Mathématiques pour la Physique PDF

CHAPITRE 2 NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn Dans le chapitre précédent, on a énoncé et démontré les résultats essentiels sur les fonctions continues Rn → Rp et les compacts de Rn , sans prononcer le mot « norme ». Pour aller plus loin, il est c...

CHAPITRE 2 NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn Dans le chapitre précédent, on a énoncé et démontré les résultats essentiels sur les fonctions continues Rn → Rp et les compacts de Rn , sans prononcer le mot « norme ». Pour aller plus loin, il est commode d’introduire ce langage. 3. Distances et normes Définition 3.1 (Distances). — Soit E un ensemble. Une distance sur E est une application d : E × E → R+ vérifiant les trois propriétés suivantes : (1) (Séparation) d(x, y) = 0 ⇐⇒ x = y. (2) (Symétrie) d(x, y) = d(y, x). (3) (Inégalité triangulaire) d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z) pour tout x, y, z ∈ E. z
@
@
@y


 x Dans ce cas, on dit que E, muni de la distance d, est un espace métrique. Définition 3.2 (Normes). — Soit E un R-espace vectoriel (en abrégé R-ev). Une norme sur E (Q) une application N : E → R+ telle que (1) (Séparation) N (u) = 0 ⇔ u = 0. (2) (Homogénéité) N (λu) = |λ| N (u) pour tout u ∈ E et λ ∈ R (où |λ| est la valeur absolue de λ). (3) (Inégalité triangulaire) N (u + v) ≤ N (u) + N (v) pour tout u, v ∈ E. On dit alors que E, muni de N , est un R-espace vectoriel normé (en abrégé evn). Remarque 3.3. — Soit (E, N ) un evn. Alors l’application d : E × E → R+ , (x, y) 7→ N (y − x) est une distance. En effet, la séparation est claire, la symétrie découle de l’égalité N (−u) = N (u) et pour x, y, z ∈ E, l’inégalité d(x, z) = N (z − x) ≤ d(x, y) + d(y, z) = N (y − x) + N (z − y)  10 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn découle de 3.2 (3) appliqué à u = y − x et v = z − y. C’est d’ailleurs pour cette raison que 3.2 (3) est appelée « inégalité triangulaire ».(1) Exemple 3.4 (fondamental). — La valeur absolue R → R+ , x 7→ |x| est une norme sur R. Par conséquent, l’application d : R × R → R+ , (x, y) 7→ |y − x| est une distance sur R. Anticipant un peu sur la suite du cours, donnons aussi l’exemple suivant : p Exemple 3.5. — Sur R2 , la « norme euclidienne », définie par kxk2 = x21 + x22 , est bien une norme. (Exercice : le vérifier !) Définition 3.6 (Boules ouvertes ou fermées). — Soient (E, d) un espace métrique, x ∈ E et r > 0. On définit la boule ouverte de centre x et rayon r par B(x, r) = {y ∈ E | d(x, y) < r} et la boule fermée de centre x et rayon r par B(x, r) = {y ∈ E | d(x, y) ≤ r}. (Q) En particulier, si E est un R-espace vectoriel muni d’une norme k · k, alors B(x, r) = {y ∈ E | ky − xk < r}, B(x, r) = {y ∈ E | ky − xk ≤ r}. Exemples 3.7. — (1) Dans R, la boule ouverte (resp. fermée) de centre x et rayon r est l’intervalle ouvert ]x − r, x + r[ (resp. l’intervalle fermé [x − r, x + r]). (2) Dans R2 muni de la norme euclidienne, la boule ouverte (resp. fermée) de centre x et rayon r est le disque ouvert (resp. fermé) de centre x et de rayon r. Dans le chapitre 1, on a muni (sans le dire) Rn de la norme suivante : (Q) Définition 3.8 (Norme N∞ sur Rn ). — Pour x = (x1 ,... , xn ) dans Rn , on pose kxk = max |xi |. i=1,...,n n C’est une norme sur R : séparation et symétrie sont évidentes, et l’inégalité triangulaire découle de ce que, pour tout i, on a |ui + vi | ≤ |ui | + |vi | ≤ kuk + kvk d’où ku + vk ≤ kuk + kvk. S’il faut la distinguer d’autres normes qu’on introduira plus tard sur Rn , cette norme sera notée k · k∞. (L’explication de l’indice ∞ sera donnée plus loin.) La distance associée est donnée par : d(x, y) = max |yi − xi |. i=1,...,n Remarque 3.9. — Pour cette distance, la boule (ouverte ou fermée) de R2 de centre x = (x1 , x2 ) et de rayon r est le carré (ouvert ou fermé) de côté 2r centré en x, i.e. B(x, r) = [x1 − r, x1 + r] × [x2 − r, x2 + r] = {(y1 , y2 ) ∈ R2 | x1 − r ≤ y1 ≤ x1 + r, x2 − r ≤ y2 ≤ x2 + r} et de même pour la boule ouverte. De même, pour n arbitraire la boule (ouverte ou fermée) de Rn de centre x = (x1 ,... , xn ) et de rayon r est l’hypercube (ouvert ou fermé) de côté 2r centré en x, i.e. le produit des intervalles [xi − r, xi + r] pour i = 1,... , n. (1) Certains auteurs appellent 3.2 (3) l’inégalité de Minkowski et réservent le nom d’inégalité triangulaire à 3.1 (3).  