Plans des le¸cons d’analyse
S´ebastien Pellerin
I.U.T. de Marseille
Analyse 01 Espaces de fonctions. Exemples et applications
1. Types de convergence et fonctions
continues
efinition. Convergence simple, uniforme, en
moyenne, en moyenne quadratique.
Exemples. ... et pathologies
efinition. Espace des fonctions continues un compact
Exemple. Une limite simple de fonctions continues
n’est pas n´ecessairement continue.
Proposition. limite simple/uniforme de fonctions
continues
Corollaire. en termes de compl´etude
Application. en inegration
Th´eor`eme de Stone-Weierstrass.
Exemple. Polynˆomes trigonom´etriques
Application. Th´eor`eme de Brouwer
Th´eor`eme d’Ascoli.
Application. Exemple d’op´erateur compact
Application. Th´eor`eme de Cauchy-Peano
2. Les espaces Lp
efinition des espaces Lppour 1p+.
Propri´et´es fondamentales.
Dual de Lpet cas particulier de L2.
Dual de Lp([0,1], dx) pour 1 < p < 2
Approximation de l’identit´e et convolution.
Application : transform´ee de Fourier dans L1.
3. L’espace L2et les espaces de Hilbert
Propri´et´es g´eom´etriques des espaces de Hilbert.
Application : s´eries de Fourier.
Retour sur l’exemple de l’espace L2.
Application : transformation de Fourier.
Vecteurs propres de la transformation de Fourier
4. L’exemple des fonctions holomorphes
en´eralit´es.
D´efinition.
Formule de Cauchy et cons´equences.
Existence de primitives et analyticit´e.
Topologie de la converge uniforme sur les com-
pacts.
D´efinition.
Th´eor`eme de Weierstrass.
Propri´et´e de Montel.
Application : th´eor`eme de la repr´esentation conforme.
Une structure hilbertienne : l’espace de Berg-
man.
Noyau de Bergman
D´
eveloppements
Dual de Lp.
Vecteurs propres de la transformation de Fourier
dans L2.
Noyau de Bergman.
R´
ef´
erences
[1] H. Brezis, Analyse fonctionnelle, Dunod, 1999.
[2] A. Chambert-Loir et S. Fermigier, Exercices d’analyse 3, Du-
nod, 1996.
[3] F. Hirsch et G. Lacombe, ´
El´ements d’analyse fonctionnelle,
Dunod, 1999.
[4] G. Lacombe et P. Massat, Analyse fonctionnelle, Dunod, 1999.
[5] F. Bayen et C. Margaria, Espaces de Hilbert et op´erateurs,
Ellipses, 1986.
[6] A.N. Kolmogorov, ´
El´ements de la th´eorie des fonctions et de
l’analyse fonctionnelle, Ellipses, 1994.
Analyse 02 Exemples de parties denses et applications
1. Quelques exemples dans R
1.1. Approximation des r´eels par des rationnels.
Proposition. Si p2et x[0,1[ alors il existe
une unique suite (ξn)n1dans {0, . . . , p 1}telle que
x=
+
P
n=1
ξn
pnet avec ξn6=p1pour une infinit´e d’indices.
Corollaire. Qest dense dans R.
Application. L’identit´e est le seul automorphisme de
corps de Rdans R.
1.2. Suites de r´eels.
Proposition. Les sous-groupes additifs de Rsont soit
denses, soit de la forme aZavec a > 0.
Application. L’ensemble {e2;nZ}est dense
dans S1si et seulement si θest irrationnel ; en parti-
culier, l’ensemble {sin n;nZ}est dense dans [1,1].
On note {x}l’unique r´eel de [0,1[ tel que x− {x} ∈ Z.
efinition. (xn)nest ´equir´epartie modulo 1 si pour
tous 0 a<b<1, N(a, b, n) = card{mn;a
{xm} ≤ b}est ´equivalent `a n(ba) quand ntend vers
l’infini.
Remarque. Si (xn)nest ´equir´epartie modulo 1 alors
les {xn}sont denses dans [0,1[.
Th´eor`eme. Soit (xn)nune suite de r´eels. Les condi-
tions suivantes sont ´equivalentes :
(i) (xn)nest ´equir´epartie modulo 1
(ii)pour toute fonction 1-p´eriodique Riemann-
int´egrable f,R1
0f(x)dx = lim
n+
1
n
n
P
k=1
f(xk)
(iii)pour toute fonction 1-p´eriodique continue f,
R1
0f(x)dx = lim
n+
1
n
n
P
k=1
f(xk)
(iv)pour tout mZnon nul,
n
X
k=0
e2iπmxk=o(n)
Exemple. Si θ /Qalors ()nest ´equir´epartie.
