He estado enseñando Análisis Funcional, una asignatura de los estudios de Matemáticas en la UMU, durante muchos cursos, aunque de manera discontinua. Mi proyecto docente para la plaza de profesor titular de universidad, hace más de veinte años, fue sobre la asignatura de Análisis Funcional de la extinta licenciatura, que era anual y se impartía en quinto curso. Con la llegada del grado en Matemáticas llegaron también los recortes y el descafeinado, a pesar de lo cual, el Análisis Funcional conservó su aura de materia difícil, un feroz cancerbero que guardaba la puerta de salida de los estudios y que había que superar para obtener el ansiado diploma. El próximo curso, si Trump no lo remedia, el Análisis Funcional pasará a ser una optativa más, disputándose su impartición contra un buen puñado de «marías», sin ánimo de faltar al respeto. Casualmente, ese cambio ocurre mientras estoy a cargo de ella y no puedo evitar sentirme como el centinela que se queda dormido durante su guardia.

Es por eso que me he animado a escribir este post, en que hablaré del Análisis Funcional: en qué consiste, cómo aparece, y por qué es tan odiado. En efecto, una parte de la inquina contra el Análisis Funcional tiene algo de freudiano, como veremos más adelante. En cuanto al resultado que espero surta este alegato soy realista. Es muy poco probable que un profesor como yo, de escaso carisma docente, por decirlo de una manera aséptica, pueda convertir el Análisis Funcional en una materia atractiva para los estudiantes de Matemáticas, menos aquí con las limitaciones impuestas por la brevedad. Sin embargo, lo que sí creo que puedo hacer es dar unas pocas pinceladas, que revelen algo de su belleza, para los estudiantes (y público en general) a los que les gustan las Matemáticas, en la esperanza de que se matricularán de Análisis Funcional el último año de su carrera.

Nota: A lo largo del texto citaré muchos de mis posts anteriores, poniendo delante un simple «ver» para no recargar excesivamente la lectura.
El término «Análisis Funcional»
Que las palabras análisis y funcional sean de uso común provoca que su combinación aparezca en diferentes contextos con distintos significados, dando lugar a curiosidades como, por ejemplo, que mi amigo el arqueólogo Ignacio Martín Lerma y yo, matemático a la sazón, trabajemos ambos en «Análisis Funcional». Él analiza el posible uso de los artefactos prehistóricos y yo me ocupo de algo que no tiene absolutamente nada que ver con lo anterior. La palabra análisis adopta su significado actual en Matemáticas de la mano de uno de los mayores genios que ha dado la humanidad, Isaac Newton, cuya obra (publicada póstumamente) De analysi per aequationes numero terminorum infinitas, acuña el término latino en el título. No obstante, la palabra análisis llevaba tiempo circulando en Geometría hasta que Newton comienza a usarla en relación con los infinitésimos. Esto sería llamado después Cálculo Infinitesimal, reservándose el término Análisis (Matemático) para ulteriores desarrollos de la teoría y el marco general que los recoge.

Vamos ahora por el calificativo. Otro genio, Leonhard Euler introduce el término función en matemáticas, como una fórmula evaluada sobre variables numéricas que arroja valores numéricos. En aquel tiempo ya se investigaban problemas de mayor enjundia en los que se requería evaluar una fórmula sobre funciones (curvas, por ejemplo) con valores numéricos. A este tipo de «funciones de funciones» se les llamó funcionales. El uso de este término quedó prácticamente confinado al Cálculo de Variaciones, que investigaba la minimización (o maximización) de ciertas cantidades sobre curvas o superficies. Por ejemplo, las curvas de longitud mínima contenidas en una superficie (geodésicas) o superficies de área mínima con un borde prefijado, como las que se obtienen sumergiendo un alambre en agua jabonosa. En estos casos, la longitud y el área, respectivamente, son los funcionales involucrados.
El origen
Al principio, el objeto del Análisis era encontrar la solución de problemas, es decir, mero Cálculo, aunque en dos acepciones de la palabra. Muchos de los métodos para resolver problemas usaban tácitamente la existencia de su solución, lo que no parecía ser un inconveniente, ya que la respuesta encontrada pondría el paño caliente a posteriori. Hacia el siglo XIX se hizo patente la existencia de algunos problemas para los que no existía solución, estaban «mal formulados». De hecho, el Análisis entero estaba en entredicho porque estaba basado en definiciones que rayaban la metafísica. En la segunda mitad del siglo XIX se hicieron notables esfuerzos para enmendar la situación. Se construyó una teoría de los números reales, se formalizó la teoría de límites y se definió rigurosamente el concepto de función: todo el Análisis se podía reescribir sobre una base sólida… tan sólida como los propios números naturales. Al tiempo comenzarían los grandes proyectos sistematizadores, como los cursos de Análisis para l’École Normale Supérieure de Goursat o Valiron.

