Universit´e de Nantes
D´epartement de Math´ematiques
Maˆıtrise de Math´ematiques
M1
Analyse Fonctionnelle
Une introduction au cours
Ann´ee 2000-2001
A. Morame et X. P. Wang
E.Mail : morame@math.univ-nantes.fr et wang@math.univ-nantes.fr
R´esum´e
Ce manuel n’est pas le polycopi´e du cours d’Analyse Fonctionnelle de M1.
Il a pour but de rappeler les notions essentielles vues en D.E.U.G. et en Licence de
Math´ematiques qui interviennent couramment dans le cours de Maˆıtrise d’Analyse
Fonctionnelle et dans les Exercices du mˆeme cours.
Les parties de ce cours qui ont un lien imm´ediat avec ces rappels seront juste
´evoqu´es, quand leur d´efinition ne n´ecessite que ce qui a ´et´e ej`a acquis en Licence.
Les d´emonstrations des r´esultats vues par tous les ´etudiants issus de la Licence
1999/2000 de Nantes, o`u qui seront sˆurement vues dans le cours de M1 cette ann´ee,
ne seront pas d´ev´elopp´ees.
Seules les d´emonstrations des cours optionnels de la Licence de Math´ematiques
de Nantes seront esquiss´ees.
Le manuel de r´ef´erence du Cours de M1 est le livre de H. Brezis [3] et [4], on
peut consulter aussi celui de W. Rudin [9] dont le niveau est entre la Licence et la
Maˆıtrise et qui est moins complet pour le cours de M1.
Table des mati`eres
1 Les Pr´eliminaires indispensables 3
1.1 DelaTopologie................................. 3
1.2 Quelques propri´et´es des espaces vectoriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Les espaces vectoriels de dimension finie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Quelques bonnes surprises et “gags” 18
2.1 Sur la continuit´e des applications lin´eaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Sur les formes lin´eaires et la dualit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Les fonctions continues sur un compact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 esultats des cours optionnels de la Licence 22
3.1 Quelques rappels sur l’int´egrale de Lebesgue . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 S´erie de Fourier “`a la mode Maˆıtrise” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Transformation de Fourier : un aper¸cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Fonctions holomorphes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Les polynˆomes orthogonaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4 Plan du cours de M1 1999/2000 40
2
1 Les Pr´eliminaires indispensables
1.1 De la Topologie
Nous rappelons que le manuel de r´ef´erence de la topologie g´en´erale est le livre de G.
Choquet [6], (ou J. Dixmier [7]), on peut aussi consulter les ouvrages du niveau d’Analyse
Fonctionnelle du niveau de la Licence de Math. [10], [12] et [11].
efinition 1.1 Si E est un ensemble, une topologie sur E est la donn´ee d’un ensemble
O(E)de parties de E, (c’est-`a-dire dont les ´el´ements sont des sous-ensembles de E), ces
parties de E, ´el´ements de O(E), sont appel´ees les ouverts de E et doivent satisfaire aux
trois propri´et´es suivantes :
i) Toute union (finie ou non) d’ouverts est un ouvert
ii) Toute intersection finie d’ouverts est un ouvert
iii) E et l’ensemble vide sont des ouverts
Dans ce cas, le couple (E, O(E)) est appel´e espace topologique.
Si (E, O(E)) est un espace topologique, une partie Ade E, A E, est dite un
ferm´e de Esi et seulement si son compl´ementaire dans E, E \Aest un ouvert.
Des ´egalit´es bien connues
E\[
iI
Ai=\
iI
(E\Ai) et E\\
iI
Ai=[
iI
(E\Ai),
on d´eduit des propri´et´es des ouverts celles ci-dessous des ferm´es :
a) Toute union finie de ferm´es est un ferm´e
b) Toute intersection (finie ou non) de ferm´es est un ferm´e
c) E et l’ensemble vide sont des ferm´es
Si (E, O(E)) est un espace topologique et xun point de E, x E, un voisinage de
xest un ouvert contenant x; une base de voisinage de xest un sous-ensemble Bde
O(E) tel que pour tout voisinage Vxde xil existe B∈ B inclus dans Vx:BVx.
Si Aest une partie de E, A E, la fermeture de Aest le plus petit ferm´e contenant
A, il est not´e Aet il est donn´e par
A=\
F∈F(E), AF
F
si F(E) d´esigne l’ensemble de tous les ferm´es de E.
L’inerieur de A, not´e ˙
A, est le plus grand ouvert contenu dans A, il est donn´e par
˙
A=[
O∈O(E), OA
O
Une partie Ade Eest dite dense dans Esi et seulement si A=E.
3
efinition 1.2 Si (E, O(E)) et (H, O(H)) sont deux espaces topologiques et f:E7→ H
une application de Edans H, on dit que f est continue au point eEsi et seulement
si, pour tout voisinage Wf(e)de f(e)il existe un voisinage Vede etel que f(Ve)Wf(e).
