Compacité

Exercice 70 ⭐️ Fonction possédant un minimum, Sup/L1

Montrer qu’une fonction f\displaystyle f continue de R\displaystyle \R dans R\displaystyle \R telle que limx±f(x)=+\displaystyle \lim_{x\to \pm \infty}f(x) =+\infty possède un minimum.

Si on fait un dessin, on voit en gros qu’il va y avoir une “cuvette”. Soit A=f(0)\displaystyle A=f(0). Comme limx±f(x)=+\displaystyle \lim_{x\to \pm \infty}f(x) =+\infty, il existe a>0\displaystyle a>0 tel que pour tout x]a,a[\displaystyle x\in]-a,a[, f(x)>A\displaystyle f(x)>A. Sur le compact [a,a]\displaystyle [-a,a], la fonction continue f\displaystyle f est bornée et atteint ses bornes, posons donc m=minx[a,a]f(x)\displaystyle m=\min_{x\in[-a,a]}f(x). Or mf(0)=A\displaystyle m\le f(0)=A, donc m\displaystyle m est en fait le minimum de f\displaystyle f sur R\displaystyle \R.

Exercice 71 ⭐️ Groupe orthogonal compact, L2/MP

Montrer que le groupe orthogonal On(R)\displaystyle O_n(\R) est un compact de Mn(R)\displaystyle M_n(\R).

Fermé : image réciproque d’un fermé par une application continue.

On(R)\displaystyle O_n(\R) est l’image réciproque du singleton {Id}\displaystyle \{Id\} par l’application continue PPPT\displaystyle P\mapsto PP^T, donc On(R)\displaystyle O_n(\R) est fermé dans Mn(R)\displaystyle M_n(\R).
Toutes les normes sont équivalentes sur l’e.v. de dimension fini Mn(R)\displaystyle M_n(\R), considérons la norme opérateur P=maxX2=1PX2\displaystyle \|P\|=\max_{\|X\|_2=1}\|PX\|_2. Si POn(R)\displaystyle P\in O_n(\R), alors P=1\displaystyle \|P\|=1 car P\displaystyle P est une isométrie. On en déduit que On(R)\displaystyle O_n(\R) est fermé borné dans Mn(R)\displaystyle M_n(\R) qui est de dimension finie. Donc On(R)\displaystyle O_n(\R) est compact.

Exercice 72 ⭐️⭐️ Point fixe

Soit f:KK\displaystyle f:K\to K continue, où K\displaystyle K est un convexe compact d’un evn.

  1. Soit n\displaystyle n un entier et aK\displaystyle a\in K. Justifier que fn:x1na+(11n)f(x)\displaystyle f_n: x\mapsto \frac{1}{n}a+(1-\frac{1}{n})f(x) va de K\displaystyle K dans K\displaystyle K.
  2. On suppose que pour tout n\displaystyle n, fn\displaystyle f_n a un point fixe. Montrer que f\displaystyle f a un point fixe.

TBC

Exercice 230 ⭐️⭐️⭐️ ENS Lyon, MP/L3

Soit ϕ:R2R\displaystyle \phi : \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R} une fonction continue. Soit cR\displaystyle c \in \mathbb{R}. On considère les sous-ensembles de R2\displaystyle \R^2 suivants :
I=ϕ1(],c[)\displaystyle I = \phi^{-1}(]-\infty,c[ ),  E=ϕ1({c}),\displaystyle \ E = \phi^{-1}(\{c\}),  S=ϕ1(]c,+[).\displaystyle \ S = \phi^{-1}(]c,+\infty[).

