Fiche récapitulative générée pour impression / export PDF.

Licence 2 · Topologie L2 — Espaces métriques

Distances et normes

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×E→R+d : E \times E \to \mathbb{R}_+

vérifiant, pour tous x,y,z∈Ex, 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 0≤2d(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,z∈Ex,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(xi−yi)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)=∣x−y∣d_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 x≠zx \neq z, alors x≠yx \neq y ou y≠zy \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, d∞d_\infty sur Rn\mathbb{R}^n :

d1(x,y)=∑i=1n∣xi−yi∣d2(x,y)=∑i=1n(xi−yi)2d∞(x,y)=max⁡1≤i≤n∣xi−yi∣d_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,y∈Rnx,y \in \mathbb{R}^n :

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

Preuve de d∞≤d2d_\infty \leq d_2 : notons kk l'indice réalisant le maximum, ∣xk−yk∣=d∞(x,y)|x_k-y_k| = d_\infty(x,y). Alors d∞(x,y)2=∣xk−yk∣2≤∑i=1n∣xi−yi∣2=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 d2≤d1d_2 \leq d_1 : posons ai=∣xi−yi∣≥0a_i = |x_i-y_i| \geq 0. On a d2(x,y)2=∑iai2≤∑iai2+∑i≠jaiaj=(∑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 (i≠ji \neq j) sont positifs. D'où d2(x,y)≤d1(x,y)d_2(x,y) \leq d_1(x,y).

Preuve de d1≤n d∞d_1 \leq n\,d_\infty : d1(x,y)=∑i=1n∣xi−yi∣≤∑i=1nd∞(x,y)=n d∞(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 ∥⋅∥:E→R+\|\cdot\| : E \to \mathbb{R}_+ vérifiant, pour tous x,y∈Ex,y \in E et λ∈R\lambda \in \mathbb{R} :

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

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

Preuve : Séparation : d(x,y)=0  ⟺  ∥x−y∥=0  ⟺  x−y=0  ⟺  x=yd(x,y)=0 \iff \|x-y\|=0 \iff x-y=0 \iff x=y. Symétrie : d(y,x)=∥y−x∥=∥−(x−y)∥=∣−1∣ ∥x−y∥=∥x−y∥=d(x,y)d(y,x) = \|y-x\| = \|-(x-y)\| = |-1|\,\|x-y\| = \|x-y\| = d(x,y). Inégalité triangulaire : d(x,z)=∥x−z∥=∥(x−y)+(y−z)∥≤∥x−y∥+∥y−z∥=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)=∣λ∣ d(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 ∥x∥1=∑∣xi∣\|x\|_1 = \sum |x_i|, ∥x∥2=∑xi2\|x\|_2 = \sqrt{\sum x_i^2}, ∥x∥∞=max⁡i∣xi∣\|x\|_\infty = \max_i |x_i|, dont les distances associées sont précisément d1d_1, d2d_2, d∞d_\infty.

4. Boules ouvertes et fermées

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

Boule ouverte de centre aa et de rayon rr : B(a,r)={x∈E: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)={x∈E: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)={x∈E: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<r≤10 < 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 A⊂EA \subset E une partie non vide et x∈Ex \in E. On définit la distance de xx à AA par

d(x,A)=inf⁡a∈Ad(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):a∈A}\{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 a∈Aa \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)=inf⁡a∈]0,1[∣1−a∣=inf⁡a∈]0,1[(1−a)=0d(1,A) = \inf_{a \in ]0,1[} |1-a| = \inf_{a\in]0,1[} (1-a) = 0, atteint à la limite quand a→1−a \to 1^- mais jamais réalisé puisque 1∉A1 \notin A. On a bien d(1,A)=0d(1,A)=0 bien que 1∉A1 \notin A.

6. Distance entre deux parties, diamètre, parties bornées

Distance entre deux parties A,B⊂EA, B \subset E non vides : d(A,B)=inf⁡a∈A,b∈Bd(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 A∩B≠∅A \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 A∩B=∅A \cap B = \emptyset).

Diamètre d'une partie : diam⁡(A)=sup⁡x,y∈Ad(x,y)∈R+∪{+∞}\operatorname{diam}(A) = \sup_{x,y \in A} d(x,y) \in \mathbb{R}_+ \cup \{+\infty\}.

