m-Convexité et Fonctions Enti`eres `a une Infinité de Variables 1

Scientiae Mathematicae Japonicae Online, e-2005, 251–265 251
m-Convexit´e et Fonctions Enti`eres `a une Infinit´e de Variables
Z. ABDELALI
Received March 11, 2004; revised April 22, 2005
Abstract. We deal with locally convex algebras in which operate the algebra H()of
all entire functions with infinitely many variables. These algebras are shown to be exactly
the bornological inductive limits of Fr´echet locally m-convex ones. In the Mackey-
complete commutative case, the operation of H() is shown to be equivalent to that
of the algebra H() of all entire functions over . We finally provide an example of a
commutative locally convex algebra with continuous multiplication admitting no locally
m-convex algebra topology at all, but in which H() operates.
1. Introduction
Dans une alg`ebre m-convexe compl`ete A, on peut donner un sens `a
kN
fi1,...,ikai1
1···aik
k,
pour toute fonction enti`ere
kN
fi1,...,ikzi1
1···zik
kefinie sur et toute suite born´ee (an)nN
dans A. Ceci provient de la compl´etude et du fait que la convergence absolue d’une telle erie
ecoule de l’in´egalit´e
k,i1,...,ikn
fi1,...,ikai1
1···aik
k≤
k,i1,...,ikn
|fi1,...,ik|a1i1···akik,
nN, qui est v´erifi´ee pour toute semi-norme sous-multiplicative. On dit alors que l’espace
H() des fonctions enti`eres sur op`ere sur A. En particulier, l’espace H(Cn) des fonc-
tions enti`eres `a n-variables op`ere sur une telle alg`ebre. Plusieurs auteurs se sont int´eress´es
aux liens entre la m-convexit´e et l’op´eration des fonctions enti`ers. Un premier r´esultat dans
cette direction, u`a B.S. Mityagin, S. Rolewicz et W. ˙
Zelazko [Th´eor`eme 1, [19]], montre que
si Aest une alg`ebre commutative localement convexe de Fr´echet, alors les fonctions enti`eres
`a une seule variable op`erent sur Asi et seulement si Aest m-convexe. Ce esultat ne s’´etend
pas au cas non commutatif comme le montre un contre-exemple de W. ˙
Zelazko [32]. Dans le
cas non m´etrisable les contre-exemples sont nombreux. Dans ce papier nous nous int´eressons
`a la comparaison entre l’op´eration de H(C), celle de H() et la m-convexit´e. Dans un
premier lieu, en Proposition 4.1, nous montrons que si Aest une alg`ebre localement convexe
etrisable, non n´ecessairement commutative, alors H()op`ere sur Asi et seulement si A
est m-convexe compl`ete. Ainsi, dans le cas non commutatif, l’op´eration des H(Cn),nN,
n’entraˆıne pas celle de H(). Nous montrons, en Th´eor`eme 4.2, que dans le cas d’une
alg`ebre commutative localement convexe Mackey-compl`ete, il suffit que H(C)op`ere pour
avoir l’op´eration de H(). Le th´eor`eme 4.3 montre que les alg`ebres localement convexes
sur lesquelles H()op`ere sont exactement les alg`ebres localement convexes limites induc-
tives bornologiques d’alg`ebres m-convexes de Fechet. Cette classe a ´et´e introduite par M.
Akkar dans [2] et a ´et´etudi´ee par C. Nacir [21]. Il est simple de voir qu’une telle classe
contient de nombreuses alg`ebres autres que les alg`ebres m-convexes Mackey-compl`etes. En
l’occurrence, les alg`ebres (L1(G)(L1(G),L
(G)) o`u Gest un groupe ab´elien localement
compact, les alg`ebres A-convexes Mackey-compl`etes, en particulier, l’alg`ebre Cb(R) munie
de la topologie stricte [31] qui est `a produit continu, l’alg`ebre des op´erateurs fortement
2000 Mathematics Subject Classification. Primary 46J40 Secondary 46H99.
Key words and phrases. Locally convex algebra, m-convex algebra, entire functions.
