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Hyperplan fermé ou dense

Posté par Profil Ramanujan 13-09-17 à 22:57

Bonsoir,

J'ai vraiment du mal avec la topologie je pense que c'est le chapitre que je comprends le moins de tous les chapitres de Maths Sup Maths Spé alors soyez indulgents SVP.

Soit E un R espace vectoriel normé de dimension quelconque. Soit h une forme linéaire et H un hyperplan : H=Ker(h)
On a montré :
* Si h est une forme linéaire continue sur E alors Ker(h) est fermé dans E.
* Si le noyau de h Ker(h) est fermé alors h est continue.

1/ Montrer que si H est un hyperplan de E alors l'adhérence \bar{H} de H est un sous espace vectoriel de E.
2/ En déduire que tout hyperplan de E est fermé ou dense c'est dire : \bar{H}=H ou \bar{H}=E


Merci d'avance.

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 13-09-17 à 23:20

Bonsoir Ramanujan.

1/ Tu prends x,y\in \bar H,~a,b\in \R et pour montrer que a.x+b.y \in \bar H, il suffit de prendre deux suites (x_n)_n, (y_n)_n de H qui tendent respectivement vers x et y.
Comme H est un hyperplan (ie un SEV) alors a.x_n+b.y_n \in H et cette suite converge vers a.x+b.y qui, par suite, est un élément de \bar H

N.B : ce qu'il y a entre parenthèse ci-dessus en gras montre que cette propriété est valable quel que soit H sous-espace vectoriel de E.

en revanche, pour celle-ci, le fait que H soit un hyperplan est une condition nécessaire en vertu de la co-dimension :

2/  Si on suppose que \bar H \neq H alors c'est qu'il existe x\in \bar H, ~x\notin H.
Mais comme \bar H est un sev de E alors \bar H \subset \R.x \oplus H et comme H est de codimension 1 (i.e. admet un supplémentaire de dimension 1) alors \R.x \oplus H = E et par suite \bar H = E

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 00:28

Pour la 1 c'est ok par contre je crois que vous avez oublié de montrer que \bar{H} est différent de l'ensemble vide.
Comme H \subset \bar{H} et que H est un sev donc non vide alors  \bar{H}  est non vide.
Ensuite j'ai pas compris le dernier passage pourquoi ax + by \subset \bar{H}

La 2 pas compris le dernier passage je vois pas où est-ce que vous montrez : E \subset \bar{H}

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 01:59

Pour la question 1 vous avez utilisé : " x est à adhérent à A si et seulement si il existe une suite d'éléments de A convergente de limite x" ?

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 15:23

Citation :
Pour la 1 c'est ok par contre je crois que vous avez oublié de montrer que \bar{H} est différent de l'ensemble vide.
Comme H \subset \bar{H} et que H est un sev donc non vide alors  \bar{H}  est non vide.

Je te rappelle que ce n'est pas à moi à déglutir le travail. Je suis là pour fournir une aide, pas apporter la solution complète et rédigée sur un plateau d'argent.

Citation :
Ensuite j'ai pas compris le dernier passage pourquoi ax + by \subset \bar{H}

C'est un théorème de base de topologie :
Si A est une partie d'un espace topologique X et (a_n)_n une suite d'éléments de A supposée convergente dans X.
Alors ses points limites sont dans \bar A

Citation :
La 2 pas compris le dernier passage je vois pas où est-ce que vous montrez : E \subset \bar{H}

En fait ma rédaction présente une petite erreur de frappe :
jsvdb @ 13-09-2017 à 23:20

Mais comme \bar H est un sev de E alors \bar H \subset \R.x \oplus H

Erratum : Mais comme \bar H est un sev de E alors \bar H \supset \R.x \oplus H

Ramanujan @ 14-09-2017 à 01:59

Pour la question 1 vous avez utilisé : " x est à adhérent à A si et seulement si il existe une suite d'éléments de A convergente de limite x" ?