Partie bornée : A⊂EA \subset E est bornée si diam⁡(A)<+∞\operatorname{diam}(A) < +\infty, ce qui équivaut à : il existe a∈Ea \in E et R>0R>0 tels que A⊂B‾(a,R)A \subset \overline{B}(a,R).

Preuve de l'équivalence : si A⊂B‾(a,R)A \subset \overline{B}(a,R), alors pour x,y∈Ax,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 a∈Aa \in A fixé (si A≠∅A\neq\emptyset), alors pour tout x∈Ax \in A, d(a,x)≤Dd(a,x) \leq D, donc A⊂B‾(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,y∈Ax,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=(1−ε,0)x_\varepsilon = (1-\varepsilon, 0) et yε=(−(1−ε),0)y_\varepsilon = (-(1-\varepsilon), 0), qui appartiennent bien à AA (leur norme est 1−ε<11-\varepsilon<1). On a d2(xε,yε)=2(1−ε)→2d_2(x_\varepsilon,y_\varepsilon) = 2(1-\varepsilon) \to 2 quand ε→0\varepsilon \to 0. Donc sup⁡x,y∈Ad2(x,y)≥2(1−ε)\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 de la leçon

Exercice 1

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

Corrigé

Les trois axiomes d'une distance sont la séparation, la symétrie et l'inégalité triangulaire. Rien n'impose que dd soit bornée par 11 : la distance euclidienne sur R\mathbb{R}, par exemple, prend des valeurs arbitrairement grandes.

Exercice 2

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.

Corrigé

d1((0,0),(3,4))=∣3−0∣+∣4−0∣=7d_1((0,0),(3,4)) = |3-0|+|4-0| = 7. d2((0,0),(3,4))=32+42=25=5d_2((0,0),(3,4)) = \sqrt{3^2+4^2} = \sqrt{25} = 5 (le célèbre triangle 33-44-55). d∞((0,0),(3,4))=max⁡(3,4)=4d_\infty((0,0),(3,4)) = \max(3,4) = 4. On vérifie l'encadrement d∞≤d2≤d1d_\infty \leq d_2 \leq d_1 : 4≤5≤74 \leq 5 \leq 7. ✓

Exercice 3

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

Corrigé

Faux. Une distance associée à une norme doit être homogène : d(λx,λy)=∣λ∣d(x,y)d(\lambda x,\lambda y) = |\lambda| d(x,y). Pour la distance discrète, d(x,y)∈{0,1}d(x,y)\in\{0,1\} toujours, ce qui contredit l'homogénéité dès que ∣λ∣≠1|\lambda|\neq1 et x≠yx\neq y (par exemple d(2x,2y)d(2x,2y) devrait être 2d(x,y)=22d(x,y)=2, impossible puisque dd ne vaut que 00 ou 11).

Exercice 4

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) ?

Corrigé

d∞(0,x)<1  ⟺  max⁡(∣x1∣,∣x2∣)<1  ⟺  ∣x1∣<1d_\infty(0,x)<1 \iff \max(|x_1|,|x_2|)<1 \iff |x_1|<1 et ∣x2∣<1|x_2|<1. C'est exactement l'intérieur du carré ]−1,1[×]−1,1[]-1,1[\times]-1,1[, à côtés parallèles aux axes.

Exercice 5

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

Corrigé

diam⁡(A)=sup⁡x,y∈A∣x−y∣\operatorname{diam}(A) = \sup_{x,y\in A}|x-y|. Comme AA est fini, ce sup est un max, atteint entre les deux points les plus éloignés : 11 et 33. diam⁡(A)=∣3−1∣=2\operatorname{diam}(A) = |3-1| = 2.

Exercice 6

Montrer que d(x,y)=∣x3−y3∣d(x,y) = |x^3-y^3| définit une distance sur R\mathbb{R}.

