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Espaces complets et point fixe : cours de maths Licence L3 à télécharger en PDF

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Cours de maths en Licence L3 : Espaces complets et point fixe — Zyro, l’explorateur de Planète Maths

Dans ce chapitre, on met au centre une idée simple : une suite dont les termes se rapprochent les uns des autres doit avoir une limite. Cette propriété, la complétude, est ce qui fait fonctionner l’analyse : elle donne l’existence de solutions d’équations, de points fixes et d’équations différentielles.

1. Suites de Cauchy

Suite de Cauchy

Soit \( (X,d) \) un espace métrique. Une suite \( (x_n) \) de \( X \) est de Cauchy si
\[ \forall \varepsilon>0,\ \exists N\in\mathbb{N},\ \forall p,q\geq N,\quad d(x_p,x_q)\leq \varepsilon. \]

L’intérêt de cette définition est de ne pas faire intervenir la limite : on peut tester la convergence « de l’intérieur », sans la connaître.

Propriétés

  • Toute suite convergente est de Cauchy (inégalité triangulaire : \( d(x_p,x_q)\leq d(x_p,\ell)+d(\ell,x_q) \)).
  • Toute suite de Cauchy est bornée.
  • Une suite de Cauchy qui possède une sous-suite convergente vers \( \ell \) converge elle-même vers \( \ell \).
Attention

La réciproque de la première propriété est fausse en général : une suite de Cauchy ne converge pas toujours dans l’espace considéré. C’est exactement ce qui sépare les espaces complets des autres.

Exemple 1 : une suite de Cauchy rationnelle sans limite rationnelle

Dans \( \mathbb{Q} \), posons \( x_0=1 \) et \( x_{n+1}=\dfrac{1}{2}\left(x_n+\dfrac{2}{x_n}\right) \). On obtient \( x_1=\dfrac{3}{2} \), \( x_2=\dfrac{17}{12} \), \( x_3=\dfrac{577}{408} \). Tous les termes sont rationnels, et la suite se resserre : \( x_2\approx 1{,}41667 \) et \( x_3\approx 1{,}41422 \). Dans \( \mathbb{R} \), elle converge vers \( \sqrt2 \) ; or \( \sqrt2\notin\mathbb{Q} \). Dans \( \mathbb{Q} \), la suite est donc de Cauchy sans converger.

1,41,421,441,461,481,51,52x₁ = 3/2x₂x₃ ≈ √2

2. Espaces complets et espaces de Banach

Espace complet, espace de Banach

Un espace métrique est complet si toute suite de Cauchy y converge. Un espace de Banach est un espace vectoriel normé complet pour la distance \( d(x,y)=\|x-y\| \).

Exemples : \( \mathbb{R} \), \( \mathbb{C} \), \( \mathbb{R}^n \) (toutes les normes y sont équivalentes), tout fermé d’un espace complet. Non complets : \( \mathbb{Q} \) et \( ]0,1[ \) avec la distance usuelle (la suite \( 1/n \) est de Cauchy dans \( ]0,1[ \) mais sa limite \( 0 \) n’y est pas).

Propriété

Un sous-ensemble d’un espace complet est complet si et seulement s’il est fermé.

3. Le théorème de Banach-Picard

Application contractante

Une application \( f:X\to X \) est contractante (ou \( k \)-contractante) s’il existe \( k\in[0,1[ \) tel que \( d(f(x),f(y))\leq k\,d(x,y) \) pour tous \( x,y \).

Théorème de Banach-Picard (point fixe)

Soit \( (X,d) \) un espace métrique complet non vide et \( f:X\to X \) une application \( k \)-contractante. Alors \( f \) possède un unique point fixe \( x^* \), et pour tout \( x_0\in X \) la suite \( x_{n+1}=f(x_n) \) converge vers \( x^* \), avec la majoration
\[ d(x_n,x^*)\leq \frac{k^n}{1-k}\,d(x_0,x_1). \]

Démonstration. Par récurrence, \( d(x_{n+1},x_n)\leq k^n d(x_1,x_0) \). Pour \( p

