Le livret des contre-exemples
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Le livret des contre-exemples



Vue hybride

  1. #1
    invite4793db90

    Le livret des contre-exemples

    Bonjour,

    nous le savons tous : les contre-exemples jouent un rôle fondamental dans notre discipline. Voilà donc un fil qui leur est dédié !

    Pour toute contribution, veuillez trouver un titre explicite afin de faciliter la recherche dans le sommaire suivant (qui sera mis à jour régulièrement) :

    Analyse
    • #2 : Des fonctions continues nulle part dérivables
    • #3 : Fonctions infiniment dérivables non analytiques
    • #9 : Séries convergentes mais dont le produit de Cauchy ne converge pas
    • #10 : Fonction intégrable sur mais admettant une sous-suite tendant vers
    • #15 : Un contre-exemple à l'unicité des solutions pour une équation différentielle ordinaire
    • #16 : Fonctions de classe mais pas
    • #18 : Une application continue, bijective à réciproque non continue
    • #19 : Exemple d'un homéomorphisme de classe qui ne soit pas un -difféomorphisme
    • #20 : Fonction jamais monotone
    • #21 : A propos des caractères continu, uniformément continu et lipschitzien des fonctions
    • #23 : Convergence simple/uniforme de suites de fonctions
    • #26 : Fonction réelle additive non linéaire
    • #27 : Fonction réelle non mesurable Lebesgue

    Algèbre
    • #4 : Anneau intègre noethérien non factoriel
    • #5 : Un cas où la décomposition de Dunford ne fonctionne pas
    • #11 : Corps de caractéristique finie mais de cardinal infini
    • #13 : Exemple de polynômes non nuls admettant un nombre de racines strictement supérieur à leur degré
    • #14 : Morphisme simplifiable à droite qui n’est pas une surjection
    • #22 : Polynôme non nul ayant une infinité de racines.
    • #25 : Différence entre polynôme et fonction polynomiale
    • #34 : Anneau principal non euclidien

    Topologie
    • #6 : Un ensemble connexe mais non connexe par arcs
    • #7 : Un ensemble connexe mais non connexe par arcs (bis)
    • #8 : Espace localement compact non séparé
    • #12 : Une fonction continue de la boule unité dans elle-même n'admettant aucun point fixe
    • #17 : Espace de Baire non complet
    • #24 : La complétude est une notion strictement métrique.
    • #28 : Espace connexe non localement connexe
    • #29 : Espace contractile en un point mais non contractile en un autre.
    • #33 : Complété d'un connexe par arcs non connexe par arcs
    • #38 : Anneau factoriel non principal, anneau factoriel non noethérien
    • #40 : Automorphisme de C non continu

    Logique
    • #39 : Il n'existe pas de théorie logique classique du premier ordre dont les modèles sont les groupes de torsion


    Bien à vous.

    [18/11/06] MàJ : Le sommaire a été découpé en trois parties pour en faciliter la lecture.
    Grâce à vous, le fascicule devient livret.

  2. #2
    invite4793db90

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Des fonctions continues nulle part dérivables.

    Soient et deux nombres réels tels que et . Alors la fonction de Weierstrass


    est continue et nulle part dérivable sur .

    La continuité s'obtient facilement, car la convergence est uniforme. Pour la non-dérivabilité, il y a (beaucoup) plus du travail. On trouvera une preuve partielle (pour et b entier impair) à la page 22 de ce mémoire : Continuous Nowhere Differentiable Functions. Du reste, ce document contient de nombreux autres contre-exemples de fonctions continues mais nulle part dérivables.

    Cordialement.

  3. #3
    GrisBleu

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Fonctions infiniment derivables non analytiques

    En physiques (ou en sciences de l'ingenieur) il est souvent utiles de faire un developement limite d'une fonction puis de l'approcher, localement, par son DL (a un certain ordre).
    Soit
    sur
    ailleurs.

    Il est facile de voir qu'elle est infiniment derivable et qu'en 1 et -1, toutes ses derivees sont nulles.

    Pourtant, elle n'est pas nulle autour de 1. Approcher une telle fonction par son DL, C'est faire une erreure relative infinie !

    Salut
    Dernière modification par GrisBleu ; 24/04/2006 à 06h07.