252 Z. Abdelali
born´es sur un espace de Fechet qui n’est pas de Banach [23], l’alg`ebre nNH(Cn)mu-
nie de la topologie limite inductive stricte. Nous v´erifierons, en Proposition 5.1, que cette
derni`ere alg`ebre n’est mˆeme pas `a produit continu. Mais il se trouve que pour tous les
exemples d’alg`ebres non m-convexes sur lesquelles H()op`ere, que nous avons rencontr´es
dans la litt´erature, ou bien qu’il existe une topologie m-convexe ayant les mˆeme born´es, ou
alors il n’existe sur l’alg`ebre aucune topologie localement convexe `a produit continu ayant
les emes born´es. Ainsi nous nous sommes amen´es `a construire, en Th´eor`eme 5.2, une
alg`ebre Acommutative localement convexe `a produit continu compl`ete sur laquelle H()
op`ere et qui ne poss`ede aucune topologie m-convexe. De plus l’alg`ebre Aest aussi une lim-
ite inductive bornologique de sous alg`ebres de Banach de dimension finie. Ceci peut ˆetre
consid´er´e comme une eponse partielle `a un probl`eme de M. Akkar et C. Nacir [3] sur la
m-convexit´e des alg`ebres commutatives localement convexes `a produit continu qui sont des
limites inductives d’alg`ebres de Banach. Des commentaires et remarques concernant nos
esultats et d’autres en relation avec eux font l’objet du dernier paragraphe.
2. Pr´
eliminaires
Ici, Nesigne l’ensemble des entiers n1etCle corps des nombres complexes. Les
alg`ebres consid´er´ees sont des C-alg`ebres associatives. Une alg`ebre Aest dite localement
convexe,siAest munie d’une topologie τ,deHausdorff, qui peut ˆetre d´efinie par une famille
de semi-normes (Pi)iId’espace localement convexe, o`uleproduit est epar´ement continu,
c’est `a dire que les op´erateurs de A:bab et bba,aA, sont continus. On dira que
l’alg`ebre Aest `a produit continu si l’application : A×AA;(a, b)→ ab est continue, c’est
`a dire que pour tout iI, il existe jItel que pour tout (a, b)A2,Pi(ab)Pj(a)Pj(b).
Si la famille de semi-normes (Pi)iIverifie, en outre, Pi(ab)Pi(a)Pi(b) on dira que Aest
une alg`ebre m-convexe (voir par exemple, [17], [18] ou [30]).
Soit Aune alg`ebre et soit (Ai)iIune famille de sous alg`ebres de A. On dira que A
est une eunion filtrante croissante de la famille (Ai)iIsi
iI
Ai=Aet si pour tout
(i, j)I2il existe kItel que AiAjAk. Supposons, de plus, que Aest munie d’une
topologie d’alg`ebre localement convexe τet que pour tout iI,Aiest munie d’une topologie
d’alg`ebre localement convexe etrisable τi. On dira que (Ai
i)iIest un syst`eme inductif
si pour tout (i, j)I2tel que AiAj, l’injection canonique : (Ai
i)(Aj
j),x→ x
est continue. Dans se cas on dira que (A, τ) est une limite inductive localement convexe
du syst`eme inductif (Ai
i)iIsi τest la topologie la plus fine des topologies d’espace
localement convexes sur Arendant les injections canoniques : AiA, x → xcontinus.
D’autre part, on dira que (A, τ) est une limite inductive bornologique du syst`eme inductif
(Ai
i)iIsi les born´es de (A, τ ) sont exactement les born´es des (Ai
i),iI. Remarquons
que si (A, τ) est une alg`ebre localement convexe qui est une limite inductive dans la cat´egorie
des espaces localement convexes (resp. bornologiques) d’un syst`eme inductif d’alg`ebres
localement convexes m´etrisables ([2], [15], [§28, [16]]), alors (A, τ) est aussi une r´eunion
filtrante croissante et limite inductive localement convexe (resp. bornologique) d’une famille
de sous alg`ebres localement convexes etrisables de A.
