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Question sur le théorème d'interversion des limites

Posté par
ZiYun
13-11-18 à 20:22

Bonsoir,

Je ne comprends pas un point dans la démonstration du théorème d'interversion des limites.
Le théorème d'interversion des limites énonce :
Soient X un espace topologique, E un espace métrique complet, a un point adhérent à une partie A de X et (fn) une suite de fonctions de A dans E.
Si : 1) (fn) converge uniformément vers g dans A
       2) pour tout n, la fonction fn admet une limite en a notée bn
alors la fonction g admet une limite en a, et la suite (bn) converge vers cette limite.

J'aimerai démontrer ce théorème. En fait je connais les étapes de la démonstration, mais le cadre de travail me perturbe. La convergence uniforme des (fn) est dans quel espace ? J'aimerai bien travailler sur l'espace des fonctions bornées de A vers E ( qui est complet car E complet ) muni d'une distance qui sera équivalente à la "distance" uniforme d,A. Mais je ne sais pas quoi prendre. Je pense que le travail se fait avec d=min(1,d,A) , mais ce n'est encore pas une distance puisqu'on peut avoir deux fonctions  bornées qui soient égales sur A mais non sur X tout entier ( par exemple l'indicatrice de A et l'indicatrice de A union un singleton qui n'appartient pas à A )

J'espère que vous pourrez m'aider afin de comprendre cet phase clé de la démonstration.

Merci d'avance

Posté par
carpediem
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 20:53

salut

pas très clair tout ça ...

pour les fonctions ben tu travailles tout simplement dans l'espaces vectoriels des fonctions de A dans E

epictou ...

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 20:53

Bonjour ZiYun.

Citation :
La convergence uniforme des (f_n)_n est dans quel espace ?

Dans l'espace des applications de A \subset X dans (E,d).
NB : Que X soit topologique ou non, on n'en n'a pas besoin pour définir la notion de convergence uniforme dans ce cas. Ce n'est que pour la suite que c'est nécessaire.

J'aimerai bien travailler sur l'espace des fonctions bornées de A vers E
Mais pourquoi ?
Tout ce dont tu as besoin c'est de savoir que ta suite (f_n)_n converge uniformément vers g. Le reste n'a aucune importance.

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 20:55

carpediem @ 13-11-2018 à 20:53

tu travailles tout simplement dans l'espaces vectoriels des fonctions de A dans E

si E n'est qu'un espace métrique, ça va être compliqué.

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:14

Citation :
J'aimerai bien travailler sur l'espace des fonctions bornées de A vers E

Je prends un exemple : A=X = [0;1] sans la moindre topologie, (E;d) = (\R;|.|),~f_n(x) = \frac{1}{x}-\frac{1}{n},f_n(0)=0,~g(x) = \frac{1}{x},~g(0) = 0.
Alors (f_n)_n converge uniformément vers g sur [0;1] et clairement la suite (f_n)_n n'est pas une suite de fonctions bornées dans l'espace des applications de [0;1] dans \R

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:18

Bonsoir,

Comme il a été dit, E est un espace métrique. Et même en prenant le problème simple où E est un ev, je ne vois pas quelle norme sera adaptée.
jsvdb je cherche à travailler dans l'espace des fonctions bornées car c'est le plus adapté à une " convergence uniforme ". En fait, quand on parle de convergence uniforme, elle est bien associée à une topologie sur un espace de fonctions de A dans E n'est-ce pas ? Si cela est bien le cas, je ne vois pas quel espace prendre ( comme dit précedemment, ce qui est intuitif c'est de travailler sur l'espace des fonctions bornées, car d'une part on a la convergence -> suite bornée, d'autre part uniforme -> sup existe car ce sont des fonctions bornées ) enfin, ce n'est que mon point de vue, qui est vraisemblablement faux.

J'espère que vous pourrez m'aider encore plus.

Merci d'avance,

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:22

Bonsoir,

Je m'excuse pour le double post, je viens de m'apercevoir de votre dernier message.
Je ne comprends pas pourquoi votre suite (fn) n'est pas bornée dans l'espace des fonctions de [0,1] à valeurs dans . Pour parler de la notion de bornitude il faut d'abord préciser une distance non ?

Merci d'avance

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:34

Citation :
Pour parler de la notion de bornitude il faut d'abord préciser une distance non ?

Non, pour parler de bornitude, il faut une bornologie ... les distances, les écarts, les normes en fournissent.

Citation :
Je ne comprends pas pourquoi votre suite (fn) n'est pas bornée dans l'espace des fonctions de [0,1] à valeurs dans \R

Pourquoi le devraient-elles ? cherche-t-on à faire passer de la continuité dans la limite ? Non ...
Et pourtant ma suite converge bien uniformément vers sa limite ...

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:40

Oui en fait, je ne comprends pas pourquoi elles devraient être bornées ni pourquoi elles ne devraient pas l'être. La définition que je connais d'une suite (Un) dans un espace métrique (E,d) qui est bornée c'est qu'il existe un aE et M>0 tel que n , d(a,Un)M . Mais je ne vois pas pourquoi votre suite (fn) se soumet ni ne se soumet pas à cette assertion.

