Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Topology

Les quotients de ℓ1\ell^1{}

by La chouette aveugle·
65
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soit XX un espace de Banach séparable. Montrer que XX est un quotient de ℓ1\ell^{1}, l’espace vectoriel des suites absolument convergentes.

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Soit (dn)n(d_{n})_{n} une suite dense de BXB_{X}. On considère l’application π:ℓ1⟶X\pi : \ell^{1} \longrightarrow X définie par π(x):x↦∑n≥0x(n)dn\pi(x) : x \mapsto \sum_{n \geq 0} x(n)d_{n}. On constate dans un premier temps que π\pi est bien définie puisque la série ∑n≥0xndn\sum_{n \geq 0}x_{n}d_{n} est normalement convergente et que XX est un espace de Banach. La linéarité de π\pi est claire, et ∥π(x)∥≤∥x∥1\lVert \pi(x) \rVert \leq \lVert x \rVert_{1}, ce qui montre la continuité de π\pi.

Comme (dn)n(d_{n})_{n} est dense dans BXB_{X}, si y∈BXy \in B_{X} est distinct de dnd_{n} pour tout nn, il existe dn0d_{n_{0}} qui est à distance <1/2< 1/2 de yy. Ainsi 2(y−dn0)∈BX2(y - d_{n_{0}}) \in B_{X}, et il existe dn1d_{n_{1}} qui est à distance <1/2< 1/2 de 2(y−dn0)2(y-d_{n_{0}}), et ∥y−dn0−2−1dn1∥<1/4\lVert y - d_{n_{0}}-2^{-1}d_{n_{1}} \rVert < 1/4. Ainsi 4(y−dn1−2−1dn2)∈BX4(y - d_{n_{1}}-2^{-1}d_{n_{2}}) \in B_{X}, et il existe dn2d_{n_{2}} qui est à distance <1/2< 1/2 de 4(y−dn0−2−1dn1)4(y - d_{n_{0}}-2^{-1}d_{n_{1}}), d’où ∥y−dn0−2−1dn1−2−2dn2∥<1/8\lVert y - d_{n_{0}} - 2^{-1}d_{n_{1}} - 2^{-2}d_{n_{2}} \rVert < 1/8. On peut s’arranger pour que les dnid_{n_{i}} soient distincts deux-à-deux. Par récurrence, on construit une sous-suite (dnk)k(d_{n_{k}})_{k} telle que pour tout l≥0l \geq 0, ∥y−∑k=0l2−kdnk∥<2−l−1\lVert y - \sum_{k = 0}^{l}2^{-k}d_{n_{k}}\rVert < 2^{-l-1}. Comme x:n↦2−kx : n \mapsto 2^{-k} si n=nkn = n_{k} et 00 sinon est ℓ1\ell^{1}, et que par passage à la limite y=π(x)y = \pi(x), on déduit que l’image de π\pi contient la boule unité de XX, c’est-à-dire que π\pi est ouverte, donc que π\pi est surjective.

Comme π\pi est continue, ker⁡(π)\ker(\pi) est fermé, et ℓ1/ker⁡(π)\ell^{1}/\ker(\pi) est un espace de Banach. Comme π\pi passe au quotient, π\pi induit une application linéaire injective π‾:ℓ1/ker⁡(π)⟶X\overline{\pi} : \ell^{1}/\ker(\pi) \longrightarrow X. Pour tout y∈ker⁡(π)y \in \ker(\pi), ∥π(x)∥=∥π(x−y)∥≤∥x−y∥1\lVert \pi(x) \rVert = \lVert\pi(x-y) \rVert \leq \rVert x-y \rVert_{1}, on déduit que∥π‾(x‾)∥=∥π(x)∥≤∥x‾∥\lVert \overline{\pi}(\overline{x}) \rVert = \lVert \pi(x) \rVert \leq \lVert \overline{x} \rVert, et donc que π‾\overline{\pi} est continue et injective. Comme π\pi est surjective, π‾\overline{\pi} est surjective, et induit une bijection linéaire continue de ℓ1/ker⁡(π)\ell^{1}/\ker(\pi) vers XX, et on conclut par le théorème d’isomorphisme de Banach.

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