capitol este prezen tat s , i celebra T eorem a lui Rademac her, care
spune c orice funct , ie Lipsc hitz, denit p e o m ult , ime desc his din Rn, este diferent , iabil
F réc het aproap e p este tot. Astfel, condit , ia ca o funct , ie s e Lipsc hitz p oate privit ca
o aten uare a diferent , iabilit t , ii.
Cel de-al doilea capitol este dedicat spat , iilor metrice Lipsc hitz ec hiv alen te. Este
expus T eorema lui Arahoni, care spune ca orice spat , iu metric separabil este Lipsc hitz
ec hiv alen t cu o subm ult , ime a luic0 , dar s , i rezultatul lui P . Assouad cu privire la aceasta.
De asemenea, sun t amin tite s , i alte rezultate ar tate de P . Assouad, J. Luukk ainen s , i H.
Moha v eni-Lank arani, Kil-W oung Jun, Dol-W on P ark.
În capitolul al treilea prezen tate s , i demonstrate teoremele de extindere p en tru funct , ii
Lipsc hitz: T eorema lui Kirszbraun, T eorema lui McShane, T eorema lui Czipser s , i Gehér,
Rezultatele lui V alen tine, T eorema lui Sc ho en b erg, T eorema lui Flett.
Ultim ul capitol are ca obiect de studiu apro ximarea cu funct , ii Lipsc hitz. Este expus
o generalizare a celebrei T eoreme a lui Georganop oulos ce foloses , te existent , a partit , iei LIP
a unit t , ii, acest rezultat ind datorat lui R. Miculescu. T ot în acest capitol este prezen tat
s , i o alt meto d de a obt , ine rezultate de apro ximare.
3
1 GENERALIT T , I PRIVIND FUNCT , I ILE LIPSCHITZ
S , I TEOREMA LUI RADEMA CHER
1.1 NOT , IUNEA DE FUNCT , IE LIPSCHITZ
Clasa funct , iilor Lipsc hitz este una din tre cele mai imp ortan te subm ult , imi a clasei funct , iilor
uniform con tin ue. A cestea se remarc în studiul ecuat , iilor diferent , iabile (o funct , ie Lips-
c hitz implic existent , a s , i unicitatea solut , iei), în teoria optimiz rii (prin sc him barea ip ote-
zelor de diferent , iabilitate cu cele de a Lipsc hitz), dar s , i în alte studii matematice.
Hans Rademac her a demonstrat în 1919 c o funct , ie Lipsc hitz f:U=
URn!Rm
este diferent , iabil Leb esgue aproap e p este tot. Astfel condit , ia Lipsc hitz este o aten uare a
diferent , iabilit t , ii.
Celebra teorem a lui Rademac her a format stim ulul cercet rii am n unt , ite al funct , iilor
Lipsc hitz s , i lo cal Lipsc hitz (LIP).
Consider m sp at , iile metric e (X;d);(Y;d0) .
Denit , ia 1. Fief: (X;d)!(Y;d0) o funct , ie. Dac p en tru oricare x;y2X , exist
L2R+[f0g , cu proprietatea c :
d0(f(x);f(y))Ld(x;y) , (1)
atuncif se n umes , te funct , ie Lipsc hitz.
Se n umes , te constan ta Lipsc hitz a funct , ieif , notat lip(f) , cel mai mic n um r L2R+[f0g
ce îndeplines , te (1).
Denit , ia 2. Fief: (X;d)!(Y;d0) o funct , ie. Dac p en tru oricare x2X , exist o
v ecin tateV a luix cu proprietatea c fjV este Lipsc hitz, atunci f se n umes , te funct , ie
lo cal Lipsc hitz, notat f2LIP .
Denit , ia 3. Fief: (X;d)!(Y;d0) o funct , ie. Dac f este bijectiv , iar f s , if 1
sun t Lipsc hitz, atunci f se n umes , te homeomorsm Lipsc hitz. Dac f s , if 1sun t lo cal
Lipsc hitz, atunci f se n umes , te lip eomorsm.
Denit , ia 4. Fief: (X;d)!(Y;d0) o funct , ie. Dac p en tru oricare x2X , exist o
v ecin tateU a luix cu proprietatea c fjU:U!f(U) este lip eomorsm, atunci f se
n umes , te imersie LIP .
În urm toarele rânduri v or prezen tate cele mai imp ortan te propriet t , i ale funct , iilor
Lipsc hitz.
Prop ozit , ia 1. Consider m X;Y;Z trei spat , ii metrice,f:X!Y s , ig:Y!Z . F unct , ia
gf este Lipsc hitz, resp ectiv LIP , dac f s , ig sun t Lipsc hitz, resp ectiv LIP .
Prop ozit , ia 2. Consider m X un spat , iu metric,f;g:X!Rn,':X!R trei funct , ii
Lipsc hitz s , ic2R . A tuncif+g s , icf sun t funct , ii Lipsc hitz. În plus,f
'este funct , ie
Lipsc hitz dac exist M2R+ cu proprietatea c j'(x)jM , p en tru oricare x2X .
Prop ozit , ia 3. Consider m X un spat , iu metric s , if:X!Rn,':X!R dou funct , ii
Lipsc hitz. A tuncif
'este LIP dac p en tru oricare x2X ,'(x)6= 0 .
Prop ozit , ia 4. Consider m X un spat , iu metric s , i; 6=AX o m ult , ime. A tunci
x2X!d(x;A)2R este funct , ie Lipsc hitz. Dac A s , iB sun t dou m ult , imi înc hise
s , i disjuncte incluse în X , atunci exist f:X![0;1] o funct , ie LIP cu proprietatea c
A=f 1(0) s , iB=f 1(1) .
4
1.2 TEOREMA LUI RADEMA CHER
A v ând în v edere rezultatul urm tor, condit , ia ca o funct , ie s e Lipsc hitz (LIP) p oate
privit ca o aten uare a diferent , iabilit t , ii.
T eorem (a lui Rademac her). Consider m f:Rn!Rmo funct , ie Lipsc hitz s , i not m cu
Lnm sura Leb esgue. A tunci f este diferent , iabil F réc hetLnaproap e p este tot.
Demonstr at , ie. Problema p oate redus la m= 1 .
Consider m v2Rn, cujjvjj= 1 . Denim
Dvf(x) =lim
t!0f(x+tv) f(x)
t,
p en tru oricare x2Rnastfel încât limita de mai sus s existe.
P en tru aproap e tot , ix , exist Dvf(x) . Astfel
Dvf(x) =limsup
t!0f(x+tv) f(x)
t=lim
t!0sup
t2[ ;] f0gf(x+tv) f(x)
t=
=lim
k!1sup
t2[ 1
k;1
k] f0gf(x+tv) f(x)
t=lim
k!1sup
0<jtj<1
k;t2Qf(x+tv) f(x)
t
V om demonstra ultima egalitate:
Inegalitatea
lim
k!1sup
t2[ 1
k;1
k] f0gf(x+tv) f(x)
tlim
k!1sup
0<jtj<1
k;t2Qf(x+tv) f(x)
t
este eviden t .
P en tru cealalt inegalitate, v om nota F(t) =f(x+tv) f(x)
t.
