Soit l'espace des fonctions réelles continues sur le segment . On note le sous-espace vectoriel des fonctions polynomiales.
Pour une fonction fixée, on se propose d'étudier les deux quantités suivantes :
Pour la première question, utiliser l'inégalité de Hölder pour obtenir une majoration par . Pour montrer que c'est la borne supérieure, construire une suite de polynômes "pics" (diracs approchés) au voisinage d'un point où atteint son maximum.
Pour la seconde question, majorer l'intégrale par . Pour l'approche de la borne, considérer la fonction signe de et utiliser le théorème de Stone-Weierstrass après une approximation par une fonction continue.
Inégalités de normes : et sur .
Densité de dans par le théorème de Stone-Weierstrass.
Densité de dans .
Question 1 : Calcul de .
Soit tel que . Par l'inégalité de Hölder (ou une majoration directe) :
Comme , on en déduit immédiatement :
Ainsi, . Montrons que cette borne est optimale.
Soit tel que . Quitte à remplacer par , on suppose . Soit . Par continuité de , il existe un intervalle (voisinage de dans ) de longueur tel que pour tout , .
On peut construire une fonction continue, positive, de support inclus dans et telle que . Alors :
Par densité de dans , il existe tel que . On peut ajuster pour que (en divisant par ). On obtient alors une valeur de l'intégrale arbitrairement proche de .
Question 2 : Calcul de .
Soit tel que . On a :
D'où .
Pour montrer que , on cherche proche de . La fonction n'est pas nécessairement continue.
Cependant, pour tout , il existe une fonction continue telle que et . (Ceci provient de la densité des fonctions continues dans , ou d'une construction explicite en "raccordant" les signes sur des petits intervalles autour des zéros de ).
Pour une telle fonction , on a :
D'après le théorème de Stone-Weierstrass, il existe tel que . Quitte à diviser par , on peut supposer . Alors l'intégrale peut être rendue arbitrairement proche de .
Vouloir atteindre le maximum dans un espace de dimension infinie sans compacité.
Le lien entre les normes L1 et Linfini à travers les suprema d'intégrales.