Espace fonctionnel

En mathématiques, un espace fonctionnel est un ensemble d'applications d'une certaine forme d'un ensemble $X$ vers un ensemble $Y$.

Il est appelé « espace » car, selon les cas, il peut être un espace topologique, un espace vectoriel, ou les deux.

Domaines

Les espaces fonctionnels apparaissent dans différents domaines des mathématiques :

• en théorie des ensembles, l'ensemble des parties d'un ensemble $X$ peut être identifié avec l'ensemble des fonctions de $X$ à valeurs dans $\{0, 1\}$, noté $\{0,1\}^X$. Plus généralement, l'ensemble des applications $X\rightarrow Y$ est noté $Y^X$ ;
• en algèbre linéaire, l'ensemble des applications linéaires d'un espace vectoriel $E$ vers un autre $F$ sur un même corps commutatif est lui-même un espace vectoriel ;
• en analyse fonctionnelle, on a la même construction avec les applications linéaires continues, sur des espaces vectoriels topologiques, typiquement : des espaces de fonctions à valeurs réelles ou complexes, munis d'une certaine topologie ; les exemples les plus connus sont les espaces hilbertiens et les espaces de Banach.
• en analyse fonctionnelle, l'ensemble des applications de l'ensemble des entiers naturels dans un ensemble quelconque $X$ est appelé espace de suites. Il est formé de l'ensemble des suites d'éléments de $X$ ;
• en topologie, on peut essayer de construire une topologie sur l'espace des fonctions continues d'un espace topologique $X$ dans un autre $Y$, dont l'utilité dépend de la nature des espaces. Une topologie couramment employée est la topologie compacte-ouverte. Un autre topologie possible est la topologie produit sur l'espace des fonctions (pas nécessairement continues) $Y^X$. Dans ce contexte, cette topologie est aussi désignée sous le nom de topologie de la convergence simple ;
• en topologie algébrique, l'étude de la théorie de l'homotopie repose essentiellement sur l'étude des invariants discrets des espaces de fonctions ;
• en théorie des processus stochastiques, le problème technique de base est comment construire une mesure de probabilité sur un espace de fonctions constitué de chemins de processus (fonctions du temps) ;
• en théorie des catégories, un espace fonctionnel est appelé un objet exponentiel (en). Il apparaît d'une part comme le bifoncteur Hom (en) ; mais en tant que foncteur (simple), du type [X, -], il apparaît comme foncteur adjoint à un foncteur de type (-×X) sur des objets ;
• en lambda-calcul et en programmation fonctionnelle, des types d'espaces de fonctions sont employés pour exprimer l'idée de fonction d'ordre supérieur ;
• en théorie des domaines, l'idée fondamentale est de trouver des constructions à partir d'ordres partiels qui peuvent modéliser le lambda-calcul, en créant une catégorie cartésienne fermée.

Analyse fonctionnelle

Espaces généraux

• un espace localement convexe est un espace vectoriel topologique sur R dont la topologie est définie par une famille de semi-normes (ou de façon équivalente possédant des bases de voisinages convexes) ;
• un espace de Fréchet est un espace localement convexe séparé dont la topologie est définie par une famille dénombrable de semi-normes (ou de façon équivalente : métrisable) et complet (pour n'importe laquelle des distances qui définissent sa topologie) ;
• un espace de Banach est un espace vectoriel normé complet ;
• un espace de Hilbert est un espace de Banach dont la norme est associée à un produit scalaire.

Espaces particuliers

• espace de Schwartz des fonctions de classe $C^\infty$ à décroissance rapide et son dual topologique, l'espace des distributions tempérées ;
• espaces Lp ;
• $\mathcal{K}(\mathbb{R})$ espace des fonctions continues à support compact muni de la norme de la convergence uniforme ;
• $\mathcal{B}(\mathbb{R})$ espace des fonctions continues bornées ;
• $\mathcal{C}_{0}(\mathbb{R})$ espace des fonctions continues qui tendent vers zéro à l'infini ;
• $\mathcal{C}^{\infty}(\mathbb{R})$ espace des fonctions classe $C^\infty$ ;
• $\mathcal{C}^{\infty}_c$ espace des fonctions $C^\infty$ à support compact, muni des normes uniformes de la fonction et de ses dérivées ;
• $\mathcal{D}(\mathbb{R})$ espace des fonctions $C^\infty$ à support compact, muni cette fois d'une certaine topologie limite inductive ;
• $\mathcal{O}_U$ espace des fonctions holomorphes ;
• $W^{k,p}\,$ espaces de Sobolev ;
• applications affines par morceaux ;
• espace des fonctions continues muni de la topologie compacte-ouverte ;
• espace des fonctions muni de la topologie de la convergence simple ;
• espaces de Hardy ;
• espaces de Hölder.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Function space » (voir la liste des auteurs)