Intégralité des notes de cours - Institut de Mathématiques de Toulouse

Analyse Fonctionnelle
Franck Boyer
Master Mathématiques et Applications
Première année
Aix-Marseille Université
13 décembre 2015
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F. BOYER - VERSION DU 13 DÉCEMBRE 2015
TABLE DES MATIÈRES iii
Table des matières
I Objectifs. Rappels. Bestiaire 3
I Introduction.................................................. 3
II Espaces métriques. Espaces vectoriels normés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
II.1 Espacesmétriques .......................................... 5
II.1.a Dénitionsdebase .................................... 5
II.1.b Espacescompacts ..................................... 8
II.1.c Fonctions continues, uniformément continues, Lipschitziennes . . . . . . . . . . . . . 10
II.1.d Caractérisations séquentielles des propriétés topologiques dans un espace métrique . . 12
II.1.e Suites de Cauchy. Complétude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
II.2 Espaces vectoriels normés. Espaces préhilbertiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
II.2.a Dénitionsdebase .................................... 20
II.2.b Applications linéaires continues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
II.2.c Espaces de Banach et de Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
III Opérations élémentaires sur les espaces fonctionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
III.1 Espacesproduits ........................................... 25
III.2 Espaces vectoriels normés quotients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
IV Principaux espaces que l’on peut rencontrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.1 Les espaces vectoriels de dimension finie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
IV.1.a Propriétésessentielles................................... 29
IV.1.b Caractérisation de la dimension finie. Théorème de Riesz . . . . . . . . . . . . . . . . 30
IV.1.c Exemples ......................................... 31
IV.2 Espacesdedimensioninnie..................................... 32
IV.2.a Espacesdesuites ..................................... 32
IV.2.b Espacesdefonctions.................................... 38
V Espaces vectoriels semi-normés ; espaces de Fréchet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
II Théorèmes fondamentaux dans les espaces métriques complets 49
I ThéorèmedupointxedeBanach ...................................... 49
I.1 Enoncé, preuve, variantes et commentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
I.2 Applications ............................................. 51
I.2.a Inversion d’applications Lipschitziennes. Inversion locale . . . . . . . . . . . . . . . . 51
I.2.b Equations intégrales de Volterra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
I.2.c Les théorèmes de Cauchy-Lipschitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
I.2.d Théorème d’Hartman-Grobman global pour les systèmes dynamiques discrets . . . . . 59
II Théorème de Baire et premières applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
II.1 Enoncéetpreuve........................................... 63
II.2 Applications élémentaires classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
III Théorème de Banach-Steinhaus et applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
IV Théorème de l’application ouverte et applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
V Théorèmedugraphefermé.......................................... 70
III Espaces de fonctions continues 73
I Densitédespacesremarquables ....................................... 73
II Compacité................................................... 77
II.1 Le théorème d’Ascoli et ses conséquences immédiates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
II.2 LethéorèmedeMontel........................................ 79
II.3 LethéorèmedeKolmogoroff..................................... 80
II.4 Quelques applications importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
F. BOYER - VERSION DU 13 DÉCEMBRE 2015
iv TABLE DES MATIÈRES
IV Analyse Hilbertienne 87
I Orthogonalité ................................................. 87
II Projectionorthogonale ............................................ 91
III Théorème de représentation et applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
IV CompacitéfaibledanslesHilbert....................................... 97
V Théorie spectrale des opérateurs compacts autoadjoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
VI Un exemple détaillé : le problème de Dirichlet 1D et l’équation parabolique associée . . . . . . . . . . . 106
VI.1 ProblèmedeDirichlet1D ......................................106
VI.2 Le problème de la chaleur associé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
F. BOYER - VERSION DU 13 DÉCEMBRE 2015
TABLE DES MATIÈRES 1
Avant-Propos
On liste ci-dessous les points les plus importants du cours et qui seront donc au programme de l’examen.
Chapitre I : Tout ce chapitre doit être connu et maîtrisé (sauf le paragraphe sur les espaces semi-normés et les
espaces de Fréchet)
Chapitre II :
Enoncé et preuve du théorème de point fixe de Banach. Bien comprendre les principales applications vues en
cours et en TD.
Enoncé du théorème de Baire. Savoir l’appliquer si on vous donne les indications nécessaires..
Enoncé du théorème de Banach-Steinhaus. Connaître les applications classiques.
Enoncés des théorèmes de l’application ouverte et du théorème d’isomorphisme de Banach.
Enoncé du théorème du graphe fermé et savoir l’appliquer.
Chapitre III :
Enoncé du théorème de Weierstrass et applications élémentaires.
Enoncé du théorème d’Ascoli.
Chapitre IV :
Connaître les définitions, énoncés et preuves des sections I, II et III.
Les sections IV, V et VI ne sont pas au programme de l’examen.
F. BOYER - VERSION DU 13 DÉCEMBRE 2015
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