Résumé de l'échange avec le jury (questions/réponses/remarques) :
Deux questions sur le développement, puis principalement des exos.
Pourquoi la fonction \[ t\mapsto \left\{\begin{array}{rl}
\frac{f(t)-f(s)}{t-s} \esperluette \mbox{si $s\neq t$ } \\
f'(t) \esperluette \mbox{si $s=t$}\end{array}\right. \] est-elle continue (je n'avais justifié que la continuité en $t$) ?
A-t-on vraiment \[ D=\bigcup_{n\in \mathbb{N}} F_n \] ($D$ désignant l'ensemble des fonctions de $[0,1]$ dans $\mathbb{R}$ dérivables en au moins un point et \[F_n=\left\lbrace f\in \mathscr{C}^0([0,1],\mathbb{R} ), \exists t\in [0,1], \forall s\in [0,1], |f(t)-f(s)|\leqslant n|t-s| \right\rbrace \] ayant vocation a être un fermé d'intérieur vide) ?
Non, on a seulement une inclusion, mais comme on montre que le membre de droite est d'intérieur vide, celui de gauche l'est aussi, et c'est ce qu'on cherche.
Un exemple d'espace muni de deux distances dont l'une est complète et pas l'autre ?
$ \left] -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} \right[ $ n'est pas complet pour la distance induite par la valeur absolue de $\mathbb{R}$, mais l'est pour la distance définie par $d(x,y)=|\tan(x)-\tan(y)|$.
Un exemple d'espace complet non normé ?
Un espace métrique complet qui n'est pas un espace vectoriel, par exemple celui ci-dessus.
Comment construit-on $\mathbb{R}$ et cela se généralise-t-il ?
En quotient l'ensemble des suites de Cauchy de $\mathbb{Q}$ par la relation d'équivalence identifiant deux suites si leur différence tend vers $0$, en faisant bien attention à remplacer les $\varepsilon$ par des $\frac{1}{k}$ dans la définition de la convergence puisque les $\varepsilon$ réels n'existent pas encore. C'est une des façons de compléter n'importe quel espace métrique, sauf que mainteant les $\varepsilon$ réels existent, donc c'est moins subtil.
Y a-t-il une métrique qui rende $\mathbb{Q}$ complet ?
Si on demande qu'elle induise la topologie usuelle, non par théorème de Baire. Sinon, ...
Comment prouve-t-on le théorème de Cauchy-Lipschitz ?
Une solution au problème de Cauchy est un point fixe de l'application \[ \varphi \longmapsto \left( t\mapsto x_0+ \int_{t_0}^t f(u,\varphi(u)) \mbox{d}u \right) \mbox{.}\] Cette application possède une itérée contractante. Le reste est technique et ne relève pas du théorème du point fixe.
Le disque unité ouvert de $\mathbb{C}$ muni de la topologie de la convergence uniforme sur tout compact (qui est métrisable via une exhaustion compacte) est-il complet ? Pourquoi ?
Oui, par théorème de Weierstrass, qui se prouve en utilisant la formule de Cauchy.
Soient $E$ l'espace $\mathscr{C}^1([0,1],\mathbb{R})$ muni de la norme $\Vert f\Vert _E=\Vert f\Vert _\infty +\Vert f'\Vert _\infty $ et $F$ l'espace $\mathscr{C}^0([0,1],\mathbb{R})$ muni de la norme $\Vert f\Vert _F=\Vert f\Vert _\infty $. On note $\Phi$ l'opérateur de dérivation de $E$ dans $F$. Montrer que $\Phi(B_E(0,1))$ est d'intérieur non vide.
$\Phi$ est linéaire et $\Vert \Phi f\Vert _F\leqslant \Vert f\Vert _E$, donc $\Phi$ est continue. Le résultat suit donc du théorème de l'application ouverte.
Mouais, je veux bien que $F$ soit complet, c'est dans votre plan. Mais pourquoi $E$ l'est-il ?
Si $(f_n)_{n\in\mathbb{N}}$ est de Cauchy dans $E$, $(f_n')_{n\in \mathbb{N}}$ l'est aussi dans $F$ car $\Vert f' \Vert _F \leqslant \Vert f\Vert _E$ si $f\in E$. Donc $(f_n')_{n\in \mathbb{N}}$ converge uniformément, le reste est classique.
