Chapitre 1
L’espace Rn
L’ensemble Rnest d´efini comme l’ensemble des n-tuplets ordonn´es (x1, . . . , xn)
de nombres r´eels. Ces n-tuplets sont appel´es points de Rn. En mˆeme temps on
peut interpr´eter l’ensemble Rncomme espace vectoriel de dimension n. Dans
ce chapitre nous passons d’abord en revue cette structure alg´ebrique de Rn.
Ensuite nous introdusions une structure topologique qui nous permet d’´etendre
le concept du processus limite `a l’espace Rn. On retrouve ces structures de base
dans des situations plus abstraites comme celles d’un espace norm´e ou d’un
espace m´etrique auxquelles nous donnons ´egalement une br`eve introduction.
1.1 L’espace vectoriel Rn
Notations. Une autre repr´esentation des ´el´ements de l’espace vectoriel Rn
est donn´ee par des vecteurs-colonnes `a ncomposantes (au lieu des n-tuplets
(x1, . . . , xn). On les note
x=
x1
·
·
·
xn
ou surmont´es d’une fl`eche x=x.`
A chaque n-tuplet correspond un unique
vecteur-colonne et vice versa. Pour le calcul nous utilisons g´en´eralement des
vecteurs-colonnes pour les ´el´ements de Rnet les deux notations pour les argu-
ments des fonctions d´efinies sur Rnen raison d’une meilleure lisibilit´e du texte.
Espace vectoriel. L’ensemble Rnpeut ´egalement ˆetre consid´er´e comme un
espace vectoriel r´eel muni d’une addition
x+y=
x1
·
·
·
xn
+
y1
·
·
·
yn
=
x1+y1
·
·
·
xn+yn
3
CHAPITRE 1. L’ESPACE RN4
et d’une multiplication avec un scalaire λRd´efinie par
λx=λ
x1
·
·
·
xn
=
λx1
·
·
·
λxn
Produit scalaire. L’espace vectoriel Rnest ´egalement muni d’un produit
scalaire ⟨·,·⟩ :Rn×RnRd´efini par
x,y=
n
k=1
xkyk.
De fa¸con g´en´erale un produit scalaire ⟨·,·⟩ v´erifie les trois propri´et´es suivantes :
1. Positivit´e : x,x⟩ ≥ 0 pour tout xet x,x= 0 x=0
2. Sym´etrie : x,y=y,x
3. Lin´earit´e dans chaque argument : αx+βy,z=αx,z+βy,zpour
tous x,y,zRnet α, β R
L’alg`ebre lin´eaire : Un vecteur xest aussi une matrice n×1, sa transpos´ee,
not´ee xT= (x1, ..., xn) est alors une matrice 1 ×n. Par cons´equent, on peut
interpr´eter le produit scalaire de deux vecteurs x,ycomme produit matriciel de
xTet y:
x,y=xTy= (x1, . . . , xn)·
y1
·
·
·
yn
.
Dimension de Rn.Les vecteurs
e1=
1
0
·
·
0
, . . . , ek=
0
·
1
·
0
, . . . , en=
0
·
·
0
1
forment une base orthonormale de Rnet
x=
n
k=1
xkek
pour tout xRno`u xk=x,ek⟩ ∈ R. Alors,
dim Rn=n < .
On dit que Rnest un espace vectoriel euclidien de dimension n. Tout espace
vectoriel r´eel de dimension npeut ˆetre identifi´e avec Rn.
CHAPITRE 1. L’ESPACE RN5
SUPPL´
EMENT : AUTRES ESPACES VECTORIELS
Espaces euclidiens de dimension infinie. L’ensemble l2(R) consiste en les
suites num´eriques (xk)kNtelles que
k=0
x2
k<. C’est un espace vectoriel muni
de l’addition (xk)kN+ (yk)kN= (xk+yk)kN. On d´efinit un produit scalaire
par
(xk)kN,(yk)kN=
k=0
xkyk.
Il est plus commode de repr´esenter les suites formellement par des vecteurs dans
R”. On peut donc ´ecrire
x,y=
k=0
xkyk.
L’ensemble C([a, b]) des fonctions continues f: [a, b]Rest un espace
vectoriel. Sur C([a, b]) on peut d´efinir un produit scalaire par
f, g=b
a
f(x)g(x)dx.
L’espace vectoriel complexe Cn.L’espace Cnest l’ensemble de vecteurs
complexes xmuni de l’addition habituelle et d’une multiplication externe par
des nombres complexes. C’est un espace vectoriel complexe (c’est-`a-dire sur le
corps C). On peut d´efinir un produit scalaire par
x,y=
n
k=1
¯xkyk.(1.1)
Ce produit scalaire a la propri´et´e d’ˆetre lin´eaire dans sa deuxi`eme composante
et anti-lin´eaire dans sa premi`ere composante. De plus, pour tous x,yCn
x,y=y,x.
Les vecteurs ek,k= 1 . . . n, forment une base orthonormale. On dit que l’es-
pace Cnest un espace hermitien de dimension n. En m´ecanique quantique non
relativiste l’´etat de spin d’une particule de spin sest repr´esent´e par un vecteur
dans C2s+1.
L’espace vectoriel r´eel Cn.Un espace hermitien est toujours un espace
euclidien si la multiplication externe est restreinte aux nombres r´eels. On prend
le produit scalaire
x,yR= Re(x,y) = Re
n
k=1
¯xkyk.(1.2)
Les vecteurs ek, iek,k= 1 . . . n, forment une base orthonormale par rapport `a
ce produit scalaire. Par cons´equent, l’espace vectoriel r´eel Cnest de dimension
2n. Nous pouvons donc identifier Cnavec l’espace euclidien R2n.