Attention, c'est faux en général : il est tout à fait possible que x \in \bar A ne soit la limite d'aucune suite de points de A.
Contre-exemple :
X = {1,2,3,4}
T = {X, , {2,4},{2,3},{2,3,4}}
A= {3,4}
adhérence de A = X
2 X
Aucune suite de A ne converge vers 2.

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 16:41

DOnc mon théorème est faux ? Il vient d'ici : "Soit X une partie non vide . On a équivalence entre a est adhérent à X et il existe une suite (xn) de X qui converge vers a."
http://mp.cpgedupuydelome.fr/cours.php?id=13598&idPartie=78803

Sur votre exemple :
X = {1,2,3,4}
T = {X, , {2,4},{2,3},{2,3,4}}
A= {3,4}

Comment vous trouvez l'adhérence de A ? Justement j'aimerais comprendre comment on fait sur un exemple simple.

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 16:52

Citation :
Donc mon théorème est faux ?

Sans autre hypothèse à priori, oui, c'est faux.
MAIS si on travaille dans un espace normé, ou dans un espace métrique (et plus généralement dans un espace séparé), le théorème devient vrai : ce qui est la cas dans le lien que tu cites.

Citation :
Sur votre exemple :
X = {1,2,3,4}
T = {X, , {2,4},{2,3},{2,3,4}}
A= {3,4}
Comment vous trouvez l'adhérence de A ? Justement j'aimerais comprendre comment on fait sur un exemple simple.

L'adhérence d'une partie A est, par définition, l'ensemble des points x X tel que tout voisinage de x rencontre A (donc, en particulier, l'adhérence de A contient A).
On montre que l'adhérence de A est l'intersection de tous les fermés contenant A.
Quels sont les fermés de la topologie T ? ce sont X, , {1,3}, {1,4} et {1}. Et le seul fermé contenant A est X tout entier donc l'adhérence de A est X (cela signifie au passage que A est dense dans X).

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 20:32

Merci ça c'est compris.

Par contre j'ai toujours pas saisi la question 2 :

On suppose que \bar H \neq H alors il existe x\in \bar H, ~x\notin H.

Mais comme \bar H est un sev de E alors \bar{H} \subset E

Or un hyperplan possède un supplémentaire de codimension 1 qu'on peut noter F dans E :
E = F \oplus H

Comme x est un vecteur de E il appartient soit à H soit à F donc il appartient à F et on note : F = \R.x

On obtient : \bar H \subset \R.x \oplus H
Je comprends pas comment obtenir l'inclusion inverse comment montrer que :
E \subset \bar{H} ?

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 22:07

Tu es d'accord que si  \bar H \neq H, alors \bar H contient strictement H.
Mais H est un hyperplan : cela signifie en particulier que si un SEV de E contient strictement H, alors c'est E tout entier, il n'y a pas le choix. Donc \bar H = E

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 22:42

AH d'accord vous utilisez une propriété des hyperplan :
"Un hyperplan H de E est un sous-espace vectoriel maximal (pour la relation d'inclusion). Si F est un autre sous-espace vectoriel de E avec H c F, alors ou bien F=H, ou bien F=E."

Vous avez une idée de la démo ?

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 14-09-17 à 22:51

La démo repose tout simplement sur le fait que, par définition, un hyperplan H est le noyau d'une forme linéaire (pas forcément continue en dim infinie) non nulle sur un EV.
Donc on démontre très facilement que tout supplémentaire de H est de dimension 1.
Donc, un hyperplan H étant donné et x H alors E = H.x
On conclut donc qu'un hyperplan est un élément maximal (pour l'inclusion) de l'ensemble de tous les SEV propres d'un EV.

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 15-09-17 à 20:14

Ah je vois donc tout élément de E s'écrit de façon unique sous la forme d'un élément de H de dimension n-1 (si E est de dimension n) et d'une droite vectoriel de dimension 1.

