CHAPITRE 5
Suites et fonctions
5.1 Espaces vectoriels norm´es r´eels ou complexes
Ici, Kd´esigne soit R, soit C.
5.1.1 Normes et distances
D´
efinition 5.1.1.Norme, espace vectoriel norm´e
Soit Eun e.v. sur K, on appelle norme sur Etoute application (not´ee k.kou N(.))
de Edans R+erifiant :
(i)xE,kxk= 0 x= 0 (on a en fait ´equivalence grˆace `a (ii)),
(ii)xE,λK,kλ.xk=|λ|.kxk,
(iii)(x, y)E2,kx+yk6kxk+kyk.
On dit alors que (E, k.k)est un espace vectoriel norm´e. S’il y a ambigu¨ıt´e on notera
aussi k.kEla norme sur E.
D´em : Si x= 0 (vecteur nul) alors 0.x =x(0 ´el´ement neutre de K) donc, avec (ii),
kxk=k0.xk= 0kxk= 0 ce qui prouve la r´eciproque
Exemples : Normes N1,N2et N
(i) Sur Kn(x= (xi)) : N1(x) =
n
P
i=1 |xi|,N2(x) = rn
P
i=1 |xi|2,N(x) = sup
i[[1,n]] |xi|.
D´em :
N1est une norme : N1:KnR+est imm´ediat. Montrons les autres
propri´et´es :
Si N1(x) = 0 alors i[[1, n]], xi= 0 (si une somme de termes
positifs est nulle alors tous ses termes sont nuls1) donc x= 0.
|λxi|=|λ|.|xi|donc, en additionnant, on a N1(λx) = |λ|N1(x).
De mˆeme |xi+yi|6|xi|+|yi|donc N1(x+y)6N1(x) + N1(y)
1Pour s’en convaincre, raisonner par l’absurde
257
258 CHAPITRE 5. SUITES ET FONCTIONS
N2est une norme : N2:KnR+est imm´ediat. Montrons les autres
propri´et´es :
Si N2(x) = 0 alors i[[1, n]], x2
i= 0 donc x= 0.
|λxi|=|λ|.|xi|donc
N2(λx) = v
u
u
t
n
X
i=1 |λ|2.|xi|2
=v
u
u
t|λ|2
n
X
i=1 |xi|2
=|λ|N2(x).
L’in´egalit´e triangulaire a ´et´e vue au chapitre 4 avec l’in´egalit´e de
Minkowski.
N:KnR+est imm´ediat. Montrons les autres propri´et´es :
Si N(x) = 0 alors i[[1, n]], xi= 0 car le sup est nul donc x= 0.
|λxi|=|λ|.|xi|donc, en passant au sup (qui est ici un maximum), on
aN(λx) = |λ|N(x).
|xi+yi|6|xi|+|yi|6sup
j|xj|
| {z }
=N(x)
+ sup
j|yj|
| {z }
=N(y)
donc N(x) + N(y) est un
majorant de l’ensemble des |xi+yi|ce qui entraˆıne que
sup
i|xi+yi|=N(x+y)6N(x) + N(y)
(ibis) Sur K[X] (avec P=
n
P
i=0
aiXi) : N1(P) =
n
P
i=0 |ai|,N2(P) = rn
P
i=0 |ai|2,
N(P) = sup
i[[0,n]] |ai|.
D´em : C’est la mˆeme d´emonstration que celle que l’on vient de faire
(ii) Sur C([a, b]) : N1(f) = Zb
a|f(t)|dt,N2(f) = sZb
a|f(t)|2dt,
N(f) = sup
t[a,b]|f(t)|.
D´em : Pour N1, voir le th´eor`eme 5.53 page 332, pour N2, voir la proposition
5.4.2 page 334 et pour la norme infinie, voir le th´eor`eme 5.1 page 260
(iii) Sur jo`u j∈ {1,2,∞} N1(u) =
+
P
n=0 |un|(sur 1), N2(u) = s+
P
n=0 |un|2(sur 2),
N(u) = sup
nN|un|(sur ) cf. d´efinition 5.3.5 page 320.
