Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/GeometryUnreviewed

Rådström cancellation

by ferntree·
40
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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Let EE be a vector space and three sets A,B,C⊂EA, B, C \subset E such that A+C⊂B+CA + C \subset B + C.

  1. If BB is convex and closed, and CC is non-empty and bounded, show that A⊂BA \subset B.
  2. Show that the result above may fail if BB is not convex.
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Proceedings of the American Mathematical Society, 1952, doi:10.2307/2032477

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Solution by PaulowniaFR

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Solution pour 1. dans le cas où E est un espace vectoriel normé
Si BB est vide, il faut supposer AA vide pour que l’énoncé reste vrai (car A={0}A=\{0\} convient aussi). Supposons donc BB non vide, et, par l’absurde, supposons qu’il existe a∈Aa \in A tel que a∉B.a \not\in B.
Comme BB est un convexe fermé de l’espace normé EE, il existe une fonction linéaire continue ℓ ⁣:E⟶R\ell \colon E \longrightarrow \R et un réel λ∈R\lambda \in \R tels que ℓ(a)<λ\ell(a)<\lambda et ℓ(b)≥λ\ell(b) \geq \lambda pour tout b∈B.b \in B.
Soit c0∈Cc_{0} \in C tel que ℓ(c)≥ℓ(c0)\ell(c) \geq \ell(c_{0}) pour tout c∈Cc \in C ; c’est possible car CC est borné.
On a alors pour tous b∈Bb\in B et c∈Cc \in C :
ℓ(a+c0)<λ+ℓ(c0)≤λ+ℓ(c)≤ℓ(b)+ℓ(c),\ell(a+c_{0}) < \lambda + \ell(c_{0}) \leq \lambda + \ell(c) \leq \ell(b) + \ell(c),ce qui montre que a+c0∉B+C,a+c_{0} \not\in B+C, une contradiction.

Solution by ferntreeFR

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  1. Montrons par récurrence que nA+C⊂nB+Cn A + C \subset n B + C. Le cas n=1n = 1 est précisément l’hypothèse A+C⊂B+CA + C \subset B + C. Soit n≥1n \geq 1 et supposons l’inclusion vraie au rang nn. Alors
    (n+1)A+C=nA+A+C⊂nA+B+C⊂nB+B+C=(n+1)B+C.(n + 1) A + C = n A + A + C \subset n A + B + C \subset n B + B + C = (n + 1) B + C.L’inclusion est donc vraie pour tout n≥1n \geq 1.

Soit maintenant a∈Aa \in A et c∈Cc \in C. On peut choisir un tel c∈Cc \in C car CC est non vide. Pour tout n≥1n \geq 1, on a na+c∈nA+C⊂nB+Cn a + c \in n A + C \subset n B + C. Il existe donc des (bk)1≤k≤n(b_{k})_{1 \leq k \leq n} dans BB et cn∈Cc_{n} \in C tels que
na+c=∑k=1nbk+cn.n a + c = \sum_{k = 1}^{n} b_{k} + c_{n}.En divisant par nn, on réécrit a=βn+(cn−c)/na = \beta_{n} + (c_{n} - c) / n, où βn\beta_{n} est le barycentre des (bk)(b_{k}). La convexité de BB assure que βn∈B\beta_{n} \in B. Puisque CC est borné, la suite (cn−c)(c_{n} - c) est bornée, et par conséquent (cn−c)/n(c_{n} - c) / n tend vers 00. Ainsi (βn)(\beta_{n}) tend vers aa. Or BB est fermé et βn∈B\beta_{n} \in B pour tout n≥1n \geq 1, donc a∈Ba \in B. Comme aa était arbitraire, on conclut que A⊂BA \subset B.

  1. Pour un contre-exemple, considérer A=[0,1]A = [0, 1], B={0,1}B = \{0, 1\} et C=[0,1]C = [0, 1]. On a bien A+C=B+C=[0,2]A + C = B + C = [0, 2] mais pas A⊂BA \subset B.
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