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D´enombrabilit´e

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Chapitre 15 Ensembles d´enombrables

15.2 D´enombrabilit´e

D´efinition 15.2.1. Un ensembleE est ditd´enombrables’il est en bijection avec une partie de l’ensemble N des entiers.

Il est clairement ´equivalent de d´efinir un ensemble E comme d´enombrable s’il existe une injection deE dans N. En effet, sij est une injection de E dansN, j est une bijection de E sur j(E)⊂N.

Th´eor`eme 15.2.2. Si E est d´enombrable et infini, il est en bijection avec N.

D´emonstration : Il suffit de montrer qu’une partie A infinie de N est en bijection avec N. On d´efinit pour cela par r´ecurrence pour tout entier n un entier an ∈A par

a0 = min(A)

an+1 = min{m∈A:m > an}

PuisqueA est infini, l’ensemble {m∈A:m > an} est non vide pour toutn et l’entier an+1 bien d´efini. Alors la fonctionf deN dansAd´efinie parf(n) =an est strictement croissante, donc injective. De plus, si f n’´etait pas surjective, l’ensemble A\f(N) poss`ederait un plus petit ´el´ementb > a0, et puisque f(b)≥b, l’ensemble non vide{n:f(n)≥b}poss`ederait un plus petit ´el´ementp >0. Alors on aurait p=q+ 1, aq < b et

min{a∈A :a > aq}=aq+1 =ap > b

bien que b∈ {a ∈A:a > aq}. Cette contradiction ach`eve la d´emonstration. ¥ Th´eor`eme 15.2.3. Un ensemble non videE est d´enombrable si et seulement s’il existe une surjection de N sur E.

D´emonstration : Supposons d’abord qu’il existe une surjection g de N sur E. Alors, pour toutx∈E, l’ensembleg−1(x) est une partie non vide deN, donc poss`ede un plus petit

´el´ement f(x). Alors la fonction f :E →N est clairement injective puisque si f(x) = f(y), on ax =g(f(x)) =g(f(y)) =y. Et ceci montre que E est d´enombrable.

Inversement, siE est non vide et d´enombrable, on peut choisir une injection j deE dans N et un ´el´ement x de E. Alors la fonction g d´efinie sur N par

g(n) =

½j−1(n) si n∈j(E) x si n /∈j(E)

est une surjection de N sur E. ¥

Corollaire 15.2.4. Soient E et F deux ensembles, et f une surjection de E sur F. Si E est un ensemble d´enombrable, F est d´enombrable.

D´emonstration : Si E est vide, F aussi est vide, donc d´enombrable. Sinon il existe une surjection g de N sur E, et fg est alors une surjection de N sur F. ¥ Th´eor`eme 15.2.5. L’ensemble N×N est d´enombrable.

D´emonstration : L’application ϕ deN×N dans N d´efinie par ϕ(n, k) = (2n+ 1).2k−1

est une bijection puisque tout nombre entier non nul se d´ecompose de fa¸con unique en

produit d’un nombre impair et d’une puissance de 2. ¥

Corollaire 15.2.6. Le produit de deux ensembles d´enombrables est d´enombrable.

D´emonstration : Soient E et F deux ensembles d´enombrables, f etg des surjections de N sur E et F respectivement. Alors l’applicationf ×g d´efinie sur N×N par

(f ×g)(n, k) = (f(n), g(k))

est surjective surE×F, ce qui montre que E×F est d´enombrable puisqueN×Nl’est. ¥ Corollaire 15.2.7. L’ensemble Z des entiers relatifs et l’ensemble Q des rationnels sont d´enombrables.

D´emonstration : La fonction f d´efinie sur Z par

f(n) =n2n si n≥0

−2n−1 si n <0 est bijective de Z sur N. DoncZ est d´enombrable.