Quand on parle d'inclusion c'est par rapport à la dimension alors ?
Il n'y pas de sous espace vectoriel entre l'hyperplan et l'espace vectoriel E car on trouve pas de sous espace vectoriel de dimension compris entre n-1 et n.

Posté par
verdurin
re : Hyperplan fermé ou dense 15-09-17 à 21:12

Bonsoir,
Si E est un R-ev de dimension finie alors les formes linéaires sont continues et \bar {H}=H.
La question ne se pose qu'en dimension infinie.

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 15-09-17 à 21:58

Verdurin, sans parler d'adhérence et de topologie, j'arrive pas à comprendre les inclusions d'ensemble en algèbre linéaire.

TOujours pas compris pourquoi :  "Soit H un hyperplan de E alors si F est un autre sous-espace vectoriel de E avec H c F, alors ou bien F=H, ou bien F=E."

Entre E et H il n'y a aucun sous espace vectoriel ? Pourquoi ?

Posté par
verdurin
re : Hyperplan fermé ou dense 15-09-17 à 22:34

C'est la définition d'un hyperplan : la dimension d'un supplémentaire est 1.
Ce qui veut dire qu'il n'y a pas de place pour un sev entre l'hyperplan et l'espace entier.
Sa codimension serait un entier strictement inférieur à 1, et il n'y a que 0 qui convienne.

On peut voir les choses comme ça : si H est un hyperplan de E et si x n'est pas dans H alors, en désignant par V_x le sev engendré par x, on a E=H\oplus V_x.
Ce qui revient exactement à dire que H est le noyau d'une forme linéaire.

Posté par Profil Ramanujanre : Hyperplan fermé ou dense 15-09-17 à 23:44

Merci beaucoup j'ai compris avec l'argument de la codimension

Posté par
kikoking41
re : Hyperplan fermé ou dense 16-09-17 à 17:28

Bonjour
Citation
Attention, c'est faux en général : il est tout à fait possible que x \in \bar A ne soit la limite d'aucune suite de points de A.
Contre-exemple :
X = {1,2,3,4}
T = {X, , {2,4},{2,3},{2,3,4}}
A= {3,4}
adhérence de A = X
2  X
Aucune suite de A ne converge vers 2.

Pour moi peut on prendre comme contre exemple :Q dense dans R ;racine2 dans l'aderence de Q (qui est R )mais il n'existe aucune suite dans Q qui converge vers racine2.

Posté par
verdurin
re : Hyperplan fermé ou dense 16-09-17 à 18:02

kikoking41 @ 16-09-2017 à 17:28


[ . . . ]
Pour moi peut on prendre comme contre exemple :Q dense dans R ;racine2 dans l'aderence de Q (qui est R )mais il n'existe aucune suite dans Q qui converge vers racine2.

Ça  c'est complètement faux.
Par exemple la suite définie par

u_1=1
 \\ u_{n+1}=\dfrac12 \left( u_n+\dfrac2{u_n}\right)

a toutes ses valeur dans \Q et sa limite est \sqrt 2

Posté par
jsvdb
re : Hyperplan fermé ou dense 16-09-17 à 18:19

Bonjour kikoking41
Le contre-exemple que j'ai fourni marche parce que l'espace topologique que j'ai cité n'est pas séparé.
Selon ce principe, il faudrait trouver une topologie sur IR non séparée, telle que Q soit dense dedans et qu'on ne puisse trouver aucune suite qui converge vers \sqrt 2. Vu mon exemple, cela doit relever de la gageure

Posté par
kikoking41
re : Hyperplan fermé ou dense 16-09-17 à 20:30

Donc a votre avi on ne peut pas trouver un  autre exemple autre que racine2  qui donne un contre exemple pour la topologie usuelle de R

Posté par
kikoking41
re : Hyperplan fermé ou dense 16-09-17 à 20:53

Non donc parce que R est separe pour la topologie usuelle



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