Corrigé

Posons φ(t)=t3\varphi(t)=t^3. Comme φ\varphi est une bijection strictement croissante de R\mathbb{R} dans R\mathbb{R}, on vérifie : Séparation : d(x,y)=0  ⟺  ∣x3−y3∣=0  ⟺  x3=y3  ⟺  x=yd(x,y)=0 \iff |x^3-y^3|=0 \iff x^3=y^3 \iff x=y (par injectivité de φ\varphi). Symétrie : ∣x3−y3∣=∣y3−x3∣|x^3-y^3|=|y^3-x^3|, immédiat. Inégalité triangulaire : d(x,z)=∣x3−z3∣=∣(x3−y3)+(y3−z3)∣≤∣x3−y3∣+∣y3−z3∣=d(x,y)+d(y,z)d(x,z)=|x^3-z^3| = |(x^3-y^3)+(y^3-z^3)| \leq |x^3-y^3|+|y^3-z^3| = d(x,y)+d(y,z), par l'inégalité triangulaire de ∣⋅∣|\cdot| sur R\mathbb{R}. Les trois axiomes sont vérifiés : dd est bien une distance (ce n'est pas la distance associée à une norme car elle n'est pas homogène : d(λx,0)=∣λ∣3∣x∣3≠∣λ∣d(x,0)d(\lambda x,0)=|\lambda|^3|x|^3 \neq |\lambda| d(x,0) en général).

Exercice 7

Vrai ou faux : pour tous x,y∈Rnx,y\in\mathbb{R}^n, on a toujours d1(x,y)≤n d2(x,y)d_1(x,y) \leq n\,d_2(x,y).

Corrigé

Vrai. On sait que d∞≤d2≤d1≤n d∞d_\infty \leq d_2 \leq d_1 \leq n\,d_\infty. En particulier d1≤n d∞≤n d2d_1 \leq n\,d_\infty \leq n\,d_2 (car d∞≤d2d_\infty\leq d_2). Donc d1(x,y)≤n d2(x,y)d_1(x,y)\leq n\,d_2(x,y) est bien vérifié, même si ce n'est pas la meilleure constante possible dans tous les cas.

Exercice 8

Soit A= ]0,2[ ∪ ]3,5[A=\,]0,2[\,\cup\,]3,5[ dans R\mathbb{R}. Calculer d(1,A)d(1,A) et d(2,5,A)d(2{,}5,A).

Corrigé

Comme 1∈ ]0,2[⊂A1 \in \,]0,2[\subset A, on a d(1,A)=0d(1,A)=0 (un point de AA est à distance nulle de lui-même). Pour x=2,5x=2{,}5 : d(2,5, ]0,2[)=inf⁡a<2∣2,5−a∣=2,5−2=0,5d(2{,}5,\,]0,2[) = \inf_{a<2}|2{,}5-a| = 2{,}5-2 = 0{,}5 (approché en a→2−a\to2^-), et d(2,5, ]3,5[)=inf⁡a>3∣2,5−a∣=3−2,5=0,5d(2{,}5,\,]3,5[) = \inf_{a>3}|2{,}5-a| = 3-2{,}5 = 0{,}5 (approché en a→3+a\to3^+). Donc d(2,5,A)=min⁡(0,5 ; 0,5)=0,5d(2{,}5,A) = \min(0{,}5\,;\,0{,}5) = 0{,}5, non atteint dans AA.

Exercice 9

Soit E=R2E=\mathbb{R}^2 muni de d1d_1. Calculer le diamètre de la boule fermée B‾((0,0),1)\overline{B}((0,0),1).

Corrigé

B‾(0,1)\overline{B}(0,1) pour d1d_1 est le losange de sommets (±1,0)(\pm1,0), (0,±1)(0,\pm1). Les deux points les plus éloignés selon d1d_1 sont par exemple (1,0)(1,0) et (−1,0)(-1,0) : d1((1,0),(−1,0))=∣1−(−1)∣+∣0−0∣=2d_1((1,0),(-1,0))=|1-(-1)|+|0-0|=2. On peut vérifier qu'aucune paire de points de la boule ne donne une distance d1d_1 supérieure à 22 (inégalité triangulaire), donc diam⁡=2\operatorname{diam}=2.

Exercice 10

Montrer que pour toute partie bornée non vide AA et tout x∈Ex\in E, on a d(x,A)≤d(x,a0)d(x,A) \leq d(x,a_0) pour un certain a0∈Aa_0 \in A, et que d(x,A)≤diam⁡(A)+d(x,a0)d(x,A) \leq \operatorname{diam}(A) + d(x,a_0) n'est pas la bonne majoration : donner la majoration correcte de d(x,A)d(x,A) en fonction de d(x,a0)d(x,a_0) uniquement.