El problema que motivó la aparición de las técnicas que constituirían el germen del Análisis Funcional fue el llamado problema de Dirichlet, del que nos ocupamos brevemente en Circuferencias y esferas. Se trata de resolver una ecuación diferencial en derivadas parciales, ver EDPSF, convirtiéndola en un problema variacional consistente en minimizar un funcional dado por cierta integral. Dirichlet postuló la existencia de solución por analogía con la Física (Principio de Dirichlet). Pero los argumentos habituales para problemas similares planteados sobre conjuntos numéricos (dimensión finita) fracasan estrepitosamente cuando intentan adaptarse a conjuntos de funciones (dimensión infinita). Los matemáticos hablamos de ausencia de compacidad, una propiedad de naturaleza topológica. En el caso del problema de Dirichlet, la solución vendría, años después, de una construcción geométrica bastante natural que se puede trasladar a dimensión infinita, la proyección ortogonal. Es esencial para esto, disponer de la integral de Lebesgue, ver Área, que permite que los espacios involucrados sean completos, otra propiedad topológica. Avances posteriores permitieron descubrir que en dimensión infinita está disponible una forma de compacidad más débil, y así se llama a su topología asociada.
¿Pero qué es el Análisis Funcional?
El primer objeto propio del Análisis Funcional fue el espacio de Hilbert, espacio de dimensión infinita en el que es posible realizar proyecciones ortogonales sobre subespacios cerrados gracias a la combinación de una estructura algebraica (espacio vectorial con un producto interior) y una propiedad topológica (completitud). El papel del armazón lineal en los conjuntos de funciones fue reforzado por el descubrimento de Fredholm de que ciertas ecuaciones funcionales tienen un comportamiento análogo a los sistemas finito-dimensionales. La hibridación de estructuras algebraicas y topológicas se mostró una idea fructífera, así que en los años sucesivos llegarían más: los espacios de Banach y Fréchet, los espacios vectoriales topológicos, las álgebras de Banach, Análisis Funcional no-Arquimediano, Análisis Funcional no-Conmutativo… Como suele ocurrir en Matemáticas, lo que surge como una herramienta auxiliar se convierte en protagonista indiscutible, y ya no tiene que pagar tributos a sus orígenes ni rendir cuentas a sus sobre su utilidad.

Dice Bourbaki que el Análisis Funcional es el estudio estructural de los espacios vectoriales topológicos y las aplicaciones continuas entre ellos. Esta definición, dentro de su intachable generalidad, oculta el rasgo esencial del Análisis Funcional como cruce de caminos en Matemáticas: Cálculo de Variaciones, Ecuaciones en Derivadas Parciales, Álgebra (no sólo lineal), Topología, Geometría, Teoría de la Medida… El primer día de clase de la asignatura de Análisis Funcional pregunto al azar a los estudiantes sobre que parte de las Matemáticas les gusta más y tras oír la respuesta la relaciono con algún tópico más o menos próximo al programa: ¿anillos? calcularemos los ideales cerrados de C(K); ¿probabilidad? una sucesión de variables aleatorias centradas independientes se puede ver como una base hilbertiana; ¿ecuaciones algebraicas? la noción de grupo resoluble es de utilidad para formular una versión invariante del teorema de Hahn-Banach; ¿transformada de Fourier? puede verse indistintamente como un homomorfismo de álgebras de Banach o una isometría de espacios de Hilbert; ¿formas canónicas de matrices? la teoría espectral te va a gustar; ¿ciencia de datos? adivina a qué se dedicaban Johnson y Lindenstrauss cuando descubrieron su célebre lema 😉

