Avertissement

Ce contenu a été généré par une intelligence artificielle (LLM) et peut contenir des imprécisions ou des erreurs malgré notre relecture attentive. Il s'agit d'un outil d'apprentissage et non d'une référence académique.

Si vous constatez des erreurs, merci de nous les signaler via la page "À propos".

Topologie sur Rn - preuves (A)

Une boule ouverte est un ensemble ouvert

Démontrez que toute boule ouverte BN(a,R)B_N(a, R) dans Rn\mathbb{R}^n est un ensemble ouvert.

Indice

Pour prouver qu'un ensemble UU est ouvert, vous devez prendre un point arbitraire x∈Ux \in U et montrer qu'il existe une boule ouverte centrée en xx qui est entièrement contenue dans UU.

Soit xx un point quelconque dans la boule ouverte BN(a,R)B_N(a, R). Par définition, la distance de xx au centre aa est dN(x,a)<Rd_N(x, a) < R. L'idée est de montrer qu'il y a un "espace" entre xx et la frontière de la boule. Cet espace est donné par R−dN(x,a)R - d_N(x, a).

Utilisez l'inégalité triangulaire pour montrer qu'une petite boule centrée en xx de rayon r=R−dN(x,a)r = R - d_N(x, a) est bien incluse dans la boule initiale BN(a,R)B_N(a, R).

Solution

Soit U=BN(a,R)U = B_N(a, R) une boule ouverte de centre a∈Rna \in \mathbb{R}^n et de rayon R>0R > 0. Pour montrer que UU est un ensemble ouvert, nous devons vérifier la définition d'un ouvert : pour tout point x∈Ux \in U, il existe un rayon r>0r > 0 tel que BN(x,r)⊂UB_N(x, r) \subset U.

Étape 1 : Choisir un point et un rayon adéquat

Soit xx un point quelconque dans UU. Par définition de la boule ouverte, nous avons N(x−a)<RN(x - a) < R.

La distance entre xx et la "frontière" de la boule est R−N(x−a)R - N(x - a). Posons r=R−N(x−a)r = R - N(x - a). Puisque N(x−a)<RN(x-a) < R, nous avons bien r>0r > 0.

Nous allons montrer que la boule ouverte BN(x,r)B_N(x, r) est entièrement contenue dans UU.

Étape 2 : Démontrer l'inclusion en utilisant l'inégalité triangulaire

Soit yy un point quelconque dans BN(x,r)B_N(x, r). Par définition, cela signifie que N(y−x)<rN(y - x) < r.

Nous voulons montrer que y∈Uy \in U, c'est-à-dire que N(y−a)<RN(y - a) < R.

En utilisant l'inégalité triangulaire pour la norme NN, on a :

N(y−a)=N((y−x)+(x−a))≤N(y−x)+N(x−a)N(y - a) = N((y - x) + (x - a)) \le N(y - x) + N(x - a)

Nous savons que N(y−x)<rN(y - x) < r et par notre choix de rr, on a r=R−N(x−a)r = R - N(x - a). En substituant, on obtient :

N(y−a)<r+N(x−a)=(R−N(x−a))+N(x−a)=RN(y - a) < r + N(x - a) = (R - N(x - a)) + N(x - a) = R

Donc, N(y−a)<RN(y - a) < R.

Conclusion

Nous avons montré que pour tout y∈BN(x,r)y \in B_N(x, r), on a y∈BN(a,R)y \in B_N(a, R). Cela signifie que BN(x,r)⊂BN(a,R)B_N(x, r) \subset B_N(a, R).

Puisque nous avons trouvé un tel rayon r>0r>0 pour un point xx arbitraire de BN(a,R)B_N(a, R), nous concluons que la boule ouverte BN(a,R)B_N(a, R) est un ensemble ouvert.

L'intersection finie d'ouverts est un ouvert

Démontrez que si U1U_1 et U2U_2 sont deux ensembles ouverts de Rn\mathbb{R}^n, alors leur intersection U1∩U2U_1 \cap U_2 est aussi un ensemble ouvert.

Indice

Soit xx un point quelconque dans l'intersection U1∩U2U_1 \cap U_2. Par définition de l'intersection, xx appartient à la fois à U1U_1 et à U2U_2.

Puisque U1U_1 et U2U_2 sont des ouverts, vous pouvez trouver une boule ouverte centrée en xx contenue dans U1U_1 (de rayon r1r_1) et une autre boule ouverte centrée en xx contenue dans U2U_2 (de rayon r2r_2).

Comment construire, à partir de ces deux boules, une seule boule centrée en xx qui soit garantie d'être contenue à la fois dans U1U_1 et U2U_2, et donc dans leur intersection ? Pensez à la relation d'inclusion entre des boules de même centre mais de rayons différents.

Solution

Soient U1U_1 and U2U_2 deux ensembles ouverts dans Rn\mathbb{R}^n. Nous voulons montrer que leur intersection U=U1∩U2U = U_1 \cap U_2 est un ensemble ouvert.

