Normes et normes équivalentes en maths spé (MP) : exercices corrigés

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Ces dix-huit exercices normes MP suivent la progression du cours. La première série entraîne les réflexes de base : vérifier les axiomes, calculer les normes usuelles d’un vecteur ou d’une fonction, trouver des valeurs d’adhérence. La deuxième série travaille la comparaison de normes sur des polynômes, des matrices et des fonctions de classe \(C^1\).

La dernière série demande des contre-exemples en dimension infinie et se termine par un problème de synthèse. Cherchez chaque énoncé au moins vingt minutes avant d’ouvrir le corrigé. Notez ensuite la méthode utilisée : c’est elle qui resservira à l’oral, bien plus que le résultat. Enfin, refaites quelques jours plus tard les exercices manqués, sans regarder la solution, pour vérifier que le réflexe est acquis.

Pour démarrer

Exercice 1 – Une norme construite par composition

Pour \((x, y) \in \mathbb{R}^2\), on pose \(N(x, y) = \max\bigl(|x + 2y|,\ |3y|\bigr)\).

  1. Montrer que \(N\) est une norme sur \(\mathbb{R}^2\).
  2. Déterminer les sommets de la boule unité fermée de \(N\) et la représenter.
  3. Établir \(N \leqslant 3\|\cdot\|_\infty\) et \(\|\cdot\|_\infty \leqslant \frac{5}{3} N\), puis montrer que ces constantes sont optimales.

Exercice 2 – Trois normes d’un même vecteur

Dans \(\mathbb{R}^3\), on considère \(v = (2, -3, 6)\) et \(w = (1, 1, -1)\).

  1. Calculer \(\|v\|_1\), \(\|v\|_2\) et \(\|v\|_\infty\).
  2. Calculer la distance de \(v\) à \(w\) pour chacune des trois normes.
  3. Vérifier sur \(v\) les inégalités \(\|v\|_\infty \leqslant \|v\|_2 \leqslant \|v\|_1 \leqslant 3\|v\|_\infty\) et dire si l’une d’elles est une égalité.

Exercice 3 – Trois candidats qui ne sont pas des normes

Les trois applications ci-dessous, définies sur \(\mathbb{R}^2\) et à valeurs positives, échouent chacune à un axiome. Identifier lequel et l’illustrer par un exemple chiffré.

  1. \(N_1(x, y) = |2x – y|\).
  2. \(N_2(x, y) = x^2 + |y|\).
  3. \(N_3(x, y) = \bigl(\sqrt{|x|} + \sqrt{|y|}\bigr)^2\).

Exercice 4 – Normes usuelles d’une fonction polynomiale

Dans \(C([0, 1], \mathbb{R})\), on considère \(f(t) = t – t^3\).

  1. Calculer \(\|f\|_\infty\).
  2. Calculer \(\|f\|_1\) et \(\|f\|_2\).
  3. Ranger ces trois nombres par ordre croissant et comparer avec le cours.

Exercice 5 – Valeurs d’adhérence d’une suite du plan

Dans \(\mathbb{R}^2\), on définit pour \(n \geqslant 1\) :

\[ u_n = \Bigl(\cos\frac{n\pi}{3},\ (-1)^n \frac{n}{n + 1}\Bigr). \]

  1. Calculer les limites des six suites extraites \((u_{6k + r})_k\), pour \(r \in \{0, 1, 2, 3, 4, 5\}\).
  2. En déduire l’ensemble des valeurs d’adhérence de \((u_n)\).
  3. La suite \((u_n)\) converge-t-elle ? Est-elle bornée ?

Exercice 6 – Une partie bornée du plan

On note \(A\) l’ensemble des points \((x, y)\) du plan qui vérifient \(x^2 – xy + y^2 \leqslant 6\). Cette partie est représentée ci-dessous.