  4. #4
    invite8b04eba7

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Anneau intègre noetherien non factoriel

    L'anneau est intègre, noetherien, mais non factoriel. En effet, l'unicité de la décomposition en facteurs premiers y fait défaut :


    et les éléments et ne sont pas associés, c'est-à-dire qu'ils ne se déduisent pas l'un de l'autre par multplication par un élément inversible de l'anneau.

    Pour ce qui concerne le caractère noetherien, il suffit de remarquer que cet anneau est isomorphisme à l'anneau quotient , qui, en vertu du théorème de Hilbert, est noetherien.

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    invite8b04eba7

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Un cas où la décomposition de Dunford ne fonctionne pas

    Plaçons nous dans le corps (ou est une indéterminée), et considérons la matrice suivante :


    Supposons qu'il existe une matrice diagonalisable D et une matrice nilpotente N qui commutent telles que A = D+N. Dans ce cas, le spectre de D est égal au spectre de A. Déterminont ce spectre : le polynôme caractéristique de A vaut


    Notons une racine de ce polynôme ; elle vérifie , et donc, au vu de la caractéristique, on a


    Le nombre est donc racine triple du polynôme caractéristique. Ainsi, D est diagonalisable et n'a qu'une seule valeur propre : c'est donc une matrice scalaire. Puisque n'appartient pas à K, D n'appartient pas à et ainsi la décomposition de Dunford échoue sur ce corps pour cette matrice.

    La raison principale pour laquelle la décomposition ne fonctionne pas dans ce corps est que K n'est pas un corps parfait, c'est-à-dire qu'il existe des polynômes irréductibles à coefficients dans ce corps qui ont des racines multiples dans une extension. Les corps finis ou les corps de caractéristique nulle sont quant à eux parfaits, ce qui explique que la décomposition fonctionne dans ces corps.

  7. #6
    invite4793db90

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Un ensemble connexe mais non connexe par arcs

    Soit le graphe de la fonction , c'est-à-dire la partie de définie par .

    L'adhérence de est connexe (comme adhérence d'une partie connexe) mais n'est pas connexe par arcs (il n'existe par exemple pas de chemin entre un point de et un point de ).

    Cordialement.

  8. #7
    invited5b2473a

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Un ensemble connexe mais non connexe par arcs (bis)

    On considère la courbe repérée par l'équation polaire pour et son cercle asymptotique C(O,1).
    Alors est connexe mais pas connexe par arcs.

  9. #8
    invite35452583

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Espace localement compact non séparé

    X=R U {O'} muni de la topologie suivante :
    1) tous les ouverts de R sont des ouverts de X
    2) tous les ouverts de la forme suivante U\{0} U {0'} où U est un ouvert de R contenant 0.

  10. #9
    invited5b2473a

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Séries convergentes mais dont le produit de Cauchy ne converge pas

    Considérons la série de terme , .
    Elle converge car c'est une série relevant du critère spécial des séries alternées.

    Le produit de Cauchy de cette série par elle-même est une série de terme .
    Pour le premier terme, la série converge mais pour le second, elle diverge grossièrement. Donc le produit de Caucy diverge.

  11. #10
    invited5b2473a

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Fonction intégrable sur mais admettant une sous-suite tendant vers

    La fonction est intégrable sur (car positive et on regarde le long des k) mais tend vers quand n tend vers .

  12. #11
    invited5b2473a

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Corps de caractéristique finie mais de cardinal infini


    est un corps de caractéristique deux () mais de cardinal infini (les Xn sont deux à deux distincts et sont dans ce corps).

  13. #12
    invite8b04eba7

    Re : Le fascicule des contre-exemples

    Une fonction continue de la boule unité dans elle-même n'admettant aucun point fixe

    Le théorème de Brouwer assure que toute fonction continue de la boule unité de Rn dans elle-même admet un point fixe. Plus généralement, on peut remplacer "boule unité" par "convexe compact non vide".

    Le résultat est faux en dimension infinie : par exemple, si E désigne l'ensemble des suites réelles de carré sommable, muni de la norme


    et B la boule unité fermée de E, alors l'application T définie par


    est continue, vérifie et n'a pourtant aucun point fixe.