Étape 1 : Appliquer la définition d'un ouvert

Soit xx un point quelconque de U=U1∩U2U = U_1 \cap U_2.

Par définition de l'intersection, x∈U1x \in U_1 et x∈U2x \in U_2.

Étape 2 : Utiliser le fait que U1U_1 et U2U_2 sont ouverts

Puisque U1U_1 est un ouvert et que x∈U1x \in U_1, il existe un rayon r1>0r_1 > 0 tel que la boule ouverte B(x,r1)B(x, r_1) soit entièrement incluse dans U1U_1.

B(x,r1)⊂U1B(x, r_1) \subset U_1

De même, puisque U2U_2 est un ouvert et que x∈U2x \in U_2, il existe un rayon r2>0r_2 > 0 tel que la boule ouverte B(x,r2)B(x, r_2) soit entièrement incluse dans U2U_2.

B(x,r2)⊂U2B(x, r_2) \subset U_2

Étape 3 : Construire une boule incluse dans l'intersection

Nous cherchons un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂U1∩U2B(x, r) \subset U_1 \cap U_2.

Posons r=min⁡(r1,r2)r = \min(r_1, r_2). Puisque r1>0r_1 > 0 et r2>0r_2 > 0, leur minimum rr est aussi strictement positif.

Montrons que B(x,r)B(x, r) est incluse dans U1U_1 et U2U_2.

  • Comme r≤r1r \le r_1, on a l'inclusion B(x,r)⊂B(x,r1)B(x, r) \subset B(x, r_1). Puisque B(x,r1)⊂U1B(x, r_1) \subset U_1, on a B(x,r)⊂U1B(x, r) \subset U_1.
  • Comme r≤r2r \le r_2, on a l'inclusion B(x,r)⊂B(x,r2)B(x, r) \subset B(x, r_2). Puisque B(x,r2)⊂U2B(x, r_2) \subset U_2, on a B(x,r)⊂U2B(x, r) \subset U_2.

Puisque B(x,r)B(x, r) est contenue à la fois dans U1U_1 et U2U_2, elle est contenue dans leur intersection :

B(x,r)⊂U1∩U2B(x, r) \subset U_1 \cap U_2

Conclusion

Pour tout point x∈U1∩U2x \in U_1 \cap U_2, nous avons trouvé un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂U1∩U2B(x, r) \subset U_1 \cap U_2. Par définition, l'ensemble U1∩U2U_1 \cap U_2 est donc un ouvert.

Cet argument se généralise par récurrence à toute intersection finie d'ensembles ouverts.

Caractérisation séquentielle des fermés (Partie 1)

Soit FF un sous-ensemble fermé de Rn\mathbb{R}^n. Démontrez que pour toute suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} d'éléments de FF qui converge vers une limite x∈Rnx \in \mathbb{R}^n, cette limite xx appartient nécessairement à FF.

Indice

Le point de départ est la définition d'un ensemble fermé : son complémentaire est ouvert.

Raisonnez par l'absurde. Supposez que la conclusion est fausse, c'est-à-dire que la limite xx de la suite n'appartient pas à FF.

Si x∉Fx \notin F, alors xx est dans le complémentaire de FF, noté Fc=Rn∖FF^c = \mathbb{R}^n \setminus F.

Puisque FF est fermé, FcF^c est ouvert. Utilisez la définition d'un ensemble ouvert pour le point xx pour trouver une contradiction avec le fait que la suite (xk)(x_k) converge vers xx.

Solution

Soit FF un ensemble fermé de Rn\mathbb{R}^n. Soit (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} une suite d'éléments de FF (c'est-à-dire xk∈Fx_k \in F pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}) qui converge vers une limite x∈Rnx \in \mathbb{R}^n. Nous voulons montrer que x∈Fx \in F.

Étape 1 : Raisonnement par l'absurde

Supposons, pour obtenir une contradiction, que x∉Fx \notin F.

Si x∉Fx \notin F, alors xx appartient au complémentaire de FF, que nous noterons U=Rn∖FU = \mathbb{R}^n \setminus F.

Étape 2 : Utiliser la définition d'un ensemble fermé

Par définition, si FF est un ensemble fermé, son complémentaire UU est un ensemble ouvert.

Puisque x∈Ux \in U et que UU est ouvert, il existe par définition un rayon ε>0\varepsilon > 0 tel que la boule ouverte B(x,ε)B(x, \varepsilon) soit entièrement incluse dans UU.

B(x,ε)⊂U=Rn∖FB(x, \varepsilon) \subset U = \mathbb{R}^n \setminus F

Cela signifie que la boule B(x,ε)B(x, \varepsilon) ne contient aucun point de FF. En d'autres termes, B(x,ε)∩F=∅B(x, \varepsilon) \cap F = \emptyset.

Étape 3 : Utiliser la définition de la convergence de la suite

La suite (xk)(x_k) converge vers xx. Par définition de la convergence, pour ce même ε>0\varepsilon > 0, il existe un rang K∈NK \in \mathbb{N} tel que pour tout k≥Kk \ge K, on a xk∈B(x,ε)x_k \in B(x, \varepsilon).