CHAPITRE 1. L’ESPACE RN6
1.2 L’espace norm´e Rn
Pour pouvoir ´etendre les methodes d’analyse d´evelopp´ees en Analyse I `a
l’espace Rn, celui-ci doit ˆetre muni d’une structure topologique. Sur le corps R
nous avons utilis´e la valeur absolue |·| pour d´efinir une distance d(x, y) = |xy|.
On a d´efini la convergence et la continuit´e dans Rpar cette distance d. On veut
g´en´eraliser la valeur absolue et la distance `a l’espace Rn. Pour cela nous allons
introduire les notions d’une norme et d’une m´etrique.
efinition - norme et espace norm´e. Soit Eun espace vectoriel r´eel. Une
fonction || · || :ER+est appel´ee une norme sur Esi || · || v´erifie les trois
propr´et´es suivantes :
1. Positivit´e : ||x|| ≥ 0 pour tout xEet ||x|| = 0 x=0
2. Homog´en´eit´e : ||λ·x|| =|λ| · ||x|| pour tout λRet xE
3. In´egalit´e triangulaire : ||x+y|| ≤ ||x|| +||y|| pour tout x,yE
Le couple (E, || · ||) est appel´e un espace norm´e.
La norme euclidienne sur Rn.La fonction || · ||2:RnRefinie par
||x||2=x,x=n
k=1
x2
k1
2
(1.3)
est une norme sur Rn. On l’appelle la norme euclidienne (canonique) sur Rn.
L’in´egalit´e triangulaire est une cons´equence de l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz
x,y2≤ ⟨x,x⟩⟨y,y=||x||2||y||2.(1.4)
Il en suit que Rnmuni de la norme euclidienne est un espace norm´e :
Proposition. (Rn,|| · ||2) est un espace norm´e.
Distance euclidienne sur Rn.Sur un espace norm´e (E, || · ||) on peut in-
troduire une distance entre des vecteurs par
d(x,y) := ||xy||.(1.5)
Elle v´erifie les trois propri´et´es suivantes :
1. Positivit´e : d(x,y)0 pour tous x,yMet d(x,y) = 0 x=y
2. Sym´etrie : d(x,y) = d(y,x)
3. In´egalit´e triangulaire : d(x,y)d(x,z) + d(z,y)
pour x,y,zE. Le couple (E, d) est appel´e un espace m´etrique. Sur Rnon
mesure la distance entre des vecteurs par la distance (ou m´etrique) euclidienne
donn´ee par
d(x,y) = d2(x,y) = ||xy||2=(x1y1)2+. . . + (xnyn)2.(1.6)
CHAPITRE 1. L’ESPACE RN7
Interpr´etation g´eom´etrique. Dans R2ou R3la m´etrique euclidienne d2(x,y) =
||xy||2signifie la distance euclidienne (habituelle) de deux points xet y. La
norme euclidienne ||x||2correspond ´egalement `a la longueur du vecteur x. Le
produit scalaire x,ydonne une mesure de l’angle entre les vecteurs xet y:
On d´esigne θ=^(x,y), alors
x,y=||x||2||y||2cos θ.
En particulier, si xet ysont des vecteurs orthogonaux, i.e. θ=±π/2, alors
x,y= 0.
1.3 Sous-ensembles de Rn
Pour d´efinir certaines notions et propri´et´es des sous-ensembles de Rnon
utilise seulement le fait que l’espace Rnest muni d’une m´etrique, par exemple
la distance euclidienne d(x,a) = d2(x,a) . Nous allons voir plus loin que pour
l’espace vectoriel Rnces notions ne d´ependent pas du choix de dsi dest d´efinie
`a partir d’une autre norme sur Rn.
Boule ouverte. Soit aRnet r > 0. L’ensemble
B(a, r) = {xRn:d(x,a)< r}
est appel´e la boule ouverte de centre aet de rayon r. Les caract´erisations topo-
logiques des sous-ensmbles des r´eels introduites en Analyse 1 s’´etendent natu-
rellement `a l’espace Rn:
Sous-ensemble ouvert. Un sous-ensemble SRnest dit ouvert si pour
tout xSil existe un voisinage B(x, ϵ) tel que B(x, ϵ)S. L’ensemble vide
et l’espace Rnsont ouverts. Toute boule ouverte B(a, r) est un ensemble ouvert.
Toute r´eunion quelconque d’ouverts est un ensemble ouvert. Toute intersection
finie d’ouverts est un ouvert.
Sous-ensemble ferm´e. Un sous-ensemble SRnest dit ferm´e si Rn\Sest
ouvert. L’ensemble vide et l’espace Rnsont ferm´es (et ouverts).
L’inerieur et le bord d’un ensemble. Soit SRnet aS. On dit que
aest dans l’int´erieur de Ss’il existe un voisinage B(a, ϵ) tel que B(a, ϵ)S.
L’ensemble des points int´erieurs `a Sest appel´e l’int´erieur de Set not´e
S. Un
point aRnest appel´e point fronti`ere de Ssi tout voisinage B(a, ϵ) contient
des points de Set des points de Rn\S. L’ensemble des points fronti`eres `a Sest
appel´e le bord de Set not´e S.
Exemple. La boule unit´e ouverte dans Rn(par rapport `a la norme ||·||2) est
d´efinie par
B1=B(0,1) = {xRn:||x|| <1}.
Son bord est la sph`ere
B1={xRn:||x|| = 1}.
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