Partie du plan délimitée par l'ellipse inclinée d'équation x carré moins xy plus y carré égal 6
  1. Prouver l’inégalité \(2(x^2 – xy + y^2) \geqslant x^2 + y^2\) pour tous réels \(x\) et \(y\).
  2. En déduire que \(A\) est bornée pour \(\|\cdot\|_2\), avec \(\|(x, y)\|_2 \leqslant 2\sqrt{3}\) sur \(A\).
  3. Montrer que la constante \(2\sqrt{3}\) est atteinte. La partie \(A\) est-elle bornée pour \(\|\cdot\|_1\) ?

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Deux normes sur les polynômes de degré au plus 2

Sur \(E = \mathbb{R}_2[X]\), on pose :

\[ N_1(P) = \int_0^1 |P(t)|\,\mathrm{d}t, \qquad N_2(P) = |P(0)| + |P(1)| + |P(2)|. \]

  1. Montrer que \(N_1\) et \(N_2\) sont des normes sur \(E\).
  2. L’application \(N_2\) est-elle une norme sur \(\mathbb{R}_3[X]\) ?
  3. Calculer \(N_1(P)\) et \(N_2(P)\) pour \(P = X^2 – X\).
  4. Justifier sans calcul l’existence d’un réel \(c > 0\) tel que \(N_1 \leqslant c\, N_2\) sur \(E\).

Exercice 8 – Une norme sur les fonctions de classe C1

Sur l’espace \(E\) des fonctions réelles de classe \(C^1\) sur \([0, 1]\), on associe à chaque \(f\) le réel \(N(f) = \|f^{\prime}\|_\infty + \bigl|f(\tfrac{1}{2})\bigr|\).

  1. Établir que \(N\) vérifie les trois axiomes d’une norme.
  2. Prouver l’inégalité \(\|f\|_\infty \leqslant |f(\tfrac{1}{2})| + \tfrac{1}{2}\|f^{\prime}\|_\infty\), puis comparer \(\|f\|_\infty\) et \(N(f)\).
  3. Les normes \(N\) et \(\|\cdot\|_\infty\) sont-elles équivalentes sur \(E\) ?
  4. On note \(M(f)\) le plus grand des deux nombres \(\|f\|_\infty\) et \(\|f^{\prime}\|_\infty\). Prouver que \(M\) et \(N\) sont équivalentes.

Exercice 9 – Meilleures constantes entre normes usuelles

Soit \(n \geqslant 2\).

  1. Montrer que \(\|x\|_2 \leqslant \|x\|_1 \leqslant \sqrt{n}\,\|x\|_2\) pour tout \(x \in \mathbb{K}^n\).
  2. Déterminer les cas d’égalité dans chacune des deux inégalités.
  3. En déduire que \(1\) et \(\sqrt{n}\) sont les meilleures constantes possibles.

Exercice 10 – Une bosse qui glisse vers l’origine

Dans \(C([0, 1], \mathbb{R})\), on pose \(f_n(t) = n t\, e^{-nt}\) pour \(n \geqslant 1\).

Graphes de n t exponentielle de moins n t pour quatre valeurs de n, bosses de même hauteur qui se rapprochent de 0
  1. Calculer \(\|f_n\|_\infty\).
  2. Calculer \(\|f_n\|_1\) et montrer que \(f_n \to 0\) pour \(\|\cdot\|_1\).
  3. Montrer que \(\|g\|_2^2 \leqslant \|g\|_\infty \|g\|_1\) pour toute \(g\) continue sur \([0, 1]\). En déduire que \(f_n \to 0\) pour \(\|\cdot\|_2\).
  4. Montrer que \((f_n)\) ne converge pour \(\|\cdot\|_\infty\) vers aucune fonction.

Exercice 11 – Normes non équivalentes sur les polynômes

À un polynôme réel \(P\), de coefficients \(a_0, \dots, a_d\), on associe deux nombres : la somme \(N_c(P)\) des valeurs absolues de ses coefficients, et le maximum \(N_s(P)\) de \(|P|\) sur le segment \([0, 1]\).