∀k≥K,N(xk−x)<ε\forall k \ge K, \quad N(x_k - x) < \varepsilon

Étape 4 : Mettre en évidence la contradiction

D'une part, nous savons que pour tout kk, xk∈Fx_k \in F. Cela est vrai en particulier pour tous les k≥Kk \ge K.

D'autre part, nous venons de voir que si k≥Kk \ge K, alors xk∈B(x,ε)x_k \in B(x, \varepsilon).

Cela implique que pour k≥Kk \ge K, le point xkx_k est à la fois dans FF et dans B(x,ε)B(x, \varepsilon).

Ceci contredit le fait que B(x,ε)∩F=∅B(x, \varepsilon) \cap F = \emptyset.

Conclusion

Notre hypothèse initiale (x∉Fx \notin F) mène à une contradiction. Par conséquent, l'hypothèse est fausse et nous devons avoir x∈Fx \in F.

Nous avons donc prouvé que si un ensemble est fermé, il est stable par passage à la limite des suites.

Caractérisation séquentielle des fermés (Partie 2)

Soit FF un sous-ensemble de Rn\mathbb{R}^n tel que pour toute suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} d'éléments de FF qui converge, sa limite appartient à FF. Démontrez que FF est un ensemble fermé.

Indice

Pour montrer que FF est fermé, il faut montrer que son complémentaire, U=Rn∖FU = \mathbb{R}^n \setminus F, est ouvert.

Pour ce faire, prenez un point xx arbitraire dans UU. Vous devez montrer qu'il existe un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂UB(x, r) \subset U.

Essayez de raisonner par l'absurde. Supposez qu'un tel rayon n'existe pas. Qu'est-ce que cela signifie ? Cela veut dire que pour tout r>0r > 0, la boule B(x,r)B(x, r) n'est pas incluse dans UU. Cela implique que pour tout r>0r > 0, B(x,r)B(x, r) doit rencontrer FF.

Utilisez cette propriété pour construire une suite de points dans FF qui converge vers xx. Appliquez ensuite l'hypothèse de l'énoncé pour aboutir à une contradiction.

Solution

Soit FF un sous-ensemble de Rn\mathbb{R}^n satisfaisant la propriété : pour toute suite (xk)(x_k) d'éléments de FF qui converge vers xx, on a x∈Fx \in F. Nous voulons montrer que FF est un ensemble fermé.

Pour cela, nous allons montrer que son complémentaire U=Rn∖FU = \mathbb{R}^n \setminus F est un ensemble ouvert.

Étape 1 : Montrer que le complémentaire est ouvert

Soit xx un point quelconque de UU. Par définition, x∉Fx \notin F. Nous devons montrer qu'il existe un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂UB(x, r) \subset U.

Étape 2 : Raisonnement par l'absurde

Supposons, pour obtenir une contradiction, qu'un tel rayon n'existe pas.

Cela signifie que pour tout r>0r > 0, la boule B(x,r)B(x, r) n'est pas contenue dans UU.

Si B(x,r)B(x, r) n'est pas contenue dans U=Rn∖FU = \mathbb{R}^n \setminus F, cela veut dire qu'elle contient au moins un point qui n'est pas dans UU, c'est-à-dire un point qui est dans FF.

Formellement :

∀r>0,B(x,r)∩F≠∅\forall r > 0, \quad B(x, r) \cap F \neq \emptyset

Étape 3 : Construire une suite convergente

Utilisons la propriété ci-dessus pour construire une suite. Pour chaque entier k≥1k \ge 1, choisissons rk=1/kr_k = 1/k.

Pour chaque rkr_k, la boule B(x,1/k)B(x, 1/k) a une intersection non vide avec FF. Nous pouvons donc choisir un point xkx_k dans cette intersection :

xk∈B(x,1/k)∩Fx_k \in B(x, 1/k) \cap F

En faisant cela pour chaque k≥1k \ge 1, nous construisons une suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}}.

Par construction, chaque xkx_k est dans FF.

De plus, pour chaque kk, on a N(xk−x)<1/kN(x_k - x) < 1/k. Comme 1/k→01/k \to 0 quand k→∞k \to \infty, cela signifie que la suite (xk)(x_k) converge vers xx.

Étape 4 : Appliquer l'hypothèse et conclure

Nous avons construit une suite (xk)(x_k) d'éléments de FF qui converge vers xx.

Or, l'hypothèse de l'énoncé est que pour toute suite de ce type, sa limite doit appartenir à FF.

Donc, xx doit appartenir à FF.

Ceci est une contradiction, car nous avons commencé par prendre xx dans U=Rn∖FU = \mathbb{R}^n \setminus F, ce qui signifie x∉Fx \notin F.

Conclusion

Notre supposition à l'étape 2 était fausse. Par conséquent, pour tout x∈Ux \in U, il doit exister un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂UB(x, r) \subset U.

