Deux exercices posés à l'oral de l'ENS

Bonjour à tous,

je propose ici un exercice posé à l'oral de l'ENS.

Etant donné un espace vectoriel réel normé $E$ et $H$ un hyperplan de $E$, montrer que : $E \setminus H$ connexe par arcs $\Leftrightarrow$ $H$ non fermé.

$H$ est le noyau d'une forme linéaire $\varphi$, et si $H = \ker \varphi$ est fermé, on prouve sans difficulté que $\varphi$ est continu. Or $\varphi(E \setminus H) = \R^*$ qui n'est pas connexe par arcs, donc $E \setminus H$ n'est pas connexe par arcs.

Je ne parviens pas à montrer la réciproque, ce qui d'autant plus frustrant que ça me semble assez simple.

Voici un autre exo d'analyse, beaucoup plus dur :

Soit $\sum a_n x^n$ une série entière de rayon supérieur ou égal à 1. On note $M(r) = \sum_{n=0}^{+ \infty} |a_n|r^n$. Montrer que :

$\lim_{r \to 1^-} \frac{M(r)}{\sqrt{- \ln(1 - r^2)}} = 0$

Qu'en pensez-vous ?

Merci pour vos futures indications

Réponses

  • Pour le deuxième : pas très dur mais très complet (beaucoup de notions s'enchaînent).
    Pour commencer, penser à la formule de Green-Riemann pour calculer l'aire de f(D_r) où D_r est le disque ouvert de centre 0 et rayon r<1.
  • Oh, j'oubliais pour le deuxième exo l'hypothèse que f(D) est d'aire finie (f est la série entière et D est le disque ouvert unité)

    Merci pour l'indication, je suis en train de chercher...
  • Bon, je donne ma langue au chat.

    $$ Aire(f(D_r)) = \int\int_{f(D_r)} dx dy = ...v$$

    Il faut certainement appliquer une formule de changement de variable, mais je me plante plus ou moins...
  • Je crois que j'avais suggéré cet exo une fois sur le forum sans trouver preneur.
    Comme un hyperplan est soit fermé, soit dense, montrons que $E\setminus H$ est connexe (et même connexe par arcs) en supposant $H$ dense.
    (ce qui suit est un copier-coller d'un de mes fichiers... je ne sais pas ce que cela va donner)

    Montrons la connexité de $E\setminus H$ : Soient $O_{1}$ et $O_{2}$ deux ouverts de $E$ dont la réunion contient le
    complémentaire de $H$ dans $E$. On suppose que $O_{1}\cap O_{2}\cap (E\setminus H)=\emptyset$, et que $O_{1}\cap (E\setminus H)\neq\emptyset$.
    Soit $a$ un élément de $O_{1}\cap (E\setminus H)$. Le complémentaire de $H$ dans $E$ est la réunion des demi-espaces $C_{1}$
    et $C_{2}$ déterminés par $H$, $C_{1}$ étant celui qui contient $a$. Ces ensembles sont convexes, donc connexes. Il résulte
    de la non-vacuité de $C_{1}\cap O_{1}$ que $C_{1}$ est inclus dans $O_{1}$. Puisque $O_{1}$ est ouvert, il existe $\rho>0$
    tel que $B(a,\rho)\subset O_{1}$. Puisque $H$ est dense dans $E$, on peut trouver un élément $h$ de $H$ dans cette boule.
    Posons $b=-\lambda a+(\lambda+1)h$ où $0
  • Ca va, le code LaTeX passe même si certains retours à la ligne n'ont pas lieu d'être.
    Pour info, j'avais vu cet exercice dans les questions-réponses de la RMS il y a quelques années déjà...
  • Pour le deuxième exercice :

    Soit $A$ l'aire de $f(D)$ et si $r0$. Il existe $N$ tel que
    $\sum_{n=N+1}^{+\infty} n|a_n|^2 \leq \epsilon$, donc pour tout $0
  • Merci à CQFD et Glag pour les solutions.
    Glag, comment peut-on être sur que le paramètrage $x(\theta) + iy(\theta) = f(re^{i\theta})$ est un bon paramètrage du bord de $f(D_r)$ ? (en fait, c'est le point sur lequel je butais). Par ailleurs, la version de la formule de Green-Riemann que j'utilise est censée n'être autorisée que pour les parties bornées de $\R^2$, enfin... Il est bien connu que la formule de Green-Riemann est un point ténébreux du programme de prépa, et sans trop m'avancer, ça doit être le cas ailleurs (du style, on fait en vitesse une application de la formule de Green-Riemann pour montrer que l'aire d'un rectangle de longueur L, de largeur l est Ll, et on passe à la suite)
    Cependant je suis convaincu que ta solution est la bonne.
  • juste pour dire qu'on peut s'en tirer sans Green-Rieman pour trouver l'expression de $A_r$ en fonction des coefficients de la série entière, avec la formule de changement de variable (calculer un Jacobien simple)
  • ... ce qui pose un problème du même genre, au passage.
    N'est-il pas prudent de supposer que
    la restriction de $f$ à $D$ est injective ?
  • L'esprit du programme de sup/spé (c'est flagrant en MPSI, et en spé le sujet est peu repris) est quand même, dès qu'il s'agit d'intégrales multiples, de courbes, de surfaces, de dire "on suppose que tout marche bien".
    De toute façon, l'énoncé lui-même n'est pas irréprochable : a-t-on véritablement une définition rigoureuse de l'aire, dans la phrase "d'aire finie" ?

    L'exercice étant tiré du rapport du jury précédent d'Ulm, il est peut-être possible de contacter son auteur pour savoir ce qui était attendu...
  • Après vérification, on exige bien (dans le programme de prépa au moins) que le changement de variable soit un C1-difféomorphisme, on peut toujours supposer que f est injective, je pense que ça doit passer.
    Tant qu'on est dans la catégorie des exercices où je me suis casser la tête pendant un long moment, en voici un autre :

    Soit $q$ une forme quadratique sr $\R^n$. ($q(x) = (x|u(x))$ avec $u$ autoadjoint). On note $C = \R_+^n$ et $\partial C$ la frontière de $C$.
    On suppose que $q(\partial C) \subseteq \R_+$ et que tout vecteur propre de $u$ qui est dans $C$ est associé à une valeur propre positive. Montrer que $q(C) \subseteq \mathbb{R}_+$.

    De préférence, ne donnez que des indications.

    Cordialement,
    Philippe
  • Bien sûr, il faut lire : "où je me suis <I>cassé</I> la tête..."<BR>
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