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Espaces de Banach

Dans le document Le cours de Jean-Yves Chemin (Page 34-38)

D´efinition 2.2.1 Soit (E,k · k) un espace norm´e. On dit que (E,k · k) est un espace de Banach si et seulement si l’espace m´etrique(E, d)o`udest la distance associ´ee `a la normek · k (i.e. d(x, y) =kx−yk) est un espace complet.

ExemplesL’espaceRdmuni de la norme euclidienne est un espace complet. Plus g´en´eralement, tout sous-espace vectoriel de dimension finie d’un espace vectoriel norm´e est un espace de Ba-nach. Soient E un espace de Banach et X un ensemble; l’ensemble B(X, E) des fonctions born´ees deX dansE muni de la norme

kfkB(X,E)= supef

x∈X

kf(x)kE est un espace de Banach.

SoitCk(S) l’espace vectoriel des fonctions 2π-p´eriodiques etkfois continˆument d´erivables.

muni de la norme

kfkk=ef sup

x∈[0,2π]

j≤k

|f(j)(x)|

est un espace de Banach.

RemarqueLes espaces norm´es que nous rencontrerons seront toujours complets. Le th´eor`eme suivant est la raison essentielle du succ`es de la th´eorie de l’int´egration de Lebesgue.

Th´eor`eme 2.2.1 Soit (X, µ) un espace mesur´e. Pour tout r´eel p appartenant `a l’inter-valle [1,+∞], l’espace(Lp(X, dµ),k · kLp) est un espace de Banach.

La proposition suivante va nous fournir un nouvel exemple tr`es important.

Proposition 2.2.1 Soient E un espace norm´e et F un espace de Banach. Alors l’espa-ceL(E, F) muni de la norme d´efinie dans la proposition 2.1.2 est un espace de Banach.

D´emonstration de la proposition 2.2.1 Consid´erons une suite de Cauchy (`n)n∈N

de L(E, F). D’apr`es la d´efinition de la norme sur l’espace L(E, F), on en d´eduit que, pour tout x de E, la suite (`n(x))n∈N est une suite de Cauchy de F. L’espace F ´etant suppos´e complet, il existe, pour toutx de E, un ´el´ement de F, not´e `(x) tel que

n→∞lim `n(x) =`(x).

Il suffit maintenant de d´emontrer que`appartient `a L(E, F) et que

n→∞lim `n=` dans L(E, F).

L’unicit´e de la limite assure tr`es facilement que ` est une application lin´eaire. Comme la suite (`n)n∈Nest de Cauchy, elle est born´ee (proposition 1.2.1). Il existe donc une constanteC telle que

sup

n∈N kxkE≤1

k`n(x)kF ≤C.

Par passage `a la limite, on en d´eduit que sup

kxkE≤1

k`(x)kF ≤C.

Donc, l’application lin´eaire ` est continue. D´emontrons la convergence de la suite (`n)n∈N

vers ` dans L(E, F). La suite (`n)n∈N ´etant de Cauchy, pour tout ε strictement positif, il existe un entiern0 tel que l’on ait, pour tout entiern≥n0,

sup

kxkE≤1 p∈N

k`n(x)−`n+p(x)kF < ε.

Par passage `a la limite lorsquep tend vers l’infini, on obtient sup

kxkE≤1

k`n(x)−`(x)kF ≤ε, ce qui ach`eve la d´emonstration de la proposition.

Th´eor`eme 2.2.2 SoientEetF deux espaces vectoriels norm´es,Gun sous-espace dense deE et` une application lin´eaire continue deG dansF. Supposons que F soit complet. Il existe alors un unique ´el´ement`edeL(E, F) tel que`e|G =`.

D´emonstration du th´eor`eme 2.2.2 Il suffit d’appliquer le th´eor`eme 1.2.3 et de v´erifier que le prolongement ainsi obtenu est lin´eaire, ce qui est un exercice facile laiss´e au lecteur.

Proposition 2.2.2 SoitEun espace de Banach et(xn)n∈Nune suite d’´el´ements deE. Alors,

D´emonstration de la proposition 2.2.2 En effet, on a kSN+P −SNk =

L’hypoth`ese de sommabilit´e implique que, pour tout εstrictement positif, il existe un entier N0 tel que alors l’espaceE est de Banach.

D´emonstration du th´eor`eme 2.2.3 Soit (an)n∈N une suite de Cauchy de E, nous allons extraire de (an)n∈N une suite convergente, ce qui, d’apr`es la proposition 1.2.2, assurera le r´esultat. Ainsi donc, on a, pour tout entiern,

kaφ(n+1)−aφ(n)k ≤ 1

Donc par hypoth`ese, la suite

SN =

N

X

n=0

xn=aφ(N)−a0 converge; d’o`u le th´eor`eme.