  1. Soit AR2\displaystyle A \subset \R^2 une partie connexe par arcs. On suppose que AI\displaystyle A \cap I \neq \emptyset et AS\displaystyle A \cap S \neq \emptyset. Montrer que AE\displaystyle A \cap E \neq \emptyset.
  2. On suppose que E\displaystyle E est réduit à un singleton. Montrer que c\displaystyle c est un extremum global pour ϕ\displaystyle \phi.
  3. On suppose que E\displaystyle E est compact non vide. Montrer que ϕ\displaystyle \phi possède un extremum global.
  1. Comme A\displaystyle A est connexe par arcs et ϕ\displaystyle \phi est continue, son image ϕ(A)\displaystyle \phi(A) est une partie connexe par arcs de R\displaystyle \R, c’est-à-dire un intervalle de R\displaystyle \R. On sait de plus qu’il existe deux éléments iAI\displaystyle i \in A \cap I et sAS\displaystyle s \in A \cap S qui par définition de I\displaystyle I et S\displaystyle S vérifient respectivement ϕ(i)<c\displaystyle \phi(i) < c et ϕ(s)>c\displaystyle \phi(s) >c. Comme ϕ(A)\displaystyle \phi(A) est un intervalle, il contient tout le segment [ϕ(i),ϕ(s)]\displaystyle [\phi(i),\phi(s)]. En particulier, cϕ(A)\displaystyle c \in \phi(A), donc il existe eA\displaystyle e \in A tel que ϕ(e)=c\displaystyle \phi(e)=c, donc eAE\displaystyle e \in A \cap E \neq \emptyset.

  2. On considère la partie A=R2E\displaystyle A = \R^2 - E. Comme E\displaystyle E est un singleton, on sait que A\displaystyle A est connexe par arcs (on peut faire un dessin pour s’en convaincre). D’après la question précédente, si on avait AI\displaystyle A \cap I \neq \emptyset et AS\displaystyle A \cap S \neq \emptyset, on aurait AE\displaystyle A \cap E \neq \emptyset, ce qui est absurde par définition de A\displaystyle A. On a donc nécessairement AI=\displaystyle A \cap I = \emptyset ou AS=\displaystyle A \cap S = \emptyset. Supposons par exemple que AI=\displaystyle A \cap I = \emptyset. On sait que R2=IES,\R^2 = I \cup E \cup S, et que cette union est disjointe. En effet, pour xR2\displaystyle x \in \R^2, on a soit ϕ(x)<c\displaystyle \phi(x)<c, soit ϕ(x)=c\displaystyle \phi(x)=c, soit ϕ(x)>c\displaystyle \phi(x)>c.
    On a A=IS\displaystyle A = I \cup S, et comme AI=\displaystyle A \cap I = \emptyset, on a A=S\displaystyle A = S, donc R2=ES\displaystyle \R^2 = E \cup S. Mais cela signifie que tout élément de xR2\displaystyle x \in \R^2 satisfait soit ϕ(x)>c\displaystyle \phi(x)>c (si xS\displaystyle x \in S), soit ϕ(x)=c\displaystyle \phi(x) = c (si x\displaystyle x est l’unique élément de E\displaystyle E). Ainsi c\displaystyle c est le minimum global de la fonction ϕ\displaystyle \phi. Si on suppose que AS=\displaystyle A \cap S = \emptyset, le même raisonnement montre que S\displaystyle S est un maximum global pour ϕ\displaystyle \phi.

  3. Comme E\displaystyle E est une partie compacte de R2\displaystyle \R^2, il existe R>0\displaystyle R > 0 tel que E\displaystyle E est contenu dans la boule fermée B=B(0,R)\displaystyle B = B(0,R). On considère l’ensemble A=R2B\displaystyle A = \R^2-B, qui est une partie connexe par arcs de R2\displaystyle \R^2. On raisonne comme à la question précédente : on a AE=\displaystyle A \cap E = \emptyset, donc on a soit AI=\displaystyle A \cap I = \emptyset, soit AS=\displaystyle A \cap S = \emptyset. Supposons par exemple AI=\displaystyle A \cap I = \emptyset. Alors AS\displaystyle A \subset S, ce qui signifie que xA,ϕ(x)>c.\forall x \in A , \phi(x) > c. De plus, ϕ\displaystyle \phi est continue sur B\displaystyle B, qui est un compact de R2\displaystyle \R^2, donc ϕ\displaystyle \phi atteint son minimum m\displaystyle m sur B\displaystyle B. Enfin, remarquons que EB\displaystyle \emptyset \neq E \subset B, donc il existe zB\displaystyle z \in B tel que ϕ(z)=c\displaystyle \phi(z) = c, donc mc\displaystyle m \le c, et donc xA,ϕ(x)>cm\displaystyle \forall x \in A, \phi(x) > c \ge m, ce qui prouve que m\displaystyle m est un minimum global pour ϕ\displaystyle \phi.