Matar al padre
Las Matemáticas se han diversificado mucho desde 1900, por poner una fecha entre el fin de los descubrimientos y el comienzo de las invenciones. Evidentemente, no todas las ramas son comparables en métodos ni profundidad de ideas. Tampoco los matemáticos de primera división se reparten por igual en ellas. Una de las mayores satisfacciones que me proporciona mi área de investigación es la certeza de que por ella han pasado muchas de las mejores cabezas de las últimas décadas. Por señalar datos objetivos, en ocasiones consulto trabajos de L. Schwartz, A. Grothendieck, A. Connes, J. Bourgain o T. Gowers, todos ellos medalla Fields, o M. Talagrand, premio Abel en 2024, o finalmente J. Lindenstrauss, que decidía sobre quienes debían recibir los galardones. Por otra parte, conozco demasiados colegas de otras disciplinas que dudo puedan decir algo similar, aunque esto no es lo más preocupante. La ausencia de referentes en un tema es un síntoma propio de la burbuja de publicaciones científicas, esa miríada de artículos que no contribuyen al conocimiento ni leerá nadie.

Ha quedado claro que hoy no he venido a hacer amigos. Casualmente, algunos de los autores de célebres textos de Análisis Funcional son también los fundadores de otras ramas de la Matemática. Andréi Kolmogórov, a quien ya conocemos por la teoría KAM, estableció los axiomas de la Teoría de Probabilidades y definió una distribución fundamental en Estadística. Leonid Kantoróvich, uno de los fundadores de la Programación Lineal, que permite abordar y resolver el problema del transporte óptimo de recursos, lo que le valió el premio Nobel de Economía en 1975. Finalmente, John von Neumann que además de concebir la Teoría de Juegos y contribuir notablemente a la Informática, entre otras muchas cosas, desarrolló el formalismo de la teoría de operadores no acotados, necesario para la fundamentación de la Mecánica Cuántica. Sobre los tres ejemplos dados, me gusta pensar que la comprensión de las ideas fundamentales del Análisis Funcional resulta inspiradora. Por eso, cuando algún colega de Estadística, Probabilidad, Investigación Operativa, Teoría de Juegos o Informática, cuestiona la necesidad del Análisis Funcional en el grado de Matemáticas no puedo evitar acordarme de Edipo.
Los hombres que no amaban el Análisis
Mi santoral tiene tres nombres: Arquímedes, Newton y Einstein. Los tres fueron capaces de modificar la visión del mundo de sus contemporáneos y siguientes generaciones. Arquímedes fue pionero en los métodos infinitesimales para realizar operaciones equivalentes a la integración. Newton enunció las Leyes de la Mecánica y desarrolló las matemáticas para formularlas y usarlas, el Análisis. De hecho, la segunda ley de Newton es una ecuación diferencial. Desde ese momento, el Análisis fue indispensable para modelizar la realidad, ver Ecuaciones Diferenciales. Sólo Einstein fue capaz de romper con la visión newtoniana, cosa que no hizo con el Análisis. En efecto, las Matemáticas que sirven para la Mecánica Clásica sirven también para la Relativista o la Cuántica. Indiscutiblemente, el Análisis ha sido la disciplina matemática más transversal. La planificación de las misiones Apolo a la luna se ha basado en Análisis Matemático, no en Geometría Proyectiva, Teoría de Galois o Métodos Bayesianos. Y sin embargo, la guinda del pastel analítico, el Análisis Funcional, hunde sus raíces en todas las Matemáticas.

