Universit´e Lille I L3 Maths
2011-2012 M-52
1 - ESPACES NORMES, ESPACES METRIQUES
Quizz
Exercice 1 – Ensembles
PourA, B, C trois sous-ensembles de l’ensembleX, montrer que : a) (A∪B)∩C= (A∩C)∪(B∩C)
b) (X\A)∩(X\B) =X\(A∪B) c) siA⊂B alorsA∩(X\B) =∅.
Exercice 2 – Injections, surjections, bijections
Les applications suivantes sont-elles injectives, surjectives, bijectives ?
N → N , Z → Z , R2 → R2 , R → R+ n 7→ n+ 1 n 7→ n+ 1 (x, y) 7→ (x+y, x−y) x 7→ (x−1)2
Exercice 3 – Image et pr´eimage
Soitf :X→Y. PourA⊂X, on notef(A) ={f(x)/ x∈A}l’image deAparf et pourB⊂Y, on note f−1(B) :={x∈X/ f(x)∈B} lapr´eimage(ouimage r´eciproque) deB parf.
a) A-t-onf f−1(B)
=B pour toute partieB deY? b) A-t-onf−1(f(A)) =Apour toute partieAdeX?
Pour s’entraˆıner Exercice 4
Soit (Ei)i∈I et (Fj)j∈J deux familles d’ensembles. Montrer la formule de distributivit´e suivante : (∪i∈IEi)∩(∪j∈JFj) =∪(i,j)∈I×J(Ei∩Fj)
Exercice 5
SoitX,Y deux ensembles etf :X →Y. Montrer que siA, B⊂X et C, D⊂Y : a) f(A∪B) =f(A)∪f(B) et f(A∩B)⊂f(A)∩f(B) ;
b) f−1(C∪D) =f−1(C)∪f−1(D) etf−1(C∩D) =f−1(C)∩f−1(D).
c) f−1(Y \C) =X\f−1(C) ; a-t-on en g´en´eralf(X\A) =Y \f(A) ?
Exercice 6
a) On sait (cours) que si I et J sont deux ensembles d´enombrables, alors I×J est d´enombrable. En d´eduire qu’un produit fini de d´enombrables est d´enombrable.
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b) On veut montrer que l’ensembleI={0; 1}Ndes fonctions de Ndans{0; 1}est non d´enombrable. On suppose par l’absurde queI est d´enombrable, c’est-`a-dire qu’on peut num´eroter ses ´el´ements :
I={f1, . . . , fn, . . .}
Obtenir une contradiction en consid´erant la fonction d´efinie parf(n) = 0 si fn(n) = 1 1 si fn(n) = 0 .
Exercice 7
Soit (E,h.|.i) un espace pr´ehilbertien. Montrer que la norme kxk = p
hx|xi v´erifie l’identit´e du pa- rall´elogramme:
∀x, y∈E, kx+yk2+kx−yk2= 2(kxk2+kyk2) En d´eduire que surR2, la normeN∞ ne provient pas d’un produit scalaire.
Exercice 8 – Normes matricielles
On dit qu’une normek.k surMn(C) estmultiplicativesi
∀A, B∈ Mn(C), kABk ≤ kAk.kBk
a) PourA= (ai,j)∈ Mn(C), on poseN∞(A) = maxi,j|ai,j|etkAk=nN∞(A). Expliquer pourquoiN∞ etk.ksont des normes surMn(C).
b) Montrer queN∞n’est pas multiplicative (pourn≥2), mais quek.kl’est.
Exercice 9 – Distance discr`ete
SoitX un ensemble quelconque. Pourx, y∈X, on posed(x, x) = 0 etd(x, y) = 1 six6=y.
a) Montrer quedest une distance surX. D´ecrire les sph`eresS(x, r).
b) Quelles sont les suites convergentes dans cet espace m´etrique ?
Les essentiels Exercice 10
SoitAun ensemble etf, gdeux applications deA dansR. a) Que peut-on dire :
- de supA(f+g) par rapport `a supAf+ supAg? - de infA(f +g) par rapport `a infAf+ infAg?
b) Montrer que|supAf−supAg| ≤supA|f−g|et|infAf−infAg| ≤supA|f −g|.
Exercice 11 – Rn’est pas d´enombrable
On suppose par l’absurde que [0; 1[ est d´enombrable :
[0; 1[={x1, x2, . . . , xn, . . .}
Construire un ´el´ement x ∈ [0; 1[ diff´erent de tous les xq = 0, a1qaq2aq3. . . (´ecriture d´ecimale propre).
Conclure. En d´eduire queRn’est pas d´enombrable.
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Exercice 12
Comparer les normesN1,N2 etN∞ surC([0; 1],K).
Exercice 13
a) Soit (E, d) un espace m´etrique. Montrer que diamB(x, r) ≤ 2r et diamS(x, r) ≤ 2r, mais que ces in´egalit´es peuvent ˆetre strictes (par exemple, dans (Z,|.|)).
b) Dans (Mn(R), N∞), on consid`ere l’ensemble des matrices orthogonales : O(n) ={A∈ Mn(R)/ tAA=In}
Montrer que siA∈O(n), alorsN∞(A)≤1. En d´eduire que diamO(n) = 2.
Pour aller plus loin
Exercice 14 – Toute distance est topologiquement ´equivalente `a une distance born´ee a) Soit (E, d) un espace m´etrique. Pourx, y∈E, on pose
d0(x, y) = d(x, y) 1 +d(x, y)
Montrer que d0 est une distance born´ee sur E (´etudier f(t) = 1+tt sur R+), et que d et d0 sont topologiquement ´equivalentes.
b) Soit (En, dn) des espaces m´etriques pourn∈N∗et E =Q+∞
n=1En. Pourx= (x1, . . . , xn, . . .)∈E et y= (y1, . . . , yn, . . .)∈E (o`u xn, yn ∈En), on pose
d(x, y) =
+∞
X
n=1
d0n(xn, yn) 2n Montrer quedest bien d´efinie, et que c’est une distance surE.
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