Analyse fonctionnelle (mathematiques)

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L'analyse fonctionnelle est la branche des mathématiques et plus particulièrement de l'analyse qui étudie les espaces de fonctions. Elle prend ses racines historiques dans l'étude des transformations telles que la transformation de Fourier et dans l'étude des équations différentielles ou intégro-différentielles.

Le terme fonctionnelle trouve son origine dans le cadre du calcul des variations, pour désigner des fonctions dont les arguments sont des fonctions. Son emploi a été généralisé à de nouveaux domaines par le mathématicien et physicien italien Vito Volterra. Le mathématicien polonais Stefan Banach est souvent considéré comme le fondateur de l'analyse fonctionnelle moderne.

Les espaces de l'analyse fonctionnelle

Les espaces de base de l'analyse fonctionnelle sont les espaces vectoriels normés complets sur le corps des nombres réels ou des nombres complexes. De tels espaces sont appelés les espaces de Banach. Les espaces de Hilbert, constituent un cas particulier important, où la norme est issue d'un produit scalaire. Ces derniers jouent par exemple un rôle important dans la formulation mathématique de la mécanique quantique. L'analyse fonctionnelle peut aussi être effectuée dans un cadre plus général, celui des espaces vectoriels topologiques, tels que les espaces de Fréchet.

Des objets d'étude importants en analyse fonctionnelle sont les opérateurs linéaires définis sur les espaces de Banach et de Hilbert. Ceux-ci mènent naturellement à la définition des C*-algèbres.

Les espaces de Hilbert peuvent être complètement classifiés: il existe un espace de Hilbert unique à un isomorphisme près pour chaque cardinal de la base. Puisque les espaces de Hilbert de dimension finie sont entièrement connus en algèbre linéaire, et puisque la plupart des morphismes d'espaces de Hilbert peuvent être décomposés en morphismes d'espaces de dimension au plus Aleph zéro, l'analyse fonctionnelle des espaces de Hilbert traite surtout de l'unique espace de Hilbert de dimension Aleph zéro, et de ses morphismes. Un des problèmes ouverts en analyse fonctionnelle est de prouver que tout opérateur sur un espace de Hilbert possède un sous-espace propre. Le résultat a déjà été démontré dans beaucoup de cas particuliers.

Les espaces de Banach sont beaucoup plus compliqués à étudier que les espaces de Hilbert. Il n'y a pas de définition claire de ce qui pourrait constituer une base, par exemple.

Pour tout nombre réel p ≥ 1, un exemple d'espace de Banach est donné par l'ensemble de toutes les fonctions mesurables au sens de Lebesgue dont la puissance p-ième de la valeur absolue a une intégrale finie. (voir les espaces L^p).

Dans les espaces de Banach, une grande partie de l'étude implique l'espace dual : l'espace de toutes les formes linéaires continues. Comme en algèbre linéaire, le dual du dual n'est pas toujours isomorphe à l'espace original, mais il y a toujours un morphisme injectif naturel d'un espace dans le dual de son dual. Ceci est expliqué dans l'article sur l'espace dual.

La notion de dérivée est étendue aux fonctions arbitraires entre espaces de Banach via le concept de différentielle ; il en ressort que la différentielle d'une fonction en un certain point est une application linéaire continue.

Ici nous énumérons quelques résultats importants d'analyse fonctionnelle:

• Le principe de la borne uniforme est un résultat sur des ensembles d'opérateurs bornés.
• Le théorème spectral donne une formule intégrale pour les opérateurs normaux sur un espace de Hilbert. Il est d'une importance centrale dans la formulation mathématique de la mécanique quantique.
• Le théorème de Hahn-Banach permet de prolonger des fonctions définies sur un sous-espace à l'espace tout entier, tout en conservant la norme.

L'un des triomphes de l'analyse fonctionnelle fut de montrer que l'atome d'hydrogène était stable.

Voir aussi

• Espace de Hilbert
• Espace de Banach
• Algèbre de Banach
• Espace fonctionnel
• Espace Lp
• Espace de Sobolev

Algèbre linéaire générale
Vecteur • Scalaire • Combinaison linéaire • Espace vectoriel • Matrice
Famille de vecteurs	Colinéarité • Indépendance linéaire • Famille libre • Rang • Famille génératrice • Base • Théorème de la base incomplète
Sous-espace	Somme d'ensembles • Somme directe • Sous-espace supplémentaire • Dimension d'un espace vectoriel • Codimension • Droite • Plan • Hyperplan
Morphisme et notions relatives	Application linéaire • Noyau • Conoyau • Lemme des noyaux • Pseudo-inverse • Théorème de factorisation • Théorème du rang • Équation linéaire • Système d'équations linéaires • Élimination de Gauss-Jordan • Forme linéaire • Espace dual • Orthogonalité • Base duale • Endomorphisme linéaire • Valeur propre, vecteur propre et espace propre • Spectre • Projecteur • Symétrie • Matrice diagonalisable • Endomorphisme nilpotent
En dimension finie	Trace • Déterminant • Polynôme caractéristique • Polynôme d'endomorphisme • Théorème de Cayley-Hamilton • Polynôme minimal d'un endomorphisme • Invariants de similitude • Réduction d'endomorphisme • Réduction de Jordan • Décomposition de Dunford
Enrichissements de structure	Norme • Produit scalaire • Forme quadratique • Espace vectoriel topologique • Orientation • Algèbre sur un corps • Algèbre de Lie • Complexe différentiel
Développements	Théorie des matrices • Représentation de groupe • Analyse fonctionnelle • Algèbre multilinéaire • Module sur un anneau

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