Etude de Quelques Théorèmes Du Point Fixe Et Leurs Applications
Etude de Quelques Théorèmes Du Point Fixe Et Leurs Applications
Etude de Quelques Théorèmes Du Point Fixe Et Leurs Applications
Année: 2015
Master Académique
Université Dr Tahar Moulay - Saïda
Discipline : MATHEMATIQUES
Spécialité : Analyse, Géométrie et Applications
par
Fatima Abbas 1
Sous la direction de
1. fatima.abbas75@yahoo.com
Dédicaces
A mon encadreur Mme Mostefai Fatima-Zohra qui m’a guidé durant toute ma
recherche.
FATIMA ABBAS
Remerciements
Je tiens également à remercier les membres de jury pour l’honneur qu’ils nous ont
fait en acceptant de siéger à notre soutenance et d’examiner notre travail.
Je remercie mes très chers parents, Mekki et Khadidja, qui ont toujours été là
pour moi.
Introduction 6
1 préliminaire 8
1.1 Espace vectoriel normé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Espaces métriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Espaces de Banach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Continuité dans les espaces normés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 Compacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Convexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
p
1.7 Espace de Lebesgue L (Ω) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.8 Espace de Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.9 Espace de Sobolev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Contraction 14
2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Théorèmes du point fixe de contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Application du principe de contraction de Banach . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Problème a condition initiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Equations intégrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Conclusion 52
Bibliographie 54
Introduction
convexe compact admet un point fixe, qui n’est pas nécessairement unique. Il n’est
donc pas nécessaire tablir des stimées sur la fonction, mais simplement sa continuité.
Ceci nous donne la possibilité de traiter plus de cas qu’avec le théorème de Banach
(par exemple, l’identité).
préliminaire
k.k : E → R+
x 7→ kxk
Définition 1.1.2. un espace vectoriel normé (e.v.n) est un couple (E, k · k) où E est
un espace vectoriel sur R où C et k · k est une norme sur E.
Exemple 1.1.1.
Soient E = C([a, b], R) un espace vectoriel sur R. On définit les normes suivantes :
Rb
1. kf k1 = a |f (t)|dt est dite norme de la moyenne .
Rb 1
2. kf k2 = ( a |f (t)|2 dt) 2 est dite norme quadratique .
3. kf k∞ = supt∈[a,b] |f (t)| est dite norme uniforme .
est une distance discrète, le couple (E, d) est appellé espace métrique discrèt.
1.3 Espaces de Banach 10
Définition 1.3.2. Une suite (un )n∈N est dite suite de Cauchy dans E si
Définition 1.3.3. Un espace normé (E, k · k) est dit complet si et seulement si toute
suite de Cauchy d’éléments de E converge dans E.
Définition 1.3.4. On appelle espace de Banach tout espace vectoriel normé complet
C-à-d :
lim f (x) = f (x0 ).
x→x0
Elle est dit continue sur E si elle est continue en tout point de E.
1.5 Compacité
Définition 1.5.1. Soient E un ensemble quelconque et A une partie de E.
Une recouvrement de A est une famille (Bi )i∈I des parties de E vérifiant :
1.6 Convexité 11
[
A⊂ Bi
i∈I
Corollaire 1.5.1. Soit (E, k.k) un e.v.n sur R où C de dimension fini. Les parties
relativements compactes de E sont les parties bornées.
Définition 1.5.3. 1. Un espace normé (E, k.k) est dit compact s’il est relative-
ment compact et complet.
2. Une partie A d’un espace normé(E, k.k) est dite compacte si le sous-espace
normé (A, k.kA ) est compact.
Théorème 1.5.1. Soit (E, k.k) un e.v.n sur E où C de dimension fini. Alors les
parties compactes de E sont les parties fermées et bornées de E.
Proposition 1.5.1. L’image réciproque d’un ensemble compact par une application
continue n’est pas nécessairement compact.
