Exercice 70 ⭐️ Fonction possédant un minimum, Sup/L1
Montrer qu’une fonction f continue de R dans R telle que x→±∞limf(x)=+∞ possède un minimum.
Si on fait un dessin, on voit en gros qu’il va y avoir une “cuvette”. Soit A=f(0). Comme x→±∞limf(x)=+∞, il existe a>0 tel que pour tout x∈]−a,a[, f(x)>A. Sur le compact [−a,a], la fonction continue f est bornée et atteint ses bornes, posons donc m=x∈[−a,a]minf(x). Or m≤f(0)=A, donc m est en fait le minimum de f sur R.
Exercice 71 ⭐️ Groupe orthogonal compact, L2/MP
Montrer que le groupe orthogonal On(R) est un compact de Mn(R).
Fermé : image réciproque d’un fermé par une application continue.
On(R) est l’image réciproque du singleton {Id} par l’application continue P↦PPT, donc On(R) est fermé dans Mn(R).
Toutes les normes sont équivalentes sur l’e.v. de dimension fini Mn(R), considérons la norme opérateur ∥P∥=∥X∥2=1max∥PX∥2. Si P∈On(R), alors ∥P∥=1 car P est une isométrie. On en déduit que On(R) est fermé borné dans Mn(R) qui est de dimension finie. Donc On(R) est compact.
Exercice 72 ⭐️⭐️ Point fixe
Soit f:K→K continue, où K est un convexe compact d’un evn.
- Soit n un entier et a∈K. Justifier que fn:x↦n1a+(1−n1)f(x) va de K dans K.
- On suppose que pour tout n, fn a un point fixe. Montrer que f a un point fixe.
Exercice 230 ⭐️⭐️⭐️ ENS Lyon, MP/L3
Soit ϕ:R2→R une fonction continue. Soit c∈R. On considère les sous-ensembles de R2 suivants :
I=ϕ−1(]−∞,c[), E=ϕ−1({c}), S=ϕ−1(]c,+∞[).
- Soit A⊂R2 une partie connexe par arcs. On suppose que A∩I=∅ et A∩S=∅. Montrer que A∩E=∅.
- On suppose que E est réduit à un singleton. Montrer que c est un extremum global pour ϕ.
- On suppose que E est compact non vide. Montrer que ϕ possède un extremum global.
Comme A est connexe par arcs et ϕ est continue, son image ϕ(A) est une partie connexe par arcs de R, c’est-à-dire un intervalle de R. On sait de plus qu’il existe deux éléments i∈A∩I et s∈A∩S qui par définition de I et S vérifient respectivement ϕ(i)<c et ϕ(s)>c. Comme ϕ(A) est un intervalle, il contient tout le segment [ϕ(i),ϕ(s)]. En particulier, c∈ϕ(A), donc il existe e∈A tel que ϕ(e)=c, donc e∈A∩E=∅.
On considère la partie A=R2−E. Comme E est un singleton, on sait que A est connexe par arcs (on peut faire un dessin pour s’en convaincre). D’après la question précédente, si on avait A∩I=∅ et A∩S=∅, on aurait A∩E=∅, ce qui est absurde par définition de A. On a donc nécessairement A∩I=∅ ou A∩S=∅. Supposons par exemple que A∩I=∅. On sait que R2=I∪E∪S, et que cette union est disjointe. En effet, pour x∈R2, on a soit ϕ(x)<c, soit ϕ(x)=c, soit ϕ(x)>c.
On a A=I∪S, et comme A∩I=∅, on a A=S, donc R2=E∪S. Mais cela signifie que tout élément de x∈R2 satisfait soit ϕ(x)>c (si x∈S), soit ϕ(x)=c (si x est l’unique élément de E). Ainsi c est le minimum global de la fonction ϕ. Si on suppose que A∩S=∅, le même raisonnement montre que S est un maximum global pour ϕ.
