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`a support compact dans Ω Fonctions localement intégrables : soit Ω un sous- ensemble de RN On dit qu'une fonction mesurable f : Ω → R est
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et la fonction f ⇤ g s'appelle la convolée de f et g Example 35 1 Si f 2 L1 loc(Rd ) et g est continue à support compact, alors
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fonctions continues sur R à support compact ( )2 A : toute fonction continue sur R à support compact, est limite uniforme sur
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ANALYSE R
´EELLE
Notes du cours L3 ann
´ees 2007, 2009, 2010
Johannes Kellendonk(Version 1, 2007)kellendonk@math.univ-lyon1.frIta¨ı Ben Yaacov(Version 1.9.1088, 4th May 2010)http://math.univ-lyon1.fr/~begnac/
Universit
´e Claude Bernard Lyon I
2TABLE DES MATI
`ERES TABLE DES MATI`ERESTable des mati `eres1 Fonctions continues5
1.1 Convergence uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Le Th
´eor`eme de Stone-Weierstraß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Preuve du th
´eor`eme de Stone-Weierstraß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Les espacesLp11
2.1 D´efinition, in´egalit´es de H¨older et de Minkowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Compl
´etude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Densit
´e des fonctions continues`a support compact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Convolution et in
´egalit´e de Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.5 Densit
´e des fonctions lisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Espaces de Hilbert27
3.1 Produits scalaires et notion d"espace de Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Somme directe et orthocomplement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Bases orthonormales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 La transformation de Fourier 33
4.1 La transformation de Fourier surL1(Rn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Transformation de Fourier et d
´erivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.1.2 Convolution surL1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1.3 Synth
`ese spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2 La transformation de Fourier sur l"espace de SchwartzS(Rn). . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 La transformation de Fourier-Plancherel surL2(Rn). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 Rappel sur les fonctions int
´egrables 39
5.1 Rappel sur l"int
´egrale de Lebesgue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.2 R´esultats d"int´egration`a connaˆıtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2.1 Int
´egrales doubles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.2.2 Changement de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Int
´egrales d´ependant d"un param`etre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41AnalyseReelle.tex3Rev: 1088, May 4, 2010
4TABLE DES MATI`ERES
CHAPITRE 1. FONCTIONS CONTINUES
Chapitre 1
Fonctions continues
Les resultats de ce chapitre sont formul
´es pour des espaces m´etriques. N´eanmoins ils restent vrais pour des espaces topologiques.1.1 Convergence uniforme
Dans ce chapitreXdenote un espace m´etrique etK=CouR. On noteC(X;K)l"espace des fonc- tions continues deX`a valeurs dansK. On dit qu"une fonctionf2C(X;K)s"annulle`a l"infini si pour tout >0il existe un compactYXt.q.jf(x)j< pourx =2Y. On note parC0(X;K)le sous-espaceC(X;K)des fonctions qui s"annullent`a l"infini. En particulier, les fonctions deC0(X;K)sont born´ees.
On note aussi que, siXest compact toute fonction s"annulle`a l"infini, doncC0(X) =C(X). D´efinition 1.1.1.On appelle
kfk1= sup x2Xjf(x)j lanorme supounorme1def2C0(X;K). Une suite(fn)ndes fonctions deC(X;K)convergeuni- form ´ementvers une fonctionf:X!Ksi la suite des nombreskffnk1tend vers0pourn! 1. On va utiliser les notationsfnu!foufnkk1!fpour la convergence uniforme.
La convergence uniforme d"une suite(fn)ndes fonctions versfentraine la convergence ponctuelle:8x2X:fn(x)!f(x), mais la r´eciproque n"est pas juste.