Définition 1.5.4. Une famille φ de définition φ définies sur un intervalle [a, b], est
dite uniformément bornée s’il existe une constante k telle que :
1.6 Convexité
Définition 1.6.1. On dit que C ⊂ E est un ensemble convexe si :
Z p1
kf kLp = |f (x)|p dµ(x)
Ω
Définition 1.8.2. Un espace de Hilbert est un espace vectoriel H muni d’un produit
1
scalaire hu, vi et qui est complet pour la norme hu, ui 2 .
On munit les espaces de Sobolev par une structure d’espaces normés dont les normes
sont définit par
XZ p1
α p
kf kW p,k (Ω) := |D f (x)| dx , 1 ≤ p < +∞,
|α|≤k Ω
X
kf kW p,∞ (Ω) := sup |Dα f (x)|, p = +∞.
x∈Ω
|α|≤k
Chapitre 2
Contraction
2.1 Définitions
Le principe de contraction de Banach est le résultat le plus élémentaire dans la théorie
du point fixe. Comme il est basé sur un processus itératif, alors il peut être rendu
éffectif sur un ordinateur pour trouver le point fixe d’une application contractante ; il
peut ainsi realiser l’exactitude désirée tout en jouant sur le nombre d’itérations dont
on a besoin.
Ce théorème est dû a S. Banach en 1922, il s’agit d’une abstraction de la méthode clas-
sique des approximations successives introduite par Liouville en 1837 et développée
systèmatiquement pour la première fois par Picard en 1890.
avec
kn
d(f n (x), u) ≤ d(x, f (x))
1−k
Preuve :
(a) Unicité : Supposons qu’il existe x, y ∈ X tel que x = f (x) et y = f (y). Alors
d(f n (x), f n+1 (x)) ≤ kd(f n−1 (x), f n (x)) ≤ · · · ≤ k n d(x, f (x))
2.2 Théorèmes du point fixe de contraction 16
d(f n (x), f m (x)) ≤ d(f n (x), f n+1 (x)) + d(f n+1 (x), f n+2 (x))
+ · · · +d(f m−1 (x), f m (x))
≤ k n d(x, f (x)) + · · · + k m−1 d(x, f (x))
≤ k n d(x, f (x))[1 + k + k 2 + · · · + k m−n−1 ]
kn −km
= 1−k
d(x, f (x))
kn
d(f n (x), f m (x)) ≤ d(x, f (x)). (2.1)
1−k
Ceci montre que {f n (x)} est une suite de Cauchy et comme X est espace com-
plet, alors il existe u ∈ X tel que limn→∞ f n (x) = u. De plus, la continuité de
f entraine que
kn
d(f n (x), u) ≤ d(x, f (x)).
1−k
Les exemples suivants montrent que chacune des hypothèses du théorème est réel-
lement nécessaire.
√
1. X n0 est pas stable par f : f (x) = x2 + 1 sur X = [0, 1].
Or X est fermé dans R, et complet car R est complet. De plus,
f 0 (x) = √ x< 1 ⇒ supx∈X |f 0 (x)| < 1 ⇒ f est contractante. Mais f n’a pas
x2 +1
√
de point fixe car f ([0, 1]) = [1, 2], i.e. X n’est pas stable par f .
2.2 Théorèmes du point fixe de contraction 17
√
2. f n0 est pas contractante : f (x) = x2 + 1 sur X = [0, ∞[.
Or f : X → X, et X est un fermé de R. R est complet donc X est complet.
Mais supx∈X |f 0 (x)| = 1 donc f n’est pas contractante.
sin(x)
3. X n0 est pas complet : f (x) = 2
sur X =]0, π4 ].
√
Or f (]0, π4 ]) =]0, 4
2
] ⊂]0, π4 ], et supx∈X |f 0 (x)| = 1
2
< 1; donc, f est contractante.
Mais X n’est pas fermé dans R donc pas complet.
Preuve :
L’unicité est facile a prouver. Pour l’existence, il suffit de remarquer que l’application
K : x 7→ d(x, f (x)) atteint son minimum en un point que nous notons x0 ∈ X. Nous
avons f (x0 ) = x0 car autrement
K(f (x0 )) = d(f (f (x0 )), f (x0 )) < d(f (x0 ), x0 ) = K(x0 )
Contradiction. 2
Nous allons présenter maintenant une version locale du principe de contraction de
Banach.