3. DISTANCES ET NORMES 11 Une justification pour introduire la notion d’espace métrique est donnée par la : Remarque 3.10. — Soit (E, d) un espace métrique (par exemple Rn ). Tout sous-ensemble A de E, muni de la restriction dA de d à A × A (i.e. dA (x, y) = d(x, y) pour tout x, y ∈ A) est un espace métrique. Partant de Rn muni de la norme N∞ , on a donc une structure d’espace métrique sur tout sous- ensemble A de Rn : pour tout a ∈ A et r > 0, la boule ouverte de A de centre a et rayon r est : BA (a, r) = {y ∈ A | ky − ak < r} = B(a, r) ∩ A. Si l’on a deux espaces métriques (E, d) et (E 0 , d0 ) on peut parler d’applications continues E → E 0. Définition 3.11 (Applications continues). — Soient (E, d), (E 0 , d0 ) deux espaces métriques et f une application E → E 0. (i) On dit que f est continue en un point x0 ∈ E si pour tout ε > 0 il existe δ > 0 tel que f (B(x0 , δ)) ⊂ B(f (x0 ), ε), i.e. tel que f −1 (B(f (x0 ), ε)) ⊃ B(x0 , δ). (ii) Si A est un sous-ensemble de E, on dit que f est continue sur A si elle est continue en tout point de A. Exemple 3.12 (fondamental). — Soit f une fonction Rn → Rp et A = Df. Dans ce cas, la définition précédente coı̈ncide avec celle donnée en 1.3 : f est continue en un point x0 ∈ A si et seulement si pour tout ε > 0 il existe δ > 0 tel que f (A ∩ B(x0 , δ)) ⊂ B(f (x0 ), ε), i.e. tel que pour tout x ∈ A on ait : kx − x0 k < δ =⇒ kf (x) − f (x0 )k < ε. On peut définir les applications lipschitziennes dans ce cadre : Définition 3.13 (Applications lipschitziennes). — Soient (E, d), (E 0 , d0 ) deux espaces mé- triques et f une application E → E 0. (i) On dit que f est L-lipschitzienne, où L est un réel > 0, si pour tout x, y ∈ E on a : (∗) d0 (f (x), f (y)) ≤ L d(x, y). (ii) Il est clair qu’une telle application est continue : pour tout ε > 0, on a d(x, y) < ε/L =⇒ d0 (f (x), f (y)) < ε. (iii) Si L est le plus petit réel > 0 vérifiant (∗), on dit que L est la constante de Lipschitz de f. Le lemme suivant sera utile. Lemme 3.14. — Soit (E, N ) un R-evn. L’application N : E → R est 1-lipschitzienne, donc continue. Démonstration. — Soient x, y ∈ E. D’après l’inégalité triangulaire, on a N (y) − N (x) ≤ N (y − x) et de même N (x) − N (y) ≤ N (x − y) = N (y − x), d’où |N (y) − N (x)| ≤ N (y − x). Ceci montre que N : E → R est 1-lipschizienne.  12 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn Définition 3.15 (Normes équivalentes). — Soit E un R-ev. On dit que deux normes N, N 0 sur E sont équivalentes s’il existe deux réels α, β > 0 tels que α N (x) ≤ N 0 (x) ≤ β N (x), pour tout x ∈ E. Dans ce cas, on a β −1 N 0 (x) ≤ N (x) ≤ α−1 N 0 (x) donc cette relation est symétrique. (2) On vérifie facilement qu’elle est aussi transitive (i.e. si N 0 est équivalente à N et N 00 , alors N et N 00 sont équivalentes), donc c’est une relation d’équivalence. (Q) Théorème 3.16. — Toutes les normes sur Rn sont équivalentes entre elles. Démonstration. — Il suffit de montrer que toute norme N est équivalente à la norme k · k = N∞. Soit (e1 ,... , en ) la base canonique de Rn. Pour tout x = (x1 ,... , xn ) on a : X X X N (x) = N ( xi ei ) ≤ N (xi ei ) = |xi | N (ei ) ≤ L kxk i i i n où L = i N (ei ). Ceci montre que l’application N : R → R est L-lipschitzienne, donc continue. P D’autre part, d’après le lemme 3.14, l’application k · k : Rn → R est continue et donc la sphère unité (image réciproque du fermé {1}) : S∞ (0, 1) = {x = (x1 ,... , xn ) | kxk = 1} est fermée, d’après la proposition 1.19. Comme elle est aussi bornée, elle est compacte (Th. 2.5) et donc, d’après le théorème 2.6, l’application continue N y est bornée et atteint ses bornes. Il existe donc a, b ∈ S∞ (0, 1) tels que, posant α = N (a) > 0 et β = N (b) > 0, on ait α ≤ N (x) ≤ β pour 1 tout x ∈ S∞ (0, 1). Or, pour tout x ∈ Rn − {0} le vecteur x0 = x appartient à S∞ (0, 1) et, kxk comme N (x0 ) = N (x)/kxk, les inégalités précédentes entraı̂nent α kxk ≤ N (x) ≤ β kxk, inégalité qui est encore vérifiée pour x = 0. Ceci prouve que N est équivalente à k · k. Exemples 3.17 (de normes sur Rn ). — 1) L’application N1 , qui à x = (x1 ,... , xn ) associe kxk1 = 1≤i≤n |xi | est une norme sur Rn : démonstration immédiate, laissée au lecteur. P 2) L’application N2 qui à x = (x1 ,... , xn ) associe X kxk2 = x2i 1≤i≤n est une norme sur Rn , appelée la norme euclidienne. Ceci nécessite une démonstration, donnée plus bas. Cette norme provient du produit scalaire euclidien donné par x · y = 1≤i≤n xi yi : on a P √ kxk2 = x · x. 3) Plus généralement, pour tout réel p ≥ 1 on peut montrer (voir en TD) que la fonction Np qui à x = (x1 ,... , xn ) associe Ñ é1/p X p kxkp = xi 1≤i≤n est une norme sur Rn. (2) On voit donc qu’un vecteur x est « petit » pour la norme N si et seulement si il l’est pour N 0.  