Merci encore,

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:47

ZiYun @ 13-11-2018 à 21:40

Mais je ne vois pas pourquoi votre suite (fn) se soumet ni ne se soumet pas à cette assertion.

Mais parce que tout dépend de ce que l'on veut faire avec la suite f_n.
Ici, on veut juste montrer une interversion ponctuelle de limite. Pas besoin de borner à priori la suite de fonction (de toute façon, si on le faisait, on ne s'en servirait pas, alors autant ne pas émettre l'hypothèse).

On a juste besoin de considérer qu'elle converge uniformément vers une fonction g et que chacun des éléments de la suite admet en a une limite.

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 21:49

Et donc on a pas besoin d'une certaine topologie pour parler de convergence uniforme alors ?
Je pensais qu'à chaque fois qu'on parlait de "convergence" , il y'avait une topologie cachée derrière.

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 22:44

Ah ça oui, pour parler de convergence, il faut une topologie quelque part.
Mais voyons de près comment ça marche :

On se donne un ensemble X quelconque et un espace métrique (E,d).
On prend une partie A de X et une suite de fonction f_n : X \rightarrow E.
La suite de fonction est quelconque à priori.
On dit que la suite (f_n)_n converge uniformément sur A vers un certaine fonction f : X \rightarrow E si :

\forall \varepsilon > 0, \exists N_\varepsilon \in \N, \forall n \in \N, n \geq N_\varepsilon \Rightarrow \forall x \in A,~d(f_n(x);f(x))\leq \varepsilon.

La seule topologie que j'ai utilisée est la topologie de la distance sur E.

Et maintenant, et seulement maintenant, je peux introduire un écart par {\displaystyle e_{\infty ,A}(f,g)=\sup _{x\in A}d(f(x),g(x))}

pour toute fonction définie sur X à valeur dans E.

Et tu vois qu'il n'y a aucune topologie sur X donc aucune sur A.

Alors, cet écart n'est pas une distance, mais je peux reformuler ma convergence uniforme sur A par :

\forall \varepsilon > 0, \exists N_\varepsilon \in \N, \forall n \in \N, n \geq N_\varepsilon \Rightarrow e_{\infty ,A}(f_n;f)\leq \varepsilon.

Après, au besoin, je peux définir une topologie sur l'ensemble F des applications de X dans (E,d) par ses boules ouvertes de cette façon :

B(f;r) = \{g \in F~/~e_{\infty ,A}(f_n;f) \leq r\} et que l'on appellera la topologie de la convergence uniforme sur A à l'aide de l'écart e.

Si maintenant, il y a sur X une topologie séparée qui fasse de A un ensemble compact, et que l'on restreigne F à l'ensemble des fonctions continues de X dans E alors l'écart prendra le nom de distance uniforme et la topologie, le nom de topologie de la convergence uniforme sur A (même nom) : c'est celle que tu connais bien et qui n'est en fait qu'un cas particulier de celle que je décris au-dessus.
On pourra alors démontrer qu'une suite de fonctions continues sur A qui converge uniformément vers une certaine fonction g, alors la limite est continue, la suite est bornée en distance sur A etc etc; les théorèmes que tu connais bien dans ce cadre.
Et si on fait varier A, on obtient une nouvelle topologie, (classifiée dans les topologies de limite inductive) et qui s'appelle  topologie de la convergence uniforme sur tout compact.
Mais ça c'est une autre affaire et ton problème initial ne s'inscrit pas dans ce cadre particulier, mais dans le cadre général décrit au dessus.

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 22:47

NB : dans ton problème, on parlera de limite dans A, sous-ensemble de X, donc il faudra une topologie sur X du coup.

Posté par
carpediem
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 13-11-18 à 23:28

jsvdb @ 13-11-2018 à 20:55

carpediem @ 13-11-2018 à 20:53

tu travailles tout simplement dans l'espaces vectoriels des fonctions de A dans E

si E n'est qu'un espace métrique, ça va être compliqué.
je ne vois pas où est le pb ...

l'important est qu'on ait une distance sur l'espace d'arrivée ...

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 14-11-18 à 00:44

Oui, on travaille tout simplement dans l'espace vectoriel des fonctions de A dans E. L'important est la distance, on est bien d'accord .
Si E n'est qu'un espace métrique, on ne pourra pas parler de vectoriel pour les fonctions de A dans E.

Posté par
carpediem
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 14-11-18 à 13:39

ha oui d'accord !!

merci

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 15-11-18 à 23:06

Bonsoir,

Je vous remercie pour votre réponse, c'était bien détaillé. Donc en réalité la topologie associée à cette convergence en général c'est une topologie associée à un écart et non une distance. Et seulement dans le cas où la topologie induite sur un A compact est séparée que cela devient une distance car du coup les fonctions sont bornées et on a le critère de séparation.

Posté par
jsvdb
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 16-11-18 à 11:58

Je dirai que dans le problème initial, on se fiche pas mal de la topologie que l'on met dans l'ensemble des applications de X dans E. Tout ce qui compte c'est que X soit un espace métrique et que la suite fn converge uniformément vers g sur A.

Posté par
ZiYun
re : Question sur le théorème d'interversion des limites 16-11-18 à 17:55

Je vois. Merci énormément pour votre explication.



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