Exercice 231 ⭐️⭐️ Intersection de compacts non vides, Spé/L3

Soit (Kn)n0\displaystyle (K_n)_{n \ge 0} une suite de parties compactes d’un e.v.n. On suppose que chaque Kn\displaystyle K_n est non-vide et qu’on a Kn+1Kn\displaystyle K_{n+1} \subset K_n pour tout n0\displaystyle n \ge 0. Montrer que n=0Kn\displaystyle \bigcap_{n=0}^\infty K_n est non vide.

Comme chaque Kn\displaystyle K_n est non-vide, on peut choisir pour tout n0\displaystyle n \ge 0 un élément xnKn\displaystyle x_n \in K_n. La propriété d’emboîtement Kn+1Kn\displaystyle K_{n+1} \subset K_n implique l’inclusion KnK0\displaystyle K_n \subset K_0, en particulier la suite (xn)n0\displaystyle (x_n)_{n \ge 0} est à valeurs dans le compact K0\displaystyle K_0. Par la propriété de Bolzano-Weierstrass, on en déduit qu’on peut extraire une sous-suite (xnk)k0\displaystyle (x_{n_k})_{k \ge 0} convergeant vers une limite xK0\displaystyle x^* \in K_0. Montrons que xKn\displaystyle x^* \in K_n pour tout m0\displaystyle m \ge 0. Comme (nk)k0\displaystyle (n_k)_{k \ge 0} est strictement croissante, on a nkm\displaystyle n_k \ge m pour tout k\displaystyle k plus grand qu’un certain k0\displaystyle k_0. Mais la propriété d’emboîtement montre que xnkKnkKm\displaystyle x_{n_k} \in K_{n_k} \subset K_m pour tout kk0\displaystyle k \ge k_0. La suite (xnk)kk0\displaystyle (x_{n_k})_{k \ge k_0} est donc à valeurs dans Km\displaystyle K_m, qui est un fermé (car compact), donc sa limite x\displaystyle x^* est aussi dans Km\displaystyle K_m. On a bien montré que xKm\displaystyle x^* \in K_m pour tout m0\displaystyle m \ge 0, donc xn=0Kn\displaystyle x^* \in \bigcap_{n =0}^\infty K_n qui est donc non-vide.

Exercice 306 ⭐️⭐️ Suite de réels et sa limite, MP/L2

Soit (an)nN\displaystyle (a_n)_{n\in\mathbb{N}} une suite de réels convergente et l\displaystyle l sa limite.
Montrez que A:=n{an}{l}\displaystyle A:= \cup_n\{a_n\}\cup\{l\} est un compact.

Considérez une suite (un)nN\displaystyle (u_n)_{n\in\mathbb{N}} de A\displaystyle A et pour nN\displaystyle n\in \mathbb{N}, les ensembles In:={kN, uk=an}\displaystyle I_n:=\{ k\in\N,\ u_k = a_n\} et I1:={kN, uk=l}\displaystyle I_{-1}:=\{ k\in\N,\ u_k = l\} .