Observ m ca F este con tin u . Consider m t02[ 1
k;1
k] f0g s , i(tn)n1Q astfel încât
p en tru oricare n2N,tn2[ 1
k;1
k] f0g s , ilim
n!1tn=t0 a v em:
F(t0) =F(lim
n!1tn) =lim
n!1F(tn)sup
0<jtj<1
k;t2QF(t)
Deci
sup
t2[ 1
k;1
k]F(t)sup
0<jtj<1
k;t2QF(t) ,
as , adar
lim
k!1sup
t2[ 1
k;1
k]F(t)lim
k!1sup
0<jtj<1
k;t2QF(t) .
Astfel, am demonstrat c
Dvf(x) =lim
k!1sup
0<jtj<1
k;t2Qf(x+tv) f(x)
t
5
s , i, analog,
Dvf(x) =lim
k!1inf
0<jtj<1
k;t2Qf(x+tv) f(x)
t.
A tunci,Dvf(x) s , iDvf(x) sun t m surabile s , i
Av=fx2RnjDvf(x) n u exist g=
=fx2RnjDvf(x)<Dvf(x)g= (Dvf(x) Dvf(x)) 1(0;1)
este m surabil .
P en tru oricare x;v2Rncu proprietatea c jjvjj= 1 , denim funct , ia':R!R cu
'(t) =f(x+tv) , p en tru oricare t2R .
' este funct , ie Lipsc hitz, deci cu v ariat , ie m rginit . Astfel, ' se p oate scrie ca diferent , a
a dou funct , ii cresc toare. Deci ea este diferent , iabil aproap e p este tot s , i p en tru oricare
t0 , exist lim
t!t0f(x+tv) f(x+t0v)
t t0.
P en tru aproap e p este tot , iX=x+t0v , not mT=t t0 . A tunci exist
lim
T!0f(X+Tv) F(X)
T.
P en tru oricare L o dreapt paralel cu v ,H1(Av\L) = 0 (dimensiunea Hausdor ).
Conform teoremei lui F ubini, a v em c Ln(Av) = 0 , deci exist
gradf(x) =@f
@x1(x);@f
@x2(x);:::;@f
@xn(x)
p en tru aproap e tot , ix2Rn.
P en tru aproap e tot , ix2Rn, v om demonstra c Dvf(x) =v gradf(x) .
A tunci consider m 2C1
c(Rn) s , i a v em
Z
Rn
f(x+tv) f(x)
t
(x)dx= Z
Rnf(x)(x)
tdx+Z
Rnf(x+tv)
t(x)dx=
= Z
Rnf(x)(x)
tdx+Z
Rnf(y)
t(y tv)dy=
= Z
Rnf(x)[(x) x tv
t]dx .
As , adarZ
Rn
f(x+tv) f(x)
t
(x)dx= Z
Rnf(x)[(x) x tv
t]dx . (1)
P en tru c f este Lipsc hitz,
jf(x+1
kv) f(x)j
jj1
kvjjlip(f) ,
as , adar
6
f(x+1
kv) f(x)
1
klip(f) ,
deci
2
64f(x+1
kv) f(x)
1
k3
75(x)lip(f)j(x)j ,
p en tru oricare x2Rn.
P en tru oricare x2Rns , ik2N, v om nota
Fk(x) =f(x+1
kv) f(x)
1
k(x) .
As , adarFk s , iDvf sun t m surabile, iar p en tru oricare x2Rns , ik2N,
lim
k!1Fk=Dvf s , ijFk(x)jlip(f)j(x)j .
Deoarece2C1
c(Rn) s , ilip(f)jj este in tegrabil , cu a jutorul teoremei de con v ergent ,
dominat a lui Leb esgue a v em c
lim
k!1Z
Rn2
64f(x+1
l) f(x)
1
k3
75(x)dx=Z
RnDvf(x)(x)dx . (2)
Deoarece este cu sup ort compact s , i
(x) (x tv)
tsup
u2[x tv;x]jj0(u)jjsup
u2Rnjj0(u)jj ,
exist un n um r real M0 astfel încât
f(x)
(x) (x tv)
tM0
p en tru oricare x2Rns , it2R
F olosind teorema de con v ergent , dominat a lui Leb esgue s , i relat , ia
lim
k!1f(x)(x) (x 1
kv)
1
k=f(x)Dv(x)
obt , inem
lim
k!1Z
Rnf(x)(x) (x 1
kv)
1
k=Z
Rnf(x)Dv(x)dx . (3)
Din relat , iile (1) , (2) s , i (3) reiese c
7
Z
RnDvf(x)(x)dx= Z
Rnf(x)Dv(x)dx=
= nX
i=1Z
Rnf(x)@
@xi(x)dx()=nX
i=1viZ
Rn@f
@xi(x)(x)dx=
=Z
Rnv gradf(x)(x)dx ,
as , adar
Z
Rn[Dvf(x) v gradf(x)](x)dx= 0 , (4)
p en tru oricare 2C1
c(Rn) .
T rebuie s demonstr m c () este adev rat . Conform teoremei lui F ubini s , i p en tru c
f este cu sup ort compact, deducem c
Z
Rn@(f)
@xi(x)dx=
=Z
Rn 1Z
R@(f)
@xi(x)dxi
dx1:::dxi 1dxi+1:::dxn=
=Z
Rn 1h
lim
!1(f)(x1;:::;xi 1;";xi+1;:::;xn)
lim
"!1(f)(x1;:::xi 1;";xi+1;:::;xn)i
dx1:::dxi 1dxi+1:::dxn= 0 ,
deci rezult () .
P en tru c
Dvf(x) =lim
k!1f(x+1
kv) f(x)
1
k,
p en tru aproap e tot , ix ,Dvf este m surabil . În plus, deoarece
jjDvfjjlip(f) ,
reiese c Dvf este lo cal in tegrabil .
Astfel,Dvf v gradf este lo cal in tegrabil .
Fiindc f este lo cal in tegrabil p e
Rns , i
Z
fdx= 0 ,
p en tru oricare 2C1
c(
) , deducem c f= 0 aproap e p este tot. (5) .
Din relat , iile (4) s , i (5) rezult c
Dvf(x) =v gradf(x)
8
p en tru aproap e tot , ix2Rn.
Consider m (vk)k0 o familie dens în F r B(0;1) . P en tru oricare k2N denimAk=
fx2RnjDvkf(x) s , i gradf(x) exist s , iDvkf(x) =vk gradf(x)g .
A v ând în v edere notat , iile an terioare, dac
A=A1\A2\:::\An\::: ,
atunci
Ln(RnnA) = 0 .
P en tru a termina demonstrat , ia, v om demonstra c f este diferent , iabil în orice punct din
A .
Consider m x2A arbitrar xat. P en tru v2 F rB(0;1) s , it2Rnf0g denim
Q(x;v;t ) =f(x+tv) f(x)
t v gradf(x) .
P en truv02 F rB(0;1) a v em
jQ(x;v;t ) Q(x;v0;t)j
f(x+tv) f(x+tv0)
t+(v v0) gradf(x)
lip(f)jjv v0jj+jj gradf(x)jjjjv v0jj
(pn+ 1)lip(f)jjv v0jj .
V om ar ta c ultima inegalitate este adev rat .
P en tru oricare i2f1;2;:::;ng , a v em
f(x+tei) f(x)
tlip(f) ,
as , adar
jjgradf (x)jj=vuutnX
i=1@f
@ei(x)2
lip(f)pn
.