2. Compl´
etude et compl´
etion
2.1. Prolongement uniform´ement continu.
Th´eor`eme. Si (E, d)est un espace m´etrique alors il
existe un espace m´etrique complet (F, δ)et une appli-
cation isom´etrique j:EFtels que j(E)soit dense
dans F.
Th´eor`eme. Soit f:AFune application uni-
form´ement continue d’une partie dense Ad’un espace
m´etrique (E, d)dans un espace complet (F, δ). Alors il
existe une unique application continue g:EFqui
prolonge f; de plus gest uniform´ement continue.
Application. Inegrale de Riemann des fonctions
r´egl´ees
Application. Transform´ee de Fourier dans L2(T).
2.2. ethodes hilbertiennes.
efinition et proposition. On dit qu’un syst`eme or-
thonorm´e (ei)iIest une base hilbertienne d’un espace
de Hilbert Hs’il v´erifie les conditions ´equivalentes sui-
vantes :
(i) (ei)iIest un syst`eme orthonorm´e maximal,
(ii) Vect(ei)iIest dense dans H(on dit que (ei)iI
est totale),
(iii)xH, x =X
iIhx, eiiei,
(iv)xH,kxk2=X
iI|hx, eii|2,
(v)x, y H,hx, yi=X
iIhx, eiihei, yi.
Proposition. Un espace de Hilbert est s´eparable si et
seulement s’il admet une base hilbertienne d´enombrable.
Exemple. Les fonctions de Hermite Hnforment une
base hilbertienne de L2(R).
Exemple. La suite (en)nZd´efinie par en(t) = e2iπnt
est une base hilbertienne de L2(T).
Application (s´eries de Fourier).Soit (en)n0une suite
orthonorm´ee d’un espace de Hilbert H.
(i)bx(n) = hx, eniest appel´e n`e coefficient de Fou-
rier de xH
(ii)Pbx(n)enest appel´ee la erie de Fourier de
xHrelativement `a la suite (en)n
(iii) la suite (en)nest une base hilbertienne de H
si et seulement si tout xHest somme de sa
s´erie de Fourier i.e. x=P
n0bx(n)en
Application (Espace de Bergman).L’espace de Berg-
man du disque unit´e Dde Cest d´efini par A2(Ω) =
L2(Ω) ∩ H(Ω) et est muni du produit scalaire hf, gi=
Rf(z)g(z)dz. Alors
(i) A2(Ω) est un espace de Hilbert,
(ii)en(z) = qn+1
πznest une base hilbertienne,
(iii)k(ζ, z) = 1
π(1 ζz)2est un noyau reproduisant.
2.3. Quelques applications du th´eor`eme de Baire.
Th´eor`eme de Baire. Si (E, d)est un espace m´etrique
complet alors toute intersection d´enombrable d’ouverts
denses de Eest dense dans E.
Application. Soit (E, d) un espace de Banach sur Cet
Aun op´erateur continu de E.
S’il existe X, Y denses dans Eet B:YYtels
que pour tous xXet yYon ait An(x)0,
Bn(y)0 et AB(y) = y, alors il existe ωEtel que
{An(ω), n 0}soit dense dans E. Cette condition est
v´erifi´ee pour
(i) la d´erivation sur H(C),
(ii) l’op´erateur Ade `2d´efini par Ae0= 0 et
Aei+1 =λeipour i0, o`u λ > 1 et (ei)i0
est une base hilbertienne de E=`2.
Application. Si f:RRest d´erivable alors f0est
continue sur un ensemble dense.
3. Approximation et r´
egularisation
3.1. egularisation.
Proposition. Soit fune application `a support compact
d´efinie sur Rn.
(i)si fest de classe Cket gest int´egrable `a support
compact alors f ? g est de classe Cket `a support
compact
(ii)si fest continue et (ρn)nest une unit´e ap-
proch´ee de convolution alors kρn? f fk0
(iii)si fLp(p < +)et (ρn)nest une unit´e ap-
proch´ee de convolution alors kρn? f fkp0
Application. Les fonctions C`a support compact sont
denses dans Cket dans Lppour 1 p < +.
Application. Si fL1(R) alors b
ftend vers 0 `a l’infini.
Application. Si fL2(R) alors kb
fk2=kfk2.
3.2. Approximation polynˆomiale.
Th´eor`eme de Stone-Weierstrass. Soit Xun espace
compact et Aune sous-alg`ebre de C(X, R)telle que : A
s´epare les points de Xet pour tout xAil existe fA
avec f(x)6= 0. Alors Aest dense dans C(X, R)pour la
topologie de la convergence uniforme.
