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Contrôle de maths L3 : complétude, espaces de Banach et point fixe

    Contrôle de maths L3 : complétude, espaces de Banach et point fixe

    Ce contrôle de maths de L3 porte sur le thème suivant : complétude, espaces de Banach et point fixe.

    Ce partiel de deux heures, conçu pour la troisième année de licence, porte sur la complétude et le théorème du point fixe de Banach-Picard. Vous établirez d’abord que l’espace des fonctions continues sur un segment, muni de la norme uniforme, est un espace de Banach, puis vous rencontrerez un sous-espace non fermé et une norme pour laquelle cet espace n’est plus complet.

    Le troisième exercice relie complétude et séries absolument convergentes, avec l’inverse de \(I – A\) pour une matrice de petite norme. Le problème résout une équation intégrale de Fredholm et compare la vitesse de convergence théorique des itérés à leur vitesse réelle. Vérifiez toujours que l’ensemble où vous appliquez le point fixe est complet et stable.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L3
    • Chapitre : Complétude, espaces de Banach et point fixe
    • Durée conseillée : 2 heures
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 8 points)
    • Compétences évaluées :
      • Raisonner : démontrer la complétude de C([a,b]) pour la norme uniforme
      • Chercher : exhiber un sous-espace non fermé et un espace normé non complet
      • Calculer : estimer l’erreur d’une itération de point fixe et la comparer à l’erreur réelle
      • Modéliser : écrire une équation intégrale comme un problème de point fixe

    Exercice 1 : Question de cours, complétude de C([a,b]) (4 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits. Durée : 2 heures.

    Pour \(a < b\), on note \(C([a,b])\) l’espace des fonctions continues de \([a,b]\) dans \(\mathbb{R}\), muni de la norme \(N_\infty(f) = \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|\).

    1. Démontrez que \((C([a,b]), N_\infty)\) est un espace de Banach. (2,5 points)
    2. Soit \((X, d)\) un espace métrique. Démontrez que si \(X\) est complet, toute partie fermée de \(X\) est complète, et que toute partie complète de \(X\) est fermée dans \(X\). (1,5 point)

    Exercice 2 : Sous-espaces fermés ou non (4 points)

    On note \(E = C([0,1])\), muni de \(N_\infty\) sauf mention contraire.

    1. Montrez que \(H = \{f \in E : f(0) = 0\}\) est un sous-espace fermé de \(E\). Est-il complet ? (1 point)
    2. Montrez que le sous-espace \(\mathcal{P}\) des fonctions polynomiales sur \([0,1]\) n’est pas fermé dans \(E\). On pourra considérer les sommes partielles de la série de l’exponentielle. Que peut-on en déduire pour \((\mathcal{P}, N_\infty)\) ? (1,5 point)
    3. On munit maintenant \(E\) de la norme \(N_1(f) = \int_0^1 |f(t)|\,\mathrm{d}t\). Pour \(n \geq\, 2\), on définit \(f_n \in E\) par \(f_n(t) = 0\) sur \([0, \frac{1}{2}]\), \(f_n(t) = n(t – \frac{1}{2})\) sur \([\frac{1}{2}, \frac{1}{2} + \frac{1}{n}]\) et \(f_n(t) = 1\) sur \([\frac{1}{2} + \frac{1}{n}, 1]\). Montrez que \((f_n)\) est de Cauchy pour \(N_1\) mais ne converge pas dans \((E, N_1)\). (1,5 point)

    Fonctions rampes f_n pour n égal à 2, 4 et 10 : nulles jusqu'à un demi puis affines jusqu'à la valeur 1

    Exercice 3 : Séries dans un espace de Banach (4 points)

    Soit \((E, \|\cdot\|)\) un espace vectoriel normé.

    1. On suppose \(E\) complet. Montrez que toute série \(\sum u_n\) d’éléments de \(E\) telle que \(\sum \|u_n\|\) converge est convergente, et que \(\|\sum_{n=0}^{+\infty} u_n\| \leq\, \sum_{n=0}^{+\infty}\|u_n\|\). (1,5 point)
    2. On munit \(M_d(\mathbb{R})\) d’une norme subordonnée \(|||\cdot|||\). Soit \(A \in M_d(\mathbb{R})\) telle que \(|||A||| < 1\). Montrez que \(I_d – A\) est inversible, que \((I_d – A)^{-1} = \sum_{k=0}^{+\infty} A^k\) et que \(|||(I_d – A)^{-1}||| \leq\, \dfrac{1}{1 – |||A|||}\). (1,5 point)
    3. Réciproquement, on suppose que dans \(E\) toute série absolument convergente converge. Montrez que \(E\) est complet. (1 point)

    Exercice 4 : Problème, une équation intégrale de Fredholm (8 points)

    On note \(E = C([0,1])\) muni de \(N_\infty\). Soit \(K : [0,1]^2 \to \mathbb{R}\) continue, \(M = \max_{[0,1]^2} |K|\), \(g \in E\) et \(\lambda \in \mathbb{R}\). Pour \(f \in E\), on définit la fonction \(T(f)\) sur \([0,1]\) par
    \[T(f)(x) = g(x) + \lambda\int_0^1 K(x, t)f(t)\,\mathrm{d}t.\]
    On cherche les \(f \in E\) telles que \(T(f) = f\) (équation de Fredholm de seconde espèce).

    1. Montrez que \(T(f) \in E\) pour tout \(f \in E\). (1,5 point)
    2. Montrez que \(N_\infty(T(f) – T(h)) \leq\, |\lambda| M\, N_\infty(f – h)\) pour tous \(f, h \in E\). (1 point)
    3. On suppose \(k = |\lambda| M < 1\). Démontrez que l’équation \(T(f) = f\) admet une unique solution \(f^{*} \in E\), que pour tout \(f_0 \in E\) la suite définie par \(f_{n+1} = T(f_n)\) converge vers \(f^{*}\), et que \(N_\infty(f_n – f^{*}) \leq\, \dfrac{k^n}{1 – k}N_\infty(f_1 – f_0)\). (2 points)
    4. On suppose de plus \(g \geq\, 0\), \(K \geq\, 0\) et \(\lambda \geq\, 0\). Montrez que \(E^{+} = \{f \in E : f \geq\, 0\}\) est un fermé de \(E\) stable par \(T\) et déduisez-en que \(f^{*} \geq\, 0\). (1 point)
    5. Dans cette question et la suivante, \(K(x, t) = xt\), \(g(x) = x\) et \(\lambda = \frac{1}{2}\). Vérifiez que \(k = \frac{1}{2}\), puis déterminez \(f^{*}\) en la cherchant sous la forme \(f^{*}(x) = ax\). (1,5 point)
    6. On part de \(f_0 = 0\). Montrez que \(f_n(x) = a_n x\) avec \(a_{n+1} = 1 + \frac{a_n}{6}\), puis exprimez \(N_\infty(f_n – f^{*})\) en fonction de \(n\). Combien d’itérations la majoration de c) impose-t-elle pour garantir une erreur au plus \(10^{-3}\), et combien en faut-il réellement ? (1 point)

    Corrigé du contrôle de maths L3 : complétude, espaces de Banach et point fixe

    Réviser avant le contrôle : complétude, espaces de Banach et point fixe

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Complétude et point fixe » en L3 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés complétude et point fixe.

    Retrouvez tous les contrôles de maths de L3 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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