Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Phénomène des bornes glissantes

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Solution by SalixBabylonica · FR

  1. Montrons que ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 définit une norme sur EE.
  • Soit f∈Ef\in E. On a naturellement
    ∥f∥1=∫01∣f(t)∣ dt≥0.\|f\|_1 = \int_0^1 |f(t)|\,dt \geq 0.
  • Soit λ∈R\lambda\in\mathbb R et f∈Ef\in E. Alors
    ∥λf∥1=∫01∣λf(t)∣ dt=∣λ∣∫01∣f(t)∣ dt=∣λ∣ ∥f∥1.\|\lambda f\|_1 = \int_0^1 |\lambda f(t)|\,dt = |\lambda| \int_0^1 |f(t)|\,dt = |\lambda|\,\|f\|_1.
  • Soient f,g∈Ef,g\in E. Pour tout t∈[0,1]t\in[0,1],
    ∣f(t)+g(t)∣≤∣f(t)∣+∣g(t)∣.|f(t)+g(t)| \leq |f(t)|+|g(t)|.En intégrant,
    ∫01∣f(t)+g(t)∣ dt≤∫01∣f(t)∣ dt+∫01∣g(t)∣ dt.\int_0^1 |f(t)+g(t)|\,dt \leq \int_0^1 |f(t)|\,dt + \int_0^1 |g(t)|\,dt.Ainsi,
    ∥f+g∥1≤∥f∥1+∥g∥1.\|f+g\|_1 \leq \|f\|_1+\|g\|_1.
  • Enfin, soit f∈Ef\in E telle que
    ∥f∥1=0.\|f\|_1=0.On a alors
    ∫01∣f(t)∣ dt=0.\int_0^1 |f(t)|\,dt=0.Comme la fonction ∣f∣|f| est continue et positive, elle est identiquement nulle sur [0,1][0,1].
    Donc
    ∀t∈[0,1],∣f(t)∣=0,\forall t\in[0,1], \qquad |f(t)|=0,c’est-à-dire
    f=0.f=0.Réciproquement,
    f=0⟹∥f∥1=0.f=0 \Longrightarrow \|f\|_1=0.

Ainsi, ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 est bien une norme sur EE.

  1. Montrons que ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 et ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty ne sont pas équivalentes. Considérons la suite (fn)n∈N(f_n)_{n\in\mathbb N} définie par
    fn(x)={nxsi 0≤x≤1n,2−nxsi 1n≤x≤2n,0si x≥2n.f_n(x)= \left\{ \begin{array}{ll} nx & \text{si } 0\leq x\leq \dfrac1n,\\[0.4em] 2-nx & \text{si } \dfrac1n\leq x\leq \dfrac2n,\\[0.4em] 0 & \text{si } x\geq \dfrac2n. \end{array} \right.Chaque fnf_n est continue sur [0,1][0,1] et son graphe est un triangle de base 2n\dfrac2n et de hauteur 11.
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On a
∥fn∥∞=1.\|f_n\|_\infty=1.

Par ailleurs,
∥fn∥1=∫01∣fn(t)∣ dt.\|f_n\|_1 = \int_0^1 |f_n(t)|\,dt.Cette intégrale est l’aire du triangle associé à fnf_n :
∥fn∥1=12×2n×1=1n.\|f_n\|_1 = \frac12\times\frac2n\times 1 = \frac1n.Ainsi,
∥fn∥1=1n⟶0.\|f_n\|_1=\frac1n \longrightarrow 0.On en déduit que
fn→∥⋅∥10.f_n \xrightarrow[\|\cdot\|_1]{} 0.En revanche,
∥fn−0∥∞=∥fn∥∞=1,\|f_n-0\|_\infty = \|f_n\|_\infty = 1,donc
fn̸→∥⋅∥∞0.f_n \not\xrightarrow[\|\cdot\|_\infty]{} 0.Si les normes ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 et ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty étaient équivalentes, elles définiraient les mêmes suites convergentes. Or ce n’est pas le cas.

Par conséquent, ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 et ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty ne sont pas équivalentes sur C([0,1]).C([0,1]).
En particulier, ∥⋅∥1\|\cdot\|_1 n’est pas plus fine que ∥⋅∥∞.\|\cdot\|_\infty.

Remarque

Remarquons toutefois que, pour toute fonction f∈Ef\in E,
∥f∥1=∫01∣f(t)∣ dt≤∫01∥f∥∞ dt=∥f∥∞.\|f\|_1 = \int_0^1 |f(t)|\,dt \leq \int_0^1 \|f\|_\infty\,dt = \|f\|_\infty.Ainsi,
∥f∥1≤∥f∥∞,\|f\|_1\leq \|f\|_\infty,ce qui montre que la norme ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty est plus fine que la norme ∥⋅∥1\|\cdot\|_1.

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