Compacts et applications continues en maths spé (MP) : exercices corrigés
Ces exercices compacts MP suivent l’ordre du cours, du simple test de compacité jusqu’à un problème de point fixe. Ils entraînent les quatre réflexes attendus le jour du concours : prouver l’existence d’un extremum, calculer une norme subordonnée, prendre en défaut la continuité d’une application linéaire et établir une connexité par arcs.
Traitez d’abord la série « Pour démarrer » sans rouvrir le cours : elle vérifie que les définitions sont en place. Ensuite, chronométrez la deuxième série, car à l’oral chacun de ces énoncés tient en une vingtaine de minutes. Enfin, les trois derniers énoncés ont la taille d’une partie d’écrit et mélangent plusieurs notions. Pour chaque énoncé, un corrigé détaillé est disponible dans un article séparé ; ne le consultez qu’après une vraie recherche.
Pour démarrer
Exercice 1 – Trois parties du plan à trier
On munit \(\mathbb{R}^2\) de sa norme euclidienne. On considère les trois parties suivantes.
- \(K = \{(x,y) : x^2 + 4y^2 \leq 4 \text{ et } x + y \geq 1\}\) ;
- \(A = \{(x,y) : xy = 1\}\) ;
- \(B = \{(x,y) : 0 < x^2 + y^2 \leq 1\}\).
La partie \(K\) est représentée ci-dessous.

- Montrer que \(K\) est compacte et non vide.
- Déterminer les deux points d’intersection de l’ellipse \(x^2 + 4y^2 = 4\) avec la droite \(x + y = 1\).
- Montrer que \(A\) est fermée mais pas compacte.
- Montrer que \(B\) est bornée mais pas compacte.
Exercice 2 – Normes subordonnées d’une matrice 2 × 2
Soit \(M = \begin{pmatrix} 1 & -4 \\ 3 & 2 \end{pmatrix}\), vue comme endomorphisme de \(\mathbb{R}^2\).
- Calculer la norme de \(M\) subordonnée à \(\|\cdot\|_\infty\), en exhibant un vecteur qui la réalise.
- Calculer de même la norme de \(M\) subordonnée à \(\|\cdot\|_1\).
- En déduire une majoration de \(\|M^5 x\|_1\) en fonction de \(\|x\|_1\).
Exercice 3 – Deux formes linéaires d’évaluation
Sur \(\mathbb{R}[X]\), on pose \(N(P) = \max \{ |P(t)| \ ;\ -1 \leq t \leq 1 \}\).
- Justifier que \(N\) est une norme sur \(\mathbb{R}[X]\).
- Montrer que la forme linéaire \(\varphi : P \mapsto P(3)\) n’est pas continue pour \(N\).
- Montrer que \(\psi : P \mapsto P(1/2)\) est continue et déterminer sa norme subordonnée.
Exercice 4 – Sous le graphe ou loin de l’axe
Dans \(\mathbb{R}^2\), on pose \(C = \{(x,y) : y \geq x^2\}\) et \(D = \{(x,y) : |y| \geq 1\}\).
- Montrer que \(C\) est convexe. Que peut-on en déduire ?
- Montrer que \(D\) n’est pas connexe par arcs.
- Déterminer les composantes connexes par arcs de \(D\).
Exercice 5 – Extremums de x²y sur le disque unité
Soit \(\Delta = \{(x,y) : x^2 + y^2 \leq 1\}\) et \(f(x,y) = x^2 y\).
- Justifier que \(f\) admet un maximum et un minimum sur \(\Delta\).
- À l’aide des coordonnées polaires, calculer ce maximum et préciser en quels points il est atteint.
- En déduire le minimum de \(f\) sur \(\Delta\).
Exercice 6 – Heine pour la racine carrée
- Justifier, sans calcul, que \(x \mapsto \sqrt{x}\) est uniformément continue sur \([0,1]\).
- Établir l’inégalité \((\sqrt{x} – \sqrt{y})^2 \leq |x – y|\) pour \(x, y \geq 0\), puis retrouver le résultat précédent sur \([0,+\infty[\) tout entier.
- Montrer que \(x \mapsto \sqrt{x}\) n’est pas lipschitzienne sur \([0,1]\).
- Montrer que \(g : x \mapsto x^2\) n’est pas uniformément continue sur \(\mathbb{R}\), en utilisant les suites \(a_n = n + 1/n\) et \(b_n = n\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Une seule valeur d’adhérence
Soit \(K\) une partie compacte d’un espace normé \(E\) et \((u_n)\) une suite de \(K\) qui possède une unique valeur d’adhérence \(a\).
- Montrer que \((u_n)\) converge vers \(a\).
- Montrer, par un exemple dans \(\mathbb{R}\), que le résultat tombe si l’on retire l’hypothèse de compacité.
- Application : soit \(f : K \to \mathbb{R}\) continue, qui atteint son minimum en un unique point \(a\). Montrer que toute suite \((x_n)\) de \(K\) telle que \(f(x_n) \to f(a)\) converge vers \(a\).