3. DISTANCES ET NORMES 13 Exercice 3.18. — La notation N∞ est justifiée par le fait que, pour tout x ∈ Rn , on a lim Np (x) = max |xi | = N∞ (x). p→+∞ 1≤i≤n Démontrer cette égalité. Indication : montrer que N∞ (x) ≤ Np (x) ≤ n1/p N∞ (x) et utiliser que limp→+∞ log(n)/p = 0. Exercice 3.19. — Montrer que pour tout x ∈ Rn on a : √ kxk∞ ≤ kxk2 ≤ kxk1 ≤ n kxk∞ et kxk2 ≤ n kxk∞. Remarque 3.20. — On rencontre aussi des normes sur des R-espaces vectoriels de dimension infinie. Par exemple, soient a < b dans R et E = C ([a, b], R) le R-espace vectoriel des fonctions continues f : [a, b] → R. Comme toute fonction continue f sur [a, b] est bornée et intégrable sur [a, b], on peut munir E des normes suivantes : (1) kf k∞ = maxx∈[a,b] |f (x)|. La vérification que c’est une norme est facile et laissée au lecteur. Rb Rb (2) kf k1 = a |f (x)|dx. L’inégalité triangulaire résulte de ce que f 7→ a f est croissante et |f + g| ≤ |f | + |g|. La séparation est un exercice classique. ÄRb ä1/2 (3) kf k2 = a f (x)2 dx. La séparation est le même exercice. L’inégalité triangulaire découle de ce Rb que k · k2 provient du produit scalaire (f | g) = a f (x)g(x)dx et de l’inégalité de Cauchy-Scharz (voir plus bas). Le reste de cette section n’est qu’une réécriture des résultats de la section 1 dans le langage des espaces métriques et peut donc être omis. Noter toutefois que la proposition 3.22 généralise 1.15 (2) au cas où seul l’espace de départ est supposé de dimension finie. Lemme 3.21. — Soient E, E 0 deux R-evn et f : E → E 0 une application linéaire. Les conditions suivantes sont équivalentes : (i) f est continue. (ii) f est continue en 0. (iii) Il existe un réel C > 0 tel que kf (x)k ≤ C kxk pour tout x ∈ E. (iv) f est lipschitzienne. Démonstration. — Il est clair que (iv) ⇒ (i) ⇒ (ii). Supposons f continue en 0. Alors il existe δ > 0 tel que f −1 (B(0, 1)) ⊃ B(0, 2δ) ⊃ B(0, δ). δ Pour tout x 6= 0, x0 = x appartient à B(0, δ) et donc kf (x0 )k ≤ 1, d’où kxk 1 kf (x)k ≤ kxk δ et cette inégalité est encore vraie pour x = 0. Ceci prouve l’implication (ii) ⇒ (iii). Enfin, supposons (iii) vérifié. Alors, pour tout x, y ∈ E on a kf (y) − f (x)k = kf (y − x)k ≤ C ky − xk et donc f est C-lipschitzienne. Proposition 3.22. — Soit E un R-evn. Toute application linéaire f : Rn → E est lipschitzienne, donc continue. 14 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn Démonstration. — Notons (e1 ,... , en ) la base canonique de Rn. Pour tout x = (x1 ,... , xn ) on a f (x) = Pn i=1 xi f (ei ) donc : n X kf (x)k ≤ |xi | f (ei ) ≤ C kxk, i=1 Pn où C = i=1 kf (ei )k. Donc f est C-lipschitzienne, d’après l’implication (iii) ⇒ (iv) du lemme précédent. Proposition 3.23. — Considérons trois espaces métriques (E, d), (E 0 , d0 ), (E 00 , d00 ) et des applications f : E → E 0 et g : E 0 → E 00. (i) Soit x0 ∈ E. Si f est continue en x0 et g continue en f (x0 ), alors g ◦ f est continue en x0. (ii) Par conséquent, si f et g sont continues, g ◦ f l’est aussi. Démonstration. — (i) Posons y0 = f (x0 ) et z0 = g(y0 ) = (g ◦ f )(x0 ). Soit ε > 0. Comme g est continue en y0 , il existe δ 0 > 0 tel que g(B(y0 , δ 0 )) ⊂ B(z0 , ε), et comme f est continue en x0 , il existe δ > 0 tel que f (B(x0 , δ)) ⊂ B(y0 , δ 0 ). Alors, on a g ◦ f (B(x0 , δ)) ⊂ g(B(y0 , δ 0 )) ⊂ B(z0 , ε). Ceci prouve (i), et évidemment (ii) en découle. Dans un espace métrique (E, d), on peut aussi parler de suites convergentes : Définition 3.24 (Limite d’une suite). — Soit (E, d) un espace métrique et (xk )k∈N une suite d’élé- ments de E. On dit que (xk )k∈N converge vers une limite a ∈ E, et on note xk → a, si pour tout ε > 0 il existe n0 ∈ N tel que pour tout k ≥ n0 , on ait d(a, xk ) < ε. Proposition 3.25. — La limite, si elle existe, est unique. Démonstration. — Soient a, b ∈ E deux limites de la suite (xk )k∈N et soit ε > 0. Il existe na , nb ∈ N tels que d(a, xk ) < ε et d(b, x` ) < ε pour tout k > na et ` > nb. Posons n0 = max(na , nb ). Alors, pour tout k > n0 on a, d’après l’inégalité triangulaire : d(a, b) ≤ d(a, xk ) + d(xk , b) < 2ε, ce qui montre que a = b, puisque ε est arbitraire. On peut caractériser la continuité en termes de suites : Proposition 3.26. — Soient (E, d), (E 0 , d0 ) deux espaces métriques, f une application E → E 0 et a ∈ E. Les propriétés suivantes sont équivalentes : (i) f est continue en a. (ii) Pour toute suite (xk )k∈N de E convergeant vers a, la suite f (xk ) de E 0 converge vers f (a). Démonstration. — (i) ⇒ (ii). Supposons f continue en a et soit (xk )k∈N une suite de E convergeant vers a. Soit ε > 0. Comme f est continue en a, il existe δ > 0 tel que f (B(a, δ)) ⊂ B(f (a), ε). Comme (xk )k∈N converge vers a, il existe n0 ∈ N tel que xk ∈ B(a, δ) pour tout k > n0 et donc on a f (xk ) ∈ B(f (a), ε) pour tout k > n0. Ceci prouve que la suite f (xk ) converge vers f (a). (ii) ⇒ (i). Supposons que f n’est pas continue en a. Il existe alors ε0 > 0 tel que pour tout k ∈ N∗ , il existe x ∈ B(a, 1/k) tel que d0 (f (a), f (xk )) ≥ ε0. On obtient ainsi une suite (xk )k∈N∗ telle que d(a, xk ) < 1/k, k donc qui converge vers a, mais d0 (f (a), f (xk )) ≥ ε0 pour tout k ∈ N∗ , donc f (xk ) ne converge pas vers f (a).  