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Topologie et Analyse Fonctionnelle : Les Maths Abstraites qui Ouvrent les Portes du Master

Distance, compacité, complétude et espaces de Banach : pourquoi tout passe par les suites, ce qui change en dimension infinie, et trois exercices corrigés.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

La topologie donne un sens précis au mot « proche », et l'analyse fonctionnelle applique ce sens à des espaces dont les points sont des fonctions. La méthode tient en une ligne : choisis une distance ou une norme, puis traduis chaque question en suites. Par exemple, dans l'espace $C([0\,;1])$ des fonctions continues sur $[0\,;1]$, muni de la norme $\|f\|_\infty = \sup_{x \in [0\,;1]} |f(x)|$, dire que $f_n$ tend vers $f$, c'est dire que $\|f_n - f\|_\infty$ tend vers 0 : c'est exactement la convergence uniforme.

Distance, ouverts et continuité

Définition : une distance sur un ensemble $X$ est une application $d : X \times X \to [0\,;+\infty[$ telle que, pour tous $x, y, z$ de $X$ : $d(x,y) = 0$ si et seulement si $x = y$ ; $d(x,y) = d(y,x)$ ; $d(x,z) \leqslant d(x,y) + d(y,z)$ (inégalité triangulaire). Le couple $(X,d)$ est un espace métrique.

La boule ouverte de centre $a$ et de rayon $r > 0$ est $B(a,r) = \{x \in X : d(x,a) < r\}$. Une partie $U$ est ouverte si elle contient une boule autour de chacun de ses points, et fermée si son complémentaire est ouvert. Un espace topologique se donne directement ses ouverts, sans distance ; on reste ici dans les espaces métriques, où tout se vérifie avec des suites.

Une partie $F$ est fermée si et seulement si la limite de toute suite convergente d'éléments de $F$ reste dans $F$. Une application $f : X \to Y$ est continue en $a$ quand

$$\forall \varepsilon > 0,\ \exists \delta > 0,\ \forall x \in X,\quad d_X(x,a) < \delta \Rightarrow d_Y\big(f(x),f(a)\big) < \varepsilon,$$

ce qui revient à : pour toute suite $(x_n)$ qui tend vers $a$, $f(x_n)$ tend vers $f(a)$.

Pour prouver qu'une partie est ouverte ou fermée, passe par la continuité : l'image réciproque d'un ouvert par une application continue est un ouvert, celle d'un fermé est un fermé. Ainsi, le disque $D = \{(x,y) \in \mathbb{R}^2 : x^2 + y^2 \leqslant 1\}$ est fermé : c'est l'image réciproque de $]-\infty\,;1]$ par $(x,y) \mapsto x^2 + y^2$.

Piège classique : « fermé » n'est pas le contraire d'« ouvert ». Dans $\mathbb{R}$, $[0\,;1[$ n'est ni l'un ni l'autre : aucune boule centrée en 0 n'y tient, et la suite $1 - \frac{1}{n}$ y reste mais converge vers 1, qui en sort.

Compacité : extraire une sous-suite convergente

Une partie $K$ d'un espace métrique est compacte si toute suite d'éléments de $K$ a une sous-suite (une suite extraite $(x_{\varphi(n)})$, avec $\varphi$ strictement croissante) qui converge dans $K$. C'est la propriété de Bolzano-Weierstrass. Dans un espace métrique, elle équivaut à celle de Borel-Lebesgue : de toute famille d'ouverts qui recouvre $K$, on peut extraire une sous-famille finie qui le recouvre encore.

Dans un espace vectoriel normé (un espace vectoriel muni d'une norme, qui mesure la longueur des vecteurs) de dimension finie, comme $\mathbb{R}^n$, les compacts sont exactement les fermés bornés. Le disque $D$ est fermé et borné : il est compact.

Propriété : l'image d'un compact par une application continue est compacte. En particulier, une fonction continue $f : K \to \mathbb{R}$ sur un compact non vide est bornée et atteint ses bornes : il existe $a$ et $b$ dans $K$ tels que $f(a) \leqslant f(x) \leqslant f(b)$ pour tout $x \in K$.

Avant de chercher un maximum, prouve donc qu'il existe. Sans compacité, rien n'est garanti : sur $]0\,;1]$, qui n'est pas fermé dans $\mathbb{R}$, la fonction $x \mapsto \frac{1}{x}$ est continue mais pas bornée.

Même idée pour la connexité. Un connexe est d'un seul tenant : on ne peut pas le couper en deux ouverts disjoints non vides. Son image par une application continue est connexe, et les connexes de $\mathbb{R}$ sont les intervalles : c'est le théorème des valeurs intermédiaires.

