Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Irrégularité des bases algébriques dans un espace de Banach

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Le corps de base est K=R\mathbb{K}=\mathbb{R} ou C\mathbb{C}.
Si XX est de dimension finie, B\mathcal{B} est finie et il n’y a rien à démontrer. On suppose donc XX de dimension infinie.

  1. Posons F={x∈B : x∗ est continue}F=\{x\in\mathcal{B}\ :\ x^{*}\text{ est continue}\} et supposons par l’absurde FF infini. Choisissons une suite (xn)n⩾1(x_n)_{n\geqslant 1} d’éléments deux à deux distincts de FF.
    Les vecteurs d’une base étant non nuls, on peut poser
    λn=12n∥xn∥>0,de sorte que∑n⩾1∥λnxn∥=∑n⩾12−n=1<+∞.\lambda_n=\frac{1}{2^{n}\|x_n\|}>0,\qquad\text{de sorte que}\qquad \sum_{n\geqslant 1}\|\lambda_nx_n\|=\sum_{n\geqslant 1}2^{-n}=1<+\infty .La série ∑nλnxn\sum_n\lambda_nx_n est absolument convergente ; comme XX est complet*, elle converge vers un vecteur
    v=∑n⩾1λnxn ∈X.v=\sum_{n\geqslant 1}\lambda_nx_n\ \in X .Fixons N⩾1N\geqslant 1. La forme xN∗x_N^{*} est linéaire et continue, donc commute avec la limite des sommes partielles :
    xN∗(v)=lim⁡k→∞xN∗(∑n=1kλnxn)=lim⁡k→∞∑n=1kλn xN∗(xn)=λN.x_N^{*}(v)=\lim_{k\to\infty}x_N^{*}\Bigl(\sum_{n=1}^{k}\lambda_nx_n\Bigr)=\lim_{k\to\infty}\sum_{n=1}^{k}\lambda_n\,x_N^{*}(x_n)=\lambda_N .On obtient xN∗(v)=λN≠0x_N^{*}(v)=\lambda_N\neq 0 pour tout N⩾1N\geqslant 1, c’est-à-dire une infinité de coordonnées non nulles pour vv dans la base B\mathcal{B}. Contradiction. Donc FF est fini. ■\blacksquare

  2. Vu la question 1, il suffit d’établir le résultat suivant,

Théorème. Sur un espace de Banach XX, toute forme linéaire borélienne est continue.

Lemme. Soit A⊆XA\subseteq X possédant la propriété de Baire et non maigre. Alors A−AA-A est un voisinage de 00.

Preuve. Écrivons A=U △ MA=U\,\triangle\,M avec UU ouvert et MM maigre. Si U=∅U=\varnothing, alors A⊆MA\subseteq M serait maigre : donc U≠∅U\neq\varnothing, et il existe u∈Xu\in X, r>0r>0 avec B(u,r)⊆UB(u,r)\subseteq U.

Soit h∈Xh\in X avec ∥h∥<r\|h\|<r. Le point u+h2u+\frac{h}{2} appartient à B(u,r)B(u,r) et à B(u,r)+hB(u,r)+h, car ∥±h2∥<r\|{\pm}\frac{h}{2}\|<r ; donc V:=U∩(U+h)V:=U\cap(U+h) est un ouvert non vide. Or A⊇U∖MA\supseteq U\setminus M et A+h⊇(U+h)∖(M+h)A+h\supseteq(U+h)\setminus(M+h), d’où
A∩(A+h) ⊇ V∖(M∪(M+h)).A\cap(A+h)\ \supseteq\ V\setminus\bigl(M\cup(M+h)\bigr).L’ensemble M∪(M+h)M\cup(M+h) est maigre, et XX étant complet donc de Baire, un maigre ne peut contenir un ouvert non vide. Ainsi A∩(A+h)≠∅A\cap(A+h)\neq\varnothing : il existe a,a′∈Aa,a'\in A avec a=a′+ha=a'+h, soit h∈A−Ah\in A-A. On a montré B(0,r)⊆A−AB(0,r)\subseteq A-A. □\square

Preuve du théorème. Soit f:X→Kf:X\to\mathbb{K} linéaire borélienne, et
A=f−1(BK‾(0,1)),A=f^{-1}\bigl(\overline{B_{\mathbb{K}}}(0,1)\bigr),borélien comme image réciproque d’un fermé, donc possédant la propriété de Baire.

AA est non maigre. Pour tout y∈Xy\in X, il existe n⩾1n\geqslant 1 avec ∣f(y)∣⩽n|f(y)|\leqslant n, c’est-à-dire ∣f(y/n)∣⩽1|f(y/n)|\leqslant 1 et y∈nAy\in nA. Donc X=⋃n⩾1nAX=\bigcup_{n\geqslant 1}nA. L’espace XX étant de Baire, l’un des nAnA est non maigre ; l’homothétie y↦y/ny\mapsto y/n étant un homéomorphisme, AA est non maigre.
Le lemme fournit r>0r>0 avec B(0,r)⊆A−AB(0,r)\subseteq A-A. Or, par linéarité, a,a′∈Aa,a'\in A entraîne ∣f(a−a′)∣⩽2|f(a-a')|\leqslant 2. Donc ∣f∣⩽2|f|\leqslant 2 sur B(0,r)B(0,r), et par homogénéité
∀y∈X,∣f(y)∣⩽2r ∥y∥.\forall y\in X,\qquad |f(y)|\leqslant\frac{2}{r}\,\|y\| .La forme ff est bornée, donc continue. □\square

Revenons à la question. Si x∗x^{*} est borélienne, elle est continue par le théorème. L’ensemble des x∈Bx\in\mathcal{B} telles que x∗x^{*} est borélienne est donc contenu dans FF, qui est fini d’après la question 1. ■\blacksquare

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