Supposons que f : B(x0 , r) → X est une contraction (i.e, d(f (x), f (y)) ≤ kd(x, y)
pour tout x, y ∈ B(x0 , r) avec 0 ≤ k < 1) vérifiant
Preuve :
Comme d(f (x0 ), x0 ) < (1 − k)r, alors il existe r0 tel que 0 ≤ r0 < r avec
Nous allons montrer que f : B(x0 , r0 ) → B(x0 , r0 ). Pour voir ceci notons que si
x ∈ B(x0 , r) , alors
Ainsi nous pouvons appliquer le Théorème 2.2.1 pour déduire que f a un unique point
fixe dans B(x0 , r0 ) ⊂ B(x0 , r). Là encore, il est facile de voir que f admet un et un
seul point fixe dans B(x0 , r). 2
Nous allons examiner brièvement le comportement d’une application de contraction
définie de B r = B(0, r) (la boule fermée de rayon r et de centre 0) à valeurs dans un
espace de Banach E.
Preuve :
Considérons l’application
x + f (x)
g(x) = .
2
Nous montrons d’abord que g : B r → B r . Soit
x
x∗ = r où x ∈ Br et x 6= 0.
kxk
si x ∈ B r et x 6= 0 alors
et comme x − x∗ = x
kxk
(kxk − r), alors
kg(0)k ≤ r,
kx − yk + kkx − yk [1 + k]
kg(x) − g(y)k ≤ = kx − yk.
2 2
Si pour u ∈ X on a
lim d(f n (u), f n+1 (u)) = 0,
n→∞
Preuve :
Soit u ∈ X tel que limn→∞ d(f n (u), f n+1 (u)) = 0 et soit un = f n (u). Montrons que
{un } est une suite de Cauchy.
Soit > 0 et δ() > 0 tel que d(x, f (y)) < δ(), y ∈ B(x, ). Nous pouvons choisir
N suffisamment grand tel que
Or, puisque d(uN , f (uN )) < δ(), alors (2.2) garantit que
Ainsi
d(uk , ul ) ≤ d(uk , uN ) + d(uN , ul ) < 2 pour tout k, l ≥ N,
et donc (un ) est une suite de Cauchy. De plus, il existe y ∈ X avec limn→∞ un = y.
Nous montrons maintenant que y est un point fixe de f. Supposons qu’il ne l’est pas
alors
d(y, f (y)) = γ > 0
γ 2γ
d(f (y), un ) ≥ d(f (y), y) − d(un , y) > γ − = .
3 3
Preuve :
Supposons que t ≤ φ(t), pour tout t > 0. Alors φ(t) ≤ φ(φ(t)) et donc t ≤ φ2 (t).
Par induction, t ≤ φn (t) pour n ∈ {1, 2, 3...}.
Il se agit d’une contradiction. Ainsi φ(t) < t pour tout t > 0.
En outre,
d(f n (x), f n+1 (x)) ≤ φn (d(x, f (x))) pour x ∈ X,
et donc
lim d(f n (x), f n+1 (x)) = 0 pour chaque x ∈ X.
n→∞
Soit > 0, on choisit δ() = − φ(). Si d(x, f (x)) < δ(), alors pour tout
z ∈ B(x, ) = {y ∈ X : d(x, y) < } nous avons
d(f (z), x) ≤ d(f (z), f (x)) + d(f (x), x) ≤ φ(d(z, x)) + d(f (x), x)
< φ(d(z, x)) + δ() ≤ φ() + ( − φ()) = ,
et donc f (z) ∈ B(x, ). Le Théorème 2.2.5 entraine que f admet un point fixe u avec
limn→∞ f n (x) = u pour chaque x ∈ X.
En fin, il est facile à voir que f possède un unique point fixe dans X. 2
Remarque 2.2.1. Notons que le Théorème 2.2.1 est un cas particulier du Théorème
2.2.6 si nous choisisons φ(t) = kt avec 0 ≤ k < 1.
2.3 Application du principe de contraction de Banach 22
Z t
Ty (t) = y0 + f (s, y(s))ds.
