comme reste d’une s´erie convergente. La suite (Un) est donc de Cauchy, et par compl´etude de Eon en
d´eduit qu’elle converge, c’est-`a-dire que la s´erie Pn∈Nunconverge.
(⇒) Soit (un) une suite de Cauchy d’´el´ements de E. On peut donc construire une suite (nk)kdivergente
et strictement croissante telle que pour tout k∈N,
kunk+1 −unkk ≤ 1
2k.
La s´erie Pk∈N(unk+1 −unk) est donc absolument convergente, d’apr`es le th´eor`eme de comparaison entre
s´eries `a termes positifs. D’apr`es notre hypoth`ese, elle est donc convergente dans E, c’est-`a-dire que
N−1
X
k=0
(unk+1 −unk) = unN−un0
converge lorsque N→+∞vers un ´el´ement de E, et donc la suite de Cauchy (un) a une valeur d’adh´erence
dans E. Or une suite de Cauchy qui a une valeur d’adh´erence converge vers cette valeur d’adh´erence
(exercice !). Donc (un) converge, et on a bien montr´e que Eest complet.
Th´eor`eme des ferm´es emboit´es
1. Soit (E, d) un espace m´etrique complet, et (Fn)nune suite de ferm´es emboit´es non vides dont le
diam`etre
diam(Fn) = sup{d(x, y); x, y ∈Fn}
tend vers 0. Montrer que ∩n≥0Fnest un singleton.
2. Soit Fn={u∈l∞;kuk∞= 1 et u0=··· =un= 0}. V´erifier que les Fnforment une suite de ferm´es
emboit´es tous non vides d’un espace de Banach, dont l’intersection est vide. Quel est le probl`eme?
Solution .
1. Commen¸cons par montrer que ∩n≥0Fnn’est pas vide. Pour tout n∈N,soit xn∈Fn. Pour tous
n, m ∈Ntels que m≥n, comme les Fisont emboˆıt´es, on sait que xm∈Fm⊂Fn,xn∈Fnet donc
d(xm, xn)≤diam(Fn)→0 quand n→+∞.
La suite (xn) est donc de Cauchy dans (E, k · k) complet, elle converge vers un certain x∈E. De plus
pour tout net m≥n, on a xm∈Fm⊂Fn, et par fermeture de Fnon en d´eduit lorsque m→+∞que
x∈Fn, et ce pour tout n. Ainsi x∈ ∩n≥0Fn, qui n’est pas vide.
Soit de plus xet ydeux ´el´ements de ∩n≥0Fn, alors pour tout n,x, y ∈Fnet donc
d(x, y)≤diam(Fn)→0 quand n→+∞,
ce qui montre que x=y. On a donc montr´e que ∩n≥0Fnest un singleton.
2. Les Fnsont clairement emboˆıt´es, car si u∈l∞v´erifie u0=··· =un+1 = 0, alors a fortiori
u0=··· =un= 0. Les Fnsont tous non vides, car pour tout n∈Nfix´e, la suite ud´efinie par
u0=··· =un= 0 et ui= 1 pour tout i≥n+ 1 est ´el´ement de Fn.Les Fnsont ´egalement ferm´es
car une suite (up)pd’´el´ements de Fnconvergeant vers un ´el´ement udans l∞v´erifie kupk∞= 1 et
up
0=··· =up
n= 0 pour tout p, et up
i→uilorsque p→+∞pour tout i; en particulier `a la limite on
obtient kuk∞= 1 et u0=···=un= 0, et donc u∈Fn.Enfin l∞est un espace de Banach.
Pourtant l’intersection des Fnest vide car un ´el´ement ude cette intersection devrait v´erifier kuk∞= 1
et ui= 0 pour tout i, ce qui est contradictoire. Le probl`eme vient de ce que le diam`etre de Fnest 2, et
ne tend pas vers 0.
Valeurs d’adh´erence d’une suite
Soit (E, d) un espace m´etrique.
1. Soit (xn)nune suite d’´el´ements de E. Montrer que l’ensemble des valeurs d’adh´erences de (xn) est
´egal `a l’ensemble
∩n≥0{xm;m≥n}.
2. En d´eduire que si le th´eor`eme des ferm´es emboit´es est vrai dans E, alors Eest complet.
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