Compl´ements d’analyse fonctionnelle
R´esum´e du cours de MEDP
Maˆıtrise de math´ematiques 2001 – 2002
medp-ana-fonctnelle.tex (2001oct09)
1 Th´eor`eme de Baire
1.1 Proposition. Soit Xun espace topologique. Il est ´equivalent de dire
(1) Si {On}
n=1 est une suite d’ouverts denses de X, l’intersection A=T
n=1 Onest dense
dans X.
(2) Si {Fn}
n=1 est une suite de ferm´es de Xd’int´erieurs vides, la r´eunion B=S
n=1 Fn
est d’int´erieur vide dans X.
Un espace topologique Xest dit espace de Baire si l’intersection d’une famille enombrable
d’ouverts denses de Xest une partie dense dans X.
1.2 Proposition. Si Xest un espace de Baire et s’il peut s’´ecrire comme une r´eunion
enombrable X=S
n=1 Fnde ferm´es, alors l’un au moins des ferm´es Fnest d’int´erieur
non vide, il existe un entier n0tel que int(Fn0)6=.
1.3 Th´eor`eme. (Th´eor`eme de Baire)
(1) Un espace topologique localement compact est un espace de Baire.
(2) Un espace m´etrique complet est un espace de Baire.
Note. Dans la suite, nous appliquerons essentiellement le th´eor`eme de Baire dans les
espaces de Banach. Rappelons qu’un espace vectoriel norm´e est localement compact si et
seulement s’il est de dimension finie.
Applications. Comme application du th´eor`eme de Baire, on peut montrer que ‘presque
toute’ (en un sens `a pr´eciser) fonction continue sur un intervalle [a, b] n’est nulle part
d´erivable (voir [3], Chapitre 5, Exercice 14, page 115 ou [2], Chapitre XIV, §4.2, p. 300
). On peut ´egalement montrer que ‘presque toute’ fonction Csur un intervalle de Rn’est
nulle part d´eveloppable en s´erie enti`ere ([2], §4.3, page 301 ff).
2 Fonctionnelles convexes
Soit (E, k · k) un espace vectoriel norm´e (sur K=Rou C). Une fonctionnelle convexe (ou
une semi-norme) est une application p:ERqui v´erifie les deux axiomes suivants
(1) u, v E, p(u+v)p(u) + p(v),
(2) uE, λK, p(λu) = |λ|p(u).
Remarque. Les axiomes (1) et (2) ci-dessus impliquent que l’on a
p(0) = 0 et p(u)0,uE .
Une fonctionnelle convexe est en particulier une fonction convexe.
On dit qu’une fonctionnelle convexe est born´ee s’il existe une constante C(ind´ependante de
u) telle que p(u)Ckukpour tout ´el´ement uE.
2.1 Proposition. Soit pune fonctionnelle convexe sur l’espace vectoriel norm´e E. Les deux
assertions suivantes sont ´equivalentes :
(1) La fonctionnelle pest continue.
(3) La fonctionnelle pest born´ee.
Remarque. On retrouve en particulier la caract´erisation des applications lin´eaires conti-
nues entre espaces vectoriels norm´es.
3 Th´eor`eme de Banach – Steinhaus
3.1 Th´eor`eme. (Th´eor`eme de Banach – Steinhaus) Soit (E, k·k)un espace de Banach.
Soit pα, α A, une famille (non n´ecessairement d´enombrable) de fonctionnelles convexes
born´ees. On d´efinit une application p:ER∪ {∞} par
p(x) = sup{pα(x)|αA}.
Alors,
Ou bien p(x)est finie pour tout xEet c’est alors une fonctionnelle convexe born´ee
sur E: il existe une constante C, ind´ependante de αAet de xE, telle que
αA, xE, pα(x)p(x)Ckxk.
Ou bien il existe un ensemble Gδ(c’est `a dire une intersection d´enombrable d’ouverts
denses) XE, tel que
xX, p(x) = +.
2
3.2 Corollaire. Soient E, F deux espaces de Banach. Soit {Tα, α A}une famille
d’op´erateurs lin´eaires continus de Edans F. On suppose que
xE, sup{kTα(x)kF|αA}<.
Alors, il existe une constante C, ind´ependante de αAet de xE, telle que
xE, αA, kTα(x)kFCkxkE,
c’est `a dire,
αA, kTαkE,F C .