4. TOPOLOGIE : OUVERTS ET FERMÉS, PARTIES CONNEXES OU CONVEXES 15 4. Topologie : ouverts et fermés, parties connexes ou convexes Dans R, les « bons » sous-ensembles sur lesquels étudier les fonctions dérivables sont les intervalles ouverts. Les boules ouvertes de Rn en sont des généralisations, mais ne suffisent pas : la bonne notion est celle d’ouvert connexe, que l’on va introduire. On munit Rn d’une norme N quelconque, par exemple la norme euclidienne k · k2. Si N 0 est une autre norme, il existe d’après le théorème 3.16 des réels α, β > 0 tels que αN ≤ N 0 ≤ βN et donc, en notant B et B 0 les boules ouvertes pour N et N 0 respectivement, on a pour tout x ∈ Rn et r > 0 : (?) B 0 (x, αr) ⊂ B(x, r) ⊂ B 0 (x, βr). i.e. toute boule ouverte pour N centrée en x contient une boule ouverte pour N 0 de même centre, et vice-versa. Ceci montre que les définitions ci-dessous ne dépendent pas de la norme choisie sur Rn. (Q) Définitions 4.1 (Ouverts et fermés). — 1) On dit qu’une partie U de Rn est un (sous- ensemble) ouvert si pour tout a ∈ U il existe r > 0 tel que B(a, r) ⊂ U. Noter que, par définition, ∅ est ouvert, ainsi que Rn. 2) On dit qu’une partie F de Rn est un (sous-ensemble) fermé si son complémentaire c F = n R − F est ouvert. (Q) Proposition 4.2. — (1) Toute boule ouverte est un ouvert. (2) Toute boule fermée est un fermé. (3) Ces notions de fermé et d’ouvert coı̈ncident avec celles introduites en 1.17, i.e. F est fermé ⇐⇒ pour toute suite (xk )k∈N d’éléments de F qui converge vers une limite ` ∈ Rn , on a ` ∈ F (4) Ces notions de fermé et d’ouvert ne dépendent pas de la norme choisie sur Rn. Démonstration. — (1) Soient B(x, R) une boule ouverte et a ∈ B. Alors r = R − d(x, a) est > 0 et, d’après l’inégalité triangulaire on a, pour tout z ∈ B(a, r) : d(x, z) ≤ d(x, a) + d(a, z) < d(x, a) + r = R. On a donc B(a, r) ⊂ B(x, R), ce qui prouve (1). Prouvons (2). Soient B(x, R) une boule fermée et U son complémentaire. Soit a ∈ U , alors r = d(x, a) − R est > 0. Montrons que B(a, r) ⊂ U. Dans le cas contraire, il existerait y ∈ B(x, R) ∩ B(a, r) et par l’inégalité triangulaire on aurait : d(x, a) ≤ d(x, y) + d(y, a) < R + r = d(x, a), une contradiction. On a donc B(a, r) ⊂ U. Ceci montre que U est ouvert et donc B(x, R) est fermé. Prouvons (3). Supposons c F ouvert au sens de 4.1 et soit (xk )k∈N une suite d’éléments de F convergeant vers ` ∈ Rn. Raisonnant par l’absurde, supposons ` ∈ c F = U. Alors, d’après l’hypothèse et le point (2), il existe r > 0 tel que B(`, r) ⊂ U. Comme xk → `, il existe k0 tel que pour tout k > k0 on ait xk ∈ B(a, r) ⊂ U , ce qui est une contradiction puisque xk ∈ F. Ceci montre que ` ∈ F. Supposons maintenant F fermé au sens de 1.17 et soit a ∈ U = c F. Raisonnant par l’absurde, supposons que B(a, r)∩F 6= ∅ pour tout r > 0. Alors, pour tout k ∈ N∗ il existe xk ∈ F ∩B(a, 1/k) et (xk )k∈N est une suite d’éléments de F convergeant vers a, d’où a ∈ F , une contradiction. Donc  16 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn il existe r0 > 0 tel que B(a, r) ∩ F = ∅, i.e. B(a, r0 ) ⊂ U , ce qui montre que U est ouvert, donc F fermé au sens de 4.1. Enfin, (4) découle de (?), comme remarqué avant la définition 4.1. (Q) Proposition 4.3. — On a les propriétés suivantes : (1) ∅ et Rn sont ouverts (et fermés). (2) Toute réunion d’ouverts est un ouvert. (3) Toute intersection finie d’ouverts est un ouvert. (4) Toute intersection de fermés est un fermé. (5) Toute réunion finie de fermés est un fermé. Démonstration. — On a déjà vu (1). Prouvons (2). Soient (Ui )i∈I une famille d’ouverts et V = i∈I Ui. Soit x ∈ V. Il existe i ∈ I tel que x ∈ Ui , et comme Ui est ouvert, il existe une boule S ouvert B telle que x ∈ B ⊂ Ui ⊂ V. Ceci montre que V est ouvert. Prouvons (3). Soient U1 ,... , Up des ouverts de Rn et W = pi=1 Ui. Soit x ∈ W. Pour chaque i T on a x ∈ Ui donc il existe ri > 0 tel que B(x, ri ) ⊂ Ui. Posons r = min(r1 ,... , rp ), alors r > 0 et pour tout i on a B(x, r) ⊂ B(x, ri ) ⊂ Ui. On a donc B(x, r) ⊂ W et ceci montre que W est ouvert. Les propriétés (4) et (5) en découlent par passage au complémentaire, car si (Fi )i∈I est une famille de fermés, alors c ( i∈I Fi ) = i∈I c Fi est ouvert d’après (2), donc i∈I Fi est fermé. T S T De même, si F1 ,... , Fp sont des fermés, alors c ( pi=1 Fi ) = pi=1 c Fi est ouvert