0
Preuve :
Nous allons appliquer le Théorème 2.2.1 pour montrer que T admet un unique point
fixe. A première vue, il semble naturel d’utiliser la norme maximale sur C(I) mais ce
choix nous ménerait vers une solution locale définie sur une sous-intervalle de I. On
utilisera alors la norme maximale pondérée suivante
kykα = | exp(−αt)y(t)|0
sur C(I). On remarque que C(I) muni cette norme est un espace de Banach, car elle
est équivalente à la norme maximale, puisque
Montrons maintenant que T est une contraction de (C(I), k.kα ). Soient y, z ∈ C(I)
alors
Z t
Ty (t) − Tz (t) = [f (s, y(s)) − f (s, z(s))]ds pour t ∈ I.
0
et par conséquent
kTy − Tz kα ≤ (1 − exp(−αb))ky − zkα .
2.3 Application du principe de contraction de Banach 24
Preuve :
kykA = |exp(−A(t))y(t)|0 ,
possède une unique solution f (x) ∈ L2 (a, b) pour toutes les valeurs de paramètre µ.
Preuve :
T : L2 (a, b) → L2 (a, b)
f 7→ T (f ) = h
où
Z b
h(x) = g(x) + µ K(x, y)f (y)dy.
a
Z b 21 Z b 12
2 2
≤ |K(x, y)| dy |f (y)| dy .
a a
2.3 Application du principe de contraction de Banach 26
Par conséquent
Z b 2
|ψ(x)|2 =
k(x, y)f (y)dy
a
Z b Z b
2 2
≤ |K(x, y)| dy |f (y)| dy .
a a
Donc
Z b Z b Z b Z b Z b
2 2 2
|ψ(x)| dx ≤ |K(x, y)| dy dx |f (y)| dy dx,
a a a a a
par hypothèse
Z bZ b
|K(x, y)|2 dxdy < ∞,
a a
et
Z b Z b
2
|f (y)| dy dx < ∞.
a a
Donc
Z b
ψ(x) = K(x, y)f (y)dy ∈ L2 (a, b).
a
Nous savons que L2 (a, b) est un espace métrique complet muni de la distance
Z b 21
2
d(f, g) = |f (x) − g(x)| dx .
a
Nous allons montrer que T est une application contractante. Nous avons
d(T f, T f1 ) = d(h, h1 )
où
Z b
h1 (x) = g(x) + µ K(x, y)f1 (y)dy.
a
2.3 Application du principe de contraction de Banach 27
Z b Z b 2 ! 21
d(h, h1 ) = |µ|
K(x, y)[f (y) − f 1 (y)]dy dx
a a
Z b Z b 21 Z b 21
≤ |µ| |K(x, y)|2 dxdy |f (y) − f1 (y)|2 dy .
a a a
Z b Z b 21
d(T f, T f1 ) = |K 2 (x, y)|dxdy d(f, f1 ),
a a
Si
1
|µ| < 21 ,
RbRb
a a
|K(x, y)|2 dxdy
alors
d(T f, T f1 ) ≤ kd(f, f1 ),
où
Z b Z b 21
0 ≤ k = |µ| |K(x, y)|2 dxdy < 1.
a a
Donc T est une contraction, alors le théorème de contraction de Banach assure que T
admet un point fixe unique f ∗ ∈ L2 (a, b) tel que T f ∗ = f ∗ , ce point fixe est l’unique
solution de l’équation intégrale. 2
Chapitre 3
rème de Schauder pour application non expansive. C’est un cas particulier du théo-
rème de Schauder de point fixe qui sera présenté.
Théorème 3.1.1. Soit C un sous-ensemble non vide, fermé, convexe d’un espace
vectoriel normé E et soit f : C → C une application non expansive tel que f (C) est
un sous-ensemble d’un ensemble compact de C. Alors f admet un point fixe.
Preuve :
En outre,étant donné que f (C) est inclus dans un sous-ensemble compact de C, alors
il existe une sous-suite S de nombres entièrs et un u ∈ C tel que
Ainsi
1 1
xn = 1 − f (xn ) + x0 → u lorsque n → ∞, dans S.
n n
Par continuité on obtient alors
et par conséquent
u = f (u).
