MP Topologie des evn
Ed´
esignera un espace vectoriel norm´
e.
Normes, distances :
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EXERCICE 1. Quelques normes.
a) Montrer que (x, y)7Sup
t[0,1]
|x+ty|d´
efinit une norme de R2et tracer sa boule unit´
e.
* Comparer `
a la norme euclidienne.
b) Idem avec R1
0|x+ty|dt(calculer en fn de x, y en discutant).
c) (diff) Idem avec Sup
tR
|x+ty|
1+t2.
d) Idem avec qf(0)2+R1
0f0(t)2dtsur E=C1([0, 1],R).
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EXERCICE 2. Montrer que toute partie born´
ee non vide admet un diam`
etre :
δ(X) = Sup
x,yXkxyk
Montrer que le diam`
etre de la terre vaut 20 000 km. Mais si !
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EXERCICE 3. Soit Eun espace pr´
ehilbertien (= muni d’un produit scalaire). Montrer que kxk=Sup
kyk61
|(x|y)|.
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EXERCICE 4. Calculer d(A, Z) = Inf |na|quand nZ, a A=1+5
2k
, k N(indic : penser `
a la quantit´
e
conjugu´
ee. . .)
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EXERCICE 5. Montrer que d(x, S) = 0quand x[−1, 1], S ={sin(n)|nN}(indic : x=sinq(Arc sin x+2kπ)2.
Faire un programme python pour tracer le graphe de la suite des sin n).
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EXERCICE 6. On consid`
ere E=ensemble des suites born´
ees, avec la norme k k. Soit Fle sous-espace
vectoriel des suites qui tendent vers 0, u
u
ula suite constante ´
egale `
a 1. Calculer d(u
u
u, F) = Inf
f
f
fFku
u
uf
f
fk.
Cette distance est-elle atteinte ? En quels points ?
Mˆ
eme question avec la suite ((−1)n)net le sev des suites convergentes.
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EXERCICE 7. a) Comparer k ket N:f7qf(0)2+R1
0f0(t)2dtsur E=C1([0, 1]; R). Que pouvez-vous en
conclure sur les relations entre l’´
economie r´
eelle et la sp´
eculation sur les produits d´
eriv´
es ?
b) On d´
efinit sur E=C([0, 1],R)les normes N1, N2, . . . , par :
N1(f) = |f(0)|+||f0||, N2(f) = |f(0)|+|f0(0)|+||f00||, . . . . Les comparer.
c) Comparer sur E×Fles trois normes
k(x, y)k=Max(kxk,kyk)k(x, y)k1=kxk+kyk k(x, y)k2=qkxk2+kyk2
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EXERCICE 8. On consid`
ere une partie non vide Ade Eet l’application f:ERd´
efinie par
f(x) = d(x, A) = Inf
aAkxak.
Montrer que fest 1-lipschitzienne, et prononcez-le sans postillonner (indic : commencer par encadrer
kxakpour un aAfix´
e).
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EXERCICE 9. On consid`
ere la suite des applications εn:t7enit, n N, dans l’espace pr´
ehilbertien des
applications continues 2π–p´
eriodiques de Rdans C, muni du produit scalaire hf|gi=1
R
0fg.
Montrer que cette suite ne poss`
ede aucune valeur d’adh´
erence.
Idem avec la suite des t7cos(nt)dans le mˆ
eme espace.
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EXERCICE 10. (*) On consid`
ere l’espace E={f∈ C2([0, 1]; R)|f(0) = f0(0) = 0}et on pose
||f|| =Sup
[0,1]
|f00 +2f0+f|
Montrer que ceci d´
efinit bien une norme. Montrer l’in´
egalit´
e||f||612
e||f|| (poser g(t) = etf(t)).
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EXERCICE 11. On consid`
ere En={a1ε1+. . . anεn|a1, a2. . . anC}o`
uεk:t7eikt. C’est un sev de l’ensemble
des fonctions continues -p´
eriodiques.
On fixe fEn:f=a1ε1+. . . anεn. En calculant puis en majorant l’int´
egrale 1
R
0|f|2, montrer
k=1...n |ak|6Sup
j
|aj|6q|a1|2+. . . |an|26kfk
o`
u comme toujours kfk=Sup
tR
|f(t)|(il existe, par p´
eriodicit´
e et continuit´
e de f).
En d´
eduire une constante cn(= qn(n+1)(2n+1)
6)telle que
fEnkf0k6cnkfk
Ouverts, ferm´
es :
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EXERCICE 12. Aest un sev de E. Montrer que Aest aussi un sev. En d´
eduire qu’il y a, du point de vue
topologique, deux sortes d’ hyperplans, et les qualifier.