Ceci prouve que UU est un ensemble ouvert, et donc que son complémentaire FF est un ensemble fermé.

L'intérieur d'un ensemble est un ouvert

Démontrez que pour toute partie A⊂RnA \subset \mathbb{R}^n, son intérieur A˚\mathring{A} est un ensemble ouvert.

Indice

Soit xx un point quelconque de l'intérieur A˚\mathring{A}.

Par définition de l'intérieur, que pouvez-vous dire sur le point xx ? Il existe une boule ouverte centrée en xx et contenue dans AA.

Votre but est de montrer que A˚\mathring{A} est ouvert. Vous devez donc trouver une boule ouverte centrée en xx qui est entièrement contenue dans A˚\mathring{A}.

Considérez la boule ouverte B(x,r)⊂AB(x, r) \subset A qui existe par définition. Prenez un point yy quelconque dans cette boule. Pourriez-vous montrer que ce point yy est lui-même un point intérieur à AA ? Si vous y parvenez, cela signifiera que la boule B(x,r)B(x, r) est entièrement contenue dans A˚\mathring{A}.

Solution

Soit AA une partie de Rn\mathbb{R}^n. L'intérieur de AA, noté A˚\mathring{A}, est l'ensemble des points x∈Ax \in A pour lesquels il existe un rayon r>0r > 0 tel que B(x,r)⊂AB(x, r) \subset A. Nous voulons montrer que A˚\mathring{A} est un ensemble ouvert.

Étape 1 : Appliquer la définition d'un ouvert

Soit xx un point quelconque de A˚\mathring{A}. Nous devons montrer qu'il existe une boule ouverte centrée en xx qui est entièrement contenue dans A˚\mathring{A}.

Étape 2 : Utiliser la définition de l'intérieur pour le point xx

Puisque x∈A˚x \in \mathring{A}, il existe par définition un rayon r>0r > 0 tel que la boule B(x,r)B(x, r) est entièrement contenue dans AA.

B(x,r)⊂AB(x, r) \subset A

Nous allons maintenant montrer que cette même boule B(x,r)B(x, r) est en fait entièrement contenue dans A˚\mathring{A}.

Étape 3 : Montrer que tout point de B(x,r)B(x, r) est un point intérieur de AA

Soit yy un point quelconque de la boule B(x,r)B(x, r).

Pour montrer que y∈A˚y \in \mathring{A}, nous devons trouver un rayon δ>0\delta > 0 tel que B(y,δ)⊂AB(y, \delta) \subset A.

La boule B(x,r)B(x, r) est un ensemble ouvert (comme démontré dans un exercice précédent). Puisque y∈B(x,r)y \in B(x, r), il existe un rayon δ>0\delta > 0 tel que la boule B(y,δ)B(y, \delta) soit entièrement contenue dans B(x,r)B(x, r). Par exemple, on peut prendre δ=r−N(y−x)>0\delta = r - N(y-x) > 0.

Nous avons donc la chaîne d'inclusions suivante :

B(y,δ)⊂B(x,r)⊂AB(y, \delta) \subset B(x, r) \subset A

Ceci montre que B(y,δ)⊂AB(y, \delta) \subset A.

Par définition du point intérieur, puisque nous avons trouvé un tel δ\delta, le point yy est un point intérieur de AA. Donc, y∈A˚y \in \mathring{A}.

Conclusion

Nous avons pris un point yy arbitraire dans B(x,r)B(x, r) et montré qu'il appartient à A˚\mathring{A}. Cela signifie que la boule entière B(x,r)B(x, r) est contenue dans A˚\mathring{A}.

B(x,r)⊂A˚B(x, r) \subset \mathring{A}

Puisque pour tout x∈A˚x \in \mathring{A}, nous avons trouvé une boule ouverte centrée en xx et incluse dans A˚\mathring{A}, nous concluons que A˚\mathring{A} est un ensemble ouvert.

L'adhérence d'un ensemble est un fermé

Démontrez que pour toute partie A⊂RnA \subset \mathbb{R}^n, son adhérence Aˉ\bar{A} est un ensemble fermé.

Indice

La méthode la plus directe est d'utiliser la caractérisation séquentielle des ensembles fermés.

Un ensemble FF est fermé si et seulement si pour toute suite convergente (yk)(y_k) d'éléments de FF, sa limite appartient aussi à FF.

Appliquez cette caractérisation à l'ensemble F=AˉF = \bar{A}. Prenez une suite (yk)(y_k) de points de Aˉ\bar{A} qui converge vers une limite yy. Votre objectif est de montrer que y∈Aˉy \in \bar{A}.

Pour chaque yk∈Aˉy_k \in \bar{A}, que nous dit la définition de l'adhérence ? Elle nous dit que toute boule centrée en yky_k rencontre AA. Utilisez cette information pour construire une nouvelle suite, cette fois composée de points de AA, qui converge vers yy.

