WikiPrépaLivrets

On considère FF l'espace des fonctions définies sur [0,1][0,1] à valeurs dans [0,1][0,1]. Soit CFC \subset F le sous-ensemble des fonctions continues.

On définit les deux classes de fonctions suivantes :

  • II est l'ensemble des fonctions fFf \in F telles que pour tout réel aa, l'ensemble {x[0,1]f(x)a}\{x \in [0,1] \mid f(x) \leqslant a\} est un fermé de [0,1][0,1].
  • SS est l'ensemble des fonctions fFf \in F telles que pour tout réel aa, l'ensemble {x[0,1]f(x)a}\{x \in [0,1] \mid f(x) \geqslant a\} est un fermé de [0,1][0,1].

Pour toute fonction fFf \in F et tout entier naturel nn, on définit l'application Ln(f)L_{n}(f) par :

x[0,1],Ln(f)(x)=infy[0,1](f(y)+nxy)\forall x \in [0,1],   L_{n}(f)(x) = \inf _{y \in[0,1]} \left( f(y) + n|x-y| \right)

  1. Établir que l'intersection SIS \cap I est exactement égale à l'ensemble CC des fonctions continues sur [0,1][0,1].
  2. Montrer que pour toute fonction fFf \in F, la suite d'applications (Ln(f))nN(L_{n}(f))_{n \in \mathbb{N}} est une suite croissante de fonctions continues.
  3. Démontrer que ff appartient à II si et seulement si la suite (Ln(f))nN(L_{n}(f))_{n \in \mathbb{N}} converge simplement vers ff sur [0,1][0,1].
  4. En déduire que fIf \in I si et seulement s'il existe une suite de fonctions continues (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} telle que ff soit la borne supérieure ponctuelle de cette suite, c'est-à-dire :
    x[0,1],f(x)=supnNfn(x)\forall x \in [0,1],   f(x) = \sup_{n \in \mathbb{N}} f_n(x)

1.

Pour la question 1, se ramener à la caractérisation de la continuité par les images réciproques de fermés (ou d'intervalles fermés).

2.

Pour la question 2, montrer que Ln(f)L_n(f) est nn-lipschitzienne en utilisant l'inégalité triangulaire sur la distance.

3.

Pour la question 3, dans le sens direct, utiliser la compacité de [0,1][0,1] ou le fait que si xx n'est pas dans un fermé, il existe un voisinage qui n'intersecte pas ce fermé.

4.

Pour la question 4, utiliser le résultat de la question 3 en remarquant que la limite d'une suite croissante est sa borne supérieure.

Idées clés

Caractérisation topologique de la continuité (image réciproque de fermés).

Propriété de Lipschitz pour la régularisée de Moreau-Yosida.

Lien entre limite simple de suite croissante et borne supérieure.

Résolution.

  1. Rappelons qu'une fonction de [0,1][0,1] dans R\mathbb{R} est continue si et seulement si l'image réciproque de tout fermé est un fermé. Si fCf \in C, alors pour tout aRa \in \mathbb{R}, f1((,a])f^{-1}((-\infty, a]) et f1([a,+))f^{-1}([a, +\infty)) sont des fermés comme images réciproques de fermés par une application continue. Ainsi CISC \subset I \cap S. Réciproquement, supposons fISf \in I \cap S. Tout fermé de [0,1][0,1] (pour la topologie induite par R\mathbb{R}) est inclus dans [0,1][0,1]. Un fermé de R\mathbb{R} est une intersection d'unions d'intervalles. Pour montrer que ff est continue, il suffit de montrer que pour tout [a,b]R[a, b] \subset \mathbb{R}, f1([a,b])f^{-1}([a, b]) est fermé. Or :
    f1([a,b])=f1((,b])f1([a,+))f^{-1}([a, b]) = f^{-1}((-\infty, b]) \cap f^{-1}([a, +\infty))
    Par définition de II et SS, ces deux ensembles sont fermés. Leur intersection est donc fermée.
    IS=C\boxed{ I \cap S = C }