d’après (3), donc S T Sp i=1 Fi est fermé. (Q) Remarque 4.4. — Une intersection infinie d’ouverts n’est pas nécessairement ouverte. Par exemple dans R l’intersection des ouverts ] − 1/k, 1/k[, pour k ∈ N∗ , est {0} qui n’est pas ouvert. Définition 4.5 (Topologies). — Soit E un ensemble. Une topologie sur E est la donnée d’un sous-ensemble O de P(E), dont les éléments sont appelés les ouverts de la topologie, vérifiant les propriétés suivantes : (O1) ∅ et E sont ouverts, i.e. ils appartiennent à O. (O2) Toute réunion d’ouverts est un ouvert, i.e. pour toute famille (Ui )i∈I d’éléments de O, l’élément i∈I Ui de P(E) appartient à O. S (O3) Toute intersection finie d’ouverts est un ouvert, i.e. si U1 ,... , Up appartiennent à O, alors U1 ∩ · · · ∩ Up y appartient aussi. Dans ce cas, les éléments de F = {F ∈ P(E) | E − F ∈ O} s’appellent les fermés de la topologie, et en passant au complémentaire on voit qu’ils vérifient les propriétés suivantes. (F1) ∅ et E sont fermés, i.e. ils appartiennent à F. (F2) Toute intersection de fermés est un fermé, i.e. pour toute famille (Fi )i∈I d’éléments de F , l’élément i∈I Fi de P(E) appartient à F. T (F3) Toute réunion finie de fermés est un fermé, i.e. si F1 ,... , Fp appartiennent à F , alors F1 ∩ · · · ∩ Fp y appartient aussi. Terminologie 4.6. — Il résulte de la proposition 4.3 que toutes les normes sur Rn définissent la même topologie. On dira que c’est la topologie de Rn comme R-espace vectoriel normé de dimension finie. D’autre part, il résulte de (?) que les notions de suites convergentes dans Rn et de fonctions continues Rn → Rp ne dépendent pas de la norme choisie sur Rn et Rp. Pour les fonctions continues, ceci est précisé par la proposition suivante.  4. TOPOLOGIE : OUVERTS ET FERMÉS, PARTIES CONNEXES OU CONVEXES 17 Proposition 4.7. — Soit f une application Rn → Rp. Les conditions suivantes sont équivalentes : (i) f est continue sur Rn. (ii) Pour tout ouvert U de Rp , f −1 (U ) est un ouvert de Rn. (iii) Pour tout fermé F de Rp , f −1 (F ) est un fermé de Rn. Démonstration. — (ii) et (iii) sont équivalents (par passage au complémentaire) et impliqués par (i), d’après la proposition 1.19. Il suffit donc de montrer que (ii) ⇒ (i). Supposons donc (ii) vérifié et soient a ∈ Rn et ε > 0. Alors f −1 (B(f (a), ε)) est un ouvert contenant a donc contient une boule B(a, δ). Ceci montre que f est continue en a. Définitions 4.8 (Intérieur et adhérence). — Soit E un sous-ensemble quelconque de Rn. (i) La réunion des boules ouvertes contenues dans E est le plus grand ouvert contenu dans E ; il est noté E̊ et appelé intérieur de E. Si x ∈ E̊ on dit que x est un point intérieur à E. (ii) L’intersection des fermés contenant E est le plus petit fermé contenant E ; il est noté E et appelé adhérence (ou fermeture) de E. Il est décrit comme suit : le plus grand ouvert Ω disjoint de E est l’intérieur de c E ; on en déduit que E = c Ω. Par conséquent, un point a ∈ Rn appartient à E si et seulement si il n’est pas intérieur à c E, i.e. ssi pour tout r > 0 la boule ouverte B(a, r) rencontre E. On voit comme d’habitude (i.e. en considérant les rayons 1/k pour k ∈ N∗ ) que ceci équivaut à dire que a est la limite d’une suite (xk )k∈N∗ d’éléments de E. Dans ce cas, on dit que a est adhérent à E. À la fin du cours, on aura besoin de parler de la frontière d’un ouvert de R2 ou R3 ; introduisons donc cette notion ici : Définition 4.9. — Soit A un sous-ensemble quelconque de Rn. On définit la frontière de A par ∂A = A − Å. Démontrons la proposition suivante, qui est spécifique aux espaces vectoriels normés (i.e. elle n’est pas vraie dans un espace métrique quelconque). Proposition 4.10. — Soit (E, N ) un R-evn et soient a ∈ E et r > 0. (i) L’adhérence de B(a, r) est B(a, r). (ii) L’intérieur de B(a, r) est B(a, r). (iii) Par conséquent, la frontière de B(a, r) (et aussi de B(a, r)) est la sphère : S(a, r) = {x ∈ E | N (x − a) = r} = B(a, r) − B(a, r). Démonstration. — B(a, r) est un fermé contenant B(a, r) et B(a, r) est un ouvert contenu dans B(a, r) donc on a toujours ◦ B(a, r) ⊂ B(a, r) et ˚ B(a, r) ⊂ B(a, r). Pour prouver les égalités voulues, il suffit de montrer que tout point x de S(a, r) est adhérent à B(a, r) et pas intérieur à B(a, r). Or, ceci est clair en considérant la demi-droite a + R+ (x − a) = {xt = a + t(x − a) | t ∈ R+ }. En effet, pour t ∈ [0, 1[ on a xt ∈ B(a, r), ce qui montre que x est adhérent à B(a, r). D’autre part, x n’est pas intérieur à B(a, r) car sinon il existerait ε > 0 tel que B(x, rε) ⊂ B(a, r) et B(a, r) contiendrait x + ε(x − a) = x1+ε , ce qui est absurde car N (x1+ε − a) = (1 + ε)r > r.  18 