Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Théorème de Hahn-Banach en dimension finie

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Commençons par un cas particulier Supposons que la norme est euclidienne.
Si ∥⋅∥\|\cdot\| dérive d’un produit scalaire, notons PP la projection orthogonale sur FF et posons φ~=φ∘P\widetilde{\varphi}=\varphi \circ P. C’est une forme linéaire prolongeant φ\varphi, et comme ∥P∥=1\|P\|=1, ∣φ~(x)∣=∣φ(Px)∣⩽∥Px∥⩽∥x∥|\widetilde{\varphi}(x)|=|\varphi(P x)| \leqslant\|P x\| \leqslant\|x\| .
Rien de plus n’est nécessaire. C’est le seul cas où le prolongement optimal est de surcroît unique, et cela explique pourquoi la difficulté est purement liée à la géométrie de la boule unité, pas à la dimension.

Revenons à l’exercice. On procède en 3 étapes.

  1. Par hypothèse ∣ ⁣∣ ⁣∣φ∣ ⁣∣ ⁣∣=1\vert\!\vert\!\vert\varphi\vert\!\vert\!\vert=1, donc ∀z∈F\forall z\in F,, ∣φ(z)∣⩽∥z∥,|\varphi(z)|\leqslant\|z\| , et cette constante 11 est optimale.

Soient x,y∈Fx,y\in F. Alors x−y∈Fx-y\in F, donc
φ(x)−φ(y)=φ(x−y)⩽∥x−y∥.\varphi(x)-\varphi(y)=\varphi(x-y)\leqslant\|x-y\| .L’inégalité triangulaire donne ∥x−y∥=∥(x−a)+(a−y)∥⩽∥x−a∥+∥a−y∥\|x-y\|=\|(x-a)+(a-y)\|\leqslant\|x-a\|+\|a-y\|, d’où
φ(x)−φ(y)⩽∥x−a∥+∥a−y∥,\varphi(x)-\varphi(y)\leqslant\|x-a\|+\|a-y\| ,ce qui est exactement l’inégalité annoncée après réarrangement :
φ(x)−∥x−a∥ ⩽ φ(y)+∥a−y∥.■\varphi(x)-\|x-a\|\ \leqslant\ \varphi(y)+\|a-y\| . \qquad\blacksquareCette inégalité est valable pour tout a∈Ea\in E.

  1. Supposons a∉Fa\notin F et posons G=F⊕RaG=F\oplus\mathbb{R}a, la somme étant directe précisément parce que a∉Fa\notin F.
    L’inégalité de la question 1 signifie que
    s:=sup⁡x∈F(φ(x)−∥x−a∥) ⩽ inf⁡y∈F(φ(y)+∥a−y∥)=:m.s:=\sup_{x\in F}\bigl(\varphi(x)-\|x-a\|\bigr)\ \leqslant\ \inf_{y\in F}\bigl(\varphi(y)+\|a-y\|\bigr)=:m .Ces deux quantités sont finies : en prenant x=y=0x=y=0, on obtient −∥a∥⩽s⩽m⩽∥a∥-\|a\|\leqslant s\leqslant m\leqslant\|a\|. Fixons donc t∈[s,m]t\in[s,m] et définissons
    ψ: G⟶R,ψ(x+λa)=φ(x)+λt,\psi:\ G\longrightarrow\mathbb{R},\qquad \psi(x+\lambda a)=\varphi(x)+\lambda t ,application bien définie et linéaire grâce à l’unicité de la décomposition x+λax+\lambda a.

Majoration ψ⩽∥⋅∥\psi\leqslant\|\cdot\|. Soient x∈Fx\in F et λ∈R\lambda\in\mathbb{R}.

  • Si λ>0\lambda>0 : la majoration t⩽mt\leqslant m appliquée à y=−x/λ∈Fy=-x/\lambda\in F donne t⩽φ(−x/λ)+∥a+x/λ∥t\leqslant\varphi(-x/\lambda)+\|a+x/\lambda\|. En multipliant par λ>0\lambda>0 et en utilisant l’homogénéité de la norme,
    λt⩽−φ(x)+∥x+λa∥,soitψ(x+λa)⩽∥x+λa∥.\lambda t\leqslant-\varphi(x)+\|x+\lambda a\| ,\qquad\text{soit}\qquad \psi(x+\lambda a)\leqslant\|x+\lambda a\| .
  • Si λ<0\lambda<0, écrivons λ=−μ\lambda=-\mu avec μ>0\mu>0. La minoration t⩾st\geqslant s appliquée au point x/μ∈Fx/\mu\in F donne t⩾φ(x/μ)−∥x/μ−a∥t\geqslant\varphi(x/\mu)-\|x/\mu-a\|, d’où après multiplication par μ\mu
    μt⩾φ(x)−∥x−μa∥,soitψ(x−μa)⩽∥x−μa∥.\mu t\geqslant\varphi(x)-\|x-\mu a\| ,\qquad\text{soit}\qquad \psi(x-\mu a)\leqslant\|x-\mu a\| .
  • Si λ=0\lambda=0, c’est la majoration φ(x)⩽∥x∥\varphi(x)\leqslant\|x\|.

On a donc ψ(z)⩽∥z∥\psi(z)\leqslant\|z\| pour tout z∈Gz\in G ; en appliquant cela à −z-z on obtient −ψ(z)⩽∥z∥-\psi(z)\leqslant\|z\|, d’où ∣ψ(z)∣⩽∥z∥|\psi(z)|\leqslant\|z\| et ∣ ⁣∣ ⁣∣ψ∣ ⁣∣ ⁣∣⩽1\vert\!\vert\!\vert\psi\vert\!\vert\!\vert\leqslant 1. Réciproquement, ψ\psi prolonge φ\varphi, donc son supremum porte sur un ensemble plus grand :
∣ ⁣∣ ⁣∣ψ∣ ⁣∣ ⁣∣⩾∣ ⁣∣ ⁣∣φ∣ ⁣∣ ⁣∣=1.\vert\!\vert\!\vert\psi\vert\!\vert\!\vert\geqslant\vert\!\vert\!\vert\varphi\vert\!\vert\!\vert=1 .Ainsi ∣ ⁣∣ ⁣∣ψ∣ ⁣∣ ⁣∣=1\vert\!\vert\!\vert\psi\vert\!\vert\!\vert=1.

  1. Raisonnons par récurrence sur la codimension d=dim⁡E−dim⁡Fd=\dim E-\dim F, finie puisque EE l’est.
    Si d=0d=0, alors F=EF=E et il n’y a rien à faire. Si d⩾1d\geqslant 1, choisissons a∈E∖Fa\in E\setminus F : l’étape 2 fournit un prolongement ψ\psi de φ\varphi à G=F⊕RaG=F\oplus\mathbb{R}a, de norme 11, et dim⁡E−dim⁡G=d−1\dim E-\dim G=d-1. L’hypothèse de récurrence appliquée à (G,ψ)(G,\psi) donne un prolongement φ~\widetilde{\varphi} à EE de norme 11, qui prolonge ψ\psi donc aussi φ\varphi.

Il existe donc φ~∈E∗\widetilde{\varphi}\in E^{*} telle que
φ~∣F=φet∣ ⁣∣ ⁣∣φ~∣ ⁣∣ ⁣∣=1.■\widetilde{\varphi}\vert_{F}=\varphi\qquad\text{et}\qquad \vert\!\vert\!\vert\widetilde{\varphi}\vert\!\vert\!\vert=1 . \qquad\blacksquare

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