Un espace localement convexe Eest dit Mackey-complet si tout ferm´e born´e BE
absolument convexe est un disque de Banach, c’est `a dire que l’espace EBengendr´e par B
norm´e par la jauge de B, qui sera not´e JB, est un espace de Banach. Il est bien connu que
tout espace complet est Mackey-complet. Ces deux notions de compl´etudes co¨ıncident dans
le cas m´etrisable [Corollaire 5.1.3, [25]]. Un espace localement convexe m´etrisable complet
sera dit espace de Fechet.
m-Convexit´e et Fonctions Enti`eres 253
Soit ={z=(zn)nNC: supnN|zn|<∞}.D´efinissons :
H():={zf
→ f0+
sS
fszs:σn(f):=|f0|+
sS
|fs|n|s|<(nN)}
o`uf0,f
s,sS, sont des ´el´ements de Cet Sesigne l’ensemble des suites s=(sm)mN
N∪{0}telles que Supp(s):={mN:sm=0}est fini et non vide. Pour un tel
s, |s|:=
nSupp(s)
sn. Pour z=(zn)nNdans ,z
s=
mSupp(s)
(zm)sm. L’espace
(H(),(σn)nN) est un espace de Fr´echet, muni du produit ponctuel il devient une alg`ebre
m-convexe de Fechet. Le sous espace de H() form´e par les fonctions qui ne ependent
que des n-premi`eres coordon´ees (z1, ..., zn) s’identifie `a l’espace H(Cn) des fonctions an-
alytiques sur Cn. La topologie naturelle sur H(Cn) de la convergence uniforme sur les
compactes de Cnco¨ıncide avec celle induite par H(). De plus l’alg`ebre compl´et´ee de
(nNH(Cn),(σn)nN) est isomorphe `a H(). Ainsi, on voit bien que H()s’identifie
`a la deuxi`eme alg`ebre de fonctions analytiques sur introduite par D. Clayton [D´efinition
6, [8]], elle est isomorphe aussi `a l’alg`ebre efinie par J. Esterle [D´efinition 2.3, [12]]. Sig-
nalons que pour Clayton l’alg`ebre des fonction analytiques sur est plus large, c’est en
fait l’alg`ebre compl´et´ee de H() munie de la topologie de la convergence uniforme sur les
parties ω-compacts de . Ici nous consid´erons l’alg`ebre H(), qui sera appeler alg`ebres
des fonctions enti`eres sur , car ses ´el´ements fsont les s´eries sommables sur dont les
coefficients fsne sont que ses coefficients de Fourier [Proposition 4, [8]].
3. Op´
eration des fonctions enti`
eres
Soit Aune alg`ebre. Pour toute suite born´ee b=(bn)nNde Aet sS(cf. Pr´eliminaires)
on note par bsl’´el´ement bsl1
l1···bsln
lno`u{l1, ..., ln}= Supp(s) avec l1< ... < ln. Nous identi-
fions toute suite finie (b1, ..., bn)deA`a la suite (b1, ..., bn,0,0, ...). Notons par δAl’´el´ement
unit´edeAsi Aest unitaire et δA= 0 sinon. La d´efinition suivante en´eralise, d’une mani`ere
naturelle, la notion d’op´eration de H(C), sur une alg`ebre localement convexe, consid´er´ee
par plusieurs auteurs ([19], [27], [30], ...) et celle de H() sur les alg`ebres m-convexes de
Fr´echet [Proposition 2.4, [12]].
efinition 3.1.On dit qu’un ´el´ement fde H()op`ere (resp. op`ere absolument)sur une
alg`ebre localement convexe A, si pour toute suite born´ee b=(bn)nNA, la famille
f(b):=f0δA+
sS
fsbs
(1)
est sommable (resp. absolument sommable) dans A.
On dit qu’un sous-espace de H()op`ere (resp. op`ere absolument)sur Asi tous ses ´el´ements
op`erent (resp. op`erent absolument) sur A.