D´em : Pour N1, on verra ceci avec les s´eries (mˆeme d´emonstration que pour le
(i), cf. th´eor`eme 5.42 page 320), pour N2, voir aussi plus loin dans ce chapitre,
2est un espace de Hilbert (cf. th´eor`eme 5.43 page 320). Enfin, pour N, on
reprend la premi`ere d´emonstration (cf. th´eor`eme 5.4 page 266)
D´
efinition 5.1.2.Distance associ´ee `a une norme
On d´efinit la distance entre deux points de Epar d(x, y) = kxyk.
5.1. ESPACES VECTORIELS NORM ´
ES R ´
EELS OU COMPLEXES 259
Remarque 5.1.1. dv´erifie :
(i)(x, y)E2,d(x, y) = 0 x=yeparation,
(ii)(x, y)E2,d(x, y) = d(y, x)sym´etrie,
(iii)(x, y, z)E3:d(x, y)6d(x, z) + d(z, y)in´egalit´e triangulaire.
D´em : Ces trois propri´et´es sont simples `a prouver :
d(x, y) = 0 ⇔ kxyk= 0 x=y,
d(x, y) = kxyk=kyxk= d(y, x),
d(x, y) = kxyk=k(xz) + (zy)k6kxzk+kzyk= d(x, z) + d(z, y)
D´
efinition 5.1.3.Boule ouverte, ferm´ee
L’ensemble B(a, r) = {xE, d(a, x)< r}est appel´e boule ouverte de centre a, de
rayon r > 0, et l’ensemble B(a, r) = {xE, d(a, x)6r}, boule ferm´ee de centre a,
de rayon r.
norme 2 norme infinie norme 1
D´
efinition 5.1.4.Distance `a un ensemble
Soit Aun ensemble non vide, alors on pose d(x, A) = inf
yAd(x, y).
D´
efinition 5.1.5.Vecteur unitaire
On dit que xEespace vectoriel norm´e est un vecteur unitaire ssief kxk= 1 (cela
epend ´evidemment de la norme choisie).
Si xE\ {0}alors u=x
kxkest appel´e vecteur unitaire associ´e `a x.
Proposition 5.1.1.Si Eest un espace pr´ehilbertien (r´eel ou complexe), la norme
euclidienne kxk=p(x|x)v´erifie kxk= sup
kyk61|(x|y)|.
D´em : Si x= 0 l’´egalit´e est imm´ediate, on se place donc dans le cas o`u x6= 0. On
va montrer l’´egalit´e par double in´egalit´e :
260 CHAPITRE 5. SUITES ET FONCTIONS
Soit yEtel que kyk61 alors, par Cauchy-Schwarz, on a
|(x|y)|6kxk.kyk6kxk
donc A={|(x|y)|,kyk61}est born´e par kxkd’o`u sup
kyk61|(x|y)|6kxk.
Soit maintenant y=x
kxk,kyk= 1 et |(x|y)|=kxk2
kxk=kxkce qui signifie que
kxk ∈ Adonc kxk6sup A= sup
kyk61|(x|y)|.
Conclusion : on a bien montr´e que kxk= sup
kyk61|(x|y)|
D´
efinition 5.1.6.Ensemble born´e, diam`etre
On dit que A6=est un ensemble born´e ssid´ef il existe une boule ferm´ee contenant
A. Dans ce cas, on parle du diam`etre de A:
δ(A) = sup
(x,y)A2
d(x, y).
D´em : Cette d´efinition est l´egitime car AB(a, r) par d´efinition d’o`u, par in´egalit´e
triangulaire, d(x, y)6d(x, a) + d(a, y)62rpour tout (x, y)A2par cons´equent
{d(x, y),(x, y)A2}est major´e donc il poss`ede une borne sup´erieure
D´
efinition 5.1.7.Application born´ee, Ensemble B(A, F )
Soient Eet Fsont deux e.v.n., on dit que f∈ F(A, F )o`u AEest une application
born´ee ssief f(A)est born´e dans F.