2
Le théorème suivant est un résultat le plus important dans ce paragraphe (établi
indépendamment par Browder, Göhde et Kirk en 1965.)
3.1 Théorème de point fixe pour application non expansive 30
Théorème 3.1.2. Soit C un ensemble non vide, fermé, borné dans un espace de
Hilbert H. Alors toute application non expansive f : C → C admet au moins un point
fixe.
Remarque 3.1.1. l’unicité n’est pas réalise dans ce théorème la comme on peut le
voir dans l’exemple f (x) = x, avec x ∈ C = [0.1].
Remarque 3.1.2. En fait dans le théorème 3.1.2 il suffit de supposer que H est un
espace de Banach uniformément convexe.
alors
√
ku − vk ≤ 2 R2 − r2 .
Preuve :
√p
ka − f (a)k ≤ 2 2δ(C).
3.1 Théorème de point fixe pour application non expansive 31
Preuve :
Comme
a + f (a)
a + f (a)
kx − yk ≤
x −
+
y −
,
2 2
Cependant, puisque
1
ka − xk = kx − yk,
2
nous avons
s 2 2
1 1
ka − f (a)k ≤ 2 kx − yk + − kx − yk
2 2
p √p
= 2 kx − yk + 2 = 2 kx − yk +
√p
≤ 2 2δ()
1
fn := 1 − f :C→C
n
3.1 Théorème de point fixe pour application non expansive 32
est une contraction. Le Théorème 2.2.1 garantit l’existence d’un unique xn ∈ C tel
que
1
xn = fn (xn ) = 1 − f (xn ).
n
Ainsi
1 1
kxn − f (xn )k = kf (xn )k ≤ δ(C). (3.1)
n n
Où δ(C) désigne le diamêtre de C. Pour chaque n ∈ {2, 3, · · ·}, soit
n 1 o
Qn = x ∈ C : kx − f (x)k ≤ δ(C) .
n
On remarque que
Q2 ⊇ Q3 ⊇ · · · ⊇ Qn ⊇ · · ·
Comme la suite des ensembles non vides fermés (Qn ) est décroissants alors
d2 ≤ d3 ≤ · · · ≤ dn ≤ · · · avec di ≤ δ(C)
1 1
ku − 0k ≤ d + et kv − 0k ≤ d + . (3.2)
n n
3.1 Théorème de point fixe pour application non expansive 33
1 1
ku − f (u)k ≤ δ(C) et kv − f (v)k ≤ δ(C).
8n2 8n2
u + v r
u+v
p 1 1
− f( )
≤ 2 2δ(C) δ(C) = δ(C)
2 2 8n2 n
u+v
donc 2
∈ Qn et
u + v
− 0
≥ dn . (3.3)
2
et donc
r
2d 1
δ(An ) ≤ 2 + 2 + (d2 − d2n ).
n n
Par conséquent limn→∞ δ(An ) = 0. Le théorème de Contor, appliqué à la suite
{An }∞
n=2 garantit l’existence d’un
∞
\
x0 ∈ An .
n=2
Et comme
∞
\
x0 ∈ Q8n2
n=2
nous avons
δ(C)
kx0 − f (x0 )k ≤ pour tout n ∈ {2, 3, · · ·}.
8n2
Donc
kx − f (x0 )k = 0
3.1 Théorème de point fixe pour application non expansive 34
Preuve :
f (x) r
x = r(f (x)) = r = λf (x) avec λ = < 1,
kf (x)k kf (x)k
1. kf (x)k ≤ kxk,
2. kf (x)k ≤ kx − f (x)k,
3. kf (x)k2 ≤ kxk2 + kx − f (x)k2 ,
4. hx, f (x)i ≤ kxk2 .
Preuve :
Supposons que la condition (2) soit remplie. Alors, si f n’a pas de point fixe, d’aprés
le théorème 3.1.5, il existe z ∈ ∂B r et λ ∈ (0.1) tel que z = λf (z).