  1. Vérifier que \(N_c\) et \(N_s\) définissent deux normes sur \(\mathbb{R}[X]\).
  2. Montrer que \(N_s \leqslant N_c\).
  3. Calculer \(N_s(P_n)\) et \(N_c(P_n)\) pour \(P_n = (1 – X)^n\). Conclure.
  4. Trouver une suite de polynômes qui tend vers 0 pour \(N_s\) mais dont la norme \(N_c\) tend vers \(+\infty\).

Exercice 12 – Convergence dans un produit d’espaces normés

On munit \(\mathbb{R}^2\) de \(\|\cdot\|_1\) et \(F = C([0, 1], \mathbb{R})\) de \(\|\cdot\|_\infty\). Sur \(\mathbb{R}^2 \times F\), on considère la norme produit \(N(x, f) = \max\bigl(\|x\|_1, \|f\|_\infty\bigr)\).

  1. Justifier que la convergence de \((x_n, f_n)\) vers \((x, f)\) pour \(N\) équivaut à celle de chacune de ses deux composantes, dans son propre espace.
  2. On pose \(x_n = \bigl(\frac{1}{n},\ 2 + \frac{(-1)^n}{n}\bigr)\) et \(f_n(t) = \dfrac{t}{1 + nt}\) pour \(n \geqslant 1\). Calculer \(\|f_n\|_\infty\).
  3. Étudier la convergence de \((x_n, f_n)\) et montrer que cette suite est bornée.

Exercice 13 – Suites extraites paires et impaires

Soit \((E, N)\) un espace normé et \((u_n)\) une suite de \(E\).

  1. Montrer que si \((u_{2n})\) et \((u_{2n+1})\) convergent vers une même limite \(\ell\), alors \((u_n)\) converge vers \(\ell\).
  2. Dans \(\mathbb{R}^2\), on pose \(v_n = \Bigl(\dfrac{n + (-1)^n}{n + 1},\ \sin\dfrac{n\pi}{2}\Bigr)\). Déterminer toutes les valeurs d’adhérence de \((v_n)\).
  3. On pose \(w_n = \Bigl(\dfrac{n + (-1)^n}{n + 1},\ \dfrac{1}{n + 1}\sin\dfrac{n\pi}{2}\Bigr)\). Montrer à l’aide de la question 1 que \((w_n)\) converge et donner sa limite.

Exercice 14 – Une norme sous-multiplicative sur les matrices

Pour \(A = (a_{ij}) \in M_n(\mathbb{K})\), on pose \(\nu(A) = \sum_{i,j} |a_{ij}|\).

  1. Justifier que \(\nu\) est une norme et montrer que \(\nu(AB) \leqslant \nu(A)\,\nu(B)\).
  2. Soit \(A = \dfrac{1}{10}\begin{pmatrix} 2 & 3 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}\). Montrer que \(A^k \to 0\) quand \(k \to +\infty\).
  3. Calculer \((I_2 – A)^{-1}\).
  4. On pose \(S_p = \sum_{k=0}^{p} A^k\). Montrer que \(S_p \to (I_2 – A)^{-1}\).

Exercice 15 – Inclusion de deux boules fermées

Soit \((E, N)\) un espace normé non réduit à \(\{0\}\), \(a, b \in E\) et \(r, s > 0\).

  1. Montrer que \(B_f(a, r) \subset B_f(b, s)\) si et seulement si \(N(a – b) + r \leqslant s\).
  2. Dans \(\mathbb{R}^2\), on prend \(a = (0, 0)\), \(r = 1\), \(b = \bigl(\frac{1}{2}, \frac{1}{4}\bigr)\) et \(s = \frac{3}{2}\). L’inclusion a-t-elle lieu pour \(\|\cdot\|_\infty\) ? Pour \(\|\cdot\|_1\) ?
  3. Dans le cas où elle échoue, exhiber un point de \(B_f(a, r)\) hors de \(B_f(b, s)\).