  14. #13
    invite47617937

    Re : Le livret des contre-exemples

    Le mémoire indiqué en réference est absolument remarquable ;je n'ai pas l'intention ni la prétention d'y ajouter grand'chose ; je veux juste me permettre de donner ma propre explication à la citation connue de Darboux "qui se détourne avec horreur des "monstres " que constitueraient les fonctions continues nulle part différentiables" ; Johan Thim , l'auteur du Mémoire s'est évidement posé la question ; on doit se la poser ; pourquoi des esprits aussi affûtés se sont-t'ils montrés si réfractaires ? Johan Thim donne une réponse ; selon lui , les mathématiciens pouvaient vérifier que sur toute "expression" d'une fonction continue - en fait analytique par morceaux - on "voyait bien" qu'il y avait un ensemble très petit de "sales points" ; et de là il était facile de conclure que ces monstres au cas où leur existence était avérée , n'avaient pas leur place au Panthéon ........
    Cette explication ne me satisfait que "très" partiellement ; j'ai fait avec mes étudiants l'expérience suivante:
    Supposez que vous soyez empreints d'une terreur infinie en passant au tableau et devant la question " tracer une courbe continue partout sans dérivée" ; avec l'exemple de la valeur absolue , on suspecte que pour "tracer" un courbe semblable il faut "casser la pente à tout instant " ; d'où la nécessité d'être terrifié ; mais même si vous êtes dans cet état d'esprit , vous constaterez que vous n'y parviendrez pas ; aussi violente que soit votre "terreur", il y aura toujours un petit intervalle de temps dans lequel la courbe que vous voulez tracer aura une tangente en chaque point . Laissons la terreur de côté ; il est tout à fait exclu pour moi que des esprits exceptionnels n'aient pas tenté dans le secret de leur cabinet noir de tracer une courbe de ce genre et il est absolument certain qu'ils avaient perçu la nécessité de casser la pente en tout point . ILs ne pouvaient y parvenir ; un objet que l'on ne peut pas représenter n'existe pas ; d'où sans doute l'"horreur" de Darboux et bien d'autres .
    la question est donc de savoir ou comprendre pourquoi on ne peut pas "tracer " la courbe en question et la raison est simple mais d'une certaine façon pas mathématique ; voilà un jeune étudiant qui voit sa petite amie ( changer les genres , la chose est parfaitement symétrique ) devant lui , assez loin mais sur l'autre trottoir ; il l'appelle mais elle ne l'entend pas ; alors il court jusqu'à un feu qui au moment où il s'apprête à traverser passe au rouge pour les piétons ; évidemment il freine mais s'aperçoit avec horreur qu'il ne peut pas freiner instantanément ! Il y a l'inertie de son corps qui l'en empêche et il ne peut rien contre ça ; du coup l'idylle prévue peut se transformer en catastrophe; laissons là notre étudiant et souhaitons au couple tout le bonheur possible ; en traçant la courbe vous transmetetz à votre main , à votre crayon l'inertie de votre corps et....f=mgamma comme il est bien connu ; si votre crayon obéit ne fût-ce qu'un instant à cette loi , il n'y a pas d'espoir de tracer votre courbe au moins sur un petit intervalle de temps ; c'est tellement vrai que aujourd'hui lesdites courbes se manifestent tous les jours dans des lieux peu recommandables mais utiles mathématiquement , à savoir les cours de Bourse... ET comme chacun devrait le savoir, ces courbes résultent d'une infinité d'impulsions pendant un temps infiniment bref et la Loi de Newton ne s'applique plus .L'humanité est toujours tributaire des conditions de son existence et c'est justement la grandeur de la science de l'en libérer

  15. #14
    invite35452583

    Re : Le livret des contre-exemples

    Anneau facoriel non principal, anneau factoriel non noethérien
    L'anneau de polynômes A[X1,...,Xn,...] est factoriel si A l'est mais non principal si A n'est pas un corps ou si n>1.
    L'anneau de polynômes en une infinité d'indéterminés A[X1,...,Xn,...] est factoriel si A est un anneau factoriel mais non noethérien.
    Plus classique que des contre-exemples précédents mais on les avait oubliés.