Comme E est une partie compacte de R2, il existe R>0 tel que E est contenu dans la boule fermée B=B(0,R). On considère l’ensemble A=R2−B, qui est une partie connexe par arcs de R2. On raisonne comme à la question précédente : on a A∩E=∅, donc on a soit A∩I=∅, soit A∩S=∅. Supposons par exemple A∩I=∅. Alors A⊂S, ce qui signifie que ∀x∈A,ϕ(x)>c. De plus, ϕ est continue sur B, qui est un compact de R2, donc ϕ atteint son minimum m sur B. Enfin, remarquons que ∅=E⊂B, donc il existe z∈B tel que ϕ(z)=c, donc m≤c, et donc ∀x∈A,ϕ(x)>c≥m, ce qui prouve que m est un minimum global pour ϕ.
Exercice 231 ⭐️⭐️ Intersection de compacts non vides, Spé/L3
Soit (Kn)n≥0 une suite de parties compactes d’un e.v.n. On suppose que chaque Kn est non-vide et qu’on a Kn+1⊂Kn pour tout n≥0. Montrer que n=0⋂∞Kn est non vide.
Comme chaque Kn est non-vide, on peut choisir pour tout n≥0 un élément xn∈Kn. La propriété d’emboîtement Kn+1⊂Kn implique l’inclusion Kn⊂K0, en particulier la suite (xn)n≥0 est à valeurs dans le compact K0. Par la propriété de Bolzano-Weierstrass, on en déduit qu’on peut extraire une sous-suite (xnk)k≥0 convergeant vers une limite x∗∈K0. Montrons que x∗∈Kn pour tout m≥0. Comme (nk)k≥0 est strictement croissante, on a nk≥m pour tout k plus grand qu’un certain k0. Mais la propriété d’emboîtement montre que xnk∈Knk⊂Km pour tout k≥k0. La suite (xnk)k≥k0 est donc à valeurs dans Km, qui est un fermé (car compact), donc sa limite x∗ est aussi dans Km. On a bien montré que x∗∈Km pour tout m≥0, donc x∗∈n=0⋂∞Kn qui est donc non-vide.
Exercice 306 ⭐️⭐️ Suite de réels et sa limite, MP/L2
Soit (an)n∈N une suite de réels convergente et l sa limite.
Montrez que A:=∪n{an}∪{l} est un compact.
Considérez une suite (un)n∈N de A et pour n∈N, les ensembles In:={k∈N, uk=an} et I−1:={k∈N, uk=l} .
Soit (un)n∈N une suite de A. Il y a deux cas possibles :
- Soit il y a au moins un entier K∈N∪{−1} tel que IK est de cardinal infini alors on peut extraire une sous-suite de (un)n∈N constante égale à aK ;
- Soit les IK pour K∈N∪{−1} sont tous de cardinal fini alors on montre que (un)n∈N converge vers l. En effet, soit ε>0, on peut considérer N0 tel que ∀N≥N0, ∣uN−l∣≤ε. Prenons alors N1=max(p∣p∈IK,∀K∈[[0;N0]]).
Remarquons que N1 est bien défini puisque les IK sont finis et pour tout N≥N1,un∈/IK où K∈[[0;N0]].
Ceci permet de conclure, puisque ∀N≥N1,∣aN−l∣≤ε.
Exercice 307 ⭐️⭐️ Valeur d’adhérence unique, MP/L2
Soit f:C→C une fonction continue.
On définit une suite (zn) avec z0∈C et ∀n∈N, zn+1=f(zn).
On suppose que (zn) a une unique valeur d’adhérence l.
Prouver que cette suite converge vers l.
Prouver f(l)=l et considérer K(r) la boule fermée de centre l et de rayon r, ainsi que {n,zn∈K,zn+1∈/K}.
Soit (zϕ(n)) une suite extraite de (zn) convergeant vers l.
Par continuité de f, (f(zϕ(n))) converge vers f(l). Il faut remarquer maintentant que (f(zϕ(n))) est une suite extraite de (zn) ( en effet , (f(zϕ(n)))=(zϕ(n)+1)). Par hypothèse, (zn) a une unique valeur d’adhérence, d’où f(l)=l.
Considérons maintenant ε>0 et r>ε.
K(r) étant un compact, f est uniformément continue sur K(r).
Ainsi considérons le δ associé à ε par uniforme continuité de f sur K et prenons δ=ε si δ>ε. On peut considérer N tel que zN∈K(ε).
On a ∣f(zN)−f(l)∣=∣zN+1−l∣≤ε. Ainsi zN+1∈K(ε). Une récurrence évidente termine alors la preuve.