Deci
jQ(x;v;t ) Q(x;v0;t)j(pn+ 1)lip(f)jjv v0jj . (6)
P en tru c F r B(0;1) este compact , p en tru oricare "0exist l2Ns , iu1;u2;:::;ul2 F r
B(0;1) astfel încât
F rB(0;1)B(u1;"0=2)[B(u2;"0=2)[:::[B(ul;"0=2) .
Lu mvk1;vk2;:::;vkl astfel încât, p en tru orice i2f1;2;:::;lg ,
9
jjvki uijj"0
2.
As , adar, p en tru v2 F rB(0;1) ales arbitrar, exist i02 f1;2;:::;lg astfel încât v2
B(ui0;"0=2) , deci
jjv ui0jj<"0
2.
Deoarece
jjvki0 ui0jj"0
2,
reiese c
jjv vki0jj"0.
Astfel, p en tru oricare ">0 s , i oricarev2 F rB(0;1) , luând
"0="
2(pn+ 1)lip(f),
exist k2f1;2;:::;Ng , undeN=maxfk1;k2;:::;klg , astfel încât
jjv vkjj"
2(pn+ 1)lip(f). (7)
Fiindc , p en tru oricare k2f1;2;:::;Ng ,
lim
t!0Q(x;vk;t) = 0 ,
exist >0 astfel încât p en tru oricare t cu proprietatea c 0<jtj< deducem c
jQ(x;vk;t)j<"
2. (8)
A tunci, din relat , iile (6) , (7) s , i (8) , p en tru oricare t cu proprietatea c 0<jtj< s , i oricare
v2 F rB(0;1) , a v em
jQ(x;v;t )jjQ(x;v;t ) Q(x;vk;t)j+jQ(x;vk;t)j<"
2+"
2=" ,
ceea ce ilustreaz c p en tru oricare v2 F rB(0;1) a v em c
lim
t!0Q(x;v;t ) = 0 . (9)
P en truy2Rnnf0;xg , cu notat , iile
t=jjy xjj s , iv=y x
jjy xjj,
a v em
f(y) f(x) gradf(x)(y x) =
=f
x+jjy xjjy x
jjy xjj
f(x) jjy xjjy x
jjy xjjgradf(x) =
f(x+tv) f(x) tv gradf(x) =tQ(x;v;t ) .
Astfel,
10
f(y) f(x) gradf (x)(y x)
jjy xjj=Q(x;v;t ) .
Din relat , ia (9) reiese c
lim
y!xf(y) f(x) gradf (x)(y x)
jjy xjj= 0 ,
de unde concluzion m c f este diferent , iabil înx s , iDf(x) = gradf(x) .
Observ at , ie. Dac n=1 se obt , ine te or ema de derivar e a funct , ilor monotone a lui L eb esgue.
Corolar. Fief:U=
URn!RmLipschitz. A tunci f este difer ent , iabil Frechet$n
apr o ap e p este tot.
T eorema lui Rademac her a a juns un rezultat foarte folosit în matematic . Din aceast ca-
uz s-au c utat rezultate p en tru extinderea acestuia. Prin tre aceste generaliz ri amin tim:
T eorema lui Mankiewicz , T eorema lui Aronsza jn , T eorema lui Phelps , T eorema
lui Preiss .
11
2 SP AT , I I METRICE LIPSCHITZ ECHIV ALENTE
Denit , ie. Consider m (X;d) s , i(Y;d0) dou spat , ii metrice. Dac exist f:X!Y
bijectiv , Lipsc hitz s , if 1Lipsc hitz (exist în tre ele un homeomorsm Lipsc hitz), atunci
(X;d) s , i(Y;d0) se n umesc Lipsc hitz ec hiv alen te.
2.1 TEOREMA LUI AHAR ONI
Rezultatul care spune c orice spat , iu metric separabil este Lipsc hitz ec hiv alen t cu o
subm ult , ime a luic0 îl dator m lui I. Aharoni. În con tin uare v om prezen ta câtev a pre-
liminarii necesare demonstr rii teoremei lui Aharoni.
Denit , ia 1. Consider m X un spat , iu Banac h (p este un corp K ). Fie (ei)i2N o baz
Sc hauder a lui X cu proprietatea c jjeijj= 1 , p en tru oricare i2N. A tunci, oricare
x2X este reprezen tat unic astfel:
x=1P
i=1xiei , undexi2K .
Consider m Pn:X!X ,n2Nastfel încât
Pnx=1P
i=1xiei , undex=1P
i=1xiei .
Denim s , i
P0x= 0 ,
p en tru oricare x2X .
Observ at , ia 1. Denim
jjjxjjj=sup
m<njjPnx Pmxjj ,
p en tru oricare x2X .
A tuncijjjjjj este norm p e X (ec hiv alen t cujjjj ), cu proprietatea c tot , iPn Pm au
norma 1 în spat , iul(X;jjjjjj ) .
Astfel presupunem c
jjPn Pmjj= 1 ,
p en tru oricare m;n2N cum6=n .
Deoarece norma este con v ex , p en tru oricare x=1P
i=1xiei , oricarem;n2N cum<n , s , i
oricares;t2[0;1] are lo c inegalitatea
jjtxmem+Pnx Pmx+sxn+1en+1jjjjxjj .
Denit , ia 2. Dac exist n2N astfel încât Pnx=x , atuncix2X este de sup ort nit.
Cel mai mic n2N cu proprietatea an terioar este lungimea lui x (notat l(x) ).
12
Consider m
x=1P
i=1xiei2Xnf0g ,
2(0;jjxjj) s , i cel mai mic n2N cu proprietatea c
jjx Pnxjj< ,
adic
jjx Pn 1xjj .
Consider m t2[0;1] astfel încât
jjx Pnx+txnenjj= .
V om deni Q:Xnf0g!X ,Q(x) =Pnx txnen ,
p en tru oricare x2X .
Observ at , ia 2. Deoarece
jjQ(x)jj=jj(1 t)(Pnx P0x) +t(Pn 1x P0x)jj
(1 t)jjPnx P0xjj+tjjPn 1x P0xjj
(1 t)jjxjjjjPn P0jj+tjjxjjjjPn 1 P0jj
(1 t)jjxjj+tjjxjj=jjxjj ,
a v em c
jjQ(x)jjjjxjj ,
p en tru oricare x2Xnf0g .
În plus, p en tru oricare x2Xnf0g a v em c
jjx Qxjj= .
Dar p en tru oricare y2X cu proprietatea
l(y)<l(Qx) ,
rezult
=jjx Qxjjjx Pn 1xjjjjx yjj .
A tunci
jjx yjj .
Lema 1. Consider m X un spat , iu Banac h ca mai sus, a>0 s , i>0 . A tunci exist un
s , ir(zj(a;))j2NX , de sup ort nit astfel încât:
a)jjzj(a;)jj , p en tru oricare j2N;
b)j7!l((zj(a;)) este nem rginit s , i cresc toare;
13
c) p en tru oricare z2X cu sup ort nit s , i cu proprietatea c jjzjj , exist j2Nastfel
ca
jjz zj(a;)jja ,l(zj(a;)) =l(z)
s , i, p en trum=l(z) , a v em
(zj(a;))mzm>0 ,
undezm reprezin t co ecien tul lui em din reprezen tarea lui z .
