Ivan Shishkin, Birch Grove

Lemme de la jauge de Minkowski

Theorem / Functional analysis /

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Also known as: jauge d’un convexe

Français
Énoncé

Soit (X,τ)(X,\tau) un espace vectoriel topologique séparé, et WW un ouvert convexe de (X,τ)(X,\tau) contenant 00. On définit la fonction jW:X⟶Rj_{W} : X \longrightarrow \mathbb{R}, x↦inf{t>0∣x∈tW}x \mapsto \mathrm{inf}\lbrace t > 0 \mid x \in tW\rbrace, appellée fonction de jauge\textbf{fonction de jauge} de WW. La fonction jWj_{W} est alors bien définie, continue, convexe, et W=jW−1([0,1[)W = j_{W}^{-1}([0,1[).

Preuve

Une première remarque est que, par convexité de WW, la relation 0<a≤b0<a\leq b entraine aW⊂bWaW \subset bW. En particulier l’ensemble des t>0t > 0 tels que x∈tWx \in tW est un intervalle.

Montrons que jWj_{W} est bien définie. Si x∈Xx \in X, par continuité de la loi externe, il existe ε>0\varepsilon > 0 tel que pour tout 0<t<ε0 <t < \varepsilon, tx∈Wtx \in W. Ainsi, x∈t−1Wx \in t^{-1}W, l’intervalle sur lequel la borne inférieure est prise est non vide, et non borné à droite.

Montrons ensuite que jWj_{W} est convexe. Il suffit de montrer que jWj_{W} est sous-additive et positivement homogène. Soit x,y∈Xx,y \in X. Pour s>jW(x)s > j_{W}(x) et t>jW(y)t > j_{W}(y), alors x∈sWx \in sW et y∈tWy \in tW. On déduit de cela que x+y∈tW+sW=(t+s)Wx+y \in tW + sW = (t+s)W (par convexité de WW). Ainsi, jW(x+y)≤jW(x)+jW(y)j_{W}(x+y) \leq j_{W}(x) +j_{W}(y). Pour l’homogénéité, soit λ>0\lambda > 0. Puisque {t>0∣λx∈tW}={t>0∣x∈λ−1tW}=λ{t>0∣x∈tW}\lbrace t > 0 \mid \lambda x \in t W \rbrace = \lbrace t > 0 \mid x \in \lambda^{-1}tW\rbrace = \lambda \lbrace t > 0 \mid x \in tW\rbrace, l’homogénéité s’ensuit. Ainsi jWj_{W} est convexe.

Montrons que jW−1([0,1[)=Wj_{W}^{-1}([0,1[) = W. D’une part, si x∈Wx \in W, il existe un voisinage VV de 11 dans R\mathbb{R} tel que pour tout λ∈V\lambda \in V, λx∈W\lambda x \in W. En particulier il existe λ>1\lambda > 1 tel que x∈λ−1Wx \in \lambda^{-1}W, d’où que jW(x)<1j_{W}(x) < 1. Si ensuite jW(x)<1j_{W}(x) < 1, il existe 0<t<10 < t < 1 tel que x∈tW⊂Wx \in tW \subset W, d’où que jW−1([0,1[)=Wj_{W}^{-1}([0,1[) = W.

Montrons que jWj_{W} est continue. On constate que pour ε>0\varepsilon > 0, jW(x)<εj_W(x) < \varepsilon si et seulement s’il existe 0<δ<ε0 < \delta < \varepsilon tel que x∈δWx \in \delta W, ce qui est une condition ouverte. Ainsi jWj_{W} est continue en 00. Si x∈Xx \in X, h∈Xh \in X, comme (en conséquence de l’inégalité triangulaire) ∣jW(x)−jW(x+h)∣≤max(jW(h),jW(−h))\lvert j_{W}(x) - j_{W}(x+h) \rvert \leq \mathrm{max}(j_{W}(h),j_{W}(-h)), on déduit la continuité de jWj_{W}.

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