En particulier f (z) 6= 0 et
C’est-à-dire
kf (z)k ≤ (1 − λ)kf (z)k
Commençons par définir l’homotopie pour les contractions. Soit (X, d) un espace
métrique complet et U un ouvert de X.
3. il existe 0 ≤ α < 1, tel que d(H(x, t), H(y, t)) ≤ αd(x, y) pour tout x, y ∈ U et
t ∈ [0, 1];
Le résultat suivant montre que la propriété d’avoir un point fixe est invariante par
homotopie pour les contractions.
Preuve :
Considérons l’ensemble
où H est une homotopie entre f et g. Notons que A est non vide puisque g admet
un point fixe,et 0 ∈ A. Nous allons montrer que A est à la fois ouvert et fermé dans
[0, 1] et ainsi A = [0.1]. En conséquence,f a un point fixe en U.
On montre d’abord que A est fermé dans [0, 1]. Pour voir ceci, soit
{λn }∞
n=1 ⊆ A avec λn → λ ∈ [0, 1] quant n → ∞.
c’est,
M
d(xn , xm ) ≤ |λn − λm |.
1−α
De plus comme {λn } est une suite de Cauchy alors {xn } est aussi une suite de
Cauchy,et comme X est complet il existe x ∈ U avec limn→∞ xn = x. En outre,
4.2 Alternatives nonlinéaire pour application contractante 38
(1 − α)r
≤ où r < dist(x0 , ∂U ),
M
En appliquant le Théorème 2.2.1 on déduit que H(·, λ) admet un point fixe dans U.
Ainsi λ ∈ A pour tout λ ∈ (λ0 − , λ0 + ), et donc A est un ouvert dans[0, 1]. 2
Dans la suite, nous supposons que X est un espace de Banach. Nous présentons
maintenant une alternative non linéaire du type leray-Schauder pour les applications
contractantes.
4.2.1 Application
Pour illustrer l’application du Théorème 4.2.1 en pratique, étudions le problème de
Dirichlet du second ordre suivant :
(
y 00 = f (t, y, y 0 ) pour t ∈ [a, b],
(4.1)
y(a) = y(b) = 0
Z b
Ty (t) := g(t, s)f (s, y(s), y 0 (s))ds,
a
Il est clair que les points fixes de T sont les solutions classiques de (4.1). Sous une
condition de Lipschitz locale appropriée sur f, nous allons utiliser l’alternative non
linèaire pour une application contractante pour établir que la restriction de T sur un
domaine bien défini U ⊆ C 1 [a, b] est une contraction et admet un point fixe ( en fait
4.2 Alternatives nonlinéaire pour application contractante 40
un unique point fixe) dans U . Ainsi (4.1) a une solution unique dans U . Pour cela,
supposons que f satisfait la condition de Lipschitz locale suivante :
2
il y a un sous-ensemble D ⊆ R et constantes, K0 et K1
tel que la restriction de f a [a, b] × D satisfait (4.3)
|f (t, y, y 0 ) − f (t, z, z 0 )| ≤ K |y − z| + K |y 0 − z 0 |.
0 1
Z b
|(Ty − Tz )(t)| = g(t, s)[f (s, y(s), y 0 (s)) − f (s, z(s), z 0 (s))]ds
a
(b − a)2
≤ ky − zk,
8
depuis
b
(b − t)(t − a) (b − a)2
Z
max |g(t, s)|ds = max = .
t∈[a,b] a t∈[a,b] 2 8
Ainsi
(b − a)2
|Ty − Tz |0 ≤ ky − zk.
8
alors
b−a
|(Ty − Tz )0 |0 ≤ ky − zk.