Demonstr at , ie. Deoarece m ult , imile
An=fz2Xjl(z) =n;zn>0;jjzjjg
s , i
Bn=fz2Xjl(z) =n;zn<0;jjzjjg
sun t total m rginite, p en tru oricare n2N , exist dou m ult , imi nite:
An=fzj(a;)jj2fp2n 2+ 1;:::;p 2n 1gAn
s , i
Bn=fzj(a;)jj2fp2n 1+ 1;:::;p 2ngBn
cu urm toarele propriet t , i:
d(x;An)<a , p en tru oricare z2An ,
s , i
d(x;Bn)<a , p en tru oricare z2Bn ,
s , i p en tru (pn)nZ cresc tor, a v ând p0= 0 .
S , irul p e care îl c utam este
(zj(a;))j2N .
Denit , ia 3. Consider m a>0;n;k;j2N cu propriet t , ile c n6 s , i1k2n
3.
Consider m i= (n;j;k ) s , i denim m ult , imile
Ma
i=fx2Xj(n 2)ajjxjj(n+ 1)a;Qkax=zj(a;na )g
s , i
ta
i= (k 1)a , undezj(a;na ) este dat din lema an terioar .
Observ at , ia 3. P en tru unii i , m ult , imileMa
i=; . V om lua în considerare doar m ult , imile
Ma
i nevide.
Lema 2. P en tru oricare x2X , exist un n um r nit de i= (n;j;k ) cu proprietatea c
d(x;Ma
i)<ta
i .
Demonstr at , ie. P en tru oricare
14
n>3jjxjj
a+ 1
,1k2n
3s , iy2Ma
i ,
se în tâmpl c
jjy xjjjjyjj jjxjj(n 2)a n
3 1
aka a=ta
i ,
deci
d(x;Ma
i)ta
i .
P en tru oricare
n<3jjxjj
a+ 1
,
v om a v ea c
jjxjj>(n 3)a
3a .
P en tru c Qa
2x este de sup ort nit, exist j02N cu proprietatea c
l(zj0(a;na ))>l(Qa
2x) .
Astfel, p en tru jj0 ,
l(zj(a;na ))>l(Qa
2x) .
P en tru unj ca mai sus, a v em i= (n;k;j ) s , i p en tru oricare y2Ma
i , rezult cu a jutorul
observ at , iilor de mai sus:
jjy xjjjjy Qa
2xjj jjx Qa
2xjjjjy Qkayjj a
2=ka a
2>(k 1)a=ta
i ,
de unde a v em c
d(x;Ma
i)ta
i ,
p en tru un triplet de forma i= (n;k;j ) .
Lema 3. Consider m a>0 s , ix;y2X cu urm toarele propriet t , i:
jjxjjjjyjj s , ijjx yjj36a .
A tunci exist i= (n;k;j ) astfel încât:
a)d(x;Ma
i)<a s , id(y;Ma
i)ta
i ;
b)ta
ijjx yjj
2;
c)ta
i ajjx yjj
4.
Demonstr at , ie. Consider m
n=hjjxjj
ai
+ 1 s , ik=hjjx yjj
3ai
.
Astfel
2na2jjxjjjjx yjj ,
15
deci
k2n
3s , ijjQkaxjjjjxjjna .
Consider m zj=zj(a;na ) ( Lema 1 , p en truz=Qkax ).
R mâne s ar t m c i= (n;k;j ) este cel p e care îl c ut m.
A v em c
jju xjj=jjzj Qkaxjj<a , p en truu=zj+x Qkax .
Deci
Qkau=zj.
Astfel
(n 2)a= (n 1)a ajjxjj ajjujjjjxjj+ana+a= (n+ 1)a ,
deci
u2Ma
i s , id(x;Ma
i) =jju xjj<a .
Îns , p en tru oricare v2Ma
i ,
Qkav=zj,
deci
jjy vjjjjy xjj jjx Qkaxjj jjQkax zjjj jjzj vjj
3ka ka a ka= (k 1)a=ta
i .
Astfel a) este adev rat, p en tru c d(y;Ma
i)ta
i .
Se observ c
ta
i= (k 1)ajjx yjj
3 a<jjx yjj
2,
deci b).
În cele din urm , a v em c
ta
i a
jjx yjj(k 2)a
3(k+ 1)a=k 2
3(k+ 1)1
4.
Dar inegalitateak 2
3(k+ 1)1
4este ec hiv alen t cu k11 , deoarece
k>jjx yjj
3a 136
3a 1 = 12 1 = 11 , deci c).
T eorema lui Aharoni. Exist o constan t p ozitiv k cu proprietatea c , p en tru oricare
spat , iu metric separabil X , exist T:X!c0 astfel încât
d(x;y)jjTx Tyjjkd(x;y) ,
16
p en tru oricare x;y2X .
Demonstr at , ie. Din T eorema Banac h-Mazur a v em c oricare spat , iu metric separabil este
izometric cu o subm ult , ime a luiC([0;1]) . A cesta este un spat , iu Banac h cu o baz Sc hauder
normalizat s , i
jjPn Pmjj= 1
p en tru oricare m ,n2N ,m6=n .
Fiea>0 . Consider m funct , ia
Ta:X!c0
dat de
(Tax)i= max(0;ta
i d(x;Ma
i)) .
Conform Lemei 2, p en tru oricare x2X ,Tax are sup ort nit.
Mai m ult,Ta0 = 0 , indc p en tru oricare x2Ma
i
ta
i= (k 1)a(n 2)ajjxjj ,
p en tru oricare i .
În plus,
jjTax Tayjjjjx yjj ,
p en tru oricare x;y2X .
De fapt, p en tru a motiv a aceasta, v om analiza urm toarele trei cazuri relativ e la un i :
a)(Tax)i= (Tay)i= 0
Eviden t
j(Tax)i (Tay)ijjjx yjj .
b)(Tax)i6= 0 s , i(Tay)i= 0 .
A v em c
d(x;Ma
i)<ta
i<d(y;Ma
i)
s , i
ta
i<d(y;Ma
i)jjx yjj+d(x;Ma
i) .
Rezult astfel c
j(Tax)i (Tay)ij=jta
i d(x;Ma
i)jjjx yjj .
c)(Tax)i6= 0 s , i(Tay)i6= 0 .
A v em c
j(Tax)i (Tay)ij=jd(x;Ma
i) d(y;Ma
i)jjjx yjj .
17
În plus, dac jjxjjjjyjj ,jjx yjj 36a s , i conform Lemei 3 , exist i cu urm toarele
propriet t , i:
(Tay)i= 0
s , i
jjx yjj
4ta
i ata
i d(x;Ma
i) = (Tax)ita
i .
Astfel,
j(Tax)i (Tay)ijta
i ajjx yjj
4.
Ap oi, consider m funct , ia
Sa:X!c0
prin
(Sax)i= min((Tax)i;72a) ,
p en tru oricare x2X .
A v em c
Sa0 = 0 ,jjSaxjj72a s , iSax este cu sup ort de nit,
p en tru oricare x2X .
Mai m ult,
jjSax Sayjjjjx yjj .
