Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/TopologyReviewed

Continuité de la dérivation

by Anduril·translated by Ancient Tree·
47
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Existe-t-il une norme telle que la dérivation fC([0,1],R)fC([0,1],R)f\in C^{\infty}([0,1],\mathbb{R})\longmapsto f'\in C^{\infty}([0,1],\mathbb{R}) est continue ?

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Solution by Ancient Tree

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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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