
21 exercices classés par difficulté (★ facile, ★★ moyen, ★★★ difficile). Cherche d’abord sans regarder le corrigé !
1 Rang de Cauchy pour 1/n ★★★
Soit \( u_n=\dfrac1n \) pour \( n\geq1 \). Montrer que \( (u_n) \) est de Cauchy et trouver un rang \( N \) tel que \( |u_p-u_q|<10^{-3} \) pour tous \( p,q\geq N \).
2 Vrai ou faux sur les suites de Cauchy ★★★
Dire si chaque affirmation est vraie ou fausse, avec justification.
- Toute suite convergente est de Cauchy.
- Toute suite bornée est de Cauchy.
- Toute suite de Cauchy de \( \mathbb{Q} \) converge dans \( \mathbb{Q} \).
- Une suite de Cauchy qui a une sous-suite convergente est convergente.
3 Une somme géométrique ★★★
Soit \( u_n=\sum_{k=1}^{n}\dfrac1{2^k} \). Montrer que \( |u_q-u_p|<\dfrac1{2^p} \) pour \( q>p \), puis déterminer le plus petit rang \( N \) tel que \( 2^{-N}\leq10^{-4} \).
4 Contraction affine ★★★
Soit \( f(x)=\dfrac x3+2 \) sur \( \mathbb{R} \). Quel est son rapport de contraction ? Trouver son point fixe, puis le plus petit \( n \) tel que \( |x_n-x^*|<10^{-3} \) pour \( x_0=0 \).
5 Norme du sup sur [0,1] ★★★
Dans \( C([0,1]) \), on pose \( f(x)=x(1-x) \) et \( g(x)=\dfrac x4 \). Calculer \( \|f\|_\infty \) puis \( \|f-g\|_\infty \).
6 Complet ou non ? ★★★
Parmi \( \mathbb{R} \), \( \mathbb{Q} \), \( [0,1] \), \( ]0,1[ \), \( \mathbb{Z} \) (distance usuelle), lesquels sont complets ?
7 Une racine itérée ★★★
Soit \( f(x)=\sqrt{x+2} \) sur \( X=[0,2] \). Montrer que \( f(X)\subset X \), que \( f \) est contractante et déterminer son point fixe.
8 Résoudre e^(-x) = x par itération ★★★
Soit \( f(x)=e^{-x} \) sur \( X=[0{,}4;0{,}7] \). Montrer que \( f \) est contractante sur \( X \) et trouver le nombre d’itérations garantissant une erreur inférieure à \( 10^{-3} \) en partant de \( x_0=0{,}5 \).
9 Un point fixe qui n’existe pas ★★★
Soit \( f(x)=x+\dfrac1x \) sur \( X=[1,+\infty[ \). Montrer que \( |f(x)-f(y)|<|x-y| \) pour \( x\neq y \), que \( f \) n’a pas de point fixe, et expliquer pourquoi cela ne contredit pas le théorème de Banach-Picard.
10 Un système linéaire par itération ★★★
On cherche \( X=(x,y) \) tel que \( X=AX+B \) avec \( A=\begin{pmatrix}0{,}2&0{,}1\\0{,}3&0{,}4\end{pmatrix} \), \( B=\begin{pmatrix}1\\2\end{pmatrix} \), dans \( \mathbb{R}^2 \) muni de \( \|X\|_\infty=\max(|x|,|y|) \).
- Montrer que \( X\mapsto AX+B \) est \( 0{,}7 \)-contractante.
- Trouver le point fixe exactement.
- Combien d’itérations garantissent \( 10^{-2} \) depuis \( X_0=(0,0) \) ?
11 x puissance n n’est pas de Cauchy ★★★
Pour \( n\geq1 \), \( f_n(x)=x^n \) sur \( [0,1] \). Calculer \( \|f_{2n}-f_n\|_\infty \). La suite est-elle de Cauchy dans \( (C([0,1]),\|\cdot\|_\infty) \) ?
12 Une équation intégrale ★★★
On cherche \( \varphi\in C([0,1]) \) vérifiant \( \varphi(x)=x+\dfrac13\int_0^1xt\,\varphi(t)\,dt \). Montrer que l’opérateur \( T \) correspondant est contractant, puis résoudre l’équation.
13 Baire et point isolé ★★★
Montrer qu’un espace métrique complet non vide sans point isolé est non dénombrable.
14 Famille lipschitzienne ★★★
Soit \( A=\{f\in C^1([0,1]) : \|f\|_\infty\leq 3,\ \|f'\|_\infty\leq 5\} \). Montrer que \( A \) est équicontinue en donnant explicitement \( \delta \) pour \( \varepsilon=0{,}1 \). Que dit Ascoli ?
15 L’opérateur de Volterra ★★★
Sur \( C([0,1]) \), on définit \( (V\varphi)(x)=1+\int_0^x\varphi(t)\,dt \).
- Montrer que \( V \) est 1-lipschitzien mais pas contractant.
- Montrer par récurrence \( |V^n\varphi-V^n\psi|(x)\leq\dfrac{x^n}{n!}\|\varphi-\psi\|_\infty \).
- En déduire que \( V \) a un unique point fixe et le trouver.
- Pour \( \varphi_n=V^n(1) \), calculer \( e-\varphi_5(1) \) à \( 10^{-3} \) près.
16 Dimension infinie et Baire ★★★
Soit \( E \) un espace de Banach de dimension infinie. Montrer que \( E \) n’a pas de base algébrique dénombrable.
17 Newton pour √7 ★★★
On pose \( g(x)=\dfrac12\left(x+\dfrac7x\right) \) sur \( X=[2,3] \). Montrer que \( g \) est contractante sur \( X \), identifier son point fixe et calculer \( x_1,x_2,x_3 \) depuis \( x_0=3 \).
18 Aucune sous-suite convergente ★★★
Dans \( C([0,1]) \) :
- Montrer que \( (x^n) \) n’a aucune sous-suite uniformément convergente.
- Montrer que \( g_n(x)=\dfrac{x^n}n \) est équicontinue et donner sa limite uniforme.
19 L1 n’est pas complet ★★★
Pour \( n\geq2 \), soit \( f_n \) la fonction nulle sur \( [0,\tfrac12] \), égale à \( n(x-\tfrac12) \) sur \( [\tfrac12,\tfrac12+\tfrac1n] \) et à 1 ensuite. Montrer que \( (f_n) \) est de Cauchy pour \( \|\cdot\|_1 \) dans \( C([0,1]) \) mais ne converge pas dans cet espace.
20 Picard pour y’ = t y ★★★
On considère \( y'=ty \), \( y(0)=1 \), et \( (T\varphi)(t)=1+\int_0^ts\,\varphi(s)\,ds \) sur \( C([0,1]) \). Montrer que \( T \) est \( \tfrac12 \)-contractant, calculer \( \varphi_1,\varphi_2 \) depuis \( \varphi_0=1 \), comparer avec la solution \( e^{t^2/2} \) en \( t=1 \) et vérifier la majoration d’erreur.
21 Distance au point fixe ★★★
Soit \( f \) une application \( k \)-contractante sur un complet, de point fixe \( x^* \). Montrer que, pour tout \( x \), \( d(x,x^*)\leq\dfrac{d(x,f(x))}{1-k} \). Vérifier sur \( f(x)=\dfrac x3+2 \) avec \( x=0 \).
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