(b) On pose gk(x) :=
k
X
i=1
|fni+1 (x)−fni(x)|.Montrer que (gk(x))k∈N∗converge presque sûrement
vers une limite finie g(x) et montrer que la fonction gainsi définie presque partout appartient
à Lp(µ).
(c) En déduire que (fnk(x))nconverge presque sûrement vers une limite f(x), que celle-ci définit
un élément de Lp(µ), limite de (fn)ndans cet espace.
Remarque : Au cours de la preuve on a obtenu le résultat suivant : si (fn)n∈Nconverge vers f
dans Lp(µ), on peut extraire une sous-suite (fnk)k∈Nconvergeant presque partout vers f.
Exercice 3.3: La convergence presque partout n’est pas « topologisable »
1. Construire une suite (fn)n∈Nde L1(]0,1[) qui converge dans cet espace, mais pas presque partout.
2. En déduire qu’il n’existe pas de topologie sur l’espace des fonctions telle que la convergence au sens
de cette topologie coïncide avec la convergence presque partout.
3.2 Liens entre les Lp
Exercice 3.4: Inclusions
1. Démontrer que si µ(X)<∞alors les espaces Lp(µ) s’injectent continûment par ordre décroissant
d’exposant.
2. Pour p6=q∈[1,∞], démontrer que Lp(R)⊂Lq(R) n’est jamais vrai. Que dire dans le cas des
ℓp(N) ?
Exercice 3.5: Topologies
Constuire une suite de de L1(R)∩L2(R) convergente dans L1(R) et pas dans L2(R), une autre
convergente dans L2(R) et pas dans L1(R).
Remarque : De manière plus générale, pour p < q, les deux normes k · kpet k · kqne définissent jamais la
même topologie sur Lp(R)∩Lq(R).
3.3 Sous-espaces denses et séparabilité
On se limite ici au cas d’un ouvert Ω de Rnmuni de la tribu des boréliens et de la mesure de lebesgue,
notée µpar la suite. On rappelle (voir le cours) que les ensembles de fonctions étagées, de fonctions en
« escaliers » (au sens des pavés) et des fonctions continues à support compact dans Ω sont tous les trois
denses dans Lp(Ω) pour tout p∈[1,∞[.
Exercice 3.6: Séparabilité
1. Vérifier la séparabilité de Lp(µ, Ω) (p∈[1,∞[).
2. (a) Soit Eun espace vectoriel topologique, on suppose qu’il existe une famille (Oi)i∈Itelle que :
(i) ∀i,Oiest un ouvert non vide de E,
(ii) Si i6=j, alors Oi∩Oj=∅,
(iii) In’est pas dénombrable.
Montrer que En’est pas séparable.
(b) Pour tout a∈Ω, on fixe ra>0 tel que B(a, ra)⊂Ω. En utilisant la question précédente et
les ensembles Oa:= {f∈L∞(µ, Ω); kf−1B(a,ra)k∞<1/2}, vérifier que L∞(µ, Ω) n’est pas
séparable.
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