2
depuis
b
(b − t)2 + (t − a)2 b−a
Z
max |g(t, s)|ds = max = ,
t∈[a,b] a t∈[a,b] 2(b − a) 2
Par conséquant
(b − a)2
b−a
kTy − Tz k ≤ K0 + K1 ky − zk, (4.4)
8 2
4.3 Alternatives nonlinèaires pour application non expensive 41
(b − a)2 b−a
K0 + K1 <1 (4.5)
8 2
est vrai. Supposons qu’il existe U ⊆ C 1 [a, b] un ensemble ouvert borné de fonctions tel
que
u ∈ U implique (u(t), u0 (t)) ∈ D pour tout t ∈ [a, b] (4.6)
et
y solution de (4.2) pour tout λ ∈ (0.1) implique y n’appartient pas à ∂U. (4.7)
Preuve :
Les équations (4.4) et (4.5) entrainent que T : U → C 1 [a, b] est une contraction. Et
en appliquant le Théorème 4.2.1 et en notant que (A2 ) ne peut pas se produire en
raison de (4.4) alors le résultat est prouvé.
Supposons (A2 ), ne se réalise pas. Considérons pour tout n ∈ {2, 3, · · ·}, l’application
1
fn := 1 − f : U → X.
n
Alors,
1 1
u=λ 1− f (u) = ηf (u) où 0 < η = λ(1 − ) < 1
n n
Contradiction puisque la propriété (A2 ), ne se produit pas. Par conséquent pour tout
n ∈ {2, 3, · · ·} que nous avons fn admet un point fixe un ∈ U. Le résultat standard (si
E est un espace de Banach réflexif, toute suite bornée en norme dans E admet une
sous-suite faiblement convergente )implique (puisque U est fermée, bornée et convexe,
donc faiblement fermée) qu’il existe une sous-suite de nombres entièrs et un u ∈ U
tel que
un * u lorsque n → ∞
4.3 Alternatives nonlinèaires pour application non expensive 43
1
k(I − f )(un )k = kf (un )k
n
1
≤ (kf (un ) − f (0)k + kf (0)k)
n
1
≤ (kun k + kf (0)k).
n
4.3.1 Application
Exemple 4.3.1.
a une solution unique à de norme maximale au plus égale à 1. Pour montrer ceci,
nous appliquons le théorème 4.2.2 avec f = f (t, y) = − exp(y). Par le théorème de la
valeure moyenne, nous avons
On prend
D = [−1, 1] et U = {y ∈ C[0.1] : |y|0 = sup |y(t)| < 1}
t∈[0,1]
Z 1
y(t) = −λ g(t, s) exp(y(s))ds
0
et par suite
1
|y(t)| ≤ exp(|y|0 ) pour t ∈ [0.1].
8
Par conséquent |y|0 ≤ 18 exp(|y|0 ) et cela implique que |y|0 6= 1 et donc y n’est pas un
élément de ∂U. Ainsi, Théorème 4.2.2 implique que (4.8) admet une solution unique
de norme au plus égale à 1.
Chapitre 5
Dans ce chapitre, nous allons actuellement présenter les théorèmes du point fixe pour
une application continue dans les espaces de Banach en dimension finie et infinie. En
particulier, nous présentons les théorèmes de Brouwer,Schauder et Krasnoselskii.
Théorème 5.1.2. Si T : [a, b] → [a, b] est continue, alors il existe x ∈ [a, b] tel que
f (x) = x.
5.1 Théorème du point fixe du type Brouwer 46
Preuve :
Si f est continue de [a, b] dans lui même, la fonction g 7→ f (x) − x est continue, et
prend en a la valeur f (a) − a ≥ 0 et en b la valeur f (b) − b ≤ 0. Alors par le théorème
des valeurs intermédiaires, la fonction g s’annule en un point x0 , qui est un point fixe
de f. 2
De même dans le plan, Les parties compactes et convexes sont les disques fermés ou
bien les boules fermées, la forme du théorème de Brouwer prend la forme suivante
Théorème 5.1.3. Toute application T continue du disque férmé dans lui-même ad-
met au moins un point fixe.
Preuve :
cela revient à montrer que la fonction atteint le vecteur nul sur [−1, 1] × [−1, 1]. Si
fk , pour k = 1, 2, sont les deux fonctions cordonnées de f, cela revient à montrer
l’existence d’un point x0 , telle que f1 et f2 admettent toutes deux pour zéro la valeur
x0 .
la fonction f1 est une fonction de [−1, 1] × [−1, 1] dans [−1, 1] sur {−1} × [−1, 1], elle
est positive, en revanche sur {−1} × [−1, 1], elle est négative. ceci laisse penser que
la courbe de niveau 0 est une ligne qui parte d’un point [−1, 1] × {1} pour finir sur
5.1 Théorème du point fixe du type Brouwer 47
Remarque 5.1.1. - Il est important de voir que l’unicité n’est pas assurée par le
théorème de Brouwer du fait que chaque point de K est un point fixe de l’application
identité.
