Sujet : Analyse, Topologie, Continuité et topologie
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[http://mp.cpgedupuydelome.fr] édité le 10 septembre 2013
Continuité et topologie
Exercice 1[ 01123 ][correction]
Justifier queU=(x y)∈R2x2+y2< x3+y3est une partie ouverte deR2.
Exercice 2[ 01124 ][correction]
Montrer que GLn(R)est une partie ouverte deMn(R).
Exercice 3[ 01125 ][correction]
SoitEun espace vectoriel euclidien.
Montrer que l’ensemble(x y)∈E2(x y)libreest un ouvert deE2.
Exercice 4[ 01126 ][correction]
Pourp∈ {01 n}, on noteRpl’ensemble des matrices deMn(K)de rang
supérieur àp.
Montrer queRpest un ouvert deMn(K).
Exercice 5[ 01127 ][correction]
SoientEetFdeux espaces vectoriels normés etf:E→F. Montrer qu’il y a
équivalence entre les assertions suivantes :
(i)f ;est continue
¯
(ii)∀A∈ P(E) f(A)⊂f(A);
¯
(iii)∀B∈ P(F) f−1(B)⊂f−1(B);
(iv)∀B∈ P(F) f−1(B◦)⊂f−1(B)◦.
Enoncés
Exercice 6[ 01128 ][correction]
Montrer qu’un endomorphismeud’un espace vectoriel norméEest continu si, et
seulement si, la partie{x∈Eku(x)k= 1}est fermée.
Exercice 7Centrale MP - Mines-Ponts MP[ 01129 ][correction]
Montrer qu’une forme linéaire est continue si, et seulement si, son noyau est fermé.
Exercice 8[ 03393 ][correction]
Soitf: [01]→[01]une application continue vérifiant
a) Montrer que l’ensemble
f◦f=f
{x∈[01]f(x) =x}
1
est un intervalle fermé et non vide.
b) Donner l’allure d’une fonctionfnon triviale vérifiant les conditions
précédentes.
c) On suppose de plus quefest dérivable. Montrer quefest constante ou égale à
l’identité.
Exercice 9Mines-Ponts MP[ 02774 ][correction]
a) Chercher les fonctionsf: [01]→[01]continues telles quef◦f=f.
b) Idem avec dérivable
Exercice 10Centrale MP[ 03285 ][correction]
SoientEun espace normé de dimension quelconque etuun endomorphisme deE
vérifiant
∀x∈Eku(x)k6kxk
Pour toutn∈N, on pose
1nuk
vn=
+ 1k=X0
n
a) Simplifiervn◦(u−Id).
b) Montrer que
Im(u−Id)∩ker(u−Id) ={0}
c) On supposeEde dimension finie, établir
Im(u−Id)⊕ker(u−Id) =E
d) On suppose de nouveauEde dimension quelconque.
Montrer que si
Im(u−Id)⊕ker(u−Id) =E
alors la suite(vn)converge simplement et l’espace Im(u−Id)est une partie
fermée deE.
e) Etudier la réciproque.
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Enoncés
Exercice 11[ 01111 ][correction]
Montrer que l’ensemble des polynômes réels de degrénscindés à racines simples
est une partie ouverte deRn[X].
Exercice 12Mines-Ponts MP[ 02773 ][correction]
Pourn∈N?,Ondésigne l’ensemble des polynômes réels de degrénscindés à
racines simples etFnl’ensemble des polynômes deRn[X]scindés à racines
simples. Sont-ils ouverts dansRn[X]?
Exercice 13[ 03726 ][correction]
Soitf:R→Rvérifiant
1)∀[a b]⊂R f([a b])est un segment ;
2)y∈R f−1({y})est une partie fermée.
Montrer quefest continue.
2
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Corrections
Corrections
Exercice 1 :[énoncé]
La fonctionf: (x y)7→x3+y3−x2−y2est continue surR2etU=f−1(]0+∞[)
est un ouvert relatif deR2car image réciproque d’un ouvert par une fonction
continue. Or un ouvert relatif àR2n’est autre qu’un ouvert deR2.
Exercice 2 :[énoncé]
L’applicationdet :Mn(R)→Rest polynomiale en les coefficients matriciels, elle
est donc continue. Puisque GLn(R)est l’image réciproque de l’ouvertR?par cette
application continue, GLn(R)est un ouvert relatif àMn(R), c’est donc un ouvert
deMn(R).
