Réflexion sur le théorème des valeurs intermédiaires
Bonjour à tous, je me faisais une réflexion après avoir relu le théorème des valeurs intermédiaires. J'ai lu à de nombreuses reprises que les 2 énoncés suivants étaient équivalents (repris d'ailleurs dans l'article wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/Théorème_des_valeurs_intermédiaires ) :
1) Pour toute fonction $f$ définie et continue sur un intervalle $I$ et à valeurs réelles, l'image $f(I)$ est un intervalle
2) Pour toute application continue $f : [a,b] \mapsto \mathbb{R}$ et tout réel $u$ compris entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe au moins un réel $c$ compris entre $a$ et $b$ tel que $f(c) = u$.
J'ai l'impression que la 1) s'entend par elle-même, je veux dire par là que pour moi toute fonction continue sur un intervalle $I = [a,b]$ vérifie que $f(I) = f([a,b]) = \{ f(x)\mid x \in [a,b]\}$ est un intervalle ? Dans le sens où $f(I)$ n'est pas un intervalle si il y a un "trou" et donc intuitivement si $f$ n'est pas continue.
Par conséquent ça voudrait dire qu'être une fonction continue est équivalent au fait de vérifier le théorème des valeurs intermédiaires. Or c'est faux (le contre-exemple est donné sur l'article wikipédia d'ailleurs)
Où est-ce que je me trompe ?
Merci d'avance pour votre attention.
1) Pour toute fonction $f$ définie et continue sur un intervalle $I$ et à valeurs réelles, l'image $f(I)$ est un intervalle
2) Pour toute application continue $f : [a,b] \mapsto \mathbb{R}$ et tout réel $u$ compris entre $f(a)$ et $f(b)$, il existe au moins un réel $c$ compris entre $a$ et $b$ tel que $f(c) = u$.
J'ai l'impression que la 1) s'entend par elle-même, je veux dire par là que pour moi toute fonction continue sur un intervalle $I = [a,b]$ vérifie que $f(I) = f([a,b]) = \{ f(x)\mid x \in [a,b]\}$ est un intervalle ? Dans le sens où $f(I)$ n'est pas un intervalle si il y a un "trou" et donc intuitivement si $f$ n'est pas continue.
Par conséquent ça voudrait dire qu'être une fonction continue est équivalent au fait de vérifier le théorème des valeurs intermédiaires. Or c'est faux (le contre-exemple est donné sur l'article wikipédia d'ailleurs)
Où est-ce que je me trompe ?
Merci d'avance pour votre attention.
Réponses
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Le contre-exemple te montre que "$f(I)$ est un intervalle" n'implique pas "$f$ continue". Donc il n'y a pas équivalence. J'ai l'impression que ce que tu as écrit c'est "$f(I)$ n'est pas un intervalle" implique que "$f$ n'est pas continue". C'est vrai, mais c'est la même chose que "$f$ continue" implique que "$f(I)$ est un intervalle".
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Donc il y a bien équivalence entre 1) et 2) et la proposition "f(I) est un intervalle" n'est pas équivalent à "f continue" d'après le contre-exemple si j'ai bien compris car :
f continue sur I --> f(I) intervalle est vraie mais
f(I) intervalle --> f continue ne l'est pas forcément
ok, merci c'est un peu plus clair
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Peut on généraliser le TVI à $\R^n$. Soit I un ouvert connexe de $\R^n$, des conditions sur f pour que l'image f(I) n'admet pas de trous grossiers ( un trou est grossier s'il est d’intérieur non vide)
Le 😄 Farceur -
Il est facile de replier un rectangle en une couronne, dans laquelle on voit un trou grossier.
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@Math Coss j'ai dit , il faut donner de bonnes hypothèses sur f pour que ça marcheLe fait d’être continue ne suffit pas, lisse comme C^1 peut être suffit. Ta transformation, je doute qu'elle soit assez régulièreLe 😄 Farceur
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Voici une version de classe $C^\infty$ : $f(x,y)=(x\cos y, x\sin y)$ pour $(x,y)\in\left]1,2\right[\times \left]0,5\pi\right[$. (C'est l'exponentielle...)
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Bonjour,
@gebrane un condition suffisante est que l'ouvert de départ soit simplement connexe et que $f$ soit un homéomorphisme sur son image. C'est fort comme condition mais je n'ai pas l'impression que l'on puisse trouver vraiment mieux, à part des conditions tautologiques ou triviales (style "$f$ est constante"). -
Un prof m'a affirmé qu'il y a une version du TVI dans les espaces de Sobolev, mais je ne sais pas plus
Le 😄 Farceur -
Ça c'est une autre question. La version Sobolev du TVI que je connais est la suivante.
Soient $\Omega$ un ouvert connexe de $\Bbb R^n$, $p\in[1,\infty]$, $u\in W^{1,p}(\Omega) $ et $a<b$ dans $\Bbb R$. Si $u^{-1}(]-\infty,a])$ et $u^{-1}([b, \infty[)$ sont de mesure non nulle, alors $u^{-1}(] a, b[)$ est aussi de mesure non nulle. Et on en déduit même que pour tout $I\subset [a, b] $ d'intérieur non vide, $u^{-1}(I) $ est de mesure non nulle. Autrement dit, l'image essentielle* de $u$ est un intervalle. Or l'image essentielle c'est entre guillemets "la bonne notion" qui remplace celle d'image essembliste rigoureuse en théorie de la mesure, donc c'est un bon analogue du TVI qu'on a là.
* $\text{Im-ess} (u) :=\{x\in\Bbb R\mid \forall \varepsilon>0, \lambda(u^{-1}(] x-\varepsilon, x+\varepsilon[)) >0\}$ -
@Calli Je confirme ta formulation: J'ai fait une recherche et je tombe sur ce document http://www.numdam.org/item/AFST_1985_5_7_2_87_0.pdf
Le 😄 Farceur
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