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn On va maintenant définir la notion de connexité. (Comme dit au début de cette section, les « bons » sous-ensembles de Rn sur lesquels étudier les fonctions différentiables sont les ouverts connexes.) Terminologie 4.11. — Soit A un sous-ensemble de Rn. On le munit de la « topologie induite » en déclarant que les ouverts de A sont les A ∩ U , pour U ouvert de Rn. On vérifie immédiatement que c’est bien une topologie ; de plus les fermés de A sont les A ∩ F , pour F fermé de Rn. (Q) Définition 4.12 (Connexité). — Un sous-ensemble A de Rn est connexe s’il vérifie l’une des conditions équivalentes suivantes : (1) Les seules parties à la fois ouvertes et fermées de A sont ∅ et A. (2) Si A = A1 t A2 (3) avec A1 , A2 ouverts (et donc aussi fermés), alors A égale A1 ou A2. (3) Si U1 , U2 sont deux ouverts disjoints de Rn tels que A ⊂ U1 ∪ U2 , alors A est contenu dans U1 ou U2. (4) Idem avec deux fermés disjoints de Rn. (5) Toute application continue A → {0, 1}, où {0, 1} est muni de la distance d(0, 1) = 1, est constante. L’équivalence des conditions (1) à (4) est à peu près immédiate ; l’équivalence de (1) et (5) est un exercice. (Q) Exemple 4.13 (fondamental). — Tout intervalle de R est connexe : ceci résulte de la caracté- risation (5) et du théorème des valeurs intermédiaires. Ou bien directement de la caractérisation (1) en travaillant un peu (exercice !). Proposition 4.14. — Soit C un connexe de Rn. (i) C est connexe. (ii) Si C 0 est un connexe de Rn tel que C ∩ C 0 6= ∅ alors C ∪ C 0 est connexe. (iii) Si f : C → Rp est une application continue alors f (C) est un connexe de Rp. Démonstration. — Exercice ! Remarque 4.15. — En fait, si C est connexe alors toute partie C 0 telle que C ⊂ C 0 ⊂ C est connexe. Par exemple, si C est le graphe de la fonction R∗+ → R, t 7→ sin(1/t) et X une partie arbitraire du segment {0} × [−1, 1] alors C ∪ X est connexe. Les ouverts connexes ont de meilleures propriétés. (Q) Définition 4.16. — Un sous-ensemble E de Rn est convexe si pour tout x, y ∈ E, le segment [x, y] = {x + t(y − x) | t ∈ [0, 1]} = {ty + (1 − t)x | t ∈ [0, 1]} est contenu dans E. Comme un tel segment est connexe, il résulte de la caractérisation (5) que toute partie convexe est connexe. La réciproque est fausse : une partie de R2 en forme de U est connexe mais pas convexe. (Q) Proposition 4.17. — Toute boule (ouverte ou fermée) est convexe. Démonstration. — Exercice ! (Q) Théorème 4.18. — Soit U un ouvert de Rn. Les conditions suivantes sont équivalentes : (i) U est connexe. (3) On rappelle que le symbole t désigne une réunion disjointe.  5. RAPPEL : INÉGALITÉ DE CAUCHY-SCHWARZ ET NORME EUCLIDIENNE 19 (ii) Pour tout x, y ∈ U , il existe une ligne brisée contenue dans U qui les relie, i.e. il existe un nombre fini de points x0 ,... , xp ∈ U tels que x = x0 , y = xp et les segments [xi−1 , xi ] sont contenus dans U pour i = 1,... , p. De plus, on peut imposer que chaque segment [xi−1 , xi ] soit parallèle à un axe de coordonnées. Démonstration. — (ii) ⇒ (i) est presque immédiat. Fixons a dans U et soit x ∈ U. Il existe une ligne brisée L = (a = x0 ; x1 ;... ; xp = x) joignant a à x. Prenant une paramétrisation de L par [0, p], i.e. posant pour i = 0,... , p − 1 et t ∈ [0, 1] γ(i + t) = xi + t(xi+1 − xi ) on obtient une application continue γ : [0, p] → U tel que γ([0, 1]) = L. Comme [0, p] est connexe il en est de même de L et donc pour toute fonction continue f : U → {0, 1} on a f (x) = f (a), i.e. f est constante de valeur f (a). Prouvons (i) ⇒ (ii). Il n’y a rien à montrer si U = ∅. Fixons donc x0 ∈ U et notons V l’ensemble des points de U que l’on peut joindre à x0 par une ligne brisée dans U , dont chaque segment est parallèle à un axe de coordonnées. Montrons que V est ouvert. Soit a ∈ V , comme U est ouvert il existe r > 0 tel que U contient la boule B = B∞ (a, r) (pour la norme k · k∞ ). Comme a peut être relié à tout b ∈ B par une ligne brisée Lb dont chaque segment est parallèle à un axe de coordonnées et contenue dans B donc dans U , on obtient en concaténant Lb avec une telle ligne La joignant x0 à a, une ligne du même type joignant x0 à b. Ceci montre que B ⊂ V , donc V est ouvert. Montrons que V est fermé dans U , i.e. égal à V ∩ U. Soit b ∈ V ∩ U. Comme U est ouvert, il existe r > 0 tel que B∞ (b, r) ⊂ U , puis comme b ∈ V il existe a ∈ V ∩ B. Comme précédemment, il existe deux lignes brisées La ⊂ U et Lb ⊂ B∞ (b, r), dont chaque segment est parallèle à un axe de coordonnées, joignant respectivement x0 à a et a à b et l’on en déduit que b ∈ V. On a ainsi montré que V (non vide car contenant x0 ) est à la fois ouvert et