Corrigé

Par définition d(x,A)=inf⁡a∈Ad(x,a)d(x,A) = \inf_{a\in A} d(x,a). Pour tout a0∈Aa_0 \in A fixé, d(x,a0)d(x,a_0) est une valeur particulière de l'ensemble {d(x,a):a∈A}\{d(x,a): a\in A\}, et la borne inférieure est par définition ≤\leq à toute valeur de cet ensemble. Donc d(x,A)≤d(x,a0)d(x,A) \leq d(x,a_0), sans terme additif de diamètre : c'est la majoration la plus simple et la plus utile en pratique (elle ne nécessite de connaître qu'un seul point de AA).

Exercice 11

Soit (E,d)(E,d) un espace métrique et A,BA,B deux parties bornées non vides. Montrer que A∪BA\cup B est bornée et que diam⁡(A∪B)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)+d(A,B)\operatorname{diam}(A\cup B) \leq \operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B)+d(A,B).

Corrigé

Soient x,y∈A∪Bx,y \in A\cup B. Trois cas : si x,y∈Ax,y\in A, d(x,y)≤diam⁡(A)d(x,y)\leq\operatorname{diam}(A). Si x,y∈Bx,y\in B, d(x,y)≤diam⁡(B)d(x,y)\leq\operatorname{diam}(B). Si x∈A,y∈Bx\in A, y\in B (ou inversement) : fixons ε>0\varepsilon>0 et choisissons (par définition de l'inf) a∈A,b∈Ba\in A, b\in B tels que d(a,b)≤d(A,B)+εd(a,b) \leq d(A,B)+\varepsilon. Par inégalité triangulaire répétée, d(x,y)≤d(x,a)+d(a,b)+d(b,y)≤diam⁡(A)+(d(A,B)+ε)+diam⁡(B)d(x,y) \leq d(x,a)+d(a,b)+d(b,y) \leq \operatorname{diam}(A) + (d(A,B)+\varepsilon) + \operatorname{diam}(B). Comme ε>0\varepsilon>0 est arbitraire, d(x,y)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)+d(A,B)d(x,y) \leq \operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B)+d(A,B). Dans tous les cas, d(x,y)d(x,y) est majoré par cette quantité finie (car A,BA,B bornées), donc A∪BA\cup B est bornée et diam⁡(A∪B)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)+d(A,B)\operatorname{diam}(A\cup B) \leq \operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B)+d(A,B).

Exercice 12

Soit E=C([0,1],R)E=\mathcal{C}([0,1],\mathbb{R}) et d∞(f,g)=sup⁡t∈[0,1]∣f(t)−g(t)∣d_\infty(f,g) = \sup_{t\in[0,1]}|f(t)-g(t)|. Vérifier que d∞d_\infty est bien définie (finie) et que c'est une distance.

Corrigé

Finitude : f,gf,g continues sur [0,1][0,1] compact, donc f−gf-g est continue sur [0,1][0,1], donc bornée (théorème des bornes atteintes), donc le sup⁡t∣f(t)−g(t)∣\sup_{t}|f(t)-g(t)| est bien un réel fini. Séparation : d∞(f,g)=0  ⟺  sup⁡t∣f(t)−g(t)∣=0  ⟺  ∀t,f(t)=g(t)  ⟺  f=gd_\infty(f,g)=0 \iff \sup_t|f(t)-g(t)|=0 \iff \forall t, f(t)=g(t) \iff f=g. Symétrie : évidente. Inégalité triangulaire : pour tout tt, ∣f(t)−h(t)∣≤∣f(t)−g(t)∣+∣g(t)−h(t)∣≤d∞(f,g)+d∞(g,h)|f(t)-h(t)| \leq |f(t)-g(t)|+|g(t)-h(t)| \leq d_\infty(f,g)+d_\infty(g,h) ; en passant au sup sur tt à gauche, d∞(f,h)≤d∞(f,g)+d∞(g,h)d_\infty(f,h) \leq d_\infty(f,g)+d_\infty(g,h). C'est la distance de la convergence uniforme, fondamentale en analyse fonctionnelle.

