[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Enoncés 1
Intérieur et adhérence
Exercice 1 [ 01113 ] [correction]
Soient Eun espace vectoriel normé et Fun sous-espace vectoriel de E.
Montrer que si
F6=alors F=E.
Exercice 2 [ 01114 ] [correction]
Soient Aet Bdeux parties d’un espace vectoriel normé (E, N).
a) On suppose AB. Etablir ABet ¯
A¯
B.
b) Comparer (AB)et ABd’une part puis (AB)et ABd’autre
part.
c) Comparer ABet ¯
A¯
Bd’une part puis ABet ¯
A¯
Bd’autre part.
Exercice 3 [ 01115 ] [correction]
Montrer que si Fest un sous-espace vectoriel de Ealors son adhérence ¯
Fest
aussi un sous-espace vectoriel de E.
Exercice 4 [ 03279 ] [correction]
Soit Aune partie d’un espace vectoriel normé E. Etablir
Vect(¯
A)VectA
Exercice 5 [ 01116 ] [correction]
Soit Aune partie d’un espace vectoriel normé E. Etablir que sa frontière Fr(A)
est une partie fermée.
Exercice 6 [ 01117 ] [correction]
Soit Fune partie fermée d’un espace vectoriel normé E. Etablir
Fr(Fr(F)) = Fr(F)
Exercice 7 [ 01118 ] [correction]
Soient Aun ouvert et Bune partie d’un espace vectoriel normé E.
a) Montrer que A¯
BAB
b) Montrer que AB=∅ ⇒ A¯
B=.
Exercice 8 [ 01119 ] [correction]
On suppose que Aest une partie convexe d’un espace vectoriel normé E.
a) Montrer que ¯
Aest convexe.
b) La partie Aest-elle convexe ?
Exercice 9 [ 01120 ] [correction]
Soient Aet Bdeux parties non vides d’un espace vectoriel normé E.
Etablir
d(¯
A, ¯
B) = d(A, B)
(en notant d(A, B) = inf
xA,yBd(x, y))
Exercice 10 [ 01121 ] [correction]
Soient A1, . . . , Andes parties d’un espace vectoriel normé E.
a) Etablir
n
S
i=1
Ai=
n
S
i=1
Ai.
b) Comparer
n
T
i=1
Aiet
n
T
i=1
Ai.
Exercice 11 [ 01122 ] [correction]
Soient f:EFcontinue bornée et AE,Anon vide. Montrer
kfk,A =kfk,¯
A
Exercice 12 [ 02943 ] [correction]
Déterminer l’adhérence et l’intérieur de l’ensemble Dn(C)des matrices
diagonalisables de Mn(C).
Exercice 13 [ 03026 ] [correction]
Soit Aune partie d’un espace normé E.
a) Montrer que la partie Aest fermée si, et seulement si, FrAA.
b) Montrer que la partie Aest ouverte si, et seulement si, AFrA=
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Enoncés 2
Exercice 14 [ 03470 ] [correction]
Dans M2(C), on introduit
U={M∈ M2(C)/SpMU}et R={M∈ M2(C)/nN?, Mn=I2}
a) Comparer les ensembles Ret U.
b) Montrer que Uest une partie fermée de M2(C).
c) Montrer que Uest inclus dans l’adhérence de R.
d) Qu’en déduire ?
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 3
Corrections
Exercice 1 : [énoncé]
Supposons
F6=et introduisons x
F, il existe ε > 0tel que B(x, ε)F. Pour
tout uEtel que u6= 0E, considérons
y=x+ε
2
u
kuk
on a yB(x, ε)donc yF, or xFdonc uF. Ainsi EFpuis E=F.
Exercice 2 : [énoncé]
a) Si aest intérieur à Aalors Aest voisinage de aet donc Baussi. Par suite
aB.
Si aest adhérent à Aalors aest limite d’une suite convergente d’éléments de A.
Celle-ci est aussi une suite convergente d’éléments de Bdonc a¯
B. On peut
aussi déduire ce résultat du précédent par un passage au complémentaire.
b) ABA, B donc (AB)est inclus dans AB. Inversement si aun
élément de AB, alors Aest voisinage de aet Baussi donc ABest voisinage
de aet donc aest intérieur à AB. Ainsi (AB)et ABsont égaux.
AABet BABdonc ABest inclus dans (AB). L’égalité n’est
pas toujours vraie. Un contre-exemple est obtenu pour A= ]0,1] et B= [1,2[
AB= ]0,1[ ]1,2[ alors que (AB)= ]0,2[.
c) Par passage au complémentaire des résultats précédents : ABet ¯
A¯
Bsont
égaux alors que ¯
A¯
Best inclus ABsans pouvoir dire mieux. On peut aussi
mener une résolution directe en exploitant a) et la caractérisation séquentielle des
points adhérents pour l’inclusion de ABdans ¯
A¯
B.
