Analyse 02 – Exemples de parties denses et applications
1. Quelques exemples dans R
1.1. Approximation des r´eels par des rationnels.
Proposition. Si p≥2et x∈[0,1[ alors il existe
une unique suite (ξn)n≥1dans {0, . . . , p −1}telle que
x=
+∞
P
n=1
ξn
pnet avec ξn6=p−1pour 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 {e2iπnθ;n∈Z}est dense
dans S1si et seulement si θest irrationnel ; en parti-
culier, l’ensemble {sin n;n∈Z}est dense dans [−1,1].
On note {x}l’unique r´eel de [0,1[ tel que x− {x} ∈ Z.
D´efinition. (xn)nest ´equir´epartie modulo 1 si pour
tous 0 ≤a<b<1, N(a, b, n) = card{m≤n;a≤
{xm} ≤ b}est ´equivalent `a n(b−a) 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 m∈Znon nul,
n
X
k=0
e2iπmxk=o(n)
Exemple. Si θ /∈Qalors (nθ)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:E→Ftels que j(E)soit dense
dans F.
Th´eor`eme. Soit f:A→Fune 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:E→Fqui
prolonge f; de plus gest uniform´ement continue.
Application. Int´egrale de Riemann des fonctions
r´egl´ees
Application. Transform´ee de Fourier dans L2(T).
2.2. M´ethodes hilbertiennes.
D´efinition et proposition. On dit qu’un syst`eme or-
thonorm´e (ei)i∈Iest une base hilbertienne d’un espace
de Hilbert Hs’il v´erifie les conditions ´equivalentes sui-
vantes :
(i) (ei)i∈Iest un syst`eme orthonorm´e maximal,
(ii) Vect(ei)i∈Iest dense dans H(on dit que (ei)i∈I
est totale),
(iii)∀x∈H, x =X
i∈Ihx, eiiei,
(iv)∀x∈H,kxk2=X
i∈I|hx, eii|2,
(v)∀x, y ∈H,hx, yi=X
i∈Ihx, 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)n∈Zd´efinie par en(t) = e2iπnt
est une base hilbertienne de L2(T).
Application (s´eries de Fourier).Soit (en)n≥0une suite
orthonorm´ee d’un espace de Hilbert H.
(i)bx(n) = hx, eniest appel´e n`e coefficient de Fou-
rier de x∈H
(ii)Pbx(n)enest appel´ee la s´erie de Fourier de
x∈Hrelativement `a la suite (en)n
(iii) la suite (en)nest une base hilbertienne de H
si et seulement si tout x∈Hest somme de sa
s´erie de Fourier i.e. x=P
n≥0bx(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=
RΩf(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:Y→Ytels
que pour tous x∈Xet y∈Yon ait An(x)→0,
Bn(y)→0 et AB(y) = y, alors il existe ω∈Etel que
{An(ω), n ≥0}soit dense dans E. Cette condition est
v´erifi´ee pour