P en tru a motiv a inegalitatea de mai sus, v om considera urm toarele cazuri:
)(Sax)i= (Tax)i s , i(Say)i= (Tay)i .
A v em c
j(Sax)i (Say)ij=j(Tax)i (Tay)ijjjx yjj .
)(Sax)i= (Say)i= 72a
A tunci
j(Sax)i (Say)ij= 0jjx yjj .
)(Sax)i= (Tax)i s , i(Say)i= 72a .
A v em c
(Tax)i72a(Tay)i .
Astfel
j(Sax)i (Say)ij= 72a (Tax)i(Tay)i (Tax)ijjx yjj .
Mai m ult, p en tru
36ajjx yjj72a ,
18
a v em c
jjSax Sayjjjjx yjj
4,
indc , folosind Lema 3 , exist un i cu proprietatea c
d(y;Ma
i)ta
i .
Astfel
(Tay)i= 0 ,
deci
(Say)i= 0 .
Dac (Sax)i= (Tax)i , rezult c
j(Sax)i (Say)ij= (Tax)i=j(Tax)i (Tay)ijjjx yjj
4.
Dac (Sax)i= 72a , rezult c
j(Sax)i (Say)ij= 72ajjx yjjjjx yjj
4.
V om deni aplicat , ia
T:X!1P
n=1c0
0'c0
prin
T= 4
T11P
n=1S1
2n
,
adic
Tx= 4
T1x;S 1
2nx;:::;S 1
2nx;:::
,
care îndeplines , te toate condit , iile cerute.
Observ at , ia 3. Se p oate demonstra c putem lua k > 6 . Demonstrat , ia de mai sus n u
cuprindek= 4 , p en tru c C([0;1]) trebuie renormat astfel încât, p en tru o baz Sc hauder,
jjPn Pmjj= 1 ,
p en tru oricare m ,n2N ,m6=n . Nu este cunoscut cea mai mic v aloare a lui k , dar
prop ozit , ia urm toare ne arat c k2 .
Prop ozit , ie. Consider m T:l1!c0 cu proprietatea c
jjx yjjjjTx Tyjjkjjx yjj ,
p en tru oricare x ,y2X . A tuncik2 .
Demonstr at , ie. Presupunem, f r pierderea generalit t , ii, c
T0= 0
Presupunem, prin reducere la absurd, c k<2 .
19
Consider m
ei= (0;0;:::;0;1;0;:::;0;:::) , unde p e p ozit , iai este1 .
Consider m
M=fn2Njj(Te1)n (Te2)nj4 2kg .
P en trui;j2N ,i;j3 ,i6=j , denim
Mij=fn2Njj(Tei)n (Tej)nj4 2kg .
M s , iMij sun t nite. V om demonstra c M\Mij6=; , p en tru oricare i;j2N ,i;j3 ,
i6=j .
Astfel
jjT(e1+ei) T(e2+ej)jjjj (e1+ei) (e2+ej)jj= 4 .
Rezult c exist n02N cu proprietatea c
j(T(e1+ei))n0 (T(e2+ej))n0j4 .
A tunci
j(Te1)n0 (Te2)n0jj(T(e1+ei))n0 (T(e2+ej))n0j
j(T(e1+ei))n0 (Te1)n0j j(T(e2+ej))n0 (Te2)n0j
4 jjT(e1+ei) Te1jj jjT(e2+ej) Te2jj
4 k k= 4 2k ,
decin02M . La fel se demonstreaz c n02Mij .
Consider m PM proiect , ia canonic a lui c0 p e spanfengn2M . Astfel m ult , imea
PMTei
i3
este m rginit în tr-un spat , iu nit.
A ceasta este o con tradict , ie cu faptul c j(Te1)n0 (Te2)n0j4 2k .
20
2.2 TEOREMA LUI ASSOUAD
Lui P . Assouad îi dator m rezultatul care spune c p en tru oricare spat , iu metric separabil
(X;d) s , i p en tru oricare ">0 , exist f:X!c+
0 astfel c
d(x;y)jjf(x) f(y)jj(3 +")d(x;y) ,
p en tru oricare x;y2X .
În con tin uare v om prezen ta o denit , ie s , i o prop ozit , ie care v or folosi la demonstrarea
teoremei lui Assouad.
Denit , ia 1. Fie(X;d) un spat , iu metric. A tunci Y se n umes , te a-ret , ea a lui (X;d) dac
d(x;Y)<a , p en tru oricare x2X
s , i
d(y;y0)a , p en tru oricare y;y02Y ,y6=y0.
Prop ozit , ia 1. Consider m (X;d) un spat , iu metric separabil, X0X o subm ult , ime s , i
2(2;1) . A tunci exist (Mi)i2NX cu propriet t , ile:
a) p en tru oricare x2X0 exist i2N astfel c
d(x;Mi)<1 ;
b) p en tru oricare x2X ,fi2Njd(x;Mi)< 1g este nit ;
c) p en tru oricare i2N ,diam (Mi)<2 .
Demonstr at , ie. Consider m Y=fyjgj2N o 1-ret , ea a lui (X;d) ce cuprinde o 1-ret , ea a lui
(X0;d) , notat Z .
Consider m
M0=B(y0;)\Z
s , i
Mi= (B(yi;)\Z)ni 1[
j=0Mj;
p en tru oricare i2N.
A tunci a) este adev rat p en tru c (Mi)i2N este acop erire a lui Z .
Consider m x2X . A tunci exist j02N cu proprietatea c d(x;yj0)<1 .
P en tru oricare i2N a v em c
d(x;Mi)< 1 ,
ceea ce implic
d(Mi;yj0)< .
21
Astfel exist z2Mi cu
d(z;yj0)< .
Presupunem, prin reducere la absurd, c j0<i .
A tunci, din denit , ia luiMi , a v em c z =2Mj0 , darz2B(yj0;) . Rezult astfel c
z2M1[M2[:::[Mj0 1 .
Con tradict , ie cuz2Mi .
În concluzie, m ult , imea
x2X ,fi2Njd(x;Mi)< 1g
are cel m ult j0+ 1<1 elemen te, deci are lo c b).
Deoarece, p en tru oricare i2N,
MiB(yi;) ,
deci s , i c) adev rat.
A cum putem demonstra T eorema lui Assouad.
T eorema lui Assouad. Consider m (X;d) spat , iu metric separabil, ">0 ,>2 s , i>0
astfel încât
2(1 +) = 1 +"
3.
Consider m e2X .
P en tru un în treg n, denim
an= (1 +) n,Xn=XnB
e;3an
2
,dn=d
an.
Fie(Min)i2N construit în prop ozit , ia de mai sus, p en tru (X;dn) spat , iu metric separabil s , i
XnX .
P en trui2N s , ix2X , e
fin(x) = [( 1)an d(x;Min)]+.
Prin in termediul lui NZ index m baza canonic a lui l1 :
(ein)(i;n)2NZ ,
s , i p en tru oricare x2X , consider m
f(x) =X
(i;n)2NZeinfin(x)
.
A tunci, p en tru oricare x;y2X ,
22
f(x)2c+
0 s , id(x;y)
3 +"jjf(x) f(y)jjd(x;y) .
Demonstr at , ie. Consider m x2X;m;n 02Z cu proprietatea c
fim(x)( 1)an0 .
A tunci
[( 1)am d(x;Mim)]+( 1)an0 s , i, deci,mn0 .