Il est ´evident que H()op`ere absolument sur les alg`ebres m-convexes. Par ailleurs,
H()op`ere absolument sur toute alg`ebre A-convexe Mackey-compl`ete (ce qui entraˆıne que
H() y op`ere d’apr`es la proposition 3.3), puisque les born´es d’une telle alg`ebre sont ceux
d’une topologie m-convexe plus fine [4]. Rappelons qu’une alg`ebre (A, (Pi)iI) est dite A-
convexe si pour tout iIet tout (a, b)A2, max{Pi(ab),P
i(ba)}≤λi,aPi(b)o`uλi,a est
un nombre r´eel positif qui ne epend que de iet de a(cf. [9], [17]).
Le lemme suivant donne une interpr´etation de l’op´eration de H() qui sera tr`es utile pour
la suite.
254 Z. Abdelali
Lemme 3.2. Soit Aune alg`ebre localement convexe. Les propri´et´es suivantes sont ´equivalentes:
(1) H()op`ere absolument sur A;
(2) pour toute semi-norme continue Pet tout born´e Bde A,
P(B) := sup{(P(b1···bn)) 1
n:nN,b
1, ..., bnB}<;(2)
(3) pour toute suite born´ee b=(bn)nN, et tout ´el´ement fde H(), la famille f(b)erifie
le crit`ere de Cauchy.
Preuve. Les implications (2) (1) et (1) (3) sont ´evidentes. Pour montrer que (3)
(2), supposons qu’il existe une semi-norme continue Pet un born´e Btels que pour tout
nN, il existe kn´el´ements bn,1,b
n,2, ..., bn,knde Btel que P(bn,1bn,2···bn,kn)>(n2)kn.
Pour tout entier m1, il existe un couple unique (n, l)N2tel que 1 lknet
m=k0+... +kn1+l, avec k0:= 0. Soit alors b=(bm)m1la suite d´efinie par bm=bn,l.
Il est clair que
f=
n1
(1
n2)kn(zk0+...+kn1+1)(zk0+...+kn1+2)···(zk0+...+kn1+kn)H().
Donc f(b)=nN(1
n2)knbn,1bn,2···bn,knerifie le crit`ere de Cauchy. D’o`u:
P(( 1
n2)knbn,1bn,2···bn,kn)<1
pour nassez grand. Cette contradiction ach`eve la emonstration.
Une cons´equence imm´ediate du lemme 3.2, et le fait que H()op`ere absolument sur
une alg`ebre localement convexe (A, τ)si et seulement si pour toute suite born´ee b=(bn)nN,
l’application :
(P(),(σn)nN)(A, τ); ff(b)
est continue. Ici, P()d´esigne l’espace des applications polynˆomialles sur . On dira
alors que best une suite born´ee P()-spectrale. Cette notion en´eralise celle des points
P(C)-spectraux donn´ee par P. Turpin [10.2, [27]]. De mˆeme, comme on en peut d´eduire par
exemple du [Lemme.II.2, [7]], on a H(Cn)op`ere absolument sur (A, τ)si et seulement si
toute suite finie `a nel´ements est P(Cn)-spectrale, si et seulement si tout ´el´ement (a1, ..., an)
de Anerifie la formule :
sup
m1+...+mnN
{P(am1
1···amn
n)1
m1+...+mn}<.(3)
Proposition 3.3. Soit Aune alg`ebre localement convexe. Alors, H()op`ere sur Asi et
seulement si Aest Mackey-compl`ete et H()yop`ere absolument.
Preuve. ecessit´e. Remarquons, d’abord, que l’application :
1H(); (λn)nN→
n=1
λnzn
permet d’identifie 1`a un sous-espace de H(). Donc si H()op`ere sur Aalors 1y
op`ere. Ceci entraˆıne que Aest Mackey-compl`ete [Th´eor`eme 2.1, [26]]. Par ailleurs d’apr`es
le lemme 3.2, si H()op`ere sur Aalors il y op`ere absolument.
