Universit´e de Lorraine ann´ee 2016-2017
M2 MFA – Agr´egation de Math´ematiques
Th´eor`emes de Baire et de Banach-Steinhaus
1 Th´eor`eme de Baire
Th´eor`eme 1. Soit Eun espace m´etrique complet.
L’intersection d’une famille d´enombrable d’ouverts (On)n∈Ndenses dans Eest
encore dense dans E.
D´emonstration. Soit Oun ouvert non vide.
Il s’agit de montrer que O∩ ∩n≥1Onest non-vide. Comme O1est dense dans
Eet que Oest non vide, il existe x1∈O∩O1. Comme O∩O1est ouvert,
il existe r1>0 tel que B(x1, r1)⊂O∩O1. On peut supposer r1≤1. Ainsi,
on construit une suite (xi)i≥1et une suite (ri)i≥1de r´eels strictements positifs
telles que pour tout n≥1
—B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ On̸=∅.
—B(xn+1, rn+1)⊂B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ On.
—rn≤1/2n−1.
En effet, une fois qu’on a construit x1, . . . xn, r1, . . . rn, on refait le raisonne-
ment suivant : puisque On+1 est dense et que B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ On̸=∅,
On+1 rencontre B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ Onen un point xn+1. Mais comme
B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ On∩On+1 est ouvert, pour rn+1 suffisamment petit,
on aura B(xn+1, rn+1)⊂B(xn, rn)∩O1∩···∩On. Bien sˆur, il ne coˆute rien de
prendre rn+1 ≤1/2n.B(xn+1, rn+1)∩O1∩···∩On+1 ̸=∅car il contient xn+1.
Comme B(xn+1, rn+1)⊂B(xn, rn)∩O1∩ ··· ∩ On, on a d(xn, xn+1)≤1
2n−1.
On en d´eduit que pour tous n, p on a
d(xn, xn+p)≤
k≥0
1
2n+k−1=1
2n.
Ainsi la suite (xn) est de Cauchy, donc convergente car l’espace est complet.Pour
tout k≥1, xn+k∈B(xn+1, rn+1) (les boules sont emboˆıt´ees), donc la limite x
est dans B(xn+1, rn+1) qui est ferm´e. Cependant B(xn+1, rn+1)⊂O∩On, donc
finalement x∈O∩ ∩n≥1On.
En passant au compl´ementaire, on voit qu’une r´eunion d´enombrable de
ferm´es d’int´erieurs vides est d’int´erieur vide.
Le r´esultat est souvent utilis´ee sous la forme contrapos´ee : si une r´eunion
d´enombrable de ferm´es est d’int´erieur non-vide, alors un des ferm´es est d’int´erieur
non vide.
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