Efectiv,m>n 0 implic an0>am , de unde
( 1)am d(x;Mim)( 1)an0>( 1)am .
Astfel se obt , ine con tradict , ia0>d(x;Mim) .
P e de alt parte,
B(x;( 1)am)\Xm este nevid .
Deci exist y2Xm cu proprietatea c
d(x;y)<( 1)am .
Deoarecey2Xm , rezult c
d(y;e)3am
2
s , i
d(x;e)d(y;e) d(x;y)3am
2 ( 1)am=(+ 2)am
2.
Astfel, conform celor en unt , ate mai sus s , i punctului b) de la prop ozit , ia an terioar ,
f(i;n)2NZjfin(x)( 1)an0g este nit .
Consider m x;y2X;x6=y s , in2Z cu proprietatea c
3and(x;y)<3(1 +)an .
Ev en tual in v ersând p e x cuy , presupunem c
d(x;e)3an
2.
Decix2Xn .
Exist un n um r natural i astfel încât
d(x;Min)<an<( 1)an .
As , adar
fin(x) = ( 1)an d(x;Min)>( 2)an .
De asemenea, sup ortul lui fin este inclus în B(x;3an) .
P en tru c
23
d(x;Min)<a ,
exist z02Min astfel încât
d(x;z0)<a .
Consider m y cu proprietatea c
d(x;y)3an .
P en tru oricare z2Min se în tâmpl c
d(z;y)d(y;x) d(x;z0) d(z0;z)3an an 2an= ( 1)an ,
indc
d(z0;z)diam (Mi)2an .
Astfel,
d(y;Min)( 1)an ,
adic
fin(y) = 0 .
În concluzie,
jjf(x) f(y)jjjfin(x) fin(y)j>( 2)an 2
3(1 +)d(x;y) =d(x;y)
3 +".
Reiese c
d(x;y)
3 +"jjf(x) f(y)jj()d(x;y) ,
inegalitatea (*) rezultând din faptul c f:X![0;1) ,f(x) =d(x;Min) , p en tru oricare
x2X , este Lipsc hitz.
24
2.3 AL TE REZUL T A TE
În urm toarele rânduri v or prezen tate alte cinci rezultate ale spat , iilor metrice Lips-
c hitz ec hiv alen te, al turi de denit , ii s , i observ at , ii folositoare în înt , elegerea s , i demonstrarea
acestora.
Denit , ia 1. Fie(X;d) un spat , iu metric. A cesta se n umes , te(C;s) omogen dac are
lo c inegalitatea
card(Y\Z)Cb
as
,
p en tru oricare 0<a<b ,Y m ult , ime a-discret s , iZ m ult , ime cudiam (Z)b .
Se n umes , te dimensiunea metric a spat , iului metric (X;d) m ult , imea
dim(X;d) =inffs0j exist C > 0 cu proprietatea c (X;d) este(C;s) omogeng .
T eorema 1. (rezultat ar tat de P . Assouad)
Fie(X;d) un spat , iu metric astfel încât dim(X;d)<1 s , i ep2(0;1) .
A tunci exist un n um r natural n , o funct , ief: (X;dp)!(R2;jjjj 2) s , iA;B > 0 cu
proprietatea c
Adp(x;y)jjf(x) f(y)jjBdp(x;y) ,
p en tru oricare x;y2X .
Observ at , ia 1. Rezultatul an terior arat c p en tru un spat , iu metric (X;d) cudim(X;d)<
1 , acesta p oate scufundat în tr-un Rn. As , adarf:X!f(X) are proprietatea c atât
f , cât s , if 1, sun t Lipsc hitz.
Denit , ia 2. Spunem c un spat , iu metric (X;d) este ultrametric dac distant , a d(distant , a
ultrametric ) v eric urm toarea inegalitate:
d(x;y)maxfd(x;z);d(y;z)g ,
p en tru oricare x;y;z2X .
T eorema 2. (rezultat demonstrat de J. Luukk ainen s , i H. Moha v eni-Lank arani)
Consider m un spat , iu ultrametric (X;d) astfel încât dim(X;d)<n .
A tunci p en tru oricare x;y2X , exist f: (X;d)!(Rn;jjjj 2) s , iL1 cu proprietatea c
1
Ld(x;y)jjf(x) f(y)jjLd(x;y) .
De asemenea, s , i recipro ca este adev rat .
T eorema 3. (J. Luukk ainen s , i H. Moha v eni-Lank arani au ar tat urm torul rezultat)
Fie(X;d) un spat , iu ultrametric s , in un n um r natural astfel încât
dim(X;d) =n .
A tunci n u exist o funct , ief:X!Rnp en tru care exist L1 cu proprietatea c
1
Ld(x;y)jjf(x) f(y)jjLd(x;y) ,
25
p en tru oricare x;y2X .
T eorema 4. (H. Moha v eni-Lank arani a demonstrat acest rezultat)
Fie un spat , iu ultrametric compact (X;d) s , iH un spat , iu Hilb ert innit dimensional.
A tunci exist L1 s , i o funct , ief:X!H cu proprietatea c
1
Ld(x;y)jjf(x) f(y)jjLd(x;y) ,
p en tru oricare x;y2X .
Denit , ia 3. Consider m dou spat , ii Banac h reale X s , iY . Se n umes , te" -bi-Lipsc hitz o
funct , ief:X!Y dac
(1 ")jjx yjjjj (f(x) f(y)jj(1 +")jjx yjj ,
p en tru oricare x;y2X .
Observ at , ia 2. (un rezultat al lui S. Mazur s , i S. Ulam)
FieX s , iY dou spat , ii Banac h reale. A tunci o izometrie f:X!Y cuf(0) = 0 este
liniar .
T eorema 5. (rezultat demonstrat de Kil-W oung Jun s , i Dal-W on P ark)
Consider m X s , iY dou spat , ii Banac h reale s , i o funct , ie" -bi-Lipsc hitz f:X!Y , p en tru
oricare"2
0;1
3
, cuf(0) = 0 .
A tuncif este aproap e liniar , adic
jjf(x+y) f(x) f(y)jjD(")(jjxjj+jjyjj)
s , i
jjf(x) f(x)jjD(")E()jjxjj ,
p en tru oricare x;y2X ,2R s , i
lim
"!0D(") = 0 s , ilim
!0E() = 0 .
26
3 EXTINDERI PENTR U FUNCT , I I LIPSCHITZ
Datorit imp ortant , ei în analiza matematic a teoremei lui Tietze, au început s se studieze
asemenea rezultate s , i p en tru funct , iile Lipsc hitz. În plus, cum reiese s , i din tr-un articol al
lui Earl J. Mic kle, aceste rezultate au s , i implicat , ii practice:
In a pr oblem on surfac e ar e a the writer and Helsel wer e c onfr onte d with the
fol lowing question: Can a Lipschitz tr ansformation fr om a set in a Euclidian
thr e e-sp ac e into a Euclidian thr e e-sp ac e b e extende d to a Lipschitzian tr ansfor-
mation dene d on the whole sp ac e?
3.1 TEOREMA LUI KIRSZBRA UN
P en tru a putea demonstra T eorema lui Kirszbraun, a v em nev oie de urm toarea lem :
Lema 1. Fie
Yt=fyj exist (a;r)2P cu proprietatea c jjy ajjrtg=
=\
(a;r)2PB(a;rt);
p en trut2[0;1) s , i;6=PRnfrj0<r<1g .