Exercice 3 : [énoncé]
¯
FEet 0E¯
Fcar 0EF.
Soient λ, µ Ket x, y ¯
F.
Il existe deux suites (xn)et (yn)d’éléments de Fvérifiant
xnxet yny
On a alors
λxn+µynλx +µy
avec λxn+µynFpour tout nN. On en déduit λx +µy ¯
F.
Exercice 4 : [énoncé]
Puisque AVectA, on a ¯
AVectA.
Puisque VectAest un sous-espace vectoriel, on montrer aisément que VectAl’est
aussi. Puisqu’il contient ¯
A, on obtient
Vect(¯
A)VectA
Exercice 5 : [énoncé]
On a
Fr(A) = ¯
A\
A=¯
ACE
A=ACEA
On en déduit que Fr(A)est fermée par intersection de parties fermées
Exercice 6 : [énoncé]
On sait
Fr(F) = ¯
FCEF
donc
Fr(Fr(F)) = Fr(F)CEFr(F)
Or Fr(F)¯
F=Fdonc CEFCEFr(F)puis CEFCEFrF.
De plus FrFCEFdonc FrFCEFrFpuis
Fr(Fr(F)) = Fr(F)
Exercice 7 : [énoncé]
a) Soit xA¯
B. Il existe une suite (bn)BNtelle que bnx. Or xAet A
est ouvert donc à partir d’un certain rang bnA. Ainsi pour nassez grand
bnABet puisque bnx,xAB.
b) Si AB=alors A¯
BAB==.
Exercice 8 : [énoncé]
a) Soient a, b ¯
A. Il existe (an)ANet (bn)ANtelles que anaet bnb.
Pour tout λ[0,1],
λa + (1 λ)b= lim
n+(λan+ (1 λ)bn)
avec λan+ (1 λ)bn[an, bn]Adonc λa + (1 λ)b¯
A.
b) Soient a, b A. Il existe αa, αb>0tel que B(a, αa), B(b, αb)A. Posons
α= min(αa, αb)>0.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 4
Pour tout λ[0,1] et tout xB(λa + (1 λ)b, α)on a x= (λa + (1 λ)b) + αu
avec uB(0,1).
a0=a+αu B(a, α)Aet b0=b+αu B(b, α)Adonc [a0, b0]Apuisque
Aest convexe donc λa0+ (1 λ)b0=xA. Ainsi B(λa + (1 λ)b, α)Aet donc
λa + (1 λ)bA. Finalement Aest convexe.
Exercice 9 : [énoncé]
A¯
A,B¯
Bdonc d(¯
A, ¯
B)6d(A, B).
Pour tout x¯
Aet y¯
B, il existe (an)ANet (bn)BNtelles que anxet
bny.
On a alors d(x, y) = lim
n+d(an, bn)or d(an, bn)>d(A, B)donc à la limite
d(x, y)>d(A, B)puis d(¯
A, ¯
B)>d(A, B)et finalement l’égalité.
Exercice 10 : [énoncé]
a)
n
S
i=1
Aiest un fermé qui contient
n
S
i=1
Aidonc
n
S
i=1
Ai
n
S
i=1
Ai.
Pour tout j∈ {1, . . . , n},Aj
n
S
i=1
Aiet
n
S
i=1
Aiest fermé donc Aj
n
S
i=1
Aipuis
n
S
i=1
Ai
n
S
i=1
Ai.
b)
n
T
i=1
Aiest un fermé qui contient
n
T
i=1
Aidonc
n
T
i=1
Ai
n
T
i=1
Ai.
Il ne peut y avoir égalité : pour A1=Q,A2=R\Qon a A1A2=et
A1A2=R.
Exercice 11 : [énoncé]
Pour tout xA,x¯
Aet donc |f(x)|6kfk,¯
A. Ainsi
kfk,A 6kfk,¯
A
Soit x¯
A, il existe (un)ANtel que unxet alors f(un)f(x)par
continuité de f. Or |f(un)|6kfk,A donc à la limite |f(x)|6kfk,A puis
kfk,¯
A6kfk,A
Exercice 12 : [énoncé]
Commençons par montrer que Dn(C)est dense dans Mn(C).
Soit A∈ Mn(C). La matrice Aest trigonalisable, on peut donc écrire
A=PTP1avec PGLn(C)et T∈ T +
n(C). Posons alors pour pN?, on pose
Ap=P(T+Dp)P1avec Dp=diag(1/p, 2/p, . . . , n/p).
Par opérations, Ap
p+Aet pour passez grand les coefficients diagonaux de
la matrice triangulaire T+Dpsont deux à deux distincts, ce qui assure
Ap∈ Dn(C). Ainsi A∈ Dn(C)et donc Dn(C) = Mn(C).