Méthode : appliquer le théorème

  1. Choisir un fermé \( X \) d’un espace complet (souvent un intervalle fermé de \( \mathbb{R} \)).
  2. Vérifier que \( f(X)\subset X \) (l’ensemble est stable).
  3. Prouver que \( f \) est contractante : sur un intervalle, borner \( |f'| \) par \( k<1 \) (inégalité des accroissements finis).
  4. Conclure à l’existence et à l’unicité, puis utiliser la majoration pour fixer le nombre d’itérations.
Exemple 2 : le point fixe de \( x\mapsto \dfrac{1}{2+x} \)

Sur \( X=[0,1] \), \( f(x)=\dfrac{1}{2+x} \) vérifie \( f(X)=[\tfrac13,\tfrac12]\subset X \) et \( |f'(x)|=\dfrac{1}{(2+x)^2}\leq \dfrac14 \). Donc \( f \) est \( \tfrac14 \)-contractante : point fixe unique, solution de \( x^2+2x-1=0 \), soit \( x^*=\sqrt2-1\approx 0{,}41421 \). Avec \( x_0=0 \), \( x_1=\tfrac12 \) et la majoration devient \( d(x_n,x^*)\leq \dfrac{4^{-n}}{3/4}\times\dfrac12=\dfrac{2}{3}\,4^{-n} \). Pour obtenir \( 10^{-6} \), il suffit de \( n=10 \) itérations (\( 4^{10}=1\,048\,576 \)).

Exemple 3 : l’équation \( \cos x=x \)

Sur \( X=[0,1] \), \( \cos(X)=[\cos 1,1]\subset X \) et \( |\sin x|\leq\sin 1\approx 0{,}8415<1 \). L’application \( \cos \) est contractante sur \( X \) et l’unique solution est \( x^*\approx 0{,}739085 \). Depuis \( x_0=0{,}5 \) : \( x_1\approx0{,}8776 \), \( x_2\approx0{,}6390 \), \( x_3\approx0{,}8027 \), \( x_4\approx0{,}6948 \) : les termes oscillent autour de \( x^* \) en s’en rapprochant (voir la figure).

0.20.40.60.810.20.40.60.81x₀x*

4. Applications contractantes : variantes et usages

Attention

Il ne suffit pas que \( d(f(x),f(y))uniforme.

Variante

Si \( X \) est complet et si une itérée \( f^p \) est contractante, alors \( f \) possède un unique point fixe (celui de \( f^p \) est fixé par \( f \), car \( f(x^*) \) est aussi point fixe de \( f^p \)).

Application aux équations différentielles. Pour \( y'=F(t,y) \) avec \( F \) lipschitzienne en \( y \), la fonction \( y \) est solution du problème de Cauchy si et seulement si c’est un point fixe de l’opérateur \( (T\varphi)(t)=y_0+\int_0^t F(s,\varphi(s))\,ds \) agissant sur l’espace de Banach \( C([0,a]) \). Pour \( a \) assez petit, \( T \) est contractante : c’est le théorème de Cauchy-Lipschitz, et les itérées de \( T \) sont les itérées de Picard.

5. Fonctions continues et convergence uniforme

Pour \( K \) compact, l’espace \( C(K) \) des fonctions continues \( K\to\mathbb{R} \) est muni de la norme \( \|f\|_\infty=\max_K|f| \).

Théorème

\( \big(C(K),\|\cdot\|_\infty\big) \) est un espace de Banach.

Preuve. Si \( (f_n) \) est de Cauchy, pour tout \( x \) la suite réelle \( (f_n(x)) \) est de Cauchy, donc converge vers \( f(x) \). Dans \( |f_p(x)-f_q(x)|\leq\varepsilon \) (\( p,q\geq N \)) on fait \( q\to\infty \) : \( |f_p(x)-f(x)|\leq\varepsilon \) pour tout \( x \), c’est-à-dire convergence uniforme. Une limite uniforme de fonctions continues est continue : \( f\in C(K) \).

0.511.522.530.511.52

Attention

La complétude dépend de la norme. L’espace \( C([0,1]) \) muni de \( \|f\|_1=\int_0^1|f| \) n’est pas complet : des fonctions continues qui montent de 0 à 1 de plus en plus vite autour de \( x=\tfrac12 \) forment une suite de Cauchy dont la limite serait l’indicatrice de \( ]\tfrac12,1] \), non continue.