Complétude, espaces de Banach et point fixe

Une suite $(x_n)$ est de Cauchy si ses termes finissent par être tous proches les uns des autres : pour tout $\varepsilon > 0$, il existe un rang $N$ tel que $d(x_p,x_q) < \varepsilon$ dès que $p, q \geqslant N$. Une suite convergente est toujours de Cauchy, mais pas l'inverse : dans $\mathbb{Q}$, les approximations décimales de $\sqrt{2}$ forment une suite de Cauchy sans limite dans $\mathbb{Q}$.

Définition : un espace métrique est complet si toute suite de Cauchy y converge. Un espace de Banach est un espace vectoriel normé complet pour la distance $d(x,y) = \|x - y\|$.

$\mathbb{R}$ est complet, et toute partie fermée d'un espace complet l'est aussi. $C([0\,;1])$ muni de $\|\cdot\|_\infty$ est un Banach, parce qu'une limite uniforme de fonctions continues est continue. Muni de $\|f\|_1 = \int_0^1 |f(t)|\,\mathrm{d}t$, le même espace n'est pas complet : la norme compte autant que l'espace.

Théorème du point fixe : soit $(X,d)$ un espace métrique complet non vide et $g : X \to X$ contractante, c'est-à-dire qu'il existe $k \in [0\,;1[$ tel que $d\big(g(x),g(y)\big) \leqslant k\,d(x,y)$ pour tous $x, y$ de $X$. Alors $g$ a un unique point fixe $\ell$. Pour tout $x_0 \in X$, la suite définie par $x_{n+1} = g(x_n)$ converge vers $\ell$, et $d(x_n,\ell) \leqslant k^n\,d(x_0,\ell)$.

D'où ça vient : $d(x_{n+1},x_n) \leqslant k^n\,d(x_1,x_0)$, donc, en sommant une série géométrique, $(x_n)$ est de Cauchy. La complétude lui donne une limite, fixe par $g$ car $g$ est continue. Deux points fixes $\ell$ et $\ell'$ vérifieraient $d(\ell,\ell') \leqslant k\,d(\ell,\ell')$, donc $\ell = \ell'$.

Une preuve classique du théorème de Cauchy-Lipschitz passe par là : quand $F$ est continue et lipschitzienne en $y$, la solution de $y' = F(t,y)$ avec $y(t_0) = y_0$ est, près de $t_0$, l'unique point fixe de $y \mapsto y_0 + \int_{t_0}^t F\big(s,y(s)\big)\,\mathrm{d}s$ dans un espace de fonctions continues.

Ce qui change en dimension infinie

Deux normes $\|\cdot\|$ et $\|\cdot\|'$ sont équivalentes s'il existe $\alpha, \beta > 0$ tels que $\alpha\|x\| \leqslant \|x\|' \leqslant \beta\|x\|$ pour tout $x$ : elles ont alors les mêmes suites convergentes. En dimension infinie, plusieurs réflexes tombent.

ÉnoncéDimension finieDimension infinie
Toutes les normes sont équivalentesvraifaux
Fermé borné implique compactvraifaux (théorème de Riesz)
Toute application linéaire est continuevraifaux

Une application linéaire $u : E \to F$ entre espaces vectoriels normés est continue si et seulement s'il existe $C \geqslant 0$ tel que $\|u(x)\| \leqslant C\|x\|$ pour tout $x \in E$. La plus petite de ces constantes est la norme de $u$, notée $|||u|||$.

Exemple : sur l'espace $\mathbb{R}[X]$ des polynômes, muni de $\|P\|_\infty = \sup_{x \in [0\,;1]} |P(x)|$, la dérivation $P \mapsto P'$ est linéaire mais pas continue. Avec $P_n = X^n$, on a $\|P_n\|_\infty = 1$ et $\|P_n'\|_\infty = n$ : aucune constante $C$ ne convient pour tous les $n$.

Piège classique : en dimension infinie, fermé borné n'implique plus compact. Le théorème de Riesz dit que la boule unité fermée $\{x \in E : \|x\| \leqslant 1\}$ est compacte si et seulement si $E$ est de dimension finie. L'exercice 3 le montre dans $C([0\,;1])$.

Les espaces de Hilbert sont les Banach dont la norme vient d'un produit scalaire, comme l'espace $\ell^2$ des suites réelles $(u_n)$ telles que $\sum u_n^2$ converge. Ces notions, jusqu'au théorème de Riesz et aux espaces de Hilbert, figurent dans la partie « Topologie » du programme de l'agrégation externe de mathématiques, session 2027.