fermé dans U et comme U est connexe il en résulte que V = U. Ou bien, si l’on préfère, on peut dire que V et c V sont deux ouverts disjoints de Rn tels que U ⊂ V t cV (car on vient de montrer que V ∩ U ⊂ V ). Comme U est connexe, il est contenu dans V ou bien c V , et comme a ∈ V on a U ⊂ V d’où U = V. (Q) Remarque 4.19. — Dans R, les parties convexes et connexes coı̈ncident et sont précisément les intervalles. D’une part, les intervalles sont par définition les parties convexes de R, i.e. un sous- ensemble I de R est un intervalle ssi pour tout a ≤ b dans I, on a [a, b] ⊂ I. D’autre part, soit E ⊂ R un connexe non vide, et soient a ≤ b dans E. Alors E contient l’intervalle [a, b], car s’il existait c ∈ ]a, b[ tel que c 6∈ E alors E serait réunion des ouverts disjoints E ∩ ] − ∞, c[ et E ∩ ]c, +∞[, tous deux non vides car le premier contient a et le second b. 5. Rappel : inégalité de Cauchy-Schwarz et norme euclidienne Dans cette courte section, qui ne sera pas traitée en cours, on rappelle (la démonstration de) l’inégalité de Cauchy-Schwarz, sur laquelle repose le fait que la « norme euclidienne » est bien une norme.  20 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn Définition 5.1 (Produits scalaires et espaces euclidiens). — Soit E un R-espace vectoriel, pas nécessairement de dimension finie. Un produit scalaire est une forme bilinéaire symétrique sur E (4) qui est définie positive c.-à-d. qui vérifie : (Déf. Pos.) ∀x ∈ E − {0}, f (x, x) > 0. (Dans ce cas, on dit aussi que la forme quadratique Q sur E définie par Q(x) = f (x, x) est définie positiive.) Un tel produit scalaire est souvent noté x · y ou (x | y). Dans ce cas, on dit que E, muni de ( | ), est un espace euclidien. (5) Exemples 5.2. — (1) Rn muni du produit scalaire euclidien standard : si x = (x1 ,... , xn ) et y = (y1 ,... , yn ) alors (x | y) = x1 y1 + · · · + xn yn = t XY, Ö è x1 où X désigne le vecteur colonne.. et de même pour Y. Pour ce produit scalaire, la base. xn canonique (e1 ,... , en ) de Rn est orthonormée, i.e. on a (ei | ej ) = 1 si i = j et = 0 sinon. (2) L’espace vectoriel E = C 0 ([0, 1], R) des fonctions continues f : [0, 1] → R, muni du produit scalaire Z 1 (f | g) = f (t)g(t)dt , 0 est un espace euclidien, qui n’est pas de dimension finie. Théorème 5.3 (Inégalité de Cauchy-Schwarz et norme euclidienne) (Q) Soit E, muni de ( | ), un espace euclidien. On pose Q(x) = (x | x) pour tout x ∈ E. (1) On a l’inégalité de Cauchy-Schwarz : (CS) ∀x, y ∈ E (x | y)2 ≤ Q(x)Q(y) avec égalité si et seulement si x et y sont liés. p (2) Par conséquent, l’application x 7→ kxk2 = (x | x) est une norme sur E, appelée la norme euclidienne associée à ( | ), et l’inégalité de Cauchy-Schwarz se récrit comme suit (où dans le terme de gauche | · | désigne la valeur absolue dans R) : (CS) ∀x, y ∈ E |(x | y)| ≤ kxk kyk. Démonstration. — Si y = λx, on a Q(y) = λ2 Q(x) et (x | y)2 = λ2 (x | x)2 = Q(y)Q(x), et de même si x = λy. Donc on a l’égalité si x, y sont liés, en particulier si x = 0 ou y = 0. Supposons donc x et y non nuls ; alors Q(x) > 0 et pour tout t ∈ R, on a 0 ≤ Q(tx + y) = t2 Q(x) + 2t (x | y) + Q(y) donc le discriminant réduit ∆0 = (x | y)2 − Q(x)Q(y) de ce trinôme (6) en t est ≤ 0 (car sinon ce trinôme aurait deux racines distinctes et serait < 0 entre ces racines). Ceci prouve l’inégalité (CS). (4) i.e. une application f : E × E → R qui est linéaire en chaque variable et vérifie f (x, y) = f (y, x). (5) En fait, on réserve d’habitude cette terminologie au cas où E est de dimension finie ; sinon on dit que E est un espace préhilbertien réel. Nous n’utiliserons pas cette terminologie. (6) Pour un trinôme aX 2 + 2bX + c dont le coefficient de X est pair, il est commode de considérer le discriminant réduit ∆0 = b2 − ac (au lieu du discriminant usuel ∆ = (2b)2 − 4ac = 4∆0 ).  6. COMPACITÉ VIA BOREL-LEBESGUE 21 De plus, si ∆0 = 0 le trinôme ci-dessus a une racine double réelle t0 = −(x | y)/Q(x), et l’égalité Q(t0 x + y) = 0 entraı̂ne, puisque Q est définie positive, t0 x + y = 0, i.e. (x | y) y= x. (x | x) Ceci prouve (1). p Prouvons que x 7→ kxk2 = (x | x) est une norme sur E. Comme√( | ) est défini positif, on a kxk = 0 ⇔ x = 0. D’autre part, pour tout t ∈ R et x ∈ E, on a |t| = t2 et donc » kt xk = t2 (x | x) = |t| · kxk. Enfin, soient x, y ∈ E. D’abord, l’inégalité de Cauchy-Schwarz équivaut (en prenant la racine carrée) à : |(x | y)| ≤ kxk · kyk ; alors, multipliant par 2 et ajoutant kxk2 + kyk2 aux deux membres, on obtient kx + yk2 = kxk2 + kyk2 + 2(x | y) ≤ kxk2 + kyk2 + 2|(x | y)|