6. Le théorème de Baire

Théorème de Baire

Soit \( X \) un espace métrique complet. Toute intersection dénombrable d’ouverts denses de \( X \) est dense. De façon équivalente, si \( X\neq\emptyset \) est réunion dénombrable de fermés \( F_n \), l’un au moins des \( F_n \) est d’intérieur non vide.

Idée de la preuve. On part d’un ouvert non vide \( U \) et d’ouverts denses \( O_n \). On construit des boules fermées emboîtées \( \overline B(x_n,r_n)\subset O_n\cap \overline B(x_{n-1},r_{n-1}) \) de rayons \( r_n<2^{-n} \) ; les centres forment une suite de Cauchy, dont la limite appartient à toutes les boules, donc à \( U\cap\bigcap O_n \).

Exemple 4 : \( \mathbb{R} \) n’est pas dénombrable

Si \( \mathbb{R}=\bigcup_n\{r_n\} \), chaque singleton est un fermé d’intérieur vide. D’après Baire, un des \( \{r_n\} \) devrait être d’intérieur non vide, ce qui est absurde. Plus généralement, un espace complet sans point isolé est non dénombrable.

7. Le théorème d’Ascoli

Dans \( \mathbb{R}^n \), les compacts sont les fermés bornés ; en dimension infinie ce n’est plus vrai. Pour \( C(K) \), le critère est donné par l’équicontinuité.

Équicontinuité

Une partie \( A\subset C(K) \) est équicontinue si
\[ \forall\varepsilon>0,\ \exists\delta>0,\ \forall f\in A,\ \forall x,y\in K,\quad d(x,y)\leq\delta\Rightarrow |f(x)-f(y)|\leq\varepsilon. \]
Le même \( \delta \) sert pour toutes les fonctions de la famille.

Théorème d’Ascoli

Soit \( K \) un espace métrique compact. Une partie \( A\subset C(K) \) est relativement compacte pour \( \|\cdot\|_\infty \) si et seulement si \( A \) est bornée et équicontinue. Toute suite de \( A \) admet alors une sous-suite uniformément convergente.

Exemple 5 : famille lipschitzienne et famille qui s’aplatit

Soit \( A=\{f\in C^1([0,1]) : \|f\|_\infty\leq 2,\ \|f'\|_\infty\leq 3\} \). Pour \( f\in A \), \( |f(x)-f(y)|\leq3|x-y| \) : le choix \( \delta=\varepsilon/3 \) convient pour toutes les fonctions, donc \( A \) est équicontinue ; elle est bornée, donc relativement compacte. À l’inverse, \( f_n(x)=x^n \) est bornée par 1 mais non équicontinue en \( x=1 \) : \( f_n(1)-f_n(1-\tfrac1n)\to 1-e^{-1} \). Aucune sous-suite de \( (f_n) \) ne converge uniformément (la limite simple est discontinue en 1).

0.20.40.60.810.20.40.60.81

Astuce de Zyro

Sur ma planète, on dit qu’une suite « ne peut pas s’échapper de son espace » quand il est complet. Pour un point fixe, pense toujours aux trois questions : espace complet ? application stable ? rapport \( k<1 \) ?

À retenir

  • Une suite de Cauchy est bornée ; toute suite convergente est de Cauchy, la réciproque exige la complétude.
  • \( \mathbb{R}^n \), les fermés d’un complet et \( (C(K),\|\cdot\|_\infty) \) sont complets ; \( \mathbb{Q} \), \( ]0,1[ \) ne le sont pas.
  • Banach-Picard : \( f \) \( k \)-contractante (\( k<1 \)) sur un complet non vide \( \Rightarrow \) point fixe unique et \( d(x_n,x^*)\leq\dfrac{k^n}{1-k}d(x_0,x_1) \).
  • Baire : dans un complet, une intersection dénombrable d’ouverts denses est dense ; un complet non vide n’est pas réunion dénombrable de fermés d’intérieur vide.
  • Ascoli : dans \( C(K) \), relativement compact \( \Leftrightarrow \) borné et équicontinu.
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