L’ensemble N des entiers strictement positifs est une partie de N donc est d´enombrable, ainsi que le produitZ×N et l’image de ce dernier par l’application (n, p)7→ n

p. Ceci montre

que l’ensembleQ est d´enombrable. ¥

Th´eor`eme 15.2.8. Pour tout entier k ≥1, l’ensemble Nk est d´enombrable.

D´emonstration : Ceci se v´erifie par r´ecurrence. C’est vrai, par d´efinition, si k= 1. Et si Nk est d´enombrable, Nk+1 est le produit de Nk et de N, donc est d´enombrable. ¥ Th´eor`eme 15.2.9. Si(Ej)j∈Dest une famille d´enombrable d’ensembles d´enombrables, leur r´eunionE =S

j∈DEj est d´enombrable.

D´emonstration : Puisque D est d´enombrable, il existe une surjection ϕde N sur D. Et puisque Ej est d´enombrable pour tout j ∈D, il existe pour tout n une surjection fn de N sur Eϕ(n). On peut alors d´efinir l’application g sur N×N par : g(n, k) = fn(k). Et on a clairement

g(N×N) = [

j∈D

Ej =E

ce qui montre que E est d´enombrable. ¥

Chapitre 15 : Ensembles d´enombrables

c0 . . . 47

norme de la convergence uniforme . . . . 47

normes ´equivalentes . . . 43

o(f) . . . 77

O(f) . . . 77

ordre d’un pˆole . . . 150

orthogonal . . . 58

ouvert . . . 6

partout dense . . . 8

point adh´erent . . . 8

point critique . . . 118

point d’accumulation . . . 11

point isol´e . . . 7

point r´egulier . . . 149

point singulier essentiel . . . 149

point-selle . . . 123

pˆole . . . 149

pr´ecompact . . . 24

pr´ehilbertien . . . 58

primitives . . . 73

produit d’espaces topologiques . . . 9

produit scalaire . . . 57

projecteur orthogonal . . . 62

projection orthogonale sur un convexe . 60 propri´et´e de la borne sup´erieure . . . 3

