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Soit (E,∥⋅∥)(E, \| \cdot \|) un espace vectoriel normé. On considère une partie non vide AA de EE et une application f:A→Rf : A \to \mathbb{R} supposée kk-lipschitzienne, avec k≥0k \ge 0.

On définit l'application g:E→Rg : E \to \mathbb{R} par la relation suivante :

∀x∈E,g(x)=sup⁡t∈A(f(t)−k∥x−t∥)\forall x \in E,   g(x) = \sup_{t \in A} \left( f(t) - k \|x - t\| \right)

  1. Démontrer que pour tout x∈Ex \in E, la borne supérieure définissant g(x)g(x) existe bien dans R\mathbb{R}.
    1. Établir que l'application gg est un prolongement de ff à l'espace EE.
    2. Montrer que gg est également une application kk-lipschitzienne sur EE.

1.

Pour la question 1, fixez un point u∈Au \in A et utilisez la propriété de Lipschitz sur ff pour majorer la quantité f(t)−k∥x−t∥f(t) - k\|x-t\| par une valeur indépendante de tt.

2.

Pour le prolongement, montrez séparément g(x)≥f(x)g(x) \ge f(x) et g(x)≤f(x)g(x) \le f(x) pour x∈Ax \in A.

3.

Pour le caractère lipschitzien, utilisez l'inégalité triangulaire ∥t−y∥≤∥t−x∥+∥x−y∥\|t-y\| \le \|t-x\| + \|x-y\| pour comparer g(x)g(x) et g(y)g(y).

Idées clés

•

Définition de la borne supérieure (existence par majoration).

•

Inégalité triangulaire renversée et propriétés des fonctions lipschitziennes.

•

Passage au supremum dans une inégalité.

Résolution.

  1. Fixons x∈Ex \in E. Comme AA est non vide, l'ensemble Sx={f(t)−k∥x−t∥∣t∈A}S_x = \{ f(t) - k \|x - t\| \mid t \in A \} est non vide. Montrons que cet ensemble est majoré. Soit uu un élément fixé de AA. Puisque ff est kk-lipschitzienne sur AA, on a pour tout t∈At \in A :
    f(t)−f(u)≤∣f(t)−f(u)∣≤k∥t−u∥f(t) - f(u) \le |f(t) - f(u)| \le k \|t - u\|
    En utilisant l'inégalité triangulaire : ∥t−u∥≤∥t−x∥+∥x−u∥\|t - u\| \le \|t - x\| + \|x - u\|. On en déduit :
    f(t)−f(u)≤k∥t−x∥+k∥x−u∥f(t) - f(u) \le k \|t - x\| + k \|x - u\|
    Ce qui se réécrit :
    f(t)−k∥x−t∥≤f(u)+k∥x−u∥f(t) - k \|x - t\| \le f(u) + k \|x - u\|
    La quantité à droite de l'inégalité est indépendante de tt. L'ensemble SxS_x est donc majoré par f(u)+k∥x−u∥f(u) + k \|x - u\|. D'après l'axiome de la borne supérieure dans R\mathbb{R} :
    g(x)=sup⁡t∈A(f(t)−k∥x−t∥) existe dans R\boxed{ g(x) = \sup_{t \in A} \left( f(t) - k \|x - t\| \right) \text{ existe dans } \mathbb{R} }

    1. Soit x∈Ax \in A. En prenant t=xt = x dans l'ensemble SxS_x, on obtient la valeur f(x)−k∥x−x∥=f(x)f(x) - k\|x-x\| = f(x). Par définition du supremum, on a donc :
      g(x)≥f(x)g(x) \ge f(x)
      Par ailleurs, nous avons montré à la question 1 que pour tout u∈Au \in A et tout t∈At \in A :
      f(t)−k∥x−t∥≤f(u)+k∥x−u∥f(t) - k \|x - t\| \le f(u) + k \|x - u\|
      En choisissant u=xu = x (ce qui est possible car x∈Ax \in A), il vient :
      f(t)−k∥x−t∥≤f(x)+k∥x−x∥=f(x)f(t) - k \|x - t\| \le f(x) + k \|x - x\| = f(x)
      En passant au supremum sur t∈At \in A, on obtient g(x)≤f(x)g(x) \le f(x). Par double inégalité, on conclut que pour tout x∈Ax \in A :
      g(x)=f(x)\boxed{ g(x) = f(x) }
      L'application gg est donc un prolongement de ff.

    2. Soient x,y∈Ex, y \in E. Pour tout t∈At \in A, on a par l'inégalité triangulaire :
      ∥t−y∥≤∥t−x∥+∥x−y∥  ⟹  −∥t−x∥≤−∥t−y∥+∥x−y∥\|t - y\| \le \|t - x\| + \|x - y\| \implies -\|t - x\| \le -\|t - y\| + \|x - y\|
      On multiplie par k≥0k \ge 0 et on ajoute f(t)f(t) :
      f(t)−k∥x−t∥≤f(t)−k∥y−t∥+k∥x−y∥f(t) - k \|x - t\| \le f(t) - k \|y - t\| + k \|x - y\|
      Comme f(t)−k∥y−t∥≤g(y)f(t) - k \|y - t\| \le g(y) par définition du supremum, on a :
      f(t)−k∥x−t∥≤g(y)+k∥x−y∥f(t) - k \|x - t\| \le g(y) + k \|x - y\|
      Le majorant à droite est indépendant de tt. En passant au supremum sur t∈At \in A, on obtient :
      g(x)≤g(y)+k∥x−y∥g(x) \le g(y) + k \|x - y\|
      Par symétrie des rôles de xx et yy, on a également g(y)≤g(x)+k∥y−x∥g(y) \le g(x) + k \|y - x\|, soit :
      g(y)−g(x)≤k∥x−y∥g(y) - g(x) \le k \|x - y\|
      On en conclut que ∣g(x)−g(y)∣≤k∥x−y∥|g(x) - g(y)| \le k \|x - y\|. L'application gg est donc bien kk-lipschitzienne sur EE :
      ∀(x,y)∈E2,∣g(x)−g(y)∣≤k∥x−y∥\boxed{ \forall (x,y) \in E^2,   |g(x) - g(y)| \le k \|x - y\| }

Oublier de démontrer la majoration de l'ensemble avant d'invoquer la borne supérieure.

Méthode de McShane pour prolonger une fonction lipschitzienne tout en conservant la constante de Lipschitz.