Que dire d’un sev ouvert ?
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EXERCICE 13. Montrer que si Aet Bsont born´
ees alors AB,AB,A+Bet Ale sont.
En notant δ(A) = Sup
x,yA
||xy|| le diam`
etre de A, montrer que
ABδ(A)6δ(B)et δ(A) = δ(A)
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EXERCICE 14. Un calcul de diam`
etre (d´
efinition dans l’exercice pr´
ec´
edent). Dans le plan euclidien on trace
un triangle de REULEAUX de la fac¸on suivante : d’un point A on trace un arc de cercle d’angle 60,
d’extr´
emit´
es B et C. Puis on trace l’arc de cercle de centre B d’extr´
emit´
es A et C et de mˆ
eme pour le
dernier cˆ
ot´
e. Montrer que tout point de la figure convexe obtenue est l’extr´
emit´
e d’un diam`
etre. Voir
sur Internet les applications au moteur `
a trois temps.
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EXERCICE 15. On consid`
ere un sous-groupe Gde (R,+). Montrer que si Gn’ est pas monog`
ene, (de la
forme aZ, a R), alors Gest dense dans R(au sens o `
ud(x, G) = 0pour tout xR). Pour cela, on
consid`
erera l’inf αdes ´
el´
ements strictement positifs de Gen distinguant le cas o `
u il est nul.
Discuter le cas de Gx,y ={ax +by |a, b Z}.`
A quelle condition sur y/x est-il dense ? En d´
eduire les
adh´
erences de P={2a.3b|(a, b)Z2}et Sθ={cos()|nZ}(se servir de ce que l’image continue
d’une partie dense est dense).
En d´
eduire aussi que tout groupe fini de rotations du plan est cyclique.
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EXERCICE 16. Soit f:RRcontinue. Montrer que son graphe G={(x, f(x)) |xR}est un ferm´
e de R2.
Montrer que la r´
eciproque est fausse.
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EXERCICE 17. ´
Etudier exp´
erimentalement mais soigneusement le nombre de valeurs d’adh´
erences de la
suite xn+1=1λx2
n, x0=0pour diverses valeurs de λ[0, 2].
EXERCICE 18. Adh´
erence, int´
erieur, d’une boule ?
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EXERCICE 19. * Si Aet Bsont deux parties disjointes, A´
etant ouverte, montrer que AB=. ** En d´
eduire
que si deux ouverts A, B sont disjoints il en est de mˆ
eme de
Aet
B(utiliser les compl´
ementaires).
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EXERCICE 20. Que peut-on dire des int´
erieurs et adh´
erences de AB?AB? (Danger !)
Montrer que si ABalors
A
Bet AB.
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EXERCICE 21. Aest une partie convexe (non vide) de E. Montrer que l’application f:xd(x, A)est alors
convexe (faire un dessin !).
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EXERCICE 22. Trouver deux ferm´
es disjoints A, B de R2ou Rdont la distance soit nulle : Inf
(a,b)A×B||ab|| =0.
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EXERCICE 23. Montrer que si Aest un ouvert non vide, alors pour tout partie Bnon vide de E,
A+B={a+b|(a, b)A×B}
est ouvert. Un ouvert peut-il ˆ
etre, de mˆ
eme, somme de deux ferm´
es (non ouverts !) ?
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EXERCICE 24. * (Centrale) On consid`
ere le sous-espace Cdes suites convergentes dans l’evn Bdes suites
r´
eelles born´
ees. Est-ce un ferm´
e ?
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EXERCICE 25. Montrer que Fr A,
Aet E\Aforment une partition de E, quelle que soit la partie A(ces trois
ensembles sont disjoints et leur r´
eunion est E). De quoi E\Aest-il l’int´
erieur ? En d´
eduire que Aet
E\Aont mˆ
eme fronti`
ere.
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EXERCICE 26. fet gsont deux applications continues de Edans R. Montrer que les applications
f+=Sup(f, 0),|f|,Sup(f, g)sont continues. Mˆ
eme question quand fet gsont lipschitziennes.
Matrices et topologie (5/2 ou r´
evision) :
EXERCICE 27. Montrer que le groupe lin´
eaire G`n(K)est dense dans Mn(K).
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EXERCICE 28. Montrer que le sous-ensemble des matrices diagonalisables de Mn(C)est dense. Montrer
qu’il n’en est pas de mˆ
eme dans le cas r´
eel (consid´
erer la matrice A= ( 0 1
1 0 )).
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EXERCICE 29. (X) * Montrer que l’adh´
erence de R={A∈ M2(C)|nNAn=I}est l’ensemble des
matrices dont les valeurs propres sont sur le cercle unit´
e.