rayon de convergence . . . 136

recouvrement . . . 21

recouvrement ouvert . . . 21

relativement compact . . . 22

r´esidu . . . 151

s´eparable . . . 18

s´epar´e . . . 7

s´erie d´eriv´ee . . . 136

s´erie normalement convergente . . . 44

simplement connexe . . . 135

sous-espace orthogonal . . . 61

sous-espace topologique . . . 9

sous-recouvrement . . . 21

sous-suite . . . 11

suite convergente . . . 11

suite de Cauchy . . . 31

suite extraite . . . 11

th´eor`eme de Rolle . . . 68

th´eor`eme de sym´etrie de Schwarz . . . . 103

th´eor`eme des accroissements finis . . . 68

topologie . . . 7

uniform´ement continue . . . 18

univalente . . . 160

valeur d’adh´erence . . . 11

voisinage . . . 8

Chapitre 1 La droite r´eelle

1.1 Densit´e des rationnels ... 3

Chapitre 2 Topologie des espaces m´etrisables 2.1 Distances ... 5

2.2 Ouverts ... 6

2.3 Espaces topologiques ... 7

2.4 Int´erieur et adh´erence ... 8

2.5 Sous-espaces et produits ... 9

2.6 Suites convergentes ... 11

2.7 Applications continues ... 12

2.8 Hom´eomorphismes ... 16

2.9 Continuit´e uniforme ... 18

2.10 Espaces m´etriques s´eparables ... 18

Chapitre 3 Espaces compacts 3.1 La propri´et´e de Borel-Lebesgue ... 21

3.2 Compacts m´etrisables ... 23

3.3 Produit de compacts m´etrisables ... 25

3.4 Parties compactes de la droite r´eelle ... 25

3.5 Fonctions continues sur un compact ... 26

3.6 Espaces localement compacts ... 28

Chapitre 4 Espaces complets 4.1 Suites de Cauchy ... 31

4.2 Compl´etude ... 32

4.3 Compacit´e et compl´etude ... 34

4.4 Prolongement d’une application uniform´ement continue ... 35

4.5 Points fixes des contractions ... 36

Chapitre 5 Espaces connexes 5.1 Connexit´e ... 37

5.2 Compacts connexes ... 39

5.3 Espaces localement connexes ... 41

Chapitre 6 Espaces norm´es 6.1 Normes ... 43

6.2 Espaces norm´es de dimension finie ... 45

6.3 Exemples d’espaces norm´es ... 47

6.4 Applications lin´eaires continues ... 48

6.5 Applications bilin´eaires continues. ... 52

6.6 Perturbations lipschitziennes de l’identit´e. ... 53

6.7 Le th´eor`eme de Hahn-Banach ... 54

Chapitre 7 Espaces de Hilbert

7.1 Produit scalaire ... 57

7.2 Projection orthogonale ... 60

Chapitre 8 Fonctions d´erivables 8.1 Fonctions r´eelles d´erivables ... 65

8.2 Op´erations sur les fonctions d´erivables ... 66

8.3 Extremums ... 67

8.4 Le th´eor`eme des accroissements finis ... 68

8.5 Fonctions d´erivables `a valeurs dans un espace de Banach ... 70

8.6 In´egalit´e des accroissements finis ... 71

8.7 Primitives ... 73

8.8 Formule de Taylor ... 74

Chapitre 9 Fonctions diff´erentiables 9.1 Notations de Landau ... 77

9.2 Diff´erentiabilit´e ... 79

9.3 Op´erations sur les fonctions diff´erentiables ... 81

9.4 Op´erations sur les fonctions de classe

C

1 ... 83

9.5 Le th´eor`eme des accroissements finis ... 84

9.6 Limites de fonctions diff´erentiables ... 86

9.7 Fonctions `a valeurs dans un espace de dimension finie ... 88

9.8 Fonctions diff´erentiables sur un produit ... 89

9.9 Applications bilin´eaires continues. ... 91

9.10 Fonctions d´efinies sur un espace de dimension finie. ... 92

9.11 Matrice jacobienne ... 94

Chapitre 10 Diff´erentielles du second ordre 10.1 Diff´erentielle seconde ... 97

10.2 Op´erations sur les fonctions de classe

C

2 ... 98

10.3 D´eriv´ees partielles secondes ... 99

10.4 Le th´eor`eme de sym´etrie de Schwarz ...100

10.5 Formule de Taylor ...103

10.6 Fonctions convexes ...105

Chapitre 11 Fonctions implicites et inversion locale 11.1 Diff´eomorphismes ...109

11.2 Second ordre ...112

11.3 Fonctions implicites ...114

Chapitre 12 Optimisation 12.1 Extremums sur un ouvert ...117

12.2 Extremums li´es ...120

12.3 Conditions du second ordre ...123

Chapitre 13 Fonctions holomorphes 13.1 Formes diff´erentielles ...129

13.2 Int´egrales curvilignes ...130

13.3 Formes diff´erentielles ferm´ees ...132

13.4 Ouverts simplement connexes ...135

13.6 Fonctions holomorphes ...138

13.7 Exponentielle ...139

13.8 Indice par rapport `a un lacet ...141

13.9 Holomorphie et analyticit´e ...142

13.10 In´egalit´es de Cauchy ...146

13.11 Limites de fonctions holomorphes ...147

13.12 Logarithme d’une fonction ...147

Chapitre 14 Le th´eor`eme des r´esidus 14.1 Singularit´es isol´ees ...149

14.2 Fonctions m´eromorphes ...151

14.3 Le th´eor`eme des r´esidus ...152

14.4 Calculs d’int´egrales ...154

14.5 D´eriv´ee logarithmique ...158

Chapitre 15 Ensembles d´enombrables 15.1 L’ensemble des entiers ...161

15.2 D´enombrabilit´e ...162

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