Exercice 13

Soit A⊂EA\subset E une partie non vide d'un espace métrique. Montrer que l'application x↦d(x,A)x \mapsto d(x,A) est 11-lipschitzienne, c'est-à-dire ∣d(x,A)−d(y,A)∣≤d(x,y)|d(x,A)-d(y,A)| \leq d(x,y) pour tous x,y∈Ex,y \in E.

Corrigé

Pour tout a∈Aa\in A, l'inégalité triangulaire donne d(x,a)≤d(x,y)+d(y,a)d(x,a) \leq d(x,y)+d(y,a). Donc d(x,A)≤d(x,a)≤d(x,y)+d(y,a)d(x,A) \leq d(x,a) \leq d(x,y)+d(y,a) pour tout aa ; en passant à la borne inférieure sur a∈Aa\in A dans le membre de droite, d(x,A)≤d(x,y)+d(y,A)d(x,A) \leq d(x,y) + d(y,A). En échangeant les rôles de xx et yy (la situation est symétrique) : d(y,A)≤d(x,y)+d(x,A)d(y,A) \leq d(x,y)+d(x,A). Ces deux inégalités se réécrivent d(x,A)−d(y,A)≤d(x,y)d(x,A)-d(y,A) \leq d(x,y) et d(y,A)−d(x,A)≤d(x,y)d(y,A)-d(x,A) \leq d(x,y), soit ∣d(x,A)−d(y,A)∣≤d(x,y)|d(x,A)-d(y,A)|\leq d(x,y). Cette propriété (la fonction distance à une partie est 11-lipschitzienne, donc continue) est centrale pour la suite du cours de topologie.

Exercice 14

Vrai ou faux : si AA et BB sont deux parties bornées de (E,d)(E,d) avec A∩B≠∅A\cap B \neq \emptyset, alors diam⁡(A∪B)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)\operatorname{diam}(A\cup B) \leq \operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B).

Corrigé

Vrai. Soit c∈A∩Bc \in A\cap B. Pour x∈A,y∈Bx\in A, y\in B : d(x,y)≤d(x,c)+d(c,y)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)d(x,y) \leq d(x,c)+d(c,y) \leq \operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B) (car x,c∈Ax,c\in A et c,y∈Bc,y\in B). Combiné aux cas x,yx,y tous deux dans AA ou tous deux dans BB (majorés respectivement par diam⁡(A)\operatorname{diam}(A) et diam⁡(B)\operatorname{diam}(B), donc par la somme), on obtient diam⁡(A∪B)≤diam⁡(A)+diam⁡(B)\operatorname{diam}(A\cup B)\leq\operatorname{diam}(A)+\operatorname{diam}(B). C'est un cas particulier (plus précis) de l'exercice avec d(A,B)=0d(A,B)=0 puisque A∩B≠∅A\cap B\neq\emptyset.

Exercice 15

Soit E=R2E=\mathbb{R}^2. Construire un exemple de deux distances dd et d′d' sur EE qui ne sont PAS équivalentes au sens où elles ne définissent pas la même notion de partie bornée (indication : utiliser une distance bornée du type d′(x,y)=min⁡(1,d2(x,y))d'(x,y)=\min(1,d_2(x,y)) et comparer les parties bornées).

Corrigé

Posons d′(x,y)=min⁡(1,d2(x,y))d'(x,y) = \min(1, d_2(x,y)). On vérifie que d′d' est bien une distance (les axiomes se vérifient sans difficulté, l'inégalité triangulaire utilisant que min⁡(1,⋅)\min(1,\cdot) est sous-additive sur les sommes de réels positifs). Pour d′d', l'espace E=R2E=\mathbb{R}^2 tout entier est borné : diam⁡d′(E)≤1\operatorname{diam}_{d'}(E) \leq 1, car d′(x,y)≤1d'(x,y)\leq1 toujours. En revanche, pour d2d_2, EE n'est pas borné : diam⁡d2(E)=+∞\operatorname{diam}_{d_2}(E) = +\infty (on peut prendre x,yx,y arbitrairement loin). Ainsi d2d_2 et d′d' ne sont pas équivalentes au sens de la notion de partie bornée, même si elles engendrent les mêmes ouverts (même topologie) — ce qui montre que l'équivalence topologique (mêmes ouverts) est une notion strictement plus faible que l'équivalence métrique au sens de bi-lipschitzianité.

AlphaMath Académie · Distances et normes · Topologie L2 — Espaces métriques