Cycle Préparatoire Polytechnique le 5 mars 2008
Corrigé du test de Mathématiques n˚1
EXERCICE I
1. aest une valeur d’adhérence de (un)nNsi, et seulement si il existe une application ϕ:NN,
strictement croissante telle que (uϕ(n))nNconverge vers a.
2. Puisque aest une valeur d’adhérence de (un)nN, il existe une application ϕ:NN, strictement
croissante telle que (uϕ(n))nNconverge vers a. Enfin, puisque fest continue en aE, la caracté-
risation séquentielle de la continuité nous fournit immédiatement que (f(uϕ(n)))nNconverge vers
f(a), autrement dit f(a)est valeur d’adhérence de (f(un))nN
EXERCICE II
On sait que Eest un fermé (cf. cours). De plus, puisque Dest dense dans E, alors D=E, pour la
topologie induite par N. Soit alors xE. Par densité (caractérisation séquentielle de l’adhérence), il
existe (xn)nNEN, telle que xn
N
n+x. Alors, puisque fet gcoincident sur D, on a pour tout
nN,g(xn) = f(xn), car xnD. Enfin, puisque fet gsont continues, la caractérisation séquentielle
de la continuité nous fournit : f(xn)k.k
n+f(x)et g(xn)k.k
n+g(x).
Par unicité de la limite, on a f(x) = g(x). Puisque cette égalité est réalisée pour tout xE, on a
effectivement f=g.
EXERCICE III
1. C’est classique. < ., . > est une trivialement une forme bilinéaire symétrique. Soit f∈ C2π. Alors, <
f, f >=R2π
0f2(x)dx0, par positivité de l’intégrale. De plus, si < f, f >= 0, alors R2π
0f2(x)dx=
0, et puisque fest continue, alors f(x) = 0 pour tout x[0,2π]. Enfin, puisque fest 2π-périodique,
on en déduit que f(x) = 0, pour tout xR, autrement dit que f= 0.< ., . > est donc effectivement
un produit scalaire.
2. Il suffit d’appliquer l’inégalité de Cauchy-Schwarz. Soit f∈ C2π. On note (par abus de notation)
1, la fonction identiquement égale à 1 sur R. Il est clair que 1∈ C2π. On a alors : |<1,|f|>| ≤
<1,1>p<|f|,|f|>, égalité qui se réécrit précisément, kfk12πkfk2.
3. (a) fnest le produit de deux fonctions continues (car polynômiales) sur ]0,2π[. Or, pour tout
nN,fn(0) = lim
x2π
fn(2π)=0. Puisque fnest 2π-périodique, on en déduit que fnest
continue sur R, donc fn∈ C2π.
(b) Soit nN. On a kfnk1= 2πZ2π
0
xndxZ2π
0
xn+1dx=(2π)n+2
(n+ 1)(n+ 2). De même, à l’aide
d’une intégration par parties, on a :
kfnk2
2=Z2π
0
x2n(2πx)2dx=2
2n+ 1 Z2π
0
x2n+1(2πx)dx
=2(2π)2n+3
(2n+ 1)(2n+ 2)(2n+ 3).
(c) On en déduit que pour tout nN:
kfnk2
kfnk1
=2(n+ 1)(n+ 2)(2π)n+3
2
(2π)n+2p(2n+ 1)(2n+ 2)(2n+ 3)
n+
n
22π
n++.
On en déduit que k.k1et k.k2ne sont pas équivalentes car le quotient k.k2
k.k1n’est pas borné dans
C2π.
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EXERCICE IV
1. (a) Raisonnons par l’absurde. Supposons cette propriété non réalisée. Alors : xF:k
[[ 1, n ]] ,kxakk>1. Alors par produit, on a clairement pour ce xF:
n
Y
k=1 kxakk>1, ce
qui contredit le fait que xest un élément de F. C’est absurde et la propriété est donc vérifiée.
(b) Soit xF. Alors, il existe k[[ 1, n ]] tel que kxakk ≤ 1. D’après l’inégalité triangulaire, on
en déduit que kxk − kakk ≤ 1, puis kxk ≤ kakk+ 1, d’où kxk ≤ max
k[[ 1,n ]] kakk+ 1. Ce majorant
est indépendant de l’élément xchoisi dans F. On en déduit que cette inégalité est réalisée pour
tout xFet par conséquent, Fest une partie bornée de E.
2. (a) Soit k[[ 1, n ]]. L’application gk:x7−→ kxakkest 1-Lipschitzienne. En effet, d’après
l’inégalité triangulaire, pour tout (x, y)E2,|g(y)g(x)|=
kyakk − kxakk
≤ k(x
ak)(yak)k=kxyk.
(b) On introduit l’application ϕ:ER
x7−
n
Y
k=1 kxakk
. Pour tout k[[ 1, n ]],gkest lipscht-
zienne donc continue sur E(cf. cours). On en déduit que ϕest continue sur Een tant que
produit d’applications continues. De plus, F=ϕ1({1}). Puisque {1}est un fermé, Fl’est
aussi, en tant qu’image réciproque d’un fermé par une application continue, ce qui prouve le
résultat.
EXERCICE V
1. Soit ((xn, yn))nN, une suite convergente de G. Il existe donc (α, β)E×Ftel que ((xn, yn))nN
converge vers (α, β), autrement dit xn
N
n+αet yn
k.k
n+β. Mais puisque ((xn, yn))nNest
une suite de G, alors nécessairement, pour tout nN,yn=f(xn). Puisque fest continue et puisque
xn
N
n+α, d’après la caractérisqtion séquentielle de la continuité, on a : f(xn)k.k
n+f(α). Par
unicité de la limite d’une suite, on a nécessairement β=f(α). Par conséquent (α, β) = (α, f(α))
G, ce qui démontre (caractérisation séquentielle des fermés) que Gest un fermé.
2. On définit : ϕ:EG
x7−(x, f (x))
. On va montrer que ϕest un homéomorphisme. Montrons que
ϕest bijective.
(i)ϕest injective. En effet, si ϕ(x) = ϕ(y), alors (x, f(x)) = (y, f(y)), donc en particulier, x=y.
(ii)ϕest surjective. En effet, soit (u, v)G. Alors nécessairement, par définition du graphe,
v=f(u)et donc (u, v) = ϕ(u).ϕest donc surjective.
On déduit de (i)et (ii)que ϕest bijective.
Reste à prouver que ϕest continue. Soit (xn)nN, une suite d’éléments de Etelle que xn
N
n+
x. Alors, d’après la caractérisation séquentielle de la continuité, puisque fest continue, on a :
f(xn)k.k
n+f(x). Cela prouve que ϕ(xn) = (xn, f(xn)) E×F
n+ϕ(x) = (x, f(x)), autrement
dit ϕest continue.
Bien évidemment, on définit ϕ1par ϕ1:GE
(x, f(x)) 7−x
. La continuité de ϕ1est immé-
diate. En effet, soit (xn, f(xn))nN, une suite convergente d’éléments de G. On note ula limite de
(xn)nN. Alors, nécessairement, (f(xn))nNconverge vers f(u)(caractérisation séquentielle de la
continuité), puis ϕ1((xn, f(xn))) = xn
n+u=ϕ1((u, f(u))).
Finalement, Eet Gsont homéomorphes.
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