Solution

Soit AA une partie de Rn\mathbb{R}^n. L'adhérence de AA, notée Aˉ\bar{A}, est l'ensemble des points x∈Rnx \in \mathbb{R}^n tels que toute boule ouverte centrée en xx rencontre AA. Nous voulons montrer que Aˉ\bar{A} est un ensemble fermé.

Nous utiliserons la caractérisation séquentielle des fermés.

Étape 1 : Prendre une suite convergente dans Aˉ\bar{A}

Soit (yk)k∈N(y_k)_{k \in \mathbb{N}} une suite de points de Aˉ\bar{A} qui converge vers une limite y∈Rny \in \mathbb{R}^n. Pour montrer que Aˉ\bar{A} est fermé, nous devons prouver que y∈Aˉy \in \bar{A}.

Étape 2 : Montrer que y∈Aˉy \in \bar{A}

Pour montrer que y∈Aˉy \in \bar{A}, nous devons prouver que pour tout ε>0\varepsilon > 0, la boule B(y,ε)B(y, \varepsilon) a une intersection non vide avec AA.

Soit ε>0\varepsilon > 0 fixé.

Puisque la suite (yk)(y_k) converge vers yy, il existe un rang KK tel que pour tout k≥Kk \ge K, on a yk∈B(y,ε/2)y_k \in B(y, \varepsilon/2).

N(yk−y)<ε/2N(y_k - y) < \varepsilon/2

Choisissons un de ces termes, par exemple yKy_K. On a yK∈Aˉy_K \in \bar{A} et yK∈B(y,ε/2)y_K \in B(y, \varepsilon/2).

Puisque yK∈Aˉy_K \in \bar{A}, toute boule centrée en yKy_K rencontre AA. En particulier, la boule B(yK,ε/2)B(y_K, \varepsilon/2) rencontre AA. Il existe donc un point a∈Aa \in A tel que a∈B(yK,ε/2)a \in B(y_K, \varepsilon/2), ce qui signifie :

N(a−yK)<ε/2N(a - y_K) < \varepsilon/2

Étape 3 : Montrer que le point aa est proche de yy

Nous avons maintenant un point a∈Aa \in A. Montrons qu'il est dans la boule B(y,ε)B(y, \varepsilon) :

N(a−y)=N((a−yK)+(yK−y))≤N(a−yK)+N(yK−y)N(a - y) = N((a - y_K) + (y_K - y)) \le N(a - y_K) + N(y_K - y)

En utilisant les inégalités trouvées :

N(a−y)<ε/2+ε/2=εN(a - y) < \varepsilon/2 + \varepsilon/2 = \varepsilon

Cela signifie que a∈B(y,ε)a \in B(y, \varepsilon).

Conclusion

Pour un ε>0\varepsilon > 0 arbitraire, nous avons trouvé un point a∈Aa \in A qui est aussi dans B(y,ε)B(y, \varepsilon).

Ceci prouve que B(y,ε)∩A≠∅B(y, \varepsilon) \cap A \neq \emptyset.

Comme cela est vrai pour tout ε>0\varepsilon > 0, le point yy est, par définition, un point adhérent à AA. Donc y∈Aˉy \in \bar{A}.

Nous avons montré que toute suite convergente de points de Aˉ\bar{A} a sa limite dans Aˉ\bar{A}. Par la caractérisation séquentielle des fermés, Aˉ\bar{A} est un ensemble fermé.

Caractérisation de l'adhérence par les suites

Démontrez qu'un point xx appartient à l'adhérence Aˉ\bar{A} d'un ensemble A⊂RnA \subset \mathbb{R}^n si et seulement s'il existe une suite d'éléments de AA qui converge vers xx.

Indice

Il s'agit d'une équivalence, il y a donc deux implications à démontrer.

1. (⇐\Leftarrow) S'il existe une suite de AA qui converge vers xx, alors x∈Aˉx \in \bar{A}.

Supposez qu'il existe une suite (xk)(x_k) avec xk∈Ax_k \in A pour tout kk, et xk→xx_k \to x.

Pour montrer que x∈Aˉx \in \bar{A}, vous devez montrer que pour tout r>0r>0, la boule B(x,r)B(x, r) rencontre AA.

Utilisez la définition de la convergence de la suite (xk)(x_k) pour trouver un élément de AA dans cette boule.

2. (⇒\Rightarrow) Si x∈Aˉx \in \bar{A}, alors il existe une suite de AA qui converge vers xx.

Supposez que x∈Aˉx \in \bar{A}. Par définition, cela signifie que pour tout r>0r>0, B(x,r)∩A≠∅B(x, r) \cap A \neq \emptyset.

Vous devez construire une suite (xk)(x_k) d'éléments de AA qui converge vers xx. Pensez à choisir une suite de rayons rkr_k qui tend vers 0 (par exemple rk=1/kr_k = 1/k) et à utiliser la propriété de l'adhérence pour chaque rayon afin de sélectionner un point xkx_k.

Solution

Nous devons démontrer les deux implications de l'équivalence.