Les r ´esultats suivants font partie du cours Topologie. Th ´eor`eme 1.1.2.Si la suite(fn)ndes fonctions deC0(X;K)converge uniform´ement vers une fonction f:X!Kalorsfest continue. Th´eor`eme 1.1.3.(C0(X;K);kk1)est un espace de Banach (c"est-`a-dire, un espace vectoriel norm´e qui est
complet : toute suite de Cauchy admet une limite).Le produit(fg)(x) =f(x)g(x)est associatif et distributif. Il d´efini donc la structure d"une alg`ebre sur
C0(X;K).
Lemme 1.1.4.kfgk1 kfk1kgk1.AnalyseReelle.tex5Rev: 1088, May 4, 20106CHAPITRE 1. FONCTIONS CONTINUES
1.2 Le Th
´eor`eme de Stone-Weierstraß
On va maintenant consid
´erer le cas o`uXest compact et se poser le probl`eme d"approximer une fonction continue en sup-norme par des fonctions plus simples. Th ´eor`eme 1.2.1(Stone-Weierstraß).SoitXun espace m´etrique compact etK=CouR. SoitAC(X;K)t.q.:
(i)Aest une sous-alg`ebre auto-adjointe (c"est-`a-dire,f2Aimpliquef2A). (ii)Acontient les fonctions constantes. (iii)As´epare les points deX(c"est-`a-dire, pour tousx;y2X,x6=y, il existe une fonctionf2At.q. f(x)6=f(y)). AlorsAest dense dansC(X;K)pour la topologie de la normekk1. Autrement dit, pour toute fonction f2C(X;K)il existe une suite(fn)ndansAqui converge uniform´ement versf. Exemple1.2.2.SoitX= [a;b]Run intervalle compact etAl"alg`ebre des polynˆomes sur[a;b]`a valeurdansK.Xest compact etAsatisfait les crit`eres du Th´eor`eme 1.2.1 (le polynˆomeP(x) =xs´epare
les points). Donc toute fonction continue sur[a;b](`a valeur dansK) peutˆetre approxim´ee par des
polynˆomes sur[a;b].
Remarque1.2.3.L"hypoth`ese de compacit´e est n´ecessaire. En effet, aucune fonction non polynˆomiale ne
peut ˆetre approxim´ee uniform´ement par des polynˆome surRtout entier. Exemple1.2.4.SoitX=S1=fz2C:jzj= 1getAl"alg`ebre des polynˆomes de Laurent surS1`a valeur dansC, c"est-`a-dire,L2Aest de la formeL(z) =NX
n=Na nzn pour un certainN2Navecan2C. Commez=z1surS1on aL(z) =PN n=Na nzn, doncAest autoadjoint.Asatisfait les crit`eres du Th´eor`eme 1.2.1 et donc est dense dansC(S1;C). Posons~f:R!C,~f(t) =f(eit)pourf2C(S1;C). Alors~fest continue et2-p´eriodique. La densit´e deAdansC(S1;C)veut donc dire que toute fonction continue et2-p´eriodique surR(`a valeur dansC) peutˆetre approxim´ee par des polynˆomes trigonom´etriques, comme on appelle les fonctions de la forme~L(t) =PN
n=Naneint.1.3 Preuve du th
´eor`eme de Stone-Weierstraß
La d ´emonstration est´el´ementaire mais longue. Nous la divisons en plusieurs´etapes.Lemme 1.3.1.Il existe une suite de polynˆomesPn(x)2R[x]qui converge uniform´ement versf(x) =jxj
sur[1;1]. (Notons que ceci est un cas particulier du th´eor`eme de Stone-Weierstraß, o`uX= [1;1],K=R,
AC([1;1];R)est l"ensemble des fonctions polynˆomiales, et nous voulons montrer quef2A.) D ´emonstration.Nous d´efinissons par r´ecurrence: P0(x) = 0; Pn+1(x) =12
(Pn(x)2+x):(1.1)Un simple calcul donne:
2Pn+22Pn+1=P2n+1P2n= (Pn+1+Pn)(Pn+1Pn)
1.3. PREUVE DU TH
´EOR`EME DE STONE-WEIERSTRASS7
d"o `u P n+2Pn+1=12 (Pn+1+Pn)(Pn+1Pn):(1.2) On v´erifie ais´ement par r´ecurrence que:
(i)Pn(x)est croissant sur[0;1], et0Pn(x)1pour toutx2[0;1]. (par (1.1)), et (ii)Pn+1(x)Pn(x)est croissant sur[0;1], et0Pn+1(x)Pn(x)pour toutx2[0;1](par (1.2)).En particulier, pour toutnet pour toutx2[0;1]:
0Pn+1(x)Pn(x)Pn+1(1)Pn(1);
d"o `u, pour toutnm(et toutx2[0;1]):0Pm(x)Pn(x)Pm(1)Pn(1);
et kPmPnk1 jPm(1)Pn(1)j;Or, la suitePn(1)est croissante et born´ee (par1), donc convergente, et en particulier de Cauchy. Par
cons´equence, la suite des fonctionsPnest de Cauchy dans dansC([0;1];R). Par compl´etude de ce dernier,
il existe une fonction continueg2C(X;R)telle quePn!guniform´ement sur[0;1].En particulierPn(x)!g(x)pour toutx2[0;1], d"o`u
g(x) =12 (g(x)2x);ou :1g(x)2= 1x:Or, nous savons d
´ej`a que1g(x)1, d"o`u:
1g(x) =p1x;i.e.,g(x) = 1p1x:
On a doncPn(x)!1p1xuniform´ement sur[0;1]. On en conclut que1Pn(1x2)!px 2=jxj uniform´ement sur[1;1].1.3.1
Lemme 1.3.2(Th´eor`eme de Stone-Weierstraß pour les treillis).SoitXun espace compact contenant au
moins deux points,AC(X;R), et supposons que: (i)Pour tousx6=ydansX, tousr;s2Ret tout" >0il existef2Atelle quejf(x)rj< "et jf(y)sj< ". (ii)Pour tousf;g2Aon as aussimax(f;g)2Aetmin(f;g)2A.AlorsAest dense dansC(X;R).
D ´emonstration.Soith2C(X;R), et soit" >0donn´e. D"abord, pour tousx;y2Xnous trouvons une fonctionsfxy2Atelle quejfxy(x)h(x)j< "etjfxy(y)h(y)j< "(comment fait-on six=y?). En particulier on a: f xy(x)< h(x) +"; fxy(y)> h(y)": Fixonsx2X, et pour touty2XposonsUxy=fz2X:fxy(z)> h(z)"g, observant que c"est un voisinage ouvert dey. On a doncX=S y2XUxy, et par compacit´e il existenty0;:::;ym12X8CHAPITRE 1. FONCTIONS CONTINUES
tels queX=Sm1 i=0Uxyi. Nous posons alorsgx= max(fxy0;:::;fxym1). Par hypoth`esegx2A. et par construction nous avons: g x(x)< h(x) +"; gx(z)> h(z)"quelque soitz2X: Nous construisonsgx2Aavec ces propri´et´es pour chaquex2X, et posonsVx=fz2X:gx(z)< h(x) +"g. Comme avant,Vxest un voisinage dex, d"o`uX=S x2XVx, et par compacit´e il existent x0;:::;xk1tels queX=Sk1
j=0. Nous posons alorsh"= min(gx0;:::;gxk1). Par hypoth`eseh"2A. et par construction nous avons: h "(z)< h(z) +"; h"(z)> h(z)"quelque soitz2X: Autrement dit,khh"k< ". Comme un telh"2Aexiste pour tout" >0, nous avons d´emontr´e que h2A.1.3.2 D´emonstration du Th´eor`eme de Stone-Weierstraß.Nous observons d"abord que l"adh´erenceAsatisfait elle
aussi toutes les hypoth `eses du th´eor`eme. En effet, sifn!fetgn!guniform´ement, o`ufn;gn2A, alors il existe n ´ecessairementM2Rqui majorekfnk1,kfk,kgnk1etkgkpour toutn. Dans ce cas on a pour toutx2X: k(fn+gn)(f+g)k1 kfnfk1+kgngk1; kfngnfgk1=kfn(gng) +g(fnf)k1 kfnk1k(gng)k1+kgk1k(fnf)k1Mk(gng)k1+Mk(fnf)k1;
k fnfk1=kfnfk1: Nous obtenons quefn+gn!f+g,fngn!fgetfn!funiform´ement, d"o`uf+g2A,fg2A etf2A. Cela montre queAest´egalement une sous alg`ebre auto-adjointe. Le fait queAcontient les fonctions constantes et s ´epare les points d´ecoule deAA. Comme il nous suffirait d"ailleurs de d ´emontrer queAest dense dansC(X;K)(et donc´egal`aC(X;K)), nous pouvons supposer queAest ferm´e dansC(X;K).