A tunci:
a)c=infftjYt6=;g<1 ;
b) m ult , imeaYc are un singur elemen t s , i îl not m cu b ;
c)b se a în acop erirea con v ex a m ult , imii
A=faj exist r astfel încât (a;r)2P s , ijjb ajj=rtg .
Demonstr at , ie. P en tru oricare t2[0;1) ,Yt este compact p en tru c este o subm ult , ime
înc his aB(a;rt) .
P e de alt parte, observ m c p en tru 0t1t2 , a v em c Yt1Yt2 . (*)
Ar t m c
Yc=\fYtjc<t<1g .
Incluziunea direct reiese din (*) .
P en tru a ar ta cealalt incluziune, v edem c p en tru y2Yt , a v em c jjy ajjrt , p en tru
oricaret>c . Astfeljjy ajjrc , p en tru oricare (a;r)2P . Deciy2Yc .
Spunem c Yc6=; .
Presupunem con trariul. A tunci
\fYtjc<tg=; .
27
DeoareceYt sun t compacte, a v em c
[
f2FYt=;;
p en truF (c;1) nit .
As , adar,
YM=; ,
undeM=minF >c .
Dar exist t0<M cu proprietatea c Yt06=; .
A ceasta este o con tradict , ie:;6=Yt0YM=; .
Fie
=supfrj exist a2Rnastfel încât (a;r)2Pg .
Dac y;z2Yc s , i(a;r)2P , atunci
y+z
2 a2
=jjy+zjj2
4+jjajj2 (y+z)a=
=jjyjj2
2+jjzjj2
2 jjy zjj2
4+jjajj2 ya za=
=(jjy ajj2+jjz ajj2)
2 jjy zjj2
4r2c2 r2jjy zjj2
42.
Astfel
y+z
22Yt0 ,
unde
t0=
c2 jjy zjj2
421=2
.
DeciYt06=; .
As , adarct0 , de unde rezult c
y=z .
În cele din urm , Yc are un singur elemen t.
F olosind ev en tual o translat , ie a lui Rn, presupunem c Yc= 0 .
Fie">0 . A tunci
"u =2Yc= 0 ,
p en truu2Rncujjujj= 1 .
Astfel exist (a";r")2P cu proprietatea c
28
r2
"c2<jj"u a"jj2="2+jja"jj2 2"ua" .
Deoarece 02Yc , a v em
jja"jj2r2
"c2.
Prin urmare,
ua""
2.
Deci exist (an;rn)n1P astfel încât
uan1
2n.
P en tru c P este compact , lu m un subs , ir con v ergen t al s , irului de mai sus. Presupunem
c este c hiar (an;rn)n1 .
În consecint , , exist (a0;r0)2P cu proprietatea c
lim
n!1(an;rn) = (a0;r0)2P .
Este clar c ua00 .
A v em
jjanjj2r2
nc2<1
n2+jjanjj2 2
nuan ,
de unde
jja0jj2r2
0c2jja0jj2,
ceea ce implic
jja0jj2=r0c .
Prin urmare
P\f(a;r)jjjajj=rc s , iua0g6=; ,
de unde rezult c
A\fajua0g6=; . (**)
În concluzie, 0 n u p oate separat de A de niciun (n 1) -hip erplan.
V om folosi un rezultat de analiz funct , ional :
Consider m un sp at , iu ve ctorial top olo gic X ,A;B6=; , c onvexe, disjuncte. În
plus,A este c omp act , iar B închis .
A tunci exist f2X,
1;
22R astfel înc ât p entru oric ar e x2A ,y2B se
întâmpl c
Ref(x)<
1<
2<Ref (y) .
Presupunem, prin reducere la absurd, c 0=2coA . A tuncif0g;coA6=; , con v exe, disjuncte.
În plus,f0g este compact s , icoA este înc his .
29
Deci exist f2X,
1;
22R cu proprietatea c
Ref(x)<
1<
2<Ref (y) ,
p en trux= 0 s , i oricarey2coA .
Dar exist u2Rncujjujj= 1 cu proprietatea c
f(x) =hx;ui ,
p en tru oricare x2Rn.
Astfel
0<
1<
2<hx;ui ,
p en tru oricare y2A . A ceasta este o con tradict , ie cu (**) .
În concluzie, 02coA .
F olosind rezultatul an terior putem demonstra T eorema lui Kirszbraun.
T eorema lui Kirszbraun. FieSRms , i o funct , ie Lipsc hitz f:S!Rn.
A tunci exist F:Rm!Rno funct , ie Lipsc hitz cu urm toarele dou propriet t , i:
a)FjS=f ;
b)lip(F) =lip(f) .
Demonstr at , ie. Presupunem c lip(f) = 1 .
Consider m m ult , imea
=f(h;S0)j exist S0Rm,SS0,h:S0!Rnfunct , ie Lipsc hitz astfel încât gjS=f
s , ilip(g) =lip(f) = 1g .
Din lema lui Zorn rezult c
are un singur elemen t maximal (F;T) , cuF:TRm!
Rn.
V om demonstra c p en tru 2Rm T , exist 2Rncu proprietatea c
jj F(x)jjjj xjj ,
p en tru oricare x2T .
As , adar
F[f(;)g2
,
aceasta ind o con tradict , ie cu maximilitatea lui F .
Deci v om demonstra c
\
x2FfB(F(x);jj xjj)g6=;:
30
P en tru c fB(F(x);jj xjj)g sun t compacte, trebuie s v eric m relat , ia de mai sus
p en tru oricareFT nit .
Astfel, v om folosi lema de mai sus p en tru
P=f(F(x);jj xjj)jx2Fg .
Deci exist x1;x2;:::;xk2F s , i1;2;:::;k2R+ astfel încât F(xi)2A , adic
jjb F(xi)jj=jjxi jjc ,
p en tru oricare i=1;k , s , i
b=kX
i=1iF(xi)
cu
kX
i=1i= 1:
F olosind
2uv=jjujj2+jjvjj2 jju vjj2,
obt , inem c
0 = 2kX
i=1i[F(xi) b]2
= 2kX
i;j=1ij[F(xi) b][F(xj) b] =
=kX
i;j=1ij[jjjF(xi) bjjj2+jjjF(xj) bjjj2 jjjF(xi) F(xj)jjj2]
kX
i;j=1ij[c2jjxi jj2+c2jjxj jj2 jjxi xjjj2] =
=kX
i;j=1ij[2c(xi )c(xj ) + (c2 1)jjxi xjjj2] =
= 2ckX
i=1i(xi )2
+ (c2 1)kX
i;j=1ijjjxi xjjj2:
As , adar, consider m k= 1 s , ic= 0 (p en tru c 6=x12T , s , i consider m k>1 s , ic1 .
În concluzie c1 s , i rezult c
fbg2YcY1 ,
adic
31
b2\
x2FfB(F(x);jj xjj)g:
Observ at , ie. Dac norma cu care RnsauRmsun t înzestrate n u pro vine din tr-un pro dus
scalar, atunci teorema lui Kirszbraun p oate s n u mai e adev rat .