Exercice 2.2.1 Soient E et F deux espaces norm´es tels que F soit complet. On consid`ere une suite born´ee(`n)n∈N dans L(E, F). On suppose qu’il existe un sous-espace vectoriel G de E, dense dansE et une application lin´eaire`de Gdans F telle que

∀x∈G , lim

n→∞`n(x) =`(x).

D´emontrez que l’on peut prolonger `en un ´el´ement `ede L(E, F)et que

∀x∈E , lim

n→∞`n(x) =`(x).e

Exercice 2.2.2 Soient E et F deux espaces vectoriels norm´es tels que E soit un espace de Banach. Si ıest une isom´etrie deE dans F, alors ı(E) est ferm´e dansF.

Les deux th´eor`emes suivants sont des cons´equences du th´eor`eme 1.2.4.

Th´eor`eme 2.2.4 (de Banach-Steinhaus) SoientE etF deux espaces norm´es et (`n)n∈N

une suite deL(E, F). Supposons que E soit complet. Supposons que, pour tout x de E, la limite de la suite(`n(x))n∈N existe; d´esignons la par`(x).

Alors la suite(`n)n∈N est une suite born´ee deL(E, F), ce qui implique en particulier que` appartient `a L(E, F). De plus, on a

k`kL(E,F) ≤lim inf

n→∞ k`nkL(E,F).

D´emonstration du th´eor`eme 2.2.4 La d´emonstration de ce th´eor`eme repose sur le lemme suivant.

Lemme 2.2.1 Soient E et F deux espaces norm´es et (`n)n∈N une suite de L(E, F). Sup-posons que E soit complet. Supposons que, pour tout x de E, la suite (`n(x))n∈N soit une suite born´ee de F.

Alors la suite (`n)n∈N est une suite born´ee de L(E, F).

D´emonstration du lemme 2.2.1 Consid´erons les ensemblesFn,p d´efinis par Fn,p={x∈E / k`n(x)kF ≤p}.

Ces ensemblesFn,psont des ferm´es en tant qu’image r´eciproque de ferm´es par une application continue. Donc les ensemblesFp d´efinis par

Fp ef

= \

n∈N

Fn,p

sont des ensembles ferm´es car ce sont des intersections de ferm´es. De plus, soit x un ´el´ement quelconque de E. La suite (`n(x))n∈N est suppos´ee born´ee. Donc, il existe un entier p tel quex appartienne `a Fp. Cela signifie que la r´eunion de tous les Fp est l’espace E tout entier.

D’apr`es le corollaire 1.2.1 du th´eor`eme 1.2.4 de Baire, il existe un entierp0 tel que

Fp0 6=∅.

Donc, il existe un pointx0et un r´eel strictement positifαtel queB(x0, α) soit inclus dansFp0. On a donc

sup

n∈N kxk≤α

k`n(x)kF ≤ sup

n∈N kxk≤α

k`n(x+x0)kF +k`n(x0)kF

≤ sup

n∈N x∈B(x0,α)

k`n(x)kF +k`n(x0)kF

≤ 2p0.

Ainsi, pour toutx deE de norme plus petite que 1, on peut ´ecrire k`n(x)kF ≤ α−1

`nx α

F

≤ 2p0 α · Donc la suite (`n)n∈N est une suite born´ee de L(E, F).

Revenons `a la d´emonstration du th´eor`eme. Par passage `a la limite, on obtient alors que,

∀x∈B(x0, α), k`(x)k ≤2p0.

D´emontrons maintenant la majoration de la norme de `. Soit x un ´el´ement de E de norme 1. On peut alors ´ecrire

k`(x)kF = lim

n→∞k`n(x)kF

= lim inf

n→∞ k`n(x)kF

≤ lim inf

n→∞ k`nkL(E,F) (carkxkE = 1).

Le th´eor`eme est ainsi compl`etement d´emontr´e.

Remarque L’in´egalit´e majorant la norme de`peut ˆetre stricte comme le montre l’exemple suivant.

On consid`ere l’espace`1(N) des suites `a valeurs complexes absolument convergentes. C’est bien sˆur un espace de Banach. On consid`ere la suite de formes lin´eaires (en)n∈N d´efinie par

en((xp)p∈N)=efxn. C’est un exercice facile de d´emontrer que

∀x∈`1(N), lim

n→∞en(x) = 0.

Il est tr`es facile d’observer quek`nkL(E,C)= 1.

Nous admettrons le th´eor`eme suivant.

Th´eor`eme 2.2.5 (de Banach) Soient E et F deux espaces de Banach et A un ´el´ement de L(E, F). Si Aest bijective, alors A−1∈ L(F, E).

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