Suffisance. Soit f=
sS
fszsH()etb=(bn)nNune suite born´ee de A.Ona
sS, |s|=n
|fs|<et d’apr`es le lemme 3.2, pour tout nN, la famille (bs)sS, |s|=nest
born´ee. La Mackey-compl´etude de A, qui est ´equivalente `a l’op´eration de 1, entraˆıne que
m-Convexit´e et Fonctions Enti`eres 255
fn:= |s|=nfsbsconverge. De plus la suite (2nfn)nNest born´ee, car pour toute semi-
norme continue Psur A,
P(2nfn)
kN
sS, |s|=k
|fs|P((2b)s)<.
D’o`u f(b)=
sS
fsbs=
nN
2n(2nfn) converge dans A.
4. Op´
eration de H(C)et H()et m-convexit´
e
Etudions d’abord le cas des alg`ebres localement convexes etrisables.
Proposition 4.1. Soit (A, τ)une alg`ebre localement convexe m´etrisable. Alors on a :
(1) H()op`ere absolument sur Asi et seulement si Aest m-convexe.
(2) H()op`ere sur Asi et seulement si Aest m-convexe de Fechet.
Preuve. (1) Soit (A, (Pn)nN) une alg`ebre m´etrisable (PnPn+1) sur laquelle H()
op`ere. Il est simple de voir que si Aest non m-convexe, il existe n0Ntel que pour tout
n>n
0, il existe une suite finie an,1,a
n,2, ..., an,knd’´el´ements de (Pn)1({1}) telle que
Pn0(an,1an,2···an,kn)>n
kn[Lemme 1.2, [19]]. Donc l’ensemble {an,1,a
n,2, ..., an,kn:
nN}est born´e, ce qui est absurde d’apr`es le lemme 3.2.
(2) ecoule de (1) et de la proposition 3.3.
W. ˙
Zelazko `a construit dans [32] un exemple d’alg`ebre localement convexe de Fechet,
ainsi elle est `a produit continu, sur laquelle H(Cn),nN,op`ere et qui n’est pas m-
convexe. Donc l’op´eration des H(Cn),nN, n’entraˆıne pas en g´en´erale celle de H().
Nous ´etablissons, dans le r´esultat suivant, le lien entre l’op´eration des H(Cn),nN,et
celle de H() pour les alg`ebres commutatives.
Th´eor`eme 4.2. Soit (A, τ)une alg`ebre localement convexe commutative. Alors on a :
(1) H(C)op`ere absolument sur (A, τ)si et seulement si pour tout nN,H(Cn)yop`ere
absolument.
(2) H(C)op`ere sur (A, τ)et (A, τ)est Mackey-compl`ete si et seulement si H()op`ere
sur (A, τ).
Preuve. Soit Bun born´e absolument convexe dans Atel que (EB,J
B) est un espase de
Banach. L’application n-lin´eaire :
(EB,J
B)×···×(EB,J
B)A;(b1, ..., bn)b1···bn
est s´epar´ement continue, car Aest une alg`ebre localement convexe et Bborn´e. Donc elle
est continue d’apr`es le th´eor`eme de Banach-Steinhaus. Par suite, les applications ”puis-
sances”: (EB,J
B)A;bbn,nN, sont continues. Soit Pune semi-norme continue
sur A. Supposons que H(C)op`ere absolument sur A, alors d’apr`es la formule (3), on a
sup
nN
P(( 1
P(a)a)n)1. Le [Th´eor`eme 9.5, [27]], dit de Banach-Steinhaus pour les applica-
tions polynˆomiales, assure que notre suite d’applications bbn,nN, est ´equicontinue
en z´ero. Donc pour la semi-norme P, il existe r>0 tel que P(bn)rnpour tout bBet
tout n1. La formule de polarisation (voir par exemple la formule [(8), [19]]) :
a1···an=nn
n!
n
k=1
(1i1<...<ikn)
(1)k+1(1
nai1+... +1
naik)n
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