L’ensemble des applications born´ees est not´e B(A, F ).
Th´
eor`
eme 5.1.L’ensemble B(A, F ) muni de la norme N(f) = sup
xAkf(x)kFest
un espace vectoriel norm´e.
D´em : C’est la d´emonstration classique que l’on retrouve ici, on v´erifie les axiomes
de la norme (on a ´evidemment N(f)R+), k.kFd´esigne la norme sur F.
Si N(f) = 0 alors xA,f(x) = 0 soit f= 0.
On utilise la propri´et´e
sup
αA
λα =λsup
αA
α
pour ARet λ>0 :
λα 6λsup
αA
αest imm´ediat donc λsup
αA
αest un majorant de l’ensemble
{λα, α A}donc
sup
αA
λα 6λsup
αA
α.
Si λ= 0, l’´egalit´e est imm´ediate, supposons λ > 0 alors, on applique
l’in´egalit´e que l’on vient de montrer `a B={λα, α A}et µ=1
λd’o`u
sup
βB
µβ 6µsup
βB
βor µβ =αet βBµβ =αAd’o`u
sup
αA
α61
λsup
αA
λα
5.1. ESPACES VECTORIELS NORM ´
ES R ´
EELS OU COMPLEXES 261
Cette derni`ere in´egalit´e permet de conclure `a l’´egalit´e en multipliant par λ.
On prend alors A={kf(x)kF, x A}d’o`u N(λf) = |λ|N(f) (en rem-
pla¸cant λpar |λ|et en utilisant la propri´et´e kλf(x)kF=|λ|.kf(x)kF).
• kf(x) + g(x)kF6kf(x)kF+kg(x)kF6N(f) + N(g) donc N(f) + N(g)
est un majorant de {kf(x) + g(x)kF, x A}et par cons´equent
N(f+g)6N(f) + N(g);
Conclusion : Nest bien une norme sur B(A, F ) donc B(A, F ) muni de Nest
bien un espace vectoriel norm´e
D´
efinition 5.1.8.Application lipschitzienne
Soit kR+, on dit que f:AEFest k-lipschitzienne ssief
kf(x)f(y)k6kkxyk.
On dit que fest lipschitzienne ssief kR+telle que fest k-lipschitzienne.
Proposition 5.1.2.
La compos´ee de deux applications lipschitziennes est lipschitzienne.
L’ensemble des fonctions lipschitziennes de F(A, F )est un sous-espace vectoriel de
F(A, F )
D´em : Notons Lip (A, F ) l’ensemble des applications lipschitziennes de Adans F
(notation non standard, utilis´ee de fa¸con ´episodique).
Soit fLip (A, F ), gLip (B, G) avec f(A)B(pour pouvoir d´efinir gf),
AEet BF. On suppose que fest k-lipschitzienne et g h-lipschitzienne.
Alors, pour tout (x, y)A2on a
kgf(x)gf(y)kG6hkf(x)f(y)kF6khkxykE
donc gfest lipschitzienne.
Si fet gsont dans Lip (A, F ) (ensemble non vide car l’application nulle en
fait partie), si fest k-lipschitzienne et g h-lipschitzienne. Alors, pour tout
(x, y)A2et tout (λ, µ)K2on a
k(λf +µg)(x)(λf +µg)(y)kF=kλ(f(x)f(y)) + µ(g(x)g(y))kF
6|λ|.kf(x)f(y)kF+|µ|.kg(x)g(y)kF
6|λ|kkxykE+|µ|hkxykE
6(|λ|k+|µ|h)kxykE
donc λf +µg est bien lipschitzienne
Exemples :
(i) Les applications x7→ kxket x7→ d(x, A) sont 1-lipschitziennes.
D´em :
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