Application (th´eor`eme de Brouwer).Toute applica-
tion continue de la boule unit´e ferm´ee de Rndans elle-
mˆeme admet un point fixe.
Th´eor`eme de Runge. Soit fune fonction holo-
morphe sur un ouvert de Cet soit Aun ensemble
qui a un point dans chaque composante de b
C\.
(i)On peut approcher funiform´ement sur les com-
pacts par une suite de fractions rationnelles
dont les pˆoles sont dans A.
(ii)Si b
C\est connexe alors fest approchable uni-
form´ement sur les compacts par une suite de po-
lynˆomes.
Application. Si Ω est un ouvert de Cavec b
C\
connexe et si fest holomorphe sur Ω alors Rγf= 0
pour tout chemin ferm´e γdans Ω.
Th´eor`eme de Fejer. Soit f∈ C(T)et σN(x) =
1
N
N1
X
n=0
n
X
k=nb
f(k)eikx alors lim
N+kfσNk= 0.
Application. Si f∈ C(S1,R) alors il existe une unique
u:B(0,1) Rcontinue, de classe C2sur B(0,1) avec
u|S1=fet ∆u= 0.
Application. La transformation de Fourier dans L2(R)
admet les fonctions de Hermite comme base de vecteurs
propres associ´ees aux valeurs propres 1,±i}.
3.3. ´
Equicontinuit´e.
Proposition. Soit Dune partie dense d’un espace to-
pologique Tet soit Hune famille ´equicontinue d’appli-
cations de Tdans C. Alors les topologie de la conver-
gence uniforme sur les compacts de Tet la topologie de
la convergence simple sur Dco¨ıncident sur H.
Application. Soit Tun espace m´etrique compact.
Une partie Hde de C(T) est relativement compacte si
et seulement si elle est ´equicontinue et uniform´ement
born´ee.
D´
eveloppements
´
Equir´epartition modulo 1.
Noyau de Bergman.
Hypercyclicit´e.
Vecteurs propres de la transformation de Fou-
rier.
R´
ef´
erences
[1] F. Bayen et C. Margaria, Espaces de Hilbert et op´erateurs,
Ellipses, 1986.
[2] A. Chambert-Loir, S. Fermigier et V. Maillot, Exercices d’ana-
lyse 1, Masson, 1997.
[3] S. Gonnord et N. Tosel, Topologie et analyse fonctionnelle,
Ellipses, 1996.
[4] X. Gourdon, Analyse, Ellipses, 1994.
[5] A. Kolmogorov, ´
El´ements de la th´eorie des fonctions et de
l’analyse fonctionnelle, Mir Ellipses, 1994.
[6] A. Pommellet, Cours d’analyse, Ellipses, 1994.
[7] W. Rudin, Analyse r´eelle et complexe, Masson, 1995.
[8] H. Queff´elec et C. Zuily, ´
El´ements d’analyse pour l’agr´egation,
Dunod, 2002.
Analyse 03 Utilisation de la notion de compactit´e
1. Compacit´
e et applications continues
Image continue d’un compact.
Th´eor`eme de Heine et applications.
Aspects s´equentiels.
Sous-groupes compacts de GL(R)
2. Existence d’un extremum
Une fonction continue sur un compact `a valeurs
eelles est born´ee.
Fonction distance sur un compact.
Existence d’un minimum et d’un maximum.
Th´eor`eme de Jordan
3. Convolution et approximation
Fonctions plateaux.
Convolution et fonctions `a support compact.
Application : r´esultats de densit´e.
Approximation par des polynˆomes.
Th´eor`eme de Brouwer-Schauder
4. Th´
eor`
eme d’Ascoli et applications
Application : th´eor`eme de Cauchy-Peano.
Application : th´eor`eme de Montel.
Th´eor`eme de repr´esentation conforme
Application : op´erateurs compacts.
D´
eveloppements
Sous-groupes compacts de GL(R).
Th´eor`eme de Jordan.
Th´eor`eme de Brouwer-Schauder.
Th´eor`eme de repr´esentation conforme.
R´
ef´
erences
[1] M. Alessandri, Th`emes de g´eom´etrie. Groupes en situation
eom´etrique, Dunod, 1999.
[2] H. Brezis, Analyse fonctionnelle, Dunod, 1999.
[3] H. Cartan, Th´eorie ´el´ementaire des fonctions analytiques
d’une ou plusieurs variables complexes, Hermann, 1985.
[4] X. Gourdon, Analyse, Ellipses, 1994.
[5] A. Pommellet, Cours d’analyse, Ellipses, 1994.
[6] H. Queff´elec et C. Zuily, ´
El´ements d’analyse pour l’agr´egation,
Dunod, 2002.
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