III. Utilisation des algèbres de Banach.
1. Une propriété d’inversibilité
a) Définition de y:La série n0xnconverge et Aest de Banach, donc la série n0xnconverge (car
dans un Banach, absolue convergence ⇒convergence).
b) Inversibilité de e−x:Soit yn=n
k=0 xk.On a (e−x)yn=yn(e−x) = e−xn+1,et la suite (xn)tend vers 0
car la série xnconverge, donc e−xn+1 →equand n→+∞.Comme d’autre part (e−x)yn→(e−x)y
et yn(e−x)→y(e−x)par continuité de la multiplication dans une algèbre normée, on obtient que
(e−x)y=y(e−x)=e. Ceci montre que e−xest inversible et que (e−x)−1=y.
Montrer seulement (e−x)y=eou y(e−x) = ene suffit pas !
c) Majoration de y:On a ynn
k=0 xkpour tout n, donc par continuité de la norme (c’est une
application 1-lipschitzienne), on obtient à la limite que y+∞
n=0 xn.
2. Étude de l’ensemble des inversibles
a) Préliminaire : Si h<1,en posant x=−h, on a xnhnterme général d’une série convergente,
donc n0xnconverge et la question 1 s’applique, donc e−x=e+h∈ U.De plus (comme à 1.c) :
(e+h)−1−e=
+∞
n=1
(−h)n
+∞
n=1 hn=h
1−h
b) Uest ouvert : Soit x0∈ U et x∈B0x0,x−1
0−1.En posant h=x−x0et h=x−1
0h, on a h<
x−1
0−1,donc hx−1
0 · h<1,ce qui montre par le a) que e+hest inversible. A fortiori,
x0(e+h) = x0+h=xest inversible car Uest un groupe, donc x∈ U.On a donc B0x0,x−1
0−1⊂ U,
ce qui montre sur la définition que Uest ouvert.
c) Continuité de x→ x−1:La majoration (e+h)−1−eh
1−hmontre que limh→0(e+h)−1=e,
donc la fonction φ:x→ x−1est continue au point e. Puis, si x0∈ U,on a φ(x) = x0·x−1
0x−1=
φx−1
0xφ(x0).Par continuité de x→ x−1
0xen x0et de φen e, on a limx→x0φx−1
0x=φ(e) = e, donc
limx→x0φ(x) = e·φ(x0) : la fonction φest continue en x0.
3. Une propriété théorique : Si un→udans (Lc(E),||| · |||),alors pour x∈E, on a :
un(x)−u(x)|||un−u|||· x
et le terme de droite tend vers 0 quand n→+∞,donc un(x)−u(x) → 0,ce qui veut dire que
un(x)→u(x)quand n→+∞dans l’espace normé (E, · ).
4. Application à l’équation (E)
a) (Ea, a
∞)est de Banach : En effet, B([0, a],R)est de Banach pour la norme uniforme car Rest de
Banach et Ea=C0([0, a],R)est fermé dans B([0, a],R),donc Eaest à son tour un Banach (une partie
fermée d’une partie complète est complète).
b) Résolution «topologique» : L’équation (E)s’écrivant (IEa−Ta) (f) = g, on a vu que l’existence et l’unicité
de fse ramenait à la bijectivité de IEa−Ta.Pour le montrer, prenons pour Al’espace Lc(Ea)muni de
la norme ||| · ||| associée à · a
∞.Comme (Ea, a
∞)est de Banach, l’espace (Lc(Ea),||| · |||)l’est aussi
, donc c’est une algèbre de Banach. De plus, on a ici e=IEa,et en prenant x=Ta,on a |||xn||| =an
n!,
terme général d’une série convergente, donc la question III.1.b) s’applique et montre que IEa−Taest
inversible dans (Lc(Ea),|||· |||).Ceci signifie précisément que IEa−Taest bijective et que la bijection
réciproque est linéaire continue. On obtient donc sans calcul l’existence et l’unicité de la solution, ainsi
que le caractère linéaire continu de Sa.De plus, on a la formule :
Sa= (IEa−Ta)−1=
+∞
n=0
(Ta)n
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