TOPOLOGIE ET ANALYSE FONCTIONNELLE
FEUILLE D’EXERCICES N2
MASTER DE MATH´
EMATIQUES, PREMIER SEMESTRE, ANN´
EE 2006/2007
Exercice 1. (Convolution). Soient NN>0,p[1,], fL1(RN) et gLp(RN). On
veut montrer que pour presque tout xRN, la fonction y7→ f(xy)g(y) est inegrable
sur RNet que si
(fg)(x) = ZRN
f(xy)g(y) d y
alors fgLp(RN) et kfgkp≤ kfk1kgkp.
(1) Traiter les cas p=et p= 1.
(2) Si p]1,[, on majorera l’int´egrale RRNRRNf(xy)g(y) d yh(x) d xpour h
Lq(RN) o`u qest l’exposant conjugu´e de p(i.e. 1/p + 1/q = 1).
Soient RNet f: R. On note ωΩ le plus grand ouvert sur lequel fest nulle
presque partout (c’est la r´eunion des ouverts de Ω sur lesquels fest nulle presque partout,
il est facile de voir que c’est une r´eunion d´enombrable de tels ouverts). Le support de f
est supp(f) = \ω. Pour kN∪{∞}, on note Ck
c(RN) l’espace des fonctions de classe
Ck`a support compact sur RN.
Exercice 2. Soient fL1(RN) et gLp(RN). Montrer que
supp(fg)supp(f) + supp(g).
Exercice 3. (1) Montrer que si fC0
c(RN) et gL1(RN), alors fgC0(RN).
(2) Montrer que si fCk
c(RN) avec kN, alors fgCk(RN).
Exercice 4. (R´egularisation par convolution). Soit (ρn)nN>0une suite avec ρnC
c(RN).
On dit que (ρn)nN>0est r´egularisante si ρn0, RRNρn= 1 pour tout nN>0, et pour
tout δR>0, on a lim
n→∞ RRN\B(0)ρn= 0.
(0) Construire une suite r´egularisante en utilisant ρ:x7→ (exp 1
kxk−1si kxk<1
0 si kxk ≥ 1.
(1) Si fC0(RN), alors ρnfconverge uniform´ement vers fsur tout compact de
RN.
(2) Supposons en outre qu’en fait, on a supp(ρn)B(0,1/n) pour tout nN>0. Si
fLp(RN) avec 1 p < , alors ρnfconverge vers fdans Lp(RN) (on rappelle
que C0
c(Ω) est dense dans Lp(Ω)).
(3) En d´eduire que si Ω RNest un ouvert et 1 p < , alors C
c(Ω) est dense
dans Lp(Ω).
Exercice 5. Soient (E, k.k) un espace norm´e, FEun sous-espace, f:FRune
forme lin´eaire continue et xE\F. Montrer qu’on peut prolonger fen une forme lin´eaire
continue e
f:FRxRavec ke
fk=kfk(on cherchera l’encadrement que doit v´erifier
e
f(x)).
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2 MASTER DE MATH´
EMATIQUES, PREMIER SEMESTRE, ANN´
EE 2006/2007
Exercice 6. Soient Eun espace vectoriel norm´e sur R,fune forme lin´eaire non nulle sur
Eet αR. Montrer que l’hyperplan d’´equation f(x) = αest ferm´e si et seulement si f
est continue.
Exercice 7. (1) Soient Eun espace vectoriel norm´e et Fun sous espace vectoriel
ferm´e de E. Montrer qu’on munit l’espace vectoriel quotient E/F en posant
kx+FkE/F = inf
yFkxyk.
(2) Soit xE\F. Montrer qu’il existe une forme lin´eaire continue fsur Etelle que
f|F= 0 et f(x)>0 (en particulier, on peut s´eparer strictement xet F).
Exercice 8. Soit (E, k.k) un espace vectoriel norm´e et E0son dual muni de la norme
usuelle. On veut montrer que si E0est s´eparable alors Eest s´eparable.
(1) On suppose que (fn)nNest une suite dense de E0. Montrer qu’il existe une suite
(xn)nNde Etelle que (nN)fn(xn)1
2kfnket kxnk= 1.
(2) Montrer que l’espace vectoriel engendr´e par les xnest dense dans E.
(3) Soit `(R) = {x:NR, x est born´ee}l’ensemble des suites born´ees, norm´e par
kxk= supnN|x(n)|. Montre que `n’est pas s´eparable (on pourra consid´erer le
sous-ensemble {0,1}N). En d´eduire que l’application naturelle `1(R)(`(R))0
n’est pas surjective (o`u `1(R) = {x:NR,PnN|x(n)|<∞}).
Exercice 9. Soient Eet Fdeux espaces vectoriels norm´es et u:EFlin´eaire continue.
On d´efinit u:F0E0par u(ϕ) = ϕu. Montrer que uest continue et que kukL(F0,E0)=
kukL(E,F ).
Exercice 10. Soient Eun espace de Banach et FEun sous-espace de dimension finie.
Alors Fadmet un suppl´ementaire topologique.
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