    Ils sont factoriels :
    en effet, le théorème de transfert de Gauss montre que si un anneau A' est factoriel A'[X] est facoriel. Ceci montre par une récurrence simple que A[X1,..,Xn] est factoriel. (classique, on peut notamment le trouver à la bibliothèque de ce forum ce lien). Ceci donne en particulier
    Il ne reste plus qu'à montrer (c'est rarement fait) que A[X1,...,Xn,...] est factoriel (pour l'essentiel ceci vient du simple fait que les A[X1,...,Xn] s'injectent dans A[X1,...,Xn,...]) :
     Cliquez pour afficher


    A[X1,...,Xn] n'est pas principal, A[X1,...,Xn,...] n'est pas factoriel

    A[X] n'est pas principal si A n'est pas un corps car X est irréductible mais (X) n'est pas maximal (A[X]/(X)=A qui n'est pas un corps). Or dès que n>2, A[X1,...,Xn]=A[X1,...,Xn-1][Xn] n'est donc pas principal.
    La suite infinie strictement croissante d'idéaux montre que A[X1,...,Xn,...] n'est pas noetherien.

  16. #15
    Médiat

    Re : Le livret des contre-exemples

    Il n'existe pas de théorie (logique classique du premier ordre) dont les modèles sont les groupes de torsion (dont tous les éléments sont d'ordre fini).

    Si vous doutez, essayez d'axiomatiser cette théorie avant d'ouvrir la réponse.

     Cliquez pour afficher
    Je suis Charlie.
    J'affirme péremptoirement que toute affirmation péremptoire est fausse

  17. #16
    invite35452583

    Re : Le livret des contre-exemples

    Automorphisme de C non continu
    Les automorphismes continus de C, pour sa topologie habituelle, sont les deux R-automorphismes l'identité et la conjugaison. Mais, il existe aussi des automorphismes non continus de C.

    On en exhibe un ainsi (on utilise deux fois l'axiome du choix) :
    la démonstration est écrite de telle manière à être compréhensible avec un minimum de connaissance de la théorie des corps
    i) Il existe K un sous-corps de C ne contenant pas maximal pour cette propriété.
     Cliquez pour afficher


    ii) L'extension K->C est algébrique. (donc l'est aussi).
     Cliquez pour afficher


    iii) Tout automorphisme f de s'étend donc en un automorphisme de C.
     Cliquez pour afficher


    iv) Il existe donc un automorphisme de C envoyant sur
     Cliquez pour afficher


    Cet automorphisme n'est continu nulle part (puisque distinct de l'identité et de la conjugaison) et n'est pas Lebesgue-mesurable.

    Pour les références, la seule que j'ai est moins détaillée.

  18. #17
    invite6f007466

    Re : Le livret des contre-exemples

    THeorème de Stone Weierstrass si l'espace de départ n'est pas compact

    Soit f continue sur telle qu'il existe une suite de polynome convergeant uniformément vers f. Alors f est un polynome.

     Cliquez pour afficher

  19. #18
    invite6f007466

    Re : Le livret des contre-exemples

    Un autre assez simple : Deux suites équivalentes telles que les séries associées n'ont pas la meme nature


     Cliquez pour afficher

  20. #19
    inviteac038092

    Re : Le livret des contre-exemples

    La limite d'une suite dépend de la topologie utilisée.

    Exemple: le domaine [0,1]x[0,1] de R² muni de la topologie de la distance et de la topologie de l'ordre lexicographique.

    La suite (1/n, 0) converge vers (0,0) en topologie de la distance et vers (0,1) en topologie de l'ordre lexicographique.
    Dernière modification par Médiat ; 17/09/2010 à 14h43. Motif: Correction à la demande de l'auteur

  21. #20
    invitea07f6506

    Re : Le livret des contre-exemples

    Ca m'étonne que ces contre-exemples n'aient pas déjà été mis. Il est temps d'y remédier

    Une fonction continue, non constante dont la dérivée s'annule presque partout.

     Cliquez pour afficher


    Peut-on faire mieux ? Oui !

    Une fonction continue, strictement croissante dont la dérivée s'annule presque partout.

     Cliquez pour afficher

  22. #21
    Seirios

    Re : Le livret des contre-exemples

    Un espace métrique discret n'est pas nécessairement complet.

     Cliquez pour afficher
    If your method does not solve the problem, change the problem.

  23. #22
    invitea07f6506

    Re : Le livret des contre-exemples

    Est-ce qu'un généreux modo pourrait modifier mon message précédent ? J'ai fait deux erreurs assez embarrassantes...

