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Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « norme » ?

Définition 5.1 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 5 — Espaces vectoriels normés

Une norme sur EE est une application ∥ ⋅ ∥ ⁣:E→R+\norm{\,\cdot\,} \colon E \to \R_+ vérifiant, pour tous x,y∈Ex, y \in E, λ∈K\lambda \in K :

∥x∥=0  ⟺  x=0,∥λx∥=∣λ∣ ∥x∥,∥x+y∥≤∥x∥+∥y∥.\norm x = 0 \iff x = 0, \qquad \norm{\lambda x} = \abs\lambda\,\norm x, \qquad \norm{x + y} \leq \norm x + \norm y .

Alors d(x,y)=∥x−y∥d(x, y) = \norm{x - y} est une distance, et tout le Chapitre 4 s’applique. L’inégalité triangulaire inversée ∣∥x∥−∥y∥∣≤∥x−y∥\bigl|\norm x - \norm y\bigr| \leq \norm{x - y} rend la norme elle-même 11-lipschitzienne ; l’addition et la multiplication par un scalaire sont continues (estimations ∥(x+y)−(x′+y′)∥≤∥x−x′∥+∥y−y′∥\norm{(x + y) - (x' + y')} \leq \norm{x - x'} + \norm{y - y'}, etc.).

Exemples

Exemple 5.2

Sur KnK^n :

∥x∥1=∑i∣xi∣,∥x∥2=(∑i∣xi∣2)1/2,∥x∥∞=max⁡i∣xi∣\norm{x}_1 = \sum_i \abs{x_i}, \qquad \norm{x}_2 = \Bigl(\sum_i \abs{x_i}^2\Bigr)^{1/2}, \qquad \norm{x}_\infty = \max_i \abs{x_i}

(∥⋅∥2\norm\cdot_2 est une norme d’après Cauchy–Schwarz, volume de première année). Sur C([a, b])C(\intcc{a}{b}) :

∥f∥∞=sup⁡∣f∣,∥f∥1=∫ab∣f∣,∥f∥2=(∫ab∣f∣2)1/2,\norm f_\infty = \sup \abs f, \qquad \norm f_1 = \int_a^b \abs f, \qquad \norm f_2 = \Bigl(\int_a^b \abs f^2\Bigr)^{1/2},

les deux dernières étant des normes grâce à la stricte positivité de l’intégrale et à l’inégalité de Cauchy–Schwarz intégrale (volume de première année). Sur les matrices : n’importe quelle norme sur Mn(K)≃Kn2\mathcal M_n(K) \simeq K^{n^2} ; les normes d’opérateur ci-dessous sont les plus importantes structurellement.

Exemple 5.4 (Non-équivalence en dimension infinie)

Sur C([0, 1])C(\intcc{0}{1}) : ∥f∥1≤∥f∥∞\norm f_1 \leq \norm f_\infty toujours, mais aucune borne inverse ne tient : fn(x)=xnf_n(x) = x^n vérifie ∥fn∥∞=1\norm{f_n}_\infty = 1 et ∥fn∥1=1n+1→0\norm{f_n}_1 = \frac{1}{n+1} \to 0. Ainsi fn→0f_n \to 0 pour ∥⋅∥1\norm\cdot_1 mais pas pour ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty : les deux normes sont en désaccord sur la convergence elle-même.

Exemple 5.5 (Constantes explicites en dimension nn)

Sur KnK^n, les trois normes classiques sont équivalentes avec des constantes optimales :

∥x∥∞≤∥x∥2≤∥x∥1≤n ∥x∥2≤n ∥x∥∞,\norm x_\infty \leq \norm x_2 \leq \norm x_1 \leq \sqrt n\,\norm x_2 \leq n\,\norm x_\infty ,

la borne médiane ∥x∥1≤n∥x∥2\norm x_1 \leq \sqrt n\norm x_2 provenant de Cauchy–Schwarz contre le vecteur constant égal à 11. Vecteurs extrémaux : e1e_1 rend les deux premières inégalités des égalités, (1,1,…,1)(1, 1, \dots, 1) les deux dernières. La dimension nn figure visiblement dans les constantes — la graine quantitative de l’échec en dimension infinie : lorsque n→∞n \to \infty, aucune constante uniforme ne survit, ce qui est exactement ce que l’Exemple 5.4 exhibe sur les espaces de fonctions.

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