Exercice 3 :[énoncé]
Par le cas d’égalité dans l’inégalité de Cauchy-Schwarz
(x y)est libre⇔ |(x|y)|<kxk kyk
Considérons l’applicationf:E2→Rdéfinie par
f(x y) =kxk kyk −(x|y)
L’ensemble(x y)∈E2(x y)libre=f−1(]0+∞[)est un ouvert car image
réciproque d’un ouvert par une fonction continue.
Exercice 4 :[énoncé]
SoitA∈Rp. La matriceApossède un déterminant extrait non nul d’ordrep. Par
continuité du déterminant, au voisinage deA, toute matrice à ce mme
déterminant extrait non nul et est donc de rang supérieur àp. Ainsi la matriceA
est intérieure àRp.
Exercice 5 :[énoncé]
¯
(i)⇒(ii) Supposonsfcontinue et introduisonsA⊂E. Tout élémentydef(A)
est l’image parfde la limitexd’une suite convergente(xn)d’éléments deA. Or
fétant continue,f(xn)→yet doncyest limite d’une suite d’élément def(A).
¯
Ainsif(A)⊂f(A).
(ii)⇒(iii) Supposons (ii) et introduisonsB⊂F. PourA=f−1(B), on a
¯ ¯ ¯ ¯
f(A)⊂f(A)⊂BdoncA⊂f−1(B)c’est à dire
f−1(B)⊂f−1(B¯)
3
(iii)⇒(iv) Supposons (iii) et introduisonsB⊂F. On remarque la propriété
f−1(CFB) =CEf−1(B)et donc
f−1(B◦) =f−1(CF(CFB)) =CEf−1(CFB)⊂CEf−1(CFB) =CEf−1(CFB)◦=f−1(B
(iv)⇒(i) Supposons (iv). Pour touta∈Aet toutε >0,B(f(a) ε)est un ouvert
deFdont
f−1(B(f(a) ε))⊂f−1(B(f(a) ε))◦
Ora∈f−1(B(f(a) ε))donca∈f−1(B(f(a) ε))◦. Par conséquent, il existe
α >0tel que
B(a α)⊂f−1(B(f(a) ε))
Ainsi nous obtenons
∀a∈E∀ε >0∃α >0∀x∈E,x∈B(a α)⇒f(x)∈B(f(a) ε)
ce qui correspond à la continuité def.
Exercice 6 :[énoncé]
Siuest continue alors
A={x∈Eku(x)k= 1}=f−1({1})
est l’image réciproque du fermé{1}par l’application continuef=kk ◦u. La
partieAest donc un fermé relatif àE, c’est donc une partie fermée.
Inversement, siun’est pas continu alors l’applicationun’est par bornée sur
{x∈Ekxk= 1}. Cela permet de construire une suite(xn)∈ENvérifiant
kxnk= 1etku(xn)k> n
En posant
1
yn=ku(xn)kxn
on obtient une suite(yn)∈ANvérifiantyn→0.
Or0∈Adonc la partieAn’est pas fermée.
Exercice 7 :[énoncé]
Si la forme linéaire est continue assurément son noyau est fermé car image
réciproque du fermé{0}.
Inversement, supposons queϕest une forme linéaire discontinue.
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Pour toutk∈R+, il existe alorsx∈Etel que
|ϕ(x)|> kkxk
Corrections
En prenantk=n∈N, on définit ainsi une suite(xn)d’éléments deEvérifiant
pour toutn∈N
|ϕ(xn)|> nkxnk
Posons alors
1
=xn
ynϕ(xn)
On a par constructionϕ(yn) = 1etkynk61ndoncyn→0E.
Considérons enfin
zn=y0−yn
On aϕ(zn) = 0et donczn∈kerϕ. Or
zn→y0
avecy0∈kerϕ. Ainsikerϕn’est pas fermé car ne contient pas toutes les limites
de ses suites convergentes.
Exercice 8 :[énoncé]
a) PosonsA={x∈[01]f(x) =x}.
Par double inclusion, on vérifieA=Imfet on en déduit queAest un segment
non vide deRde la forme[α β].
Pour toutx∈[α β],f(x) =xet pour toutx∈[01]\[α β],f(x)∈[α β]car
f(f(x)) =f(x).
Inversement, une telle fonction continue est solution.
b) Soitfsolution dérivable.
Siα=