Partie 1 : (⇐\Leftarrow) Existence d'une suite ⇒\Rightarrow Point adhérent

Hypothèse : Il existe une suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} d'éléments de AA (i.e., xk∈Ax_k \in A pour tout kk) telle que xk→xx_k \to x.

À démontrer : x∈Aˉx \in \bar{A}.

Pour montrer que x∈Aˉx \in \bar{A}, nous devons prouver que pour tout r>0r > 0, l'intersection B(x,r)∩AB(x, r) \cap A est non vide.

Soit r>0r > 0 un rayon arbitraire.

Par définition de la convergence de la suite (xk)(x_k) vers xx, il existe un rang K∈NK \in \mathbb{N} tel que pour tout k≥Kk \ge K, on a xk∈B(x,r)x_k \in B(x, r).

Puisque pour tout kk, on a xk∈Ax_k \in A, le point xKx_K (par exemple) est un élément qui appartient à la fois à AA et à B(x,r)B(x, r).

Donc, xK∈B(x,r)∩Ax_K \in B(x, r) \cap A, ce qui prouve que l'intersection est non vide.

Comme cela est vrai pour tout r>0r > 0, nous concluons que x∈Aˉx \in \bar{A}.

Partie 2 : (⇒\Rightarrow) Point adhérent ⇒\Rightarrow Existence d'une suite

Hypothèse : x∈Aˉx \in \bar{A}.

À démontrer : Il existe une suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} d'éléments de AA telle que xk→xx_k \to x.

Par définition de x∈Aˉx \in \bar{A}, pour tout rayon r>0r > 0, la boule B(x,r)B(x, r) a une intersection non vide avec AA.

Nous allons utiliser cette propriété pour construire notre suite.

Pour chaque entier k≥1k \ge 1, considérons le rayon rk=1/k>0r_k = 1/k > 0.

D'après l'hypothèse, la boule B(x,1/k)B(x, 1/k) a une intersection non vide avec AA.

Nous pouvons donc choisir un point, que nous nommerons xkx_k, dans cette intersection :

xk∈B(x,1/k)∩Ax_k \in B(x, 1/k) \cap A

En faisant cela pour chaque entier k≥1k \ge 1, nous construisons une suite (xk)k≥1(x_k)_{k \ge 1}.

Par construction :

  1. Chaque xkx_k est dans AA.
  2. Chaque xkx_k est dans B(x,1/k)B(x, 1/k), ce qui signifie que N(xk−x)<1/kN(x_k - x) < 1/k.

La deuxième condition nous dit que la suite (xk)(x_k) converge vers xx, car lorsque k→∞k \to \infty, 1/k→01/k \to 0, et donc N(xk−x)→0N(x_k - x) \to 0.

Nous avons donc réussi à construire une suite d'éléments de AA qui converge vers xx.

Conclusion

Les deux implications ayant été démontrées, l'équivalence est prouvée.

Caractérisation de la densité par les boules ouvertes

Démontrez qu'une partie A⊂RnA \subset \mathbb{R}^n est dense dans Rn\mathbb{R}^n si et seulement si toute boule ouverte non vide de Rn\mathbb{R}^n contient au moins un point de AA.

Indice

Rappelez-vous la définition de la densité : AA est dense dans Rn\mathbb{R}^n si Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n. Cela signifie que tout point de Rn\mathbb{R}^n est un point adhérent à AA.

1. (⇒\Rightarrow) Si AA est dense, alors toute boule ouverte rencontre AA.

Soit B(x,r)B(x, r) une boule ouverte non vide. Vous devez montrer que B(x,r)∩A≠∅B(x, r) \cap A \neq \emptyset.

Prenez un point dans cette boule, par exemple son centre xx. Puisque AA est dense, x∈Aˉx \in \bar{A}. Utilisez maintenant la définition d'un point adhérent pour la boule B(x,r)B(x, r).

2. (⇐\Leftarrow) Si toute boule ouverte rencontre AA, alors AA est dense.

Vous devez montrer que Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n. Pour cela, prenez un point xx quelconque dans Rn\mathbb{R}^n et montrez qu'il appartient à Aˉ\bar{A}.

Pour montrer que x∈Aˉx \in \bar{A}, vous devez prouver que pour tout r>0r > 0, la boule B(x,r)B(x, r) rencontre AA. L'hypothèse de cette implication vous donne directement la conclusion.

Solution

Nous devons démontrer les deux implications de l'équivalence.

Partie 1 : (⇒\Rightarrow) Densité ⇒\Rightarrow Toute boule ouverte rencontre AA

Hypothèse : AA est dense dans Rn\mathbb{R}^n. Cela signifie que Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n.

À démontrer : Pour toute boule ouverte non vide B(x,r)B(x, r) (avec x∈Rn,r>0x \in \mathbb{R}^n, r > 0), on a B(x,r)∩A≠∅B(x, r) \cap A \neq \emptyset.

Soit B(x,r)B(x, r) une boule ouverte non vide.