Montrons maintenant que l’intérieur de Dn(C)est formée des matrices possédant
exactement nvaleurs propres distinctes.
Soit A∈ Dn(C).
Cas |SpA|< n.
On peut écrire A=P DP 1avec PGLn(C)et D=diag(λ, λ, λ2, . . . , λn).
Posons alors Dp=D+
0 1/p
0 0 (0)
...
(0) 0
et Ap=P DpP1.
La matrice Dpn’est pas diagonalisable car dim Eλ(Dp)< mλ(Dp)donc Apnon
plus et puisqueApA, on peut affirmer que la matrice An’est pas intérieure à
Dn(C).
Cas |SpA|=n.
Supposons par l’absurde que An’est pas intérieur à Dn(C). Il existe donc une suite
(Ap)de matrices non diagonalisables convergeant vers A. Puisque les matrices Ap
ne sont pas diagonalisables, leurs valeurs propres ne peuvent être deux à deux
distinctes. Notons λpune valeur propre au moins double de Ap. Puisque ApA,
par continuité du déterminant χApχA. Les coefficients du polynôme
caractéristique χApsont donc bornés ce qui permet d’affirmer que les racines de
χAple sont aussi (car si ξest racine de P=Xn+an1Xn1+· · · +a1X+a0, on
a|ξ|6max (1,|a0|+|a1|+· · · +|an1|)). La suite complexe (λp)étant bornée, on
peut en extraire une suite convergente (λϕ(p))de limite λ. On a alors
Apλϕ(p)InAλIn. Or les valeurs propres de Aétant simples, on a
dim ker(AλIn)61et donc rg(AλIn)>n1. La matrice AλInpossède
donc un déterminant extrait non nul d’ordre n1. Par continuité du
déterminant, on peut affirmer que pour passez grand rg(Aϕ(p)λϕ(p)In)>n1
et donc dim ker(Aϕ(p)λϕ(p)In)61ce qui contredit la multiplicité de la valeur
propre λϕ(p). C’est absurde et on conclut que la matrice Aest intérieure à Dn(C).
Exercice 13 : [énoncé]
a) Si Aest fermée alors ¯
A=Adonc FrA=A\AA.
Inversement, si Fr(A) = ¯
A\AAalors puisque AAon a ¯
AA.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 juillet 2014 Corrections 5
En effet, pour x¯
A, si xAalors xAet sinon xFrAet donc xA.
Puisque de plus A¯
A, on en déduit A=¯
Aet donc ¯
Aest fermé.
b) Aest un ouvert si, et seulement si, CEAest un fermé i.e. si, et seulement si,
Fr(CEA)CEA.
Or Fr(CEA) = FrAdonc Aest un ouvert si, et seulement si, FrAA=.
Exercice 14 : [énoncé]
a) Une matrice de Rest annulée par un polynôme de la forme Xn1dont les
racines sont de module 1. Puisque les valeurs propres figurent parmi les racines
des polynômes annulateurs
R⊂U
b) Une matrice M∈ M2(C)admet deux valeurs propres comptées avec
multiplicité λ, µ. Celles-ci sont déterminées comme les solutions du système
(λ+µ=trM
λµ = det M
Pour alléger les notations, posons p= (trM)/2et q= det M. Les valeurs propres
λet µsont les deux racines du polynôme
X2pX +q
et en posant δCtel que δ2=p2q, ces racines sont
λ=p+δet µ=pδ
de sorte que
|λ|2=|p|2+|δ|2+ 2Re(¯)et |µ|2=|p|2+|δ|22Re(¯)
On en déduit que la fonction fqui à M∈ M2(C)associe le réel
|λ|212|µ|212s’exprime comme somme, produit et conjuguée des trMet
det Met c’est donc une fonction continue.
Puisque U=f1({0})avec {0}fermé, Uest une partie fermée de M2(C).
c) Soit M∈ U. La matrice Mest trigonalisable et donc il existe PGL2(C)et
T∈ T +
2(C)telle que
M=PTP1avec T=λ ν
0µ,|λ|=|µ|= 1
On peut écrire λ= eet µ= eavec α, β R.
Pour nN?, posons
αn= 2π[nα/2π]
net βn= 2π[/2π]+1
n
et considérons la matrice
Mn=P TnP1avec Tn=enν
0 en
Par construction,
en6= en
au moins pour nassez grand et ce même lorsque α=β.
On en déduit que pour ces valeurs de nla matrice Tnest diagonalisable.
De plus, puisque
enn=enn= 1
on a alors Tn
n=I2et donc Mn∈ R.
Enfin, on a évidemment MnM.
d) Uest un fermé contenant Rdonc ¯
R⊂U et par double inclusion ¯
R=U.
Diffusion autorisée à titre entièrement gratuit uniquement - dD
1 / 5 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !