Espaces vectoriels normés — Mines-Ponts

Exercices corrigés des Mines-Ponts sur le thème « espaces vectoriels normés », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) normes équivalentes ; normes ; densité
Sur {E=C^0([0,1],\mathbb{R})}, poser {N_g(f)=\int_0^1|fg|} pour {g\in E}.

Quand {N_g} est-elle une norme ?

Dans ce cas, quand est-elle équivalente à {N_1} ?

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Exercice 2. (★) norme d’une forme linéaire ; continuité linéaire ; norme uniforme
Pour {P\in\mathbb{R}[X]}, poser {N(P)=\max_{[0,1]}|P|}.

Montrer que {N} est une norme et étudier la continuité de {P\mapsto P(0)}.

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Exercice 3. (★★★) normes équivalentes ; normes ; continuité linéaire
Sur l’espace {E} des fonctions réelles continues bornées sur {\mathbb{R}}, poser {N_p(f)=\sup_{t\in\mathbb{R}}|t^pe^{-|t|}f(t)|}, {p\geq1}.

Montrer que c’est une norme.

Étudier la continuité de {f\mapsto f(c)}.

Les normes {N_p,N_q}, pour {p\ne q}, sont-elles équivalentes ?

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Exercice 4. (★★★) dimension finie ; normes équivalentes ; formules de Taylor
Soit {f\in C^{n+1}(\mathbb{R},\mathbb{R})}, avec {f} et {f^{(n+1)}} bornées.
1) Pour {x\in\mathbb{R}}, {h\in[0,1]}, montrer qu’il existe {g_{n+1}(x,h)} tel que {\left|\sum_{k=1}^n\frac{f^{(k)}(x)}{k!}h^k\right| =|f(x+h)-f(x)-g_{n+1}(x,h)|,}{|g_{n+1}(x,h)|\leq\frac{\lVert f^{(n+1)}\rVert_\infty}{(n+1)!}h^{n+1}.}2) Montrer que {N(\sum\limits_{k=0}^na_kX^k)=\sum\limits_{k=0}^n|a_k|} est une norme sur {\mathbb{R}_n[X]}.

3) En déduire que {f',\ldots,f^{(n)}} sont bornées.

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Exercice 5. (★★★★) continuité ; Cauchy-Schwarz ; normes équivalentes
Sur {E=C^1([0,1],\mathbb{R})}, étudier la continuité de {\Phi(f)=e^f} pour la norme uniforme.

Montrer que {N(f)=(f(0)^2+\int_0^1(f')^2)^{1/2}} est une norme, la comparer à la norme uniforme et étudier la continuité de {\Phi} pour {N}.

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Exercice 6. (★★★★) Espaces vectoriels et applications linéaires ; normes subordonnées ; isomorphismes
Munir {E=\left\{f\in C^2([0,1],\mathbb{C}):f(0)=f(1)=0\right\}} et {F=C([0,1],\mathbb{C})} de la norme uniforme.

Montrer que {\Phi(f)=f''} est un isomorphisme algébrique.

Pour {g\in F}, étudier la régularité sur {\mathbb{R}} de {G(x)=\int_0^1|x-t|g(t)\,dt} et calculer {G''} sur {]0,1[}.

Trouver un noyau continu {k} sur {[0,1]^2} représentant {\Phi^{-1}} et calculer {\sup_{\lVert g\rVert_\infty\leq1}\lVert \Phi^{-1}(g)\rVert_\infty}.

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Exercice 7. (★★★) norme d’une forme linéaire ; norme uniforme ; continuité linéaire
Sur {C([0,1],\mathbb{R})} muni de la norme supérieure, poser {u(f)=\sum\limits_{k\ge1}(-1/2)^kf(1/k)}.

Montrer que {u} est bien définie, continue, et calculer sa norme.

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Exercice 8. (★★) applications lipschitziennes ; parties convexes ; segments
Pour {D=\left\{x\in(\mathbb{R}_+)^n:\sum\limits x_i^2\lt 1,\ \sum\limits x_i>1\right\}}, que dire d’une fonction telle que {|f(x)-f(y)|\le\lVert x-y\rVert^2} sur {D} ?
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Exercice 9. (★★) dimension finie ; applications lipschitziennes ; suites récurrentes
Montrer qu’une application {k}-lipschitzienne, {0\lt k\lt 1}, d’un espace normé de dimension finie dans lui-même possède un unique point fixe.
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Exercice 10. (★★) norme d’une forme linéaire ; continuité linéaire ; norme uniforme
Sur {C([-1,1],\mathbb{R})} muni de la norme supérieure, poser {\varphi(f)=\int_0^1f-\int_{-1}^0f}.

Montrer sa continuité et calculer sa norme.

Existe-t-il une fonction unitaire telle que {|\varphi(f)|=\lVert f\rVert} ?

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Exercice 11. (★★★) norme euclidienne ; applications lipschitziennes ; produit scalaire
Montrer que {f(x)=x/\max(\lVert x\rVert,1)} est {1}-lipschitzienne sur un espace euclidien.
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Exercice 12. (★★) normes équivalentes ; produit scalaire ; Cauchy-Schwarz
Soient {E=C^1([0,1],\mathbb{R})} et {N(f)=\sqrt{f(0)^2+\int_0^1f'(t)^2\,dt}.}
1) Montrer que {N} est une norme sur {E}.

2) Comparer {N} à la norme {\lVert \cdot\rVert_\infty}.

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Exercice 13. (★★★★) normes équivalentes ; norme uniforme ; théorème fondamental
Pour {a\in\mathbb{R}} et {P\in\mathbb{R}[X]}, on pose {N_a(P)=|P(a)|+\int_0^1|P'(t)|\,dt}.
1) Montrer que {N_a} est une norme pour tout {a}.

2) Pour {a,b\in\mathbb{R}}, les normes {N_a,N_b} sont-elles équivalentes ?

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Exercice 14. (★★★★) normes ; bases ; convergence
Soit {Q\in\mathbb{R}[X]}.

Construire une norme {N} sur {\mathbb{R}[X]} telle que {N(X^n-Q)\to0}.

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Exercice 15. (★★★) norme uniforme ; normes équivalentes ; bornes atteintes
Soit {Q\in\mathbb{R}[X]} non nul et {\lVert P\rVert_Q=\sup_{x\in[-1,1]}|P(x)Q(x)|}.
1) Montrer que {\lVert \cdot\rVert_Q} est une norme sur {\mathbb{R}[X]}.
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2) À quelle condition est-elle équivalente à {\lVert \cdot\rVert_1} ?
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3) Si {c\in[-1,1]} est une racine de {Q}, trouver {P} tel que {P(c)=1}, {P'(c)=0} et {0\le P(x)\lt 1} pour {x\in[-1,1]\setminus\left\{c\right\}}.
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4) Montrer que {\lVert P^n\rVert_Q\to0}.
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5) Qu’en déduire ?
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Exercice 16. (★★) norme d’une forme linéaire ; continuité linéaire ; séries géométriques
On munit {\mathbb{C}[X]} de la norme {\lVert P\rVert=\max_k|p_k|} pour {P=\sum\limits_kp_kX^k}.

Déterminer les {b\in\mathbb{C}} pour lesquels {P\mapsto P(b)} est continue.

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Exercice 17. (★★★) norme d’une forme linéaire ; distance à un sous-espace ; bornes inférieures
Soient {E} un espace normé, {f} une forme linéaire continue non nulle et {x_0\in E} tel que {f(x_0)\ne0}.
1) Montrer que {\lVert f\rVert_{\mathrm{op}}=|f(x_0)|/d(x_0,\ker f)}.

2) Montrer l’équivalence de : (i) il existe {a\ne0} tel que {\lVert f\rVert_{\mathrm{op}}=|f(a)|/\lVert a\rVert} ;

(ii) il existe {y\in\ker f} tel que {d(x_0,\ker f)=\lVert x_0-y\rVert}.

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Exercice 18. (★★★) sous-multiplicativité ; normes subordonnées ; exponentielle de matrice
Soient une norme {\lVert \cdot\rVert} sur {\mathbb{R}^n} et sa norme d’opérateur associée {\lVert \cdot\rVert_{\mathrm{op}}}.
1) Montrer qu’il s’agit d’une norme sur {M_n(\mathbb{R})} et qu’elle est sous-multiplicative.
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2) Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, poser {u_k(A)=(I_n+A/k)^k}.

Montrer la convergence et préciser la limite, d’abord pour {A} diagonalisable, puis dans le cas général.

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Exercice 19. (★★★★) Groupe symétrique, déterminants ; multilinéarité ; normes
Soient une norme {\lVert \cdot\rVert} sur {M_n(\mathbb{R})} et {S=\left\{M:\lVert M\rVert=1\right\}}.
1) Montrer qu’il existe {U\in S} maximisant {\det M} sur {S}, et que {U} est inversible.
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2) Pour {A\in M_n(\mathbb{R})}, poser {N(A)=\max_{M\in S}\operatorname{tr}(AM)}.

Montrer que {N} est une norme.

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3) Que dire de {N(U^{-1})} ? Le calculer pour {n=2}.
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Exercice 20. (★★★★) normes subordonnées ; sous-multiplicativité ; calcul matriciel
Soient {E} un espace normé et {f,g\in\mathcal L_c(E)}. On suppose {fg-gf=\lambda I}.

Montrer que {\lambda=0}.

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Exercice 21. (★★) norme d’une forme linéaire ; norme uniforme ; continuité linéaire
Soit {E} l’espace des fonctions bornées de {\mathbb{R}} dans {\mathbb{R}}, muni de la norme uniforme. Soit {\mu} une forme linéaire envoyant toute fonction à valeurs dans {\mathbb{R}_+} sur un réel positif ou nul.

Montrer que {\mu} est continue.

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Exercice 22. (★★) norme uniforme ; continuité linéaire ; caractérisation séquentielle
Donner un exemple de forme linéaire discontinue sur un espace normé.
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Exercice 23. (★★★★) normes équivalentes ; théorème fondamental ; relations de récurrence
Pour {a\in\mathbb{R}} et {P\in\mathbb{R}[X]}, on pose {N_a(P)=|P(a)|+\max_{x\in[-1,1]}|P'(x)|}.
1) Justifier que {N_a} est une norme.
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2) Pour {a,b\in\mathbb{R}}, {N_a} et {N_b} sont-elles équivalentes ?
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Exercice 24. (★★★★) normes équivalentes ; intégration par parties ; produit scalaire
Pour {P\in\mathbb{R}[X]}, on pose {\lVert P\rVert_\infty=\sup_{t\in[0,1]}|P(t)|}, {\lVert P\rVert_1=\int_0^1|P(t)|\,dt} et {N(P)=\sup_{n\in\mathbb{N}}|\int_0^1t^nP(t)\,dt|}.
1) Montrer que {N} est une norme.
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2) Comparer {N} et {\lVert \cdot\rVert_\infty}.
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3) Comparer {N} et {\lVert \cdot\rVert_1}.
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Exercice 25. (★★★) normes équivalentes ; convergence uniforme ; bornes atteintes
Soit {Q\in\mathbb{R}[X]\setminus\left\{0\right\}} et {\lVert P\rVert_Q=\sup_{t\in[-1,1]}|P(t)Q(t)|}.
1) Montrer qu’il s’agit d’une norme.
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2) Avec {Q_1=1}, donner une condition suffisante pour que {\lVert \cdot\rVert_Q} et {\lVert \cdot\rVert_{Q_1}} soient équivalentes.
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3) Si {Q(\alpha)=0} pour {\alpha\in[-1,1]}, construire un polynôme {P} de degré deux tel que {P(\alpha)=1}, {P'(\alpha)=0} et {0\le P(t)\lt 1} ailleurs sur le segment.

Montrer que {P^nQ} converge uniformément vers zéro, puis conclure à la non-équivalence des normes.

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Exercice 26. (★★) similitude ; Espaces euclidiens ; normes usuelles
1) Existe-t-il une norme sur {\mathcal M_n(\mathbb{R})} invariante par toute similitude {A\mapsto P^{-1}AP}, {P\in\mathrm{GL}_n(\mathbb{R})} ?
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2) Même question pour les similitudes orthogonales.
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Exercice 27. (★★) normes ; dimension finie ; bornes atteintes
Soient {N_1,N_2,N_3} des normes respectivement sur {\mathbb{R}_m[X]}, {\mathbb{R}_n[X]} et {\mathbb{R}_{n+m}[X]}.
1) Justifier que {N_4(P,Q)=N_1(P)+N_2(Q)} est une norme sur l’espace produit.
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2) Montrer que {\inf_{P\ne0,\ Q\ne0}\frac{N_3(PQ)}{N_1(P)N_2(Q)}>0.}
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Exercice 28. (★★) inégalité triangulaire ; segments ; limites
Soient {E} un espace normé et {f:E\to E} telle que {\lVert f(x)-f(y)\rVert\le\lVert x-y\rVert^2} pour tous {x,y}.

Montrer que {f} est constante.

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Exercice 29. (★★★★) intégration par parties ; continuité linéaire ; Cauchy-Schwarz
Soit {E=C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})\cap L^2}, muni de la norme {\lVert \cdot\rVert_2}.

Pour {f\in E}, on définit {\varphi(f)(x)=\begin{cases}\dfrac1x\int_0^xf(t)\,dt,&x>0,\\[4pt]f(0),&x=0.\end{cases}}Montrer que {\varphi} est un endomorphisme continu de {E}.

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Exercice 30. (★★★) norme d’une forme linéaire ; norme uniforme ; distance à un sous-espace
1) Soient {E} normé, {f} une forme linéaire continue non nulle et {x_0} avec {f(x_0)\ne0}.

Montrer que {\lVert f\rVert_{\mathrm{op}}=|f(x_0)|/d(x_0,\ker f)}.

Montrer l’équivalence entre : {|f(a)|=\lVert f\rVert_{\mathrm{op}}} pour un {a} unitaire ; la distance de {x_0} à {\ker f} est atteinte.

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2) Sur {C^0([-1,1],\mathbb{R})} muni de la norme uniforme, montrer que {\Phi(u)=\int_0^1u(t)\,dt-\int_{-1}^0u(t)\,dt} est une forme linéaire continue et calculer sa norme.
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Exercice 31. (★★★★★) produit scalaire ; intégration par parties ; Cauchy-Schwarz
Soit {E} l’ensemble des fonctions réelles continues sur {\mathbb{R}} et de carré intégrable, avec {\lVert f\rVert=(\int_{\mathbb{R}}f^2)^{1/2}}.
1) Montrer que c’est un espace vectoriel normé.
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2) Si {f\in E\cap C^2} et {f''\in E}, montrer que {f'\in E} et {\lVert f'\rVert^2\le\lVert f\rVert\lVert f''\rVert}.
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Exercice 32. (★★★★) inégalités de convexité ; normes ; bornes atteintes
Soient {a\lt b} et {E=C^0([a,b],\mathbb{R})}. Pour {p\ge1} entier, on pose {\lVert f\rVert_p=(\int_a^b|f|^p)^{1/p}}.
1) Montrer que c’est une norme.
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2) Calculer {\lim_{p\to\infty}\lVert f\rVert_p}.
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3) Pour {f\ge0} et {g>0} continues sur le segment, calculer {\lim_{p\to\infty}(\int_a^bgf^p)^{1/p}}.
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Exercice 33. (★★) différentiabilité ; normes ; dérivées directionnelles
Soient {E} un espace vectoriel normé non nul et {N} une norme quelconque sur {E}.

Montrer que {N} n’est pas différentiable en zéro.

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PSI


Exercice 1. (★★) Normes équivalentes ; Suites convergentes ; Normes
1) Montrer que deux normes équivalentes donnent les mêmes suites convergentes.
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2) Sur {\mathbb{R}[X]}, montrer que {N_a(P)=|P(a)|+\lVert P'\rVert_{\infty,[0,1]}} est une norme.
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3) Pour {a,b\in[0,1]}, montrer que {N_a,N_b} sont équivalentes.
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4) Pour quelles valeurs de {a} la suite {((X/2)^n)} converge-t-elle pour {N_a} ?
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Exercice 2. (★★★★) Norme issue d’un produit scalaire ; Identité du parallélogramme ; Polarisation
1) Établir l’identité du parallélogramme pour une norme euclidienne.
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2) Donner une norme non euclidienne en dimension finie et en dimension infinie.
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3) Si une norme satisfait cette identité, déterminer {\alpha} tel que {\varphi(x,y)=\alpha(\lVert x+y\rVert^2-\lVert x-y\rVert^2)} soit son produit scalaire associé.

Montrer l’unicité et l’existence de ce produit scalaire.

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Exercice 3. (★★) Positivité ; Norme uniforme ; Formes linéaires
Soit {u} une forme linéaire positive sur {C([a,b],\mathbb{R})}.

Montrer {|u(f)|\leq u(|f|)}.

Avec {e=1}, calculer {\sup_{f\neq0}|u(f)|/\lVert f\rVert_\infty}.

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Exercice 4. (★★★★) Normes équivalentes ; Norme intégrale ; Suites convergentes
Soient {N_1,N_2} deux normes sur un espace réel {E}.
1) Montrer que l’équivalence des normes entraîne l’équivalence des convergences de suites.

2) Montrer la réciproque.

3) Sur {\mathbb{R}[X]}, poser {N_a(P)=|P(a)|+\int_0^1|P'(t)|dt}.

Montrer que {N_a,N_b} sont équivalentes pour {a,b\in[0,1]}.

4) Pour {P_n=X^{n^2}/2^n}, déterminer les {a} pour lesquels {(P_n)} converge pour {N_a} et sa limite.

5) En déduire que {N_a,N_b} ne sont pas équivalentes si {0\leq a\lt b} et {b>1}.

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Exercice 5. (★★★) équivalence des normes ; normes ; densité
Sur {E=C^0([0,1],\mathbb{R})}, pour {\varphi\in E}, poser {N_\varphi(f)=\lVert f\varphi\rVert_\infty}.

Montrer que c’est une norme exactement lorsque l’ensemble des zéros de {\varphi} est d’intérieur vide, et qu’elle est équivalente à la norme uniforme exactement lorsque {\varphi} ne s’annule pas.

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Exercice 6. (★★) applications lipschitziennes ; axiomes d’une norme ; Espaces vectoriels et applications linéaires
Soit {E} l’ensemble des fonctions lipschitziennes sur {[0,1]}, et {K(f)} l’infimum de leurs constantes de Lipschitz.

Montrer que {E} est un espace vectoriel, que {f} est {K(f)}-lipschitzienne, calculer {K(P)} pour les polynômes, dire si {K} est une norme, prouver {\lVert f\rVert_\infty\le\inf|f|+K(f)} et étudier la bornitude de {K(f)/\lVert f\rVert_\infty} pour {f\ne0}.

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PC


Exercice 1. (★★★★) Normes équivalentes ; Boules ; Parties convexes
Montrer que la boule unité fermée d’un espace normé de dimension finie est fermée, bornée, convexe, symétrique et contient zéro dans son intérieur.

Réciproquement, pour {K} ayant ces propriétés, montrer que {J(x)=\inf\left\{r>0:x/r\in K\right\}} est une norme de boule unité {K}.

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Exercice 2. (★★) Norme uniforme ; Continuité linéaire ; Positivité
Sur {C([0,1],\mathbb{R})} muni de la norme uniforme, montrer qu’une forme linéaire positive {\varphi} est continue.
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Exercice 3. (★★) axiomes d'une norme ; comparaison de normes
Sur les suites complexes bornées, poser {N_1(u)=\sum\limits_{n\geq0}|u_n|/2^n}, {N_2(u)=\sum\limits_{n\geq0}|u_n|/n!}.

Montrer que ce sont des normes bien définies, que {N_2\leq CN_1} pour une constante {C}, mais qu’aucune constante {D>0} ne vérifie {N_1\leq DN_2}.

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Exercice 4. (★★★) boules unités ; identité du parallélogramme ; Espaces euclidiens
Pour {p,q>1}, {1/p+1/q=1}, on admet Hölder dans {\mathbb{R}^n}.

Montrer {\lVert x\rVert_p=\sup_{\lVert y\rVert_q=1}\langle x,y\rangle}, puis que {\lVert \cdot\rVert_p} est une norme.

Montrer l’identité du parallélogramme pour une norme euclidienne.

Comparer les boules unités pour {1\leq p\lt p'}.

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Exercice 5. (★★★★) applications linéaires continues ; commutation ; croissances comparées
Soient {f,g} endomorphismes continus d’un espace normé {E}, avec {fg-gf=\lambda I}.

Déterminer {\lambda}.

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Exercice 6. (★★★) applications lipschitziennes ; bornes atteintes ; bijections et fonctions réciproques
Déterminer les applications {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} dont l’image de tout segment est un segment de même longueur.
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Exercice 7. (★★) continuité linéaire en dimension finie ; densité ; applications linéaires
Soit {f:\mathbb{R}^p\to\mathbb{R}^n} additive.

Montrer qu’elle est continue si et seulement si elle est linéaire.

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Exercice 8. (★★★) normes usuelles ; primitives ; positivité et majorations
Soit {M(t)=\begin{pmatrix}2e^{-t}&(t-1)^2\\[4pt]1&0\end{pmatrix}}.
a) Montrer que {N(A)=\max_{i,j}|a_{ij}|} est une norme.

Déterminer {\varphi(t)=N(M(t))}, tracer son graphe et étudier son caractère {C^1}.

b) Déterminer sa primitive {\Phi} telle que {\Phi(0)=0}.

Est-elle {C^1} ?

c) Si {F} est la primitive de {M} avec {F(0)=0}, prouver {N(F(t))\le\Phi(t)} pour {t\ge0}.

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Exercice 9. (★★★★) normes équivalentes ; Cauchy-Schwarz ; dérivation terme à terme
Pour {0\lt q\lt 1}, on pose {N_q(P)=\sum\limits_{k=0}^\infty|P(k)|q^k} sur {\mathbb{R}[X]}.
1) Montrer que {N_q} est une norme.

2) Est-elle associée à un produit scalaire ?

3) Pour {p\ne q} dans {]0,1[}, les normes {N_p,N_q} sont-elles équivalentes ?

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Exercice 10. (★★★) inversibilité ; Matrices et applications linéaires ; racines de l’unité
Soit {n\geq1}, {\omega=e^{2i\pi/n}} et {V=(\omega^{(k-1)(\ell-1)})_{1\leq k,\ell\leq n+1}}. Pour {P=\sum\limits_{k=0}^na_kX^k}, posons {N_1(P)=\sup_{|z|=1}|P(z)|}, {N_2(P)=\max_k|a_k|}.
1) Calculer {\sum\limits_{k=0}^{n-1}\omega^k}.

2) Calculer {\overline V(V)}, en déduire l’inversibilité de {V} et donner son inverse.

3) Exprimer les {a_k} en fonction de {P(\omega^\ell)}, {0\leq\ell\leq n-1}.

4) Justifier {N_1} et montrer {N_2\leq N_1}.

5) Trouver {\alpha,\beta>0} tels que {\alpha N_1\leq N_2\leq\beta N_1}.

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Exercice 11. (★★★) Probabilités, variables aléatoires ; normes usuelles ; bases
Soit {\Omega} fini de cardinal {n}. Une mesure est une application {\mu:\mathcal P(\Omega)\to\mathbb{R}} additive sur les unions disjointes. Une probabilité est une mesure positive de masse totale un. Pour {x_0\in\Omega}, on définit {\delta_{x_0}(A)=1} si {x_0\in A}, zéro sinon, et on admet que c’est une probabilité.
1) Montrer que l’ensemble {M(\Omega)} des mesures est un espace vectoriel de dimension finie et donner sa dimension.
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2) Donner une norme sans justification.
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3) L’ensemble {\operatorname{Pr}(\Omega)} des probabilités est-il convexe, borné, ouvert, fermé ?
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4) Montrer que toute mesure s’écrit {\lambda_1P_1+\lambda_2P_2} avec {P_1,P_2} probabilités et {\lambda_i\in\mathbb{R}}. Indication : séparer les points de masses strictement positives et strictement négatives.
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5) Montrer que {N(\mu)=\inf\left\{|\lambda_1|+|\lambda_2|:\mu=\lambda_1P_1+\lambda_2P_2\right\}} est une norme.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.