3.3 Corollaire. Soient E, F , deux espaces de Banach et soit {Tn}n1une suite d’applica-
tions lin´eaires continues de Edans F. On suppose que pour tout xE, la suite {Tn(x)}
converge, dans F, vers un ´el´ement not´e T(x). Alors,
(1) supnkTnkE,F <,
(2) Test une application lin´eaire continue de Edans F,
(3) kTkE,F lim inf kTnkE,F .
Application. Pour une application du th´eor`eme de Banach – Steinhaus `a l’´etude des s´eries
de Fourier des fonctions continues, voir [3], §5.11, p. 101 ff.
4 Th´eor`eme de Hahn – Banach
4.1 Th´eor`eme. (Hahn – Banach, version analytique) Soit (E, k · kE)un espace vectoriel
norm´e. Soit GEun sous espace vectoriel et soit gune forme lin´eaire continue sur
(G, k·kE). Alors il existe une forme lin´eaire continue fsur (E, k·kE), qui ´etend get telle
que kfkE0=kgkG0.
4.2 Corollaire. Soit Eun espace vectoriel norm´e sur Rou C. Alors,
1. Pour tout xE, il existe une forme lin´eaire continue gxE0telle que
gx(x) = kxk2
Eet kgxkE0=kxkE.
2. Pour tout xE, on a
kxkE= sup{|f(x)|fE0et kfkE01}= max{|f(x)|fE0et kfkE01}.
4.3 Th´eor`eme. (Hahn – Banach, version g´eom´etrique) Soit (E, k · kE)un espace vectoriel
norm´e eel. Soient AEun convexe ferm´e et BEun convexe compact. On suppose de
plus Aet Bnon vides et disjoints. Alors, il existe un hyperplan ferm´e qui s´epare strictement
Aet Bc’est `a dire, il existe une forme lin´eaire continue fsur (E, k·kE)et des nombres
αRet ε > 0tels que
(xA, f(x)αε ,
xB, f (x)α+ε .
3
5 Cons´equences du th´eor`eme de Banach – Steinhaus
et du th´eor`eme de Hahn – Banach
5.1 Corollaire. Soit Eun espace de Banach et soit AE. Il est ´equivalent de dire
(1) La partie Aest born´ee dans E.
(2) fE0,l’ensemble f(A)est born´e.
Note. La d´emonstration de ce corollaire utilise la version analytique du th´eor`eme de Hahn
– Banach (voir Section 4).
5.2 Corollaire. Soit Eun espace de Banach et soit BE0. Il est ´equivalent de dire
(1) La partie Best born´ee dans E0(pour la norme dans le dual).
(2) xE , l’ensemble B(x) = {f(x)|fB}est born´e.
6 Th´eor`eme de l’application ouverte
6.1 Th´eor`eme. Soient Eet Fdeux espaces de Banach et soit Tun op´erateur lin´eaire,
continu et surjectif de Esur F. Alors, il existe un nombre r > 0tel que
TBE(0,1)BF(0, r).
6.2 Corollaire. Soient Eet Fdeux espaces de Banach et soit Tun op´erateur lin´eaire,
continu et bijectif de Esur F. Alors, l’op´erateur T1est continu de Fsur E.
Application. Pour une application du th´eor`eme de l’application ouverte `a l’´etude des
s´eries de Fourier des fonctions L1, voir [3], §5.14, p. 103 ff.
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7 Th´eor`eme du graphe ferm´e
´
Etant donn´e un op´erateur T:EF, on appelle graphe de Tle sous-ensemble
G(T) := x, T (x)|xE.
7.1 Th´eor`eme. Soient Eet Fdeux espaces de Banach. Soit Tun op´erateur lin´eaire de
Edans F. On suppose que le graphe G(T)de l’op´erateur Test ferm´e dans E×F. Alors,
l’op´erateur Test continu.
R´ef´erences
[1] Brezis, Ha¨ım. — Analyse fonctionnelle, Th´eorie et applications. Masson 1987
[2] Dugundji, James. — Topology, Allyn and Bacon 1966
[3] Rudin, Walter. Real and complex analysis, International student edition,
McGraw-Hill 1970 (il existe une traduction fran¸caise)
[4] Rudin, Walter. — Functional analysis, McGraw-Hill 1973
Pierre B´erard
Institut Fourier
UMR 5582 UJF – CNRS
www-fourier.ujf-grenoble.fr/~pberard/notes_cours.html
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