Exercice 8 – Distance d’un point à une parabole
On note \(\mathcal{P}\) la parabole d’équation \(y = x^2\) et \(A = (0,2)\). Le plan est muni de la norme euclidienne.
- Montrer que \(\mathcal{P}\) est fermée.
- Montrer que la distance de \(A\) à \(\mathcal{P}\) est atteinte en au moins un point.
- Calculer cette distance et les points de \(\mathcal{P}\) qui la réalisent.
Exercice 9 – Compact plus fermé, fermé plus fermé
Soit \(E\) un espace normé. Pour deux parties \(X\) et \(Y\), on note \(X + Y\) l’ensemble des \(x + y\) avec \(x \in X\) et \(y \in Y\).
- Soit \(K\) compact et \(F\) fermé. Montrer que \(K + F\) est fermé.
- Dans \(\mathbb{R}^2\), on pose \(F_1 = \{(x,y) : xy = 1,\ x > 0\}\) et \(F_2 = \mathbb{R} \times \{0\}\). Montrer que \(F_1\) et \(F_2\) sont fermés.
- Déterminer \(F_1 + F_2\) et montrer que cette partie n’est pas fermée.
Exercice 10 – Norme d’un opérateur de primitivation pondérée
Soit \(E\) l’espace des fonctions réelles continues sur \([0,1]\), muni de la norme uniforme \(\|\cdot\|_\infty\). Pour \(f \in E\), on définit \(T(f)\) par \(T(f)(x) = \int_0^x t\,f(t)\,dt\).
- Montrer que \(T\) est un endomorphisme continu de \(E\) et que \(|||T||| = 1/2\).
- Que donne la sous-multiplicativité pour \(|||T \circ T|||\) ?
- Calculer exactement \(|||T \circ T|||\) et comparer.
Exercice 11 – Matrices triangulaires à diagonale positive
Soit \(n \geq 2\). On note \(\mathcal{T}\) l’ensemble des matrices réelles triangulaires supérieures de taille \(n\) dont tous les coefficients diagonaux sont strictement positifs.
- Montrer que \(\mathcal{T}\) est convexe et qu’elle est incluse dans le groupe des matrices inversibles.
- En déduire que toute matrice de \(\mathcal{T}\) peut être reliée à \(I_n\) par un chemin de matrices inversibles.
- Montrer en revanche que \(I_n\) et \(I_n – 2E_{11}\) ne peuvent pas être reliées par un tel chemin.
- La partie \(\mathcal{T}\) est-elle ouverte dans l’espace des matrices triangulaires supérieures ? fermée ?
Exercice 12 – Une partie étoilée non convexe
On considère \(E = \{(x,y) \in \mathbb{R}^2 : |xy| \leq 1\}\), représentée en vert.

- Montrer que \(E\) est étoilée par rapport à l’origine.
- Montrer que \(E\) n’est pas convexe.
- La partie \(E\) est-elle fermée ? compacte ? connexe par arcs ?
Exercice 13 – Ouverts et fermés définis par des polynômes
On travaille dans l’espace des matrices réelles carrées de taille \(2\), muni d’une norme quelconque.
- Montrer que \(\Omega = \{M : (\mathrm{tr}\,M)^2 – 4\det M > 0\}\) est ouvert. Interpréter \(\Omega\) en termes de valeurs propres.
- Montrer que \(\Omega\) n’est pas fermée.
- Montrer que l’ensemble \(\mathcal{F}\) des matrices \(M\) telles que \(M^2 = M\) est fermé.
- Montrer, à l’aide des matrices \(\begin{pmatrix} 1 & c \\ 0 & 0 \end{pmatrix}\), que \(\mathcal{F}\) n’est pas compacte.
Exercice 14 – Une forme bilinéaire sur les fonctions continues
Sur l’espace \(E\) des fonctions réelles continues sur \([0,1]\), on pose \(B(f,g) = \int_0^1 f(t)\,g(t)\,e^t\,dt\).
- On munit \(E\) de \(\|\cdot\|_\infty\). Montrer que \(B\) est continue et trouver la meilleure constante \(k\) telle que \(|B(f,g)| \leq k\,\|f\|_\infty \|g\|_\infty\).
- On munit maintenant \(E\) de \(\|f\|_1 = \int_0^1 |f|\). Pour \(n \geq 1\), on pose \(h_n(t) = \max(0,\ 1 – nt)\). Calculer \(\|h_n\|_1\) et minorer \(B(h_n,h_n)\).
- En déduire que \(B\) n’est pas continue pour \(\|\cdot\|_1\).
Exercice 15 – Minimum global d’une fonction coercive
Soit \(f(x,y) = x^4 + y^4 – 4xy\) sur \(\mathbb{R}^2\), et \(r = \sqrt{x^2 + y^2}\).
- Montrer que \(x^4 + y^4 \geq r^4/2\) et que \(4|xy| \leq 2r^2\).
- En déduire que \(f(x,y) \geq 0\) dès que \(r \geq 2\).
- Montrer que \(f\) admet un minimum global sur \(\mathbb{R}^2\).
- Déterminer les points critiques de \(f\), puis la valeur de ce minimum.