Exercices corrigés

Cherche chacun sur ta feuille avant d'ouvrir la correction.

Exercice 1 : Soit $D = \{(x,y) \in \mathbb{R}^2 : x^2 + y^2 \leqslant 1\}$ et $f(x,y) = x + y$. Justifie que $f$ admet un maximum sur $D$, puis calcule-le.

Correction :

$D$ est fermé, comme vu plus haut, et borné : c'est un compact de $\mathbb{R}^2$, qui est de dimension finie. $f$ est continue, donc elle atteint un maximum sur $D$.

Pour le calculer, l'inégalité de Cauchy-Schwarz donne $x + y = 1 \times x + 1 \times y \leqslant \sqrt{1^2 + 1^2}\,\sqrt{x^2 + y^2} \leqslant \sqrt{2}$ sur $D$. Pour $x = y = \frac{\sqrt{2}}{2}$, on a $x^2 + y^2 = 1$, donc le point est dans $D$, et $f$ y vaut $\sqrt{2}$. Le maximum de $f$ sur $D$ est $\sqrt{2}$.

Exercice 2 : Ta calculatrice est en mode radians. Tu entres un nombre $x_0$ de $[0\,;1]$, puis tu appuies sur cosinus encore et encore : tu calcules $x_{n+1} = \cos x_n$. Les valeurs se stabilisent autour de $0{,}7391$, quel que soit $x_0$. Explique pourquoi avec le théorème du point fixe sur $X = [0\,;1]$. On donne $\cos 1 \approx 0{,}540$ et $\sin 1 \approx 0{,}841$.

Correction :

$X = [0\,;1]$ est fermé dans $\mathbb{R}$, qui est complet : $X$ est complet. Comme $\cos$ décroît sur $X$, l'image de $X$ est $[\cos 1\,;1]$, incluse dans $X$ car $\cos 1 > 0$.

Par l'inégalité des accroissements finis, pour $x, y \in X$, $|\cos x - \cos y| \leqslant \sup_{t \in X} |\sin t| \times |x - y| = \sin 1 \times |x - y|$, car $\sin$ est positive et croissante sur $X$. Comme $k = \sin 1 \approx 0{,}841 < 1$, $\cos$ est contractante sur $X$.

Le théorème donne un unique réel $\ell \in X$ tel que $\cos \ell = \ell$, limite de $(x_n)$ quel que soit $x_0$ : c'est la valeur affichée, $\ell \approx 0{,}7391$.

Exercice 3 : Dans $E = C([0\,;1])$ muni de $\|\cdot\|_\infty$, on pose $f_n(x) = x^n$ pour $n \geqslant 1$. a) Calcule $\|f_n\|_\infty$. b) Montre qu'aucune sous-suite de $(f_n)$ ne converge dans $E$. c) La boule unité fermée de $E$ est fermée et bornée : est-elle compacte ?

Correction :

a) $f_n$ croît sur $[0\,;1]$ de $f_n(0) = 0$ à $f_n(1) = 1$, donc $\|f_n\|_\infty = 1$ : toutes les $f_n$ sont dans la boule unité fermée.

b) Pour $0 \leqslant x < 1$, $x^n \to 0$, et $1^n = 1$ : toute sous-suite converge simplement (point par point) vers la fonction $g$ nulle sur $[0\,;1[$ et égale à 1 en 1. Si une sous-suite convergeait vers $h \in E$ pour $\|\cdot\|_\infty$, elle convergerait aussi simplement vers $h$, donc $h = g$, qui n'est pas continue en 1 : contradiction.

c) Non : elle contient une suite sans sous-suite convergente. « Fermé borné donc compact » ne vaut qu'en dimension finie.

À retenir

À retenir :

  • Dans un espace métrique, fermés, continuité et compacité se vérifient avec des suites.
  • Sur un compact non vide, une fonction continue réelle est bornée et atteint ses bornes.
  • En dimension finie, compact équivaut à fermé borné ; en dimension infinie, c'est faux (Riesz).
  • Complet : toute suite de Cauchy converge. Banach : espace vectoriel normé complet.
  • Une contraction d'un espace complet non vide a un unique point fixe, limite de $x_{n+1} = g(x_n)$.
  • Une application linéaire $u$ est continue si et seulement si $\|u(x)\| \leqslant C\|x\|$ pour une constante $C$.

Sources

  • Concours externe de l'agrégation du second degré, section mathématiques, programme de la session 2027, partie 8 « Topologie », publié le 6 mai 2026 : texte sur devenirenseignant.gouv.fr.

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