Si fest continue en tout point de Eon dit seulement que fest une application
continue de Edans H.
Le th´eor`eme de caract´erisation des applications continues est le suivant.
Th´eor`eme 1.3 Soit (E, O(E)),(H, O(H)) deux espaces topologiques et f:E7→ H
une application de Edans H.
Alors fest continue si et seulement si l’une des deux propri´et´es suivantes est satis-
faite :
i) Pour tout ouvert Ode H, O∈ O(H), f1(O)
est un ouvert de E, f1(O)∈ O(E).
ii) Pour tout ferm´e Fde H, f1(F)est un ferm´e de E.
Nous rappelons que si f:E7→ Hest une application et si AEet BH, alors
f(A) = {yH;aA t.q. f (a) = y}={f(a); aA}
est l’image de Apar fet
f1(B) = {xE t.q. f(x)B}est l’image inverse de Bpar f.
Si (E, O(E)) est un espace topologique et si AEest une partie de E, si on d´efinit
O(A) par O(A) = {AO;O∈ O(E)},alors (A, O(A)) est un espace topologique, on
dit que la topologie ainsi d´efinie sur Aest celle induite par E.
Tout ouvert de An’est pas forc´ement un ouvert de E, sauf si Aest un ouvert de E.
De mˆeme tout ferm´e de An’est pas forc´ement un ferm´e de E, sauf si Aest un ferm´e
de E.
Dor´enavant on dira que Eest un espace topologique, `a la place de (E, O(E)) est un
espace topologique.
efinition 1.4 Deux espaces topologiques Eet Hsont dits hom´eomorphes s’il existe
une bijection entre Eet Hqui soit continue ainsi que son inverse. Si f:E7→ Hest
une telle bijection, alors
i) Pour tout AE, f(A)est un ouvert de Hsi et seulement si Aest un ouvert
de E
ii) Pour tout AE, f (A)est un ferm´e de Hsi et seulement si Aest un ferm´e
de E
Rappelons qu’un espace topologique Eest dit s´epar´e si et seulement si, pour tout
couple d’´el´ements distincts de (a, b) de E
il existe un voisinage Vade aet un Vbde bt.q. VaVb=.
Une suite d’´el´ements de Eest une application s:N7→ Eque l’on note par son
image (en) = (en)nN, si s(n) = en,nN.
4
Une sous-suite de (en) est une suite sp:N7→ Eo`u p:N7→ Nest une
application strictement croissante, la sous-suite se note alors (ep(j)) = (ep(j))jN.
Une suite (en) d’un espace topologique Eest dite convergente de limite e, (eE),
si pour tout voisinage Vede e, il existe MNtel que n > M, enVe.
Si de plus Eest s´epar´e, la limite , (si elle existe), est forc´ement unique.
efinition 1.5 Un espace topologique E est dit compact s’il est s´epar´e et si pour tout
recouvrement de E, E=[
iI
Oipar une famille {Oi;iI}ouverts de E, on peut en
extraire un recouvrement fini : E=[
iJ
Oio`u J est un sous-ensemble fini de I.
Th´eor`eme 1.6 “de Bolzano-Weierstrass”
Soit Kun espace topologique s´epar´e.
Si Kest compact, alors toute suite de Kadmet une sous-suite convergente.
Si Kest un espace m´etrique tel que toute suite de Kadmet une sous-suite conver-
gente, alors Kest compact.
Une partie Ad’un espace topologique E, A Eest dit compacte, si Amuni de la
topologie induite de Eest un espace topologique compact.
On a les caract´erisations suivantes des compacts.
Proposition 1.7 Une partie Ad’un espace topologique s´epar´e Eest compact si pour
tout recouvrement de A, A [
iI
Oipar une famille {Oi;iI}d’ouverts de E, on
peut en extraire un recouvrement fini : A[
iJ
Oio`u Jest un sous-ensemble fini de I.
Proposition 1.8 Si Eest un espace topologique s´epar´e et si AEest un compact,
alors Aest forement un ferm´e de E.
De plus, tout ferm´e inclus dans Aest aussi compact.
Un dernier r´esultat sur les compacts `a savoir est
Th´eor`eme 1.9 Soit f:E7→ Hest une application continue. Si Hest s´epar´e et si
AEest un compact de E, alors f(A)est un compact de H.
Les espaces topologiques les plus courants sont des espaces m´etriques dont nous rap-
pelons la d´efinition.
efinition 1.10 Soit E un ensemble. Une distance sur E est une application d:E×
E7→ R+satisfaisant aux trois propri´et´es suivantes :
i) {d(x, y) = 0} ⇔ {x=y}(s´eparabilit´e)
ii) d(x, y) = d(y, x)(sym´etrie)
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