Corrigé de la feuille d’exercices no4
Mathématiques spéciales
1. Topologie et normes
Exercice 1.
Exercice 1.
Soit a0. Pour PR[X], on dénit
Na(P) = |P(a)|+1
0
|P(t)|dt.
1. Démontrer que Naest une norme sur R[X].
2. Soit a, b 0avec a < b et b > 1. Démontrer que Naet Nbne sont pas équivalentes.
3. Démontrer que si (a, b)[0,1]2, alors Naet Nbsont équivalentes.
Correction.
1. Le point ”délicat” est la séparation : si Na(P) = 0, alors |P(a)|= 0 et 1
0|P(t)|dt = 0. Or,
comme |P|est une fonction continue, positive et d’intégrale nulle sur [0,1], alors P(x) = 0
pour tout x[0,1]. Alors Pest un polynôme qui possède une innité de racine ; par suite
P= 0 et donc Pest un polynôme constant. Or P(a) = 0, donc Pest le polynôme nul.
2. On suppose que Naet Nbsont équivalentes. Alors, il existe deux constantes C1>0et
C2>0tels que, pour tout PR[X],ona:
C1Na(P)Nb(P)C2Na(P).
Pour n0, soit P(X) = Xn. On a
Na(P) = an+n1
0
tn1dt =an+ 1 et Nb(P) = bn+ 1.
On en déduit alors que, pour tout n0,
bn+ 1 C2(an+ 1) 1 + 1
bnC2a
bn
+C2
bn.
Or, le membre de droite tend vers 1et le membre de gauche vers 0. On obtient en passant
à la limite 10, ce qui est absurde. L’hypothèse de départ est donc fausse, et Naet Nbne
sont pas équivalentes.
3. Supposons par exemple ab. Alors
P(b)P(a) = b
a
P(t)dt 1
0
|P(t)|dt.
Ainsi,
|P(b)| ≤ |P(a)|+1
0
|P(t)|dt Na(P).
1
Il vient
Nb(P)Na(P) + 1
0
|P(t)|dt 2Na(P).
On a de la même façon
|P(a)| ≤ |P(b)|+1
0
|P(t)|dt Nb(P)
et donc
Na(P)2Nb(P).
Les deux normes sont bien équivalentes.
2. Continuité
Exercice 2.
Exercice 2.
Soit Eun espace vectoriel normé sur KnAEet f:AKune fonction continue. Montrer
si fne s’annule pas sur A, alors 1
fest une fonction continue.
Exercice 3.
Exercice 3.
Soit E=C([0,1],K)et on considère les normes ∥ · ∥1de la convergence en moyenne et ∥ · ∥de
la convergence uniforme sur E. Déterminer si les fonctions suivantes sont continues sur Epour
∥·∥1, puis pour ∥·∥:
1. φ:f7→ f(1) ;
2. ψ:f7→ 1
0
f(t)dt.
Correction.
1. Pour φ:f7→ f(1), se reporter au cours
2. Pour fE, on a
|ψ(f)|=|1
0
f(t)dt| ≤ 1
0
|f(t)|dt =f1≤ ∥f_,
Donc ψest continue sur Epour ∥·∥1et ∥·∥.
Exercice 4.
Exercice 4.
Démontrer la nature topologique des ensembles suivants :
F=(x, y)R2|x2<exp(sin y)12
2
G={(x, y)R2| 1ln(x2+ 1) 1}
H=(x, y)R2|x2+y2> x3+y3
Correction.
Posons f(x, y) = x2exp(sin y) + 12. Alors fest continue sur R2, et F=f1(] − ∞,0[). Comme
]− ∞,0[ est ouvert, Fest ouvert comme image réciproque d’un ouvert par une application
continue. De même, posons g(x, y) = ln(x2+ 1). Alors gest continue et G=g1([1,1]) est
fermé comme image réciproque du fermé ]1,1[ par g.
On emploie la même méthode pour H.
Exercice 5.
Exercice 5.
Soit Eun espace vectoriel préhilbertien sur K,(·|·)son produit scalaire et ∥·∥ la norme associée
au produit scalaire.
Montrer que :
1. (·|·) : E×EKest continue. (On considère la norme produit sur E2).
2. L’ensemble {(x, y)E2|(x, y)est une famille libre}est un ouvert de E2.
3. Montrer que pour tout AE, alors Aest un fermé de E.
Correction.
1. Soit (u, v)E2et ε > 0. Ob pose δ=max ε
2,ε
2(u+v). Alors, pour tout (x, y)
E2tel que (x, y)(u, v)δ, on a :
|(x|y)(u|v)| ≤ |(xu|yv)+(u|yv) + (xu|v)|
≤ |(xu|yv)|+|(u|yv)|+|(xu|v)|
≤ ∥xu.yv+u.yv+xu.vd’après Cauchy-Schwarz
δ2+δ(u+v)ε
Donc (·|·)est continue.
