Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Continuité de la dérivation

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Solution by Ancient Tree · FR

Notons que la dérivation est linéaire, donc la continuité de la dérivation est équivalente à la continuité en 0 (ici, le 0 de l’espace vectoriel C([0,1],R)C^{\infty}([0,1],\R), c’est-à-dire la fonction constante égale à 0). C’est-à-dire : pour tout ε>0\varepsilon >0, il existerait un δ>0\delta >0, tel que pour toute fonction f:[0,1]Rf:[0,1]\rightarrow \R de classe CC^{\infty} telle que fδ\|f\|\leq \delta, on ait fε\|f'\|\leq\varepsilon.

Or ceci est faux pour n’importe quel norme. Pour le voir, il nous suffit de trouver des fonctions telles que f\|f'\| est arbitrairement plus grand que f\|f\|. Des candidats naturels sont les fonctions fλ(x)=eλxf_{\lambda}(x)=e^{\lambda x}. En effet, on a :
fλ=λeλx=λeλx=λfλ.||f_{\lambda}'||=||\lambda e^{\lambda x}||=|\lambda| \|e^{\lambda x}\|=|\lambda|\|f_{\lambda}\|.

Maintenant, si on prend ε>0\varepsilon>0, et qu’on fixe δ>0\delta >0, le problème des fonctions fλ(x)=eλxf_{\lambda}(x)=e^{\lambda x} est que leur norme n’est pas forcément inférieure ou égale à δ\delta.
On peut donc juste normaliser et multiplier par δ\delta pour que ce soit le cas : on pose
gλ(x)=δeλxeλxg_{\lambda}(x)=\frac{\delta e^{\lambda x}}{||e^{\lambda x}||}

et automatiquement leur norme est exactement δ\delta ; et on a toujours la condition gλ=λgλ\|g_{\lambda}'\|=|\lambda|\|g_{\lambda}\|.
En prenant λ>ε/δ\lambda>\varepsilon/\delta, on obtient donc que gλδ\|g_{\lambda}\|\leq\delta mais gλ>ε\|g_{\lambda}'\|>\varepsilon, ce qui brise la continuité.

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