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EXERCICE 30. On consid`
ere une matrice r´
eelle diagonalisable Atelle que Sp(A)]0, +[, c’est `
a dire
qu’il existe Pinversible et des r´
eels > 0 λ1. . . λntels que P1AP soit ´
egale `
a la matrice diagonale
λ10 ... 0
0 λ2... 0
.
.
.....
.
.
0 ... ... λn
. On pose
U0=Aet nNUn+1=1
2(Un+A.U1
n)
Montrer que cette suite est bien d´
efinie et converge (on pourra commencer par ´
etudier les suites
num´
eriques v´
erifiant un+1=1
2(un+λ
un
)). Quelle est sa limite ? Que se passera-t-il avec une matrice
moins sympathique ?
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EXERCICE 31. On consid`
ere une matrice complexe Aet l’ensemble des matrices qui lui sont semblables :
OA={PAP1|P∈ G`n(C)}. Montrer que cet ensemble est ferm´
eAest diagonalisable. (X)
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Continuit´
e d’applications lin´
eaires :
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EXERCICE 32. E=R[X]muni de ||P|| =|| Pn
k=0akXk|| =Sup
n
|an|.
Continuit´
e des applications suivantes :
P7P(c),cCfix´
e (discuter).
P7P.Q (QEfix´
e).
P7R1
0P.
P7P0, P 7RX
0P
Mˆ
eme question en
prenant la norme
||P||2=qR1
0|P|2.
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EXERCICE 33. On munit l’espace Cdes applications continues de [0, 1]Rde la norme kfk1=R1
0|f|. Soit
c]0, 1[, montrer que la forme lin´
eaire Φ:f7f(c)n’est pas continue.
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EXERCICE 34. On consid`
ere l’espace vectoriel Lc(E)des endomorphismes continus de E. On pose pour tout
u∈ Lc(E),N(u) = Sup
xE,x6=0
ku(x)k
kxk. Montrer que Nest une norme, et que de plus N(uv)) 6N(u)×N(v).
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EXERCICE 35. E=Mn(K)muni de la norme que vous pr´
ef´
erez. Montrez que les applications suivantes :
A7det A(A, B)7A.B A 7A42 et A7A1
sont continues, respectivement de EK, E2E, E E, GLn(K)dans lui-mˆ
eme.
Compacts :
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EXERCICE 36. On consid`
ere une application fdu compact Kdans lui-mˆ
eme, qui diminue les distances ie
x, y K(x=/ y)||f(x) − f(y)|| <||xy||
En ´
etudiant une application de Kdans R, montrer que fposs`
ede un et un seul point fixe.
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EXERCICE 37. A, B sont deux ferm´
es de Eet Aest de plus compacte. Montrer que A+B={a+b|(a, b)A×B}
est ferm´
ee. Est-ce encore vrai si An’est plus compacte ?
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EXERCICE 38. Soit fune bijection continue du compact Kdans K0, montrer que la r´
eciproque de fest
aussi continue (on dit que fest un hom´
eomorphisme) (classique). Utiliser, soit la caract´
erisation de la
convergence d’une suite dans un compact par l’unicit´
e de la valeur d’adh´
erence, soit la caract´
erisation
de la continuit´
e par les images inverses de ferm´
es.
Donner un exemple d’application bijective continue, mais non bicontinue.
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EXERCICE 39. Compacit´
e des ensembles suivants ?
Le groupe orthogonal = On(R) = {AMn(R)|At
A=Id}Une conique. Une r´
eunion finie de compacts.
SLn(R) = {AMn(R)|det A=1}La somme A+B={a+b}de deux compacts.
La sph`
ere unit´
e de C0([0, 1],R)munie de la norme sup.
La boule unit´
e ferm´
ee de R[X]muni de la norme kPakXkk=Max |ak|.
* L’ensemble des valeurs d’une suite convergente.
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EXERCICE 40. Montrer que la distance d’un point `
a un compact d(a, K)est atteinte. En d´
eduire (en dimen-
sion finie) que la distance d’un point `
a un ferm´
e est atteinte aussi.
De mˆ
eme, si Kest un compact, montrer qu’il existe un couple (a, b)de points de Ktels que le diam`
etre
de Ky soit atteint : δ(K) = ||ab||.
Montrer que a, b sont des points de la fronti`
ere de K, c `
ad qu’aucun des deux ne peut ˆ
etre un point
int´
erieur (dessin !).
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EXERCICE 41. On consid`
ere l’ensemble Undes polynˆ
omes unitaires de degr´
en:PUnP(X) =
Xn+. . . +a0. Montrer que la norme kPk=Sup
[−1,1]
|P|atteint un minimum ansur Un. Calculer a1, a2. *
lim
n→∞
(an)?
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