Université Pierre & Marie Curie L3 de Mathématiques
LM 360 (Topologie et Calcul différentiel) Automne 2012
TD n◦5. Espaces vectoriels normés,
applications linéaires continues
1 Sur les espaces vectoriels normés en général
Exercice 1 (Vrai ou faux ?).Dire si les assertions suivantes sont vraies ou fausses, et suivant le cas, en donner
une preuve ou trouver un contre-exemple.
a) L’application N: (x, y)7→ |2x+ 7y|est une norme sur R2.
b) L’application N:P7→ |P(0)|+|P(1)|+|P(2)|+|P(3)|est une norme sur l’espace R3[X]des polynômes
à coefficients réels de degré ≤3.
c) Dans un espace vectoriel normé E, pour tout v∈E, l’application x7→ x+vest continue.
Exercice 2. Soit Eun espace vectoriel normé, et a∈E. Démontrer que, pour tout r > 0, l’adhérence de la
boule ouverte Bo(a, r)est la boule fermée Bf(a, r).
Exercice 3. Soit Eun espace vectoriel normé, F⊂Eun sous-espace vectoriel.
a) Montrer que Fest un sous-espace vectoriel de E.
b) Montrer que si Fn’est pas d’intérieur vide, alors Fest dense dans E.
Exercice 4. Soit Eun espace vectoriel normé, F⊂Eun sous-espace de dimension finie. Montrer que Fest
fermé dans E[Indication : on pourra utiliser la complétude d’un espace vectoriel de dimension finie.].
Exercice 5 (Identité du parallélogramme).Soit (E, ||.||E)un espace vectoriel normé. On dit que la norme ||.||
vérifie l’identité du parallélogramme si
∀x, y ∈E, ||x−y||2+||x+y||2= 2 ||x||2+||y||2.
a) On suppose que ∀x, y ∈E, ||x−y||2+||x+y||2≤2||x||2+|y||2. Montrer que ||.|| vérifie l’identité du
parallélogramme.
b) Montrer que si la norme ||.|| dérive d’un produit scalaire sur E, elle vérifie l’identité du parallélogramme.
c) (plus difficile) Montrer que réciproquement, si ||.|| vérifie l’identité du parallélogramme, elle dérive d’un
produit scalaire.
Exercice 6. Soit Eun espace vectoriel, dune métrique sur E. Montrer qu’il existe une norme ||.|| sur Etelle
que dest la métrique associée à ||.|| si et seulement dest telle que :
–∀x, y, z ∈E, d(x+z, y +z) = d(x, y),
–∀λ∈R, x, y ∈E, d(λx, λy) = |λ|d(x, y).
Exercice 7 (Hyperplans dans un espace vectoriel normé).Soit Eun K-evn, avec K=Rou C. On rappelle
qu’un hyperplan de Eest la noyau d’une forme linéaire non nulle sur E.
a) Soit ϕune forme linéaire non continue sur E. Construire une suite (yn)d’ éléments de Equi converge
vers 0, avec pour tout n∈N,ϕ(yn)=1.
b) Montrer qu’un hyperplan H=Ker(ϕ)de Eest soit fermé dans E, auquel cas l’application ϕest continue,
soit dense dans E, auquel cas ϕn’est pas continue.
Exercice 8. On définit une application sur Mn(C)par :
∀A∈Mn(C), N(A) = nmax
i,j=1,...,n |ai,j |.
Démontrer que Nest une norme sur Mn(R), puis qu’il s’agit d’une norme sous-multiplicative, i.e.
∀A, B ∈Mn(C), N(AB)≤N(A)N(B).
Exercice 9 (Exponentielle matricielle).On admet qu’il existe des normes sous-multiplicatives sur Mn(C)(voir
l’exercice précédent).
a) Soit M∈Mn(C). Démontrer que la série Pk≥01
k!Mkest convergente. On note exp(M)sa limite.
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