Soit (un)nN\displaystyle (u_n)_{n\in\mathbb{N}} une suite de A\displaystyle A. Il y a deux cas possibles :

  • Soit il y a au moins un entier KN{1}\displaystyle K\in \mathbb{N}\cup{\{-1}\} tel que IK\displaystyle I_K est de cardinal infini alors on peut extraire une sous-suite de (un)nN\displaystyle (u_n)_{n\in\mathbb{N}} constante égale à aK\displaystyle a_K ;
  • Soit les IK\displaystyle I_K pour KN{1}\displaystyle K\in \mathbb{N}\cup{\{-1}\} sont tous de cardinal fini alors on montre que (un)nN\displaystyle (u_n)_{n\in\mathbb{N}} converge vers l\displaystyle l. En effet, soit ε>0\displaystyle \epsilon>0, on peut considérer N0\displaystyle N_0 tel que NN0\displaystyle \forall N\ge N_0, uNlε\displaystyle |u_N-l|\le \epsilon. Prenons alors N1=max(ppIK,K[[0;N0]])\displaystyle N_1 = \max( p| p \in I_K,\forall K \in [[0;N_0]]).
    Remarquons que N1\displaystyle N_1 est bien défini puisque les IK\displaystyle I_K sont finis et pour tout NN1,unIK\displaystyle N\ge N_1, u_n \notin I_KK[[0;N0]]\displaystyle K \in [[0;N_0]].
    Ceci permet de conclure, puisque NN1,aNlε\displaystyle \forall N\ge N_1, |a_N-l|\le \epsilon.

Exercice 307 ⭐️⭐️ Valeur d’adhérence unique, MP/L2

Soit f:CC\displaystyle f:\mathbb{C}\rightarrow\mathbb{C} une fonction continue.
On définit une suite (zn)\displaystyle (z_n) avec z0C\displaystyle z_0 \in \mathbb{C} et nN, zn+1=f(zn)\displaystyle \forall n \in \mathbb{N}, \ z_{n+1}= f(z_n).
On suppose que (zn)\displaystyle (z_n) a une unique valeur d’adhérence l\displaystyle l.
Prouver que cette suite converge vers l\displaystyle l.

Prouver f(l)=l\displaystyle f(l)=l et considérer K(r)\displaystyle K(r) la boule fermée de centre l\displaystyle l et de rayon r\displaystyle r, ainsi que {n,znK,zn+1K}\displaystyle \{n , z_n \in K , z_{n+1} \notin K \}.

Soit (zϕ(n))\displaystyle (z_{\phi(n)}) une suite extraite de (zn)\displaystyle (z_{n}) convergeant vers l\displaystyle l.
Par continuité de f\displaystyle f, (f(zϕ(n)))\displaystyle (f(z_{\phi(n)})) converge vers f(l)\displaystyle f(l). Il faut remarquer maintentant que (f(zϕ(n)))\displaystyle (f(z_{\phi(n)})) est une suite extraite de (zn)\displaystyle (z_{n}) ( en effet , (f(zϕ(n)))\displaystyle (f(z_{\phi(n)}))=(zϕ(n)+1)\displaystyle (z_{\phi(n)+1})). Par hypothèse, (zn)\displaystyle (z_{n}) a une unique valeur d’adhérence, d’où f(l)=l\displaystyle f(l)= l.

Considérons maintenant ε>0\displaystyle \epsilon >0 et r>ε\displaystyle r>\epsilon.
K(r)\displaystyle K(r) étant un compact, f\displaystyle f est uniformément continue sur K(r)\displaystyle K(r).
Ainsi considérons le δ\displaystyle \delta associé à ε\displaystyle \epsilon par uniforme continuité de f\displaystyle f sur K\displaystyle K et prenons δ=ε\displaystyle \delta = \epsilon si δ>ε\displaystyle \delta > \epsilon. On peut considérer N\displaystyle N tel que zNK(ε)\displaystyle z_N \in K(\epsilon).
On a f(zN)f(l)=zN+1lε\displaystyle |f(z_N)-f(l ) | = | z_{N+1}-l|\le \epsilon. Ainsi zN+1K(ε)\displaystyle z_{N+1} \in K(\epsilon). Une récurrence évidente termine alors la preuve.