2 ≤ kxk2 + kyk2 + 2kxk · kyk = kxk + kyk. Prenant la racine carrée, ceci entraı̂ne (et équivaut à) l’inégalité triangulaire. 6. Compacité via Borel-Lebesgue Cette section est un complément hors-programme et ne sera pas traitée en cours. Définition 6.1 (Espaces compacts). — Un espace métrique (X, d) est dit compact s’il vérifie les propriétés équivalentes suivantes : (i) Si (Ui )i∈I est un ensemble de boules ouvertes recouvrant X (i.e. dont la réunion égale X), il existe un sous-ensemble fini J ⊂ I tel que les Ui pour j ∈ J recouvrent X. (Ceci est appelé la propriété de Borel-Lebesgue ; elle se résume en la phrase : « De tout recouvrement ouvert de X on peut extraire un recouvrement fini ».) (ii) De toute suite (xk )k∈N d’éléments de X, on peut extraire une sous-suite qui converge vers un élément a de X. (Ceci est appelé la propriété de Bolzano-Weierstrass.) La démonstration de l’équivalence de (i) et (ii) en général est un peu longue ; elle pourra être vue en TD ou dans un appendice à ce polycopié. Contentons-nous de démontrer que tout intervalle fermé borné [a, b] de R possède ces deux propriétés. Théorème 6.2. — Soient a ≤ b dans R. L’intervalle [a, b] est compact. Démonstration. — La propriété de Bolzano-Weierstrass a été vue en L1 ; démontrons donc (i). Soit (Ui )i∈I un ensemble d’intervalles ouverts recouvrant [a, b]. L’ensemble X des x ∈ [a, b] tels que [a, x] est recouvert par un nombre fini de Ui est non vide car il contient a ; notons c sa borne supérieure et montrons que c = b et b ∈ X. D’abord, c est contenu dans un intervalle ouvert Ui0 = ]c − α, c + β[, avec α, β > 0. Comme c est la borne supérieure de X, il existe x ∈]c − α, c] tel que [a, x] soit contenu dans une réunion finie 0 i∈J Ui. Posons J = J ∪ {i0 }. Alors on a S [ [a, c + β[ ⊂ [a, x] ∪ Ui0 ⊂ Ui i∈J 0 22 CHAPITRE 2. NORMES ET TOPOLOGIE SUR Rn et donc [a, c] ⊂ [a, c0 ] ⊂ i∈J 0 Ui pour tout c0 ∈ [c, c + β[. Comme c est la borne supérieure de X, S ceci entraı̂ne que c = b, puis que b ∈ X. Ceci se généralise comme suit au cas de Rn. Théorème 6.3. — Dans Rn , soit K un « pavé fermé borné », i.e. un produit I1 × · · · × In où chaque Ik est un intervalle fermé borné de R. Alors K est compact. Démonstration. — Démontrons d’abord la propriété de Bolzano-Weierstrass. Soit (xk )k∈N une suite d’éléments de K. D’après le théorème 6.2, on peut extraire une sous-suite xϕ1 (k) dont la ϕ (k) première coordonnée converge vers un réel a1 ∈ I1 , i.e. telle que la suite x1 1 converge vers a1. Puis on peut extraire de cette suite une sous-suite xϕ2 (k) (i.e. ϕ2 (k) = ϕ1 (ψ(k)) pour une certaine fonction ψ : N → N strictement croissante) dont la seconde coordonnée converge vers un réel a2 ∈ I2. Après n extractions, on obtient une suite y k = xϕn (k) dont la j-ème coordonnée converge vers un réel aj ∈ Ij , pour j = 1,... , n. Alors y k converge vers a = (a1 ,... , an ). Considérons maintenant un recouvrement (Uλ )λ∈Λ de K par des boules ouvertes, i.e. chaque Uλ est un produit d’intervalles ouverts. Pour alléger l’écriture, plaçons-nous dans le cas n = 2. Alors, K = [a, b] × [c, d]. Le segment [a, b] × {c} est compact, donc est recouvert par un nombre fini de carrés Uλ. Donc il existe y ∈ ]c, d] tel que le rectangle [a, b] × [c, y] soit contenu dans un nombre fini de Uλ (faire un dessin !). Notons Y l’ensemble des tels y et z sa borne supérieure. Montrons que z = d et d ∈ Y. D’abord, le segment [a, b] × {z} est compact, donc est recouvert par un nombre fini de carrés Uλ1 ,... , Uλp. Donc il existe ε > 0 tel que le rectangle [a, b]× ]z − ε, z + ε[ est contenu dans Ω = Sp i=1 Uλi. D’autre part, comme z est la borne supérieure de Y , il existe y ∈ ]z − ε, z] tel que [a, b] × [c, y] soit contenu dans une réunion finie Ω0 de Uλ. Alors on a (faire un dessin !) [a, b] × [c, z + ε[ ⊂ [a, b] × [c, y] ∪ Ω ⊂ Ω0 ∪ Ω
d’où [a, b] × [c, z] ⊂ [a, b] × [c, z 0 ] ⊂ Ω0 ∪ Ω pour tout z 0 ∈ [z, z + ε[. Comme z est la borne supérieure de Y , ceci entraı̂ne que z = d, puis que d∈Y. Définition 6.4. — Soit (E, d) un espace métrique. Une partie A de E est dite bornée s’il existe un réel C > 0 tel que d(a, b) ≤ C pour tout a, b ∈ A. Si on fixe a ∈ A, ceci entraı̂ne que A ⊂ B(a, C). Réciproquement, s’il existe x0 ∈ E et R ∈ R∗+ tels que A ⊂ B(x0 , R) alors, pour tout a, b ∈ A, on a d’après l’inégalité triangulaire : d(a, b) ≤ d(a, x0 ) + d(x0 , b) ≤ 2R Lemme 6.5. — Soit (E, d) un espace métrique compact. Alors E est borné. Démonstration. — Par hypothèse, E est recouvert par un nombre fini de boules ouvertes B(xi , 1), pour i = 1,... , N. Notons C = maxi,j d(xi , xj ). Soient x, y ∈ E ; il existe i, j tels que x ∈ B(xi , 1) et y ∈ B(xj , 1). Alors, d’après l’inégalité triangulaire on a : d(x, y) ≤ d(x, xi ) + d(xi , xj ) + d(xj , y) ≤ C + 2.