Nous traitons d"abord le cas r
´eel,K=R. SiXne consiste que d"un seul point, toute fonction dans C(X;R)est constante, d"o`uA=C(X;R)par hypoth`ese. Nous pouvons donc supposer queXcontient au moins deux points. Soit(Qn(x))nla suite de polynˆomes dansR[x]qui converge uniform´ement versjxjsur[1;1]. Si f2Asatisfaitkfk11alorsQn(f)2A(carAest uneR-alg`ebre contenant les constantes) et Q n(f)! jfjuniform´ement (carf(x)2[1;1]pour toutx2X). Comme est suppos´e ferm´e,jfj 2A.Sikfk1>1nous avonsfkfk12A,
fkfk11= 1etjfj=kfk1fkfk12A. Ainsi,jfj 2Apour tout
f2A. Sig2Aest une autre fonction alors: max(f;g) =12 (f+g+jfgj)2A;min(f;g) =12 (f+g jfgj)2A: Soient maintenantx6=y2X,r;s2R. Alors il existef2Atel quef(x)6=f(y). Posonsg(z) =r+f(z)f(x)f(y)f(x)(sr). Alorsg2A,g(x) =retg(y) =s. D"apr`es le r´esultat pr´ec´edent,Aest dense dans
C(X;R), et doncA=C(X;R)(carAest ferm´e). Ceci conclut la d´emonstration du cas r´eel.Dans le cas complexe, nous supposons
´egalement quef2A=)f2A. PosonsA0=A\C(X;R).
Alors pour toutf2Anous avonsRe(f) =f+f2
2A0etIm(f) =Re(if)2A0. Il est facile`a v´erifier
1.3. PREUVE DU TH
´EOR`EME DE STONE-WEIERSTRASS9
queA0v´erifie les hypoth`eses du cas r´eel, d"o`uA0=C(X;R). Or, toute fonctionf2C(X;C)peutˆetre
ecrite commef=g+iho`ug;h2C(X;R) =A0A, et commeAest uneC-alg`ebre:f=g+ih2A.On a d
´emontr´e queA=C(X;C), et la preuve est finie.1.3.210CHAPITRE 1. FONCTIONS CONTINUES
CHAPITRE 2. LES ESPACESLPChapitre 2
Les espacesLp
2.1 D ´efinition, in´egalit´es de H¨older et de MinkowskiLes resultat sont formul
´es pour un espace m´esur´e(
;T;)quelconque, mais nous sommes princi- palement int´eress´es au cas que
est une partie borelienne deRn(avec tribu borelien) et mesure deLebesgue, ou, dans le cas o
`u est discret, avec la mesure discr`ete. Pour´eviter des cas exceptionnels, nous´etendons quelques op´erations arithm´etiques habituelles de
[0;1]`a[0;1]de la fac¸on naturelle. Donca+1=1pour touta2[0;1],1p=1pour0< p <1, et ainsi de suite. D