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Distances et normes

50 min15 exercicesSéquence 1.1Licence 2

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Durée : 50 min

Distances et normes

1. Définition axiomatique d'une distance

Soit EE un ensemble non vide. Une distance (ou métrique) sur EE est une application

d:E×ER+d : E \times E \to \mathbb{R}_+

vérifiant, pour tous x,y,zEx, y, z \in E :

1. Séparation : d(x,y)=0    x=yd(x,y) = 0 \iff x = y ;
2. Symétrie : d(x,y)=d(y,x)d(x,y) = d(y,x) ;
3. Inégalité triangulaire : d(x,z)d(x,y)+d(y,z)d(x,z) \leq d(x,y) + d(y,z).

Le couple (E,d)(E,d) est appelé espace métrique. La positivité d(x,y)0d(x,y) \geq 0 pour tous x,yx,y n'est pas un axiome indépendant : elle se déduit des trois précédents. En effet, en appliquant l'inégalité triangulaire à x,y,xx,y,x : d(x,x)d(x,y)+d(y,x)=2d(x,y)d(x,x) \leq d(x,y) + d(y,x) = 2d(x,y), et d(x,x)=0d(x,x) = 0 par séparation, donc 02d(x,y)0 \leq 2d(x,y), soit d(x,y)0d(x,y) \geq 0.

Conséquence utile (seconde inégalité triangulaire) : pour tous x,y,zEx,y,z \in E,

d(x,z)d(y,z)d(x,y)|d(x,z) - d(y,z)| \leq d(x,y)

Preuve : d(x,z)d(x,y)+d(y,z)d(x,z) \leq d(x,y)+d(y,z) donne d(x,z)d(y,z)d(x,y)d(x,z)-d(y,z) \leq d(x,y). En échangeant xx et yy : d(y,z)d(x,z)d(x,y)d(y,z)-d(x,z) \leq d(x,y). Les deux inégalités donnent d(x,z)d(y,z)d(x,y)|d(x,z)-d(y,z)| \leq d(x,y).

2. Exemples fondamentaux de distances

Distance euclidienne usuelle sur Rn\mathbb{R}^n : pour x=(x1,,xn)x=(x_1,\ldots,x_n), y=(y1,,yn)y=(y_1,\ldots,y_n),

d2(x,y)=i=1n(xiyi)2d_2(x,y) = \sqrt{\sum_{i=1}^n (x_i-y_i)^2}

C'est la distance "à vol d'oiseau". Sur R\mathbb{R} (n=1n=1), d2(x,y)=xyd_2(x,y) = |x-y|.

Distance discrète : sur un ensemble EE quelconque, on pose d(x,y)=0d(x,y) = 0 si x=yx=y et d(x,y)=1d(x,y)=1 sinon. On vérifie aisément les trois axiomes (l'inégalité triangulaire est immédiate : si xzx \neq z, alors xyx \neq y ou yzy \neq z, donc d(x,y)+d(y,z)1=d(x,z)d(x,y)+d(y,z) \geq 1 = d(x,z)).

Distances d1d_1, d2d_2, dd_\infty sur Rn\mathbb{R}^n :

d1(x,y)=i=1nxiyid2(x,y)=i=1n(xiyi)2d(x,y)=max1inxiyid_1(x,y) = \sum_{i=1}^n |x_i-y_i| \qquad d_2(x,y) = \sqrt{\sum_{i=1}^n (x_i-y_i)^2} \qquad d_\infty(x,y) = \max_{1\leq i \leq n} |x_i-y_i|

Ces trois distances vérifient l'encadrement suivant, pour tous x,yRnx,y \in \mathbb{R}^n :

d(x,y)d2(x,y)d1(x,y)nd(x,y)d_\infty(x,y) \leq d_2(x,y) \leq d_1(x,y) \leq n \, d_\infty(x,y)

Preuve de dd2d_\infty \leq d_2 : notons kk l'indice réalisant le maximum, xkyk=d(x,y)|x_k-y_k| = d_\infty(x,y). Alors d(x,y)2=xkyk2i=1nxiyi2=d2(x,y)2d_\infty(x,y)^2 = |x_k-y_k|^2 \leq \sum_{i=1}^n |x_i-y_i|^2 = d_2(x,y)^2, d'où d(x,y)d2(x,y)d_\infty(x,y) \leq d_2(x,y) (les deux membres sont positifs).

Preuve de d2d1d_2 \leq d_1 : posons ai=xiyi0a_i = |x_i-y_i| \geq 0. On a d2(x,y)2=iai2iai2+ijaiaj=(iai)2=d1(x,y)2d_2(x,y)^2 = \sum_i a_i^2 \leq \sum_i a_i^2 + \sum_{i\neq j} a_i a_j = \left(\sum_i a_i\right)^2 = d_1(x,y)^2 car les doubles produits aiaja_i a_j (iji \neq j) sont positifs. D'où d2(x,y)d1(x,y)d_2(x,y) \leq d_1(x,y).