Pour approfondir

Exercice 16 – Comparer les normes 1, 2 et infinie sur les fonctions continues

On travaille dans \(E = C([0, 1], \mathbb{R})\).

  1. Établir, pour toute \(f \in E\), les deux inégalités \(\|f\|_2 \geqslant \|f\|_1\) et \(\|f\|_\infty \geqslant \|f\|_2\).
  2. Pour \(n \geqslant 1\), soit \(f_n(t) = \max(0,\ 1 – nt)\). Calculer \(\|f_n\|_1\), \(\|f_n\|_2\) et \(\|f_n\|_\infty\).
  3. En déduire que deux quelconques des trois normes ne sont jamais équivalentes.
  4. Soit \(h_n = \sqrt{n}\, f_n\). Montrer que \(h_n \to 0\) pour \(\|\cdot\|_1\), mais pas pour \(\|\cdot\|_2\).

Exercice 17 – Normes à poids sur les fonctions continues

Soit \(E = C([0, 1], \mathbb{R})\) et \(g \in E\). Pour \(f \in E\), on pose \(N_g(f) = \|fg\|_\infty\).

  1. Montrer que \(N_g\) est toujours une semi-norme.
  2. Montrer que \(N_g\) est une norme si et seulement si \(g\) ne s’annule identiquement sur aucun segment \([c, d]\) avec \(c < d\).
  3. On suppose que \(g\) ne s’annule pas sur \([0, 1]\). Montrer que \(N_g\) et \(\|\cdot\|_\infty\) sont équivalentes.
  4. Dans cette question, \(g(t) = t\). Calculer \(N_g(f_n)\) pour \(f_n(t) = \max(0,\ 1 – nt)\) et conclure.
  5. Plus généralement, montrer que si \(N_g\) est une norme et si \(g\) s’annule en un point \(t_0\), alors \(N_g\) n’est pas équivalente à \(\|\cdot\|_\infty\).

Exercice 18 – Problème sur la norme du maximum d’une fonction affine

Partie A. Pour \((x, y) \in \mathbb{R}^2\), on pose \(N(x, y) = \sup_{t \in [0, 1]} |x + ty|\).

  1. Montrer que \(N(x, y) = \max\bigl(|x|,\ |x + y|\bigr)\).
  2. En déduire que \(N\) est une norme sur \(\mathbb{R}^2\).
  3. Déterminer les sommets de la boule unité fermée de \(N\).
  4. Montrer que \(\frac{1}{2}\|\cdot\|_\infty \leqslant N \leqslant 2\|\cdot\|_\infty\), et que les deux constantes sont optimales.

Partie B. Soit \(d \in \mathbb{N}\). Sur \(\mathbb{R}_d[X]\), on pose \(\sigma(P) = \sup_{t \in [0, 1]} |P(t)|\) et \(\Phi(P) = \max_k |a_k|\), où les \(a_k\) sont les coefficients de \(P\).

  1. Montrer que \(\sigma\) et \(\Phi\) sont des normes sur \(\mathbb{R}_d[X]\) et justifier qu’elles sont équivalentes.
  2. Pour \(d = 1\), relier \(\sigma\) et \(\Phi\) à \(N\) et \(\|\cdot\|_\infty\), puis donner les meilleures constantes.

Partie C. On considère maintenant \(\sigma\) et \(\Phi\) sur \(\mathbb{R}[X]\) tout entier.

  1. Avec \(P_n = (1 – 2X)^n\), montrer qu’il n’existe aucun \(\beta\) tel que \(\Phi \leqslant \beta\, \sigma\).
  2. Avec \(Q_n = 1 + X + \dots + X^n\), montrer qu’il n’existe aucun \(\beta\) tel que \(\sigma \leqslant \beta\, \Phi\).
  3. Conclure, puis expliquer pourquoi ce résultat ne contredit pas la question 5.

Pour aller plus loin

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