2. Pour x, y E, on a égalité dans l’inégalité de Cauchy-Schwarz si, et seulement si, x, y sont
colinéaires. Par suite,
(x, y)est une famille libre ⇔ |(x|y)|<x.y.
L’application f: (x, y)7→ ∥x.y∥−|(x|y)|est continue de E2dans Kdonc {(x, y)
E2|(x, y)est une famille libre}=f1(]0,+[) est un ouvert de E2.
3. Soit Ainclus dans E. Alors
A={xE| ∀aA, (x|a) = 0}=
aA
{xE|(x|a) = 0}.
3
Pour aA, l’application fa:x7→ (x|a)est continue sur E, donc f1
a({0})est un fermé de
E. Or une intersection quelconque de fermé est un fermé, donc Aest un fermé de E.
Exercice 6.
Exercice 6.
Soit Eun espace vectoriel normé, et h:EEune application continue admettant une limite
en 0et vériant h(x) = h(x/2) pour tout xE. Démontrer que hest constante.
Correction.
Soit xEet considérons la suite (xn)dénie pour n0par xn=x/2n. Alors on a h(xn) =
h(xn/2) = h(xn+1)pour tout entier n. En particulier, on en déduit que la suite (h(xn)) est
constante, égale à h(x0). De plus, (xn)converge vers 0, et comme hadmet pour limite en 0,
h(xn)converge vers . Par unicité de la limite, on a h(x) = h(x0) = ce qui prouve bien que h
est constante.
Exercice 7.
Exercice 7.
Soient Aet Bdeux fermés d’un espace vectoriel normé (E, ∥ · ∥).
1. Démontrer que AB=⇒ ∀xE, d(x, A) + d(x, B)>0.
2. On suppose que Aet Bsont disjoints. Démontrer qu’il existe f:EEcontinue telle
que f|A= 0 et f|B= 1.
3. En déduire qu’il existe deux ouverts Uet Vde Etels que AU,BVet UV̸=.
Correction.
1. Supposons d’abord que AB=et considérons xE. Alors ou bien x/A, ou bien
x/B. Si x/A, comme Aest fermé, on a d(x, A)>0et si x/B, alors d(x, B)>0. Dans
tous les cas, on a d(x, A) + d(x, B)>0. Réciproquement, si AB̸=, alors considérons
xAB. On a d(x, A) = d(x, B) = d(x, A) + d(x, B) = 0.
2. Posons f(x) = d(x,A)
d(x,A)+d(x,B). Alors fest une fonction continue comme quotient de deux
fonctions continues dont le dénominateur ne s’annule pas. Il est de plus clair que f(x) = 1
si xBet que f(x) = 0 si xA.
3. Posons I=] − ∞,1/3[ et J=]2/3,+[, puis U=f1(I)et V=f1(J). Alors IJ=
et donc UV=.Uet Vsont ouverts comme images réciproques d’ouverts par une
application continue, et clairement AU,BV.
Exercice 8.
Exercice 8.
Soit Eun espace vectoriel normé sur K. Soit aE. Montrer que les applications :
fa:EE
x7→ x+aet φa:KE
λ7→ λa
sont continues.
4
Exercice 9.
Exercice 9.
Soit E, F des espaces vectoriels normés sur Ret f:EFune application continue. Montrer
que si, pour tous x, y E,
f(x+y) = f(x) + f(y),
alors fest linéaire
Indication.
Indication.
Montrer que, pour tout xEet tout rQ,f(rx) = rf (x).
Correction.
On suppose pour tous x, y E,f(x+y) = f(x) + f(y). Il sut alors de montrer que pour tout
xEet tout λK,f(λx) = λf(x).
Soit xE. Alors, par une récurrence immédiate sur N, on montre que pour tout nN,
f(nx) = nf(x). De plus, on a, pour yE,f(0E) = f(y+(y)) = f(y)+f(y). D’où f(0E) = 0F
(prendre y= 0E) puis f(y) = f(y). Par suite, pour tout nZ:
f(nx) = nf(x).
Pour r=p
qQ(avec pZet qN), on a :
qf(rx) = f(qrx) = f(px) = pf (x).
D’où, pour tout rQ,
f(rx) = rf (x).
Soit g, h :RRles applications dénies par :
g(λ) = f(λx)et h(λ) = λf(x).
Alors get hsont continues comme composées d’applications continues et de plus, pour tout
rQ:
g(r) = h(r).
Donc get hsont continues et coïncident sur Qqui est dense dans R, donc g=hsur R.
Il en résulte que pour tout λR,
f(λx) = λf(x).
Donc fest linéaire.
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