Par hypothèse, AA est dense, donc tout point de Rn\mathbb{R}^n est dans Aˉ\bar{A}. En particulier, le centre de la boule, xx, est dans Aˉ\bar{A}.

x∈Aˉx \in \bar{A}

Par définition de l'adhérence, un point xx est dans Aˉ\bar{A} si toute boule ouverte centrée en xx a une intersection non vide avec AA.

En appliquant cette définition à la boule B(x,r)B(x, r), on a directement :

B(x,r)∩A≠∅B(x, r) \cap A \neq \emptyset

Ceci achève la première partie de la preuve.

Partie 2 : (⇐\Leftarrow) Toute boule ouverte rencontre AA ⇒\Rightarrow Densité

Hypothèse : Toute boule ouverte non vide B(y,s)B(y, s) de Rn\mathbb{R}^n a une intersection non vide avec AA.

À démontrer : AA est dense dans Rn\mathbb{R}^n, c'est-à-dire Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n.

Pour montrer que Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n, nous devons montrer que tout point de Rn\mathbb{R}^n est un point adhérent à AA.

Soit xx un point quelconque de Rn\mathbb{R}^n.

Pour montrer que x∈Aˉx \in \bar{A}, nous devons vérifier la définition d'un point adhérent : pour tout r>0r > 0, la boule B(x,r)B(x, r) rencontre AA.

Soit r>0r > 0. La boule B(x,r)B(x, r) est une boule ouverte non vide de Rn\mathbb{R}^n.

Selon l'hypothèse de cette implication, toute boule de ce type doit rencontrer AA.

Donc, B(x,r)∩A≠∅B(x, r) \cap A \neq \emptyset.

Puisque ceci est vrai pour tout r>0r > 0, le point xx satisfait la définition d'un point adhérent à AA. Donc x∈Aˉx \in \bar{A}.

Comme xx était un point arbitraire de Rn\mathbb{R}^n, nous avons montré que Rn⊆Aˉ\mathbb{R}^n \subseteq \bar{A}. L'inclusion inverse Aˉ⊆Rn\bar{A} \subseteq \mathbb{R}^n étant triviale, nous avons Aˉ=Rn\bar{A} = \mathbb{R}^n.

Conclusion

Les deux implications ayant été démontrées, l'équivalence est prouvée.

Toute partie compacte est fermée

En utilisant la définition séquentielle (Bolzano-Weierstrass), démontrez que si une partie K⊂RnK \subset \mathbb{R}^n est compacte, alors elle est nécessairement fermée.

Indice

Pour montrer que KK est un ensemble fermé, utilisez la caractérisation séquentielle des fermés. Vous devez montrer que toute suite (xk)(x_k) d'éléments de KK qui converge vers une limite x∈Rnx \in \mathbb{R}^n a sa limite xx dans KK.

Soit donc (xk)(x_k) une suite d'éléments de KK qui converge vers xx.

Vous disposez de deux informations clés :

  1. La suite (xk)(x_k) est entièrement dans KK.
  2. KK est compact.

Utilisez la définition de la compacité sur la suite (xk)(x_k). Qu'est-ce que cela vous garantit ?

Vous obtiendrez une sous-suite qui converge. Quelle est la relation entre la limite de la suite et la limite de n'importe laquelle de ses sous-suites ?

Solution

Soit KK une partie compacte de Rn\mathbb{R}^n. Nous voulons montrer que KK est un ensemble fermé. Nous allons utiliser la caractérisation séquentielle des fermés.

Étape 1 : Utiliser la caractérisation séquentielle des fermés

Pour montrer que KK est fermé, nous devons prouver la propriété suivante : pour toute suite (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} d'éléments de KK qui converge vers une limite x∈Rnx \in \mathbb{R}^n, on a x∈Kx \in K.

Étape 2 : Appliquer les hypothèses

Soit (xk)k∈N(x_k)_{k \in \mathbb{N}} une suite telle que :

  1. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, xk∈Kx_k \in K.
  2. La suite (xk)(x_k) converge vers une limite x∈Rnx \in \mathbb{R}^n.

Étape 3 : Utiliser la définition de la compacité

Puisque KK est compact et que (xk)(x_k) est une suite d'éléments de KK, la définition de la compacité (Bolzano-Weierstrass) nous assure qu'il est possible d'extraire de (xk)(x_k) une sous-suite, notée (xkj)j∈N(x_{k_j})_{j \in \mathbb{N}}, qui converge vers une limite yy appartenant à KK.

∃(xkj)j∈N sous-suite de (xk) et ∃y∈K tels que lim⁡j→∞xkj=y\exists (x_{k_j})_{j \in \mathbb{N}} \text{ sous-suite de } (x_k) \text{ et } \exists y \in K \text{ tels que } \lim_{j \to \infty} x_{k_j} = y

Étape 4 : Conclure avec l'unicité de la limite

Nous avons maintenant deux informations sur les limites :

  • La suite mère (xk)(x_k) converge vers xx.
  • Une sous-suite (xkj)(x_{k_j}) converge vers y∈Ky \in K.

