Chapitre 6
Espaces vectoriels normés.
I. Normes. ................................................................................... 2
1/ Notion de norme. ...................................................................2
2/ Normes usuelles. ....................................................................3
3/ Un exercice classique : la norme subordonnée. ..................................4
4/ Le théorème fondamental : l’équivalence des normes. ...........................4
5/ Boules, sphères. .....................................................................5
6/ Ensembles bornés. ..................................................................6
7/ Parties convexes.....................................................................6
II. Suites d’un espace vectoriel normé. .................................................8
1/ Limite d’une suite ..................................................................8
2/ Propriétés de la limite ............................................................. 9
3/ Espaces vectoriels avec un produit. ..............................................10
III. Distance et topologie induite par la norme. .....................................11
1/ Distance ............................................................................11
2/ Ouverts d’un espace vectoriel normé.............................................11
3/ Notion de topologie................................................................12
4/ Intérieur, adhérence, frontière. ...................................................12
5/ Densité..............................................................................13
IV. Limite et continuité d’une application entre evn................................15
1/ Limite d’une application ..........................................................15
2/ Propriétés de la limite ............................................................16
3/ Continuité ..........................................................................16
4/ Cas des fonctions à valeurs dans R...............................................17
5/ Cas des applications linéaires, multilinéaires et polynômiales. ...............18
1
Chapitre 6
Espaces vectoriels normés.
Dans ce chapitre, Esera un Kespace vectoriel avec K=Rou K=C.
I. Normes.
I.1/ Notion de norme.
Définition. Une norme sur Eest une application Nde Edans R+vérifiant :
1) xE,N(x)=0x=0(Séparation).
2) xE,λK,N(λ.x)=λ.N(x)(Homogénéité)
3) x, y E,N(x+y)N(x)+N(y)(Inégalité triangulaire)
Si on choisit une norme Nsur E, on dit que (E, N)est un espace vectoriel normé (evn).
Exercice.1
1.
Montrer que la valeur absolue est une norme sur
R
, et que toute norme
N
sur
R
vérifie
xR
,
N(x)=λ.xavec λdans R.
2.
Montrer que le module est une norme sur le
C
ev
C
, et que toute norme
N
sur
C
vérifie
zC
,
N(z)=λ.zavec λdans C.
Remarque.
S’il manque la séparabilité à une application
N
pour devenir une norme, on l’appelle une
semi-norme.
Propriété.2Si Nest une norme sur Ealors
x, y E, N(x)N(y) N(x+y)N(x)+N(y)
2
I.2/ Normes usuelles.
Sur Kn.3Soit x=(x1,...,xn)dans Knet pdans [1; +∞[, on définit :
x1=n
i=1xi x2=n
i=1xi2
1
2xp=n
i=1xip
1
px=Max
1inxi
Remarquons que :
1. Si n=1alors x1=x2=x=x.
2. Si p=2, on retrouve la norme euclidienne ...2.
3. Pour tout xde Kn,lim
p+∞ xp=xd’où son nom.
Sur C([a, b],K).4Soit fdans C([a, b],K)et pdans [1; +∞[, on définit :
f1=b
af f2=b
af21
2fp=b
afp1
pf=Max
x[a,b]f(x)
Remarquons que :
1. Si p=2, on retrouve la norme euclidienne ...2.
2. Pour tout fde C(a, b],K),lim
p+∞ fp=fd’où son nom.
3.
Les applications précédentes définies sur
Cm([a, b],K)
au lieu de
C([a, b],K)
sont semi-normes
uniquement.
Sur Mpq(K).5Soit A=(aij )dans Mpq (K)et pdans [1; +∞[, on définit :
A1=p
i=1
q
j=1aij  A2=
p
i=1
q
j=1aij 2
1
2Ap=
p
i=1
q
j=1aij p
1
pA=Max
i,j aij
Remarquons que :
1.
Si
p=
2, on retrouve la norme euclidienne
...2
. On rappelle qu’on a aussi
A2=tr(t
A.A)
pour
tout Ade Mpq(K).
2. Pour tout Ade Mpq (K),lim
p+∞ Ap=Ad’où son nom.
3
Sur R[X].6
1.
On peut considérer un polynôme comme une fonction. Toutes les normes sur
C([a, b],R)
avec
a
et bquelconques.
2. On a aussi pour P=(ai)K[X]:P=
k=0ak.
I.3/ Un exercice classique : la norme subordonnée.
Exercice.7
Dans cet exercice on identifie les élément de
Rn
aux matrices colonnes. Soient
...
une
norme sur Rnet Bla sphère unité associée. On pose pour Adans Mn(K)
A=Sup
xBAx
1. Justifier l’existence de Aet montrer que le sup est en fait un max.
2. Montrer que ... est une norme sur Mn(R).
3.
Montrer que pour toutes matrices
A
et
B
de
Mn(R)
, on a
(AB)(A)(A)
. Les normes
de ... vérifiant cette propriété sont des normes matricielles (ou des normes d’algèbre).
I.4/ Le théorème fondamental : l’équivalence des normes.
Définition.
Deux normes
N1
et
N2
sur
E
sont dites équivalentes et on note
N1N2
s’il existe
λ
et
µ
dans R
+vérifiant :
λ.N1(x)N2(x)µ.N1(x)
Exercice.8
1. Montrer que les normes ...1,...2et ...sont équivalentes sur R2.
2. Montrer que ...1et ...ne sont pas équivalentes sur C([a, b],K).
Théorème.9
1. L’équivalence de normes est une relation d’équivalence.
2. En dimension finie, toutes les normes sont équivalentes.
4
I.5/ Boules, sphères.
Définition. Soit ...une norme sur E,adans Eet rdans R
+.
1. La boule ouverte de centre aet de rayon rest :
B(a, r)=xE xa<r
2. La boule fermée de centre aet de rayon rest :
B(a, r)=xE xar
3. La sphère de centre aet de rayon rest :
S(a, r)=xE xa=r
4. Si a=0et r=1, les objets précédents sont appelés boule unité ouverte/fermée ou sphère unité.
Remarques.
1.
On a
B(a, r)=a+r.B(
0
,
1
)
(translation + homothétie). Moralité, la géométrie de la boule unité
détermine la géométrie de toutes les autres boules.
2.
Sur
R
les boules ouvertes sont les intervalles du type
]a, b[
et les boules fermés sont les intervalles
du type [a, b]avec aet bdans Rtels que a<b.
Exemple. Les sphères unités pour les normes 1, 2 et dans R2sont :
..1
..
..2
Exercice.10 Montrer que On(R)S(0,n). On rappelle que :
On(R)=AGln(R)  A1=t
A
Exercice.11 Montrer que tout sev de (E, N )contenant une boule est égale à E.
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