Preuve de d1ndd_1 \leq n\,d_\infty : d1(x,y)=i=1nxiyii=1nd(x,y)=nd(x,y)d_1(x,y) = \sum_{i=1}^n |x_i-y_i| \leq \sum_{i=1}^n d_\infty(x,y) = n\, d_\infty(x,y).

Ces trois distances sont donc équivalentes : elles définissent la même notion de convergence et la même topologie sur Rn\mathbb{R}^n (une suite converge pour l'une si et seulement si elle converge pour les autres, vers la même limite).

3. Norme et distance associée

Soit EE un R\mathbb{R}-espace vectoriel. Une norme sur EE est une application :ER+\|\cdot\| : E \to \mathbb{R}_+ vérifiant, pour tous x,yEx,y \in E et λR\lambda \in \mathbb{R} :

1. Séparation : x=0    x=0\|x\| = 0 \iff x = 0 ;
2. Homogénéité : λx=λx\|\lambda x\| = |\lambda| \, \|x\| ;
3. Inégalité triangulaire (sous-additivité) : x+yx+y\|x+y\| \leq \|x\| + \|y\|.

Proposition : Si \|\cdot\| est une norme sur EE, alors d(x,y):=xyd(x,y) := \|x-y\| définit une distance sur EE, dite distance associée à la norme (ou distance induite).

Preuve : Séparation : d(x,y)=0    xy=0    xy=0    x=yd(x,y)=0 \iff \|x-y\|=0 \iff x-y=0 \iff x=y. Symétrie : d(y,x)=yx=(xy)=1xy=xy=d(x,y)d(y,x) = \|y-x\| = \|-(x-y)\| = |-1|\,\|x-y\| = \|x-y\| = d(x,y). Inégalité triangulaire : d(x,z)=xz=(xy)+(yz)xy+yz=d(x,y)+d(y,z)d(x,z) = \|x-z\| = \|(x-y)+(y-z)\| \leq \|x-y\|+\|y-z\| = d(x,y)+d(y,z).

Une distance associée à une norme possède deux propriétés supplémentaires que n'a pas une distance quelconque : l'invariance par translation (d(x+a,y+a)=d(x,y)d(x+a,y+a)=d(x,y)) et l'homogénéité (d(λx,λy)=λd(x,y)d(\lambda x, \lambda y) = |\lambda|\,d(x,y)). La distance discrète, par exemple, n'est associée à aucune norme sur un espace vectoriel non nul, car elle ne vérifie pas l'homogénéité (sauf cas trivial).

Les normes usuelles sur Rn\mathbb{R}^n sont x1=xi\|x\|_1 = \sum |x_i|, x2=xi2\|x\|_2 = \sqrt{\sum x_i^2}, x=maxixi\|x\|_\infty = \max_i |x_i|, dont les distances associées sont précisément d1d_1, d2d_2, dd_\infty.

4. Boules ouvertes et fermées

Soit (E,d)(E,d) un espace métrique, aEa \in E et r>0r > 0.

Boule ouverte de centre aa et de rayon rr : B(a,r)={xE:d(a,x)<r}B(a,r) = \{x \in E : d(a,x) < r\}.

Boule fermée de centre aa et de rayon rr : B(a,r)={xE:d(a,x)r}\overline{B}(a,r) = \{x \in E : d(a,x) \leq r\}.

Sphère de centre aa et de rayon rr : S(a,r)={xE:d(a,x)=r}S(a,r) = \{x \in E : d(a,x) = r\}.

Exemple : dans (R2,d)(\mathbb{R}^2, d_\infty), la boule ouverte B(0,1)B(0,1) est un carré ouvert de côté 22 (sans son bord), centré en l'origine, à côtés parallèles aux axes — car d(0,x)<1    max(x1,x2)<1    x1<1 et x2<1d_\infty(0,x) < 1 \iff \max(|x_1|,|x_2|) < 1 \iff |x_1|<1 \text{ et } |x_2|<1. Dans (R2,d1)(\mathbb{R}^2,d_1), B(0,1)B(0,1) est un carré "tourné à 45°" (un losange) de sommets (±1,0)(\pm 1,0) et (0,±1)(0,\pm 1). Dans (R2,d2)(\mathbb{R}^2,d_2), c'est le disque ouvert usuel.

Dans l'espace discret, pour 0<r10 < r \leq 1, B(a,r)={a}B(a,r) = \{a\} : toute boule de rayon assez petit est réduite à son centre.

5. Distance d'un point à une partie

Soit AEA \subset E une partie non vide et xEx \in E. On définit la distance de xx à AA par

d(x,A)=infaAd(x,a)d(x,A) = \inf_{a \in A} d(x,a)

Cette borne inférieure existe toujours dans R+\mathbb{R}_+ car l'ensemble {d(x,a):aA}\{d(x,a) : a \in A\} est non vide et minoré par 00.