Exercice 16 – Normes non équivalentes sur les polynômes
Pour \(P = \sum_k a_k X^k \in \mathbb{R}[X]\), on pose \(N_1(P) = \sum_k |a_k|\), \(N_\infty(P) = \max_k |a_k|\) et \(N(P) = \max_{[0,1]} |P|\).
- Montrer que \(N_\infty \leq N_1\), puis que ces deux normes ne sont pas équivalentes.
- Montrer que \(N \leq N_1\). À l’aide de \((1 – X)^n\), montrer que \(N\) et \(N_1\) ne sont pas équivalentes.
- Montrer que la dérivation \(D : P \mapsto P^{\prime}\) n’est pas continue de \((\mathbb{R}[X], N_\infty)\) dans lui-même.
- Justifier que la restriction de \(D\) à \(\mathbb{R}_5[X]\) est continue pour \(N_\infty\) et calculer sa norme subordonnée.
Pour approfondir
Exercice 17 – Une norme subordonnée non atteinte
On reprend l’espace \(E\) des fonctions réelles continues sur \([0,1]\), avec la norme uniforme, et on pose \(\theta(f) = \int_0^1 (2t – 1) f(t)\,dt\).
- Montrer que \(\theta\) est continue et que \(|||\theta||| \leq 1/2\).
- Pour \(n \geq 1\), soit \(f_n(t) = \min(1, \max(-1,\ n(2t – 1)))\). Calculer \(\theta(f_n)\) et en déduire \(|||\theta|||\).
- Montrer qu’il n’existe aucune \(f \in E\) telle que \(\|f\|_\infty \leq 1\) et \(\theta(f) = 1/2\).
- Expliquer pourquoi ce phénomène est impossible en dimension finie.
Exercice 18 – Connexité par arcs de GLn(C)
Soit \(n \geq 1\), et \(A\), \(B\) deux matrices complexes inversibles de taille \(n\).
- Montrer que \(Q(z) = \det((1 – z)A + zB)\) définit un polynôme non nul en \(z\), et que \(0\) et \(1\) n’en sont pas racines.
- Pour \(\lambda \in \mathbb{R}\), on pose \(\gamma_\lambda(s) = s + i\lambda s(1 – s)\) pour \(s \in [0,1]\). Montrer que deux chemins \(\gamma_\lambda\) et \(\gamma_\mu\) avec \(\lambda \neq \mu\) n’ont en commun que leurs extrémités.
- En déduire qu’il existe \(\lambda\) tel que \(\gamma_\lambda\) évite toutes les racines de \(Q\).
- Conclure que le groupe des matrices complexes inversibles est connexe par arcs, puis expliquer pourquoi l’argument échoue pour les matrices réelles.
Exercice 19 – Problème de point fixe sans contraction uniforme
Soit \(K\) une partie compacte non vide d’un espace normé \(E\) et \(f : K \to K\) telle que \(\|f(x) – f(y)\| < \|x – y\|\) pour tous \(x \neq y\) de \(K\).
Partie A : existence et unicité.
- Montrer que \(f\) est continue, puis que \(g : x \mapsto \|f(x) – x\|\) atteint son minimum en un point \(a\) de \(K\).
- Montrer que \(f(a) = a\), puis que \(a\) est le seul point fixe de \(f\).
Partie B : convergence des itérées. Soit \(x_0 \in K\) et \(x_{n+1} = f(x_n)\). On pose \(d_n = \|x_n – a\|\).
- Montrer que \((d_n)\) converge vers un réel \(\ell \geq 0\).
- Soit \(b\) une valeur d’adhérence de \((x_n)\). Montrer que \(\|b – a\| = \ell\) et \(\|f(b) – a\| = \ell\).
- En déduire que \(\ell = 0\), puis que \((x_n)\) converge vers \(a\).
Partie C : exemples.
- Montrer que \(\sin\) vérifie les hypothèses sur \(K = [0,1]\), mais qu’aucune constante \(k < 1\) ne vérifie \(|\sin x – \sin y| \leq k|x – y|\) sur \(K\).
- Soit \(h(x) = x + 1/x\) sur \(I = [1,+\infty[\). Montrer que \(h(I) \subset I\), que \(|h(x) – h(y)| < |x – y|\) pour \(x \neq y\) dans \(I\), et que \(h\) n’a aucun point fixe. Quelle hypothèse fait défaut ?
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de maths spé (MP) sur compacts et applications continues
- Bases utiles : Ouverts, fermés, adhérence et limites
- Chapitre d’avant : Ouverts, fermés, adhérence et limites
- Chapitre d’après : Séries vectorielles, d'Alembert et sommation des équivalents
- Vérifier ses acquis : QCM de maths spé (MP) sur compacts et applications continues
- Contrôle corrigé en temps limité : Normes subordonnées et compacité : contrôle de maths en MP
- Un autre sujet noté sur 20 : Problème de topologie en dimension finie : contrôle de maths en MP
- Le même thème en L3 de maths : Borel-Lebesgue, compacité séquentielle et connexité
- Tous les chapitres : le sommaire de maths spé (MP)
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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