Un théorème fondamental sur les suites stipule que si une suite converge vers une limite, alors toutes ses sous-suites convergent vers cette même limite.

Par conséquent, la limite de la sous-suite (xkj)(x_{k_j}) doit être la même que la limite de la suite (xk)(x_k).

y=xy = x

Puisque nous savons que y∈Ky \in K, il s'ensuit que x∈Kx \in K.

Conclusion

Nous avons montré que pour toute suite convergente d'éléments de KK, sa limite est dans KK. Par la caractérisation séquentielle des fermés, l'ensemble KK est fermé.

Toute partie compacte est bornée

En utilisant la définition séquentielle (Bolzano-Weierstrass), démontrez que si une partie K⊂RnK \subset \mathbb{R}^n est compacte, alors elle est nécessairement bornée.

Indice

Raisonnez par l'absurde. Supposez que l'ensemble compact KK n'est pas borné.

Par définition, un ensemble n'est pas borné s'il n'est contenu dans aucune boule de centre l'origine.

∀R>0,K⊄B(0,R)\forall R > 0, \quad K \not\subset B(0, R)

Cela signifie que pour tout R>0R > 0, il existe un point dans KK dont la norme est plus grande que RR.

Utilisez cette propriété pour construire une suite de points (xk)(x_k) dans KK telle que la norme de ces points, N(xk)N(x_k), tende vers l'infini.

Ensuite, demandez-vous ce que la compacité de KK implique pour cette suite (xk)(x_k). Pourrait-elle avoir une sous-suite convergente ? Quelle est la norme de la limite d'une suite convergente ? Cela devrait mener à une contradiction.

Solution

Soit KK une partie compacte de Rn\mathbb{R}^n. Nous voulons montrer que KK est bornée. Nous allons procéder par l'absurde.

Étape 1 : Raisonnement par l'absurde

Supposons que KK n'est pas bornée.

Par définition, cela signifie que pour tout réel R>0R > 0, l'ensemble KK n'est pas contenu dans la boule BN(0,R)B_N(0, R).

Autrement dit, pour tout R>0R > 0, il existe au moins un élément x∈Kx \in K tel que N(x)≥RN(x) \ge R.

Étape 2 : Construire une suite dont la norme tend vers l'infini

Utilisons la propriété ci-dessus pour construire une suite.

  • Pour R=1R=1, il existe x1∈Kx_1 \in K tel que N(x1)≥1N(x_1) \ge 1.
  • Pour R=2R=2, il existe x2∈Kx_2 \in K tel que N(x2)≥2N(x_2) \ge 2.
  • Pour un entier quelconque k≥1k \ge 1, il existe un point xk∈Kx_k \in K tel que N(xk)≥kN(x_k) \ge k.

En faisant cela pour tous les entiers k≥1k \ge 1, nous construisons une suite (xk)k≥1(x_k)_{k \ge 1} d'éléments de KK telle que N(xk)→∞N(x_k) \to \infty lorsque k→∞k \to \infty.

Étape 3 : Utiliser la compacité de KK

Par hypothèse, KK est compact. Puisque (xk)(x_k) est une suite d'éléments de KK, elle doit admettre une sous-suite, notée (xkj)j∈N(x_{k_j})_{j \in \mathbb{N}}, qui converge vers une limite y∈Ky \in K.

lim⁡j→∞xkj=y,avec y∈K\lim_{j \to \infty} x_{k_j} = y, \quad \text{avec } y \in K

Étape 4 : Mettre en évidence la contradiction

Si une suite de vecteurs converge, alors la suite de ses normes converge vers la norme de sa limite. La norme étant une fonction continue, on a :

lim⁡j→∞N(xkj)=N(lim⁡j→∞xkj)=N(y)\lim_{j \to \infty} N(x_{k_j}) = N \left( \lim_{j \to \infty} x_{k_j} \right) = N(y)

La limite N(y)N(y) est une valeur finie, puisque yy est un point fixe de Rn\mathbb{R}^n. La suite de réels (N(xkj))(N(x_{k_j})) est donc une suite convergente (et donc bornée).

Cependant, par construction de notre suite initiale (xk)(x_k), nous avons N(xk)≥kN(x_k) \ge k. Pour la sous-suite (xkj)(x_{k_j}), on a donc N(xkj)≥kjN(x_{k_j}) \ge k_j. Comme les indices kjk_j tendent vers l'infini lorsque j→∞j \to \infty, on a :

lim⁡j→∞N(xkj)=∞\lim_{j \to \infty} N(x_{k_j}) = \infty

Nous avons donc montré que la suite (N(xkj))(N(x_{k_j})) converge vers une valeur finie N(y)N(y) et qu'elle tend vers l'infini. C'est une contradiction.

Conclusion

Notre hypothèse initiale ("KK n'est pas bornée") est fausse. Par conséquent, KK doit être bornée.