Boules Normes
Boules Normes
Boules Normes
Florian Lavigne
27 février 2018
1 Quelques rappels
Dans ces notes, nous considérons un R-espace vectoriel E quelconque. Remarquons
que si E est de dimension finie n, alors en considérant une base (e1 , . . . , en ) de E, on
peut écrire tout élément de E sous la forme
n
X
x= xi ei .
i=1
Inégalité triangulaire :
C’est pourquoi lors de la démonstration qu’une application N est une norme, nous
n’avons pas besoin de vérifier que N (0) = 0.
1
Grâce à ces normes, nous pouvons définir des boules dans E :
Définition 2 :
Soit x ∈ E et R ≥ 0. La boule ouverte dans E de centre x et de rayon
R pour la norme N , qu’on notera BN (x, R), est l’ensemble :
B N (x, R) = {y ∈ E, N (x − y) ≤ R}.
SN (x, R) = {y ∈ E, N (x − y) = R}.
Remarque. On a :
B N (x, R) = BN (x, R) t SN (x, R),
où le symbole t signifie l’union disjointe de deux ensembles.
n
!1/p
X
kxkp = |xi |p
i=1
et
kxk∞ = max |xi |.
1≤i≤n
Théorème 1 :
Les applications k · kp sont des normes de E si 1 ≤ p ≤ +∞, appelées
normes lp sur E.
2
Voici quelques exemples de boules unités (centrées en l’origine et de rayon 1) de R2 .
Corollaire 1 :
Soit deux normes N1 et N2 d’un R-espace vectoriel de dimension finie,
noté E. Soit x ∈ E. Soit R > 0. Il existe alors deux réels r1 et r2 positifs
tels que :
BN1 (x, r1 ) ⊂ BN2 (x, R) ⊂ BN1 (x, r2 ).
Démonstration. Comme E est de dimension finie, il existe C1 > 0 et C2 > 0 telles que :
1
∀y ∈ E, N1 (y) ≤ N2 (y) ≤ C2 N1 (y).
C1
Tout d’abord, pour y ∈ BN2 (x, R), on a :
N1 (x − y) ≤ C1 N2 (x − y) < C1 · R.
3
Ainsi y ∈ BN1 (x, C1 · R) nous donne r2 = C1 · R. Ensuite, pour y ∈ BN1 (x, R/C2 ) on a :
N2 (x − y) ≤ C2 N1 (x − y) < R.
Remarque. On voit par exemple sur la figure 1 que la boule de la norme k · k1 est bien
incluse dans la boule de la norme k · k∞ .
∀n, dim E ≥ n.
En faisant tendre n vers l’infini, on obtient que E est forcément de dimension infinie.
Normes et boules
Comme dans le cas de la dimension finie, nous avons des "normes" Lp :
Définition 4 :
Soit f ∈ E. On pose pour 1 ≤ p < ∞ :
Z 1 1/p
p
kf kp = |f (x)| dx
0
et
kf k∞ = sup |f (x)|
x∈]0,1[
Théorème 3 :
Les applications k · kp sont bien des "normes" sur E, appelées normes
Lp , dans le sens où elles peuvent valoir +∞.
4
Remarque. Plus tard, vous définirez les espaces Lp (]0, 1[, R) qui sera l’ensemble des
fonctions telles que kf kp < ∞. Ainsi sur cet espace, cette application sera bien une
norme.
Donc si f appartient à une boule de centre 0 pour la norme L∞ , alors elle appartient à
une boule pour la norme L1 .
Remarque. En dimension infinie, on n’a pas l’équivalence des normes ! Par exemple, on
a bien une contante C1 telle que :
∀f ∈ E, kf k1 ≤ C1 · kf k∞ .
∀f ∈ E, kf k∞ ≤ C2 · kf k1 ,
√
cela impliquerait que pour la fonction f : x 7→ 1/ x vérifierait
kf k∞ ≤ 2,