Propriété : d(x,A)=0d(x,A) = 0 si et seulement si pour tout ε>0\varepsilon>0, il existe aAa \in A tel que d(x,a)<εd(x,a) < \varepsilon — c'est-à-dire xx est "infiniment proche" de AA sans nécessairement appartenir à AA. (Ce critère sera relié à l'adhérence de AA dans la leçon suivante.)

Exemple résolu : dans (R,)(\mathbb{R}, |\cdot|), soit A=]0,1[A = \,]0,1[ et x=1x=1. Alors d(1,A)=infa]0,1[1a=infa]0,1[(1a)=0d(1,A) = \inf_{a \in ]0,1[} |1-a| = \inf_{a\in]0,1[} (1-a) = 0, atteint à la limite quand a1a \to 1^- mais jamais réalisé puisque 1A1 \notin A. On a bien d(1,A)=0d(1,A)=0 bien que 1A1 \notin A.

6. Distance entre deux parties, diamètre, parties bornées

Distance entre deux parties A,BEA, B \subset E non vides : d(A,B)=infaA,bBd(a,b)d(A,B) = \inf_{a\in A, b \in B} d(a,b). Attention, d(A,B)=0d(A,B)=0 n'implique pas ABA \cap B \neq \emptyset (par exemple A=]0,1[A=\,]0,1[ et B=]1,2[B=\,]1,2[ dans R\mathbb{R} : d(A,B)=0d(A,B)=0 mais AB=A \cap B = \emptyset).

Diamètre d'une partie : diam(A)=supx,yAd(x,y)R+{+}\operatorname{diam}(A) = \sup_{x,y \in A} d(x,y) \in \mathbb{R}_+ \cup \{+\infty\}.

Partie bornée : AEA \subset E est bornée si diam(A)<+\operatorname{diam}(A) < +\infty, ce qui équivaut à : il existe aEa \in E et R>0R>0 tels que AB(a,R)A \subset \overline{B}(a,R).

Preuve de l'équivalence : si AB(a,R)A \subset \overline{B}(a,R), alors pour x,yAx,y \in A, d(x,y)d(x,a)+d(a,y)2Rd(x,y) \leq d(x,a)+d(a,y) \leq 2R par inégalité triangulaire, donc diam(A)2R<+\operatorname{diam}(A) \leq 2R < +\infty. Réciproquement, si diam(A)=D<+\operatorname{diam}(A) = D < +\infty et aAa \in A fixé (si AA\neq\emptyset), alors pour tout xAx \in A, d(a,x)Dd(a,x) \leq D, donc AB(a,D)A \subset \overline{B}(a,D).

7. Exemple résolu de synthèse

Énoncé : Montrer que dans (R2,d2)(\mathbb{R}^2, d_2), le disque ouvert A=B(0,1)A = B(0,1) est borné et calculer diam(A)\operatorname{diam}(A).

Résolution : Pour tous x,yAx,y \in A, d2(x,y)d2(x,0)+d2(0,y)<1+1=2d_2(x,y) \leq d_2(x,0) + d_2(0,y) < 1+1 = 2 par inégalité triangulaire, donc diam(A)2\operatorname{diam}(A) \leq 2 et AA est bornée (incluse dans B(0,1)\overline{B}(0,1)). Montrons que diam(A)=2\operatorname{diam}(A) = 2 exactement : pour ε]0,1[\varepsilon \in \,]0,1[, prenons xε=(1ε,0)x_\varepsilon = (1-\varepsilon, 0) et yε=((1ε),0)y_\varepsilon = (-(1-\varepsilon), 0), qui appartiennent bien à AA (leur norme est 1ε<11-\varepsilon<1). On a d2(xε,yε)=2(1ε)2d_2(x_\varepsilon,y_\varepsilon) = 2(1-\varepsilon) \to 2 quand ε0\varepsilon \to 0. Donc supx,yAd2(x,y)2(1ε)\sup_{x,y\in A} d_2(x,y) \geq 2(1-\varepsilon) pour tout ε>0\varepsilon>0, d'où diam(A)2\operatorname{diam}(A) \geq 2. Conclusion : diam(A)=2\operatorname{diam}(A) = 2 (ce supremum n'est pas atteint par deux points de AA, mais c'est bien la valeur du diamètre).

Exercices

Parmi les conditions suivantes, laquelle n'est PAS un axiome de distance ?

Calculer d1((0,0),(3,4))d_1((0,0),(3,4)), d2((0,0),(3,4))d_2((0,0),(3,4)) et d((0,0),(3,4))d_\infty((0,0),(3,4)) dans R2\mathbb{R}^2.

Vrai ou faux : la distance discrète sur un ensemble EE à au moins deux éléments est associée à une norme.

Dans (R2,d)(\mathbb{R}^2,d_\infty), quelle est la forme géométrique de la boule ouverte B((0,0),1)B((0,0),1) ?

Soit A={1,2,3}RA=\{1,2,3\}\subset\mathbb{R}. Calculer diam(A)\operatorname{diam}(A) pour la distance usuelle.

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