Il est possible de généraliser en toute dimension finie. Donc dans un espace euclidien,
on retrouve
Théorème 5.1.4. Toute application T continue d’une boule fermée d’un espace eu-
clidien dans elle-même admet un point fixe.
Il peut encore être un peu plus général, en considérant toute partie convexe
compact d’un espace euclidien :
Théorème 5.1.5. Toute application T continue d’un convex compact K d’un espace
euclidien à valeur dans K admet un point fixe.
Nous allons donner un résultat de Brouwer qu’on oura besoin dans la démonstration
du théorème de Schauder.
Définition 5.1.1. On dit qu’un espace topologique a la propriété du point fixe si toute
application continue T : E → E possède un point fixe.
Preuve :
de plus, il existe un ensemble fini de points {x1 , x2 , · · ·, xp } ⊂ K tel que les boules
ouvertes de rayon δ centrées aux xi recouvrent K; i.e.K ⊂ ∪1≤j≤p B(xj , δ).
Si on désigne L := V ec(T (xj ))1≤j≤p alors L est de dimension finie, et K ∗ := K ∩ L est
compact convexe de dimension finie. Pour 1 ≤ j ≤ p, on définie la fonction continue
ψj : E → R par
(
0 sikx − xj k ≥ δ
ψj = kx−xj k
(5.2)
1− δ
sinon
il est clair que ψj est strictement positive sur B(xj , δ) et nulle en dehors.
On a donc, pour tout x ∈ K, pj=1 ψj (x) > 0, on peut définir sur K les fonctions
P
Pp
pour les quelles on a j=1 ϕj (x) = 1 pour tout x ∈ K,
Posant,pourx ∈ K
p
X
g(x) = ϕj (x)T (xj ). (5.4)
j=1
La fonction g est continue (car elle est la somme des fonctions continues)et prend ses
valeurs dans K ∗ (car g(x) est un barycentre des T (xj )).
Si on prend la restriction g/K ∗ : K ∗ → K ∗ , (d’aprés théorème de Brouwer)g possède
un point fixe y ∈ K ∗ .
De plus :
p
X
= ϕj (x)[T (y) − T (xj )].
j=1
Or si ϕj (y) 6= 0 alors ky − xj k < δ,et par suitekT (y) − T (xj )k < . On a pour tout j
p
X
kf (y) − yk ≤ ϕj (x)[T (y) − T (xj )]
j=1
p
X
≤ ϕj (y) = .
j=1
Pour tout entier m, en peut trouver un point ym ∈ K tel que kf (ym )−ym k ≤ 2−m .
Et puisque K est compact, de la suite (ym )m∈Z on peut extraire une sous-suite (ymk )
qui converge vers un point y ∗ ∈ K. Alors T étant continue, la suite (T (ymk )) converge
vers T (y ∗ ), et on conclut que T (y ∗ ) = y ∗ , i.e y ∗ est un point fixe de T sur K. 2
Preuve :
Soit y fixé dans D, comme U est une contraction, l’équation x = U x + V y admet une
solution unique x dans D.
On définit l’application
L : D→D
Ly = x
Ly = U Ly + V y , (y ∈ D) (∗)
tel que
n
[
VD ⊂ B(V yk , (1 − k)).
k=1
La théorie du point fixe est d’une importance capitale dans l’étude de l’existence
de solution pour les équations d’opérateurs non linèaires.
Mais en 1955, Krasnoselskii a joint les deux résultats de Banach et Schauder afin
d’entirer son théorème qui affirme sous certaines conditions sur l’espace de Banach,
l’application de la forme : U x + Cx
5.3 Théorème du point fixe de Krasnoselskii 53