2CHAPITRE 5. ESPACES FONCTIONNELS
5.3 Distance de la convergence uniforme
Lemme 1. Soit Xun ensemble, (Y, d)un espace métrique, f∈YXet (fn)n∈N
une suite dans YX. Soit d0une distance sur Yuniformément équivalente à d. Alors
la suite (fn)n∈Nconverge uniformément vers fpour la distance dsi et seulement
si elle converge uniformément vers fpour la distance d0.
Démonstration. Supposons que (fn)n∈Nconverge uniformément vers fpour la
distance d, et montrons que (fn)n∈Nconverge uniformément vers fpour la dis-
tance d0. Soit > 0. On sait qu’il existe µ > 0tel que d(fn(x), f(x)) < µ ⇒
d0(fn(x), f(x)) < . Mais d’après la continuité uniforme de fpour d, il existe
N∈Ntel que n>N⇒d(fn(x), f(x)) < µ∀x∈X. D’où le résultat.
Définition 3. Soient Xun ensemble et (Y, d)un espace métrique. On pose d0=
min(1, d)et pour f, g ∈YX, on pose D0(f, g) = supx∈Xd0(f(x), g(x)). On
appelle topologie de la convergence uniforme et on note Tcu la topologie sur YX
associée à la distance D0. La topologie ne dépend que de la classe d’équivalence
de d.
Définition 4. On note C(X, Y )l’ensemble des applications continues de Xdans
Yet B(X, Y )l’ensemble des applications bornées de Xdans Y.
Proposition 2. Soient Xun ensemble quelconque et (Y, d)un espace métrique.
Une suite d’applications (fn)n∈Nde Xdans Yconverge uniformément vers une
application fde Xdans Ysi et seulement si la suite (fn)n∈Nconverge vers fdans
(YX,Tcu).
Démonstration. Il suffit d’écrire les définitions.
Théorème 1. Soient Xun espace topologique, (Y, d)un espace métrique et (fn)n∈N
de Xdans Yqui converge uniformément vers une application fde Xdans Y.
Alors si toutes les fonctions fnsont continues en a∈X, alors fest continue en a.
C’est à dire que l’ensemble des fonctions continues en aest un ensemble fermé de
(YX,Tcu). De même, C(X, Y )est un sous-ensemble fermé de (YX,Tcu).
Démonstration. Soit > 0. On écrit :
d(f(x), f(a)) ≤d(f(x), fn(x)) + d(fn(x), fn(a)) + d(fn(a), f(a)).
Or, il existe N∈Ntel que n>Nimplique (d(fn(x), f (x)) <
3pour tout x∈X.
Soit donc n > N. Puisque fnest continue en a, il existe un voisinage Vade atel
que pour tout x∈Vad(fn(x), fn(a)) <
3. D’où le résultat.