Comment Appliquer le Théorème de Bolzano-Weierstrass

Le théorème de Bolzano-Weierstrass est un pilier de l’analyse réelle. Sa force réside dans sa capacité à garantir l’existence d’une sous-suite convergente sans jamais avoir besoin de la construire explicitement. C’est un argument de compacité fondamental.

Rappel du Théorème

De toute suite réelle bornée, on peut extraire au moins une sous-suite qui converge vers une limite réelle.

La Stratégie d’Utilisation

On applique typiquement le théorème de Bolzano-Weierstrass lorsqu’on se trouve dans la situation suivante :

  1. On dispose d’une suite $(x_n)$ dont on ne connaît pas grand-chose, sauf qu’elle est bornée.
  2. On veut prouver l’existence d’un certain objet (un point, une solution, etc.) ayant une propriété particulière.
  3. L’idée est d’utiliser la limite $c$ de la sous-suite convergente $(x_{\phi(n)})$ garantie par le théorème. On montre ensuite que cette limite $c$ est l’objet recherché.

Exemple Majeur : Le Théorème des Bornes Atteintes

Un des résultats les plus célèbres démontrés grâce à Bolzano-Weierstrass est que toute fonction continue sur un segment est bornée et atteint ses bornes.

Démonstration (pour le maximum)

Théorème : Soit $f$ une fonction continue sur un segment $[a, b]$. Alors il existe $c \in [a, b]$ tel que $f(c) = \sup_{x \in [a, b]} f(x)$.

Preuve :

  1. Construire une suite : Soit $M = \sup_{x \in [a, b]} f(x)$. Par définition du supremum, pour tout entier $n \ge 1$, on peut trouver un élément $x_n \in [a, b]$ tel que $M – \frac{1}{n} < f(x_n) \le M$. (Si $M=+\infty$, on prend $f(x_n) > n$). Par construction, on a une suite de points $(x_n)$ dans $[a, b]$ et on a $\lim_{n \to \infty} f(x_n) = M$.
  2. Appliquer Bolzano-Weierstrass : La suite $(x_n)$ est entièrement contenue dans le segment $[a, b]$, elle est donc bornée. D’après le théorème de Bolzano-Weierstrass, on peut en extraire une sous-suite $(x_{\phi(n)})$ qui converge vers une limite, notée $c$.
  3. Propriétés de la limite : Comme tous les termes $x_{\phi(n)}$ sont dans $[a, b]$, la limite $c$ appartient également à $[a, b]$ (car un segment est un intervalle fermé).
  4. Utiliser la continuité : La fonction $f$ est continue sur $[a, b]$, et en particulier au point $c$. Puisque $x_{\phi(n)} \to c$, la continuité de $f$ implique que $\lim_{n \to \infty} f(x_{\phi(n)}) = f(c)$.
  5. Conclure : La suite $(f(x_{\phi(n)}))$ est une sous-suite de $(f(x_n))$. Or, nous savons que $(f(x_n))$ converge vers $M$. Donc, toute sous-suite extraite doit aussi converger vers $M$. Par unicité de la limite, on a donc $f(c) = M$.

Cela prouve deux choses à la fois :

  • Le supremum $M$ est fini, car $M=f(c)$ et $f(c)$ est un nombre réel. Donc $f$ est majorée.
  • Le supremum est atteint au point $c \in [a,b]$.
La preuve est analogue pour le minimum.