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Soit E=Cb(R,C)E = \mathcal{C}_b(\mathbb{R}, \mathbb{C}) l'espace vectoriel des fonctions continues et bornées sur R\mathbb{R} à valeurs complexes, muni de la norme de la convergence uniforme \|\cdot\|_{\infty}.

On considère deux réels aa et bb tels que a<1|a| < 1. On définit l'application TT sur EE par :

fE,xR,(Tf)(x)=f(x)af(bx)\forall f \in E, \forall x \in \mathbb{R},   (Tf)(x) = f(x) - a f(bx)

  1. Montrer que TT est un endomorphisme continu de EE.
  2. Démontrer que TT est un homéomorphisme de EE sur lui-même et déterminer l'expression de T1T^{-1}.

1.

Pour la question 1, utiliser l'inégalité triangulaire pour montrer que TfTf est bornée et justifier la linéarité.

2.

Pour la question 2, introduire l'opérateur de composition S:ff(b)S : f \mapsto f(b \cdot) et reconnaître une structure de série de Neumann (IdaS)1(Id - aS)^{-1}.

3.

Justifier la convergence normale de la série de fonctions obtenue pour définir T1fT^{-1}f.

Idées clés

Utilisation de l'algèbre des endomorphismes d'un espace de Banach.

Série de Neumann pour l'inversion d'opérateurs de la forme IduId - u.

Convergence normale dans l'espace des fonctions bornées.

Résolution.

  1. Étude du caractère endomorphisme continu.

    Soit fEf \in E. La fonction xf(bx)x \mapsto f(bx) est la composée de deux fonctions continues (xbxx \mapsto bx et ff), elle est donc continue sur R\mathbb{R}. Comme ff est bornée, xf(bx)x \mapsto f(bx) l'est aussi, et par combinaison linéaire, TfTf est continue et bornée. Ainsi, TT est une application de EE dans EE. La linéarité de TT découle immédiatement de la linéarité de la composition et de la soustraction des fonctions. Pour la continuité, observons que pour tout xRx \in \mathbb{R} :

    (Tf)(x)f(x)+af(bx)f+af|(Tf)(x)| \le |f(x)| + |a| \cdot |f(bx)| \le \|f\|_\infty + |a| \cdot \|f\|_\infty
    En passant au supremum sur xRx \in \mathbb{R}, on obtient :
    Tf(1+a)f\|Tf\|_\infty \le (1 + |a|) \|f\|_\infty
    L'application linéaire TT est donc continue, et sa norme d'opérateur vérifie T1+a|||T||| \le 1 + |a|.

  2. Inversibilité et détermination de T1T^{-1.}

    Considérons l'opérateur linéaire S:EES : E \to E défini par S(f):xf(bx)S(f) : x \mapsto f(bx). On remarque que T=IdEaST = Id_E - aS. L'opérateur SS est clairement linéaire et Sf=supxRf(bx)f\|Sf\|_\infty = \sup_{x \in \mathbb{R}} |f(bx)| \le \|f\|_\infty. On en déduit que SS est un endomorphisme continu de norme S1|||S||| \le 1. Puisque a<1|a| < 1, nous avons :

    aS=aSa<1|||aS||| = |a| \cdot |||S||| \le |a| < 1
    D'après le cours sur les séries d'opérateurs (ou série de Neumann), l'opérateur IdEaSId_E - aS est inversible dans l'algèbre des endomorphismes continus de EE. Son inverse est donné par :
    T1=n=0(aS)n=n=0anSnT^{-1} = \sum_{n=0}^{\infty} (aS)^n = \sum_{n=0}^{\infty} a^n S^n
    Explicitons SnS^n. Par récurrence immédiate :
    (Snf)(x)=f(bnx)(S^n f)(x) = f(b^n x)
    Ainsi, pour toute fonction gEg \in E, on définit f=T1gf = T^{-1}g par :
    xR,f(x)=n=0ang(bnx)\forall x \in \mathbb{R},   f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n g(b^n x)
    Justification de la définition de ff : La série de fonctions ang(bn)\sum a^n g(b^n \cdot) converge normalement sur R\mathbb{R} car :
    nN,ang(bn)ang\forall n \in \mathbb{N},   \|a^n g(b^n \cdot)\|_\infty \le |a|^n \|g\|_\infty
    Comme a<1|a| < 1, la série géométrique an\sum |a|^n converge. L'espace (E,)(E, \|\cdot\|_\infty) étant complet (car C\mathbb{C} l'est), la série converge vers un élément de EE. Vérifions le calcul de T(f)T(f) :
    T(f)(x)=f(x)af(bx)=n=0ang(bnx)an=0ang(bn+1x)T(f)(x) = f(x) - a f(bx) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n g(b^n x) - a \sum_{n=0}^{\infty} a^n g(b^{n+1} x)
    T(f)(x)=n=0ang(bnx)k=1akg(bkx)=a0g(b0x)=g(x)T(f)(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n g(b^n x) - \sum_{k=1}^{\infty} a^k g(b^{k} x) = a^0 g(b^0 x) = g(x)
    De même, T1(Tg)=gT^{-1}(T g) = g. L'inverse T1T^{-1} est un opérateur linéaire dont la norme vérifie :
    T1n=0an=11a|||T^{-1}||| \le \sum_{n=0}^{\infty} |a|^n = \frac{1}{1-|a|}
    Ceci prouve que T1T^{-1} est continu. L'application TT est donc un homéomorphisme.
    gE,xR,(T1g)(x)=n=0ang(bnx)\boxed{ \forall g \in E, \forall x \in \mathbb{R},   (T^{-1}g)(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n g(b^n x) }

Oublier de justifier que la fonction obtenue par la série est bien dans l'espace de départ (continuité et bornée).

L'inversibilité des opérateurs proches de l'identité par la série de Neumann.