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Cours · Bac+5 (ingénieur/expert)

Analyse fonctionnelle

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Espaces de Banach

Non commencé

Définitions

Espace de Banach = espace vectoriel normé complet (suite Cauchy converge). Exemples : Rn\mathbb{R}^n (∥⋅∥p\|\cdot\|_p), Lp(Ω)L^p(\Omega), espaces continus C(K)C(K) avec ∥f∥∞\|f\|_\infty. Théorème de Banach-Steinhaus (principe uniforme boundedness), Banach ouverture, graphe fermé.

Dual E′E' : formes linéaires continues. Hahn-Banach prolonge formes linéaires. Réflexif si E≅E′′E \cong E''. Théorème de Baire : Banach non union dénombrable fermés d'intérieur vide.

Espace de Banach : EV normé complet. Exemples : LpL^p, C(K)C(K), ℓp\ell^p. Théorèmes : Hahn-Banach, Banach-Steinhaus, application ouverte.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • ∥x∥≥0, ∥x∥=0⇔x=0, ∥λx∥=∣λ∣∥x∥, ∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥\|x\| \geq 0,\ \|x\|=0 \Leftrightarrow x=0,\ \|\lambda x\| = |\lambda|\|x\|,\ \|x+y\| \leq \|x\|+\|y\|
  • Complet : Cauchy ⇒ converge\text{Complet : Cauchy } \Rightarrow \text{ converge}
  • ∥T∥=sup⁡∥x∥=1∥Tx∥(opeˊrateur borneˊ)\|T\| = \sup_{\|x\|=1} \|Tx\| \quad \text{(opérateur borné)}
  • Baire : E=⋃Fn⇒∃n, Fn˚≠∅\text{Baire : } E = \bigcup F_n \Rightarrow \exists n,\ \mathring{F_n} \neq \emptyset

Exemples

Exemple 1

Rn\mathbb R^n avec une norme : Banach ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Oui : dim finie ⇒\Rightarrow complet pour toute norme. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Banach.

Exemple 2

(C[0,1],∥⋅∥∞)(C[0,1],\|\cdot\|_\infty).

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Complet : limite uniforme de continues = continue. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Banach classique.

À retenir

Espaces de Hilbert

Non commencé

Définitions

Espace de Hilbert = Banach dont norme provient produit scalaire ⟨⋅,⋅⟩\langle \cdot, \cdot \rangle. Identité parallélogramme caractérise Hilbert. Projection sur convexe fermé : unique minimisateur distance. Base hilbertienne (ei)(e_i) ON : x=∑⟨x,ei⟩eix = \sum \langle x, e_i \rangle e_i.

Riesz-Fischer : L2L^2 complet. Séparable si base dénombrable. Applications : signal processing, quantique, moindres carrés infinis.

Espace de Hilbert : produit scalaire + complet. Projection orthogonale, Riesz, bases hilbertiennes, Parseval.

L2L^2 prototype ingénieur (signaux d'énergie finie).

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • ∥x∥2=⟨x,x⟩;∥x+y∥2+∥x−y∥2=2(∥x∥2+∥y∥2)\|x\|^2 = \langle x, x \rangle \quad ; \quad \|x+y\|^2 + \|x-y\|^2 = 2(\|x\|^2 + \|y\|^2)
  • p(x)=arg⁡min⁡y∈C∥x−y∥(projection convexe fermeˊ)p(x) = \arg\min_{y \in C} \|x - y\| \quad \text{(projection convexe fermé)}
  • x=∑i=1∞⟨x,ei⟩ei(Parseval)x = \sum_{i=1}^\infty \langle x, e_i \rangle e_i \quad \text{(Parseval)}
  • ∀φ∈H′, ∃!y, φ(x)=⟨x,y⟩\forall \varphi \in H',\ \exists! y,\ \varphi(x) = \langle x, y \rangle

Exemples

Exemple 1

Identité du parallélogramme.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Caractérise les normes hilbertiennes : ∥x+y∥2+∥x−y∥2=2∥x∥2+2∥y∥2\|x+y\|^2+\|x-y\|^2=2\|x\|^2+2\|y\|^2. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Parallélogramme ⇔\Leftrightarrow hilbertien.

Exemple 2

Projection sur un SEV fermé.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Existence/unicité du projeté ; x−p(x)⊥Fx-p(x)\perp F. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Théorème de projection.

À retenir

Opérateurs

Non commencé

Définitions

Opérateur linéaire borné T:E→FT : E \to F : ∥T∥=sup⁡∥x∥=1∥Tx∥<∞\|T\| = \sup_{\|x\|=1}\|Tx\| < \infty. Compact : image boule unité relativement compacte (suite ∥xn∥≤1\|x_n\| \leq 1 ⇒\Rightarrow TxnTx_n admet sous-suite convergente). Spectre σ(T)={λ:T−λI non inversible}\sigma(T) = \{\lambda : T-\lambda I \text{ non inversible}\}.

Compact : spectre ⊂C\subset \mathbb{C} compact, λ≠0\lambda \neq 0 vp isolée de multiplicité finie. Auto-adjoint Hilbert : spectre réel, diagonalisable (spectral). Théorème de Fredholm pour I+KI + K, KK compact.

Opérateurs bornés T:E→FT:E\to F, norme ∥T∥\|T\|. Spectre, adjoint, compacts. Valeurs propres / spectre continu.

Diagonalisation spectrale (autoadjoint compact).

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • ∥T∥=sup⁡x≠0∥Tx∥∥x∥\|T\| = \sup_{x \neq 0} \frac{\|Tx\|}{\|x\|}
  • T compact ⇔T(B(0,1)) relativement compactT \text{ compact } \Leftrightarrow T(B(0,1)) \text{ relativement compact}
  • σ(T) fermeˊ ;λ∈σ(T)⇔T−λI non bijectif\sigma(T) \text{ fermé } ; \quad \lambda \in \sigma(T) \Leftrightarrow T-\lambda I \text{ non bijectif}
  • T=T∗⇒σ(T)⊂RT = T^* \Rightarrow \sigma(T) \subset \mathbb{R}

Exemples

Exemple 1

Norme d'opérateur.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) ∥T∥=sup⁡∥x∥≤1∥Tx∥\|T\|=\sup_{\|x\|\leq 1}\|Tx\| ; borné ⇔\Leftrightarrow continu linéaire. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

∥T∥<∞\|T\|<\infty ⇔\Leftrightarrow continu.

Exemple 2

Spectre vs vp.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Vp ⇒\Rightarrow dans le spectre ; en dim infinie le spectre peut être plus large. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Spectre ⊃\supset ensemble des vp.

À retenir