  2. Soit fFf \in F. Croissance : Pour tout x[0,1]x \in [0,1] et tout y[0,1]y \in [0,1], on a nxy(n+1)xyn|x-y| \leqslant (n+1)|x-y|. Par passage à l'infimum :
    Ln(f)(x)=infy(f(y)+nxy)infy(f(y)+(n+1)xy)=Ln+1(f)(x)L_n(f)(x) = \inf_y (f(y) + n|x-y|) \leqslant \inf_y (f(y) + (n+1)|x-y|) = L_{n+1}(f)(x)
    Continuité : Montrons que Ln(f)L_n(f) est nn-lipschitzienne. Soient (x,z)[0,1]2(x, z) \in [0,1]^2. Pour tout y[0,1]y \in [0,1], par inégalité triangulaire :
    f(y)+nxyf(y)+nxz+nzyf(y) + n|x-y| \leqslant f(y) + n|x-z| + n|z-y|
    En passant à l'infimum sur yy à droite, on obtient :
    f(y)+nxynxz+Ln(f)(z)f(y) + n|x-y| \leqslant n|x-z| + L_n(f)(z)
    Puis en passant à l'infimum sur yy à gauche :
    Ln(f)(x)Ln(f)(z)+nxzL_n(f)(x) \leqslant L_n(f)(z) + n|x-z|
    Par symétrie des rôles de xx et zz, on en déduit Ln(f)(x)Ln(f)(z)nxz|L_n(f)(x) - L_n(f)(z)| \leqslant n|x-z|. L'application Ln(f)L_n(f) est lipschitzienne, donc continue.

  3. Sens réciproque : Supposons que Ln(f)fL_n(f) \to f simplement. Comme la suite est croissante, pour tout xx, f(x)=supnLn(f)(x)f(x) = \sup_n L_n(f)(x). Pour tout aRa \in \mathbb{R} :
    {x[0,1]f(x)a}={x[0,1]nN,Ln(f)(x)a}=nN{x[0,1]Ln(f)(x)a}\{x \in [0,1] \mid f(x) \leqslant a\} = \{x \in [0,1] \mid \forall n \in \mathbb{N}, L_n(f)(x) \leqslant a\} = \bigcap_{n \in \mathbb{N}} \{x \in [0,1] \mid L_n(f)(x) \leqslant a\}
    Chaque ensemble {Ln(f)a}\{L_n(f) \leqslant a\} est fermé car Ln(f)L_n(f) est continue. Une intersection quelconque de fermés étant fermée, on en déduit que fIf \in I. Sens direct : Supposons fIf \in I. Soit x[0,1]x \in [0,1]. En choisissant y=xy=x dans l'infimum, on a immédiatement Ln(f)(x)f(x)L_n(f)(x) \leqslant f(x). Soit ϵ>0\epsilon > 0. Posons a=f(x)ϵa = f(x) - \epsilon. L'ensemble Ka={y[0,1]f(y)a}K_a = \{y \in [0,1] \mid f(y) \leqslant a\} est un fermé qui ne contient pas xx. Il existe donc δ>0\delta > 0 tel que la boule (ou l'intervalle) B(x,δ)[0,1]B(x, \delta) \cap [0,1] soit disjoint de KaK_a. Pour yB(x,δ)y \in B(x, \delta), on a f(y)>af(y) > a. Donc f(y)+nxya+0=af(y) + n|x-y| \geqslant a + 0 = a. Pour yB(x,δ)y \notin B(x, \delta), on a xyδ|x-y| \geqslant \delta. Comme f0f \geqslant 0, f(y)+nxynδf(y) + n|x-y| \geqslant n\delta. Pour nn assez grand tel que nδ>an\delta > a, on a alors y[0,1],f(y)+nxya\forall y \in [0,1], f(y) + n|x-y| \geqslant a. En passant à l'infimum : Ln(f)(x)a=f(x)ϵL_n(f)(x) \geqslant a = f(x) - \epsilon. On a donc montré que pour nn assez grand, f(x)ϵLn(f)(x)f(x)f(x) - \epsilon \leqslant L_n(f)(x) \leqslant f(x).
    limn+Ln(f)(x)=f(x)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} L_n(f)(x) = f(x) }

  4. Si fIf \in I, on a vu que ff est la limite simple d'une suite croissante de fonctions continues (Ln(f))(L_n(f)). Pour une suite croissante, la limite simple coïncide avec la borne supérieure ponctuelle. Réciproquement, si f(x)=supnfn(x)f(x) = \sup_n f_n(x) avec fnf_n continues, alors :
    {xf(x)a}=nN{xfn(x)a}\{x \mid f(x) \leqslant a\} = \bigcap_{n \in \mathbb{N}} \{x \mid f_n(x) \leqslant a\}
    Chaque {fna}\{f_n \leqslant a\} est fermé par continuité de fnf_n, donc fIf \in I.

Vérifier la fermeture de l'image réciproque pour tout type de borne.

La régularisée inf-convolutive préserve la monotonie et induit le caractère lipschitzien.