Exemplu. FieS=f(1; 1);( 1;1);(1;1)gR2,f:S!R2astfel
f(1; 1) = (1;0) ,f( 1;1) = ( 1;0) ,f(1;1) = (0;p
3)
s , i
(x) =supfjx1j;jx2jg ,v(x) = [(x1)2+ (x2)2]1=2, p en tru orice x2R2.
A tunci
(u v) = 2 =v[f(u) f(v)] s , i(u) = 1 ,
dar n u exist 2R2astfel încât
c[ f(u)]1 ,
p en tru oricare u;v2S .
Astfelf n u are extinderi Lipsc hitz, la S[f(0;0)g , de constan t Lipsc hitz 1.
32
3.2 TEOREMA LUI McSHANE
T eorema lui McShane. Consider m un spat , iu metricX ,SX s , i o funct , ie Lipsc hitz
f:S!R .
A tunci exist F:X!R cu urm toarele dou propriet t , i:
a)FjS=f ;
b)lip(F) =lip(f) .
Demonstr at , ie. Fie
F(x) =supff(y) lip(f)d(x;y)jy2Sg ,
p en tru oricare x2X .
Dac x2S xat, atunci
f(y) lip(f)d(x;y)f(x) ,
p en tru oricare y2S .
As , adarF este bine denit .
În relat , ia an terioar a v em egalitate dac x=y . A tunci obt , inem
F(x) =f(x) ,
p en tru oricare x2S , ceea ce v eric a).
Consider m x;y2X arbitrari. A tunci, p en tur oricare ">0 , exist z2S cu proprietatea
c
F(x) "<f (z) lip(f)d(x;z) .
Astfel
F(x) F(y)<"+f(z) lip(f)d(x;z) f(z) +lip(f)d(y;z) =
="+lip(f)(d(y;z) d(x;z))"+lip(f)d(x;y) .
F acem sc him barea din tre x s , iy . A tunci
F(y) F(x)"+lip(f)d(x;y) .
As , adar
jF(x) F(y)j"+lip(f)d(x;y):
Deoarece" era arbitrar, a v em
jF(x) F(y)jlip(f)d(x;y) ,
p en tru oricare x;y2X .
DeciF este Lipsc hitz s , i
lip(F)lip(f) .
Presupunem, prin reducere la absurd, c lip(F)<lip (f) . DarFjS=f , ceea ce con trazice
denit , ia luilip(f) .
As , adarlip(F) =lip(f) , deci este v ericat s , i b).
33
3.3 TEOREMA LUI CZIPSZER S , I GEHÉR
T eorema lui Czipszer s , i Gehér. Consider m un spat , iu metricX ,f:S!R funct , ie
LIP , p en tru SX înc his .
A tunci exist F:X!R funct , ie LIP cu proprietatea c FjS=f .
Demonstr at , ie. Presupunem c funct , iaf este m rginit , adic exist M2R astfel încât
jf(x)jM , p en tru oricare x2S .
P en tru oricare x2S , exist Kx2R cu proprietatea c
jf(x) f(y)jKxd(x;y) ,
p en tru oricare y2X .
Din ip otez , p en tru oricare x2S , exist k10 s , ir>0 astfel încât
jf(x) f(y)jk1d(x;y) ,
p en tru oricare y2B(x;r) .
Consider m k22M
rs , i atunci p en tru y =2B(x;r) rezult c
jf(x) f(y)j2Mk2rk2d(x;y) .
Deci, p en tru Kx=max(k1;k2) , a v em
jf(x) f(y)jKxd(x;y) ,
p en tru oricare y2X .
Demonstr m c F:X!R ,F(x) =inf
y2S[f(y) +Kyd(x;y)] , p en tru oricare x2X , este
extensia c utat .
A v em c
f(y) +Kyd(x;y)f(x);
p en tru oricare y2S .
A tunciF este bine denit s , i
f(x)F(x) ,
p en tru oricare x2X .
Deoarece
f(x) +Kxd(x;x) =f(x) ,
p en trux2S , a v em
F(x) =inf
y2S[f(y) +Kyd(x;y)] =f(x) .
DeciFjS=f .
Alegemx02X arbitrar. A tunci a v em dou cazuri:
34
i)x02S ;
ii)x0=2S .
i) Dac x2X ,
F(x)f(x0) +Kx0d(x;x0) ,
i.e.
F(x) f(x0) =F(x) F(x0)Kx0d(x;x0) .
P en truy2Snfx0g a v em c
f(y) f(x0) Kyd(y;x0) (*)
s , i
f(y) f(x0) Kx0d(y;x0) . (**)
Înm ult , im p e (*) cud(x;y)
d(x;y) +d(x;x0)s , i p e (**) cud(x;x0)
d(x;y) +d(x;x0). A tunci a v em
f(y) f(x0)[Kyd(x;y) +Kx0d(x;x0)]d(y;x0)
d(x;y) +d(x;x0)
[Kyd(x;y) +Kx0d(x;x0)] .
As , adar
f(y) +Kyd(x;y)f(x0) Kx0d(x;x0) .
Relat , ia de mai sus este adev rat s , i dac y=x0 .
Deci
F(x) =inf
y2Sjf(y) +Kyd(x;y)jf(x0) Kx0d(x;x0) ,
i.e.
F(x) f(x0) =F(x) F(x0) Kx0d(x;x0) .
Astfel
jF(x) f(x0)j=jF(x) F(x0)jKx0d(x;x0) ,
p en tru oricare x2X .
ii) Not m
d=d(x0;S)>0 s , iU=B
x0;d
2
.
P en tru oricare z2S xat s , ix2U , a v em
F(x)f(z) +Kzd(x;z)f(z) +Kz(d(x;x0) +d(x0;z))
f(z) +Kz
d(x0;z) +d
2
.
Dar
35
F(x)inf
y2Sf(y) M ,
p en tru oricare x2U .
As , adarF este marginit (p e U ) s , i exist N > 0 cu proprietatea c
jF(x)jN ,
p en tru oricare x2U .
Lu mx12U . A tunci p en tru oricare ">0 , exist y2S cu proprietatea c
F(x1)f(y) +Kyd(x1;y) " . (1)
P en tru c
F(x0)f(y) +Kyd(x0;y) ,
a v em
F(x0) F(x1)Ky(d(x0;y) d(x1;y)) +"Kyd(x0;x1) +" . (2)
Din (1) rezult c
KyF(x1) f(y) +"
d(x1;y)N+M+"
d
2.
Deci din (2) obt , inem c
F(x0) F(x1)N+M+"
d
2d(x0;x1) +" .
P en tru c " este ales arbitrar, deducem c
F(x0) F(x1)N+M
d
2d(x0;x1) .
La fel se arat c
F(x1) F(x0)N+M
d
2d(x1;x0) .
În concluzie,
jF(x1) F(x0)2N+M
d(x0;S)d(x1;x0) ,
p en trud(x1;x0)1
2d(x0;S) .
Astfel, dac f este m rginit , rezultatul este demonstrat.
V om trata s , i cazul general. Se observ c , dac
jf(x)jM ,
p en tru oricare x2S , atunciF p oate luat astfel ca
36
jF(x)j<M ,
p en tru oricare x2X .
Astfel, putem presupune c tot , iKx>1 .
Dac x =2S ,
F(x) M+d(x;S)>