    Sur la démonstration de la continuité de l'escalier de Cantor : remplacer mon argument (erroné) par :

    * On remarque que est continue à droite. En effet, soit tendant vers par la droite. Nécessairement, la suite va tendre simplement vers la suite , ce qui implique que tend vers . Maintenant, remarquons que le développement trinaire impropre (c'est-à-dire éventuellement avec une suite infinie de , mais pas de suite infinie de ) de , une fois injecté dans la définition de , donne la même valeur que le développement trinaire propre. On montre donc de la même manière que est continue à gauche. Au passage, cette remarque permet aussi de démontrer que .
    Sur l'exemple suivant, que je trouve finalement assez douteux :

    * Soit un réel appartenant à . On peut aussi écrire le développement binaire propre de x de la façon suivante :



    est une suite d'entiers strictement croissante. Cette écriture est liée à celle utilisée pour l'escalier de Cantor de la façon suivante. Si on dispose du développement binaire propre , alors la suite est définie récursivement par , et . Définissons maintenant, pour dans :



    Alors a les propriétés souhaitées.

    Référence : L. Takacs, An increasing continuous singular function, The American Mathematical Monthly, 85 (1978), 35-37.
    Merci d'avance !

  24. #23
    inviteaab66f46

    Re : Le livret des contre-exemples

    Citation Envoyé par pv Voir le message
    La limite d'une suite dépend de la topologie utilisée.

    Exemple: le domaine [0,1]x[0,1] de R² muni de la topologie de la distance et de la topologie de l'ordre lexicographique.

    La suite (1/n, 0) converge vers (0,0) en topologie de la distance et vers (0,1) en topologie de l'ordre lexicographique.
    Je n'arrive pas à la même conclusion que l'auteur dans exemple.

    L'ordre lexixographique est défini par si : ou ( et )
    Une base de la de topologie de l'ordre est composé des intervalle ouverts et des demi-droites semi-ouvertes

    En particulier, dans la topologie de l'ordre, est un voisinage de (0, 0) : c'est la demi droite

    Les éléments de la suite (1/n, 0) n'appartiendrons jamais à ce voisinage. De mon point de vue, avec la topologie de l'ordre, elle n'est pas convergente.

  25. #24
    gg0
    Animateur Mathématiques

    Re : Le livret des contre-exemples

    Bonjour.

    ce ne sont pas les voisinages de (0,0) qu'il faut regarder, mais ceux de (0,1) qui est affirmé comme limite dans ce cas.

    Cordialement.

  26. #25
    inviteaab66f46

    Re : Le livret des contre-exemples

    En effet, merci gg0. J'ai prouvé que la suite ne converge pas vers (0,0) dans la topologie de l'ordre lexicographique mais ça ne prouve pas qu'elle n'est pas convergente.

    Dans la topologie de l'ordre lexicographique, une basde de voisinage de (0, 1) est avec
    Et en effet, pour grand, donc

    Je retire donc ce que j'ai dit

  27. #26
    inviteaf1870ed

    Une fonction réelle qui tend vers zéro à l'infini, mais pas sa dérivée

    On m'a posé cette question récemment : une fonction réelle qui tend vers zéro à l'infini, sa dérivée tend elle aussi vers zéro ?

    Mon contre exemple : f(x)= 1/x * sin(ex)

  28. #27
    Médiat

    Re : Une fonction réelle qui tend vers zéro à l'infini, mais pas sa dérivée

    Théorème d'incomplétude de Gödel

    Toute théorie du premier ordre, récursivement axiomatisable et capable de formaliser l'arithmétique est soit inconsistante, soit incomplète.

    Si on relache la condition "récursivement axiomatisable", on peut prendre la théorie (c'est à dire la théorie des formules du premier ordre vraies dans le modèle , théorie d'un modèle, donc consistante (théorème de complétude de Gödel) et complète (tiers exclu).


    Si on relache la condition "capable de formaliser l'arithmétique", on peut prendre la théorie des ordres linéaires, denses, sans extrémum qui est consistante (théorème de complétude de Gödel : elle admet , pour modèle), et complète (elle est même -catégorique, ce qui se montre trivialement par un argument de va-et-vient).
    Je suis Charlie.
    J'affirme péremptoirement que toute affirmation péremptoire est fausse

  29. #28
    invite8aa3f2a2

    Re : Le livret des contre-exemples

    En analyse , pour la fonction qui est continue et n'est pas dérivable , bah il y'a un exemple de la fonction de weierstrass ; cette fonction est continue partout mais elle n'est pas dérivable
    Images attachées Images attachées  

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