A pesar de todo eso, el peso del Análisis, en según qué ámbitos, va a depender de la composición discrecional de una comisión donde no se garantiza un representante de cada área, dicho esto en el supuesto generoso de considerarlas a todas equivalentes. No estoy hablando de la comisión de reforma del grado que decretó la optatividad del Análisis Funcional en mi universidad. Es todavía peor. Se trata de la convocatoria de Redes de Investigación 2024 del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. Consiste en unas ayudas a redes temáticas que aglutinan grupos de investigación de toda España. La Red de Análisis Matemático y Aplicaciones, concurrió a dicha convocatoria y quedó excluida. Sólo cinco redes matemáticas pasaron el corte: Dinámica, Atractores, no Linealidad, Caos y Estabilidad; Red de Ecuaciones en Derivadas Parciales no Locales y Aplicaciones; Red de Investigación en Educación Matemática; Red de Geometría Algebraica y Singularidades; y Red de Matemática Discreta y Algorítmica. Resulta, cuando menos, curiosa la excesiva especialización de algunas de las redes agraciadas… En el mismo documento puede verse que la red «Descolonizar la Historia del Espacio Atlántico» recibe una subvención de 43.000 euros. Aquí el problema no es tanto de falta de financiación como de ausencia de consideración hacia el Análisis, o al propio Isaac Newton, si me apuran.
¿Qué me aporta el Análisis Funcional?
Ya hemos dicho que las técnicas de Análisis Funcional surgen para establecer la existencia de soluciones de ciertas EDPs, pero no hemos entrado en demasiados detalles. Ocurre que la solución, que uno esperaría que fuera una función suficientemente regular (dos veces derivable para el problema de Dirichlet, por ejemplo), en general no lo será. El motivo es que para asegurar la completitud del espacio de Hilbert donde «viven» las soluciones hay que sustituir la derivada ordinaria (la inventada por Newton) por un tipo de derivada indirecta (llamada distribucional) que se define a través de la «dualidad». Este subterfugio, muy frecuente en Análisis Funcional, se investigó antes en el marco de la dimensión infinita que en espacios finito-dimensionales, donde también ha demostrado ser útil. Sin ir más lejos, en el uso de la dualidad encontramos las grandes aportaciones de von Newmann (Teoría de Juegos) y Kantoróvich (Programación Lineal), que explotan la relación entre el problema primal y su problema dual en dimensión finita. Pero la sustitución de funciones clásicas por distribuciones, que serían funciones evaluadas a través de la dualidad, encaja mejor con la visión postcuántica del mundo que nos rodea, ver EDPSF.

La combinación de estructuras algebraicas y topología da mucho juego. Por ejemplo, el espacio de funciones continuas C(K), sobre un espacio compacto K, es un álgebra de Banach conmutativa (una consecuencia de que la suma o el producto de funciones preserva la continuidad, grosso modo). Es natural preguntarse qué propiedades caracterizan a C(K) entre las álgebras y nos encontramos que la respuesta, gracias al Teorema de Gelfand-Naimark conmutativo, es relativamente sencilla en el caso complejo (por la intercesión de las funciones analíticas), mientras que el caso real requiere ideas complemente distintas provenientes de la Geometría (puntos extremos). Igualmente, podríamos preguntarnos hasta qué punto K está determinado por C(K) como espacio de Banach (renunciamos a la multiplicación). El teorema de Banach-Stone dice que si C(K) y C(H) son isométricos, entonces K y H son homeomorfos (disculpas por los palabros). Más aún, el teorema de Amir-Cambern muestra que se puede perturbar la isometría, que dejaría de serlo, hasta cierto punto pero no demasiado (distancia de Banach-Mazur menor que 2), porque Milutin demostró que C(K) y C(H) pueden ser isomorfos para K y H muy diferentes, por ejemplo K=[0,1] y H=[0,1]2 .

He optado por usar C(K) como ejemplo por la riqueza de su estructura algebraica y la evidente relación con la Topología. Yo, sin embargo, tengo más querencia por los espacios de Banach generales, en los que la ausencia de estructuras adicionales permite mayor variabilidad geométrica, especialmente, alrededor de la convexidad. En un futuro post hablaré un poco más de las matemáticas en las que trabajo y mis propios teoremas.

Epílogo
Realmente, que el Análisis Funcional pase a ser una optativa en nuestro grado de Matemáticas no es una afrenta en sí misma. Cuando yo cursé la licenciatura, todo el quinto curso era totalmente optativo. La cuestión es decidir qué debe ser obligatorio en la formación de un titulado en Matemáticas. Yo entiendo que muchas de las Matemáticas que se estudian no serán de ningún provecho en la vida profesional a la mayoría de los egresados. Pero también creo que el objeto de esos contenidos es forjar el estilo de pensamiento matemático, una característica que los empleadores privados aprecian en quienes han cursado matemáticas, además de indispensable para la investigación. El Análisis Funcional, por su transversalidad en Matemáticas, por la originalidad y profundidad de las ideas que aporta, y por la potencia de sus aplicaciones, debería formar parte del currículo de un estudiante de Matemáticas al que le gusten las Matemáticas, que no son la mayoría. Mi amigo y colega de facultad, Pedro Fernández, afirma que estudiar Análisis Funcional fue como pasar de tener una vieja tele en blanco y negro a ver las cosas a todo color. Creo que esta metáfora no es en absoluto exagerada. Así pues, querido estudiante, la decisión está en tus manos.




















































































































































































































